賈世魁,董林福
(1.三一重機(jī)有限公司樁機(jī)研究院,江蘇 昆山 215334;2.沈陽工學(xué)院,機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 撫順 113122)
銷釘冷喂料擠出機(jī)與嚙合型雙螺桿擠出機(jī)其特點(diǎn)不同,銷釘冷喂料擠出機(jī)由于在機(jī)筒上插入銷釘,能很好的對物料進(jìn)行剪切、分流及旋轉(zhuǎn),消除普通冷喂料擠出機(jī)塑化時(shí)所存在的核心區(qū),從而以較低的能源消耗,提高塑化混合效果,降低排膠溫度,提升塑化質(zhì)量;嚙合型雙螺桿擠出機(jī)具有良好的混煉效果,自潔能力強(qiáng),產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)。本文在綜合了兩種擠出機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了銷釘雙螺桿擠出機(jī)的理念,即在雙螺桿擠出機(jī)的料筒上,像銷釘擠出機(jī)那樣,插入適當(dāng)?shù)匿N釘,這樣就可以最大限度的發(fā)揮其剪切塑化能力強(qiáng),混合效果好的優(yōu)點(diǎn)。
本文以同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)為研究對象,在擠出段的料筒上插入適當(dāng)?shù)匿N釘,采取兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析,第一種為銷釘對稱布置,即在擠出段對稱布置兩排銷釘,每排10枚銷釘,排距52 mm,第一排銷釘距離擠出段機(jī)筒入口處52 mm,如圖1所示。第二種為非對稱結(jié)構(gòu),在擠出段的每側(cè)機(jī)筒上各插入2排銷釘,整個(gè)機(jī)筒共插入排數(shù)4排銷釘,每排5枚銷釘,排距26 mm,第一排距離擠出段機(jī)筒入口處26 mm,如圖2所示。排數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
銷釘、機(jī)筒、螺桿之間的裝配方式如圖3所示。
運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行分析,其求解過程[1]如圖4所示。
本文重點(diǎn)研究其結(jié)構(gòu)性對銷釘機(jī)筒內(nèi)部流場分布的影響,從而對擠出機(jī)擠出段的工作性能進(jìn)行討論。因此,在不影響分析結(jié)果的情況下,對現(xiàn)有三維模型適當(dāng)進(jìn)行簡化處理,GAMBIT中流體模型如圖5。
取螺桿直徑為Φ130 mm,螺槽深度9.75 mm,物料模型螺桿長度截取為162 mm,且螺桿根部圓角忽略不計(jì)。螺桿兩端分別加有20 mm的緩沖區(qū),模型總長202 mm(z軸方向),高度121 mm(y軸方向),寬度65.5 mm(x軸方向)。坐標(biāo)原點(diǎn)位于下方螺桿中心軸右端位置。
在進(jìn)行模型計(jì)算之前,在GAMBIT中進(jìn)行前處理,分別對對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)、非對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用四面體網(wǎng)格,步長2,網(wǎng)格數(shù)分別為496 231,514 429,513 213。其中非對稱銷釘機(jī)筒內(nèi)部流體網(wǎng)格如圖6所示。
物料參數(shù):膠料為非牛頓流體,其表現(xiàn)黏度與所受剪切速率有關(guān),其中不考慮溫度對黏度的影響,黏度系數(shù)μ0=115 kPa.s,非牛頓指數(shù)n=0.1,密度ρ=925 kg/m3[2]。
邊界條件:機(jī)筒內(nèi)壁為固定壁面,流體與邊界壁面間無滑移。螺桿表面為旋轉(zhuǎn)壁面,雙螺桿轉(zhuǎn)速均為4 rad/s(絕對速度)。圖5中右端設(shè)置為壓力進(jìn)口,壓力值為0,左端設(shè)置為壓力出口,壓力值為1 MPa。
計(jì)算模型與算法選擇:流體為定常流動(dòng),采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算。由于流體黏度大,因此采用層流模型。計(jì)算過程中不考慮溫度因素,不計(jì)算能量方程。離散格式選擇一階迎風(fēng),算法采用SIMPLE算法。松弛因子0.7(默認(rèn)值),監(jiān)測器中連續(xù)性收斂條件殘差值選取1×10-9。
在模型中通過計(jì)算截面加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力評價(jià)雙螺桿銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)的塑化效果,以加權(quán)平均應(yīng)變速率評價(jià)雙螺桿銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)的混合性能。沿z軸方向取截面,分別對銷釘機(jī)筒對稱結(jié)構(gòu)與非對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究。
模型所選取的截面,兩結(jié)構(gòu)螺桿截面相位一致。對于對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu),選取z=52 mm處,為銷釘軸線位置;對于非對稱結(jié)構(gòu),銷釘位于機(jī)筒一側(cè),且軸線與z=52 mm截面重合。以z=52 mm截面為基準(zhǔn)截面,以步長0.05 mm分別向兩側(cè)取截面加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力值,并以三次多項(xiàng)式數(shù)值計(jì)算方法繪制插值曲線,如圖7所示。
圖7 為兩種不同結(jié)構(gòu)的沿z軸方向橫截面上的加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力值分布規(guī)律。z=52 mm截面與銷釘軸線重合的位置,非對稱結(jié)構(gòu)截面上平均剪應(yīng)力值比對稱結(jié)構(gòu)高,但不十分顯著。分別向兩邊延伸,兩條曲線開始下降,可以得出對稱結(jié)構(gòu)應(yīng)力值下降趨勢明顯,梯度較大。下降至z=50.5 mm與z=53.5 mm處,于波谷位置。z=48.15 mm與z=55.85 mm處,由
于橫截面處于剛剛通過銷釘位置處,截面速度變化復(fù)雜,平均剪應(yīng)力值處于波峰,應(yīng)力值較大,塑化效果較好。z=47.15 mm與z=56.85 mm處,截面處于螺桿環(huán)槽與銷釘?shù)拈g隙,平均應(yīng)力值處于波谷位置,應(yīng)力值較小。z=46.15 mm與z=57.85 mm處,截面位于螺棱環(huán)槽邊界位置,由于螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使螺棱環(huán)槽邊界處的加權(quán)平均壁面剪切應(yīng)力值達(dá)到最大,到下一截面突然降低至波谷位置,且對稱結(jié)構(gòu)變化幅度較大。
圖中總體趨勢看來,非對稱結(jié)構(gòu)截面加權(quán)平均剪切應(yīng)力總值大于對稱結(jié)構(gòu)的2.96%,物料所受剪切應(yīng)力值較大,塑化效果較好,且沿z軸方向銷釘附近截面剪切應(yīng)力值分布平緩,梯度變化較為平穩(wěn),對稱結(jié)構(gòu)平均剪切應(yīng)力值變化幅度較大。
圖8為兩種不同結(jié)構(gòu)的沿z軸方向橫截面上的加權(quán)平均應(yīng)變速率分布規(guī)律。從宏觀上看,與加權(quán)平均剪應(yīng)力的分布趨勢類似。經(jīng)計(jì)算,非對稱結(jié)構(gòu)加權(quán)平均應(yīng)變速率總值大于對
稱結(jié)構(gòu)的7.66%,混合效果好,沿z軸方向應(yīng)變速率分布平緩,梯度變化較平穩(wěn)。z=52 mm處,非對稱結(jié)構(gòu)應(yīng)變速率明顯高于對稱結(jié)構(gòu),分別向兩邊延伸觀察,在銷釘截面區(qū)域的應(yīng)變速率變化不十分明顯。z=46.15 mm與z=57.85 mm處,截面位于螺棱環(huán)槽邊界位置,加權(quán)平均應(yīng)變速率值達(dá)到最大,下一截面突然降低至波谷位置,且對稱結(jié)構(gòu)變化幅度較大。
模型仿真對雙螺桿擠出機(jī)擠出段工作過程建立數(shù)學(xué)模型,計(jì)算收斂后,分別對速度場進(jìn)行分析。非對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)能夠保證在任意橫截面位置,始終有一側(cè)螺桿螺棱在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),經(jīng)過銷釘位置時(shí),能夠有良好的自潔性能。最后用塑化混合性能評價(jià)對非對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)與對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出非對稱結(jié)構(gòu)具有比較良好塑化混合性能,加工混煉過程較為穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
本論文在同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)基礎(chǔ)上,根據(jù)螺桿擠出機(jī)數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)研究了銷釘機(jī)筒雙螺桿擠出機(jī)擠出段部分,運(yùn)用FLUENT軟件對其不同結(jié)構(gòu)下的流場進(jìn)行了分析比較,并分析了不同銷釘排布結(jié)構(gòu)的混合效果:對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu)的銷釘軸線所處截面位置,無螺桿間嚙合區(qū)域,自潔性能下降;非對稱銷釘機(jī)筒結(jié)構(gòu),即銷釘處存在螺桿間嚙合區(qū)域,又能夠形成高度剪切區(qū),打亂螺槽間的核心區(qū),增加混煉能力;銷釘附近截面,非對稱結(jié)構(gòu)加權(quán)平均剪切應(yīng)力值與加權(quán)平均應(yīng)變速率總值大于對稱結(jié)構(gòu),塑化混合效果較好,且沿z軸方向銷釘附近截面剪切應(yīng)力值分布平緩,梯度變化較平穩(wěn)。