張文豪，班傳文，李松梅

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266061）

復(fù)合材料常以涂層涂覆的方式來(lái)提高基體的性能。相較于單一組分涂料，雙組份復(fù)合涂料可以通過(guò)改變組份配比來(lái)調(diào)整涂層的性能，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用。雙組份復(fù)合涂料的混合均勻度對(duì)涂層的性能有較大影響，提升攪拌螺桿對(duì)復(fù)合涂料的攪拌程度，可有效提高涂層的性能。因此，確定合適的攪拌螺桿參數(shù)是提高雙組份復(fù)合涂料涂覆技術(shù)的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)攪拌螺桿的特性參數(shù)做了許多研究。例如：張凱杰等[1]采用離散元法模擬了不同轉(zhuǎn)速下回轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)離散元法可用于定量研究顆粒在空間中的運(yùn)動(dòng)，且容易找到最佳轉(zhuǎn)速。廖澤楚等[2]采用離散元法模擬混凝土在攪拌機(jī)中的攪拌過(guò)程，研究了雙筒螺帶式混凝土攪拌機(jī)的混合效率，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速較高時(shí)其混合效率較高。庾正偉等[3]選取2組形狀和密度差異較大的顆粒，采用盤(pán)式混料機(jī)進(jìn)行混合，系統(tǒng)地研究了顆粒潤(rùn)濕劑用量、混合時(shí)間、混合轉(zhuǎn)速和料罐填充率對(duì)物料混合度的影響。Simons等[4]利用離散元法對(duì)工業(yè)攪拌器中固體的混合均勻性進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。Meysam等[5]采用混合度指數(shù)定量地評(píng)價(jià)了工業(yè)攪拌機(jī)的相關(guān)參數(shù)對(duì)攪拌均勻性的影響。陳淵召等[6]針對(duì)螺旋帶葉片攪拌機(jī)的攪拌特性進(jìn)行了研究。蘭海鵬等[7]基于離散元法，以物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為指標(biāo)對(duì)混合機(jī)中物料顆粒的混合程度進(jìn)行了評(píng)估，得到顆粒混合程度與混合機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圈數(shù)符合指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。但是，上述研究只對(duì)攪拌裝置的攪拌速率進(jìn)行了分析，并未分析其他影響復(fù)合涂料攪拌過(guò)程的因素。

為解決上述問(wèn)題，筆者擬利用離散元法對(duì)雙組份復(fù)合涂料的攪拌過(guò)程進(jìn)行研究。以混合銷釘式攪拌螺桿為對(duì)象，通過(guò)仿真分析不同螺桿參數(shù)對(duì)雙組份復(fù)合涂料各組份的顆粒數(shù)量、體積分布和混合均勻度的影響，旨在為攪拌螺桿結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)的確定提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 攪拌螺桿三維模型及復(fù)合涂料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 攪拌螺桿三維模型構(gòu)建

新型混合銷釘式攪拌螺桿是一種可用于攪拌、混合雙組份復(fù)合涂料的裝置，其工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，主要由筒體、螺桿、混合銷釘、進(jìn)料口和出料口組成。其中：螺桿中部螺旋部分被切割為周向均勻隔開(kāi)的3個(gè)齒面，各齒面的角度為60°；斷開(kāi)的每2個(gè)齒面之間均設(shè)有1個(gè)混合銷釘?；旌箱N釘式攪拌螺桿的尺寸如下：筒體的長(zhǎng)度為1 000 mm，內(nèi)徑為150 mm，外徑為160 mm；進(jìn)料口為80 mm×80 mm的正方形；出料口為直徑等于50 mm的圓形；螺桿的總長(zhǎng)度為1 140 mm，螺旋部分的長(zhǎng)度為950 mm，小徑為60 mm，大徑為148 mm，葉片螺旋升角為46°?；谏鲜鰩缀螀?shù)，利用Pro/E三維軟件構(gòu)建混合銷釘式攪拌螺桿的三維模型，如圖1所示，并以STEP格式導(dǎo)出。

圖1 混合銷釘式攪拌螺桿三維模型Fig.1 Three-dimensional model of mixed pin type stirring screw

1.2 復(fù)合涂料混合均勻度分析

2種組份的顆粒在攪拌螺桿中攪拌時(shí)通過(guò)分散、交叉融合來(lái)實(shí)現(xiàn)混合，顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可大致分為3個(gè)階段：對(duì)流、剪切和擴(kuò)散[8]。在二元混合中，離散系數(shù)能較客觀地反映顆粒的混合情況，可用于計(jì)算攪拌裝置內(nèi)顆粒的軸向混合均勻度[9]。

本文采用數(shù)學(xué)模型[10]計(jì)算A組份顆粒的混合均勻度。取k組數(shù)據(jù)樣本，樣本i中A組份顆粒的數(shù)量為ni，總顆粒數(shù)為Ni，則該顆粒的離散系數(shù)為Cv為：

離散系數(shù)Cv反映了攪拌螺桿內(nèi)顆粒的混合均勻度，其值越小說(shuō)明攪拌效果越好[11]。

2 攪拌螺桿和復(fù)合涂料仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 材料參數(shù)和接觸參數(shù)

將混合銷釘式攪拌螺桿三維模型導(dǎo)入EDEM軟件，并設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)。其中，螺桿和筒體采用的材料是304不銹鋼，螺桿表面及筒體內(nèi)壁涂覆聚四氟乙烯材料。設(shè)置螺桿及復(fù)合涂料顆粒的材料本征參數(shù)和接觸參數(shù)[12-13]，分別如表1和表2所示。

表1 螺桿和復(fù)合涂料顆粒的材料本征參數(shù)Table 1 Material intrinsic parameters of screw and composite coating particles

表2 螺桿和復(fù)合涂料顆粒的接觸參數(shù)Table 2 Contact parameters of screw and composite coating particles

2.2 復(fù)合涂料顆粒屬性

雙組份復(fù)合涂料各組份顆粒非常接近球形，其體積比為A∶B=1.6∶1；A、B組份顆粒的半徑分別為3.2，2 mm，在仿真時(shí)將尺寸設(shè)置為服從正態(tài)分布（平均值為1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05）。此外，本文的2種組份顆粒具有一定的黏性，需要考慮顆粒間黏結(jié)力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響[14]，故選用Hertz-Mindlin with JKR模型[15]來(lái)模擬2種組份顆粒自身以及與螺桿的接觸。

3 復(fù)合涂料攪拌過(guò)程仿真分析

影響混合銷釘式攪拌螺桿對(duì)雙組份復(fù)合涂料攪拌效果的因素有很多，其中主要因素有螺桿的轉(zhuǎn)速、螺距以及長(zhǎng)徑比。本文通過(guò)采用單因素控制法，研究在不同螺桿參數(shù)下復(fù)合涂料的攪拌效果。在EDEM軟件中，通過(guò)顆粒工廠來(lái)控制兩組份的進(jìn)料速度，實(shí)現(xiàn)兩組份顆粒以質(zhì)量分?jǐn)?shù)5∶1的比例均勻進(jìn)料。將A組份顆粒著色為藍(lán)色，B組份顆粒著色為綠色，以便觀察2種組份顆粒攪拌情況。

為了對(duì)比不同螺桿參數(shù)對(duì)復(fù)合涂料混合均勻度的影響，在攪拌螺桿出料口的上方區(qū)域劃分5×5×2個(gè)網(wǎng)格，總體尺寸設(shè)置為150 mm×150 mm×50 mm并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)用MATLAB軟件剔除顆粒數(shù)量少于10的網(wǎng)格，以降低誤差，而后利用式（1）計(jì)算不同螺桿參數(shù)下各組份顆粒的離散系數(shù)。

3.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)混合均勻度的影響

以螺桿轉(zhuǎn)速為控制變量（螺距為80 mm，長(zhǎng)徑比為5.57∶1），令轉(zhuǎn)速分別為150，200，250 r/min，攪拌時(shí)間均為25 s，在EDEM軟件中對(duì)復(fù)合涂料攪拌過(guò)程進(jìn)行仿真分析。待穩(wěn)定出料后，得到兩組份顆粒的混合狀態(tài)和A組份的體積分布，分別如圖2和圖3所示。通過(guò)分析可知，在螺桿帶動(dòng)下，兩組份顆粒作拋撒運(yùn)動(dòng)；隨著轉(zhuǎn)速的增大，顆粒的拋撒速度增大，導(dǎo)致其在螺桿中的黏結(jié)區(qū)域不斷減小，但是轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍后，兩組份顆粒的混合均勻度顯著降低。觀察發(fā)現(xiàn)，在螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min的條件下，復(fù)合涂料兩組份顆粒的推動(dòng)與混合速率較為穩(wěn)定，攪拌效果最好。

圖2 不同螺桿轉(zhuǎn)速下兩組份顆粒的混合狀態(tài)Fig.2 Mixing state of two component particles at different screw rotation speeds

圖3 不同螺桿轉(zhuǎn)速下A組份的體積分布Fig.3 Volume distribution of component A at different screw rotation speeds

不同螺桿轉(zhuǎn)速下復(fù)合涂料兩組份顆粒的總數(shù)量和A組份顆粒離散系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線分別如圖4和圖5所示。由圖可知，在3種螺桿轉(zhuǎn)速下，攪拌螺桿均能穩(wěn)定出料；隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，A組份顆粒的離散系數(shù)減小并逐漸趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速對(duì)提高復(fù)合涂料混合均勻度的作用不大。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，A組份顆粒的離散系數(shù)最小，且波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，復(fù)合涂料的攪拌效果最好。

圖4 不同螺桿轉(zhuǎn)速下兩組份顆?？倲?shù)量隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Variation curve of total number of two component particles with time at different screw rotation speeds

圖5 不同螺桿轉(zhuǎn)速下A組份顆粒離散系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Variation curve of particle dispersion coefficient of component A with time at different screw rotation speeds

3.2 螺桿螺距對(duì)混合均勻度的影響

以螺桿螺距為控制變量（轉(zhuǎn)速為200 r/min，長(zhǎng)徑比為5.57∶1），令螺距為60，70，80 mm，攪拌時(shí)間均為25 s，在EDEM軟件中對(duì)復(fù)合涂料攪拌過(guò)程進(jìn)行仿真分析。待穩(wěn)定出料后，得到兩組份顆粒的混合狀態(tài)和A組份的體積分布，分別如圖6和圖7所示。通過(guò)分析可知，由于螺旋葉片之間空隙增加，顆粒在螺旋葉片的帶動(dòng)下到達(dá)最高點(diǎn)，使得拋撒距離增加，復(fù)合涂料的攪拌效果明顯提高；當(dāng)螺距為80 mm時(shí)，復(fù)合涂料的攪拌效果最好。

圖6 不同螺桿螺距下兩組份顆粒的混合狀態(tài)Fig.6 Mixing state of two component particles under different screw pitches

圖7 不同螺桿螺距下A組份的體積分布Fig.7 Volume distribution of component A under different screw pitches

不同螺桿螺距下復(fù)合涂料兩組份顆粒的總數(shù)量和A組份顆粒離散系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線分別如圖8和圖9所示。由圖可知，在3種螺桿螺距下，攪拌螺桿均能穩(wěn)定出料；隨著螺桿螺距的增加，A組份顆粒的離散系數(shù)呈下降趨勢(shì)；當(dāng)螺桿螺距為80 mm時(shí)，A組份顆粒的離散系數(shù)最小，即復(fù)合涂料的攪拌效果最好。

圖8 不同螺桿螺距下兩組份顆粒總數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Variation curve of total number of two component particles with time under different screw pitches

圖9 不同螺桿螺距下A組份顆粒離散系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Variation curve of particle dispersion coefficient of component A with time under different screw pitches

3.3 螺桿長(zhǎng)徑比對(duì)混合均勻度的影響

以螺桿長(zhǎng)徑比（直徑相同）為控制變量（轉(zhuǎn)速為200 r/min，螺距為80 mm），令長(zhǎng)徑比分別為4.90∶1，5.57∶1，6.17∶1，攪拌時(shí)間均為25 s，在EDEM軟件中對(duì)復(fù)合涂料攪拌過(guò)程進(jìn)行仿真分析。待穩(wěn)定出料后，得到兩組份顆粒的混合狀態(tài)和A組份的體積分布，分別如圖10和圖11所示。通過(guò)分析可知，隨著螺桿長(zhǎng)徑比的增加，螺桿長(zhǎng)度增加，在相同時(shí)間內(nèi)復(fù)合涂料顆粒的攪拌次數(shù)增多，使得顆粒的黏結(jié)區(qū)域不斷減少，但長(zhǎng)徑比超過(guò)一定值后，兩組份顆粒的混合均勻度顯著降低；當(dāng)螺桿長(zhǎng)徑比為5.57∶1時(shí)，復(fù)合涂料的攪拌效果最好。

圖10 不同螺桿長(zhǎng)徑比下兩組份顆粒的混合狀態(tài)Fig.10 Mixing state of two component particles under different screw aspect ratios

圖11 不同螺桿長(zhǎng)徑比下A組份的體積分布Fig.11 Volume distribution of component A under different screw aspect ratios

不同螺桿長(zhǎng)徑比下復(fù)合涂料兩組份顆?？倲?shù)量和A組份顆粒離散系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線分別如圖12和圖13所示。由圖可知，在3種螺桿長(zhǎng)徑比下，攪拌螺桿均能穩(wěn)定出料；在不同螺桿長(zhǎng)徑比下，隨著攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，A組份顆粒的離散系數(shù)均呈下降趨勢(shì)；當(dāng)長(zhǎng)徑比為5.57∶1時(shí)，A組份顆粒的離散系數(shù)最小，復(fù)合涂料的攪拌效果最好。

圖12 不同螺桿長(zhǎng)徑比下兩組份顆?？倲?shù)量隨時(shí)間的變化曲線Fig.12 Variation curve of total number of two component particles with time under different screw aspect ratios

圖13 不同螺桿長(zhǎng)徑比下A組份顆粒離散系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Variation curve of particle dispersion coefficient of component A with time under different screw aspect ratios

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證用攪拌螺桿自動(dòng)攪拌的雙組份復(fù)合涂料固化后的力學(xué)性能，開(kāi)展單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為2組，分別為手工攪拌和攪拌螺桿自動(dòng)攪拌。根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》（GB/T1448—2005）[16]將基于不同方式攪拌而成的復(fù)合涂料制作成直徑為（10±0.2）mm、高度為（25±0.5）mm的均質(zhì)圓柱體，固化7d后進(jìn)行優(yōu)質(zhì)試樣選取；每組選擇5個(gè)典型試樣，如圖14所示。

圖14 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的復(fù)合涂料試樣Fig.14 Composite coating specimen for uniaxial compression test

在室溫（25℃）環(huán)境下，以2 mm/min的加載速度對(duì)復(fù)合涂料試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。試樣平均應(yīng)力隨應(yīng)變的變化曲線如圖15所示，可知攪拌螺桿自動(dòng)攪拌擠出的試樣固化后壓縮應(yīng)力高于手工攪拌的試樣，故參數(shù)優(yōu)化后攪拌螺桿自動(dòng)攪拌擠出的復(fù)合涂料的力學(xué)性能滿足使用需求。

圖15 不同攪拌方法下復(fù)合涂料試樣平均應(yīng)力的變化曲線Fig.15 Variation curve of average stress of composite coating specimen with different stirring methods

4 結(jié) 論

利用Pro/E三維軟件建立了混合銷釘式攪拌螺桿的三維模型并導(dǎo)入EDEM軟件，然后基于離散元法對(duì)雙組份復(fù)合涂料在不同螺桿參數(shù)下的攪拌過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，并運(yùn)用MATLAB軟件求解了A組份顆粒離散系數(shù)的變化趨勢(shì)，考察了螺桿轉(zhuǎn)速、螺距和長(zhǎng)徑比對(duì)復(fù)合涂料混合均勻度的影響，所得結(jié)論如下：

1）螺桿轉(zhuǎn)速通過(guò)改變顆粒拋撒速度來(lái)影響復(fù)合涂料的混合均勻度；螺距通過(guò)改變螺旋葉片間隙來(lái)影響顆粒的拋撒距離，從而影響復(fù)合涂料的混合均勻度；長(zhǎng)徑比通過(guò)改變螺桿長(zhǎng)度來(lái)影響復(fù)合涂料的混合均勻度；當(dāng)穩(wěn)定出料后，在螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min、螺距為80 mm以及長(zhǎng)徑比為5.57∶1時(shí)，A組份顆粒的離散系數(shù)最小，復(fù)合涂料的攪拌效果最好。

2）對(duì)通過(guò)手工攪拌和攪拌螺桿自動(dòng)攪拌方式制備的雙組份復(fù)合涂料試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，螺桿參數(shù)優(yōu)化后混合銷釘式攪拌螺桿所攪拌的復(fù)合涂料的力學(xué)性能滿足使用需求，且優(yōu)于手工攪拌方式所制備的。