潘海江,胡小秋,趙良友,劉志濤

(1.南京理工大學(xué), 南京 210094; 2.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司, 四川 瀘州 646105)

0 引言

多孔發(fā)射藥具有良好的燃燒性能,已廣泛應(yīng)用于大口徑火炮武器中[1]。螺旋壓伸工藝具有連續(xù)性好、擠出藥料質(zhì)量更加密實(shí)和均勻,自動化程度高等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于發(fā)射藥、推進(jìn)劑等活火炸藥的生產(chǎn)中。

作為良好且高效的發(fā)射藥生產(chǎn)設(shè)備,螺桿擠壓機(jī)成為眾多學(xué)者的研究對象,因此螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝得到不斷地改善,使設(shè)備的性能大幅提高。韓民園[2]通過正交試驗(yàn),對壓縮比、螺桿頭錐度、螺距、螺桿直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了理想的螺桿參數(shù)組合。劉鑒鈺[3]對秸稈預(yù)處理設(shè)備的螺桿進(jìn)行分析與優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)鋸齒形或者雙楔形螺紋牙型可以有效改善螺桿受力情況。

目前,對螺桿擠壓機(jī)的研究主要集中在螺桿結(jié)構(gòu)上,而對多出口模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化相對較少。生產(chǎn)發(fā)射藥的螺桿擠壓機(jī)多出口模具可以參照橡塑行業(yè)的多頭擠壓機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),合肥匯東橡塑有限公司[4]設(shè)計(jì)了一種多頭橡塑擠壓機(jī)頭連接于擠出機(jī)的擠出腔,可根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)外徑更換不同型號的模具,實(shí)現(xiàn)多個產(chǎn)品同時生產(chǎn)。此外,雙基發(fā)射藥的螺桿擠壓成型過程伴隨著高溫高壓,所以多出口模具的設(shè)計(jì)要考慮對發(fā)射藥流動狀態(tài)的影響。

基于現(xiàn)有的單出口螺桿擠壓機(jī),本研究中對螺桿擠壓機(jī)多出口模具進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,旨在提高螺桿擠壓機(jī)的生產(chǎn)效率,擴(kuò)大螺桿擠壓機(jī)的適應(yīng)性。為節(jié)約時間和成本,利用有限元仿真軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬,分析出口數(shù)目、模具長度和模具收縮角對發(fā)射藥擠出的影響,并通過正交實(shí)驗(yàn)得到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,提高產(chǎn)量和擴(kuò)大設(shè)備適應(yīng)性。

1 發(fā)射藥擠壓過程流體仿真

為保證實(shí)驗(yàn)的安全性,本文利用有限元仿真軟件Fluent進(jìn)行仿真分析,對螺桿擠壓機(jī)多出口模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化。仿真可以觀測到發(fā)射藥在機(jī)器內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力、溫度、速度等參數(shù),有利于更全面地把握發(fā)射藥的流動狀態(tài)。

1.1 幾何模型

圖1是4個出口螺桿擠壓機(jī)三維模型示意圖,機(jī)器生產(chǎn)發(fā)射藥的過程大致為:藥料從入口進(jìn)入機(jī)器,跟隨螺桿轉(zhuǎn)動前進(jìn),在螺桿剪切和套筒加熱的作用下,其狀態(tài)也逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài),最后經(jīng)過機(jī)頭段模具出口通道,按照模具內(nèi)腔形狀擠出。

多出口擠壓機(jī)的出口通道按圓周均勻分布,分布圓半徑為40 mm,這樣發(fā)射藥從每個出口擠出的狀態(tài)是相同的。表1為螺桿的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 螺桿擠壓機(jī)模型示意圖

表1 螺桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

將建立好的螺桿擠壓機(jī)三維模型導(dǎo)入Fluent中,抽取出幾何流道,由于流道形狀比較復(fù)雜,所以選擇四面體網(wǎng)格劃分,得到如圖2的網(wǎng)格模型以及圖3的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2 流道網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 網(wǎng)格參數(shù)圖

網(wǎng)格偏度會影響仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,嚴(yán)重的會導(dǎo)致計(jì)算不收斂,所以有必要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量分析,結(jié)果如圖3所示。最大偏度不超過0.98,平均偏度為0.231,網(wǎng)格質(zhì)量良好,所以仿真計(jì)算結(jié)果收斂且可靠。

1.3 材料參數(shù)

1) 藥料參數(shù):發(fā)射藥屬于非牛頓流體中的假塑性流體,具有“高溫變稀”和“剪切變稀”的特點(diǎn)。表征發(fā)射藥溫度和黏度之間關(guān)系式為[5]

(1)

而剪切速率和剪切黏度之間的變化規(guī)律符合Bird-Carreau模型。結(jié)合式(1),可以推導(dǎo)得到發(fā)射藥黏度、溫度以及剪切速率這三者之間的關(guān)系式為

(2)

本文中設(shè)定零剪切黏度η0為8.07×105Pa·s,無窮剪切黏度η∞為4 004 Pa·s,時間常數(shù)λ為-0.25,非牛頓指數(shù)n為0.14,活化能與熱力學(xué)常數(shù)之比α為3 452,參考溫度Tα為375 K[5]。

2) 螺桿擠壓機(jī)各個部件參數(shù)如表2所示。

表2 螺桿擠壓機(jī)部件參數(shù)

1.4 邊界條件設(shè)定

為了減小計(jì)算難度,節(jié)約計(jì)算時間,需要對擠壓過程中的某些環(huán)境工況、自身參數(shù)進(jìn)行簡化,做如下假設(shè):

1) 發(fā)射藥為不可壓縮的高密度非牛頓流體,擠壓過程中密度為定值。

2) 藥料與流道壁面之間沒有壁面滑移。

3) 藥料黏度大且擠壓方向?yàn)樗?所以忽略重力和慣性力的影響。

4) 藥料流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)層流,擠壓時充分流動。

5) 整個擠壓過程為等溫流動,且考慮溫度對黏度的影響。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上,設(shè)定螺桿以1.5 r/min的速度轉(zhuǎn)動,套筒保持靜止,螺桿擠壓機(jī)入口壓力為5 MPa,出口壓力為15 MPa,發(fā)射藥預(yù)加熱至323 K,套筒恒定加熱溫度為353 K。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 流道壓強(qiáng)分布

在螺桿擠壓機(jī)穩(wěn)定工作的情況下,發(fā)射藥充滿整個流道,并且其流動狀態(tài)不受時間影響。從生產(chǎn)安全和機(jī)器零件受力的角度考慮,需要了解流道內(nèi)的壓強(qiáng)分布。

圖4是流道YZ截面的壓強(qiáng)分布圖,通過觀察可以發(fā)現(xiàn),流道壓強(qiáng)沿軸向的變化規(guī)律是先升高后降低。一方面,錐螺桿的螺槽容積是逐漸減小的,這就使得發(fā)射藥進(jìn)入流道后逐漸被螺桿壓實(shí),壓強(qiáng)也隨之增大,圖4顯示流道YZ截面的最大壓強(qiáng)為24.96 MPa;另一方面,螺桿擠壓機(jī)的出口與外界大氣相聯(lián),而流道內(nèi)壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于大氣壓,所以出口對流道有泄壓作用,受其影響流道內(nèi)壓強(qiáng)逐漸降低。

圖4 流道軸向截面壓強(qiáng)分布

最大壓強(qiáng)差過大容易引發(fā)安全事故,過小則擠出藥的致密性的不夠。因此,最大壓強(qiáng)差應(yīng)當(dāng)控制在10～50 MPa,而整個流道的最大壓強(qiáng)差Δp為21.7 MPa,符合要求。

2.2 出口藥料速度分析

圖5為螺桿擠壓機(jī)出口截面的速度云圖,由于發(fā)射藥流動的黏性摩擦是小于發(fā)射藥與流道壁面之間的摩擦的,而且在經(jīng)過螺桿剪切和套筒恒溫加熱后,流動到機(jī)頭處的發(fā)射藥黏性更小,因此在擠出口的通道中,中心區(qū)域發(fā)射藥的流速是高于壁面附近區(qū)域的。

由于單出口機(jī)器的出口位于機(jī)頭套筒的中心位置,出口截面同一徑向上的速度是相同的,而多出口機(jī)器的出口是按圓周分布的,使得每個出口截面的速度分布產(chǎn)生差異,可能導(dǎo)致擠出的藥柱彎曲變形。觀察圖5,出口速度沿線段1的變化比較明顯,分析速度變化趨勢得圖6所示。

圖5 出口截面速度云圖

圖6 速度沿徑向變化曲線

從圖6中不難發(fā)現(xiàn)出口通道靠近機(jī)頭中心的內(nèi)側(cè)平均流速較低,而外側(cè)的較高,兩側(cè)的速度差會使擠出的藥柱向機(jī)頭的中心方向彎曲。按照圖5中的線段2,把出口截面分割成內(nèi)外側(cè)面積相等的兩部分,求解得兩側(cè)的流量差占總流量2.96%,流量差相對較小,藥柱彎曲不明顯。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的模具結(jié)構(gòu)如圖7所示,其中模具收縮角θ為37°,模具長度L為60 mm,收縮長度l為28 mm,針架直徑D為46 mm,模針直徑為0.7 mm。出口數(shù)目以及模具結(jié)構(gòu)對擠壓機(jī)的生產(chǎn)效率和發(fā)射藥流動狀態(tài)影響較大,為此本文進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

圖7 模具結(jié)構(gòu)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)多頭擠出的多出口模具結(jié)構(gòu),正交實(shí)驗(yàn)選擇出口數(shù)目、收縮角θ以及長度L作為影響因素。每個因素取3個水平值(見表3),設(shè)計(jì)出L9(33)的正交實(shí)驗(yàn)表,以最大壓強(qiáng)差為約束條件,提高生產(chǎn)效率為優(yōu)化目標(biāo),研究這3個因素對最大壓強(qiáng)差和生產(chǎn)效率的影響程度,并確定最合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

表3 試驗(yàn)因素及水平

按照正交試驗(yàn)表,創(chuàng)建9組對應(yīng)尺寸的螺桿擠壓機(jī)模型,以相同的邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算,后處理計(jì)算結(jié)果獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),整理得到表4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中ki為各因素第i(i=1,2,…,6)個水平位上對應(yīng)的指標(biāo)值差最值之和除以總水平數(shù)。R為極差,極差值越大,則該因素對指標(biāo)的影響程度越大。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,質(zhì)量流量的極差值R1最大為0.253,對應(yīng)的試驗(yàn)因素是A出口數(shù)目,最小為0.065,對應(yīng)的試驗(yàn)因素是C收縮角θ,所以按影響程度排序?yàn)槌隹跀?shù)目>模具長度>收縮角。流道壓強(qiáng)差的極差值R2最大為0.98,最小為0.29,各因素影響程度排序同上。綜上所述,最合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A3B1C3,即出口數(shù)目為5,模具長度L為40 mm,收縮角θ為37°。

3.2 出口數(shù)目對擠壓過程的影響

由3.1節(jié)可知,出口數(shù)目對質(zhì)量流量和流道內(nèi)壓強(qiáng)影響較大,利用有限元軟件進(jìn)行單因素分析,分別設(shè)置1～5個出口,探究出口數(shù)目對發(fā)射藥擠出過程的影響,觀察圖8、圖9,分析其變化規(guī)律。

圖8 出口數(shù)目與質(zhì)量流量關(guān)系圖

圖9 出口數(shù)目與流道壓強(qiáng)差關(guān)系圖

隨著出口數(shù)目增多,質(zhì)量流量不斷增加,但是增加趨勢逐漸放緩。出口數(shù)目越多,發(fā)射藥從機(jī)頭擠出則更加順暢,這就使質(zhì)量流量不斷增加,而出口流量受螺桿轉(zhuǎn)速,以及機(jī)頭可設(shè)出口數(shù)目的限制,不可能無限制增長,觀察圖8可知,質(zhì)量流量增加的上限在10 kg/h左右。

觀察圖9可得,流道壓強(qiáng)差隨著出口數(shù)目增多而減少,減少趨勢也是趨向平緩。出口對流道存在泄壓作用,出口面積越大,作用越明顯,而螺桿建壓能力是決定流道最大壓強(qiáng)的主要因素,所以出口數(shù)目增加對流道壓強(qiáng)差的影響會由有減弱趨勢。

從圖8、圖9中可以讀出,優(yōu)化前單出口的質(zhì)量流量為8.518 kg/h,流道壓強(qiáng)差為25.74 MPa。由3.1節(jié)可知,優(yōu)化后的質(zhì)量流量為10.037 kg/h,流道壓強(qiáng)差為19.31 MPa,對比發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量提高了17.6%,流道壓強(qiáng)差降低了25.0%。

4 結(jié)論

基于單出口螺桿擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)多出口螺桿擠壓模具結(jié)構(gòu),并利用有限元軟件Fluent進(jìn)行流體仿真,得到以下結(jié)論:

1) 按照對質(zhì)量流量以及流道壓強(qiáng)差影響程度,由大到小依次排序?yàn)?出口數(shù)目>模具長度>收縮角。

2) 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為出口數(shù)目為5,模具長度L為40 mm,收縮角θ為37°。新結(jié)構(gòu)使得質(zhì)量流量提高了17.6%,流道壓強(qiáng)差降低了25.0%。

3) 質(zhì)量流量隨出口數(shù)目增加而增加,但是增加趨勢變緩,在條件允許的情況下,可增設(shè)出口數(shù)目,以提高生產(chǎn)效率。

4) 流道最大壓強(qiáng)主要取決于螺桿建壓能力,增設(shè)出口后,流道壓強(qiáng)差雖逐漸降低,但依舊能滿足保證成品藥致密性的要求。