基于的泥料双螺杆挤出机的流场分析

何家波 张柏清

（景德镇陶瓷学院机械与电子工程学院，江西景德镇333403)

0 引言

真空练泥机是陶瓷行业原料制备和成形阶段的重要机械设备之一,用于泥料加工、成形。而真空练泥机结构的挤泥部分又直接关系着泥段的挤出质量，挤出泥段的质量直接影响成形坯体的质量[1]。因此，真空练泥机挤出部分始终是陶瓷工业生产中的关键泥料处理设备。然而，由于泥段纵断面上的抛物线结构和颗粒的定向排列等结构缺陷,导致了成形坯体存在着坯体致密度不均匀、分层、S形纹理、扭曲、变形、开裂等缺陷,影响了成形坯体的质量[2]。然而,长期以来，关于练泥机挤出部分的设计都局限于单轴，无法从本质上解决泥料挤出质量差，挤出效率低，混合不均匀等问题。

图1 双螺杆挤出机螺旋绞刀的三维几何模型Fig.13D geometric model for the spiral reamer of the twin-screw extruder

本文通过建立双螺杆挤出机三维几何模型，边界条件采用机筒静止、螺杆旋转的实际运转条件，利用ANSYS软件模拟分析泥料在双螺杆挤出机的挤出运动情况并求解流场。

1 几何模型

图1所示为双螺杆挤出机螺旋绞刀的三维几何模型，图2是二维模型。图1中螺旋绞刀外径是72mm，轴毂直径45mm，两螺杆中心距是70mm，螺棱的轴向宽度为4.5mm,螺杆总长为540mm，螺杆长径比为12，小于一般螺杆的长径比。在此选用大型造型软件Pro/E来创建螺旋绞刀的几何模型。

2 数学模型

图2 二维几何模型Fig.22D geometric model

图3 网格划分Fig.3 Mesh division

图4 压力场分布等值线图Fig.4 Pressure contour

图5 轴向速度场分布等值线图Fig.5 Axial velocity contour

图6 温度场分布等值线图Fig.6 Temperature contour

泥料在被挤压过程中，状态变化相对比较复杂，因此，在允许的范围内对其流态进行假设。具体假设如下[3]：

（1）泥料为宾汉体；

（2）流场为等温、稳定流场；

（3）由于惯性力、重力等体积力小于粘性力，可忽略不计；

（4）雷诺数很小，可认为泥料的流动为层流流动；

（5）泥料为不可压缩流体；

（6）流道壁面无滑移，忽略回流的影响。

在假设条件下,描述流场的基本微分方程如下[4]:

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

其中：vx，vy，vz分别表示泥料在x，y，z方向的速度分量；p流体压力；u流体粘度；ρ0流体密度；T稳态温度；Cp定压比热；K导热系数；Qv内热源的发热量。本文采用高岭土作为此次分析的陶瓷泥料的原料，含水率不超过30%。

3 有限元分析

3.1 网格划分

将双螺杆挤出机流道的几何模型导入ANSYS中，采用三维FLUID142单元类型，Free自由网格，四节点四面体单元形状进行有限元网格划分，如图3所示。

3.2 边界条件

图7 轴端面压力分布图Fig.7 Pressure contour on shaft end face

泥料是沿螺旋绞刀叶片表面滑动而被推挤前进的，这里选用的泥料牛顿粘度η=1.09×103Pa·s,塑性粘度=1.09×103Pa·s，表观粘度μ=2.37×103Pa·s[5]，初始温度t=26℃，比热为840J（/kg·℃），导热系数为2.6w/(m·℃)，对流系数为12.5w（/m2·℃），绞刀转速为26r/min。采用与真空练泥机挤出实际情况相吻合的“动绞刀、静筒壁”为前提确定边界条件。由壁面无滑移条件可知，双螺杆挤出机内表面流体微元的，速度为零，两轴的外表面流体微元的速度等于两轴表面泥料流动对应点的速度。因为不能预先给出螺，槽进出口的速度分布，采用这两个面的压力差作为压力边界,在靠近机头的出口面加高压Pout=2MPa，在靠近加料口的入口面加低压Pin=0.02MPa[6]。

3.3 有限元分析结果

利用定义的边界条件,对数学模型进行求解。再利用有限元分析软件ANSYS进行模拟计算，得到了挤出机流道的压力场、速度场、温度场和轴端面压力分布图，如图4～7所示。

由图4可以看出，从入口到出口，压力逐渐升高,即沿着泥料输送方向，双螺杆前部的压力高于其后面的压力。由图5可以看出,泥料沿流道螺旋推进挤出，两螺杆旋转相对均匀的挤出泥料，进口的速度稍微大于出口的流速[7]。由图6可以看出,与挤出方向相同的绞刀与轴毂接触面的温度比螺棱周边温度更高一，点，不过此处采用了变螺距的螺旋绞刀结构，混合搅拌均匀，温度差不大。由图7得出，在两螺杆接触区所受，压力大于其余各部分，这样双螺杆相互挤压轴向力更大，使得泥料挤出更容易，从而达到一定的减少泥料回流的效果。

4 结论

通过对双螺杆挤出机的螺旋绞刀流场分析研究得出：从入口到出口，泥料所受压力逐渐增大，有利于泥料在挤压阶段变得更加紧实，提高泥料的挤出质量；由于采用的是变螺距的非啮合并列同向螺旋绞刀，在输送挤压段的接触区，越靠近接触区中心泥料流动速度越大；变螺距的螺旋绞刀结构弥补了绞刀与轴毂接触部分的温差过大缺陷；在两螺杆接触区所受轴向压力大，起到一定的减少泥料回流作用。这为泥料在双螺杆挤出机中的挤压过程研究和泥料挤出质量的改善方面,提供了一定的理论参考。

1张柏清,林云万.陶瓷工业机械与设备.北京:中国轻工业出版社,1999

2裴尔斯·劳尔斯顿.制造无瑕疵的泥料.1978(2):93～97

3朱复华.挤出理论及应用.北京:中国轻工业出版社,2001

4 ANSYS INC.ANSYS计算流体动力学分析指南.北京:美国ANSYS公司办事处,2000

5陈惠钊.粘度测量北京:中国计量出版社,2003

6张柏清,裴佳宏,汤国兴.基于有限元方法的真空练泥机螺旋绞刀结构参数研究,硅酸盐通报,2006,8(4):71～75

7唐庆菊,李纪强,周平.基于ANSYS的食品双螺杆挤出机流场数值模拟,机械设计与制造,2007(12):94～95