木塑挤出成型特性分析与影响因素数值仿真研究

刘亚秋　李明　孙垚

摘要 [目的]为木塑型材生产提供合理的工艺控制参数，提升木塑挤出型材的质量。[方法]针对木塑挤出成型工艺控制问题，从木塑熔融体到挤出成型的工艺特性角度进行了分析研究，重点得出了模具域熔融体流场（温度分布、压力分布）与剪切率（流速）的关系特性及工艺阀值特征。通过建立单螺杆挤出机计量段和法兰处三维计算模型，对木塑挤出成型的若干典型工况流场进行了数值仿真。[结果]在一定的工艺阀值条件下，加热段的温度扰动对熔融体流场影响不大，而螺杆转速对流场影响较大，随着螺杆转速的增大，计量段压力逐渐减小，剪切率线性增大，粘度减小。[结论]验证了该文分析结论的正确性和一致性，根据分析结果得到较理想的木塑挤出工艺控制参数。

关键词 木塑挤出机；熔融体流场分析；数值仿真

中图分类号 S784 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）03-00823-05

Abstract [Objective]The paper was in order to achieve better controlling parameters of extruder，so as to improve the guality of wood plastic extrusion profiles.[Method]Focusing on process control of WPC extrusion，this paper studyed from the angle of WPC melt and process characteristics of extrusion molding，to get distribution curve and process threshold value of mould segment in flow field （temperature field，pressure field） of melt and screw speed （velocity）.numerical simulation on flow field of some typical working conditions of WPC extrusion.

by constructing three-dimensioal computational modelling of the metering section and flange of single screw extruder.[Result]Experimental results show that heating temperature little influences flow field while revolving speed greatly influences flow field with screw speed increases，pressure of metering section decreases，shear rate increases and viscosity decreases，under the condition of process threshold.[Conclusion]Result verifies the correctness and consistency of the conclusion，according to results of analysis，better controlling parameters of extruder are achieved.

Key words Extruder of wood and plastic；Flow field analysis of melt；Numerical simulation

擠出成型是指物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续经机头和模具而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法[1]。挤出成型过程是由多个具有相关联系的因素共同作用而成，为解决挤出机生产实验的稳定控制，满足市场对高品质木塑型材挤出控制系统的要求，提高木塑挤出型材挤出机实验效率已成为生产及研究最为关键的任务。在挤出机中计量段是聚合物熔体成型的关键部分，受温度和螺杆转速影响比较大，K.Wliczynsk通过构建数学模型，对聚合物质量流体速率、温度、压力、能量转化进行了分析，并进行了试验对比[2]。B.BroelPlater通过分析挤出机工作机理，对温度控制进行了改进[3]。E.Lai和DW.Yu构建的新数学模型实现对单螺杆挤出机聚合物流性进行全面分析[4]，但该模型都没有将实验参数及相关性进行充分考虑。

总之，挤出机研究在经历数十年的发展后已有了基本的理论基础，各种基础模型的计算软件也在某种程度上反映了生产实际情况，当前摆在生产厂家和科研院所的中心课题是如何将试验参数与理论模型研究紧密结合。该文通过研究单螺杆挤出机木塑型材流体影响因素的分布特点，进一步明确木塑熔体主要工艺控制参数对挤出型材影响特性关系，为木塑型材生产提供合理的挤出机工艺控制参数，减少挤出机实验次数和提高实验效率，从而提升木塑挤出型材的质量。

1 木塑成型方法与实验设计

实验原料及配比：聚乙烯（PE），颗粒状，30%；木粉，粉状，65%；偶联剂，颗粒状，4%；润滑剂，粉状，1%。

采用SJ-45型号单螺杆挤出机对木塑复合型材挤出进行了实验研究，为数值模拟结果提供数据对比。实验系统如图1所示，通过检测点1），2），3）温度传感器测得温度，4）压力传感器检测出法兰处流体压力，通过控制系统设置螺杆转速。

设定相同材料，温度一定时，分别改变螺杆转速为10，20，30 r/min；同理，螺杆转速一定时，分别改变温度为150，160，170 ℃，分别进行实验观察得到压力变化情况。实验测量了图2所示A处（法兰处流道中心）的压力PA，其结果如表1所示。从表1中可以看出，计量段机筒内壁加热温度Tw对PA影响较小，螺杆转速N对PA影响较大，且PA随着转速N的增大而增大。

2 计算模型与测试

由于实验难以获得详细的流场信息，同时为了与实验结果进行比较，采用计算流体动力学（CFD）软件ANSYS FLUENT 14.0为研究工具，建立了实验中单螺杆挤出机计量段和法兰处的三维计算模型，对表1所示6个不同工况下的流场进行了数值模拟，得到了不同螺杆转速和计量段加热温度下的压力分布和温度分布等流场信息，分析了螺杆转速和计量段加热温度对流场的影响，以期获得加热温度、转速和压力之间的关系，通过与实验结果的对比，验证采用CFD仿真模拟实际生产过程和指导实际生产的可行性。

3 计算结果与分析

3.1 实验结果的比较及分析

通过数值模拟得到了不同工况下流道A处与流道进口的压力差ΔP，其结果如表1所示。从表1中可以看出，不同加热温度Tw下，相同转速N下的ΔP相同，这可能是由于相同转速下木塑熔体质量流量相同和没有考虑温度对粘度的影响（如Ⅳ式所示）而引起的。而转速对ΔP有较大影响，且ΔP随N的增大而增大，这与实验结果PA在定性上相符。

3.2 熔体流场分析

由于不同工况下流场信息相似，因此以160-20工况为例进行分析。图4～8分别给出了x=0平面，圆环面以及如图2所示LINE-1和LINE-2这2条直线上的流场信息。其中，LINE-1穿过螺纹，位于螺槽中，其空间位置为（x=0 m，y=0.021 5 m）；LINE-2则位于螺纹和机筒内壁之间的缝隙中，其空间信息为（x=0 m，y=0.022 75 m）；圆环面为LINE-2所处的圆环面。从图4所示的速度分布可以看出，x方向上分速度u呈对称分布，左右两侧分速度大小互为相反数，这是由于螺杆旋转而造成的；z方向上分速度w（轴向速度）的最大值出现在螺槽中靠近螺纹处，螺槽中轴向速度沿轴向呈先减小后增大的趋势，w的最小值分布于螺纹和机筒内壁的缝隙中，说明木塑熔体从缝隙中通过的流量很小，绝大部分都在螺杆的驱动下沿螺旋线流动。图5给出了流场中压力的分布，需要说明的是，后文图中给出的压力值均为相对于流道出口处压力的相对压力，从图中可以看出，在计量段压力呈螺旋分布，沿螺旋线逐渐增大，如图5（b）所示，法兰处压力基本保持不变；图5（c）从定量上更直观地反映了这一分布趋势，螺槽中压力沿轴向降低，相邻螺槽相同位置处压力逐渐增大，法兰处压力保持不变，此结果与彭炯等[7-9]的数值模拟结果在定性上相符，说明了该研究计算结果的准确性；此外，同一轴向位置上不同径向位置处的压力基本相同。值得注意的是，图5（c）所示的LINE-1的压力分布存在间断，这是由于LINE-1穿过螺纹，间断为螺纹所处位置，后文中亦是如此。从图6的温度分布可以看出，木塑熔体的温度在离进口不远的地方就达到加热温度，说明木塑熔体在进入计量段不久后便充分混合。从图7可以看出，在计量段剪切率呈周期性分布，剪切率最大值存在于螺纹和机筒内壁之间的缝隙处，这与王建等[8，10]的结果相符，且离螺槽底部越近，剪切率越大。图8给出了木塑熔体粘度的分布，从图中可以看出，粘度与剪切率呈现相反的分布趋势，在计量段同样具有周期性的分布，但在螺纹和机筒内壁之间的缝隙处为最小值，这与王建等[8]的结果相符，且离螺槽底部越近，粘度越小。剪切率和粘度分布趋势相反可由（Ⅳ）式来解释，描述木塑熔体粘度的Cross粘度模型说明其具有剪切稀变的特性，即剪切率越大，粘度越小；而在法兰处木塑熔体粘度较大，这是由于此处木塑熔体不再受螺杆的直接驱动，因而速度较小（图4），剪切率也较小[圖7（a）]，且熔体由法兰流向模具为突缩流动，熔体积聚在近出口流道角落处，此处熔体速度小[图4（c）]，剪切率小，因而粘度最大。

（1）加热温度对流场影响不大，转速对流场影响较大，

数值模拟结果与实验结果在定性上相符，流场信息与已有数值模拟结果相符，说明该研究计算结果的准确性，也表明了可以通过CFD数值模拟技术指导实验和实际生产，一方面数值模拟可以获得更为详尽的流场信息，另一方面能有效减少实验带来的人力物力，降低实验和生产成本。

（2）随着螺杆转速的增大，计量段压力逐渐减小，剪切率线性增大，粘度减小。此外，若进一步研究加热温度对流场的影响，可在Cross模型中加入温度对木塑熔体粘度的影响，以获得更为精确的结果。

参考文献

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