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螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

发布: 2015-01-20 | 来源:皇冠彩票 | 编辑:linxujian | 查看:

张帅,李峰,王宁,樊耀耀,陈占春

太原理工大学机械工程学院

 

摘要:从对挤出成型有重要影响的螺杆和螺槽结构形式着手,通过改变螺杆和料筒的螺槽断面形状,使用Polyflow软件对聚乙烯熔体等温状态时在螺杆与料筒不同断面组合形状下的挤出过程进行数值模拟。通过对比分析压力分布和剪切速率的变化,综合考虑对剪切速率和生产效率的影响,得出螺杆和料筒螺槽断面形状均为梯形形状时可以得到较好的剪切效果。

关键词:单螺杆;螺槽形状;数值模拟;剪切速率

 

挤出成型因其可实现连续自动化生产控制而逐渐发展成为塑料成型加工领域中变化多、生产率高、适应性强、用途广泛、所占比例较大的成型加工方法。螺杆和料筒作为影响剪切效果和生产量的重要因素,其结构参数已经逐渐成为人们设计强剪切力化学反应挤出装置的突破口。为了探究不同参数对挤出效果的影响,国内外不少专家学者在尝试用不同方法对挤出过程进行模拟。笔者从对挤出成型有重要影响的螺杆结构形式着手,通过改变螺杆和料筒的螺槽形状,用Polyflow软件对各种组合形式进行模拟,对比其压力分布和剪切速率变化,得出剪切速率和传输效率综合效果最好的方案,从而得到一套适用于新型强剪切单螺杆力反应挤出机的螺杆和料筒形状组合方案。

1 数学模型与物理模型

1.1 数学模型

为了便于计算,物料在流道内的运动过程简化

如下:

(1)流场为等温流场;

(2)流体为满足Bird-Carreau模型方程的非牛顿不可压缩流体,且在流体域内做层流运动;

(3)流体充满分析区域,忽略重力、惯性力(远小于粘滞力);

(4)螺筒内壁与螺杆表面无滑移。

基本方程如下:

 

式中:τ—应力张量;

η—表观黏度;

γ—剪切速率;

D—变形速率张量。

 

1.2 物理模型

螺杆和料筒形状如图1所示。图中螺杆直径90mm,螺杆螺槽深度4.5mm,螺杆螺槽顶端与料筒螺槽顶端的间隙为2mm,料筒上开有槽深为2mm的左旋螺旋槽,螺杆和料筒长度均为270mm。

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

1.3 设定模拟参数

采用Polyflow软件对聚乙烯在不同结构的螺杆和料筒组合流场中的挤出过程进行数值模拟,求出其对应的压力场和剪切速率的变化。为了便于计算,设置流体为广义牛顿等温流体,采用minielement插值,压力采用线性插值,使用Picard迭代黏度。螺杆转速为500r/min,入口压力为4MPa,出口压力为6MPa。

2 组合方案与模拟结果分析

2.1 组合选型

贾明印等通过对光滑料筒、有轴向直槽料筒以及开有螺旋槽料筒单螺杆挤出机的对比研究,总结出开有螺旋沟槽料筒单螺杆挤出机在产量和能耗等方面优势比较明显。柳娟等发现与右旋料筒相比,左旋料筒挤出熔体速度有所提升,同时流道内粒子混合指数和拉伸指数也有所提升,此外左旋料筒的分离尺度较小,可提高挤出输送能力和混合性能。李峰等通过对等温流场下不同螺纹升角的单螺杆挤出机的挤出过程进行模拟,得出了增加螺纹升角可以提升对物料的剪切速率。因此笔者将螺杆和料筒头数设计为3头,螺纹升角都选50°,螺杆螺纹旋向为右旋,料筒为左旋,以螺槽形状为变量对不同断面形状下的流道进行数值分析。料筒螺槽断面和螺杆螺棱断面均分别选取三角形、矩形、梯形三种形状,对比图2所示九种组合选取最优解。

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

2.2 模拟结果分析

(1)料筒的螺槽断面为矩形。

当料筒螺槽断面形状选用矩形,螺杆螺棱断面形状分别选取三角形、矩形、梯形三种形状时压强以及剪切速率分布如图3所示。

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

由图3可知,料筒螺槽断面为矩形,螺杆螺棱断面为三角形时,流道中轴向任意两相邻螺槽中压强差减小,在螺槽横截面积一定的情况下,螺槽内压力差也相应减小,压力差减小可以降低倒流量和漏流量。虽然截面形状为三角形可以在提高混合效果以及均化效果的同时有效避免涡流现象,但考虑到其剪切速率最大只有900s–1左右,且剪切速率峰值和谷值差距较小,剪切效果并非很好。而另外两种组合的剪切速率与压力分布大致相似,且剪切速率峰值和谷值差距较大,可以产生较好的剪切效果。

(2)料筒的螺槽断面为三角形。

当料筒的螺槽界面形状为三角形,螺杆的螺棱断面形状分别为矩形、三角形、梯形时,其压强与剪切速率分布如图4所示。

由图4可知,当料筒螺槽断面形状为三角形时,无论螺杆的螺棱断面形状是矩形还是梯形,剪切速率都不是太高,最大值只能达到1000s–1左右;当螺杆螺棱断面形状为三角形时,虽然首个剪切速率峰值达到1400s–1,但其后两个峰值只能稳定在800~900s–1,这三种组合剪切效果均不理想。因此料筒螺槽断面为三角形的方案最先被排除。

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

(3)料筒的螺槽断面为梯形。

当料筒的螺槽截面形状为梯形,螺杆的螺棱断面形状分别为矩形、三角形、梯形时,其压强和剪切速率分布如图5所示。

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

螺杆与料筒不同断面形状组合对挤出机流场的影响

 

 

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