王雨生 温志雄 宋浩 王振宇 董方晨

摘 要：利用UG NX10.0软件构建了切向销钉机筒冷喂料挤出机的三维模型，预估了橡胶流量的物料参数并使用ANSYS WORKBENCH软件和FLUENTS软件对切向销钉机筒冷喂料挤出机内部的流量场进行了模拟，并通过简化模型控制变量的方式迭代计算得出其运转时的压力场和速度场。利用流场的分析结果进行了挤出机切向销钉的静力学分析，得出了销钉受力的预测值。从而为切向销钉机筒冷喂料挤出机的发展提供了可靠的依据。

关键词：切向销钉挤出机;流场模拟;受力分析

1 绪论

销钉机筒冷喂料挤出机在橡胶加工过程中起到了非常重要的作用，橡胶挤出作为橡胶成型的一个重要流程，其机器结构的优劣直接决定了挤出制品的质量。传统径向销钉挤出机虽然能满足各类工厂的使用需求，但仍存在难控制胶温、产量较低、塑化成型质量不够稳定的问题。所以近几年来，基于橡胶生产中的需求，国内外学者开始探索新的橡胶成型发展方向。[1]

橡胶成型中一个重要的因素就是橡胶流动的均匀性。本课题将研究重心放在了销钉结构上。[7]本研究主要针对切向销钉的速度场与压力场进行了模拟，并利用ANSYS软件完成了对切向销钉的受力分析。

2 建立模型

2.1 切向销钉挤出机的总装结构模型

在三维直角坐标系中建立了切向销钉机筒冷喂料挤出机的几何模型，如图1。

2.2 切向销钉的结构模型

本文所研究的切向销钉总长为170mm。其中中间剪切作用段的直径为8mm。该种切向销钉共有七排，每排两个呈均匀分布状态，销钉的内部为中空设计，保证了冷却介质的通入。切向销钉结构示意图如图2所示。

2.3 受力分析

销钉所处的环境为混合流场，由于其环境的复杂性以及冷喂料挤出机温度的不均匀性，且熔体的流动还要符合物料本身行为属性的本构方程，故本次分析做以下假设：

（1）可用牛頓流体定律描述胶料的流变行为;

（2）胶料在机筒内的流动为稳定的层流，且因为其粘度过大，流体的雷诺数特别小;

（3）胶料在流场内完全处于层流状态;

（4）大粘度低雷诺数的流动体系，忽略胶料流体的重力、惯性力等体积力;

（5）假设流体与流道表面不会出现壁面滑移现象。

2.4 机筒结构模型[6]

本文主要采用市面上普遍使用的Φ65销钉冷喂料挤出机机筒，其主机型号为：[2]XJD-65×12D。

2.5 螺杆结构模型[4]

采用标配双螺纹螺杆。螺杆材料采用 38CrMoALA，内有冷却用孔。

具体数据如下：

螺杆直径：32mm;

螺杆长度：603mm;

螺杆与减速器低速轴：花键联接。

3 流体力学分析

3.1 模型建立及其网格划分

网格使用默认的流体三角形网格。根据2.3受力分析中的假设，熔体在流场内与内壁的相对流速为vs=0，且不考虑壁面滑移现象。由于实际影响因素过多，不好控制FLUENTS的运算速度和结果的准确性。因此在分析时进行了模型简化。

建立流场的模型时，使用了三面体网格进行划分，将其划分完毕后，需要进行网格的检查，结果如图3所示。

图3 网格密度质量检测

由图3的表格的结果可以看出，平均质量到达了0.83，即83%。证明其网格质量良好，在此基础上进行的其他分析活动所得出的结果也是可靠的。

3.2 边界条件的设定

3.2.1 流量的边界条件

在工作过程中，胶料在通过任意截面的时候的速度有一定范围且其数值可视作常数，并以此速度通过挤出口完成挤出成型。此速度是根据挤出机的规格和设备参数决定的。因此，流量可表达为：[2]

qd=Qdt（1）

qd为机头流量，mm3/s

其中：Qd为挤出机的生产能力，Kg/h

t为时间，s

3.2.2 速度的边界条件及物料参数

根据2.3受力分析中的假设5，得vw=0，其中vw为胶料与壁面的相对滑移速度，单位为m/s。

综上所述并参阅资料后，得出所设的物性参数为如下表所示。分析过程中胶料的物性参数及边界条件均不变。参数如下：

胶料的物性参数表

3.2.3 流场模拟性能

本论文所采取的流场胶料的物料密度为1066kg/m3，非牛顿幂率粘度模型的幂率指数为0.385，粘度系数为106pa·s。在实验过程中使用了较大的数值来使使用数值是更加安全。

3.2.4 流场分析结果

通过FLUENTS迭代计算，初步得到残差监视窗口和出口质量流量监视窗口。如图4。

如图所示，当迭代计算进行到600步以后，出口质量流量已趋于稳定。判断出计算已收敛，计算结束。

导出报告后导出速度场及流量场。其中速度场和压力场如图5所示。

由图可以明显的看出，在标准截面上，有销钉阻拦的部位上的流场速度远远大于没有销钉阻拦的部位，其倍数可达5～10倍。压力场方面，销钉所承受的最大压力为21Mpa。根据压力场图所示，销钉可以有效的分流-汇流胶料流场，且其主要受力部分在于销钉的正面部分且在后方无挤出机头保证压力的情况下压力呈递减趋势。

4 销钉的静力学分析

4.1 销钉的物理模型

由于本文只考虑流场内受力情况，所以销钉模型只取流场内使用的一段。具体细节如图6所示。

由于运转时情况复杂，不能很好的预测其应力集中的部分，所以在本次分析中近似认为受力点为销钉中心。

4.2 受力平面及边界条件

根据2.2受力分析所示条件，销钉只会受到来自胶料的挤压力。所以在简化模型的受力分析过程中，将销钉与机筒对接的平面设为固定面。普通切向销钉挤出机的挤出压力一般为13.5Mpa左右，又结合流场分析压力场的结果，设立其挤出压强为20Mpa。

销钉的网格划分设置为四边形，Relevance Center一栏选择Medium。

4.3 销钉的分析类型及结果

首先是等效应力的分析。在20Mpa挤出压强的环境下，切向销钉的最大等效应力如图7所示。

在销钉两侧与机筒接触的假定固定的部分所受到的等效应力最高，这是在假设两侧为固定面的情况，真实情况下此固定面允许其有小范围的形变，可以肯定的是这个受力点为应力集中点。

然后是切向销钉的应变，在假设固定面为两段与机筒的接触面的情况下，销钉形变量最大值为0.12667mm≈0.13mm。即此切向销钉在此情况下受力部位最大应变为0.13mm，具体如图8所示。

实际上，在实际生产中，销钉所受到的挤出压强远远低于20Mpa（实际测试值小于14Mpa），故本分析所提供数据为大约值。

4.4 材料性能

销钉材料建议使用38CrMoAl，此种材料有高的表面硬度，耐磨性及疲劳强度。极为适合用于制造销钉这种尺寸小，要求耐磨性高的零件。

5 结论

（1）利用Unigraphics NX对挤出机及其流道进行了物理建模。

（2）使用ansys workbench和fluents进行了关于销钉的静力学分析和关于流场的压力场速度场的分析。

（3）通过试验可以得出在挤出机內有销钉阻拦的流场速度远远大于没有销钉阻拦的部位，其倍数可达5～10倍，可以充分起到挤压的作用。压力场方面，不考虑挤出头部底压，销钉所承受的最大压力为21Mpa，约为同平面无销钉阻拦位置的两倍，是最低压强的十倍。可通过此实验为挤出机头部截面面积的计算起到参考作用。[3]

（4）进行了切向销钉的静力学分析，得出其应力集中点在销钉与机筒的连接位置。且在假设固定面为两段与机筒的接触面的情况下，销钉形变量最大值为0.12667mm≈0.13mm。即此切向销钉在此情况下受力部位最大应变为0.13mm，留出了余量进行参考，为挤出机挤出性能的优化设计提供了理论依据。[4]

参考文献：

[1]杨卫民，程源.L型挤出机头中胶料流动的均匀性分析[J].橡胶技术与装备，1991（3）：12-17.

[2]刘树明.混合型销钉机筒冷喂料挤出机理及实验研究[D].青岛科技大学，2014.

[3]W.A.Gifford.A three-dimensional analysis of coextrusion in a single manifold flat die，Polymer Engineer and Science，40（9）2095-2100，2000.

[4]王祥，林广义，吕宁宁，孔令伟，董方晨，刘彦昌.橡胶切向销钉冷喂料挤出机挤出性能的研究[J].橡胶工业，2019，66（01）：57-61.

[5]范之海，宋广军，吕贤滨，吕柏源.橡胶冷喂料挤出机螺杆结构几何参数分析与选择[J].橡塑技术与装备，2011，37（01）：5-11.

[6]G.Nijman，Enschede（NL），黄元昌.几种不同的橡胶挤出机螺杆、机筒设计方案（下）——应用方法[J].橡塑技术与装备，2002（06）：37-44.

[7]于清溪.橡胶挤出机现状与展望（上）[J].橡塑技术与装备，2010，36（07）：16-23.