基于ANSYS变温场的真空练泥机泥料挤出质量的研究

吴南星，朱金贵, 张柏清

（景德镇陶瓷学院机电学院, 江西 景德镇 333403）

基于ANSYS变温场的真空练泥机泥料挤出质量的研究

吴南星，朱金贵, 张柏清

（景德镇陶瓷学院机电学院, 江西 景德镇 333403）

应用ANSYS软件对真空练泥机挤出过程中陶瓷泥料的温度场进行分析，通过对在不同摩擦系数、不同外界温度、给泥料加热到不同温度等热参数下的运动泥料进行数值模拟，得出了泥料在热参数的影响下螺旋槽内的温度变化规律。结果表明泥料在挤出过程中由于温度的变化引起速度和压力变化，从而影响泥料在挤出过程中流动质量，为陶瓷用真空练泥机泥料挤出生产的研究提供了理论依据。

真空练泥机；数值模拟；有限元；温度场

在真空练泥机挤出过程中，螺槽内常出现较大的温差，温差会导致被加泥料的不均匀性，以致最后影响到成品的质量。虽然人们在真空练泥机连续螺槽中的流动模拟和重要的流动性推测方面已经做了大量的研究[1]，但几乎没有涉及关于连续铰刀螺槽中泥料运动过程温度影响方面。如果这种分析计算可以实现的话，那么它将会为真空练泥机进一步的研究分析提供理论依据。

1 模型的建立及求解

1.1 假设

由于真空练泥机中的泥料在各个螺旋长度性质相同，取一个螺槽长度的泥料建立模型进行分析。为便于分析，首先作如下的假设：

(1)忽略螺槽内倒角、筒壁上的挡泥槽等微小结构因素的影响。

(2)忽略回流的影响，假设泥料与螺槽底面、两个螺旋面和筒体内表面同时紧密接触。

(3)忽略泥料热物理性能随时间的变化，且各层泥料的参数都是各向同性的。

(4)泥料为宾汉流体，因雷诺数很小，泥料为不可压缩流体，屈服值以后的流动为粘性系数可变的粘性流动，在螺槽中的流动为层流。

(5)忽略泄漏所带走的摩擦热，认为试样端面平行，不考虑热变形对温度分布的影响。

根据以上假设，对真空练泥机的挤出泥料选用FLU ID142有限元单元类型、Mapped映射网格划分法以及八节点六面体单元形状划分器类型进行有限元网格划分。同时运用网格密度控制确定网格密度的大小，其有限元单元模型如图1所示。

1.2 泥料运动速度的边界条件

(1)静壁面条件：因为筒体静止，所以筒体的三个方向的速度均为零，泥料与筒壁接触面三个方向的速度也为零，垂直于壁面的压力梯度为零，无须定义采用默认设置。

(2)运动壁面条件：轴毂属于移动壁面，壁面将“拖拉”流体或随流体一起移动，垂直于壁面的速度分量为零，定义与壁面相切的速度为壁面速度，稳态条件为：

图1 有限元单元模型图Fig.1 Finite element model

螺旋面同样属于移动壁面：壁面将“拖拉”流体或随流体一起移动，垂直于壁面的速度分量为零，螺旋面上各点切向速度大小不同。

其中，y为泥料所在位置的径向高度，且

(3)在进出口，因为不能预先给出螺槽进出口的速度分布，采用试验所测得的压力作为边界条件以代替速度边界条件。在靠近机头的出口面加高压，在靠近加料口的入口面加低压。

(4)热边界条件：在温度场分析过程中，因为是作可压缩流体分析，温度边界条件是以总温来表示，且温度方程是以总温的形式表达和求解。指定温度边界条件后，FLOTRAN自动计算用于保持该温度所需的热传导；指定热流，FLOTRAN自动计算与热流相联系的壁面温度和流场条件；指定导热系数和环境温度，FLOTRAN迭代计算热流和表面温度。

①指定泥料初始温度，FLOTRAN自动计算用于保持该温度所需的热传导；

②指定热对流系数，FLOTRAN自动计算与热流相联系的壁面温度和流场条件；

③指定导热系数和比热，FLOTRAN迭代计算热流和表面温度。

在标准的FLOTRAN分析中，流固边界的传热是一个要求解的结果而不是一个边界条件。所以，热通量和传热系数只能加在固体材料的外边界，或流体材料的内边界。在计算表面传热系数时，ANSYS使用下列方法之一指定的平均温度进行计算命令：FLDATA14，TEMP，BULK，Value或者GUI：Main Menu＞Preprocessor＞FLOTRAN Set Up＞Flow Environment＞Ref Conditions和Main Menu＞Solution＞FLOTRAN Set Up＞Flow Environment＞Ref Conditions。

然后根据假设对单元模型施加速度和热边界条件(具体参数值如表1所示)。设置流体性质和其流动环境，选择菜单Main Menu＞Solution＞Run FLOTRAN命令对其进行求解分析。

2 真空练泥机对泥料挤出质量的评价方法——相对角速度方差

由于泥料是通过绞刀的旋转运动来获得相对速度，理想中的泥料运动是：泥料以相同的角速度v绕绞刀旋转，呈“塞流”模式流动，像螺母在螺杆上运动一样；泥料与螺旋面的相对切向线速度V(下文称线速度)随所处半径r的逐渐增大而增大(如图2所示)。即理想状态下泥料运动其线速度具有速度梯度，角速度相同。在真空练泥机的生产过程中，因为泥料各层的角速度不同而引起挤出泥段分层现象。为了讨论不同参数下螺槽中泥料分层现象的剧烈程度，采用相对角速度方差来对泥料的分层现象进行研究。所谓相对角速度方差就是泥料的角速度相对于同一半径处绞刀螺旋面角速度之差的方差。若泥料之间没有相对滑动，则其平均角速度方差为零；若泥料之间出现相对滑动，那么平均角速度方差就是一个不为零的数值。因此，本论文认为平均角速度方差在一定程度上可以反映出泥料之间的相对滑动的剧烈程度，也可反映出真空练泥机挤出泥段的分层情况。

表1 具体热边界条件及相关参数值Tab.1 The specif i c thermal boundary conditions and related parameters

3 计算及结果分析

图2 理想状态下泥料速度示意图Fig.2 Pug velocity under ideal conditions

在对有限元模型进行求解后，在相应的边界条件下分别得到泥料质量曲线图。

不同摩擦系数时所研究的泥料质量曲线图如图3所示。

随着摩擦系数的增大，由于螺旋面、筒体以及轴毂对泥料的摩擦作用导致泥料的温度升高，分子运动加剧，泥料与螺旋叶片表面之间的切向相对运动速度加大，引起泥料的层与层之间的剧烈相对运动。

不同加热温度Tn时泥料质量曲线图如图4所示。

初始阶段随着泥料加热温度的升高，相对角速度方差逐渐减小，平均线速度逐渐增大，泥料混合逐渐趋于均匀，分层现象有所改善。但是当温度升高到65℃度左右时，随着泥料温度的逐渐升高，泥料水分的蒸发逐渐加快，导致泥料含水量越来越小，泥料有脱水硬化趋势。泥料的相对角速度方差逐渐增大，泥料的平均线速度逐渐减小，分层现象恶化。

表2 摩擦系数f的变化Tab.2 The variation in friction coeff i cient

图3 不同摩擦系数下的相对角速度方差图Fig.3 he relative angular velocity variance as a function of the friction coeff i cient

图4 泥料不同加热温度下的相对角速度方差图Fig.4 The relative angular velocity as a function of the heating temperature

表3 泥料加热温度Tn的变化 /℃Tab.3 The variation in heating temperature / ℃

表4 对流温度T的变化 /℃Tab.4 The variation in convection temperature / ℃

图5 不同对流温度下的相对角速度方差图Fig.5 The relative angular velocity as a function of the convection temperature

不同对流温度T时所研究的泥料质量曲线如图5所示。

随着对流温度的升高，相对角速度方差逐渐减小，螺槽内的横向对流引起的环流使得泥料的搅拌混合更加均匀，泥料的分层现象也有所改善。

4 结 论

(1)若泥料与螺旋叶片表面之间的摩擦系数越小，泥料所产生的剪切应力较小，显然泥料与螺旋叶片表面之间的切向相对运动速度越小。因此，泥料流层之间产生的切向相对运动速度也较小，这有利于获得高质量的陶瓷坯体。所以，在生产实践中可以通过采用精密铸造螺旋及打磨抛光螺旋轴毅外表面、螺旋叶片工作面等，或冷拉成形螺旋叶片工作面，然后通过焊接及机械切削加工成为螺旋。最后，再打磨抛光螺旋轴毅与螺旋叶片表面之间的焊缝表面等措施，能最大限度地减少泥料与螺旋叶片工作面之间的摩擦系数，有利于提高真空挤压成形机陶瓷坯体的产品质量。

(2)螺槽横向存在着很强的热对流，导致中间层泥料向轴毂处的环流，这有利于泥料的进一步搅拌揉练和均匀混合，使得泥料相对角速度方差有所降低，泥料分层现象有所改善。

(3)在一定程度上加热泥料对泥料的质量所起的作用是积极的，但是温度过高泥料水分的蒸发逐渐加快，导致泥料含水量越来越小，泥料有脱水硬化趋势，使得泥料平均速度减小相对角速度方差却增大，泥料分层现象加剧。

[1] 张柏清，裴佳宏．真空练泥机中陶瓷泥料挤出过程的研究．中国陶瓷工业，2004，11(3)：11-13．

[2] 席世亮．姜南．单螺杆挤出过程的计算机仿真．计算机仿真，2003(12)：130-133．

[3] 许洋，党沙沙，胡仁喜等编著．ANSYS11．0/FLOTRAN．北京：机械工业出版社，2009，1．

[4] 陈憨章．粘性流体动力学基础．北京：高等教育出版社，2002．

[5] 李黎明．ANSYS有限元分析实用教程．北京：清华大学出版社，2005．

Pug Extrusion Quality Analysis for De-airing Pug Mill Based on ANSYS Temperature Field Simulation

WU Nanxing, ZHU Jingui, ZHANG Baiqing
(School of Mechanic and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, Jiangxi 333403)

The pug’s temperature field in the extrusion process of the de-airing pug mill was analyzed with ANSYS software. The temperature variation of the pug in the spiral groove of the auger with different parameters, such as friction coefficient, ambient temperature, and pug heating temperature, was numerically simulated. Results show that the extrusion velocity and pressure changes with the pug temperature, which in turn affect the pug extrusion quality. This study provides theoretical basis for the extrusion production observation of the ceramic pug mill.

de-airing pug mill; numerical simulation; fi nite element; temperature fi eld

TQ174.5

A

：1006-2874(2014)01-0009-04

2014-12-02 Received date: 2013-12-11

国家自然科学基金资助项目—陶瓷用真空练泥机关键技Correspondent author: WU Nanxing, Professor术研究（编号：50765002）E-mail: zlm843212003@yahoo.com.cn

吴南星，教授