制备再生橡胶的单螺杆挤出机喂料段流场分析及结构参数优化

李成宇，吕晓龙，吕柏源

（1.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；2.青岛科技大学 中德科技学院，山东 青岛 266061）

螺杆挤出机是橡胶加工的重要设备，广泛应用于轮胎、胶管、密封胶条、电线电缆等橡胶制品以及再生橡胶的制造。其中，螺杆是核心部件，对挤出机的性能起着决定性作用[1-5]。在单螺杆挤出机挤出制备再生橡胶的过程中，喂料段十分重要，在很大程度上影响着再生橡胶的产量和生产效率[6-9]。喂料段螺杆设计过程中，影响生产效率的参数主要有螺槽深度（H）、螺杆导程（S）和螺棱宽度（e）。

本工作采用有限元分析软件Fluent对Ф150 mm单螺杆挤出机喂料段进行流场分析和结构参数优化，研究H，S和e对物料流动行为和流动速度的影响，比较各模拟结果并得到各参数对喂料段输送效率的影响，为优化制备再生橡胶的单螺杆挤出机喂料段结构提供参考。

1 建立模型

1.1 几何模型

本工作基于的单螺杆销钉挤出机制备再生橡胶所用的模型，喂料段螺杆采用等距等深，长径比为4（螺杆直径和长度分别为150和600 mm），通过改变H，S和e模拟物料最大流动速度，并讨论这3个参数对喂料段输送效率的影响。

单螺杆喂料段几何模型如图1所示。

图1 单螺杆喂料段模型Fig.1 Model of single screw feeding section

1.2 数学模型

在进行流场模拟计算时，因考虑到流场几何形状、物料性质、流动状态和加工条件等因素造成的流场复杂性，同时流场物料流动过程需满足工程的近似要求，做基本假设如下[10-12]：

（1）聚合物为非牛顿流体；

（2）聚合物熔体为紊流流动；

（3）忽略惯性力和重力的影响；

（4）聚合物在流道中全部充满。

描述流场连续性方程、运动方程和能量方程为

式中，v为物料流动速度（m·s-1），p为压力（Pa），τ为应力张量（Pa），η（r.）为剪切速率作用粘度（Pa·s），D为形变速率张量（s-1）。

为既能描述在高剪切速率下假塑性流体的流变性质，又可描述在低剪切速率下牛顿流体的流变性质，选用Carreau模型表征η（r.）：

式中，η∞为物料无穷剪切粘度（Pa·s），η0为零剪切速率时的粘度（Pa·s），λ为粘弹性特征时间（s），n为非牛顿指数。

1.3 网格划分

本工作模型采用智能网格划分，同时使用线尺寸控制单元格大小，并对必要位置进行网格加密，以达到均匀划分网格和提高计算精度的目的[13]。喂料段流体域网格实体模型如图2所示。

图2 喂料段流体域网格实体模型Fig.2 Solid model of fluid domain of feeding section

1.4 边界条件确定

物料与机筒内表面为无滑移边界，即相对于机筒内表面与机筒内表面接触的物料流动速度为零，且与螺槽底部和螺棱侧面分别接触的物料随螺杆作圆周运动[14-15]。螺杆表面转速随螺杆转速的变化而变化，假定螺杆转速为60 r·min-1。

2 模拟结果分析

2.1 H对喂料段输送效率的影响

在e和S分别取10.5和180 mm的条件下，采用数值模拟方法分析H对单螺杆挤出机喂料段输送效率的影响，H变化范围以H≈（0.125～0.170）d[7]（d为螺杆直径）为基础进行计算设定。图3为H取不同值时单螺杆挤出机喂料段流场流动速度矢量图。

从图3可以看出：随着H的增大，喂料段流场流动速度分布规律变化不大；当H取27 mm时物料平均流动速度为0.293 m·s-1，当H取30 mm时物料平均流动速度为0.272 m·s-1，当H取33 mm时物料平均流动速度为0.245 m·s-1；随着H的增大，流场内物料最大流动速度减小，喂料段输送效率降低。

图3 H取不同值时单螺杆挤出机喂料段流场流动速度矢量图Fig.3 Flow velocity vector diagrams of flow field of feeding section in single screw extruder with different values of H

2.2 S对喂料段输送效率的影响

在e和H分别取10.5和27 mm的条件下，采用数值模拟方法分析S对单螺杆挤出机喂料段输送效率的影响，S变化范围以S＝πdtgθ（θ≈17°~22°）[7]为基础进行计算设定。图4为S取不同值时单螺杆挤出机喂料段流场流动速度矢量图。

从图4可以看出：随着S的增大，喂料段流场流动速度分布规律变化不大；当S取170 mm时物料平均流动速度为0.305 m·s-1，当S取180 mm时物料平均流动速度为0.293 m·s-1，当S取190 mm时物料平均流动速度为0.279 m·s-1；随着S的增大，流场内物料最大流动速度减小，喂料段输送效率下降。

图4 S取不同值时单螺杆挤出机喂料段流场流动速度矢量图Fig.4 Flow velocity vector diagrams of flow field of feeding section in single screw extruder with different values of S

2.3 e对喂料段输送效率的影响

在S和H分别取170和27 mm的条件下，采用数值模拟方法分析e对单螺杆挤出机喂料段输送效率的影响，e变化范围以e＝（0.06~0.08）d[7]为基础进行计算设定。图5为e取不同值时单螺杆挤出机喂料段流场流动速度矢量图。

从图5可以看出：随着e的增大，喂料段流场流动速度分布规律变化不大；当e取9.0 mm时物料平均流动速度为0.309 m·s-1，当e取10.5 mm时物料平均流动速度为0.305 m·s-1，当e取12.0 mm时物料平均流动速度为0.307 m·s-1，即随着e的增大，流场内物料流动变化并不明显。

图5 e取不同值时单螺杆挤出机喂料段流场流动速度矢量图Fig.5 Flow velocity vector diagrams of flow field of feeding section in single screw extruder with different values of e

3 结构参数优化

3.1 正交试验

采用正交试验方法[16-17]对挤出机喂料段结构参数进行优化，正交试验参数设计如表1所示。

表1 正交试验参数设计Tab.1 Design of orthogonal experimental parameters

3.2 单因素试验

以正交试验方案1为基础，确定H为27 mm和S为170 mm，改变e的取值，得出物料平均流动速度随着e变化的曲线如图6所示；确定H为27 mm和e为9.0 mm，改变S的取值，得出物料平均流动速度随着S变化的曲线如图7所示；确定S为170 mm和e为9.0 mm，改变H的取值，得出物料平均流动速度随着H变化的曲线如图8所示。

图7 物料的平均流动速度随着S变化的曲线Fig.7 Curve of average flow velocities of material with S

图8 物料的平均流动速度随着H变化的曲线Fig.8 Curve of average flow velocities of material with H

3.3 优化结果

在选择最优方案时，物料流动速度是考察喂料段输送效率的最主要因素。

从图6—8可以看出，H和S对喂料段输送效率影响较大，e对物料流动速度影响不大。考虑到螺槽有效输送容积，e应较小为好。当H，S和e分别取值为27，170和9.0 mm时，喂料段输送效率较大。

图6 物料的平均流动速度随着e变化的曲线Fig.6 Curve of average flow velocities of material with e

4 结论

采用有限元分析软件Fluent，对制备再生橡胶的Ф150单螺杆挤出机喂料段三维流场进行模拟，可得出以下结论。

（1）H对喂料段输送效率影响较大，随着H的增大，流场内物料平均流动速度减小，喂料段输送效率下降；随着S的增大，流场内物料平均流动速度减小，喂料段输送率下降；随着e的增大，流场内物料平均流动速度变化并不明显，但为了增大螺槽有效输送容积，在保证其强度和刚度的前提下，应尽可能减小e。

（2）采用正交试验法，得出单螺杆挤出机喂料段优化结构参数为：H27 mm，S170 mm，e9.0 mm。采用该优化设计的单螺杆挤出机可提高再生橡胶的生产效率。