带捏合块的渐加速型单螺杆三维流场分析_田东.pdf

基金项目:辽宁省自然科学基金项目(编号:M S ,M S ,Z D )作者简介:田东,男,沈阳化工大学在读硕士研究生.通信作者:郭树国(),男,沈阳化工大学副教授,博士.E m a i l:g u o s h u g u o c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()带捏合块的渐加速型单螺杆三维流场分析T h r e e d i m e n s i o n a l f l o wf i e l da n a l y s i so f ap r o g r e s s i v e l ya c c e l e r a t i n gs i n g l es c r e ww i t hk n e a d i n gb l o c k s田东T I AN D o n g郭树国G U OS h u g u o王丽艳WANGL i y a n(沈阳化工大学机械与动力工程学院,辽宁 沈阳 )(C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dP o w e rE n g i n e e r i n g,S h e n y a n gU n i v e r s i t yo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y,S h e n y a n g,L i a o n i n g ,C h i n a)摘要:目的:提高单螺杆挤出机的混合性能和工作效率.方法:设计了一种利用行星轮组件和混合元件的同轴渐加速单螺杆,利用A n s y s/c f x对其流道进行了三维流场分析,得到了宏观压力场、速度矢量图、速度流线图以及轴向速度变化曲线并与传统单螺杆进行了对比,结果:随着螺杆转速的不断变大,物料在机筒内停留时间变短,渐加速螺杆的挤出效率得以提高 ,使得耗能大大减少,由于捏合块的存在,物料在捏合块处被反复挤压,使得渐加速型单螺杆在增加产能的同时混合性能又可以得到保证.结论:同轴渐加速单螺杆高速旋转的捏合块可使物料混合更充分,且能缩短物料在螺杆中的停留时间,提高产量.关键词:单螺杆挤出机;三维流场;捏合块;行星轮组A b s t r a c t:O b j e c t i v e:I no r d e r t o i m p r o v e t h em i x i n gp e r f o r m a n c ea n dw o r ks p e e do fas i n g l es c r e we x t r u d e r i n c r e a s e M e t h o d s:Ac o a x i a lg r a d u a la c c e l e r a t i o ns i n g l es c r e w u s i n gp l a n e t a r y w h e e la s s e m b l i e sa n dm i x i n ge l e m e n t sw a s d e s i g n e d U s i n ga n s y s/c f x t oc o n d u c tt h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o w f i e l da n a l y s i so ft h ef l o wc h a n n e l,t h em a c r op r e s s u r ef i e l d,s p e e dv e c t o rd i a g r a m,s p e e ds t r e a m i n gd i a g r a ma n da x i a l s p e e dc h a n g e s,w e r e f i n i s h e d,w h i c hw a s c o m p a r e d t o t h eo n l y t r a d i t i o n a l p i l l a r R e s u l t s:A s t h e s p e e do f t h ep i l l a rc o n t i n u e st oi n c r e a s e,t h et i m ef o rt h em a t e r i a lt os t a y i n t h eb a r r e l b e c o m e s s h o r t e r,a n d t h e e x t r u s i o ne f f i c i e n c yo ft h eg r a d u a l a c c e l e r a t i o ns c r e wc a nb e i m p r o v e db y t o,s ot h a tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sg r e a t l yr e d u c e d,d u et ot h ep r e s e n c eo ft h e k n e a d i n g b l o c k,t h e m a t e r i a li s r e p e a t e d l ys q u e e z e da t t h ek n e a d i n gb l o c k,s ot h a tt h eg r a d u a la c c e l e r a t i o no f t h es i n g l es c r e wi nt h ei n c r e a s ei np r o d u c t i o nc a p a c i t ya tt h es a m e t i m e t h e m i x i n g p e r f o r m a n c e c a n b e g u a r a n t e e d C o n c l u s i o n:T h ec o a x i a lg r a d u a la c c e l e r a t i o no ft h es i n g l es c r e wh i g h s p e e dr o t a t i o no f t h ek n e a d i n gb l o c kc a nm a k et h em a t e r i a lm i x m o r ef u l l y,a n d c a n s h o r t e nt h er e s i d e n c et i m e o ft h em a t e r i a l i nt h es c r e w,i m p r o v e t h eo u t p u t K e y w o r d s:s i n g l es c r e we x t r u d e r;t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l d;k n e a d i n gb l o c k;p l a n e t a r yw h e e l a s s e m b l y单螺杆挤出机由于结构简单、操作方便、占地面积少,在塑料、化工、食品领域得到了广泛应用,但是由于双螺杆以及多螺杆挤出机在挤出效率、混合性能等表现远远优于单螺杆挤出机,近年来,单螺杆挤出机逐渐淡出了市场.为提高单螺杆的混合性能以 及 挤出 效率,学者们作出了诸多探索,但都只针对螺杆的某一方面进行了研究,如:潘龙等提出提高螺杆转速可以提高螺杆对物料的剪切速率,提高生产效率;黄元昌提出在螺杆中加入混炼元件可以使物料更好的混合,提高其混合效率.研 究 拟 整 合 前 人 研 究 并 加 入 行 星 轮 组,以S o l i d W o r k s为建模平台,以带捏合块的渐加速单螺杆为试验对象,以传统单螺杆为参照对象,以黏性流体力学为基础,用A n s y s为仿真平台,模拟物料在螺杆中的运动情况,以期为提高单螺杆挤出机的挤出效率提供理论依据.模型及参数几何模型和流道有限元模型图为带捏合块的渐加速型单螺杆的S o l i d W o r k s三维模型,单螺杆总长 mm,普通输送段和加速输送段长度 均 为 mm,螺 距 mm,根 径 mm,外 径 mm,捏合块元件由个捏合盘组成,单个捏合盘厚度为 mm,形状与螺杆切面相同,捏合盘之间的错位角为 .F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|图带捏合块的渐加速型单螺杆三维模型F i g u r e T h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo fap r o g r e s s i v e l ya c c e l e r a t i n gs i n g l es c r e ww i t hap i n c hb l o c k图为加速混合段和加速输送段的行星轮组三维模型图,行星轮组的各齿轮齿数以及模数根据螺杆的尺寸大小以及传动速度确定,加速混合段行星轮组的中心太阳轮齿数为,周围小行星轮齿数为,圈轮齿数为,加速输送段行星轮组太阳轮齿数为,周围小行星轮齿数为,外部齿圈齿数为,行星轮组所有齿轮模数均为.图行星轮组F i g u r eP l a n e t a r yw h e e l s图为带捏合块的渐加速型单螺杆的网格划分后的流道有限 元 模 型,将 单 螺 杆 的 三 维 模 型 导 入 到A n s y sg e o m e t r y中,进行机筒填充和布尔操作得到流道模型后,导入m e s h中进行四面体网格划分得到节点数 ,元素数 .图网格划分后的流道模型F i g u r eM e s h e dr u n n e rm o d e l基础状态假设物料选用豆粕,豆粕属于幂律流体中的膨胀流体,其流体黏度随剪切速率的增加而增加且不可被压缩,在流道中的运动可以当作层流.流道内可以看作稳态,等温流场,对螺杆表面和机筒内壁均无滑移.数学模型由于在加速混合段和加速输送段存在行星轮组,所以要对行星轮组进行传动比计算,根据其传动比去确定加速混合段和加速输送段的速度.(),()式中:太阳轮转速,r/m i n;齿圈转速,r/m i n;行星架转速,r/m i n;齿圈齿数与太阳轮齿数的比值.根据单螺杆挤出机的实际工作条件和边界无滑移的条件给出以下边界条件:()螺杆转速为n r/m i n.()根据螺杆转速以及传动比代入式()计算得出加速混合段转速n r/m i n,加速输送段n r/m i n.()物 料 进 口 速 度u m/s,出 口 压 力 为MP a.()螺杆和捏合块表面无滑移,机筒转速为.对于等温层流的幂律流体,如忽略其体积力,则连续方程可简化为:VxxVyyVzz.()运动方程为:pxx xxy xyz xz,()pyx yxy yyz yz,()pzx zxy zyz zz.()幂律流体本构方程为:n,()式中:V 速度矢量,m/s;i j 直角坐标系下剪切应力的矢量(下角标i、j对应坐标轴);p 静压力,P a;剪切速率,s;物料黏度,P as;n 幂律指数.联立式()式()即可得出立体域的压力场和速度场.模拟结果与分析宏观压力场螺杆的宏观压力场表示一个螺杆的压力分布状况和建压能力强弱,从图中可以看出,两种螺杆的压力在总体上都是呈逐渐增加状态,说明物料在螺杆挤出力的作用下可以向前推进并最终被挤出.普通单螺杆挤出压力大小逐渐增加且均匀分布,说明物料在螺杆中被均匀挤出且不存在回流,不能被反复挤压.而新型单螺杆挤出压力总体上是逐渐增加的(先缓慢增加再急剧增加),前期的缓慢增加是由于在螺杆中部增加了捏合块,捏合块本身不存在建压能力,物料只能由螺杆挤出力向前推进,这就造成了物料在捏合块处被反复挤压,提升了混合性食品装备与智能制造F OO DE QU I PME NT&I NT E L L I G E NT MANU F A C TUR I NG总第 期|年月|图螺杆