再生胶复合挤出过程流场分布数值模拟研究

（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

1 研究背景

再生胶是指废旧橡胶经过粉碎、加热、机械处理等物理化学过程，使其弹性状态变成具有塑性和黏性的，便于加工并能够硫化的再生橡胶[1]。根据相关统计，结合所有再生橡胶企业的生产能力，目前我国的再生胶产量已占全世界总产量的4/5以上，达到了500 万 t[2]。

再生胶的特征为：（1）价格低廉，再生胶的价格一般是天然橡胶或合成橡胶价格的1/3；（2）可塑性好，再生胶料的动力消耗相比于天然橡胶或合成橡胶要低很多，因此混炼成型的时间也少很多；（3）流动性好，在橡胶工业中加入再生胶能够起到润滑的作用，大大改善流动性。因此，在橡胶工业中，继天然橡胶、合成橡胶后，再生胶被列为第三大橡胶资源，近年来的应用比例也是逐步提高[3]。

目前，随着汽车行业的蓬勃发展，对于轮胎的需求也越来越大。再生胶也逐渐地作为原料或添加剂被应用到轮胎胎面、胎侧的复合挤出成型中。前人已对橡胶轮胎的挤出做了大量的研究工作，其中贾晓艳[4]研究了压力、黏度对橡胶挤出流道的压力场、出口速度的影响。张鹤锐[5]研究了橡胶胎料在复合挤出流道中流量比值、黏度比值的不同对橡胶复合界面的影响。

而再生胶复合挤出成型质量的好坏一方面取决于其本身的物性参数，还与其他因素有关，如流道结构、入口流量、口型板的形状等。

2 再生胶胶料物性参数测试

选用Malvern牌毛细管流变仪测试胶料的流变参数。毛细管流变仪主要由储料室、柱塞和毛细管组成。如图1所示为测试用再生胶粒，如图2所示为毛细管流变仪装置。

图1 测试用再生胶粒

图2 毛细管流变仪

采用Bird-Carreau law本构方程模型来反应再生胶的流变特性，其方程为：

经过毛细管流变仪测试，将得到测试原始数据通过origin软件数据拟合得出流变模型参数。

编号为TQ387PT的再生胶的物性参数为：

编号为TQ757的再生胶的物性参数为：

3 单机头流道流场分布数值模拟分析

3.1 单机头流道流场分布数值模拟分析

采用polyflow软件对单机头流道流场分布进行数值模拟计算。

3.1.1 物理模型与边界条件

以机头1为例，如图3所示为机头结体图。根据机头结构尺寸绘制再生胶机头流道三维模型。由于橡胶的流变性在机头结构中部开有阻尼块，出口处设计有定型段流道，如图4所示为机头三维模型的边界条件图。

图3 机头结构图实体图

图4 边界条件图

3.1.2 结果与分析

对出口截面处的速度分布进行仿真分析。如图5所示为出口面的速度场云图。在该出口截面做出中线，然后将该中轴线上的速度数值导出并用Excel制作图表，如图6所示。

图5 出口截面速度分度

图6 流道出口处中线速度值分布

3.2 影响挤出成型质量的因素分析

机头流道出口处的速度均匀性是再生胶挤出质量好坏的关键。阻尼块的高度、定型段的长度、入口流量是挤出均匀性重要的影响因素。

3.2.1 阻尼块高度

以机头 1 为例，当 h 为 20，30，40，50（mm），其他因素不变下，机头流道出口处的速度分布的有限元结果如图7所示。

由图7可知，随着阻尼块高度的增加，流道中间流速慢、两侧流速快的趋势增强。当h为40 mm左右时，出口速度均匀性较好。故针对特定的机头流道、特定的物料需选取合适的阻尼块高度。

图7 阻尼块高度与出口速度分布的关系图

3.2.2 定型段长度

以机头 1 为例，当 L 为 15，30，40（mm），其他因素不变下，机头流道出口处的速度分布的有限元结果如图8所示。

图8 定型段长度与出口速度分布的关系图

由图8可知，随着定型段长度的增加，流道中间流速慢、两侧流速快的趋势好转。当L为40 mm左右时，出口速度均匀性较好。

3.2.3 入口流量

当 Q 为 0.000 01，0.000 03，0.000 05（m3/s），其他因素不变下，机头流道出口处的速度分布的有限元结果如图9所示。

由图9可知，随着入口流量的增加，流道中间流速比两侧流速快的趋势略有增强。当Q=Q1=0.000 01 m3/s时，出口速度均匀性较好。

4 复合流道流场分布数值模拟计算

采用polyflow软件对复合流道流场分布进行数值模拟计算。

4.1 物理模型与边界条件

经调试好结构参数、工艺参数的机头均匀挤出后的两种胶料进入复合流道进行复合挤出，如图10所示为复合流道结构实物图，并使用三维软件建模进行有限元数值模拟分析，如图11为复合流道三维模型边界条件示意图。

图9 入口流量变化与出口速度分布的关系图

图10 复合流道实体结构

图11 三维模型边界条件示意图

如图11所示，入口边界条件设为inflow，出口边界条件设为Outflow。壁面采用胶料与壁面无滑移，即vn=vs=0。

4.2 结果与分析

从复合区域入口处到出口处沿着入口流场宽度方向取6个纵截面，对6个纵截面的速度分布进行仿真分析。6个纵截面的速度分布总图如图12所示。

从最左端的1纵截面可以得出，由于死区的原因，存在很大的横向流，且上段物料较少进入复合区，导致该截面附近的复合区域内主要为下端物料。而从对称的2和6两个纵截面看，由于横向流的原因，复合界面处上段流量增大。从其他纵截面看，随着横向流影响的减小，复合界面处进行正常的复合流动。

图12 纵截面速度分布云图

5 结论

（1）再生胶单机头流道挤出时，研究阻尼高度、定型段长度、入口流量对挤出出口速度均匀性的影响。结果表明阻尼块高度、入口流量的增加，流道中间流速慢、两侧流速快的趋势增强，定型段长度的增加，流道中间流速慢、两侧流速快的趋势好转。

（2）两种再生胶复合挤出时，设计的口型板流场复合效果尚可，但由于死区以及口型板两侧的结构设计会在两侧产生向内的横向流，使得在两侧区域内上端物料较少，会使得物料在出口处的复合产生不良的影响。