销钉双螺杆挤出机的结构研究与流场分析

贾世魁，董林福

(1.三一重机有限公司桩机研究院，江苏 昆山 215334；2.沈阳工学院，机械工程与自动化学院，辽宁 抚顺 113122)

销钉冷喂料挤出机与啮合型双螺杆挤出机其特点不同，销钉冷喂料挤出机由于在机筒上插入销钉，能很好的对物料进行剪切、分流及旋转，消除普通冷喂料挤出机塑化时所存在的核心区，从而以较低的能源消耗，提高塑化混合效果，降低排胶温度，提升塑化质量；啮合型双螺杆挤出机具有良好的混炼效果，自洁能力强，产量大等优点。本文在综合了两种挤出机特点的基础上，提出了销钉双螺杆挤出机的理念，即在双螺杆挤出机的料筒上，像销钉挤出机那样，插入适当的销钉，这样就可以最大限度的发挥其剪切塑化能力强，混合效果好的优点。

1 双螺杆销钉挤出机销钉的排布结构

本文以同向啮合双螺杆挤出机为研究对象，在挤出段的料筒上插入适当的销钉，采取两种结构形式进行分析，第一种为销钉对称布置，即在挤出段对称布置两排销钉，每排10枚销钉，排距52 mm，第一排销钉距离挤出段机筒入口处52 mm，如图1所示。第二种为非对称结构，在挤出段的每侧机筒上各插入2排销钉，整个机筒共插入排数4排销钉，每排5枚销钉，排距26 mm，第一排距离挤出段机筒入口处26 mm，如图2所示。排数可以根据实际需要进行适当调整。

销钉、机筒、螺杆之间的装配方式如图3所示。

2 仿真求解过程

运用FLUENT软件进行分析，其求解过程[1]如图4所示。

本文重点研究其结构性对销钉机筒内部流场分布的影响，从而对挤出机挤出段的工作性能进行讨论。因此，在不影响分析结果的情况下，对现有三维模型适当进行简化处理，GAMBIT中流体模型如图5。

取螺杆直径为Φ130 mm,螺槽深度9.75 mm，物料模型螺杆长度截取为162 mm，且螺杆根部圆角忽略不计。螺杆两端分别加有20 mm的缓冲区，模型总长202 mm（z轴方向），高度121 mm（y轴方向），宽度65.5 mm（x轴方向）。坐标原点位于下方螺杆中心轴右端位置。

在进行模型计算之前，在GAMBIT中进行前处理，分别对对称销钉机筒结构、非对称销钉机筒结构内部流体的三维模型进行网格划分，采用四面体网格，步长2，网格数分别为496 231，514 429，513 213。其中非对称销钉机筒内部流体网格如图6所示。

物料参数：胶料为非牛顿流体，其表现黏度与所受剪切速率有关，其中不考虑温度对黏度的影响，黏度系数μ0=115 kPa.s，非牛顿指数n=0.1，密度ρ=925 kg/m3[2]。

边界条件：机筒内壁为固定壁面，流体与边界壁面间无滑移。螺杆表面为旋转壁面，双螺杆转速均为4 rad/s（绝对速度）。图5中右端设置为压力进口，压力值为0，左端设置为压力出口，压力值为1 MPa。

计算模型与算法选择：流体为定常流动，采用稳态模型进行计算。由于流体黏度大，因此采用层流模型。计算过程中不考虑温度因素，不计算能量方程。离散格式选择一阶迎风，算法采用SIMPLE算法。松弛因子0.7（默认值），监测器中连续性收敛条件残差值选取1×10-9。

3 塑化混合性能分析

在模型中通过计算截面加权平均壁面剪切应力评价双螺杆销钉机筒结构的塑化效果，以加权平均应变速率评价双螺杆销钉机筒结构的混合性能。沿z轴方向取截面，分别对销钉机筒对称结构与非对称结构进行比较研究。

模型所选取的截面，两结构螺杆截面相位一致。对于对称销钉机筒结构，选取z=52 mm处，为销钉轴线位置；对于非对称结构，销钉位于机筒一侧，且轴线与z=52 mm截面重合。以z=52 mm截面为基准截面，以步长0.05 mm分别向两侧取截面加权平均壁面剪切应力值，并以三次多项式数值计算方法绘制插值曲线，如图7所示。

图7 为两种不同结构的沿z轴方向横截面上的加权平均壁面剪切应力值分布规律。z=52 mm截面与销钉轴线重合的位置，非对称结构截面上平均剪应力值比对称结构高，但不十分显著。分别向两边延伸，两条曲线开始下降，可以得出对称结构应力值下降趋势明显，梯度较大。下降至z=50.5 mm与z=53.5 mm处，于波谷位置。z=48.15 mm与z=55.85 mm处，由

于横截面处于刚刚通过销钉位置处，截面速度变化复杂，平均剪应力值处于波峰，应力值较大，塑化效果较好。z=47.15 mm与z=56.85 mm处，截面处于螺杆环槽与销钉的间隙，平均应力值处于波谷位置，应力值较小。z=46.15 mm与z=57.85 mm处，截面位于螺棱环槽边界位置，由于螺杆的旋转运动，使螺棱环槽边界处的加权平均壁面剪切应力值达到最大，到下一截面突然降低至波谷位置，且对称结构变化幅度较大。

图中总体趋势看来，非对称结构截面加权平均剪切应力总值大于对称结构的2.96%，物料所受剪切应力值较大，塑化效果较好，且沿z轴方向销钉附近截面剪切应力值分布平缓，梯度变化较为平稳，对称结构平均剪切应力值变化幅度较大。

图8为两种不同结构的沿z轴方向横截面上的加权平均应变速率分布规律。从宏观上看，与加权平均剪应力的分布趋势类似。经计算，非对称结构加权平均应变速率总值大于对

称结构的7.66%，混合效果好，沿z轴方向应变速率分布平缓，梯度变化较平稳。z=52 mm处，非对称结构应变速率明显高于对称结构，分别向两边延伸观察，在销钉截面区域的应变速率变化不十分明显。z=46.15 mm与z=57.85 mm处，截面位于螺棱环槽边界位置，加权平均应变速率值达到最大，下一截面突然降低至波谷位置，且对称结构变化幅度较大。

模型仿真对双螺杆挤出机挤出段工作过程建立数学模型，计算收敛后，分别对速度场进行分析。非对称销钉机筒结构能够保证在任意横截面位置，始终有一侧螺杆螺棱在进行旋转运动状态，经过销钉位置时，能够有良好的自洁性能。最后用塑化混合性能评价对非对称销钉机筒结构与对称销钉机筒结构进行分析，得出非对称结构具有比较良好塑化混合性能，加工混炼过程较为稳定的优点。

4 结论

本论文在同向啮合双螺杆挤出机基础上，根据螺杆挤出机数学模型和设计理论，设计研究了销钉机筒双螺杆挤出机挤出段部分，运用FLUENT软件对其不同结构下的流场进行了分析比较，并分析了不同销钉排布结构的混合效果：对称销钉机筒结构的销钉轴线所处截面位置，无螺杆间啮合区域，自洁性能下降；非对称销钉机筒结构，即销钉处存在螺杆间啮合区域，又能够形成高度剪切区，打乱螺槽间的核心区，增加混炼能力；销钉附近截面，非对称结构加权平均剪切应力值与加权平均应变速率总值大于对称结构，塑化混合效果较好，且沿z轴方向销钉附近截面剪切应力值分布平缓，梯度变化较平稳。