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螺杆分配机头内部压力场分布的CAE分析
耿麒先 董传涛 赵玉博
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摘要：用ANSYS有限元软件对生产宽幅橡胶板材的螺杆分配机头流道内部的压力场进行三维模拟与分析，选择Fluid142三维六面体单元划分网格，建立螺杆分配机头内部流道的三维有限元模型，得到在一定工艺条件下机头流道内部的压力分布。分析了阻尼块几何形状对压力分布的影响，指出阻尼块可以增加流道内原来速度和压力较高部位的流动阻力，选择合适的阻尼块高度可以使胶料的压力值逐渐趋于横向均匀。　　
关键词：宽幅橡胶板材；螺杆分配机头；三维有限元分析；流道；压力场
输送带是胶带运输机的主要部件，广泛应用于冶金、煤炭、化工、建筑、航空、港口、铁路、电力及众多轻工业部门。现在橡胶输送带生产总的趋势[1]是：①覆盖胶用挤出代替压延，这不但可以减少压延胶片时不易消除内部气泡、厚胶片密实性不够好的现象，而且有利于实现生产流程的挤出、成型和硫化的连续和一体化作业，从而大幅度地节约能源，节省人力，提高生产效率；②覆盖胶成型工艺由多层贴合成型转向使用单层覆盖工艺。用挤出法生产少层输送带是输送带生产发展的一个趋势。对挤出法来说，挤出机头是关键部件之一，其中螺杆分配机头对生产宽幅橡胶板材有其独特优点。
挤出机头的主要功能是将连续的聚合物熔体分配于流道中，使物料以均匀的速度从口型中挤出，从而形成所需端面形状与尺寸的制品。常用的板材挤出机头有Ｔ型、鱼尾式、衣架式、Ｌ型[2]和螺杆分配机头等。
螺杆分配机头实际就是在机头的直歧管流道内装一根旋转的分配物料螺杆，使由挤出机供给的物料在沿分配螺杆轴向强行推进的同时，又沿模唇宽度方向均匀地进入狭缝型模腔流道中，构成适宜于挤出宽幅板、片材的又一扁平机头[3]。螺杆分配机头应用于挤出橡胶板材优点很多。
①螺杆分配机头调节方式较多，调节较灵活，不仅适用于宽幅板片材(最宽可达4000ｍｍ)生产，而且也能生产出厚达40ｍｍ的特厚板材。
②对生产热稳定性差的树脂(如ＰＶＣ)和粘度特别大、流动困难、加有各种填料的复合型板、片材成型具有特殊的适应性，用于宽幅橡胶板材的加工比使用其它机头有更大的优越性。
③在分配螺杆带动下，进行旋转运动的物料进入口型后将会使物料由旋转运动被迫立即转为直线运动，使成型出来的板(片)材表面容易因为不稳定流动而出现波浪型痕迹，以至影响表面的成型质量。这对生产最终产品的透明塑料板材来说是一个问题，但对橡胶板材生产来说，由于橡胶板材在挤出之后还要进行硫化，因此，挤出流痕对橡胶板的生产不会产生任何不良影响，故把螺杆分配机头应用于生产橡胶板材更有优越性。
目前，该机头设计主要依靠经验，效率低且修模率高，生产一个机头的费用很昂贵，且一个成品机头的设计往往需要多次修改和试验，花费大量的人力和物力资源。机头设计制造周期长，也无法适应当今的生产需求，在激烈的市场竞争中缺乏竞争力。因此，希望通过研究，为机头设计提供一种利用ＣＡＥ技术的方法：先用ANSYS有限元软件进行模拟计算和分析，获得较为适宜的机头几何尺寸，然后再由试验进行分析验证。这样可以大大节省一些不必要的花费，并缩短机头设计制造的周期。
本工作以日本池贝铁工厂产品ＥＳ115 30机组的螺杆分配机头为原型，对其挤出流道进行建模和压力场的分析。
1　模型
1.1　建立模型
机头内部的三维几何模型如图1所示，其中Ａ和Ｂ分别为进口和出口端面，物料在机头内由Ａ流向Ｂ。出口端面Ｂ的机头口型厚度为10ｍｍ，宽度为1300ｍｍ。物料由Ａ进入机头后，可通过对分配螺杆转速和阻尼块高度的调整，达到物料在机头内连续均匀挤出的目的。

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螺杆分配机头有多种调节方式。①通过对分配螺杆转速的调整，使由挤出机供给的物料在沿螺杆强行推进的同时，又沿模唇宽度方向均匀流入狭缝型流道中，达到物料沿模唇宽度方向建立较均匀的速度和压力场的目的。②调整阻尼块高度，可进一步调节物料在狭缝流道中的压力和速度分布。③板、片材挤出的不均匀度可通过调节口型高度进行微调，最终达到出料的均匀一致。
首先选用一种流变规律近似幂律流体的橡胶物料，假定其为幂律流体，主要性能参数为：密度　1.13Ｍｇ·ｍ-3，粘度　38028Ｐａ·ｓ，幂率指数　0.3。
1.2　划分单元
为了保证计算的收敛性，选择Fluid142三维六面体单元划分网格，并对阻尼块等流道形状变化较大的区域加大网格划分密度，确保分析精度。
1.3　载荷与边界条件的设定
根据壁面无滑移原理，假定所有与机头壁面边界接触的面上流速为零，取螺杆转速为67ｒ·ｍｉｎ-1。根据加工条件，假定机头入口压力为6ＭＰａ，出口压力为零，胶料加工温度为90℃。
2　计算结果
机头内的分配螺杆对物料在歧管内及沿狭缝流道模唇方向的流动均匀性起关键作用。由于阻尼块能增加流道内原来速度和压力较高部位的流动阻力，因此阻尼块能够进一步调节物料在狭缝流道中压力和速度分布的均匀性，其几何尺寸直接影响流道出口截面物料流动的均匀性。图2所示为机头内部压力分布趋势。

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从图2可以看到，分配螺杆带动物料在歧管内进行流动分布，并对歧管内分配螺杆末端处起到形成压力的作用，使得该处压力升高，奠定整个机头内压力分布的基础。在狭缝流道中物料的流动为压力流动，在无阻尼块的区域，流道中间部位压力较小，流速小，如图2所示，压力分布呈抛物线状。当物料接近阻尼块区域时，由于流道两侧间隙较小，流动阻力增大，强迫物料向中间流动，使入口和分配螺杆末端两处引起的两侧压力和速度较高而中间较低的现象得以缓解，从图3和4可以明显看出压力的波动情况(图3和4是由对图2中各彩色表示的压力范围进行重新调整所得，以突出重点观察部位的压力变化)。随着阻尼块高度的变化，阻尼块区域附近压力在流动方向上逐渐减小，压力曲线逐渐平顺，压力值在沿挤出方向递减的同时逐渐趋于横向均匀，在口型出口端面最终达到一致。为了更清楚地观察流道压力分布，将整个机头狭缝流道区沿挤出方向顺序划分为ａ，ｂ，ｃ和ｄ共4个区域，各区域的压力分布如图5-8所示。由图5-8可以直观地看出各区域压力分布从不均匀到均匀的变化过程。

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3　结语
本工作将原来一直用于挤出塑料板材的螺杆分配机头移植应用于挤出橡胶板材，以实现用挤出法代替压延法的橡胶板材生产技术的应用，并使用有限元分析软件ANSYS计算螺杆分配机头内部的压力和速度分布。利用ANSYS的强大功能，对螺杆分配机头进行详细的建模分析，对分配螺杆的几何形状、螺杆转速、狭缝流道的几何形状及阻尼块的结构形式、口型段定型尺寸等逐一进行了研究，分析了诸因素对挤出流道的压力场及速度场等的影响。
由模拟分析结果可以看出，压力在口型处最终达到横向均匀的影响因素是多方面的。其中，挤出工艺参数的影响以及阻尼块和分配螺杆的几何形状参数的影响都十分明显，准确地选择上述各参数是生产高质量的板、片材的必要条件。目前的研究仅是一个开端，今后将在此基础上进一步研究流道的速度场，并逐一分析机头内部几何参数、物性参数、工艺参数等变化时对挤出均匀性的影响，为进一步优化机头设计提供更充分的理论基础。
参考文献：
[1]于清溪.世界输送带发展现状与展望[Ｊ].橡塑技术与装备，2001，27(7)：1 6.
[2]杨为民，程　源 Ｌ型机头中胶料流动均匀性分析[Ｊ] 橡胶工业，1991，38(6)：324 327.
[3]唐志玉 塑料挤塑模与注塑模优化设计[Ｍ] 北京：机械工业出版社，2000.127 131. 10/28/2004

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