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。
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℃。
