不同橡膠擠出機旁壓輥循環(huán)水道有限元對比分析

呂煒帥

（天津機電職業(yè)技術學院，機械學院，天津 300350）

0 前言

擠出機喂料方式主要有自由喂料、旁壓輥喂料和螺旋嚙合喂料[1]。旁壓輥喂料方式屬于強制加料，可實現(xiàn)供膠均勻，降低擠出半成品或成品的重量誤差。旁壓輥喂料方式可提高螺桿的填充系數(shù)和生產能力，在一定程度上解決了擠出制品產量與波動的問題。因此，旁壓輥加料方式在行業(yè)內得到廣泛應用[2]。但喂料的速度，喂料制品形體尺寸、硬度、溫度都成為旁壓輥喂料方式的重要影響因素。由于旁壓輥的吃料方式是以摩擦方式進行的，但是這種摩擦附加了強制作用，由此產生的摩擦熱和變形熱對擠出溫度影響較大。合理的溫度控制能提高膠料的塑化效果，有效控制制品的擠出溫度，獲得優(yōu)質的半成品。因此擠出機通過采用熱水循環(huán)溫控裝置對擠出系統(tǒng)中螺桿各段以及旁壓輥進行恒溫加熱控制，這樣膠料經擠出機喂料裝置時可得到充分預熱，保證擠出的膠片表面和內部致密且無氣孔。

在橡膠制品擠出的生產過程中，生產線運行時，螺桿、機筒和旁壓輥的溫度較低，而膠料剛加入時比較生硬，經螺桿和旁壓輥的擠壓變形較小，加料相對緩慢，這會增大膠料對螺桿和旁壓輥的反作用力[3-4]。旁壓輥內的冷卻循環(huán)裝置通過溫控恒溫控制，可有效減少開機時膠料對螺桿和旁壓輥的反作用力，這也有助于實現(xiàn)加料的持續(xù)穩(wěn)定，減小由于喂料區(qū)域溫度變化導致的加料不穩(wěn)所致的制品質量波動。本研究選用250擠出機旁壓輥進行分析，設定溫度為55℃，水流流速為1.18 m/s。并選用SolidWorks進行建模，采用Simulation模塊進行熱分析。

1 旁壓輥冷卻結構有限元分析

1.1 物理模型

圖1中所示旁壓輥冷卻結構形式為內腔噴水，又稱開式噴水冷卻。圖2中所示旁壓輥冷卻結構形式為循環(huán)冷卻，通過在旁壓輥輥筒沿圓周加工冷卻水循環(huán)孔通道，又稱強制循環(huán)冷卻。

圖1 旁壓輥開式噴水冷卻及水道模型

圖2 旁壓輥強制循環(huán)冷卻及水道模型

1.2 數(shù)學模型

傳熱管道屬于短管道傳熱，且通道內流動尚未充分發(fā)展，層流內層較薄，熱阻力較小，故根據(jù)雷諾數(shù)計算公式[5]：

式中：u—水流速度，m/s；

d—冷卻水管道直徑，m；

ρ—水的密度，kg/m3；

μ—流體粘度，Pa·s。

其中：

u=1.18 m/s，d=0.020 m，μ =509.65×10-6kg/（m·s），ρ=985.6 kg/m3。

經計算得：Re=45 639，1.2×105>Re>104，故管內流動為絮流。

對于光滑管道紊流可按迪圖斯—貝爾特公式進行計算。

式中：

Nu—努謝爾特準則；

Re—雷諾準數(shù)；

Pr—普朗特準數(shù)。

經查表，水在55℃時，普朗特準數(shù)為3.27。計算得：Nu=175.6

根據(jù)對流換熱系數(shù)計算表達式為：

式中：λ—材料導熱系數(shù)，常數(shù)，w/（m·℃）；

d—冷卻水孔直徑，m；

λ—水的導熱系數(shù)值，w/（m·℃）；其中，λ為0.654 w/（m·℃）

經換熱系數(shù)公式三進行計算，得：

由于lc>>dc，故該換熱系數(shù)不需修正。

1.3 定義材料與載荷

首先定義模型材料的各種屬性，管道里通入水，旁壓輥材料為38CrMoALA。在對流換熱過程中，熱量的傳遞是靠對流和導熱實現(xiàn)。對流，主要體現(xiàn)在對流傳遞作用流體質點不斷地運動、滲亂混合，熱量從一處被帶到另一處；對于導熱主要是指旁壓輥壁和流體間存在著溫差現(xiàn)象，而且在流體各層間也存在在著溫差現(xiàn)象，所以，通過導熱作用使熱量得以傳遞。

式中 Q—吸收或放出的熱量，J；c—比熱容，J/（kg·℃）；m—質量，kg；△t—溫度差，℃。

其中，c=1 700 J/（kg·℃），結合實際工況設定m=2.7 kg，△t=2 ℃。經計算得：Q=9 180 J。

根據(jù)工況為參考，在旁壓輥外表面，即膠料接觸平面加載假定熱載荷3 060 W。

2 模擬結果及討論

通過軟件的求解計算，就可以得到旁壓輥不同冷卻水道結構下的溫度場變化（圖3、4），并對其性能進行分析比較。

圖3 旁壓輥開式噴水冷卻水道結構溫度場分布

圖4 旁壓輥強制循環(huán)冷卻水道結構溫度場分布

由圖3和圖4兩種不同形式循環(huán)水道比較可見，旁壓輥強制循環(huán)冷卻水道結構表面溫度值略高于旁壓輥開式噴水冷卻水道結構表面溫度，這是由于其水道更切近輥面，在相同循環(huán)水溫情況下，輥面溫度可實現(xiàn)速度更快的熱傳遞，這對于旁壓輥表面溫度的控制將更加靈敏，也可有效降低能耗。此外，旁壓輥開式噴水冷卻水道結構中輥面溫度比強制循環(huán)冷卻水道結構表面溫度云圖表現(xiàn)更加平順，這將有利于喂料過程中對膠料擠壓過程更加均勻熱量傳遞，實現(xiàn)良好的喂料。相比之下，開式噴水冷卻水道結構比強制循環(huán)冷卻水道結構加工簡單，但水道循環(huán)速度較低，這對喂料過程中溫度的精準實時控制不利。

3 結論

（1）旁壓輥合理的循環(huán)水溫度控制，有助于加快喂料過程膠料的流動，降低膠料與螺桿、機筒和旁壓輥的剪切，降低膠料的溫升，提高喂料擠出過程中半成品質量；

（2）旁壓輥強制循環(huán)冷卻水道結構比開式噴水冷卻水道結構能夠實現(xiàn)對旁壓輥輥面溫度更加精準控制，這有助于喂料的持續(xù)穩(wěn)定，減少溫度變化導致的制品質量波動；

（3）在滿足強度設計要求前提下，后續(xù)可對旁壓輥強制循環(huán)冷卻水道結構孔徑進一步優(yōu)化，以便獲得更好的換熱效果。