摘    要：目的:提高雙螺桿擠出機的混合效率和工作性能。方法:設計了一種內嵌行星輪系和安裝捏合塊的新型雙螺桿擠出機，并用SolidWorks建立三維模型，以有限體積法為基礎，用ANSYS/CFS有限元分析軟件對其流道進行分析。獲得其宏觀壓力圖、速度矢量圖、速度流線圖并與傳統雙螺桿擠出機三維流場進行對比。結果:在行星輪系和捏合塊的漸加速作用下，漸加速雙螺桿擠出機的混合性能和工作效率要明顯優于傳統雙螺桿，經計算漸加速型雙螺桿比普通雙螺桿提高20%～25%。結論:漸加速雙螺桿在不斷加速的過程中使得物料在機筒內停留的時間變短，從而提高產量且減少耗能，捏合塊的加入更使得物料可以得到更好的剪切。

關鍵詞：雙螺桿;ANSYS/CFS;漸加速;流場分析;

雙螺桿擠出機具有可靠性高、自潤能力強、殘留物料少等優點，在食品加工、聚合物、化工、造紙等行業得到了廣泛的應用[1,2,3]。但隨著食品材料的發展，對雙螺桿擠出機提出了更為嚴格的要求[4,5]。傳統的雙螺桿擠出機分布和混合效率相對較低，耗能較大，對某些材料進行加工時，擠出效率低，產品質量差[6,7,8,9]。為了解決這些問題，許多學者對雙螺桿擠出機做出了諸多改善和優化，但都只對某一方面進行了探究。如：田野等[10]對同向雙螺桿嚙合塊在不同轉速下的分布混合與分散混合進行了研究，發現隨著嚙合塊轉速的提高，嚙合塊的軸向混合性能提高；王遠等[11]研究了捏合塊元件的斜面旋轉方向和捏合塊的錯位角等因素對流道中剪切速率、進出口壓力差以及回流速度的影響，發現4種不同結構的捏合塊在輸送及混合性能方面都存在較大差異，在正向輸送能力上，右旋正向捏合塊更好，在分布混合性能上，左旋反向捏合塊更好，并且正反向捏合塊比左右旋捏合塊在輸送能力和混合性能上更優越；王建等[12]以平均停留時間和功率為指標，在確保物料混合性能的前提下減少其能源消耗，從而對NE62型雙螺桿擠出機的螺桿組合結構進行了優化，研究表明，在混合段內存在多個混合元件且在混合區起始點附近，具有更長的平均停留時間和更低的能源消耗。

研究擬整合前人研究并引入行星輪系，使得雙螺桿擠出機的混合效率和工作性能得以提高。以SolidWorks為三維建模平臺，ANSYS/CFX為仿真基礎進行仿真模擬[13],得出物料在優化后的漸加速雙螺桿機筒中的運動和加工過程以及三維流場，并與傳統雙螺桿擠出機進行對比，以期為提高雙螺桿擠出機的混合效率和工作性能提供理論依據。

1 漸加速型雙螺桿三維模型及流道模型參數

1.1 漸加速雙螺桿三維模型

圖1為漸加速型雙螺桿三維模型，由兩個完全相同的單螺桿組成，同向嚙合且速度相同。單螺桿為雙頭螺桿，螺紋牙型為三角形，螺旋線方向為左旋，由普通輸送段、加速混合段、加速輸送段組成，螺桿總長480 mm, 內徑56 mm, 外徑72 mm, 螺距30 mm, 兩螺桿中心距為78 mm。加速混合段結構由雙頭、錯位角為90°、厚度為10 mm的8個捏合塊組成，捏合塊端面形狀和螺桿端面形狀一致，加速混合段和加速輸送段分別內嵌行星輪系。

圖1 漸加速型雙螺桿三維模型 

1.2 漸加速型螺桿加速原理及齒輪設計參數

加速原理：行星輪系分別由太陽輪、行星輪、齒圈、行星架構成，其中太陽輪固定不動，齒圈與螺桿內壁固定，行星架通過中心軸與前一段螺桿連接獲取轉速使齒圈加速旋轉，使得后一段螺桿轉速相對于前一段螺桿轉速增加，從而實現漸加速。加速輸送段和加速混合段行星輪系如圖2所示，齒輪設計參數見表1。

1.3 有限元模型

將SolidWorks三維模型導入到ANSYS/CFX模塊中，在geometry中進行填充和布爾操作得到其流道模型如圖3(a)所示，然后導入到mesh中進行四面體網格劃分得到網格劃分模型如圖3(b)所示，其節點數為99 672,元素數388 539,最后進行求解和結果分析。

2 數學模型和參數設計

2.1 仿真條件假設

仿真設置豆粕為試驗材料。豆粕屬于冪律流體中的膨脹流體[14],是非牛頓流體中的一種，其流體黏度隨剪切速率的增加而增加且不可被壓縮，根據相關理論對流場進行設定，流體完全充滿流道且為等溫層流狀態。機筒溫度設置為100 ℃,機筒設為固定。

圖2 行星輪系 

表1 行星輪系各齒輪參數 

名稱	壓力 角/(°)	模數/ mm	齒數	齒頂高 系數	頂隙 系數
輸送段太陽輪	20	1	20	1	0.25
輸送段行星輪	20	1	10	1	0.25
輸送段齒圈	20	1	40	1	0.25
混合段太陽輪	20	1	10	1	0.25
混合段行星輪	20	1	10	1	0.25
混合段齒圈	20	1	30	1	0.25

圖3 流道模型 

2.2 流場邊界條件及數學模型

根據SYSLG30-IV型雙螺桿擠出機設置邊界條件：

(1) 普通輸送段螺桿轉速為n1=120 r/min。

(2) 螺桿和捏合塊表面無滑移[15],機筒轉速為0。

(3) 加速混合段轉速傳動比為3/2,加速輸送段傳動比為4/3。

根據雙螺桿擠出機的實際工作條件設立方程求三段螺桿的轉速

β1+αβ2=(1+α)β3, (1)

式中：

β1——太陽輪轉速，r/min;

β2——齒圈轉速，r/min;

β3——行星架轉速，r/min;

α——太陽輪齒輪和齒圈的傳動比。

由于三段螺桿共用一根傳動軸，所以只需求得行星輪的傳動比和給定的普通輸送段的轉速，即可得到三段的轉速。將邊界條件(1)、(2)、(3)分別代入式(1)計算得出加速混合段轉速為180 r/min, 加速輸送段為240 r/min。

根據假設流體不可被壓縮，在流道中的運動可以當作層流，忽略慣性力和體積力，簡化方程為：

冪律流體本構方程為：

τ=μΥn, (6)

式中：

V——速度矢量，m/s;

Vx、Vy、Vz——x、y、z軸的速度分量，m/s;

τij——直角坐標系下剪切應力的矢量(下角標i,j分別表示為x,y軸);

P——靜壓力，Pa;

Υ——剪切速率，s-1;

μ——物料黏度，Pa·s;

n——冪律指數。

聯立式(2)～式(6)即可得出流道的壓力場和速度場。

3 流場特性分析

3.1 壓力場分析

螺桿的壓力場可以直觀地表達出螺桿的壓力分布。螺桿左側為進料口，右側為出料口，由圖4可以看出，兩種螺桿的壓力都是沿著物料擠出方向逐漸增加，在出料口處壓力達到最大，這符合螺桿擠出原理。

普通雙螺桿壓力分布均勻，且邊界處規整，說明物料在螺桿的作用下被均勻擠出且不存在回流。而漸加速型螺桿整體壓力則是先緩慢增加后急劇增加且壓力邊界位置呈波浪形，先緩慢增加是由于嚙合塊的加入，捏合塊本身沒有建壓能力，只能通過普通輸送段提供的擠出力才能將物料向前推進，這就導致物料能夠在加速轉動的捏合塊處得到充分的混合和剪切。后急劇增加是由于物料在被運輸到加速輸送段時，螺桿轉速變大，建壓能力增強，物料被快速擠出。壓力邊界呈波浪形是因為出現了物料回流，導致物料被重復剪切，提高物料的混合性能。螺桿出料口和進料口的壓力差可以反映一個螺桿運輸能力的強弱，從圖4螺桿不同顏色的對應壓力值可以計算得出，普通螺桿的壓力差為4.447 MPa, 而漸加速型螺桿的壓力差為12.362 MPa, 可以判定漸加速螺桿的運輸能力強于普通螺桿。

3.2 速度場分析

3.2.1 速度矢量分析

從圖5可看出，物料在機筒內的運動方向總是和螺桿轉向一致，這是物料可以被擠出的保證，在普通雙螺桿中，物料的速度較小且基本保持不變，說明物料在機筒內由螺桿均勻緩慢擠出，但不利于物料的混合剪切。在漸加速型雙螺桿中物料速度呈階梯狀上升，是由于在行星輪系的加入下混合段和輸送段轉速被突然提高，轉速的提高相當于減少了物料行進的導程，使得物料被快速擠出，提高工作效率。螺桿中間段，物料速度增加較少的原因是嚙合塊不具備輸送能力，只有混合剪切的功能，物料只能由前一輸送段建立的輸送能力向前擠出，這也導致物料在這一階段被轉速提高的捏合塊不斷混合剪切，使其分布混合性能得以提高。

圖4 螺桿壓力場對比圖 

圖5 速度矢量圖 

從圖6可以看出，物料運動方向以及分散程度，普通螺桿中，物料方向一致且沿著螺桿轉動方向均勻轉動，無明顯的分布混合。在漸加速雙螺桿中，物料沿著螺桿轉動呈散布狀，且在兩螺桿中間處交匯頻繁，表明物料可以被更好地混合剪切。

3.2.2 軸向速度對比

從圖7可以看出，漸加速型雙螺桿和普通雙螺桿在螺桿軸向距離<0.1 m時，兩種螺桿的軸向速度幾乎相同，表明在普通輸送段兩種螺桿的速度并無明顯差別。在螺桿軸向距離>0.1 m時，漸加速型雙螺桿比普通雙螺桿速度增加且呈梯形上升，表明漸加速雙螺桿能夠更快的運輸和混合物料，從而提高了普通雙螺桿擠出機的擠出性能。

圖6 速度矢量圖在(0,0,-230) mm的局部平面圖 

圖7 螺桿軸向速度對比 

3.2.3 速度流線分析

如圖8所示，普通雙螺桿的速度流線是均勻分布且無間斷的，說明物料在螺桿的作用下被緩慢擠出且不存在拉伸剪切，相對于普通雙螺桿，漸加速型雙螺桿速度流中間段斷斷續續且雜亂分布，表明物料在混合段被打斷了原本的運動狀態，不斷地被拉伸剪切。且加速輸送段速度變大，提高了螺桿的工作效率。為了更直觀地觀察兩種螺桿的速度流線情況，截取了同一位置兩種螺桿的速度流線的截面圖，如圖9所示，漸加速型雙螺桿由于其嚙合塊的加入，在螺棱處可以對物料進行充分擠壓混合，提高了混合性能。

4 試驗驗證

為了保證理論分析的嚴謹性，驗證模擬仿真結果在實際生產中的可行性，需要對理論結果進行試驗分析。選擇SYSLG30-IV型雙螺桿擠出機作為試驗設備。根據螺桿擠出機實際工作條件，把電機安裝在進料口，并在電機處安裝電表計量電機功耗情況，將機筒溫度設置為80 ℃,進料速度10 kg/h, 試驗材料采用豆粕。分別記錄漸加速型雙螺桿擠出機和普通雙螺桿擠出機在相同工作環境以及電機功耗相同的條件下，螺桿轉速在90,105,120,135,150 r/min時擠出產量，通過比較螺桿擠出量來比較雙螺桿的運輸性能，記錄結果如圖10所示。

圖8 速度流線圖 

圖9 雙螺桿速度流線在(0,0,-240)mm的局部平面圖 

由圖10可以看出，隨著螺桿轉速的提高，螺桿擠出量不斷增加，表明螺桿轉速是對擠出量產生影響的一個重要因素，在相同的工作狀態和電機耗能的情況下，漸加速型雙螺桿擠出機的擠出量比普通單螺桿擠出機高。把每組漸加速雙螺桿和普通雙螺桿的擠出量代入式(7),計算每組提高產量百分比取其平均值，得出漸加速型雙螺桿產量比普通雙螺桿提高約為22%。由此可知，漸加速型雙螺桿可以提高擠出量和工作效率。

圖10 兩種螺桿在不同轉速下的擠出量對比 

式中：

k2——提高產量百分比，%;

m1——漸加速型雙螺桿擠出量，kg;

m2——普通雙螺桿擠出量，kg。

5 結論

普通雙螺桿在引入了加速混合段和加速輸送段后，加速旋轉的捏合塊使得物料可以被充分剪切，使得物料被快速擠出，雙螺桿擠出機混合性能和工作效率提高20%～25%。雙螺桿擠出機由于其不同的工作環境以及物料，使得螺桿擠出機實際的工作環境更加復雜，對螺桿擠出機的轉速要求也更高，研究只是提出對于普通螺桿擠出機的設計，對于行星輪系傳動比怎樣選擇才能使得加速混合段、加速輸送段的速度達到最優，螺桿是否可以設置多個加速混合段和加速輸送段，還需要深入研究。

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文章來源：食品與機械