吳南星，朱金貴, 張柏清

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院, 江西 景德鎮(zhèn) 333403）

基于ANSYS變溫場的真空練泥機(jī)泥料擠出質(zhì)量的研究

吳南星，朱金貴, 張柏清

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院, 江西 景德鎮(zhèn) 333403）

應(yīng)用ANSYS軟件對真空練泥機(jī)擠出過程中陶瓷泥料的溫度場進(jìn)行分析，通過對在不同摩擦系數(shù)、不同外界溫度、給泥料加熱到不同溫度等熱參數(shù)下的運(yùn)動泥料進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了泥料在熱參數(shù)的影響下螺旋槽內(nèi)的溫度變化規(guī)律。結(jié)果表明泥料在擠出過程中由于溫度的變化引起速度和壓力變化，從而影響泥料在擠出過程中流動質(zhì)量，為陶瓷用真空練泥機(jī)泥料擠出生產(chǎn)的研究提供了理論依據(jù)。

真空練泥機(jī)；數(shù)值模擬；有限元；溫度場

在真空練泥機(jī)擠出過程中，螺槽內(nèi)常出現(xiàn)較大的溫差，溫差會導(dǎo)致被加泥料的不均勻性，以致最后影響到成品的質(zhì)量。雖然人們在真空練泥機(jī)連續(xù)螺槽中的流動模擬和重要的流動性推測方面已經(jīng)做了大量的研究[1]，但幾乎沒有涉及關(guān)于連續(xù)鉸刀螺槽中泥料運(yùn)動過程溫度影響方面。如果這種分析計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)的話，那么它將會為真空練泥機(jī)進(jìn)一步的研究分析提供理論依據(jù)。

1 模型的建立及求解

1.1 假設(shè)

由于真空練泥機(jī)中的泥料在各個(gè)螺旋長度性質(zhì)相同，取一個(gè)螺槽長度的泥料建立模型進(jìn)行分析。為便于分析，首先作如下的假設(shè)：

(1)忽略螺槽內(nèi)倒角、筒壁上的擋泥槽等微小結(jié)構(gòu)因素的影響。

(2)忽略回流的影響，假設(shè)泥料與螺槽底面、兩個(gè)螺旋面和筒體內(nèi)表面同時(shí)緊密接觸。

(3)忽略泥料熱物理性能隨時(shí)間的變化，且各層泥料的參數(shù)都是各向同性的。

(4)泥料為賓漢流體，因雷諾數(shù)很小，泥料為不可壓縮流體，屈服值以后的流動為粘性系數(shù)可變的粘性流動，在螺槽中的流動為層流。

(5)忽略泄漏所帶走的摩擦熱，認(rèn)為試樣端面平行，不考慮熱變形對溫度分布的影響。

根據(jù)以上假設(shè)，對真空練泥機(jī)的擠出泥料選用FLU ID142有限元單元類型、Mapped映射網(wǎng)格劃分法以及八節(jié)點(diǎn)六面體單元形狀劃分器類型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。同時(shí)運(yùn)用網(wǎng)格密度控制確定網(wǎng)格密度的大小，其有限元單元模型如圖1所示。

1.2 泥料運(yùn)動速度的邊界條件

(1)靜壁面條件：因?yàn)橥搀w靜止，所以筒體的三個(gè)方向的速度均為零，泥料與筒壁接觸面三個(gè)方向的速度也為零，垂直于壁面的壓力梯度為零，無須定義采用默認(rèn)設(shè)置。

(2)運(yùn)動壁面條件：軸轂屬于移動壁面，壁面將“拖拉”流體或隨流體一起移動，垂直于壁面的速度分量為零，定義與壁面相切的速度為壁面速度，穩(wěn)態(tài)條件為：

圖1 有限元單元模型圖Fig.1 Finite element model

螺旋面同樣屬于移動壁面：壁面將“拖拉”流體或隨流體一起移動，垂直于壁面的速度分量為零，螺旋面上各點(diǎn)切向速度大小不同。

其中，y為泥料所在位置的徑向高度，且

(3)在進(jìn)出口，因?yàn)椴荒茴A(yù)先給出螺槽進(jìn)出口的速度分布，采用試驗(yàn)所測得的壓力作為邊界條件以代替速度邊界條件。在靠近機(jī)頭的出口面加高壓，在靠近加料口的入口面加低壓。

(4)熱邊界條件：在溫度場分析過程中，因?yàn)槭亲骺蓧嚎s流體分析，溫度邊界條件是以總溫來表示，且溫度方程是以總溫的形式表達(dá)和求解。指定溫度邊界條件后，F(xiàn)LOTRAN自動計(jì)算用于保持該溫度所需的熱傳導(dǎo)；指定熱流，F(xiàn)LOTRAN自動計(jì)算與熱流相聯(lián)系的壁面溫度和流場條件；指定導(dǎo)熱系數(shù)和環(huán)境溫度，F(xiàn)LOTRAN迭代計(jì)算熱流和表面溫度。

①指定泥料初始溫度，F(xiàn)LOTRAN自動計(jì)算用于保持該溫度所需的熱傳導(dǎo)；

②指定熱對流系數(shù)，F(xiàn)LOTRAN自動計(jì)算與熱流相聯(lián)系的壁面溫度和流場條件；

③指定導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，F(xiàn)LOTRAN迭代計(jì)算熱流和表面溫度。

在標(biāo)準(zhǔn)的FLOTRAN分析中，流固邊界的傳熱是一個(gè)要求解的結(jié)果而不是一個(gè)邊界條件。所以，熱通量和傳熱系數(shù)只能加在固體材料的外邊界，或流體材料的內(nèi)邊界。在計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)，ANSYS使用下列方法之一指定的平均溫度進(jìn)行計(jì)算命令：FLDATA14，TEMP，BULK，Value或者GUI：Main Menu＞Preprocessor＞FLOTRAN Set Up＞Flow Environment＞Ref Conditions和Main Menu＞Solution＞FLOTRAN Set Up＞Flow Environment＞Ref Conditions。

然后根據(jù)假設(shè)對單元模型施加速度和熱邊界條件(具體參數(shù)值如表1所示)。設(shè)置流體性質(zhì)和其流動環(huán)境，選擇菜單Main Menu＞Solution＞Run FLOTRAN命令對其進(jìn)行求解分析。

2 真空練泥機(jī)對泥料擠出質(zhì)量的評價(jià)方法——相對角速度方差

由于泥料是通過絞刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來獲得相對速度，理想中的泥料運(yùn)動是：泥料以相同的角速度v繞絞刀旋轉(zhuǎn)，呈“塞流”模式流動，像螺母在螺桿上運(yùn)動一樣；泥料與螺旋面的相對切向線速度V(下文稱線速度)隨所處半徑r的逐漸增大而增大(如圖2所示)。即理想狀態(tài)下泥料運(yùn)動其線速度具有速度梯度，角速度相同。在真空練泥機(jī)的生產(chǎn)過程中，因?yàn)槟嗔细鲗拥慕撬俣炔煌饠D出泥段分層現(xiàn)象。為了討論不同參數(shù)下螺槽中泥料分層現(xiàn)象的劇烈程度，采用相對角速度方差來對泥料的分層現(xiàn)象進(jìn)行研究。所謂相對角速度方差就是泥料的角速度相對于同一半徑處絞刀螺旋面角速度之差的方差。若泥料之間沒有相對滑動，則其平均角速度方差為零；若泥料之間出現(xiàn)相對滑動，那么平均角速度方差就是一個(gè)不為零的數(shù)值。因此，本論文認(rèn)為平均角速度方差在一定程度上可以反映出泥料之間的相對滑動的劇烈程度，也可反映出真空練泥機(jī)擠出泥段的分層情況。

表1 具體熱邊界條件及相關(guān)參數(shù)值Tab.1 The specif i c thermal boundary conditions and related parameters

3 計(jì)算及結(jié)果分析

圖2 理想狀態(tài)下泥料速度示意圖Fig.2 Pug velocity under ideal conditions

在對有限元模型進(jìn)行求解后，在相應(yīng)的邊界條件下分別得到泥料質(zhì)量曲線圖。

不同摩擦系數(shù)時(shí)所研究的泥料質(zhì)量曲線圖如圖3所示。

隨著摩擦系數(shù)的增大，由于螺旋面、筒體以及軸轂對泥料的摩擦作用導(dǎo)致泥料的溫度升高，分子運(yùn)動加劇，泥料與螺旋葉片表面之間的切向相對運(yùn)動速度加大，引起泥料的層與層之間的劇烈相對運(yùn)動。

不同加熱溫度Tn時(shí)泥料質(zhì)量曲線圖如圖4所示。

初始階段隨著泥料加熱溫度的升高，相對角速度方差逐漸減小，平均線速度逐漸增大，泥料混合逐漸趨于均勻，分層現(xiàn)象有所改善。但是當(dāng)溫度升高到65℃度左右時(shí)，隨著泥料溫度的逐漸升高，泥料水分的蒸發(fā)逐漸加快，導(dǎo)致泥料含水量越來越小，泥料有脫水硬化趨勢。泥料的相對角速度方差逐漸增大，泥料的平均線速度逐漸減小，分層現(xiàn)象惡化。

表2 摩擦系數(shù)f的變化Tab.2 The variation in friction coeff i cient

圖3 不同摩擦系數(shù)下的相對角速度方差圖Fig.3 he relative angular velocity variance as a function of the friction coeff i cient

圖4 泥料不同加熱溫度下的相對角速度方差圖Fig.4 The relative angular velocity as a function of the heating temperature

表3 泥料加熱溫度Tn的變化 /℃Tab.3 The variation in heating temperature / ℃

表4 對流溫度T的變化 /℃Tab.4 The variation in convection temperature / ℃

圖5 不同對流溫度下的相對角速度方差圖Fig.5 The relative angular velocity as a function of the convection temperature

不同對流溫度T時(shí)所研究的泥料質(zhì)量曲線如圖5所示。

隨著對流溫度的升高，相對角速度方差逐漸減小，螺槽內(nèi)的橫向?qū)α饕鸬沫h(huán)流使得泥料的攪拌混合更加均勻，泥料的分層現(xiàn)象也有所改善。

4 結(jié) 論

(1)若泥料與螺旋葉片表面之間的摩擦系數(shù)越小，泥料所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力較小，顯然泥料與螺旋葉片表面之間的切向相對運(yùn)動速度越小。因此，泥料流層之間產(chǎn)生的切向相對運(yùn)動速度也較小，這有利于獲得高質(zhì)量的陶瓷坯體。所以，在生產(chǎn)實(shí)踐中可以通過采用精密鑄造螺旋及打磨拋光螺旋軸毅外表面、螺旋葉片工作面等，或冷拉成形螺旋葉片工作面，然后通過焊接及機(jī)械切削加工成為螺旋。最后，再打磨拋光螺旋軸毅與螺旋葉片表面之間的焊縫表面等措施，能最大限度地減少泥料與螺旋葉片工作面之間的摩擦系數(shù)，有利于提高真空擠壓成形機(jī)陶瓷坯體的產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)螺槽橫向存在著很強(qiáng)的熱對流，導(dǎo)致中間層泥料向軸轂處的環(huán)流，這有利于泥料的進(jìn)一步攪拌揉練和均勻混合，使得泥料相對角速度方差有所降低，泥料分層現(xiàn)象有所改善。

(3)在一定程度上加熱泥料對泥料的質(zhì)量所起的作用是積極的，但是溫度過高泥料水分的蒸發(fā)逐漸加快，導(dǎo)致泥料含水量越來越小，泥料有脫水硬化趨勢，使得泥料平均速度減小相對角速度方差卻增大，泥料分層現(xiàn)象加劇。

[1] 張柏清，裴佳宏．真空練泥機(jī)中陶瓷泥料擠出過程的研究．中國陶瓷工業(yè)，2004，11(3)：11-13．

[2] 席世亮．姜南．單螺桿擠出過程的計(jì)算機(jī)仿真．計(jì)算機(jī)仿真，2003(12)：130-133．

[3] 許洋，黨沙沙，胡仁喜等編著．ANSYS11．0/FLOTRAN．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009，1．

[4] 陳憨章．粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，2002．

[5] 李黎明．ANSYS有限元分析實(shí)用教程．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

Pug Extrusion Quality Analysis for De-airing Pug Mill Based on ANSYS Temperature Field Simulation

WU Nanxing, ZHU Jingui, ZHANG Baiqing
(School of Mechanic and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, Jiangxi 333403)

The pug’s temperature field in the extrusion process of the de-airing pug mill was analyzed with ANSYS software. The temperature variation of the pug in the spiral groove of the auger with different parameters, such as friction coefficient, ambient temperature, and pug heating temperature, was numerically simulated. Results show that the extrusion velocity and pressure changes with the pug temperature, which in turn affect the pug extrusion quality. This study provides theoretical basis for the extrusion production observation of the ceramic pug mill.

de-airing pug mill; numerical simulation; fi nite element; temperature fi eld

TQ174.5

A

：1006-2874(2014)01-0009-04

2014-12-02 Received date: 2013-12-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目—陶瓷用真空練泥機(jī)關(guān)鍵技Correspondent author: WU Nanxing, Professor術(shù)研究（編號：50765002）E-mail: zlm843212003@yahoo.com.cn

吳南星，教授