金子云，郭樹國，左曉甜

（沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

螺桿擠出機在食品加工產(chǎn)業(yè)上的應用較為廣泛。通過擠出機改性食品營養(yǎng)結構，研究玉米、小麥、豆粕等農(nóng)產(chǎn)品在擠出過程中的變化，減少抗營養(yǎng)因子從而促進動物營養(yǎng)吸收等多方面的問題是目前國內飼料行業(yè)的熱點之一。雙螺桿擠出機以良好的自潔性、混合性和正向輸送特性，加上物料在機筒內適應性好、停留分布較均，被廣泛應用于飼料加工領域[1-2]。

一直以來，眾多學者主要針對如何提高擠出機混合性能進行相關研究，對于增加擠出產(chǎn)量以及減少耗能的研究較少。如：湯霖森等[3]設計了同軸變速雙螺桿，通過行星輪引起的中段螺紋減速并反轉來產(chǎn)生回流，從而延長物料的擠出時間。徐文海等[4]通過在雙螺桿擠出機上加入混煉元件從而破壞建壓能力，使建壓分散，從而降低物料的輸送效率，提高對物料的分散混合。滕健等[5]設計了一種偏心雙螺桿，通過粒子可視化發(fā)現(xiàn)隨著偏心距增大，物料的混合效率更好。針對前人研究不足之處，本文設計了一種新型雙螺桿擠出機，擬以內嵌雙螺桿擠出機為試驗對象，引入黏性流體力學理論，利用ANSYS/CFX 有限元仿真模塊來可視化物料在流道內的運動情況并與傳統(tǒng)雙螺桿進行對比[6-7]，通過規(guī)定時間下的擠出質量流速率和規(guī)定產(chǎn)量下的擠出時間來證實模擬結果的精確性，旨在豐富雙螺桿擠出機的設計方法。伴隨著國內食品行業(yè)的龐大需求，探究如何在保證質量的同時提高產(chǎn)量，對雙螺桿擠出機的結構創(chuàng)新研究具有重要意義。

1 模型與參數(shù)

1.1 Pro/E三維模型及流場CFX模型

圖1 為內嵌雙螺桿擠出機的Pro/E 模型，螺桿全長150 mm。內螺桿外徑40 mm，根徑24 mm，導程為20 mm，外螺桿外徑60 mm，根徑44 mm，導程為20 mm，雙螺桿中心距58 mm，內外螺紋旋向為右旋，兩邊保持一致，同向嚙合。

圖1 內嵌雙螺桿擠出機Pro/E 模型

通過workbench Geometry 對機筒進行填充，并將填充體進行布爾操作，得到新型雙螺桿外流道與內流道的流場模型，這里對流場進行四面體網(wǎng)格劃分如圖2 所示。網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為108 622，單元數(shù)為444 637。

圖2 劃分后的網(wǎng)格流場模型

1.2 基礎狀態(tài)假設

選擇豆粕作為試驗分析的物料，當豆粕被擠出時，會隨著內熱與機筒的加熱致水分蒸發(fā)而變黏，因此可被當作冪律流體中的膨脹體來進行試驗；而試驗分析的內外流道與嚙合區(qū)亦可視作恒溫的穩(wěn)態(tài)流場[8]。豆粕試驗參數(shù)如表1 所示。

表1 豆粕試驗參數(shù)

1.3 數(shù)學分析模型

根據(jù)擠出機的實際工況，這里對新型雙螺桿擠出機的邊界條件進行如下定義：

1）內外螺桿連接軸通過三爪卡盤連接，轉速保持一致，轉速n=120 r/min。

2）為保證雷諾數(shù)不超過求解器湍流模型預期，防止進口流量過大（小于等于螺桿導程速度），使計算收斂更穩(wěn)健，經(jīng)模擬驗證，設定物料的進口速度為0.02 m/s，出口壓力為1 Mpa[9]。

3）假設外螺桿表面兩兩之間均無滑移，內外螺桿間也無滑移，機筒內壁相對于外螺桿也不產(chǎn)生滑移，且機筒無轉速[10]。

對于流道內不可壓縮且恒溫、穩(wěn)態(tài)的膨脹體，假設不考慮其體積力，則連續(xù)性方程可簡化為[11]：

式中：

——x軸上的速度分量，m/s；

——y軸上的速度分量，m/s；

——z軸上的速度分量，m/s；

n——冪律指數(shù)；

τij——剪切應力矢量，（i、j為直角坐標系上的x、y、z）；

γ——剪切速率，s-1；

μ——物料黏度，Pa·s；

p——靜壓力，Pa；

聯(lián)立式（1）～（5）方程后可以求出內外流場的壓力分布和速度分布。

2 模擬結果計算與分析

2.1 宏觀壓力場

流場壓力梯度可以表征螺桿的壓力布置與建壓好壞[11]，如圖3 所示。傳統(tǒng)雙螺桿和新型雙螺桿的流場壓力均逐漸遞增，且雙方建壓分明。其中傳統(tǒng)雙螺桿擠出機外流道壓力梯度的遞進速率明顯大于新型雙螺桿擠出機外流道遞進速率，且流道表面皆存在不對稱分布的差速線條。前者是因為新型雙螺桿擠出機由于內流道的存在，外螺桿在受到內摩擦而引起轉速不穩(wěn)定導致外流道建壓分散，使物料的輸送變慢；后者是因為雙螺桿的同向嚙合使得物料流速疊加，其在外流道的進度始終保持：右螺桿大于左螺桿，引起差速流從而使嚙合區(qū)產(chǎn)生不對稱混合。因此，在保證初始條件一致的情況下，新型雙螺桿擠出機外流道建壓能力較弱，延長了物料不對稱混合時間，使外流道混合效果更佳，但進口到出口的整體壓差為9.551 Mpa，高于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機的整體壓差3.716 Mpa，故內流道的出現(xiàn)導致額外產(chǎn)生了新的建壓，擴大了建壓范圍，提高了運輸量。

圖3 流場壓力梯度

2.2 宏觀速度場

從圖4 可以看出，傳統(tǒng)雙螺桿擠出機與新型雙螺桿擠出機外流道速度布置均勻，流場均無明顯變化。其中新型雙螺桿擠出機外流道整體速度小于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機，這是因為內嵌雙螺桿新增2 條額外流道，并且內外螺桿轉動方向一致，由于內螺桿螺棱速度小于外螺桿螺棱速度，導致內流道沿徑向的拖曳流相對外螺桿呈相反趨勢，從而阻礙了外螺桿轉動，引起轉速不穩(wěn)定而致正向梯度流流速降低。倘若流道中僅存在外流道，不存在內流道，則外流道正向流就不會發(fā)生變化，物料也就無法被長時間的剪切與擠壓。

圖4 流場速度矢量

2.2.1 軸向速度模擬

從圖5 可以看出，在速度曲線上：傳統(tǒng)雙螺桿外流道大于新型雙螺桿外流道大于新型雙螺桿內流道。說明物料在傳統(tǒng)雙螺桿擠出機中流速較快，因物料無法在軸向進行充分的分布性混合，導致混合均勻度不佳；而在新型雙螺桿擠出機中內外流道速度相對較低，其內流道流速因徑向尺寸限制而致線速度更低，故物料在新型擠出機中停留時間更長，混合效果更好。其中新型雙螺桿擠出機外流道在0.05～0.11 m 時產(chǎn)生一定程度的速度波動，進一步驗證了外螺桿與內流道之間產(chǎn)生內摩擦的定性結論。

圖5 軸向速度數(shù)據(jù)

2.2.2 速度跡線對比

在圖6（a）的速度跡線中，傳統(tǒng)雙螺桿的流場線條連續(xù)有序，從進口到出口處未產(chǎn)生大的波動，較為均勻，這樣導致物料的混合較為一般，分布系數(shù)與分散系數(shù)都相對較小，擠出豆粕組織蛋白離散度低，口感質地差；其流場流線分布因存在局限性，導致豆粕擠出量也不夠理想。在圖6（b）的速度跡線中，由于內流道流線的影響，新型雙螺桿外流道流場流線速度降低，流線能在嚙合區(qū)進行充分的交織，延長整個流線的運輸時間從而使豆粕在嚙合區(qū)進行充分的分散混合，達到提高擠出質量的目的；其次內流道又相當于2 個獨立的單螺桿擠出機，在不改變螺桿體積的情況下，極大地提高了豆粕擠出量。

3 擠出機試驗驗證

3.1 試驗方法

為了驗證模擬結果的可靠性，本次進行2 次試驗。試驗采取一機雙用，通過將外螺桿連接軸做成套筒式從而在內部新增連接軸并嵌入內螺桿，兩軸通過三爪卡盤連接，為了方便內外螺桿同時吃料，主電機放置在出料口方向進行驅動。

試驗1：通過秒表來記錄試驗擠出機螺桿在轉速為120、140、160、180、200、220 r .min-1的情況下，物料從外流道進料口到出料口的擠出時間以及物料從內流道進料口到出料口的擠出時間，并與同轉速下傳統(tǒng)雙螺桿進行比較，因為賀存政等[12]發(fā)現(xiàn)擠出時間與離散度成反比，而離散度越低混合均勻度也就越高，因此通過對比物料擠出時間來反映其擠出質量。

擠出機理論容量：

式中：

Q——流道容量，kg；

D1——螺桿外徑，m；

D2——螺桿內徑，m；

L——計量段長度，m；

n——螺桿轉速，r/min；

ρ——物料密度，kg/m3；

η——輸送效率。

在試驗時，由于流經(jīng)內外流道物料占比不一致，為避免內流道因產(chǎn)量設計不合理而導致的試驗誤差，故根據(jù)式（6）來合理規(guī)定內外流道試驗產(chǎn)量，外流道產(chǎn)量規(guī)定為200 g，內流道產(chǎn)量規(guī)定為120 g。

試驗2：通過秒表來記錄試驗擠出機螺桿在轉速為120、140、160、180、200、220 r .min-1的情況下，物料從進料口到出料口產(chǎn)量，并與同轉速下傳統(tǒng)雙螺桿進行比較，因為王顥霖等[13]發(fā)現(xiàn)質量流速率是反映擠出效率的關鍵因素，因此通過對比物料擠出質量流速率來反映其產(chǎn)能。在試驗時，規(guī)定試驗時間為5 min。

為避免其他因素對試驗結果產(chǎn)生影響，需要將擠出機的其他參數(shù)設為定值：加熱腔加熱至恒溫80 ℃，進料速度為15 kg/h（防止速度過低導致物料在膨化腔的填充度下降），擠出機現(xiàn)場試驗如圖7所示。

圖7 擠出機現(xiàn)場試驗

3.2 設備及材料

試驗設備：山東賽百諾機械有限公司生產(chǎn)的SYSLG30-IV 試驗型雙螺桿擠出機。稱量儀器：山東德州市高通實驗儀器有限公司生產(chǎn)的TD10K-1 型電子天平。試驗材料：沈陽歐亞泰高飼料有限公司生產(chǎn)的非轉基因低溫豆粕。

3.3 試驗結果與分析

試驗1 分析：豆粕組織蛋白擠出時間如表2 所示。為了更直觀看出擠出時間走勢，將表2 數(shù)據(jù)轉換為曲線圖，如圖8 所示。從圖8 可以看出，擠出時間與螺桿轉速成反比，說明轉速越低，物料的擠出時間越長，因此螺桿轉速是擠出時間的一個重要因素。在同等轉速下，新型雙螺桿擠出機內外流道擠出時間均高于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機外流道擠出時間，且內流道擠出時間更長。故試驗1 驗證了新型雙螺桿擠出機能有效改善混合性能。

表2 雙螺桿擠出機不同轉速下的擠出時間

圖8 擠出時間對比

試驗2 分析：整體豆粕組織蛋白擠出質量流速率曲線如圖9 所示。從圖9 可以看出，擠出質量流速率與螺桿轉速成正比，說明轉速越大，物料的運輸速度越快，因此螺桿轉速也是質量流速率的一個重要因素。在相同轉速下，新型雙螺桿擠出機質量流速率總是大于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機，經(jīng)計算，質量流速率提高了約55.5%，相較理論值偏小，這是因為內流道單螺桿不存在自潔性，實際擠出量偏低。故試驗2 驗證了內流道的出現(xiàn)可以有效增加擠出產(chǎn)量。

圖9 擠出質量流速率對比

4 討論

創(chuàng)新螺桿結構是改變物料加工的第一步，也是提高產(chǎn)量的基礎。本文通過在傳統(tǒng)雙螺桿內嵌入2根螺桿來產(chǎn)生內流道，在提高豆粕組織蛋白產(chǎn)量的同時又適當增加了混合性能。

王天書等[14]通過polyflow 來模擬聚合物熔融混合，通過壓力云圖與流道監(jiān)測線速度發(fā)現(xiàn)延長停留時間有利于物料的充分混合；劉楊等[15]對流場出口粒子切片來計算粒子擠出時間，闡述了物料擠出時間越長則分布混合越佳，兩者與本文研究結果一致。賀存政等[12]通過自制實驗設備來記錄粒子的混合時間與均勻度的變化曲線，但因設備較為簡便，數(shù)據(jù)受溫度不夠而致塑料顆粒狀態(tài)固定以及添料和取料的間隔時間過短等影響仍存在計算誤差。本文的試驗采用螺桿喂料，機筒通過電機持續(xù)加熱而減少溫度波動，物料在高溫下水分蒸發(fā)從而變黏，極大保證了物料的試驗狀態(tài)，對比賀存政等[12]數(shù)據(jù)誤差要更小。李成宇等[16]通過優(yōu)化結構參數(shù)來提高物料的平均流速，從而提高擠出效率，此方法存在一定局限性。本文通過改變螺桿結構形態(tài)來增加新流道，提高了螺桿的吃料上限，對比李成宇等[16]的設計方法更好。田東等[17]通過設計漸加速單螺桿，擠出效率提高了約24%。本文試驗的擠出效率提高了約55.5%，高于田東等[17]的結論。

本文設計的內嵌雙螺桿，通過可視化模擬得到了物料的內外流場，在不改變擠出機體積以及保證質量的情況下，極大提高了擠出機產(chǎn)量，但對于內嵌螺桿是否能應用于多種螺桿擠出機還需進一步探討。

5 結語

利用Pro/E 建模，運用CFX 方法對具有內外流道的內嵌雙螺桿擠出機進行三維流場分析以及試驗驗證，準確模擬了豆粕在新型雙螺桿擠出機中的運動狀態(tài)。通過對比傳統(tǒng)雙螺桿擠出機發(fā)現(xiàn)，新型雙螺桿擠出機通過在內部分別嵌入2 根螺桿，增加了雙螺桿擠出機的吃料上限，在不改變其體積的情況下，豆粕產(chǎn)量變?yōu)樵瓉淼?.4～1.7 倍；其外螺桿在內流道摩擦力的作用下產(chǎn)生速度波動，削弱了豆粕的軸向運輸，且內螺桿在尺寸的局限下豆粕運輸更慢，故兩者均延長了豆粕的擠出時間，進而保證了擠出質量。