焦冬梅1边臼，苑詩帥1，張 濤2假消，郭 超1柠并，李冬燕1
（1 . 青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061富拗；2 . 青島漢纜股份有限公司臼予，山東 青島 266061）
摘要：通過ANSYS軟件對L型寬幅擠出機頭流道三維非等溫流場進行數(shù)值模擬，分析高分子物料在非等溫擠出過程 中的流場規(guī)律啃沪，探討機頭流道壁面溫度粘拾、進料口壓力、阻尼寬度和阻尼高度等參數(shù)對機頭流道內(nèi)物料流動的影響規(guī)律创千。結(jié)果表明：阻尼寬度對物料具有明顯的調(diào)壓作用缰雇；機頭流道參數(shù)對物料擠出壓力和擠出均勻性的影響趨勢不同，當壁面溫度為338～343 K追驴、進料口壓力為15 . 0～19 . 6 MPa寓涨、阻尼寬度為8 mm、阻尼高度為3mm時氯檐，物料擠出均勻性和穩(wěn)定性較好戒良，可實現(xiàn)高分子片材擠出質(zhì)量和擠出產(chǎn)量的平衡。
關鍵詞：L型寬幅擠出機頭冠摄；高分子片材糯崎；擠出穩(wěn)定性几缭；非等溫流場；壁面溫度沃呢；進料口壓力年栓；阻尼寬度；阻尼高度
隨著高分子制品的廣泛應用薄霜，高分子成型設備得到快速發(fā)展[1-2]某抓，20世紀80年代，我國從日本引進了L型擠出法生產(chǎn)高分子片材的生產(chǎn)線[3]惰瓜。L型寬幅擠出機頭（簡稱L型機頭）流道的合理設計是保證高分子片材擠出穩(wěn)定性的關鍵否副。
橫向厚度均勻性是寬幅高分子片材質(zhì)量的衡量指標，取決于機頭擠出均勻性崎坊，機頭流道結(jié)構(gòu)及工藝設置是決定其擠出均勻性的關鍵因素[4]备禀。楊衛(wèi)民等[5]建立了與實際生產(chǎn)相接近的L型機頭的數(shù)學物理模型，得到相應的流道幾何參數(shù)奈揍、物料壓力以及流道不均勻曲線曲尸。宿果英[6]借助ANSYS有限元程序，建立了1200 mm幅寬的L型機頭三維流道有限元模型男翰，逐個分析了流道各個區(qū)域和多個截面的物料流動速度和壓力分布另患。林廣義等[7]應用 ANSYS軟件對L型機頭模擬進行優(yōu)化設計，研究了不同口模高度蛾绎、不同阻尼高度昆箕、不同主流道首末端 直徑比下物料壓力場和速度場。但上述研究均為等溫假設[8-9]秘通，不考慮溫度對物料流場的影響为严。而在實際生產(chǎn)中，溫度對物料流動過程中流變狀態(tài)具有顯著的影響肺稀，溫度變化引起物料粘度變化[10]會帶來物料流動速度變化第股，且過高的溫度易引起物料在機頭內(nèi)發(fā)生焦燒或預交聯(lián)，過高的出口溫度使得擠出的高分子片材殘余內(nèi)應力和翹曲變形量增大[11]话原。所以有必要考慮溫度對L型機頭流場的影響夕吻，明確流場溫度分布以及由此引起的高分子片材擠出穩(wěn)定性的變化規(guī)律。
本工作運用ANSYS軟件分析物料在L型機頭流道內(nèi)進行非等溫擠出過程中的流場規(guī)律繁仁，研究機頭流道壁面溫度涉馅、進料口壓力、阻尼寬度和阻尼高度等參數(shù)對高分子片材橫向厚度均勻性和擠出穩(wěn)定性的影響規(guī)律黄虱。
1 模型建立
1. 1 流道數(shù)學模型
L型機頭流道幾何模型由圓錐形主流道和狹縫區(qū)小流道兩部分組成稚矿，如圖1所示。物料擠出方向為y方向，擠出高分子片材厚度為3 mm晤揣，寬度為1400 mm桥爽。 借助star ccm＋對L型機頭流道進行多面體網(wǎng)格劃分[12]，網(wǎng)格數(shù)量在59萬左右（見圖2）昧识。
物料（熔體）在L型機頭流道內(nèi)非等溫流動過程中的控制方程[13]為：
4: V = 0 （1）
-4p +4: τ = 0 （2）
ρCpV :4 T = k42T +τ ∷▽V = 0 （3）
式中： V為速度向量钠四，m·s-1；p為物料靜壓力跪楞，MPa 缀去；τ為物料剪切應力張量，Pa甸祭；ρ為物料密度缕碎，Mg ·m-3； Cp為物料比熱容淋叶，J·（kg ·K）-1阎曹；T為物料溫度伪阶，K煞檩；k 為物料熱導率，W·（m·K）-1栅贴。
1. 2 擠出成型過程中的熱傳遞方式
物料（熔體）在L型機頭流道內(nèi)存在熱傳導斟湃、熱對流和粘性耗散。對于L型機頭檐薯，所涉及的熱傳導是機頭流道壁面與物料進行的熱量傳遞凝赛，熱流量通過式（4）和（5）進行計算；物料在機頭內(nèi)部沿擠出和流動兩個方向進行對流傳熱坛缕，對流換熱量通過式（6）進行計算墓猎；物料流體流動速度差異導致粘性耗散，粘性耗散熱量通過式（7）進行計算赚楚。
式中： Φ1毙沾，Φ2，Φ3分別為物料熱流量宠页、對流換熱量左胞、粘性耗散熱量，W举户；A為導熱面積烤宙，m2；q為物料熱流密度俭嘁，W ·m-2躺枕；h為對流換熱系數(shù)，W ·（m2 ·K）-1；TW和Tf分別為壁面溫度和壁面附近的物料（流體）溫度拐云，K蔓姚；η為物料剪切粘度，Pa ·s慨丐；γo 為物料剪切速 率坡脐，s-1。
1. 3 流道物理模型
本工作采用非等溫Carreau流變模型[14]房揭，本構(gòu)方程為：
式中： η∞為物料無窮剪切粘度备闲，Pa ·s；η0為物料零 剪切粘度捅暴，Pa·s恬砂；λ為物料松弛時間，s蓬痒；γo 為物料剪切速率張量泻骤，s-1；n為物料非牛頓指數(shù)梧奢；E0為物料活化能狱掂，J·（kg·mol）-1；R0為理想氣體常數(shù)亲轨，數(shù)值為8. 314 J·（mol·K）-1趋惨；T0為參考溫度，K惦蚊。
本工作所用物料ρ為1. 2 Mg·m-3器虾，Cp為2200 J ·（kg·K）-1，k為0. 26 W·（m·K）-1蹦锋。
本工作模型的邊界條件如下：（1）進料口面 物料壓力19. 6 MPa兆沙，出料口面物料相對壓力0 MPa，進料口溫度393 K莉掂；（2）壁面邊界流動速度（壁面無滑移）0葛圃，壁面溫度（冷卻系統(tǒng)對壁面 溫度進行控制）343K。
2 結(jié)果與討論
2. 1 物料壓力和流動速度分析
沿機頭流道y方向取5個截面（見圖3）巫湘，分析物料每個截面中間層的壓力分布（見圖4）装悲。
從圖4可以看出：截面Ⅰ物料壓力沿機頭寬度方向分布不均，從進料口起端到末端壓力降低 了6. 6 MPa尚氛；截面Ⅱ物料壓力變化與截面I類似诀诊；由于阻尼的阻礙作用，阻尼截面Ⅲ物料壓力沿機頭寬度方向分布趨于均勻阅嘶；壓縮段截面Ⅳ物料壓力沿機頭寬度方向平穩(wěn)属瓣，其值比阻尼區(qū)減小了2. 9 MPa载迄；出料口截面Ⅴ物料壓力分布均勻且接近0 MPa。壓力分布不均的原因是：物料流線在主流道向擠出方向流動過程中抡蛙，尤其是物料到達定型段护昧，由于流動截面不斷減小，強烈的入口效應及拉伸流動使物料能量收斂及彈性變形損失較大粗截，同時在定型段物料的壁面剪切速率變大（見圖5）惋耙，造成物料剪切應力增大，產(chǎn)生較大的流動阻力熊昌，從而導致物料壓力沿擠出方向減小绽榛。
物料在充滿主流道的同時擠入小流道，從而擠出一定寬度的片材婿屹。 截面Ⅰ物料中間層物料速度（v）分布曲線如圖6所示灭美。
從圖6可以看出，物料沿主流道方向的擠出速 度（vy）最大昂利，并且沿機頭寬度方向其逐漸減小届腐。
截面Ⅱ中間層物料速度分布曲線見圖7。
從圖7可以看出蜂奸，進入小流道后犁苏，沿擠出方向的擠出速度（vy）最大，是物料的主要流動速度窝撵，靠近進料口起端的物料擠出速度明顯大于進料口末端的物料擠出速度傀顾，vy沿機頭寬度分布均勻性較差襟铭。
截面Ⅲ— Ⅴ中間層物料擠出速度分布曲線如圖8所示碌奉。
從圖8可以看出：物料流經(jīng)阻尼區(qū)到達截面Ⅲ后，其橫向流動均勻性有所改善寒砖；物料流到截面Ⅳ后赐劣，由于流道高度逐漸變小，造成擠出速度大幅度增大哩都，與截面Ⅲ的物料擠出速度平均值相比魁兼，截面Ⅳ的物料擠出速度平均值增大了3. 55倍；觀察出料口截面Ⅴ中間層物料擠出速度分布可知漠嵌，靠近進料口起端的物料擠出速度比進料口末端大咐汞。對于L型機頭來說，達到絕對均勻的物料擠出速度是很難的儒鹿，所以只能通過調(diào)整各種參數(shù)化撕，使物料擠出速度橫向分布的均勻程度盡可能提高。
2. 2 溫度分析
各截面物料溫度分布云圖和各截面沿x方向的物料溫度梯度分別如圖9和10（z為1. 0 m）所示约炎。
從圖9和10可以看出植阴，各截面物料溫度遵循相同的變化規(guī)律蟹瘾，最高溫度位于中間層，越靠近流道壁面溫度越低掠手，且沿著x方向物料溫度逐漸降低憾朴。在z為1. 0 m處，截面I沿x方向中心溫度最高為392. 71 K喷鸽，到壁面溫度降低為349. 11 K众雷，溫度差為43. 60 K。隨著物料流動做祝，沿x方向各截面中心與壁面間的溫度差減小报腔，但出料口截面溫度差仍為20. 60K。由此可見剖淀，目前機頭的溫控系統(tǒng)設置不可避免帶來擠出片材表層與芯部較大溫度差的缺陷纯蛾，溫度差產(chǎn)生的熱應力將導致擠出片材翹曲變形量增大，不利于擠出片材截面形狀的均勻一致纵隔。
3 擠出片材穩(wěn)定性的影響因素
3. 1 機頭流道壁面溫度
由前面熱分析可知：物料溫度對擠出片材的質(zhì)量有顯著影響翻诉，物料溫度高時粘性下降，流動性好捌刮，但物料溫度過高粘度太低碰煌，擠出片材不能及時冷卻成型，易造成焦燒或預交聯(lián)現(xiàn)象绅作；出料口截面Ⅴ中間層物料溫度最高芦圾。截面Ⅴ中間層物料溫度分布曲線和截面Ⅴ溫度差曲線分別如圖11和12所示。
從圖11和12可以看出俄认，壁面溫度從333 K升高到353K時个少，截面Ⅴ的中間層物料溫度升高了15K，截面Ⅴ物料溫度差升高了12. 6K眯杏。由于截面Ⅴ中間層物料溫度越高夜焦，擠出片材的殘余熱應力越大，冷卻至常溫后片材的彈性變形越大岂贩，片材的加工精度越低茫经，因此降低壁面溫度對于擠出片材的穩(wěn)定性至關重要，截面Ⅴ物料溫度差越小萎津，擠出片材的翹曲變形量越小卸伞，成型片材的質(zhì)量越好。綜上分析可知锉屈，當壁面溫度控制在338～343 K時荤傲，截面Ⅴ物料最高溫度為97K，溫度差為21～23 K時部念，有利于提高片材的加工精度弃酌，保證其成型質(zhì)量氨菇。
3. 2 機頭進料口壓力
不同機頭進料口壓力下主流道中間層物料壓力降曲線和出料口截面Ⅴ中間層物料擠出速度分布曲線分別如圖13和14所示。
圖13 不同機頭進料口壓力下主流道中間層物料
壓力降曲線
圖14 不同機頭進料口壓力下截面Ⅴ中間層物料
擠出速度分布曲線
從圖13和14可以看出妓湘，隨著機頭進料口壓力的增大查蓉，主流道物料壓力出現(xiàn)相同的變化趨勢，擠出速度逐漸增大榜贴，有利于提高擠出片材產(chǎn)量豌研。
機頭進料口壓力對主流道物料壓力和擠出速度的影響如表1所示。
表1 機頭進料口壓力對主流道物料壓力和 擠出速度的影響
機頭進料口壓力/ MPa 主流道壓力降/ MPa 擠出速度差異/
（m ·s-1）
10 . 0 3 . 38 0 . 000 4
15 . 0 5 . 12 0 . 000 8
19 . 6
25 . 0 6 . 60
8 . 22 0 . 001 6
0 . 001 2
從表1可以看出唬党，隨著機頭進料口壓力增大鹃共， 物料擠出速度差異增大，不利于制品擠出均勻性的提高驶拱。
因此霜浴，可通過降低機頭進料口壓力來提高物料的擠出均勻性，但同時會造成擠出速度降低蓝纲，擠出產(chǎn)量減小阴孟。因此，L型機頭在擠出高分子片材時需考慮擠出質(zhì)量與產(chǎn)量的平衡税迷。本工作機頭進料口壓力控制在15. 0～19. 6MPa時永丝，可以實現(xiàn)總體效益。
3. 3 阻尼區(qū)結(jié)構(gòu)
3. 3. 1 阻尼寬度
阻尼區(qū)結(jié)構(gòu)對提高高分子片材的擠出均勻性至關重要箭养。阻尼寬度為2慕嚷，4，6毕泌，8 mm時喝检，阻尼截面Ⅲ中間層物料的壓力降曲線如圖15所示。
圖15 不同阻尼寬度下截面 Ⅲ中間層物料的壓力降曲線
從圖15可以看出懈词，隨著阻尼寬度的增大蛇耀，截面Ⅲ中間層物料壓力降減小，但壓力變化趨勢都是先增大后減小坎弯，壓力峰值位置右移。這是由于阻尼寬度增大译暂，使得物料流動阻力減小抠忘，有利于物料 沿擠出方向流動。
不同阻尼寬度下截面Ⅴ中間層物料擠出速度曲線如圖16所示外永。
圖16 不同阻尼寬度下截面Ⅴ中間層物料擠出速度曲線
從圖16可以看出崎脉，隨著阻尼寬度增大，截面V物料擠出速度分布更加均勻伯顶，靠近進料口起端的物料擠出速度有所減小囚灼，進料口末端的物料擠出速度變化很小骆膝。綜上所述，8 mm的阻尼寬度有利于提高物料擠出均勻性灶体，此時出料口截面物料擠出速度差異最小為0. 00076m·s-1阅签。
3. 3. 2 阻尼高度
不同阻尼高度下出料口截面Ⅴ中間層物料擠出速度曲線如圖17所示。
圖17 不同阻尼高度下截面Ⅴ中間層物料擠出速度曲線
從圖17可以看出：阻尼高度從1. 5 mm增大到3 mm時蝎抽，截面Ⅴ物料擠出均勻性變好政钟，阻尼高度從3mm增大到6mm時，截面Ⅴ物料擠出均勻性變差樟结；阻尼高度小于3mm時养交，靠近出料口起端的物料擠出速度小于出料口末端的物料擠出速度，而阻尼高度大于3mm時瓢宦，靠近出料口起端的物料擠出速度明顯大于出料口末端的物料擠出速度碎连。
不同阻尼高度下阻尼截面Ⅲ物料壓力線如圖18所示。
圖18 不同阻尼高度下截面Ⅲ物料壓力降曲線
從圖18可以看出：阻尼高度對物料壓力的影響非常明顯驮履，阻尼高度從1. 5 mm增大到6 mm時破花，截面Ⅲ物料壓力降幅先減小后增大；阻尼高度為3mm時疲吸，截面Ⅲ物料壓力分布較為均勻座每，壓力降為1. 14 MPa。 綜上可知摘悴，阻尼高度為3 mm時峭梳，物料擠出速度均勻性最好，同時阻尼區(qū)的壓力調(diào)節(jié)作用最好蹂喻。
4 結(jié)論
（1）通過L型機頭流道溫度場分析可以了解是否存在過熱點葱椭，以避免流道內(nèi)物料發(fā)生焦燒或預交聯(lián)。出料口截面物料溫度差大口四，不利于物料均勻擠出孵运。合理控制機頭流道壁面溫度、減小擠出片材殘余熱應力和彈性變形蔓彩，可以達到提高高分子片材擠出均勻性和穩(wěn)定性的目的治笨。
（2）在L型機頭進料口壓力的選擇中，要綜合考慮物料擠出質(zhì)量與高分子片材擠出產(chǎn)量的平衡赤嚼。機頭進料口壓力越大旷赖，出料口截面擠出速度越大，擠出片材產(chǎn)量也越大更卒，但主流道物料壓力降也越大等孵，導致物料擠出速度均勻性越差。
（3）L型機頭阻尼區(qū)的壓力調(diào)節(jié)作用至關重要蹂空，物料經(jīng)過阻尼區(qū)后壓力分布比主流道壓力分布更為均勻俯萌，擠出速度明顯增大果录。
（4）通過調(diào)節(jié)L型機頭阻尼結(jié)構(gòu)可以改善物料擠出均勻性。隨著阻尼寬度的增大咐熙，出料口截面物料擠出速度分布更加均勻弱恒，阻尼寬度對壓力的調(diào)節(jié)作用明顯；隨著阻尼高度的增大糖声，物料擠出均勻性先變好后變差斤彼。
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