聚合物基高黏浆料立式螺旋挤注装填装备关键元件结构的仿真优化

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.019

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (5): 107-112.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.05.019

聚合物基高黏浆料立式螺旋挤注装填装备关键元件结构的仿真优化

林高明¹^,², 张国辉¹, 宗胡曾³, 王重阳², 贺有凤¹, 王苏炜²()

^1.山西北方兴安化学工业有限公司，太原 030008
^2.南京理工大学化学与化工学院国家特种超细粉体工程技术研究中心，南京 210094
^3.山东非金属材料研究所，济南 250031

收稿日期:2023-07-09 出版日期:2024-05-26 发布日期:2024-05-20
通讯作者: 王苏炜（1990—），男，讲师，从事螺压挤注工艺相关研究， wangsw90@163.com
E-mail:wangsw90@163.com
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金(30923011018);中国博士后科学基金(2021M691580)

Simulation and optimization of key component structure of vertical spiral extrusion filling equipment for polymer⁃based high⁃viscous slurry

LIN Gaoming¹^,², ZHANG Guohui¹, ZONG Huceng³, WANG Chongyang², HE Youfeng¹, WANG Suwei²()

^1.Shanxi North Xing'an Chemical Industry Co，Ltd，Taiyuan 030008，China
^2.National Special Superfine Powder Engineering Research Center of China，School of Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China
^3.Institute of Shandong non?metallic material，Jinan 250031，China

Received:2023-07-09 Online:2024-05-26 Published:2024-05-20
Contact: WANG Suwei E-mail:wangsw90@163.com

摘要/Abstract

摘要：

针对当前聚合物基含能材料装填过程中存在的人机面对、手工作业等问题，采用立式螺旋挤注装填工艺来实现高黏塑性浆料的连续装填。为此，本文在解析高黏浆料特性的基础上，对螺杆构型及机筒结构进行仿真优化。结果表明，相较于混炼元件在改善粒子掺混效果时会造成高剪切、高温升等隐患，三段式螺纹结构更适用于高黏含能浆料的稳定、安全输送。同时，将口模尺寸与机筒锥角分别设为直径30 mm以及1 °均可以显著降低流道的阻滞作用，从而削弱高压高温等隐患以确保工艺安全性。

关键词: 挤注装药工艺, 数值模拟, 结构设计, 工艺安全性

Abstract:

To solve the problem of human⁃machine interaction and manual operation in the charging process of polymer⁃based high⁃viscous slurry， a vertical spiral extrusion⁃charging process was adopted to obtain a continuous loading of energetic slurry. Based on analyzing the characteristics of the high viscous slurry， the screw configuration and barrel structure were simulated and optimized. The results indicated that pineapple head mixing element not only improved the particle⁃mixing effects but also caused hidden dangers such as a rise in high shear and high temperature. Therefore， this mixing element is not suitable for the stable and safe transportation of a high⁃sensitivity slurry. Meanwhile， the blocking effect of the flow channel was significantly reduced by setting the size of the die and the cone angle of the barrel to be Φ30 mm and 1 °， respectively. This could weaken the hidden dangers such as high pressure and high temperature to ensure process safety.

Key words: extrusion?charging process, numerical simulation, structural design, process safety

中图分类号:

TQ320.5

林高明, 张国辉, 宗胡曾, 王重阳, 贺有凤, 王苏炜. 聚合物基高黏浆料立式螺旋挤注装填装备关键元件结构的仿真优化[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 107-112.

LIN Gaoming, ZHANG Guohui, ZONG Huceng, WANG Chongyang, HE Youfeng, WANG Suwei. Simulation and optimization of key component structure of vertical spiral extrusion filling equipment for polymer⁃based high⁃viscous slurry[J]. China Plastics, 2024, 38(5): 107-112.

图/表 10

图1 药浆流变特性曲线

Fig.1 Rheological characteristic curves of the slurry

图2 机筒与螺杆几何构型示意图

Fig.2 Geometric configuration of the barrel and screw

参数		有效长度/mm	螺棱宽度/mm	螺距/mm	螺棱间隙/mm	压缩比
倒锥段		187	6	46	1.0~7.4	—
平直段	输送区	93	6	46	1.0	1.0
	压缩区	120	6	46	1.0	1.2
	计量区	128	6	46	1.0	1.0

表1 螺杆结构参数

Tab.1 Parameters of the screw structure

物性参数	比热容/J·（kg·℃）^-1	热导率/W·（m·℃）^-1	密度/kg·m^-3	弹性模量/GPa	泊松比
药浆	1 234.1	0.6	1 740	—	—
螺杆	500.0	15.0	7 980	206	0.3

表2 物性参数

Tab.2 Physical property

边界名称	运动边界条件		热边界条件
入口	自由流动	$f n$ = $f s$ =0	固定温度，100 ℃
出口	自由流动	$f n$ = $f s$ =0	自由流出
机筒内壁面	壁面无滑移	$v n$ = $v s$ =0	固定温度，100 ℃
螺杆表面	螺杆转速	20 r/min	热交界面

边界名称	运动边界条件		热边界条件
入口	自由流动	$f n$ = $f s$ =0	固定温度，100 ℃
出口	自由流动	$f n$ = $f s$ =0	自由流出
机筒内壁面	壁面无滑移	$v n$ = $v s$ =0	固定温度，100 ℃
螺杆表面	螺杆转速	20 r/min	热交界面

表3 边界条件设置

Tab.3 Boundary conditions

表3 边界条件设置

Tab.3 Boundary conditions

图3 不同螺杆构型下药浆的流场特征参数曲线及云图

Fig.3 Flow field characteristic parameter curves and cloud charts of the slurry under different screw configurations

图4 不同口模尺寸下药浆的流场特征参数曲线及云图

Fig.4 Flow field characteristic parameter curves and cloud charts of the slurry under different die sizes

图5 不同θ下药浆的流场特征参数曲线及云图

Fig.5 Flow field characteristic parameter curves and cloud charts of the slurry under different θ

图6 螺杆应力、变形曲线及云图

Fig.6 Screw stress， deformation curves and cloud charts

转速/ r·min^-1	最大应力/MPa	最大应力比/ %	应力判定/ MPa	评定
10	17.10	14.62	17.10≤1.5S	可行
20	24.92	21.30	24.92≤1.5S	可行
30	31.03	26.52	31.03≤1.5S	可行
40	36.24	30.97	36.24≤1.5S	可行
50	40.80	34.87	40.80≤1.5S	可行

表4 倒锥段圆柱结构应力强度校核

Tab.4 Stress intensity verification of the inverted cone section cylindrical structure

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