螺旋芯棒吹膜机头的优化设计

螺旋芯棒吹膜机头的优化设计 螺旋芯棒吹膜机头的优化设计 辛壁渡等-嫘凝芯棒畋骥溉头嘞纯纪设计 . 辛业波,冯连勋 (北京化工大学机电工程学院,北京100029) 设计 摘要:运用有限元分析软件PLOYFLOW对螺旋芯棒机头流场进行模拟计算,提出轴流周向角的概念,将其作为衡量机 头混合性能的指标,用正交设计方法对结果进行分析,得出了机头几何参数芯捧锥角,螺旋消退角,螺旋升角和螺槽深度对 机头混合性能的影响,并对机头参数进行优化,得到机头设计的最优几何参数组合. 关键词:吹膜机头;螺旋芯棒;优化设计;混合性能;POLYFLOW 中国分类号:TQ018TQ320文献标识码:B文章编号:1009—797x(2OO7)O9—0001—04 在吹塑薄膜的时候,由于机头结构的影响, 往往会在薄膜上形成,条或多条熔接线.这是 因为传统的机头有分流支架,熔体在流经分流 支架的时候会形成多股料流,各股料流重新熔 合后,在熔接面上短时间内难以形成高聚物分 子有效的缠结….熔接线会在薄膜上留下缺陷, 从而降低薄膜的物理性能【21.如何消除熔接线 一 直是吹塑薄膜加工中的一项重要课题. 螺旋芯棒机头很好地解决了熔接线的问题, 它没有分流支架,物料在螺旋流道中流动的同 时伴有轴向流,使物料得以很好地重合.这样 不仅可以消除熔接线,还可以使材料各向同性, 熔体温度均匀【31.从混合性能上来考虑,机头 中理想的物料流动情况应该是轴向流从物料进 人螺旋流道开始,一直持续到螺旋流道消失, 此时螺旋流道中的物料恰好全部变成轴向流动. 实际上这种情况是难以实现的,因为随着螺槽 的变浅和轴流的增加,螺槽中剩余的物料在轴 向料流的拖曳作用下,最终会被拖离螺槽而全 部变为轴向流动.从提高机头混合性能的角度 考虑,在设计螺旋芯棒机头的时候应尽量使机 头内物料的轴向流在圆周方向分布加宽】.本 文采用POLYFLOW有限元分析软件对螺旋芯 棒机头内轴向流在圆周方向分布的惰况进行分 析. 1几何模型 螺旋芯棒的三维几何造型和机头流道模型 如图1和图2所示.选择笛卡尔坐标,原点为 机头物料人口中心,人口到口模的方向为z向. 本例芯棒的几何尺寸为:直径100mm,总 长160rnm,主流道直径15mm,分流道直径 】0mm,螺槽头数4,螺槽宽度9mm.机头体 与芯棒初始间隙1mrn,口模环隙1.3mm. ?图1机头芯棒, 本文主要考察以下四个几何参数:芯棒锥 作者简介:辛业波(1979一),男,北京化工大学机电工 程学院在读硕士研究生,机械设计及理论专业,主要研究方 向为螺旋芯棒吹膜机头的优化设计. 收稿日期:2007—04—10 2007年第33卷?1? CHINARUBBER/PLASTICSTECHNOL0口',ANDEOUIPMENT ———?———?——??—————瞄鞠嘲皤嘲麟鞘灞赫 壁面 图2机头流道 角(A),螺旋消退角(B),螺旋升角(C)和 螺槽深度(D)[51.工程上芯棒锥角经验取值为 0.5,2.0..螺槽初始深度根据机头直径不同取 值为8,20mm,考虑本机头尺寸较小,取值范 围为8mm左右.由分流道截面积等于螺槽初 始面积计算得螺槽初始深度最大应为9mm.螺 旋消退角和螺旋升角取经验值.每个参数采用 三个水平,如表1所示. 表1参数水平表 水平 A芯棒锥角/(.) B螺旋消退角/(.) C螺旋升角/(.) D螺槽深度/mm l23 O.51.O1.5 5.56.O7.O 9.OlO.8l4.O 789 2数学模型 为便于计算,本文中做出如下假设:?熔 体为广义非牛顿流体;?熔体不可压缩;?流 动为稳态层流;?惯性力和质量力忽略不计; ?熔体在壁面无滑移;?流场为等温流场.根 据以上假设,得到基本微分控制方程: ++:0a xavaz, 一 +(++1:0 a)c,axavaz 一 +r++:0, 一 +f++1:0 c}z0xoz 式中:,,分别为,y,z方向上 的速度,P为压力,f.j为直角坐标系下的应力 分量,其中i,J分别代表x,y,z. 选用的物料为低密度聚乙烯(LDPE),采 用Bird-Carreau模型来描述表观黏度与剪切速 率之间的关系,其本构方程为:— l ,7=+(r/o一)(1+),)(5) 式中:是无限大剪切速率黏度,.是零剪切 黏度,是松弛时间,口是非牛顿指数;各参数 取值分别为:r/o=31890Pa?S;q~--0,=2.0S; 口=0.44. 边界条件设定为出口压力为零,壁面速度 为零,入口流量6X10m'/s. 3正交优化设计 本文考察的是芯棒锥角,螺旋消退角,螺旋 升角和螺槽深度四个几何参数对机头中物料轴 向流分布宽度的影响.定义轴流周向角,其 含义是从物料进入螺旋流道开始,到全部脱离 原螺旋流道进行轴向流动时,每股料流在圆周 方向上转过的角度.若轴流周向角小于或等于 90.,物料将不会得到有效的重合,从而制品会 形成明显的熔接线.当轴流周向角大于90.时, 各股物料之间在轴向流部分将会重合,且轴流 周向角越大,重合部分在周向上越宽,混合效 果就越好.图3为流场中物料粒子轨迹图(四 股料流的粒子轨迹分别用不同灰度表示).图4 图3流场粒子轨迹 是其中一股料流的粒子轨迹图.对以上设定参 数进行正交试验,结果见表2. 从极差可以看出,第4列的极差最大,所 以对应的D因子螺槽深度是最主要的.其余依 次为C螺旋升角,B螺旋消退角,A芯棒锥角. ? 2?第33卷第9期 ?? 辛业波等?螺旋芯棒吹骥机头的优化设计 图4单股料流的粒子轨迹 表2正交试验表 即对混合效果影响最大的因素是螺槽深度,随 后依次是螺旋升角,螺旋消退角和芯棒锥角. 按照因子的主次排列顺序由主到次逐一确 定,作为数量指标的轴流周向角越大越好,因 此D因子取3水平,C因子取2水平.注意到 B因子1水平和2水平较为接近,应对两水平 分别进行验证,A因子取1水平.故较优组合 为:AlB,CD,,ABCD,.在上面9个试验中 并没有这两个组合,对其进行验证,计算结果 见表3. 表3较优组合的试验结果 从表3可以看出,A.B.C:D,的结果更好一 些,说明A.B.CD,是在现有取值水平下的较优 的组合. 对正交结果进行方差分析,各参数的偏差 平方和,误差估计及各参数的F比计算结果如表 4. 表4方差分析表 将各参数F与显着性水平分别为0.1,0.05 的F比临界值Fo,Fo_05相比较,若F比<Fo, 则认为该参数对结果无显着影响;若F比>Fol0, 则认为参数对结果有显着影响;F.<F< F,认为参数对结果有一定影响.查F分布临 界值表可得: F01o(2,2)9.00,Foo5(2,2)19.0 因为FA<F0_j0(2,2)' FB<Folo(2,2) Fc<Fo1o(2,2) FD>F0o5(2,2) 所以显着性检验结果为:因子A,B,C不 显着,因子D显着. 从极差分析上可以看出,芯棒锥角越小, 螺槽深度越大,则轴流周向角越大,因此在工 艺条件允许的情况下,芯棒锥角取值尽量JJ,, 螺槽深度取值尽量大,可得到这两个因素的最 优水平.本文中芯棒锥角取0.5.,螺槽深度取 9mm.对螺旋升角来说,由极差可以看出,其 最优值出现在9,14.之间.对数据进行多项式 拟合,拟合曲线如图5. 螺旋升角/(.) 图5螺旋升角与轴流周向角关系曲线 2007年第33卷?3? (.),匣暖娠霹 CHINARU88EtASTICSEcHNoLoGYANDEQUIPMENT ?—???——???—————?—?—???瞄嘲强馘赣!0 由图5可以得出,螺旋升角为12.0.时,轴 流周向角最大,为226.66.. 在芯棒锥角0.5.,螺槽深度9mm,螺旋 升角12.的条件下,由螺槽绕过圈数为0.6-1.2 时计算所得螺旋消退角范围为6-11..在此范 围内取值计算并对结果进行拟合,拟合曲线如 图6所示. 图6螺旋消退角与轴流周向角关系曲线 由图6可以看出,随着螺旋消退角的减小, 轴流周向角增大,因此螺旋消退角应该在允许 的范围内取最小值,本文取6.. 4结论 本文对螺旋挤出机头的流动状况进行了研 究,提出轴流周向角的概念,并将其作为考察 机头混合性能的指标.采用POLYFLOW软件 对机头流道进行了模拟计算.采用正交设计的 方法设计试验,并对计算结果进行分析比 较,得出了影响机头混合性能的主要参数,及 各参数对机头混合性能的影响大小.结论如下: (1)螺槽深度对机头混合性能影响最大, 随后依次为螺旋升角,螺旋消退角和芯棒锥角. (2)轴流周向角随着螺槽深度的增加,螺 旋消退角和芯棒锥角的减小而增大.因此要提 高螺旋芯棒机头的混合性能,设计时应在工艺 允许的条件下螺槽深度取大值,螺旋消退角和 芯棒锥角取小值. (3)随着螺旋升角取值的变化轴流周向角 出现一个峰值,即存在一个螺旋升角的值使得 机头混合性能最好.采用曲线拟合的方法可得 到该极值点. 参考文献: [1]张玉霞,薛平.吹塑薄膜用螺旋芯棒机头设计的关键 技术.塑料技术,1992,12(3):28. [2]Toshitakakanai,GregoryA.Campbel1.王建伟,孙小 青,左秀琴译.塑料薄膜加工技术.化学工业出版社, 2oo3,9. [3]张文明,许乾慰,薛平.螺旋式管材机头内熔体流动的 计算机模拟.塑料工业,2006,5(34):184. [4】耿孝正.塑料挤出机,塑料注射机.山西塑料1981年 增刊二:37. [5]占国荣,周南桥.螺旋芯棒薄膜机头的计算机辅助设 计.塑料,2003,5(32):75. TheOptimizedDesignofSpiralCoreRodofBlowMoldDie XinYebo,FengLianxun (MechanicalandelectronicengineeringcollegeofBeijingchemicaluniversity,Beijing1000 29ChinaJ Abstract:ByusingfiniteelementanalysissoftwarePOLYFLOW,spiralcoreroddieflowfield simulationshavemade;proposedtheconceptofaxialflowcircumferentialangleasthetarget ofthemix performanceofdie.Throughanalyzingtheresultwiththeorthogonaldesignmethod,theinflu enceofthe mixperformanceofdiebythediegeometryparameter,suchascorerodconeangle,spiralsubsidising angle,spiralriseangleandthedepthofhelicalgroovehadbeenobtained,andoptimizedthedie parametertogetthemostsuperiorgeometryparametercombinationforthediedesign. Keyword:blowmolddie;spiralcorerod;optimizeddesign;mixperformance;POLYFLOW (xs.06) ? 4?第33卷第9期 C,哑匣匝楱雳