摘 要：为了改善螺旋绞刀中泥料层与层之间的相对运动，利用“仿生学”原理对螺旋绞刀结构进行修改，即把螺旋绞刀上的光滑表面变为非光滑的波纹表面。通过仿真模拟后，其结果表明：泥料之间层与层的相对运动减小了，说明结构改变后泥料与螺旋绞刀的粘附力减小了。
关键词：螺旋绞刀；泥条；模型；仿真模拟
1 引 言
泥料具有一定的黏附作用，因此泥料各层在沿绞刀的径向的角速度不同，因此，就产生了相对的运动。为了减小这种相对运动，必须减小泥料与轴毂的粘附力。例如：蚯蚓可以在潮湿的土壤中自如地运动而不受土壤粘附的影响，蚯蚓在土壤中穿梭时体表的结构是非光滑的波纹表面，如图1所示。说明这种非光滑表面具有减小粘附力的作用。为此将非光滑表面结构加载到螺旋铰刀中，然后进行仿真模拟。
2 泥料基本控制方程及数学模型的建立
2.1基本控制方程的建立
泥料在运动过程中所表现的粘弹性及其规律，不论在其流变测量过程还是在练泥机的挤压过程中，均属于连续介质的力学范畴，可将其定位于输运过程。泥料是一种特殊的“剪切变稀”的非牛顿流体，遵循特殊的流动本构方程。
2.2 泥料模型的建立
为了便于分析，假设：
（1） 忽略螺槽内倒角、等微小结构因素的影响；
（2） 忽略回流的影响；
（3） 泥料为宾汉体；
（4） 流场为等温流场；
（5） 雷诺系数很小，可认为泥料的流动为层流流动；
（6） 由于惯性力、重力等体积力小于粘性力，可忽略不计；
（7） 泥料为不可压缩流体；
（8） 接触边界无相对运动；
（9） 采用泥料在螺旋铰刀中的展开模型（如图2所示）
对螺槽、泥料进行简化：将螺槽和筒壁分别展开成两个平行平面，展开后如图2所示，X方向表示沿螺旋面方向，Y方向表示绞刀径向(螺槽深度方向)，Z方向表示垂直于螺旋面方向。泥条的长、宽、高分别为0.9m、0.164m、0.0675m。泥料上方为方形挡泥槽，螺旋面和轴毂面均为波纹型结构。
因为泥条的三维流场分析比较困难，因此可把它简化成为两个二维模型进行分析，其中一个是用一个平行于XOZ的截面，从接近轴毂端去截取所得的截面的局部平面放大图形，如图3所示，还有一个就是用平行于XOY面的截面从泥料的中间截取所得到的局部平面放大的图形，如图4所示。
2.3 网格的划分
利用FLUID141单元对截面进行智能网格划分。同时，对结构变化比较大的表面进行网格加密处理。
2.4 边界条件的确定
经测量，泥料牛顿粘度ηN=1.09×103Pa·s、塑性粘度ηP=1.09×103Pa·s、表观粘度ηS=2.37×103Pa·s、泥料的屈服极限fv=1.018×104Pa、绞刀转速为n=30r/min。在图3中定义挡
泥槽端速度为Vbx=0、Vby=0；轴毂端速度为Vsx=-0.1616m/s；进
口压力为0.5×103Pa；出口的压力为1×103 Pa。在图4中，
定义上下两个螺旋面速度为Vfx=-0.1616 m/s；进口压力为
0.5×103 Pa；出口的压力为1×103 Pa。
3 分析结果与讨论
3.1 结构改变后与改变前的XOY面泥条X方向速度云图的比较
图5为结构改变后XOY面泥条X方向速度云图，其中Vmax1=0.159e-3m/s、Vmin1=-0.1616m/s；相对轴毂端的相对速度的平均值Vp1=0.2035m/s；角速度方差Fc1=2.45。图6为改变前的XOY面泥条X方向速度云图，其中Vmax2=0.13e-3m/s、Vmin2=-0.1616m/s；相对螺旋面的相对速度的平均值Vp2=0.285m/s，角速度方差Fc2=2.96。
通过对云图的观察，两图均有一定厚度的泥料黏附在轴毂上，形成呆泥，d1大约为3.5mm左右，而d2大约有7.5mm。因此，可以认为通过仿生改造后的轴毂表面的呆滞的泥层厚度可以减小50%，角速度方差Fc减小17.2%，有助于减小泥料层与层之间的相对运动。由于Vp的减小，导致泥料的平均流量Q减小了28.6%。
3.2 结构改变后与改变前的XOZ面泥条X方向速度云图的比较
图7 为结构改变后XOZ面泥条X方向速度云图，可以发现Vmax3=0.0869m/s、Vmin3=-0.1616m/s；相对轴毂端的相对速度的平均值Vp3=0.032m/s、角速度方差Fc3=0.046。图8为改变前的XOZ面泥条X方向速度云图，其中Vmax4=-0.1616m/s、Vmin4=-0.1736m/s；相对螺旋面的相对速度的平均值Vp4=0.00458m/s，角速度方差Fc4=0.056。
通过对速度云图的观察，两图均有一定厚度的泥料黏附在轴毂上，形成呆泥，d3大约为3mm，而d4大约有5.2mm。因此，可以认为通过仿生改造后的轴毂表面的呆滞的泥层厚度可以减小42.3%，角速度方差Fc减小17.86%，有助于减小泥料层与层之间的相对运动。由于Vp的大幅度增加，导致泥料的平均流量Q将增加差不多7倍。
3.3 结构改变后与改变前的XOZ面泥条压力云图的比较
图9为结构改变后与改变前的XOZ面泥条压力云图，通过对图形的观察发现，结构改变前压力分布梯度很清晰，说明泥料在不同位置所受的压力不同，而结构改变后压力梯度比较模糊，在不同位置泥料所受压力大小差别不是很大。结构改变后泥料的压力分布相对改变前比较均匀，这能提高泥料的致密性。
3.4 结构改变后与改变前的XOY面泥条压力云图的比较
图10为结构改变后与改变前的XOY面泥条压力云图，通过观察结构改变前和改变后压力梯度改变不是很明显。
4 结 论
螺旋绞刀上的光滑表面变为非光滑的波纹表面。通过仿真模拟后对泥条XOY和XOZ截面进行了分析，得出了如下几个结论：
（1） 结构改变后XOY泥条截面的角速度方差Fc减小17.2%，XOZ截面的角速度减小17.86%，说明泥料层与层之间的运动明显减小了，导致阻力降低 。
（2） 结构改变后轴毂表面上呆滞泥层减小50%，螺旋面上的呆滞泥层减小42%，说明改变后的螺旋绞刀轴毂表面与泥料之间，以及螺旋面上的黏附力减小了，粘附力减小就可以降低泥料层与层之间的相对运动，提高挤出泥料的质量 。
（3） 虽然结构改变后的XOY截面相对平均速度Vp1减小28.6%，但是XOZ截面相对平均速度Vp3增加近7倍，所以Vp1的减小可以忽略不计。
（4） 结构改变后压力梯度分布较改变前减小，这将有助于提高泥料挤出时的整体致密性。
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