啮合同向双螺杆挤压机的流固热耦合分析及优化设计

作     者：张培建 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邢鸿雁;郑云

授予年度：2022年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 083201[工学-食品科学] 

主      题：双螺杆挤压机 机筒 螺杆 流固热耦合 尺寸优化 流体仿真 

摘      要：啮合同向双螺杆挤压机在膨化食品加工生产及在饲料加工中得到了广泛的应用。由于不同食品物料挤压参数存在差异,双螺杆挤压机工作过程中有时会出现卡顿、螺杆抱死甚至损坏的问题;通过分析得出,出现上述问题是由于机筒和螺杆的径向变形过大造成的。目前国内外关于双螺杆挤压机挤压过程的研究多集中于螺杆构型设计和对应流场的分析上,而有些研究采用单一的物理场对机筒和螺杆施加载荷,这并不能真实反映机筒和螺杆的受力变形情况。一般物料的最适挤压工艺参数常通过实验数据探寻,耗费大量的时间和物力。因此,通过实验与模拟仿真的方法,研究双螺杆挤压机工作时的受力和变形情况,后续指导生产实践中具体参数的设定具有十分重要的意义。本文针对啮合同向双螺杆挤压机在食品物料挤压过程中存在的问题,采用数值模拟与实验相结合的方法,以食品工业中常用的65型(螺杆直径为65 mm)双螺杆挤压机(4段加热)为研究对象。构建了螺杆和机筒三维模型,研究了其在不同温度和压力工况下的热固耦合变形,得出了设计间隙的取值范围;对计量段螺杆(载荷第3段)进行了流-固-热耦合分析,得到影响螺杆力学性能的最主要因素;并通过对机筒模型的尺寸进行优化与分析,使其在满足力学性能的前提下提高了传热效率,减轻了整体质量;在单因素实验的基础上,通过正交实验和流体仿真相结合的方法,分析了最适挤压参数和相对挤压参数下大豆分离蛋白的流动特性。通过实验验证和仿真分析,本文的主要研究结论如下:(1)通过对机筒和螺杆的热固耦合分析,得出温度是引起机筒和螺杆变形过大的主要因素,其中机筒和螺杆的轴向热变形量与总变形量相当,大于其它两方向的热变形量;同一温度工况作用下,机筒和螺杆的总变形量随着外部压力的增大而减小。因此,在挤压机应用过程中要合理控制温度范围,避免造成机筒和螺杆变形过大而损坏设备;在满足双螺杆挤压机一定通用性的同时,双螺杆挤压机的设计间隙应大于0.4 mm。(2)通过对计量段螺杆的流-固-热耦合分析,证明作用在螺杆表面的流体压力为非对称分布。因此,在分析螺杆受力时不能忽略流体对螺杆的作用力。此外,在对计量段螺杆进行流固热耦合分析的同时,进一步对其进行了流-固耦合,热-固耦合分析,证明温度是影响螺杆力学性能的最主要因素。(3)在热固耦合分析的基础上,对机筒的尺寸进行了多目标优化研究,并以相同的边界条件对优化后的机筒进行了分析,证明优化后的机筒沿X轴方向的变形比优化前减小0.01175 mm;沿Y方向的变形减小0.00709 mm,质量比优化前减少7.5%;机筒质量减轻了,也提高了传热效率。(4)通过正交实验和流体仿真的方法,得出影响产品挤压质量的因素由大到小分别是,物料含水量、螺杆转速、挤压温度。同时仿真结果表明:以大豆分离蛋白为原料,含水量为15%,以120r/min的螺杆转速,160℃的挤压温度下,挤压机能够有效的对物料建立压力,并且物料流至出口的过程中形成有序的压力梯度,流动均匀稳定,挤压的产品质量好。