1、南方论坛262023 年 4 月下South Forum膨化机模具开孔数对出料均匀性的影响*杜源（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225100）摘要：目前，水产养殖行业对水产饲料颗粒的外观要求较高，而饲料外观的品质与生产饲料的膨化机模具出料均匀性息息相关，需要研究膨化机模具结构对出料均匀性的影响。吨料开孔面积即模具开孔数对出料均匀性影响较大，因此，笔者基于丰尚H56型膨化机，研究出料速度200 kg/h，模具孔直径4 mm，开孔数为5、6、7的模具对膨化机出料均匀性的影响。通过使用CFD软件ANSYS Fluent对膨化机出料区域的模具和文丘里内部的流体域进行仿真分析，软件基于层流模型和流变
2、模型对仿真进行求解，最终得出不同开孔数模具各孔出料速度、质量流和黏度方差，通过对比得出开孔数为6时，生产大菱鲆缓沉性水产饲料的出料均匀性最佳。关键词：膨化机；模具设计；CFD仿真；均匀性中图分类号：TS210.9 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.0080 引言挤压膨化是水产饲料的主要生产环节，膨化工艺生产效率高，有助于提升产量，同时较为节能，可减少生产成本，膨化还可以保证产品品质稳定，因此该工艺被广泛应用于食品1和饲料2-3的加工中。膨化机模具结构（如开孔数）会对颗粒品质产生重要影响，饲料颗粒主要存在的问题是颗粒外观均匀性不足，而颗粒外
3、观均匀性与颗粒膨胀度均匀性相关。颗粒膨胀度均匀性由膨化机模具出料均匀性决定，而膨化机模具出料均匀性又由膨化机模具结构设计决定。因此，需要对膨化机模具结构设计进行研究。膨化物料从螺杆挤出后在文丘里和模具中的挤压膨化过程可以使用CFD软件进行仿真分析4-6。秦贞明等7通过Carreau模型描述熔体的黏度特征，使用POLYFLOW软件模拟了双螺杆膨化机模具过渡和稳流段的三维等温流场，分析比较了模具的速度场、压强场、剪切速率场、剪切应力场以及黏度场，结果表明，螺杆的旋转是该聚合物熔体流变性能的最大影响因素；转速和流量的增加，会使熔体受到的剪切速率和剪切应力增大，但是对颗粒外观均匀性以及模具出料均匀性的
4、研究不足。丁建梅等5对秸秆膨化机中的关键部件如螺杆及腔体进行结构设计，为解决膨化机输料堵塞问题，通过ANSYS Workbench的流体模块，对螺杆外腔体的速度流场、涡流黏度流场和工作压力流场等进行有限元流场分析，并进行试验验证，当螺杆与套筒间隙为5 mm时，秸秆膨化机的结构能达到预期的生产效率，但是缺少模具的仿真分析及设计优化，目前膨化机模具出料均匀性较低和膨化颗粒外观不均匀的问题还需要进一步研究。1 模板开孔数设计影响膨化机性能的因素有很多，Adekola8在研究中指出双螺杆膨化机模具设计过程中需要考虑膨化机产量和开孔数。模具开孔数一般是通过行业经验公式来确定的，已知膨化行业工厂内常使用的
5、经验公式为：缓沉性饲料产量(t/h)=A(mm2)300460(mm2h/t)（1）其中，A是开孔面积，单位为mm2；本次试验采用的大菱鲆鱼粉等原料加工为缓沉性饲料，本试验产量为0.20 t/h，根据文献中缓沉性饲料吨料开孔面积在300 mm2h/t 460 mm2h/t，单个孔开孔面积为12.56 mm2（直径为4 mm），可以计算出开孔数在4.787.32之间，取整可以得到试验开孔数为5、6、7。分别对上述开孔数模具进行出料均匀性仿真模拟，通过对比分析确定最佳开孔数。不同开孔数的模具模型图如图1所示。（a）5孔基金项目：江苏省科技成果转化专项资金（BA2020070）作者简介：杜源（199
6、8），男，江苏苏州人，硕士研究生，研究方向为机械工程。2023 年 4 月下南方论坛27South Forum（b）6孔（c）7孔图1不同开孔数的模具模型图2 有限元仿真分析过程首先，仿真过程要建立模板和文丘里三维流体域模型，膨化机文丘里模型和出料区流体域模型如图2所示。图2膨化机文丘里模型、出料区流体域模型其次，设置层流模型9并导入流变模型10。在使用Fluent软件进行仿真边界条件设置时，将仿真使用的模型选为Laminar（层流）模型。最后，在设置好边界条件后，进行求解运算。主要研究的结果是模具各开孔流场的速度、质量流和黏度，进而根据这些数据得出模具开孔数对出料均匀性的影响，最终为膨化机模
7、具的结构优化设计提供理论依据。对膨化饲料通过膨化机模具开孔的CFD仿真分析基于ANSYS Fluent 19.0进行，在仿真过程中使用层流模型和流变模型进行仿真分析。要确定流体行为是层流还是湍流，需要通过雷诺数Re判定。公式（2）中，v表示流体通过模具时的平均速度，D为模具开孔直径，为熔体流出模具前的密度。Re=D28-v(2-n)()nm(3n+1n)n （2）v=0.63，n=0.53，D=3，=570，m=1 170.57。代入上式，计算可得Re=1.057。计算临界雷诺数Rec：Rec=2 100(4n+2)(5n+3)3(3n+1)2 （3）计算可以得到Rec=2 429.093Re
8、=1.057，即熔体通过模具时为层流。3 有限元仿真结果分析使用开孔数分别为5、6、7的模板进行仿真，进而确定最佳开孔数。由于本文主要通过对仿真结果的数据进行导出和计算，进而对比出料均匀性，因此对仿真结果的云图仅作展示，仅展示出料速度云图的总体示意图和开孔数为5、6、7时的模具截面的出料速度云图，仿真结果如图3所示。（a）总体示意图（b）开孔数为5南方论坛282023 年 4 月下South Forum（c）开孔数为6（d）开孔数为7图3模具开孔数不同时物料出模具速度云图如图4所示，当开孔数为5时，出料速度最高，为0.73 m/s左右；当开孔数为6时，出料速度为0.62 m/s左右；当开孔数为
9、7时，出料速度最低，为0.53 m/s左右。从流体域开孔处速度云图可以看出，孔中心的流速最高，流速从中心向孔壁依次递减，因此取该孔流速的平均值作为该孔的流速。在膨化腔内，物料进料速度相同，因而单位时间内通过模具的物料总量也相同，开孔数越少，出料速度越高。0.50.550.60.650.70.751234567模板各孔出料速度(m/s)模孔序号567图4不同开孔数模板模孔出料速度数据分析如图5所示，当开孔数为5时，出料质量流最高，为1.6e-04 kg/s左右；当开孔数为6时，出料质量流为1.2e-04 kg/s左右；当开孔数为7时，出料质量流为1.1e-04 kg/s左右，出料质量流最低。分析
10、流体域开孔处质量流云图，开孔处圆锥段的质量流最高，质量流在开孔处长直段逐渐降低，由于开孔数为5和7的模具在出料口附近有一定的回流现象，因此开孔数为5和7的模具质量流均匀性较低。0.911.11.21.31.41.51.61.71.81234567模板各孔出料质量流(e-04kg/s)模孔序号567图5不同开孔数模板模孔出料质量流数据分析如图 6 所示，当开孔数为 7 时，出料黏度最高，为107.5 Ns/m2左右；当开孔数为6时，出料黏度为102.5 Ns/m2左右；当开孔数为5时，出料黏度最低，为90 Ns/m2左右。分析流体域开孔处黏度云图，越靠近出料口处熔体黏度越低，这是因为熔体为剪切变
11、稀的非时变性假塑性非牛顿流体，当熔体靠近出料口处时流体速度增加，剪切应力增大，熔体黏度随之降低。由于相同时间内，模具要挤出相同质量的物料，因此开孔数越多熔体速度越低，开孔处剪切应力越小，熔体黏度越高，因此开孔数为7时熔体黏度最高，开孔数为5时熔体黏度最低。808590951001051101151234567模板各孔出料黏度(Ns/m2)模孔序号567图6不同开孔数模板模孔出料黏度数据分析表1模具开孔数不同时物料出模具质量流、速度和黏度方差H56，4.0模板，吨料面积314.0 mm2h/t439.6 mm2h/t，产能200 kg/h开孔数567质量流方差0.655 6e-100.409 3
12、e-100.605 7e-10速度方差0.472 9e-40.426 4e-40.602 8e-4黏度方差7.314 02.528 55.176 8图3是不同开孔数模具对应的模具各孔出料速度2023 年 4 月下南方论坛29South Forum云图，图4至图6展示了不同开孔数模具各孔出料速度、质量流和黏度数据。表1通过对数据的分析可以得出开孔数为6的模具速度方差为0.426 4e-4，为3组仿真中最低；质量流方差为0.409 3e-10，为3组仿真中最低；黏度方差为2.528 5，为3组仿真中最低。综合上述结果分析，吨料开孔面积为379.5 mm2h/t即开孔数为6，各组长径比相同时，物料的
13、质量流方差、速度方差和黏度方差最小，即模具结构最佳。4 总结本文基于层流模型建立了不同结构模具的流体域模型，并进行了多组模拟，对开孔数分别为5、6、7模具的出料均匀性进行了对比分析，得到以下结论：1）观察出料速度云图，开孔数为5时，出料速度最高，为0.73 m/s左右；当开孔数为7时，出料速度最低，为0.53 m/s左右。2）观察出料质量流云图，开孔数为5时，出料质量流最高，为1.6e-04 kg/s左右；当开孔数为7时，出料质量流最低，为1.1e-04 kg/s左右。3）观察出料黏度云图，开孔数为7时，出料黏度最高，为107.5 Ns/m2左右；当开孔数为5时，出料黏度最低，为90 Ns/m
14、2左右。4）当使用H56型膨化机，产能为200 kg/h，加工大菱鲆缓沉性小颗粒水产饲料时，模具开孔数为 6时，模具的出料均匀性最佳。参考文献：1 李菁，何述栋，菅慧芳，等.挤压膨化压力对小麦麸皮粉特性的影响J.食品研究与开发，2022，43(19)：149-154.2 李重阳，杨洁，李军国，等.膨化工艺参数对犬粮加工质量特性的影响研究J.饲料工业，2022，43(21)：1-6.3 任军伟.饲料挤压膨化设备与工艺技术研究新进展J.南方农机，2018，49(8)：78.4 孟祥凯，刘文生.基于SolidWorks与ANSYS Workbench的膨化机螺杆受力分析J.包装与食品机械，2014，
15、32(2)：54-57.5 丁建梅，迟鹏新，姜鹏，等.秸秆膨化机关键部件的设计与研究J.森林工程，2021，37(1)：32-37.6 郭树国，韩进，王丽艳.基于CFX的新型豆粕单螺杆挤出机数值模拟分析J.大豆科学，2017，36(2)：300-304.7 秦贞明，陈晋南，彭炯.双螺杆挤出机模具过渡和稳流段流场的数值模拟J.计算机与应用化学，2006(9)：853-857.8 ADEKOLA K A.Analytical Engineering Designs for Twin Screw Food Extruder DiesJ.International Journal of Enginee
16、ring Innovation&Research,2014,3(5):713-717.9 张祝新，于雷，齐中华.对工程流体力学中临界雷诺数使用的讨论J.润滑与密封，2001(1)：71-65.10 BERZIN F,TARA A,TIGHZERT L.In-line measurement of the viscous behaviour of wheat starch during extrusion.Application to starch cationizationJ.Applied Rheology,2007,17(2):21222-1-21222-7.有效解决了城市绿化的相关问题，最大程度减少了土壤污染，促进了物联网与农业的结合，推动了农业灌溉系统的机械化、自动化、智能化发展。参考文献：1 胡海洋，蔡涵，赵德龙，等.一种新型农林节水喷灌系统J.电子世界，2021(13)：118-120.2 吕谋超.既想节水，又想让庄稼“喝”饱水 科技：都拿来吧你！EB/OL.（2021-08-25）.http:/ 王荣，闫浩文，禄小敏.Douglas-Peucker算法全自动化的多尺度空间
