埃因霍温科技大学分析聚合物挤出过程中齿轮泵的性能 以减少生产材料用量

在生产轮胎等过程中，利用齿轮泵进行挤出，必须保持较低的温度。如果温度过高，材料性质会发生变化，如变得僵硬、流动性不足，从而堵塞泵体。据外媒报道，埃因霍温科技大学（Eindhoven University of Technology）的博士生Vincent de Bie开发了一种数字模拟方法，以进一步了解和预测流体性质产生的影响。这使通过计算机来试验这种制造工艺变得更容易，减少了制造气密性轮胎所需加工的材料量。

（图片来源：埃因霍温科技大学）

挤出（extrusion）是一种大批量生产工艺，用于食品、混凝土、金属和聚合物等材料。在片膜挤压过程中，通常挤压的是具有高宽高比的带材，可用于生产汽车轮胎等。

有时会在挤出系统中增加一个外齿轮泵，以提高泵送能力。使用这种泵的缺点是，其输出经常出现波动。De Bie通过有限元方法，对处理高粘度流体的外齿轮泵进行数值研究。结果观察到，除了齿轮几何形状外，流体性质对泵的输出有很大影响。

泵输出波动（Fluctuation in the output of pumps）

在外齿轮泵中，齿轮分离产生真空，从而将流体吸入这一空间。当齿间容积被泵外壳封闭时，流体被困在其中，并被输送至齿轮的另一边。由于齿轮交互重叠，流体被推进外部齿轮泵。流体通常被推过一个狭窄的模口，因此在出口处经常观察到高压现象。许多研究表明，泵输出存在波动性。

这种所谓的波纹（ripple）主要是齿轮几何形状的结果，其频率与齿轮的齿数有关。显而易见，输出中存在波纹是不理想的，这会导致挤出过程中的尺寸不一致。有几项研究试图数字预测波纹。然而，大多数研究考量的是牛顿流体和湍流。在聚合物挤出过程中，通常呈层流状态，流体的性质取决于变形率、压力和/或温度。

De Bie的研究目标是，对外齿轮泵的高粘度流体进行流体流动模拟。其使用有限元方法开发了一种数值模拟，其中的流体模型可以改变。该研究团队希望了解流体性质对波纹和泵效率的影响，因此研究了流体性质中变形率、压力和温度依赖性产生的影响。

为了能在汽车工业中应用这种模拟，甚至还模拟了橡胶的反应过程，即硫化。现在，可以观察到橡胶挤出过程中的局部（预）硫化。对于这些固化流体而言，应尽可能缩短其在泵中的停留时间。因此，也可以使用对流方程或通过粒子跟踪，来跟踪停留时间。

周期性接触释放（Periodic release of contact）

研究人员通过二维数值模拟发现，当外齿轮泵的转速较低，流体粘度较差，且存在高压差时，泵的效率会下降。此外，在外齿轮泵的入口通道中，还观察到具有高停留时间的意外区域。

然而，由于泵的轴向间隙通常非常窄，通过增加第三维获得的额外信息是有限的。如果将其中一个齿轮的转速作为未知数添加到模拟中，那么本项目中研究的大多数粘性流体，都可以观察到周期性接触释放。对两种三元乙丙橡胶（EPDM）进行比较实验的结果表明，在材料性质中，剪切速率、温度和压力依赖性，对于获得可接受的实验结果是必不可少的。

通过这项研究，De Bie进一步了解流体性质如何影响外齿轮泵的输出。未来几年，将在输出预测和计算时间方面，对目前的数值模拟进行改进。这需要对各种材料进行验证，以便确定哪种流体、当前模拟的充足程度，以及何时需要扩展。