蓋世汽車訊 在生產(chǎn)輪胎等過程中，利用齒輪泵進(jìn)行擠出，必須保持較低的溫度。如果溫度過高，材料性質(zhì)會發(fā)生變化，如變得僵硬、流動性不足，從而堵塞泵體。據(jù)外媒報道，埃因霍溫科技大學(xué)（Eindhoven University of Technology）的博士生Vincent de Bie開發(fā)了一種數(shù)字模擬方法，以進(jìn)一步了解和預(yù)測流體性質(zhì)產(chǎn)生的影響。這使通過計算機來試驗這種制造工藝變得更容易，減少了制造氣密性輪胎所需加工的材料量。

（圖片來源：埃因霍溫科技大學(xué)）

擠出（extrusion）是一種大批量生產(chǎn)工藝，用于食品、混凝土、金屬和聚合物等材料。在片膜擠出過程中，通常擠出的是具有高寬高比的帶材，可用于生產(chǎn)汽車輪胎等。

有時會在擠出系統(tǒng)中增加一個外齒輪泵，以提高泵送能力。使用這種泵的缺點是，其輸出經(jīng)常出現(xiàn)波動。De Bie通過有限元方法，對處理高粘度流體的外齒輪泵進(jìn)行數(shù)值研究。結(jié)果觀察到，除了齒輪幾何形狀外，流體性質(zhì)對泵的輸出有很大影響。

泵輸出波動（Fluctuation in the output of pumps）

在外齒輪泵中，齒輪分離產(chǎn)生真空，從而將流體吸入這一空間。當(dāng)齒間容積被泵外殼封閉時，流體被困在其中，并被輸送至齒輪的另一邊。由于齒輪交互重疊，流體被推進(jìn)外部齒輪泵。流體通常被推過一個狹窄的?？?，因此在出口處經(jīng)常觀察到高壓現(xiàn)象。許多研究表明，泵輸出存在波動性。

這種所謂的波紋（ripple）主要是齒輪幾何形狀的結(jié)果，其頻率與齒輪的齒數(shù)有關(guān)。顯而易見，輸出中存在波紋是不理想的，這會導(dǎo)致擠出過程中的尺寸不一致。有幾項研究試圖數(shù)字預(yù)測波紋。然而，大多數(shù)研究考量的是牛頓流體和湍流。在聚合物擠出過程中，通常呈層流狀態(tài)，流體的性質(zhì)取決于變形率、壓力和/或溫度。

De Bie的研究目標(biāo)是，對外齒輪泵的高粘度流體進(jìn)行流體流動模擬。其使用有限元方法開發(fā)了一種數(shù)值模擬，其中的流體模型可以改變。該研究團隊希望了解流體性質(zhì)對波紋和泵效率的影響，因此研究了流體性質(zhì)中變形率、壓力和溫度依賴性產(chǎn)生的影響。

為了能在汽車工業(yè)中應(yīng)用這種模擬，甚至還模擬了橡膠的反應(yīng)過程，即硫化?，F(xiàn)在，可以觀察到橡膠擠出過程中的局部（預(yù)）硫化。對于這些固化流體而言，應(yīng)盡可能縮短其在泵中的停留時間。因此，也可以使用對流方程或通過粒子跟蹤，來跟蹤停留時間。

周期性接觸釋放（Periodic release of contact）

研究人員通過二維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外齒輪泵的轉(zhuǎn)速較低，流體粘度較差，且存在高壓差時，泵的效率會下降。此外，在外齒輪泵的入口通道中，還觀察到具有高停留時間的意外區(qū)域。

然而，由于泵的軸向間隙通常非常窄，通過增加第三維獲得的額外信息是有限的。如果將其中一個齒輪的轉(zhuǎn)速作為未知數(shù)添加到模擬中，那么本項目中研究的大多數(shù)粘性流體，都可以觀察到周期性接觸釋放。對兩種三元乙丙橡膠（EPDM）進(jìn)行比較實驗的結(jié)果表明，在材料性質(zhì)中，剪切速率、溫度和壓力依賴性，對于獲得可接受的實驗結(jié)果是必不可少的。

通過這項研究，De Bie進(jìn)一步了解流體性質(zhì)如何影響外齒輪泵的輸出。未來幾年，將在輸出預(yù)測和計算時間方面，對目前的數(shù)值模擬進(jìn)行改進(jìn)。這需要對各種材料進(jìn)行驗證，以便確定哪種流體、當(dāng)前模擬的充足程度，以及何時需要擴展。

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