徐錦華，黎光輝，孟爽，張煒

牙膏灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及流動(dòng)特性分析

徐錦華1，黎光輝2，孟爽2，張煒3

（1.陜西開(kāi)放大學(xué)，西安 710119；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028；3.浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

通過(guò)設(shè)計(jì)雙頭平推柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步提升牙膏等黏稠膏體的灌裝生產(chǎn)效率，同時(shí)研究牙膏流變特性對(duì)灌裝推力的影響，以解決當(dāng)前牙膏等粘稠膏體灌裝速度、精度低等問(wèn)題。首先選取市場(chǎng)占有率較高的品牌牙膏進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，然后采用經(jīng)典非牛頓流體本構(gòu)方程擬合獲得流變曲線，最后采用數(shù)值模擬物料灌裝擠出過(guò)程，獲得所需要的最大灌裝推力。研究表明，牙膏屬于非牛頓流體且具有剪切稀化的流變特性，與冪律流變模型（Powder Law黏度模型）擬合相關(guān)性為0.999 2。在最大灌裝容量為200 mL、最大灌裝速度為0.337 m/s時(shí)，所需推力為1 681 N?？蔀榉桥ｎD流體的灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

牙膏；柱塞；灌裝；流變性；流速；壓力

牙膏灌裝機(jī)構(gòu)是牙膏灌裝封尾機(jī)中的核心部件，其灌裝速度、灌裝精度對(duì)設(shè)備的整體性能有著重要影響。像牙膏等黏稠膏體在自然狀態(tài)下的流動(dòng)性比較差，對(duì)牙膏灌裝輸送必須依靠外力才能實(shí)現(xiàn)其更好的流動(dòng)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)其進(jìn)行灌裝輸送具有一定的難度[1]。柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)因其具有良好的定量灌裝以及輸送特性，被廣泛地應(yīng)用于牙膏等黏稠物料的灌裝[2-5]。柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)的類(lèi)型一般有3種類(lèi)型，分別為豎直式、平推式和斜推式，三者主要的區(qū)別在于柱塞缸的放置形式不同，而工作原理基本一致。為了能夠?qū)崿F(xiàn)牙膏的精確灌裝和高速生產(chǎn)，文中設(shè)計(jì)出新型平推式牙膏灌裝機(jī)構(gòu)，并對(duì)灌裝牙膏的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行受力仿真分析，以此對(duì)灌裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的改善，并保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

牙膏是由多種物質(zhì)組成的一種復(fù)雜混合膏狀流體，在灌裝流動(dòng)過(guò)程中具有較復(fù)雜的流變性，大多數(shù)學(xué)者都是利用黏度計(jì)的不同轉(zhuǎn)速來(lái)檢測(cè)牙膏的黏度值，以此對(duì)牙膏的流動(dòng)特性進(jìn)行研究分析。李勁峰等[6]利用美國(guó)BROOKFIELD，型號(hào)為DV3TRV流變儀來(lái)探究牙膏的流變特性，但只是以8組不同轉(zhuǎn)速依次對(duì)牙膏進(jìn)行黏度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)牙膏體現(xiàn)出非牛頓流體的假塑性。徐鋼等[7-9]為了探索測(cè)量牙膏黏度的方法，利用布氏黏度計(jì)（Brookfield)測(cè)量牙膏或其成分在不同轉(zhuǎn)速下的黏度變化，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速變大時(shí)牙膏的黏度會(huì)相應(yīng)變小。李江平[10]為了探究牙膏的流變特性，利用了流變儀對(duì)3種不同配方的牙膏進(jìn)行了流變性能的測(cè)試，結(jié)果表明牙膏在剪切速率增加時(shí)都有黏度下降的變化趨勢(shì)。Ahuja等[11]為了預(yù)測(cè)牙膏泵送和擠壓壓力的流變學(xué)測(cè)量，建立了從流變學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算牙膏生產(chǎn)過(guò)程的泵送壓力和擠壓壓力的精確方法?；诠P者的前期研究，為了簡(jiǎn)化牙膏的灌裝流動(dòng)分析，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，若把牙膏黏度的測(cè)量以及灌裝流動(dòng)仿真當(dāng)作牛頓流體進(jìn)行仿真計(jì)算模擬時(shí)，按照一個(gè)灌裝頭每分鐘生產(chǎn)80支牙膏，灌裝容量為200 mL進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，牙膏生產(chǎn)需要非常大的灌裝推力，這顯然與實(shí)際工程應(yīng)用是不相符的。

文中將基于牙膏柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)牙膏進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)牙膏試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非牛頓流體曲線擬合，再根據(jù)擬合得到的流變參數(shù)對(duì)牙膏進(jìn)行柱塞式灌裝流動(dòng)仿真分析。依據(jù)仿真結(jié)果深入分析牙膏非牛頓流體灌裝流動(dòng)過(guò)程中內(nèi)流場(chǎng)的特性變化規(guī)律，并計(jì)算出柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)在不同灌裝速度下對(duì)牙膏灌裝需要施加的推力大小，以此為牙膏灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供更加合理的科學(xué)依據(jù)和運(yùn)行方案。

1 轉(zhuǎn)閥柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 灌裝機(jī)構(gòu)工作原理

牙膏柱塞式灌裝機(jī)主要由柱塞缸、活塞、料筒、灌裝閥外體、三通轉(zhuǎn)閥、灌裝嘴以及堵嘴桿等零部件組成。文中設(shè)計(jì)的柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)采用平推式的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，雙頭灌裝，最大灌裝速度為160支/min，最大灌裝量可達(dá)200 mL。牙膏灌裝機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1a，其驅(qū)動(dòng)方式為通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的上下運(yùn)動(dòng)，從而使灌裝活塞在柱塞缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)黏稠物料的定量灌裝?；钊蜃筮\(yùn)動(dòng)為黏稠物料的吸料過(guò)程，此時(shí)三通轉(zhuǎn)閥的固定流道口與膏體入口相通；活塞向右運(yùn)動(dòng)為黏稠物料的排料灌裝過(guò)程，此時(shí)三通轉(zhuǎn)閥的固定流道口與灌裝出口的流道相通。三通轉(zhuǎn)閥的主要作用是實(shí)現(xiàn)灌裝流道口的切斷與導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)灌裝膏體的吸料與排料過(guò)程。三通轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)主軸的伺服電機(jī)傳入，然后再通過(guò)擺桿凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三通轉(zhuǎn)閥的運(yùn)動(dòng)控制。對(duì)于黏稠物料的灌裝，灌裝完成后容易在灌裝嘴出口處發(fā)生膏體滴漏或者產(chǎn)生拉絲的情況，因此在灌裝嘴流道中需要有灌裝堵桿機(jī)構(gòu)。灌裝堵桿為中心導(dǎo)通的空管件，能夠防止膏體的滴漏，而且堵桿中心的導(dǎo)空管道通過(guò)外接導(dǎo)管連接氣泵，在每完成一件產(chǎn)品的灌裝時(shí)，通過(guò)在灌裝嘴口處吹氣，能夠防止黏稠膏體產(chǎn)生拉絲的現(xiàn)象。灌裝機(jī)構(gòu)的流道剖視結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1b。

1.料筒；2.柱塞缸；3.三角擺臂；4.滾珠絲杠；5.伺服電機(jī)；6.擺桿；7.擺桿凸輪；8.氣缸；9.轉(zhuǎn)閥撥桿；10.灌裝頭；11.軟管提升機(jī)構(gòu)；12.牙膏入口；13.灌裝推桿；14.活塞；15.轉(zhuǎn)閥；16.氣缸；17.堵桿；18灌裝嘴。

1.2 灌裝機(jī)構(gòu)工作循環(huán)圖

灌裝機(jī)對(duì)牙膏進(jìn)行定量灌裝需要多個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作，柱塞缸容腔內(nèi)吸滿牙膏，三通灌裝閥開(kāi)啟，軟管提升到位，灌裝堵桿提升開(kāi)啟灌裝嘴口，對(duì)牙膏進(jìn)行灌裝?；谇懊婀嘌b機(jī)的工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成牙膏灌裝機(jī)的工作循環(huán)圖設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2。灌裝機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠、連桿等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)牙膏的吸料與排料。擺桿凸輪機(jī)構(gòu)可控制三通轉(zhuǎn)閥的導(dǎo)通與閉合，以此進(jìn)行牙膏流道口的切斷，從而實(shí)現(xiàn)牙膏的精確定量灌裝。軟管提升機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)與同步帶傳動(dòng)相組合，實(shí)現(xiàn)牙膏軟管邊灌裝邊下降，以防止灌裝牙膏在管內(nèi)產(chǎn)生空段。灌裝嘴桿堵漏機(jī)構(gòu)采用短行程小氣缸與擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，防止灌裝牙膏后產(chǎn)生滴漏或拉絲。

圖2 牙膏灌裝機(jī)工作循環(huán)圖

1.3 流體域模型

基于前面灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用Inventor軟件創(chuàng)建出牙膏灌裝管道的流體域三維模型（見(jiàn)圖3），流體域模型創(chuàng)建過(guò)程中需要對(duì)流體域三維結(jié)構(gòu)的連接處進(jìn)行平滑等處理，以保證仿真計(jì)算的收斂性，其中流體域在柱塞缸內(nèi)的直徑為55 mm、傾斜流道直徑為15 mm、灌裝嘴口徑為11 mm。由此可知，在整個(gè)流體域中，柱塞缸流道截面積最大，灌裝嘴口處的截面積最小，其次較小的為斜管流道的截面。

圖3 流體域三維模型

2 牙膏流變性的研究與分析

牙膏的黏度與稠度存在一定的正比關(guān)系，一般情況下牙膏的稠度越高，其黏度就越大[12]。自1995年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中取消了牙膏黏度指標(biāo)，描述指標(biāo)改為稠度，但現(xiàn)階段對(duì)牙膏進(jìn)行流變特性研究和仿真模擬流動(dòng)等試驗(yàn)仍以黏度為描述對(duì)象?；谖闹星捌诓捎肗DJ–1型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)和CAP 2000+錐板黏度計(jì)測(cè)量牙膏黏度，發(fā)現(xiàn)如直接采用某一轉(zhuǎn)速測(cè)量得到的黏度，并以牛頓流體模型進(jìn)行模擬計(jì)算得到的灌裝推力非常大，這顯然是不對(duì)的。結(jié)合前期試驗(yàn)以及多位學(xué)者的研究可知，牙膏屬于非牛頓流體中的假塑性流體，若以旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)以不同轉(zhuǎn)速測(cè)量得到的不同黏度來(lái)擬合牙膏的流變曲線，得到的曲線不夠平滑，黏度值波動(dòng)較大，擬合得到的流變方程必定存在較大的誤差。為了準(zhǔn)確探究牙膏的流變性，文中選擇市場(chǎng)上占有率較大的牙膏A做流變?cè)囼?yàn)，采用賽默飛Mars40旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)其進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得牙膏的密度為1 231 kg/m3。

2.1 流變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)采用賽默飛Mars40旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量牙膏的流變曲線。在試驗(yàn)過(guò)程中，不同的剪切速率對(duì)應(yīng)不同膏體的流動(dòng)過(guò)程，通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變儀可以得到所測(cè)量膏體的剪切黏度隨著剪切速率變化的曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)值點(diǎn)以及流變曲線可以擬合出每種膏體對(duì)應(yīng)的本構(gòu)方程。牙膏流變?cè)囼?yàn)的流程步驟見(jiàn)圖4。

通過(guò)賽默飛Mars40旋轉(zhuǎn)流變儀分別測(cè)量得到某品牌牙膏的流變曲線，見(jiàn)圖5。流變?cè)囼?yàn)溫度控制為室溫（25 ℃），選擇直徑為25 mm的平行板，旋轉(zhuǎn)模式，剪切速率對(duì)數(shù)變化范圍為0.01～1 000 s?1。

從圖5c中可以看到，牙膏的黏度是隨著切剪速率的增大而呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，由此可以得到牙膏屬于非牛頓流體中的剪切稀化流體。

2.2 牙膏流變方程擬合

為了能夠準(zhǔn)確地?cái)M合出適合描述牙膏的流變方程，文中嘗試根據(jù)流變?cè)囼?yàn)得到的數(shù)據(jù)擬合非牛頓流體中的剪切稀化流變方程。文中采用了冪律流變模型（Powder Law黏度模型）[13]、赫謝爾–巴爾克利（Herschel–Bulkley）流變模型[14]、Cross黏度模型[15]、Ellis黏度流變模型[16]以及Carreau黏度模型[17]對(duì)牙膏試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了流變曲線的擬合。在曲線擬合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用Cross黏度模型、Ellis黏度流變模型以及Carreau黏度模型進(jìn)行擬合時(shí)存在擬合失敗或者無(wú)法擬合的現(xiàn)象，因此文中主要分析采用Powder Law黏度模型與Herschel–Bulkley流變模型擬合得到的流變方程。

其中Power Law流變模型中黏度與剪切速率的流變方程為：

圖4 牙膏流變實(shí)驗(yàn)步驟

圖5 牙膏流變?cè)囼?yàn)儀器與流變曲線

Herschel–Bulkle流變方程為：

采用Powder Law黏度模型與Herschel–Bulkley黏度模型對(duì)牙膏流變方程的擬合效果見(jiàn)圖6。

從牙膏流變方程曲線擬合來(lái)看， Powder Law黏度模型與Herschel–Bulkley流變模型的擬合效果都很好，在剪切速率為0.01～1 s?1時(shí)，Powder Law黏度模型與Herschel–Bulkley黏度模型的曲線擬合效果相差不大，而在剪切速率在1～1 000 s?1時(shí)，Powder Law黏度模型的擬合效果相對(duì)更好一些，并且在膏體灌裝過(guò)程中牙膏的剪切速率基本上都大于1 s?1。從整體的擬合效果來(lái)看，Powder Law黏度模型的擬合相關(guān)性（2）為0.999 2，Herschel– Bulkley黏度模型的擬合相關(guān)性（2）為0.999 02。根據(jù)式（2）可擬合得到牙膏的Powder Law黏度流變方程為：

根據(jù)式（4）可擬合得到牙膏的Herschel–Bulkley黏度流變方程為：

從式（5）—（6）的擬合效果可以看出，Powder Law黏度模型對(duì)牙膏的擬合效果比Herschel–Bulkley黏度模型的擬合要好，因此文中主要采用非牛頓流體中的Powder Law黏度模型對(duì)牙膏灌裝流動(dòng)進(jìn)行仿真模擬分析。

圖6 牙膏流變方程擬合

3 力學(xué)分析與流變特性分析

運(yùn)用Fluent軟件對(duì)牙膏進(jìn)行灌裝流動(dòng)的仿真與計(jì)算分析，同時(shí)以牙膏A為灌裝仿真的研究對(duì)象，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出牙膏的物性參數(shù)來(lái)定義灌裝流體的相關(guān)屬性，通過(guò)仿真分析牙膏在柱塞式灌裝機(jī)構(gòu)中的流速分布以及壓力場(chǎng)的變化情況。

3.1 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

在對(duì)牙膏灌裝流體域進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)，考慮到流體計(jì)算域的三維模型較為復(fù)雜，為了網(wǎng)格劃分方便，設(shè)置流體域劃分的網(wǎng)格類(lèi)型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的Tetra/Mixed[18]。針對(duì)牙膏灌裝流體域模型劃分的網(wǎng)格數(shù)分別為187 816、263 960、506 748、1 175 377，計(jì)算迭代步數(shù)為200步，仿真模擬得到的最大壓力以及最高流速見(jiàn)表1。

由表1可知，當(dāng)劃分的網(wǎng)格數(shù)量從187 816增加到1 175 377時(shí)，流場(chǎng)中的最大壓力從0.697 MPa增加到0.718 MPa，增幅為3.01%；最大流速?gòu)?1.2 m/s增加到11.3 m/s，增幅為0.89%。從網(wǎng)格對(duì)比驗(yàn)證分析可知，在該網(wǎng)格數(shù)量的變化范圍內(nèi)，流場(chǎng)的最大壓力以及最大流速的變化都很小。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為263 960及以上時(shí)，仿真模擬得到的最大壓力以及最大流速更加趨于穩(wěn)定，考慮到仿真模擬計(jì)算需要的時(shí)間、計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和工作量等因素，文中用于仿真模擬的網(wǎng)格數(shù)量為263 960。

表1 網(wǎng)格劃分無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的參數(shù)對(duì)比

Tab.1 Comparison of parameters for grid division-independent validation

3.2 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

考慮到牙膏黏度較大以及灌裝流速不高，文中采用層流模型（Laminar）對(duì)牙膏灌裝流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。設(shè)置牙膏密度為1 231 kg/m3，黏度選擇非牛頓流體的Non–Newtonian Power Law模型，黏度系數(shù)以及冪指數(shù)根據(jù)流變方程擬合得到，最大、最小剪切黏度值根據(jù)流變?cè)囼?yàn)測(cè)量得到。相關(guān)流變參數(shù)輸入見(jiàn)圖7，其中稠度系數(shù)為124.018，冪律指數(shù)為0.427，最大、最小剪切黏度值分別為1 830、1.823。邊界條件的入口流速依次設(shè)定為0.337、0.294、0.253、0.210、0.168 m/s，近壁面處的速度為0，出口壓力設(shè)置為大氣壓101.325 kPa。

圖7 牙膏流變參數(shù)輸入

3.3 仿真模擬結(jié)果分析

3.3.1 速度流場(chǎng)分布

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的牙膏灌裝機(jī)構(gòu)為雙頭灌裝，最大灌裝容量為200 mL，最大速度為160支/min，并結(jié)合各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖，得到一個(gè)灌裝嘴的最大灌裝生產(chǎn)速度為0.337 m/s。牙膏灌裝的流場(chǎng)分布可以直觀地反映出速度流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在最大灌裝容量為200 mL、最大灌裝生產(chǎn)速度為0.337 m/s的條件下，牙膏罐裝速度流場(chǎng)分布見(jiàn)圖8。其中柱塞缸端面處為進(jìn)口速度，牙膏經(jīng)過(guò)柱塞缸流向斜管流道，然后經(jīng)過(guò)垂直流道往下流，垂直流道中心處有一灌裝堵桿，最后牙膏從灌裝嘴流出實(shí)現(xiàn)灌裝。

圖8 牙膏灌裝速度流場(chǎng)云圖

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)流體域中牙膏的流速隨著截面積的減小而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。柱塞缸內(nèi)的流道截面積為最大，牙膏的流速基本上為最小的；牙膏從柱塞缸內(nèi)流出到斜管流道內(nèi)時(shí)流道的截面積發(fā)生較大的變化，牙膏灌裝流速隨著流道的變小而變大；從斜管流出的牙膏基本向垂直管道下方流動(dòng)，最后從灌裝嘴口處流出，而灌裝嘴口處的截面積為整個(gè)流體域中最小的面積，因此灌裝嘴口中心處的流速基本為最大流速。

3.3.2 速度流動(dòng)特性

牙膏灌裝過(guò)程中的流場(chǎng)速度矢量圖見(jiàn)圖9。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)流體域中，牙膏在一些邊角區(qū)域基本不流動(dòng)，甚至?xí)a(chǎn)生微小的類(lèi)似于旋轉(zhuǎn)漩渦的流動(dòng)現(xiàn)象。牙膏在同一截面的流動(dòng)過(guò)程中，流道中心處的流速最大，近壁面的流速基本上接近于0，這與前面分析的牙膏屬于非牛頓流體的剪切稀化特性基本吻合。牙膏在灌裝流動(dòng)過(guò)程中，近壁面的牙膏受到的剪切速率很小，因而具有較大的黏度，流動(dòng)速度也就很緩慢。

圖9 牙膏灌裝速度流場(chǎng)矢量圖

3.3.3 壓力分布特性

如圖10所示為灌裝入口速度為0.337 m/s時(shí)整個(gè)流體域的壓力云圖。從壓力云圖中可知，牙膏從灌裝入口到出口的壓力呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，在柱塞缸內(nèi)的灌裝壓力最大為0.708 MPa。為了保證灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，文中還對(duì)5種不同的灌裝速度進(jìn)行了流場(chǎng)壓力模擬。當(dāng)牙膏灌裝生產(chǎn)速度分別為80、100、120、140、160支/min時(shí)的最大壓力曲線變化見(jiàn)圖11，其灌裝入口對(duì)應(yīng)的速度為0.168、0.210、0.253、0.294、0.337 m/s。從壓力曲線圖可知，灌裝的生產(chǎn)速度越大，需要的灌裝壓力就越大。當(dāng)灌裝速度最大為0.337 m/s時(shí)，需要的最大灌裝壓力為0.708 MPa，由此可以計(jì)算出牙膏灌裝需要的最大推力為：

根據(jù)對(duì)牙膏最大灌裝推力的計(jì)算模擬結(jié)果，能夠?yàn)檠栏喙嘌b機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供很好的理論數(shù)據(jù)。

圖11 灌裝速度與最大壓力關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

文中基于牙膏灌裝的工作原理和工作循環(huán)圖設(shè)計(jì)出新型雙頭牙膏灌裝機(jī)構(gòu)，同時(shí)為了設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)構(gòu)能夠滿足工程應(yīng)用，通過(guò)流變?cè)囼?yàn)分析了牙膏的流變特性，并從流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果中擬合出適合描述牙膏灌裝流動(dòng)特性的非牛頓流體的流變方程，再根據(jù)流變方程的相關(guān)流變參數(shù)對(duì)牙膏的灌裝流動(dòng)進(jìn)行了流場(chǎng)模擬仿真分析，得到結(jié)論如下。

1）結(jié)構(gòu)上，文中設(shè)計(jì)了新型雙頭平推柱塞式牙膏灌裝機(jī)構(gòu)，其中柱塞缸內(nèi)徑為55 mm，最小灌裝嘴口直徑為11 mm，能夠滿足牙膏A等黏稠膏體的灌裝，灌裝容量可達(dá)200 mL，灌裝速度可達(dá)160支/min。

2）牙膏的流變特性對(duì)其灌裝流動(dòng)有著較大的影響，隨著剪切速率的增大，牙膏的黏度呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)。從牙膏的流變?cè)囼?yàn)以及流變方程擬合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，牙膏的流變性質(zhì)與非牛頓流體中的冪律流變方程的擬合效果很好，具備剪切稀化的流變特性。通過(guò)流變?cè)囼?yàn)對(duì)牙膏A進(jìn)行冪律流變方程擬合，得到牙膏的稠度系數(shù)為124.018，流變冪指數(shù)為0.427。

3）在對(duì)牙膏進(jìn)行灌裝流動(dòng)仿真模擬中發(fā)現(xiàn)，牙膏A的灌裝生產(chǎn)速度從80支/min增加到160支/min時(shí)，產(chǎn)生的最大灌裝壓力從0.432 MPa增加到0.708 MPa，灌裝推力從1 030.587 N增加到1 681.235 N，該數(shù)據(jù)能夠?yàn)檠栏喙嘌b機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

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Design and Flow Characteristics Analysis of Toothpaste Filling Mechanism

XU Jin-hua1, LI Guang-hui2, MENG Shuang2, ZHANG Wei3

(1. The Open University of Shaanxi, Xi’an 710119, China; 2. School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China; 3. Ningbo Tech University, Zhejiang Ningbo 315100, China)

The work aims to design a double-head flat-push plunger filling mechanism to improve the filling and production efficiency of the viscous pastes, such as toothpaste and study the effect of the rheological characteristics of toothpaste on filling thrust at the same time, so as to solve the current problems of low filling speed and accuracy of toothpaste and other viscous pastes. Firstly, the toothpaste with high market share was selected for the rheological test, and then the rheological curve was fitted by the classical non-Newtonian fluid constitutive equation. Finally, the filling and extrusion process of material was simulated to obtain the maximum filling thrust required. According to the study results, toothpaste was a non-Newtonian fluid and had rheological properties of shear thinning. The correlation coefficient between the toothpaste and the power-law rheological model (Powder law viscosity model) was 0.999 2. At the maximum filling capacity of 200 mL and the maximum filling speed of 0.337 m/s, the required thrust was 1 681 N. The conclusion can provide theoretical guidance for the filling mechanism design of non-Newtonian fluid.

toothpaste; plunger; filling; rheological; flow rate; pressure

TB486；TB487

A

1001-3563(2022)17-0157-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.020

2022–01–15

寧波市公益類(lèi)科技基金（202002N3082）

徐錦華（1966—），女，本科，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、焊接材料及加工工程。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋