東莞市華鴻塑料機(jī)械廠
主營產(chǎn)品: 注塑機(jī)螺桿、擠出機(jī)螺桿、雙合金螺桿、雙金屬螺桿、螺桿機(jī)筒等注塑機(jī)配件 |
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擠出機(jī)螺桿*設(shè)計(jì)原理,擠出機(jī)螺桿設(shè)計(jì)廠商東莞華鴻zui可靠
近年來,基于各種擠出機(jī)螺桿理論和功能需求而設(shè)計(jì)的新型擠出機(jī)螺桿很多, 其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是普通螺桿。以下主要討論的是普通螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和方法。
擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)
1.1擠出機(jī)螺桿理論依據(jù)
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)有兩個(gè)主要的環(huán)節(jié)或內(nèi)容:一是建立優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型,它可以是解析式、試驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)式,以及求解問題的限制條件;二是選擇優(yōu)化問題的求解方 法,即優(yōu)化方法。 對于解析形式的數(shù)學(xué)模型,除了取決于預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)之外,還在相當(dāng)程度上依賴于對部件( 機(jī)構(gòu)) 的工作情況及機(jī)理的認(rèn)識。所以,擠出機(jī)擠出理論就自然成 為螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。
1.2擠出機(jī)螺桿優(yōu)化目標(biāo)
螺稈優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)有多種,主要有:在保證擠出物質(zhì)量的前提下能達(dá)到zui高生產(chǎn)
能力 Qmax或zui小的功率消耗 N min。
圖1所示為物料固體塞于螺桿加料段中的運(yùn)動(dòng)示意。對于給定的物料,影響輸送率
Q的主要因素有;螺桿的幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)速n,壓力和溫度等,其表達(dá)式為:
Q=πnHDb(Db-H)*[(tg ф*tgθb/tgф+tgθb)*(W/W+e)] (1)
式中: ф-移動(dòng)角
W=平均螺槽寬度,其余參數(shù)如圖1所示.
1.3擠出機(jī)螺桿設(shè)計(jì)變量
一個(gè)設(shè)計(jì)方案可甩一組基本參數(shù)的數(shù)值來表示。其中,需要優(yōu)選的獨(dú)立參數(shù) ,稱之為設(shè)計(jì)變量。 由于螺桿直徑 D,長徑比 L /D,螺紋升角θb螺桿深度 H等直接關(guān)系到螺桿
的承載能力、生產(chǎn)能力、動(dòng)力消耗,擠出物質(zhì)量,以及螺桿的機(jī)加工等,故通常選擇為設(shè)計(jì)變量.
2 擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與方法
擠出過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程.其中包括物料的輸送與相變、化學(xué)反應(yīng)、熱傳遞與交換、能量變換等,導(dǎo)致螺桿各段所要求的功能相異,構(gòu)成了不同于普通機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與方法相應(yīng)地,螺桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)也有其*的方面和方法。
2.1擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)多
由于螺稈幾何形狀復(fù)雜,且影響擠出機(jī)生產(chǎn)能力和功率消耗的因素眾多,從而使螺桿設(shè)計(jì)參數(shù)多。例如,對于圓體輸送段,影響Q,的幾何參數(shù)有Db,θb,H,W,e等。這些參數(shù)在一定條件下又影響到物料的溫升、移動(dòng)角和壓力等。此外,公式(1)是基于固體機(jī)械運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)出的,若考慮到運(yùn)動(dòng)過程申靠近螺桿和機(jī)筒表面處物料出現(xiàn)熔膜現(xiàn)象,則包含的設(shè)計(jì)變量更多、更復(fù)雜。
2.1.2優(yōu)化目標(biāo)多
如前所述,螺桿各段的功能不同,故相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)存在較大的差異。而就任一區(qū)段而言,亦存在多優(yōu)化目標(biāo)的情況。例如,圓體輸送段,既要求螺桿的輸送效率高、輸送率波動(dòng)小,亦希望能耗小;對于熔融段,則要求熔融速率高,亦即能量轉(zhuǎn)換與傳遞效率高、對于計(jì)量段,除要求生產(chǎn)率高、能耗低之外,還希望擠出平穩(wěn)、擠出物質(zhì)量高。此外,對于批量生產(chǎn)螺桿的廠家,還存在一個(gè)如何在保證螺桿工作性能及強(qiáng)度剛度滿足的前提下,盡可能使螺桿用料zui省的問題。
2.1.3約束條件多
機(jī)械*化設(shè)計(jì)是根據(jù)預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求建立數(shù)學(xué)模型,并按工作要求及條件確定約束條件,然后選擇優(yōu)化方法尋找*設(shè)計(jì)方案的過程。螺稈的優(yōu)化設(shè)計(jì),除需滿足強(qiáng)度和尉度條件外,還要求滿足聚合物成型加工工藝條件,這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)模型的約束條件眾多,增加尋優(yōu)的難度綜上所述,設(shè)計(jì)參數(shù)多、優(yōu)化目標(biāo)多、約束條件多構(gòu)成了螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn),并導(dǎo)致尋優(yōu)過程的復(fù)雜性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),上述特點(diǎn)也是高分子材料加工機(jī)械*化設(shè)計(jì)的共同特點(diǎn)。
2.2擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法
一般說來,優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型中的目標(biāo)函數(shù),設(shè)計(jì)變量和約束條件越多,則設(shè)計(jì)過程和優(yōu)化過程越復(fù)雜,越困難。所以,由前述知,設(shè)計(jì)一條滿足各方面條件的*化螺桿是不可能的。于是,人們致力于尋求在預(yù)定優(yōu)化目標(biāo)下螺桿重要幾何參數(shù)如螺紋升角、槽深,螺桿與機(jī)筒間隙、長徑比等的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。目前,常用的螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有:簡化條件下的數(shù)學(xué)求極值方法(解析法),建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的圖解法和正交設(shè)計(jì)法、統(tǒng)計(jì)分析法和CAD等。
2.2.1解析法
該法使用較早。一般是在單一優(yōu)化目標(biāo)(如產(chǎn)量或功率消耗)下對某一設(shè)計(jì)變量進(jìn)行*化設(shè)計(jì),其尋優(yōu)方法即為高等數(shù)學(xué)中的求極值方法例如,由公式(1)中可以看出,若不考慮壓力變化及螺桿摩擦因素f,Q,可達(dá)到zui大。于是式(1)可寫成。
2.2.2圖解法
當(dāng)要考慮的設(shè)計(jì)變量非單一,或設(shè)計(jì)變量以某種函數(shù)關(guān)系形式表達(dá)時(shí),應(yīng)用圖解法可直觀地顯示出該參數(shù)的*值范圍。例如,由式(1)知,當(dāng)其它參數(shù)一定時(shí),生產(chǎn)能力與tgф*tgθb/(tgф+tgθb)成正比。若取f。=fb,D=50mm,H=10mm,繪出tgф*tgθb/(tgф+tgθb)與θ的關(guān)系曲線如圖2所示f當(dāng)f=0.25-0.50(大多數(shù)塑料在此范圍內(nèi))時(shí),螺紋升角的*值范圍為17°~20°。因而目前大多數(shù)螺稈被設(shè)計(jì)成螺距等于直徑,這時(shí)θb=17.66°。
2.2.3正交設(shè)計(jì)法
如前所述,螺桿設(shè)計(jì)的變量眾多,各變量之間又可能存在著某種,這些有時(shí)會(huì)十分復(fù)雜。在這種情況下,應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法去尋找設(shè)計(jì)變量的*取值范圍往往更為有效。但是,若采用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法,則需進(jìn)行上百次基*千次宴驗(yàn),費(fèi)時(shí)費(fèi)力正交設(shè)計(jì)是按照一定規(guī)律(正交表)用zui少實(shí)驗(yàn)次數(shù)尋求*實(shí)驗(yàn)效果的科學(xué)方法。在分析各影響因素的基礎(chǔ)上,將每個(gè)因素選擇需要的水平數(shù)按正交表所示的組合原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交分析,既可確定設(shè)計(jì)參數(shù)的*值.亦可判斷其中的主要因素,以便分析出效果更好的實(shí)驗(yàn)方案。
2.2.4統(tǒng)計(jì)分析法
應(yīng)用圖解法和正交設(shè)計(jì)法盡管可確定設(shè)計(jì)參變量的*值范圍,但不能建立用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)的模型,因此存在一定的局限性。建立在統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上的回歸分析方法則可較好地解決這一問題。具體做法是,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定螺桿設(shè)計(jì)參數(shù)與擠出工藝,材科性能,工作特性之間的近似定量關(guān)系(應(yīng)用回歸分析),對若系式進(jìn)行回歸效果檢驗(yàn);利用所求得的關(guān)系式對擠出過程進(jìn)行分析和預(yù)測,采用圖解法或計(jì)算機(jī)尋求設(shè)計(jì)的*化。
2.2.5CAD
按擠出理論建立的螺桿設(shè)計(jì)模型相當(dāng)復(fù)雜,且考慮的因素愈多,模型愈復(fù)雜,計(jì)算過程愈困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,自七十年代以來,人們致力于螺桿的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。在進(jìn)行螺桿CAD時(shí),一般假設(shè)螺桿參數(shù),物料性能參數(shù)和擠出工藝參數(shù)為已知并輸入計(jì)算機(jī),V得出形如=f(z),T=f(z)等關(guān)系式。然后檢驗(yàn)熔融情況、擠出溫度等是否滿足要求。若不滿足,則修改其中某些參數(shù),直至滿意為止。計(jì)算結(jié)果可以是表格,亦可以是圖線形式,綜合分析后確定*值范圍。由于理論公式尚不完善,故計(jì)算值還需用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2.2.6可靠性設(shè)計(jì)
建立在概率統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)之上的可靠性設(shè)計(jì),是在可靠度足夠的前提下,尋求設(shè)計(jì)參數(shù)的*值。近年來,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械通件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者曾應(yīng)用它確定普通螺桿的zui適宜根徑和螺桿強(qiáng)度安全系數(shù)的*化。
3 結(jié)束語
聚臺(tái)物擠出是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程,它涉及到固體力學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)和高分子物理學(xué)等多種學(xué)科。眾多的工藝參數(shù)、復(fù)雜的螺桿幾何結(jié)構(gòu)和物料的加工性能,以致迄今尚未有較理想的定量公式來進(jìn)行螺桿設(shè)計(jì),從而構(gòu)成螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。所以,要設(shè)計(jì)出普遍適用的*化螺桿是不可能的于是,人們大多致力于尋求單一優(yōu)化目標(biāo)下少數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的*值。
目前,用于擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法主要有:解析法、圖解法、正交設(shè)計(jì)法、統(tǒng)計(jì)分析法、CAD和可靠牲設(shè)計(jì)等。各種方法互有短長,應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況而定,或混臺(tái)使用。
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