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        螺桿擠出機優化設計的現狀

        文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/3/13     瀏覽次數:    
          螺桿擠出機優化設計的現狀
          摘要:綜述了單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機的優化設計現狀,并對今后的螺桿擠出機優化設計提供了理論參考。
          關鍵詞:單螺桿擠出機;雙螺桿擠出機;優化設計;作為聚合物加工成型主要設備之一的螺桿擠出機,在聚合物加工行業得到越來越廣泛的應用,而且在其他行業也將得到更多的應用。標志螺桿擠出機工作性能的主要技術參數有:螺桿直徑、螺桿的長徑比、螺桿的轉速范圍、拖動主螺桿的電動機功率、機械的生產能力、機筒的加熱功率和分段數、機器的中心高度和外形尺寸等,這些參數是衡量和選用擠出機的主要依據,也是設計螺桿擠出機首先需確定的技術參數。根據聚合物在螺桿擠出機中的三種物理狀態的變化過程,以及對螺桿各部位的工作要求,通常將螺桿擠出機的螺桿分為加料段、熔融段和計量段。由于螺桿的幾何結構非常復雜,所以難以建立一個能全面反映螺桿擠出機優化設計的數學模型。即便能建立起理想的螺桿擠出機優化設計的數學模型,由于影響因素復雜,設計變量多,其求解也非常困難,所以按螺桿的功能段建模并進行優化設計,較為符合實際要求。
          1螺桿擠出機優化設計的理論與方法
          目前,常用的螺桿擠出機優化設計方法有:解析法、圖解法和計算機模擬仿真法。根據擠出過程的現象建立物理模型,根據物理模型建立數學模型,采用Pro/E、ANSYS、Polyflow、Matlab等軟件編寫優化設計程序,將程序輸入計算機并通過改變優化目標的取值進行優化計算,通過對計算機輸出的優化結果進行分析和驗證,得出擠出機優化設計的參數。

          對于解析式的數學模型,除了取決于預定的優化目標以外,還在相當程度上依賴于對部件的工作情況及理論的認識。一個設計方案可用一組基本參數的數值來表示。其中,需要優選的獨立參數稱之為設計變量。由于擠出機螺桿直徑、長徑比、螺紋升角和螺桿槽深等參數直接關系到螺桿的承載能力、生產能力、動力消耗、擠出物質量,以及螺桿的機加工性等,故通常選擇為設計變量。螺桿擠出機優化設計的特點是:設計變量多;多目標與單目標優化設計并存;數學模型的多維性和非線性;設計變量中多種量綱并存。

          2螺桿擠出機優化設計
          2.1單螺桿擠出機優化設計田普建[1]從單螺桿擠出機的擠出過程及擠出理論出發,分析螺桿結構及其幾何參數對螺桿塑化性能的影響,提出衡量螺桿塑化性能優劣的標準,并以此為優化目標,以聚丙烯(PP)/竹粉為例,對螺桿的相關幾何參數進行優化。優化結果表明:木塑復合材料專用螺桿較普通塑料用螺桿更利于木塑復合材料熔體的輸送,避免了因為木塑復合材料熔體黏度增加而出現一系列問題。對物料塑化計量段壓力場影響的因素大小依次為:計量段螺槽深度、螺紋升角、螺棱寬度。若增大螺槽深度,減小螺紋升角,可有效降低計量段所需要的能耗。這是因為螺槽深度越大,螺紋升角越小,熔體前進阻力越小,計量段輸送熔體消耗的能量就越少。螺棱寬度增加,計量段輸送熔體所消耗的能量有增加的趨勢,但增加趨勢比較平緩;若過多增加螺棱寬度,則螺棱上的動力消耗也會增加,并且會出現局部過熱的危險,螺棱寬度應控制在某一個合適的范圍。利用Pro/E分析軟件,最終確定了最適宜的擠出機螺桿因素,從而達到提高生產效率的目的。黃志剛[2]
          基于正交實驗法與Matlab模擬仿真相結合的方法對單螺桿擠出機的固體輸送段進行數值模擬,通過對目標進行多方面的優化分析得到最優結果,得出固體輸送段的單螺桿幾何參數對固體輸送速率和固體輸送效率的影響,以及最優的螺桿參數組合。
          優化過程:首先,采用模擬計算與正交試驗法相結合,可以快速、高效地對單螺桿擠出機的螺桿進行優化;其次,由于螺槽寬度對固體輸送速率和固體輸送效率的影響較大,螺距對固體輸送速率的影響最大,故利用Matlab軟件對單螺桿擠出機的結構進行優化設計,以保證上述兩因素對物料在擠出過程中的影響控制在合理范圍。結果表明:通過優化設計得到的結果不僅有較高的可靠度,而且還能縮短單螺桿的設計周期,降低研發成本。梁斌、薛平等[3]
          對新型螺桿擠出機的螺桿建立了符合實際尺寸與形狀的有限元模型,利用ANSYS有限元軟件對其進行了應力分析并與傳統方法進行比較,證明合理地利用有限元方法進行模擬計算,可對擠出工藝參數和結構設計進行優化調整,獲得合理的最佳方案。
          梁基照[4]討論了單螺桿擠出機螺桿加料段的優化設計問題。以單位產量的能耗最小為優化目標,建立簡化的擠出機加料段螺桿優化設計的數學模型,應用約束坐標輪換法求解,螺槽寬度、螺槽深度和螺紋升角的最佳值均位于或接近文獻中所建議的最佳取值范圍。梁基照[5]還討論了單螺桿擠出機螺桿熔融段的優化設計問題。研究中提到螺槽深度、螺棱頂寬度和螺紋升角直接關系到擠出機的生產能力、塑化質量和能耗,并以這些幾何參數為設計變量,以單位產量能耗最小為優化目標,建立了簡化的擠出機熔融段螺桿優化設計的數學模型。
          應用約束復合形法求解。從而得到了螺桿熔融段起、末端的螺槽深度,螺棱頂寬度和螺紋升角的最佳值,使螺桿熔融段得到了優化。此外,梁基照[6]還討論了擠出機螺桿計量段的優化設計問題。應用黏性流體動力學基本方程,分析了聚合物物料在螺槽中的流動。以單位產量能耗最小為優化目標,建立簡化的擠出機計量段螺桿優化設計的數學模型,應用約束隨機方向法求解。結果表明:螺槽深度、螺紋棱頂寬度、螺紋棱頂與機筒間隙和螺紋升角均位于或接近于文獻中所建議的最佳取值范圍。高崗[7]采用三維造型軟件UG對不同結構的三角槽屏障混煉元件進行三維建模,然后利用有限元分析軟件Polyflow對混煉元件流場進行三維非等溫數值模擬,并借助流場的壓力、速度、溫度、剪切速率、混合指數和平均解聚功等參數對其流場特性和混煉效果進行分析表征。最后,借助于線型低密度聚乙烯(LLDPE)/CaCO3共混物實驗對數值模擬的結果進行了驗證。通過數值模擬和實驗分析,得到如下結論:(1)三角槽形狀是影響混煉元件流場混煉效果的主要因素。在所研究的4種三角槽屏障混煉元件中,等腰反向三角槽屏障混煉元件流場的最高壓力、剪切棱兩側的最大壓差及高剪切區比例均高于其他結構混煉元件,流場的溫升更高,剪切棱對物料的破碎和磨蝕作用最強,共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑最小,材料拉伸力學性能最好;(2)剪切棱寬度和剪切棱徑向間隙也對混煉元件流場的混煉效果有重要影響。其中剪切棱寬度為5mm、剪切棱徑向間隙為2mm的三角槽屏障混煉元件對物料的剪切作用和分散混合作用最好,共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑最小,材料拉伸力學性能最好;(3)適當提高螺桿轉速可有效減小共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑,提高混煉元件的總體混煉效果。
          2.2雙螺桿擠出機優化設計李錦偉[8]為解決SJ-150雙螺桿擠出機機筒因熱變形而引起的磨損問題,提出了新的結構設計方案,并利用Pro/E和ANSYSWorkbench構建的協同仿真優化平臺,對新方案的機筒結構進行了優化分析,確定了機筒流道最佳位置、流道孔徑以及機筒壁厚的最優值。通過與原方案的對比,得到以下結果:改進方案的機筒整體熱變形減小了15.4%,有效地減輕了機筒與螺桿間的磨損。王麗[9]為配合高性能同向雙螺桿擠出機的開發,在對比了幾種小型機齒輪傳動設計方案的基礎上,考慮到同向雙螺桿兩輸出軸徑向空間嚴重受限以及齒輪接觸強度、疲勞強度等方面的要求,以中心距最小為優化目標,建立了三軸式傳動系統兩對扭矩分配齒輪優化數學模型,并采用混合懲罰函數法編程進行了優化計算。在優化計算中,以Φ35同向旋轉雙螺桿擠出機減速裝置為例進行全面闡述,計算結果表明,建立的分配齒輪優化設計模型可為小型同向雙螺桿擠出機減速分配箱的開發提供優選的設計參數。何亮[10]系統地介紹了錐形雙螺桿擠出機螺桿的基本參數以及各功能段參數的設計依據,并針對SJSZ-35錐形雙螺桿擠出機的螺桿進行了優化設計,從螺桿的基本參數、各功能段參數以及端面曲線修正等方面進行分析計算,各參數確定后利用三維造型軟件得出優化后的錐形雙螺桿結構。對于修正螺桿間隙的方法,通常有以下三種:首先,縮小理論中心距;其次,將理論軸向曲線沿著軸向和徑向兩次平移,得到新的螺紋曲線;最后,將螺桿曲面上各點沿法線方向等距離平移,消除軸剖面等間隙法的修正不足,建立修正方程。
          劉艷層[11]參考某廠雙螺桿擠出機傳動系統為例,根據傳動系統相關數據和已知條件,分析其優缺點,最后進行優化設計,從而達到更高的要求。
          擠出機減速器結構簡圖如圖1所示。
          ▲▲圖1雙螺桿擠出機傳動系統減速器結構簡圖Fig.1Twin-screwextrudertransmissionreducerstructurediagram筆者首先對雙螺桿擠出機傳動系統進行了分析,掌握了傳動箱的布置方式和各種傳動方案,并將其與已知傳動系統進行了對比分析,得出其優缺點;然后使用Matlab軟件及其優化工具箱對傳動系統中的齒輪做了優化設計。優化過程中,先建立數學模型,包括確立目標函數、選取設計變量和約束函數;然后通過Matlab編寫程序對齒輪進行優化;最后對兩螺桿驅動軸和輔助軸上的齒輪進行了設計。優化結果顯示,輸出軸轉速比優化前提高了43%,從而提高了雙螺桿擠出機的生產效率;同時對比初始參數和優化參數發現,齒輪的模數和齒數均減小,從而使傳動系統的體積和質量隨之減小,節約了制造成本。徐闊[12]以雙螺桿擠出機傳動箱為研究對象,以Pro/E、ANSYS為主要應用軟件,在Pro/E中創建傳動箱零部件并完成整個箱體的裝配,在ANSYS中對箱體進行有限元分析;以有限元分析的結果為基礎對雙螺桿擠出機傳動箱體進行了結構優化分析。具體的研究工作和成果包括:完成傳動箱受力分析并建立傳動箱的三維實體模型;對嚙合的齒輪副以及傳動箱箱體進行了靜力有限元分析;對傳動箱箱體以及齒輪裝配體進行了模態有限元分析;對雙螺桿擠出機傳動箱體進行了結構優化分析。優化過程中,根據電機轉速以及額定功率對傳動箱內的齒輪軸進行受力分析,求出了齒輪嚙合處的傳動力以及各齒輪軸支撐處的支承反力,利用三維設計軟件Pro/E3.0對傳動箱主要的零部件進行了建模;根據裝配原則,完成了傳動箱整機的裝配,經檢查,零件無干涉,裝配效果良好。在ANSYSworkbench界面對齒輪副進行接觸分析,得到兩齒與三齒嚙合時的靜力接觸分析結果。通過與傳統接觸應力公式的計算值相對比,驗證了有限元分析的正確性;利用ANSYS軟件對傳動箱箱體以及齒輪裝配體進行模態有限元分析,通過模態分析獲取傳動箱箱體和齒輪裝配體的固有頻率以及所對應的振型圖,與傳動箱的激勵頻率相比較,驗證了箱體的安全性以及齒輪裝配體結構布置的合理性。
          3結語

          利用參數化建模軟件Pro/E和通用有限元軟件ANSYS構建的協同仿真優化平臺,分析螺桿擠出機的基礎參數和螺桿結構,對螺桿擠出機進行參數化建模,得出最優設計方案。與經驗設計法相比,該設計方法研發周期更短且成本更低,對重要參數的確定也更加可靠,可為同類螺桿的設計提供參考。


          參考文獻:
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        本文由 積木式單雙螺桿 整理編輯。


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