擠出機(jī)螺桿

擠出成型設(shè)備主要包括主機(jī)和輔機(jī)兩大部分。主機(jī)稱為擠出機(jī)，由擠壓系統(tǒng)螺桿、機(jī)筒)、加料裝置等組成。螺桿作為擠出機(jī)的心勝，對擠出機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量有著非常重要的影響。一根螺桿的主要功能是輸送物料、傳熱塑化物料以及混合與均化物料。為了實(shí)現(xiàn)螺桿的這幾個功能，適應(yīng)物料物理狀態(tài)的變化，通常常規(guī)的全螺紋螺桿被設(shè)計(jì)成三段。

第一段為加料段，也稱為輸送段，是自物料加料口向前延伸的一段，一般螺桿的螺距相等，螺桿深度也相等，即螺桿是等距等深的。第二段為壓縮段，也稱遷移段。該段的螺桿等距不等深，主要為了適應(yīng)物料物態(tài)的變化、其螺糟體積逐漸變小。第三段為均化段，也稱為計(jì)量段。該段的螺桿與加料段一樣是等距等深，但是螺槽深度此加料段螺槽深度要淺。2100433B

擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)理論依據(jù)

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)有兩個主要的環(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擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。

擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)

擠出機(jī)螺桿優(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)到最高生產(chǎn)能力Qmax或最小的功率消耗Nmin。

圖1所示為物料固體塞于螺桿加料段中的運(yùn)動示意。對于給定的物料，影響輸送率

Q的主要因素有；擠出機(jī)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）*[(tgф*tgθb/tgф tgθb)*(W/W e)](1)

式中:ф-移動角

W=平均螺槽寬度,其余參數(shù)如圖1所示.

擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)變量

一個設(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.

擠出過程是一個復(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)也有其獨(dú)特的方面和方法。

擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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、移動角和壓力等。此外，公式(1)是基于固體機(jī)械運(yùn)動而導(dǎo)出的，若考慮到運(yùn)動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、輸送率波動小，亦希望能耗??；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)擠出機(jī)螺桿的廠家，還存在一個如何在保證螺桿工作性能及強(qiáng)度剛度滿足的前提下，盡可能使螺桿用料最省的問題。

2.1.3約束條件多

機(jī)械最優(yōu)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)化方法尋找最佳設(shè)計(jì)方案的過程。螺桿的優(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)成了擠出機(jī)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)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)的共同特點(diǎn)。

擠出機(jī)螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

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最佳化螺桿是不可能的。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。常用的擠出機(jī)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)行最優(yōu)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)到最大。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，應(yīng)用圖解法可直觀地顯示出該參數(shù)的最佳值范圍。例如，由式(1)知，當(dāng)其它參數(shù)一定時，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，螺紋升角的最佳值范圍為17°～20°。因而大多數(shù)螺稈被設(shè)計(jì)成螺距等于直徑，這時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聯(lián)系，這些聯(lián)系有時會十分復(fù)雜。在這種情況下，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法去尋找設(shè)計(jì)變量的最佳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)行上百次基至上千次宴驗(yàn)，費(fèi)時費(fèi)力正交設(shè)計(jì)是按照一定規(guī)律(正交表)用最少實(shí)驗(yàn)次數(shù)尋求最佳實(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)的最佳值．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)參變量的最佳值范圍，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)的最佳化。

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，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，綜合分析后確定最佳值范圍。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)的最佳值。然后被廣泛應(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最適宜根徑和螺桿強(qiáng)度安全系數(shù)的最佳化。2100433B

物料在擠出機(jī)螺桿中的運(yùn)動是分為三段研究的，因而螺桿的設(shè)計(jì)也往往分段進(jìn)行。由于各段是連續(xù)通道，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，只要能滿足要求，并不是非把螺桿分成三段不可，實(shí)際上有的螺桿只有兩段，有的還不分段。例如擠出尼龍這一類結(jié)晶性好的材料時，只有加料段和均化段，一般的螺桿擠出軟聚氯乙烯塑料的螺桿，可以采用全部壓縮段，而不必分成加料段和均化段。螺桿的分段式從經(jīng)驗(yàn)得到的，主要決定于物料的性質(zhì)。加料段長度可以從0至占螺桿全長的75%，大體說來擠出結(jié)晶性聚合物時最長，硬性無定型聚合物次之，軟性無定型聚合物最短。壓縮段長度通常占螺桿全長的50%，當(dāng)然象上述尼龍和軟聚氯乙烯塑料例外。擠出聚乙烯時均化段長度可取全長的20一25%。但對某些熱敏性材料(如聚氯乙烯)，物料在這一段不宜停留過長，可以不要均化段。有些高速擠出機(jī)均化段長度竟取50%。