作為聚合物加工成型主要設(shè)備之一的螺桿擠出機(jī)，在聚合物加工行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而且在其他行業(yè)也將得到更多的應(yīng)用。標(biāo)志螺桿擠出機(jī)工作性能的主要技術(shù)參數(shù)有：螺桿直徑、螺桿的長(zhǎng)徑比、螺桿的轉(zhuǎn)速范圍、拖動(dòng)主螺桿的電動(dòng)機(jī)功率、機(jī)械的生產(chǎn)能力、機(jī)筒的加熱功率和分段數(shù)、機(jī)器的中心高度和外形尺寸等，這些參數(shù)是衡量和選用擠出機(jī)的主要依據(jù)，也是設(shè)計(jì)螺桿擠出機(jī)首先需確定的技術(shù)參數(shù)。
根據(jù)聚合物在螺桿擠出機(jī)中的三種物理狀態(tài)的變化過(guò)程，以及對(duì)螺桿各部位的工作要求，通常將螺桿擠出機(jī)的螺桿分為加料段、熔融段和計(jì)量段。由于螺桿的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以難以建立一個(gè)能全面反映螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。即便能建立起理想的螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,由于影響因素復(fù)雜，設(shè)計(jì)變量多，其求解也非常困難，所以按螺桿的功能段建模并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，較為符合實(shí)際要求。
深度剖析螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論與方法
目前，常用的螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有：解析法、圖解法和計(jì)算機(jī)模擬仿真法。根據(jù)擠出過(guò)程的現(xiàn)象建立物理模型，根據(jù)物理模型建立數(shù)學(xué)模型，采用Pro/E、ANSYS、Polyflow、Matlab等軟件編寫優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，將程序輸入計(jì)算機(jī)并通過(guò)改變優(yōu)化目標(biāo)的取值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，得出擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)。
對(duì)于解析式的數(shù)學(xué)模型，除了取決于預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)以外，還在相當(dāng)程度上依賴于對(duì)部件的工作情況及理論的認(rèn)識(shí)。一個(gè)設(shè)計(jì)方案可用一組基本參數(shù)的數(shù)值來(lái)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。由于擠出機(jī)螺桿直徑、長(zhǎng)徑比、螺紋升角和螺桿槽深等參數(shù)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)加工性等，故通常選擇為設(shè)計(jì)變量。螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)變量多；多目標(biāo)與單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)并存；數(shù)學(xué)模型的多維性和非線性；設(shè)計(jì)變量中多種量綱并存。
螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
單螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
田普建從單螺桿擠出機(jī)的擠出過(guò)程及擠出理論出發(fā)，分析螺桿結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)對(duì)螺桿塑化性能的影響，提出衡量螺桿塑化性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并以此為優(yōu)化目標(biāo)，以聚丙烯(PP)/竹粉為例，對(duì)螺桿的相關(guān)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：木塑復(fù)合材料專用螺桿較普通塑料用螺桿更利于木塑復(fù)合材料熔體的輸送，避免了因?yàn)槟舅軓?fù)合材料熔體黏度增加而出現(xiàn)一系列問(wèn)題。對(duì)物料塑化計(jì)量段壓力場(chǎng)影響的因素大小依次為：計(jì)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(jì)量段所需要的能耗。這是因?yàn)槁莶凵疃仍酱?，螺紋升角越小，熔體前進(jìn)阻力越小，計(jì)量段輸送熔體消耗的能量就越少。螺棱寬度增加，計(jì)量段輸送熔體所消耗的能量有增加的趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)比較平緩；若過(guò)多增加螺棱寬度，則螺棱上的動(dòng)力消耗也會(huì)增加，并且會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱的危險(xiǎn)，螺棱寬度應(yīng)控制在某一個(gè)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(jī)螺桿因素，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。
黃志剛基于正交實(shí)驗(yàn)法與Matlab模擬仿真相結(jié)合的方法對(duì)單螺桿擠出機(jī)的固體輸送段進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多方面的優(yōu)化分析得到最優(yōu)結(jié)果，得出固體輸送段的單螺桿幾何參數(shù)對(duì)固體輸送速率和固體輸送效率的影響，以及最優(yōu)的螺桿參數(shù)組合。優(yōu)化過(guò)程：首先，采用模擬計(jì)算與正交試驗(yàn)法相結(jié)合，可以快速、高效地對(duì)單螺桿擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行優(yōu)化；其次，由于螺槽寬度對(duì)固體輸送速率和固體輸送效率的影響較大，螺距對(duì)固體輸送速率的影響最大，故利用Matlab軟件對(duì)單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證上述兩因素對(duì)物料在擠出過(guò)程中的影響控制在合理范圍。結(jié)果表明：通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)果不僅有較高的可靠度，而且還能縮短單螺桿的設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本。
梁斌、薛平等對(duì)新型螺桿擠出機(jī)的螺桿建立了符合實(shí)際尺寸與形狀的有限元模型，利用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力分析并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，證明合理地利用有限元方法進(jìn)行模擬計(jì)算，可對(duì)擠出工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，獲得合理的最佳方案。
梁基照討論了單螺桿擠出機(jī)螺桿加料段的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。以單位產(chǎn)量的能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立簡(jiǎn)化的擠出機(jī)加料段螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用約束坐標(biāo)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(xiàn)中所建議的最佳取值范圍。梁基照還討論了單螺桿擠出機(jī)螺桿熔融段的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。研究中提到螺槽深度、螺棱頂寬度和螺紋升角直接關(guān)系到擠出機(jī)的生產(chǎn)能力、塑化質(zhì)量和能耗，并以這些幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以單位產(chǎn)量能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立了簡(jiǎn)化的擠出機(jī)熔融段螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用約束復(fù)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(yōu)化。
此外，梁基照還討論了擠出機(jī)螺桿計(jì)量段的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。應(yīng)用黏性流體動(dòng)力學(xué)基本方程，分析了聚合物物料在螺槽中的流動(dòng)。以單位產(chǎn)量能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立簡(jiǎn)化的擠出機(jī)計(jì)量段螺桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用約束隨機(jī)方向法求解。結(jié)果表明：螺槽深度、螺紋棱頂寬度、螺紋棱頂與機(jī)筒間隙和螺紋升角均位于或接近于文獻(xiàn)中所建議的最佳取值范圍。
高崗采用三維造型軟件UG對(duì)不同結(jié)構(gòu)的三角槽屏障混煉元件進(jìn)行三維建模，然后利用有限元分析軟件Polyflow對(duì)混煉元件流場(chǎng)進(jìn)行三維非等溫?cái)?shù)值模擬，并借助流場(chǎng)的壓力、速度、溫度、剪切速率、混合指數(shù)和平均解聚功等參數(shù)對(duì)其流場(chǎng)特性和混煉效果進(jìn)行分析表征。最后，借助于線型低密度聚乙烯(LLDPE)/CaCO3共混物實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：(1)三角槽形狀是影響混煉元件流場(chǎng)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(chǎng)的最高壓力、剪切棱兩側(cè)的最大壓差及高剪切區(qū)比例均高于其他結(jié)構(gòu)混煉元件，流場(chǎng)的溫升更高，剪切棱對(duì)物料的破碎和磨蝕作用最強(qiáng)，共混物中CaCO3顆粒的平均粒徑最小，材料拉伸力學(xué)性能最好；(2)剪切棱寬度和剪切棱徑向間隙也對(duì)混煉元件流場(chǎng)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(duì)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(xué)性能最好；(3)適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)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。
雙螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
李錦偉為解決SJ-150雙螺桿擠出機(jī)機(jī)筒因熱變形而引起的磨損問(wèn)題，提出了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并利用Pro/E和ANSYSWorkbench構(gòu)建的協(xié)同仿真優(yōu)化平臺(tái)，對(duì)新方案的機(jī)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了機(jī)筒流道最佳位置、流道孔徑以及機(jī)筒壁厚的最優(yōu)值。通過(guò)與原方案的對(duì)比，得到以下結(jié)果：改進(jìn)方案的機(jī)筒整體熱變形減小了15.4%，有效地減輕了機(jī)筒與螺桿間的磨損。
王麗為配合高性能同向雙螺桿擠出機(jī)的開(kāi)發(fā)，在對(duì)比了幾種小型機(jī)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，考慮到同向雙螺桿兩輸出軸徑向空間嚴(yán)重受限以及齒輪接觸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等方面的要求，以中心距最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立了三軸式傳動(dòng)系統(tǒng)兩對(duì)扭矩分配齒輪優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并采用混合懲罰函數(shù)法編程進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。在優(yōu)化計(jì)算中，以Φ35同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)減速裝置為例進(jìn)行全面闡述，計(jì)算結(jié)果表明，建立的分配齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)模型可為小型同向雙螺桿擠出機(jī)減速分配箱的開(kāi)發(fā)提供優(yōu)選的設(shè)計(jì)參數(shù)。
何亮系統(tǒng)地介紹了錐形雙螺桿擠出機(jī)螺桿的基本參數(shù)以及各功能段參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)，并針對(duì)SJSZ-35錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從螺桿的基本參數(shù)、各功能段參數(shù)以及端面曲線修正等方面進(jìn)行分析計(jì)算，各參數(shù)確定后利用三維造型軟件得出優(yōu)化后的錐形雙螺桿結(jié)構(gòu)。對(duì)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(diǎn)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。
劉艷層參考某廠雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為例，根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)和已知條件，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到更高的要求。擠出機(jī)減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
▲圖1雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
筆者首先對(duì)雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，掌握了傳動(dòng)箱的布置方式和各種傳動(dòng)方案，并將其與已知傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出其優(yōu)缺點(diǎn)；然后使用Matlab軟件及其優(yōu)化工具箱對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化過(guò)程中，先建立數(shù)學(xué)模型，包括確立目標(biāo)函數(shù)、選取設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù)；然后通過(guò)Matlab編寫程序?qū)X輪進(jìn)行優(yōu)化；最后對(duì)兩螺桿驅(qū)動(dòng)軸和輔助軸上的齒輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果顯示，輸出軸轉(zhuǎn)速比優(yōu)化前提高了43%，從而提高了雙螺桿擠出機(jī)的生產(chǎn)效率；同時(shí)對(duì)比初始參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)發(fā)現(xiàn)，齒輪的模數(shù)和齒數(shù)均減小，從而使傳動(dòng)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量隨之減小，節(jié)約了制造成本。
徐闊以雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)箱為研究對(duì)象，以Pro/E、ANSYS為主要應(yīng)用軟件，在Pro/E中創(chuàng)建傳動(dòng)箱零部件并完成整個(gè)箱體的裝配，在ANSYS中對(duì)箱體進(jìn)行有限元分析；以有限元分析的結(jié)果為基礎(chǔ)對(duì)雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。具體的研究工作和成果包括：完成傳動(dòng)箱受力分析并建立傳動(dòng)箱的三維實(shí)體模型；對(duì)嚙合的齒輪副以及傳動(dòng)箱箱體進(jìn)行了靜力有限元分析；對(duì)傳動(dòng)箱箱體以及齒輪裝配體進(jìn)行了模態(tài)有限元分析；對(duì)雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。
優(yōu)化過(guò)程中，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及額定功率對(duì)傳動(dòng)箱內(nèi)的齒輪軸進(jìn)行受力分析，求出了齒輪嚙合處的傳動(dòng)力以及各齒輪軸支撐處的支承反力，利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E3.0對(duì)傳動(dòng)箱主要的零部件進(jìn)行了建模；根據(jù)裝配原則，完成了傳動(dòng)箱整機(jī)的裝配，經(jīng)檢查，零件無(wú)干涉，裝配效果良好。
在ANSYSworkbench界面對(duì)齒輪副進(jìn)行接觸分析，得到兩齒與三齒嚙合時(shí)的靜力接觸分析結(jié)果。通過(guò)與傳統(tǒng)接觸應(yīng)力公式的計(jì)算值相對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析的正確性；利用ANSYS軟件對(duì)傳動(dòng)箱箱體以及齒輪裝配體進(jìn)行模態(tài)有限元分析，通過(guò)模態(tài)分析獲取傳動(dòng)箱箱體和齒輪裝配體的固有頻率以及所對(duì)應(yīng)的振型圖，與傳動(dòng)箱的激勵(lì)頻率相比較，驗(yàn)證了箱體的安全性以及齒輪裝配體結(jié)構(gòu)布置的合理性。
結(jié)語(yǔ)：利用參數(shù)化建模軟件Pro/E和通用有限元軟件ANSYS構(gòu)建的協(xié)同仿真優(yōu)化平臺(tái)，分析螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)和螺桿結(jié)構(gòu)，對(duì)螺桿擠出機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法相比，該設(shè)計(jì)方法研發(fā)周期更短且成本更低，對(duì)重要參數(shù)的確定也更加可靠，可為同類螺桿的設(shè)計(jì)提供參考。
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