螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)狀

2016-11-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

綜述了單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)的優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀,并對今后的螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計提供了理論參考。

關(guān)鍵詞:單螺桿擠出機(jī);雙螺桿擠出機(jī);優(yōu)化設(shè)計

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、螺桿的長徑比、螺桿的轉(zhuǎn)速范圍、拖動主螺桿的電動機(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)的變化過程,以及對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,所以難以建立一個能全面反映螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計的數(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)計的數(shù)學(xué)模型,由于影響因素復(fù)雜,設(shè)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,較為符合實際要求。

1、螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計的理論與方法

目前,常用的螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計方法有:解析法、圖解法和計算機(jī)模擬仿真法。根據(jù)擠出過程的現(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)計程序,將程序輸入計算機(jī)并通過改變優(yōu)化目標(biāo)的取值進(jìn)行優(yōu)化計算,通過對計算機(jī)輸出的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析和驗證,得出擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)。

對于解析式的數(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)程度上依賴于對部件的工作情況及理論的認(rèn)識。一個設(shè)計方案可用一組基本參數(shù)的數(shù)值來表示。其中,需要優(yōu)選的獨立參數(shù)稱之為設(shè)計變量。由于擠出機(jī)螺桿直徑、長徑比、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)計變量。螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計的特點是:設(shè)計變量多;多目標(biāo)與單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計并存;數(shù)學(xué)模型的多維性和非線性;設(shè)計變量中多種量綱并存。

2、螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計

2.1單螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計

田普建從單螺桿擠出機(jī)的擠出過程及擠出理論出發(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,避免了因為木塑復(fù)合材料熔體黏度增加而出現(xiàn)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(jìn)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(xiàn)局部過熱的危險,螺棱寬度應(yīng)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(jī)螺桿因素,從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

黃志剛基于正交實驗法與Matlab模擬仿真相結(jié)合的方法對單螺桿擠出機(jī)的固體輸送段進(jìn)行數(shù)值模擬,通過對目標(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)化過程:首先,采用模擬計算與正交試驗法相結(jié)合,可以快速、高效地對單螺桿擠出機(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(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(jié)果表明:通過優(yōu)化設(shè)計得到的結(jié)果不僅有較高的可靠度,而且還能縮短單螺桿的設(shè)計周期,降低研發(fā)成本。

梁斌、薛平等對新型螺桿擠出機(jī)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(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)行模擬計算,可對擠出工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計進(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)計問題。以單位產(chǎn)量的能耗最小為優(yōu)化目標(biāo),建立簡化的擠出機(jī)加料段螺桿優(yōu)化設(shè)計的數(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)計問題。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)計變量,以單位產(chǎn)量能耗最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了簡化的擠出機(jī)熔融段螺桿優(yōu)化設(shè)計的數(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)螺桿計量段的優(yōu)化設(shè)計問題。應(yīng)用黏性流體動力學(xué)基本方程,分析了聚合物物料在螺槽中的流動。以單位產(chǎn)量能耗最小為優(yōu)化目標(biāo),建立簡化的擠出機(jī)計量段螺桿優(yōu)化設(shè)計的數(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對混煉元件流場進(jìn)行三維非等溫數(shù)值模擬,并借助流場的壓力、速度、溫度、剪切速率、混合指數(shù)和平均解聚功等參數(shù)對其流場特性和混煉效果進(jìn)行分析表征。最后,借助于線型低密度聚乙烯(LLDPE)/CaCO3共混物實驗對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了驗證。

通過數(shù)值模擬和實驗分析,得到如下結(jié)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(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(xué)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(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。

2.2雙螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計

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題,提出了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,并利用Pro/E和ANSYSWorkbench構(gòu)建的協(xié)同仿真優(yōu)化平臺,對新方案的機(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。通過與原方案的對比,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)的開發(fā),在對比了幾種小型機(jī)齒輪傳動設(shè)計方案的基礎(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度、疲勞強度等方面的要求,以中心距最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了三軸式傳動系統(tǒng)兩對扭矩分配齒輪優(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)化計算。在優(yōu)化計算中,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,計算結(jié)果表明,建立的分配齒輪優(yōu)化設(shè)計模型可為小型同向雙螺桿擠出機(jī)減速分配箱的開發(fā)提供優(yōu)選的設(shè)計參數(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)計依據(jù),并針對SJSZ-35錐形雙螺桿擠出機(jī)的螺桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,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。

劉艷層參考某廠雙螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)為例,根據(jù)傳動系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)和已知條件,分析其優(yōu)缺點,最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,從而達(dá)到更高的要求。擠出機(jī)減速器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

螺桿擠出機(jī)優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)狀ansys分析圖片1
▲圖1雙螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)減速器結(jié)構(gòu)簡圖

筆者首先對雙螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行了對比分析,得出其優(yōu)缺點;然后使用Matlab軟件及其優(yōu)化工具箱對傳動系統(tǒng)中的齒輪做了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化過程中,先建立數(shù)學(xué)模型,包括確立目標(biāo)函數(shù)、選取設(shè)計變量和約束函數(shù);然后通過Matlab編寫程序?qū)X輪進(jìn)行優(yōu)化;最后對兩螺桿驅(qū)動軸和輔助軸上的齒輪進(jìn)行了設(shè)計。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;同時對比初始參數(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)傳動箱為研究對象,以Pro/E、ANSYS為主要應(yīng)用軟件,在Pro/E中創(chuàng)建傳動箱零部件并完成整個箱體的裝配,在ANSYS中對箱體進(jìn)行有限元分析;以有限元分析的結(jié)果為基礎(chǔ)對雙螺桿擠出機(jī)傳動箱體進(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(jìn)行了靜力有限元分析;對傳動箱箱體以及齒輪裝配體進(jìn)行了模態(tài)有限元分析;對雙螺桿擠出機(jī)傳動箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

優(yōu)化過程中,根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及額定功率對傳動箱內(nèi)的齒輪軸進(jìn)行受力分析,求出了齒輪嚙合處的傳動力以及各齒輪軸支撐處的支承反力,利用三維設(shè)計軟件Pro/E3.0對傳動箱主要的零部件進(jìn)行了建模;根據(jù)裝配原則,完成了傳動箱整機(jī)的裝配,經(jīng)檢查,零件無干涉,裝配效果良好。

在ANSYSworkbench界面對齒輪副進(jìn)行接觸分析,得到兩齒與三齒嚙合時的靜力接觸分析結(jié)果。通過與傳統(tǒng)接觸應(yīng)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(jìn)行模態(tài)有限元分析,通過模態(tài)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(yīng)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(jié)構(gòu)布置的合理性。

3、結(jié)語

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,分析螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)和螺桿結(jié)構(gòu),對螺桿擠出機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模,得出最優(yōu)設(shè)計方案。與經(jīng)驗設(shè)計法相比,該設(shè)計方法研發(fā)周期更短且成本更低,對重要參數(shù)的確定也更加可靠,可為同類螺桿的設(shè)計提供參考。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才