周 威，關(guān)祥毅，花 軍

(1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150042；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150028)

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秸稈包裝容器擠壓機關(guān)鍵部件的設(shè)計研究

周 威1，2，關(guān)祥毅2，花 軍1*

(1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150042；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150028)

為了生產(chǎn)環(huán)保型秸稈包裝容器，針對包裝容器制作工藝進行分析，闡述了擠壓機工作原理。通過對植物秸稈和添加劑混合后的物料進行力學(xué)參數(shù)測量及擠壓工藝的分析，確定秸稈包裝容器擠壓機關(guān)鍵部件定量送料機構(gòu)，采用螺桿式輸送給料機構(gòu)；擠壓機構(gòu)采用凸輪式擠壓進給機構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求，進行了螺桿式輸送給料機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計和凸輪曲線外廓的設(shè)計。設(shè)計分析表明，秸稈包裝容器擠壓機關(guān)鍵部件的設(shè)計能夠滿足擠壓工藝要求，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，能完成工作要求。

秸稈；包裝容器；擠壓機；關(guān)鍵部件

包裝材料是商品銷售和貿(mào)易往來的重要組成部分，植物秸稈已經(jīng)被應(yīng)用于包裝材料。通過成型技術(shù)有效利用植物秸稈制作的包裝容器具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。為了提升包裝產(chǎn)品的競爭力，為了高效、優(yōu)質(zhì)地完成秸稈包裝容器的制作，需利用高效、節(jié)能的包裝容器擠壓機。我國學(xué)者在這一領(lǐng)域開展了一系列的研究，不僅對秸稈物理性質(zhì)及壓塊成型等設(shè)備進行了研究[2-6]，還對植物纖維一次性餐具成型機進行了一系列的優(yōu)化[7-10]。該文在分析秸稈與添加劑混合后物性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了擠壓工藝，對包裝容器擠壓成型機的結(jié)構(gòu)原理進行了探討，認(rèn)為螺桿式輸送給料機構(gòu)和凸輪式擠壓進給機構(gòu)為擠壓機設(shè)計的關(guān)鍵部件。針對這兩個關(guān)鍵部件，分別進行設(shè)計，并通過運動力學(xué)分析，使關(guān)鍵部件設(shè)計變得更為合理。

1 原料物性分析及工藝流程

1.1 原料物性分析制作包裝容器的植物秸稈物料特性決定了擠壓機的工藝和技術(shù)要求。植物秸稈通過切削和粉碎后，加入添加劑進行攪拌，當(dāng)攪拌均勻后，物料通過輸送裝置傳遞到成型機模具中，由擠壓機在高溫和高壓下完成擠壓工作。為了保證擠壓質(zhì)量和物料的流動性，植物秸稈顆粒大小需要達(dá)到60目，然后在顆粒中加入添加劑，包括膠黏劑、偶聯(lián)劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、潤滑劑和防水劑。根據(jù)前序研究，在植物秸稈顆粒中需要加入防水劑約占總重量的4%，同時選用3%羧甲基纖維素鈉(CMC)和4%海藻酸鈉作為補強劑，聚乙烯醇和復(fù)合淀粉作為膠黏劑[8]。在此種混合比例下，可以使擠壓出的包裝容器防水、防油，且容易擠壓成型。經(jīng)過攪拌，植物秸稈顆粒和添加劑混合均勻，通過計量和輸送裝置使物料注入下模體，由上模體擠壓下模體，進行加熱和保壓，完成擠壓工作。

1.2 工藝流程完善可靠的工藝既可為生產(chǎn)提供指導(dǎo)，又可為開發(fā)適合生產(chǎn)的設(shè)備和生產(chǎn)線提供參考。圖1為植物秸稈包裝容器生產(chǎn)工藝流程圖，各種造型的成型產(chǎn)品利用植物秸稈碎料通過添加不同的原料和添加劑壓制成型生產(chǎn)。

在文獻(xiàn)[8]中也給出了秸稈包裝容器最佳成型工藝參數(shù)：含水率8%，壓力1 000 kN，下模溫度195 ℃，上模溫度200 ℃，定型時間3 s，保壓時間8 s。在此工作條件下加工出的包裝容器質(zhì)量最好。

2 擠壓機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對生產(chǎn)工藝流程，擠壓機要實現(xiàn)混合攪拌功能、定量給料、預(yù)壓成型、排氣處理、保壓成型、刷邊等工序的工作。其主體方案設(shè)計包括攪拌、給料和擠壓3個重要步驟。

2.1 攪拌機構(gòu)設(shè)計攪拌前需對秸稈進行預(yù)處理，以增加秸稈碎料與膠黏劑結(jié)合的表面積，可提高成品的物理力學(xué)性能。利用組合式高速粉碎機對植物秸稈等進行粉碎，使用分級篩篩選并過80目標(biāo)準(zhǔn)篩；最后將原料進行烘干預(yù)處理。運用攪拌機通過三維無死角的方式對物料進行混合攪拌60 min。攪拌機構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)式的攪拌，攪拌機構(gòu)攪拌完成后，直接將物料送入計量機構(gòu)的輸送料斗。

2.2 物料輸送計量機構(gòu)設(shè)計給料系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動，控制螺桿進給，實現(xiàn)定量給料，伺服電機通過給定的脈沖數(shù)量控制轉(zhuǎn)動角度，進而控制物料多少，保證進料精度。

通過螺桿計量來控制物料的進給，由于物料的流動性和黏性會由于顆粒大小、密度、粒度等因素的影響而不同，為了準(zhǔn)確計量物料輸送量，需對螺桿進行精確地設(shè)計，經(jīng)測量，現(xiàn)生產(chǎn)碗口直徑為120 mm，高度為55 mm的秸稈包裝容器所需要的材料容積為41 000 mm3。

由于每個螺距都有確定的容積，當(dāng)螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)確定，就能夠獲得較為精確的計量值。螺桿每轉(zhuǎn)一圈次充填物料的體積可以求得：

v=F×L

(1)

螺桿設(shè)計的主要參數(shù)包括:螺桿的直徑、螺桿的長徑比、螺槽深度、螺距、螺旋升角、螺棱寬等。單頭螺紋的螺距s、螺旋升角α和螺桿直徑D之間的關(guān)系為：

s=π×D×tanα

(2)

為了設(shè)計和加工的方便，設(shè)計時通常取螺距s等于螺桿外徑D，即

s=D

(3)

故有tanα=1/π，這時的螺紋升角便等于17°42′。

將以上公式代入公式(1)得

(4)

根據(jù)經(jīng)驗公式，螺槽深度一般取t=(0.02-0.06)×D，

在此取t=0.04×D；螺棱寬一般取b=(0.08-0.12)×D，在此取b=0.1×D。

綜合上式得D=55.7 mm，取值D=56 mm。

在設(shè)計和生產(chǎn)過程中，當(dāng)生產(chǎn)能力、充填料物性質(zhì)改變時，就需要更換不同的螺桿。為了便于螺桿造型過程的再現(xiàn)和修改，造型過程宜以程序形式實現(xiàn);又為了進行多方案比較，有必要采用參數(shù)化設(shè)計，對一些特征量，如螺桿直徑、螺槽深度、螺距、螺旋角、螺棱寬等，都設(shè)計成可變參數(shù)，在程序運行中由用戶輸入具體數(shù)值。

參數(shù)化造型是使用約束來定義和修改幾何模型，約束包括尺寸約束、拓?fù)浼s束和工程約束，這些約束反映了設(shè)計時要考慮的因素，實現(xiàn)參數(shù)化的那組參數(shù)與這些約束保持一定的關(guān)系。首先保證初始設(shè)計的形體滿足這些約束，當(dāng)用戶輸入那組參數(shù)的新值時，無需再次建立約束關(guān)系而能獲得一個新的幾何模型。

利用有限元軟件中的螺旋掃描命令，可以快速生成螺桿。在定義螺桿截面時，將螺桿直徑、螺槽深度、螺距、螺旋角、螺棱寬等設(shè)為參數(shù)，并將上文中各式定義為各參數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部計算，自動生成其他各參數(shù)的值如圖2，最終生成的螺桿實體模型見圖3。

2.3 擠壓機構(gòu)設(shè)計擠壓機構(gòu)的下模體采用固定方式，固定在機架上，當(dāng)螺桿將物料充填到下模體后，上模體通過進給機構(gòu)控制，與下模體逐漸閉合，進行初壓，然后撤壓、排氣、再次進給，實現(xiàn)保壓。保壓后，上模抬起，將擠壓好的包裝容器拿出，實現(xiàn)拔模運動。通過分析可以通過氣動系統(tǒng)控制上模運動或通過凸輪機構(gòu)實現(xiàn)上模運動，為了避免機器中加入氣動元件，增加氣源等附屬設(shè)備，采用凸輪控制進給裝置。為了減小沖擊，可將凸輪推程階段分為2個部分，即在上模體靠近下模體的過程采用正弦加速度運動規(guī)律以保證較小沖擊；為了擠壓平穩(wěn)，在預(yù)壓階段和排氣階段采用等速運動規(guī)律，保證擠壓壁厚均勻。保壓階段即為遠(yuǎn)休過程，回程采用正弦加速度運動規(guī)律，脫模階段為近休階段。

根據(jù)所生產(chǎn)的包裝容器高度為55 mm，為了方便脫模，確定了上模體移動距離為135 mm，即上模體行程h為135 mm。根據(jù)工藝流程，預(yù)壓階段3s，保壓階段8s，脫模4s，確定了上模體快速進給到下模體時間為5s，上模體回程為4s，運動循環(huán)圖見圖4。

根據(jù)工藝要求在推程采用上模體快速進給接近下模體然后勻速進給進行預(yù)壓成型,因此推程運動方程為：

(5)

(6)

h=h1+h2

式中:s-上模體移動位移(mm)；h-行程(mm)；φ-凸輪轉(zhuǎn)角(°)；Φ-推程運動角(°)；其中，根據(jù)工藝要求Φ=120°，h=135mm。

回程運動方程：

(7)

Φ′-回程運動角(°)。其中，根據(jù)工藝要求Φ′=60°。

考慮從動件的受力情況，根據(jù)式(8)計算基圓半徑。

(8)

確定出基圓半徑rb=225 mm即可按解析法給出凸輪廓線表達(dá)式：

x=(s+s0)sinφ+ecosφ

y=(s+s0)cosφ+ecosφ

(9)

式(9)為理論廓線表達(dá)式。

x′=x-rrcosθ

y′=y-rrcosθ

(10)

式(10)為實際廓線表達(dá)式，凸輪廓線見圖5。

3 結(jié)論

分析了植物秸稈包裝容器擠壓機的工作原理，結(jié)合秸稈與添加劑的物料特性及加工工藝，對植物秸稈包裝容器擠壓機關(guān)鍵部件定量送料機構(gòu)和擠壓機構(gòu)進行了設(shè)計。

(1)對物料定量送料機中的關(guān)鍵構(gòu)件螺桿進行了參數(shù)化設(shè)計，對于不同大小的包裝容器，可通過調(diào)整螺桿、套筒結(jié)構(gòu)來完成物料的精確輸送。

(2)對擠壓機構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件凸輪進行了廓線設(shè)計，通過凸輪擠壓各過程的運動分析，以減小沖擊震動為目標(biāo)，建立了凸輪各部分的輪廓方程。

設(shè)計分析表明，秸稈包裝容器擠壓機關(guān)鍵部件的設(shè)計能夠滿足擠壓工藝要求，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，能完成工作要求。

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Design of Key Parts of Straw Packaging Container Extrusion Machine

ZHOU Wei1,2, GUAN Xiang-yi2, HUA Jun1*

(1. Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 15004; 2. Harbin University of Commerce, Harbin, Heilongjiang 150042)

To produce environmental straw packaging container, the production process of packaging container was analyzed, and the working principle of extrusion machine was elaborated. Through analysis and measurement of mechanical parameters and extrusion process for material plant straw and additives mixed, the extrusion machine adopting screw conveyor feeding mechanism and CAM type extrusion feed mechanism was determined. According to the design requirements, the screw conveyor feeding mechanism of parametric design and CAM curve profile design was conducted. Through the analysis, the design of the straw packaging container extrusion machine key components can meet the requirements of extrusion process, the structure is simple and reliable, and can complete the work requirements.

Straw; Packaging container; Extrusion machine; Key components

黑龍江省自然科學(xué)基金項目(NO.E201147)；黑龍江省博士后資助經(jīng)費項目(NO.LBH-Z11256)。

周威(1977-)，女，山東黃縣人，博士，副教授，在站博士后，從事包裝機械設(shè)計研究。*通訊作者，合作導(dǎo)師，教授，博導(dǎo)，從事機械設(shè)計研究。

2014-11-13

S 216.2

A

0517-6611(2015)01-346-03