張俊，郭少龍，潘家芳，畢超(．北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京　0009 .中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司，廣西　桂林　54004)

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新一代橡膠銷釘擠出機理論研究最新進展

張俊1，郭少龍1，潘家芳2，畢超1
(1．北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029 2.中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司，廣西桂林541004)

摘要：對我們的最新研究進展進行了綜述，提出了非平衡螺桿的設(shè)計理念，對比了雙通道機筒和單通道機筒的傳熱性能，給出了銷釘機筒在PID溫控模式下的溫度變化的模擬方法，最后利用有限元方法分析了傳動系統(tǒng)的力學(xué)性能和振動模態(tài)。本文涉及內(nèi)容可為我國橡膠銷釘擠出機的更新?lián)Q代提供一定的基礎(chǔ)理論支持。

關(guān)鍵詞：銷釘擠出機；機筒；螺桿

1　介紹

橡膠銷釘擠出機是現(xiàn)代橡膠行業(yè)最重要的加工設(shè)備。銷釘擠出機不僅可以降低擠出溫度，提高擠出產(chǎn)量，而且還可以提高混煉效果，自問世以來就得到廣泛的應(yīng)用。我國于20世紀80年代引入銷釘式冷喂料擠出機，經(jīng)過多年的發(fā)展與研究已形成了較成熟的技術(shù)，但還是無法研制出綜合性能達國際一流水平的設(shè)備。為更進一步提高我國銷釘擠出機的總體水平，在最近的研究中，我們針對螺桿、機筒和傳動系統(tǒng)進行了更加深入的研究。本文對我們的最新研究進展進行了綜述。本文涉及內(nèi)容可為我國橡膠銷釘擠出機的更新?lián)Q代提供一定的基礎(chǔ)理論支持。

2　非平衡式螺桿的設(shè)計

螺桿是擠出機的核心部分，其性能直接決定了擠出膠料的質(zhì)量。從功能上，螺桿可分為固體輸送段、熔融段和熔體輸送段。文獻給出了各段能力的計算公式。

固體輸送段輸送能力：

熔融段熔融速率：

擠出段輸送能力：

在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，通常要保證固體輸送段輸送能力、熔融段輸熔融速率以及熔體輸送段輸送能力相平衡。這樣的設(shè)計容易受到外界因素的影響，造成螺桿各段之間的相互干擾。比如固體輸送段內(nèi)膠料加入量突然增加，這樣會造成熔融段無法完成全部物料的塑化。同時，熔體輸送段內(nèi)物料會在熔體輸送段入口壓力增大的情況下產(chǎn)生輸送產(chǎn)量波動。這樣的波動是造成擠出不穩(wěn)定的主要因素。所以，我們考慮了非平衡式螺桿的設(shè)計，這一設(shè)計理念是令擠出段的輸送能力大于熔融段輸送能力，熔融段輸送能力大于加料段段輸送能力。如加料量突然增加，但是熔融段的熔融能力大于加料段的輸送能力，這樣就不會造成塑化不充分的問題，同時，由于熔體輸送段的輸送能力大于固體輸送段輸送能力，那么由此造成的產(chǎn)量波動，將在熔體輸送段減弱或消失，這樣就保證了擠出過程的穩(wěn)定性。

3　節(jié)能機筒溫控過程數(shù)值模擬

高效、精確、節(jié)能是現(xiàn)代橡膠擠出行業(yè)對銷釘擠出機溫控系統(tǒng)提出的要求。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱介質(zhì)流通通道結(jié)構(gòu)，往往不能夠把加料生熱及時帶走，并且無法靈敏且精確的進行機筒溫控。為此，我們開發(fā)了雙通道機筒。圖1中給出了單通道機筒和雙通道機筒結(jié)構(gòu)的對比。此外，在傳統(tǒng)機筒傳熱性能分析時，我們沒有考慮機筒在溫控模式下的傳熱性能，這樣就無法獲得機筒在實際工作狀態(tài)下的溫控狀態(tài)。為此，我們對Fluent軟件進行了二次開發(fā)，編寫了具有PID控制功能的UDF函數(shù)，來實現(xiàn)機筒實際工作過程中溫度的動態(tài)仿真模擬。

圖1　兩種機筒模型及流道展開圖

3.1雙通道機筒和單通道機筒的性能對比

本研究中設(shè)計了雙側(cè)雙通道和雙側(cè)單通道兩種溫控流道的機筒，兩機筒的模型及流道展開圖如圖1所示。通過升溫模擬對比這兩種不同結(jié)構(gòu)的機筒的傳熱性能，升溫模擬結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，雙通道機筒升溫速率更快，并且最終溫度更高，具有更好的傳熱性能。這是由于雙通道機筒具有更大的流道面積、更短的流道長度以及更大流道體積比。

圖2　兩機筒升溫過程曲線

3.2銷釘機筒在PID控制下的溫控狀態(tài)模擬

以銷釘機筒為例，模擬機筒在PID控制下的溫控效果。模擬中的邊界條件根據(jù)實際情況確定：①設(shè)定機筒內(nèi)壁面為恒定熱源，同時為溫度采集面；②流道中通入加熱或冷卻介質(zhì)，簡化各個流道壁面為不同恒定溫度的冷卻面或加熱面，其加熱或冷卻功能由PID控制；③其余面與空氣接觸。圖3為機筒內(nèi)壁面經(jīng)過PID溫控的曲線圖，圖4為PID控制穩(wěn)定后機筒的溫度分布圖。模擬設(shè)定溫度為363 K（90℃），經(jīng)過PID溫控，可以使機筒內(nèi)壁面較快達到設(shè)定溫度并穩(wěn)定在附近。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的機筒對應(yīng)不同的PID參數(shù)，因此可以使用模擬的方法來確定PID參數(shù)，省時可靠。并且還可以使用模擬的方法來對算法進行研究，所得到的結(jié)果可靠性也非常高。

圖3　PID控制下機筒內(nèi)壁面溫度

圖4　PID溫控穩(wěn)定后機筒溫度分布圖

4　低噪聲傳動系統(tǒng)的軸系強度校核及振動模態(tài)分析

為進一步提高擠出機傳動系統(tǒng)使用壽命和降低齒輪箱的運轉(zhuǎn)噪聲，我們利用有限元方法不僅對齒輪軸系進行了力學(xué)性能校核，還對箱體的振動模態(tài)進行了分析。

選取某螺桿直徑為120 mm銷釘擠出機齒輪箱軸系中各軸進行強度校核。依據(jù)實際情況施加力的邊界條件：①輸入端施加扭矩；②兩支撐面施加支撐力；③齒輪接觸面施加接觸條件。經(jīng)過模擬，我們發(fā)現(xiàn)最大的應(yīng)力和最大形變都發(fā)生在輸出軸上，其應(yīng)力和變形結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，該軸最大應(yīng)力為2.567 3×108Pa，分布在接大齒輪的齒根部；該軸的最大形變?yōu)?.229 5×10-4m，分布在大齒輪的輪齒上。

圖5　輸出軸強度校核結(jié)果

應(yīng)用Workbench的振動模態(tài)分析功能可直接進行振動模態(tài)分析。對上述齒輪箱箱體進行振動模態(tài)分析，得到其前六階陣型圖，如圖6～11所示，各階振型對應(yīng)頻率見表1。箱體的振動來源于齒輪軸的轉(zhuǎn)動及齒輪系的嚙合。輸入軸的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，25 r/s。輸入軸上17個齒，輸入軸每旋轉(zhuǎn)一周，由于齒輪嚙合而造成的振動頻率為17×25=425 Hz。該 頻率處于箱體第一和第二階振動頻率之間。擠出機的噪聲與各個部件的振動都有關(guān)，主要的振動來自減速箱。從各階振動頻率來看，減速箱的固有振動頻率較高。而對于擠出機支架來說，通常采用鋼材或鋼板的焊接結(jié)構(gòu)，固有振動頻率數(shù)值較低。電機、齒輪箱和擠壓系統(tǒng)等部件的振動傳遞到支架上，很容易接近支架的固有頻率，造成較大噪聲。同樣的振動模態(tài)分析方法，可在包括支架綜合模型上進行計算，得到結(jié)果將更有指導(dǎo)意義。

表1　齒輪箱體各階振動頻率

圖6　箱體各階振動頻率

5　總結(jié)

（1）提出了一種非平衡式螺桿設(shè)計理念，將螺桿的固體輸送能力、熔融段輸送能力以及擠出段輸送能力依次增大，減少了各段間的輸送影響，從而增加了擠出過程的穩(wěn)定性。

（2）開發(fā)了雙側(cè)雙通道機筒，該機筒具有更高的溫控靈敏性；并提出基于PID控制的機筒運行狀態(tài)下溫度模擬方法，使得有限元模擬結(jié)果能夠真實地描述實際工作狀態(tài)。

（3）對傳動系統(tǒng)進行力學(xué)性能和振動模態(tài)有限元分析，為綜合性能優(yōu)異且運行噪聲低的擠出機傳動系統(tǒng)開發(fā)提供了一種有效的計算方法。

參考文獻：

[1] 復(fù)華. 螺桿設(shè)計及其理論基礎(chǔ)[M]. 輕工業(yè)出版社, 1984.

[2] 張俊.Φ120橡膠擠出機機筒傳熱性能數(shù)值計算[D].北京:北京化工大學(xué)，2013:22～35.

[3] 張曉強.Φ120單螺桿橡膠擠出機傳動系統(tǒng)輪系受力及箱體振動模態(tài)有限元計算[D].北京:北京化工大學(xué)，2013:28～54.

Latest progressof a new generation rubber pin extruder theory

（R-03)

Latest progressof a new generation rubber pin extruder theory

Zhang Jun1, Guo Shaolong1, Pan Jiafang2, BiChao1
( 1.Beijing University Of Chemical, Beijing 100029 2.China Guilin Chemical Industry Engineering Co., LTD., Guilin 541004, Guangxi)

Key words:pin extruder; machine barrel; screw

Abstract:Our latest research progress was summarized, and puts forward the design concept of non equilibrium screw, compared the dual channel barrel and the heat transfer performance of the single channel machine, given the temperature change of the simulation method in PID temperature control mode, f nally analyszed the transmission system of mechanical properties and vibration mode using the f nite element method . This paper can provide certain theory support for upgrading of rubber pin extruder in China.

中圖分類號：TQ320.663

文章編號：1009-797X(2016)13-0028-04

文獻標識碼：B

DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.13.005

作者簡介：張?。?989-），男，就讀于北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院機械工程專業(yè)，主要從事橡膠擠出裝備的研究。

收稿日期：2015-10-30