淺談螺桿式擠出機的優(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，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。標志螺桿擠出機工作性能的主要技術(shù)參數(shù)有：螺桿直徑、長徑比、轉(zhuǎn)速范圍、拖動螺桿的電動機功率、生產(chǎn)塑化能力、機筒的加熱功率和分段數(shù)、機器的中心高和外形尺寸等。這些參數(shù)是衡量和選用擠出機的主要依據(jù)，也是設(shè)計螺桿擠出機首先要確定的技術(shù)參數(shù)。根據(jù)聚合物在螺桿擠出機中的三種物理狀態(tài)的變化過程，通常將螺桿擠出機的螺桿分為加料段、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優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型。即便能建立理想的螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型，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行優(yōu)化設(shè)計，較為符合實際。
一、螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的理論與方法
螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的理論基礎(chǔ)
1）理論依據(jù)：機械優(yōu)化設(shè)計有兩個重要的環(huán)節(jié)或內(nèi)容：一是建立優(yōu)化問題的數(shù)學模型；二是選擇優(yōu)化問題的求解方法。對于三段式螺桿擠出機，物料依次經(jīng)過固體輸送、熔融和熔體輸送等不同的輸送階段，并且各段的輸送機理各不相同。因此，螺桿擠出機加料段、熔融段和計算段優(yōu)化設(shè)計的理論基礎(chǔ)也各不相同，分別為：由達內(nèi)爾和摩爾提出并經(jīng)塔德摩爾和柏羅伊加以完善的，建立在固體摩擦機理上的固體輸送理論，建立在馬多克等人數(shù)學物理模型基礎(chǔ)上的熔融理論，以及流體動力學理論。
2）優(yōu)化目標：在保證擠出物質(zhì)量的前提下，達到最高生產(chǎn)力或最小功率能耗。
3）設(shè)計變量：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。螺桿的設(shè)計變量通常為：螺桿直徑、長徑比、螺紋升角和螺桿槽深等。
螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的特點
螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的特點是設(shè)計變量多，多目標與單目標優(yōu)化設(shè)計并存；數(shù)學模型的多維性和非線性；設(shè)計變量中多種綱量并存。
螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計可采用的算法
常用的約束優(yōu)化設(shè)計算法有：約束坐標輪換法、約束隨機方向法、復(fù)合形法、拉格朗日乘子法和遺傳算法。
螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的方法
常用螺桿優(yōu)化設(shè)計方法有：解析法、圖解法和計算機模擬仿真法。
螺桿優(yōu)化設(shè)計的一般過程
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)學模型，應(yīng)用相關(guān)優(yōu)化設(shè)計軟件編寫螺桿優(yōu)化設(shè)計程序，將程序輸入計算機并通過改變優(yōu)化目標的取值進行優(yōu)化計算，通過對計算機輸出的優(yōu)化結(jié)果進行分析和驗證，得出螺桿優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)。
二、研究成果
螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計可分為單螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計和雙螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計兩大類。
單螺桿擠出機螺桿的優(yōu)化設(shè)計研究
早在1994年，梁基照在設(shè)計固體塞內(nèi)無速度分布的情況下，對螺桿擠出機提及流動速率的數(shù)學表達式進行了修正，闡述了螺桿優(yōu)化設(shè)計的理論基礎(chǔ)，包括理論依據(jù)、優(yōu)化目標和設(shè)計變量等。論述了螺桿優(yōu)化設(shè)計的特點：即設(shè)計參數(shù)多、優(yōu)化目標多和約束條件多等。介紹了螺桿優(yōu)化設(shè)計的方法，包括解析法、圖解法、正交設(shè)計法、統(tǒng)計分析法、CAD法和可靠設(shè)計法等。
到了2001年，梁基照以固體塞輸送理論為理論分析依據(jù)，并假定：物料與螺棱側(cè)面因摩擦作用及壓力升高而消耗的能量較少，可忽略；理論螺棱寬度小于實際螺棱寬度，而忽略螺棱頂寬。以單位產(chǎn)量能耗最小為優(yōu)化目標，建立螺桿擠出機加料段螺桿優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)，以螺桿外徑、螺槽深度和螺紋升角為設(shè)計變量，得出擠出機加料段螺桿優(yōu)化設(shè)計模型，其通過對Φ65mm和Φ85mm兩種塑料擠出機螺桿的優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化后的螺桿較原機的螺桿設(shè)計方案單耗降低一倍左右；但是由于在參考文獻中的假設(shè)條件與實際情況存在一定的矛盾，如螺桿的槽形假定為矩形，而實際中一般為梯形，使得優(yōu)化計算的結(jié)果存在一定的誤差；但其中對單螺桿擠出機的優(yōu)化設(shè)計所做的理論和實踐裝置的測試，為進一步螺桿優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
2002年，梁基照根據(jù)熔融混合和塑化機理，以熔融理論中牛頓模型為假設(shè)條件，對螺桿熔融段進行優(yōu)化設(shè)計，建立螺桿熔融段優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型。根據(jù)數(shù)學模型，選擇約束復(fù)合形法進行尋優(yōu)，對Φ70mm單螺桿進行優(yōu)化設(shè)計，可得螺桿熔融段起、末端的螺槽深度、螺棱棱寬和螺桿升角的最佳值分別為15mm、4mm、7mm、22°。
同年，梁基照應(yīng)用計算機技術(shù)對螺桿擠出機計量段螺桿主要的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，在假定物料流體在螺桿與機筒之間的流動為兩平板之間的等溫黏性流動的前提下，推導出擠出機計量段的生產(chǎn)能力表達式。
雙螺桿擠出機螺桿優(yōu)化設(shè)計的研究
文獻利用一維、非線性優(yōu)化算法，對齒合性同向雙螺桿擠出機螺桿機型優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化目標為：最小的溫升、最低的能量消耗、在最短的軸向距離內(nèi)建立最大的壓力梯度，并用質(zhì)量方程進行驗證，用系統(tǒng)的實驗進行檢驗。
三、展望
前人對螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的研究雖然取得了一些成果，但還存在一些問題，有待進一步的研究和完善。筆者認為今后螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的研究應(yīng)著重以下幾方面：
1）螺桿擠出機的設(shè)計理論有待于進一步的研究，設(shè)計理論是優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，特別是螺桿機構(gòu)幾何參數(shù)和螺桿擠出機流量、功率函數(shù)和擠壓模型的研究。
2）目前螺桿優(yōu)化設(shè)計的研究主要集中在中、小型的螺桿擠出機，如何將中、小型螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的研究成果應(yīng)用在大型螺桿擠出機上，也是需要關(guān)注的問題。
3）目標螺桿優(yōu)化設(shè)計的研究主要集中在單螺桿擠出機，雙螺桿擠出機的研究很少，所以雙螺桿擠出機優(yōu)化設(shè)計的研究有待加強。

（來源中國塑料網(wǎng)）