新一代橡膠銷釘擠出機理論研究最新進展

摘要：本文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。
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(jì)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。
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1 兩種機筒模型及流道展開圖

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363K（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120mm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2.5673e8Pa，分布在接大齒輪的齒根部；該軸的最大形變?yōu)?.2295e-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到圖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1500rpm，25r/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17X25=425Hz。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

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。
（張俊、郭少龍、潘家芳、畢超）
（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院；中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司）