80噸注塑機(jī)螺桿料管-螺桿頭
擠出機(jī)螺桿可分為加料段、壓縮段和計(jì)量段。計(jì)量段是普通單螺桿的重要功能段，聚合物料進(jìn)入計(jì)量段后，被塑化和均勻化，然后從機(jī)頭擠出。因物料經(jīng)過(guò)計(jì)量段進(jìn)入機(jī)頭，因此該段幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到制品的質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。
1 數(shù)學(xué)模型的建立
1.1理論分析
(1)生產(chǎn)能力
圖1為普通擠出機(jī)螺桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。從圖1可以看出,計(jì)量段的螺槽等深且相對(duì)較淺,這主要是因?yàn)榫酆衔镂锪辖?jīng)熔融段強(qiáng)化的剪切塑化作用后,物料在螺槽中的運(yùn)動(dòng)為熔融剪切流動(dòng)。換言之,計(jì)量段的主要作用是進(jìn)一步的剪切混合和定量擠出。因此,若假定物料流體在螺桿與機(jī)筒間的流動(dòng)為兩平板之間的等溫粘性流動(dòng),則其生產(chǎn)能力(體積流率)可由下式確定:
式中, Fd和Fp 分別為拖曳流和壓力流的形狀系數(shù),均為螺槽深寬比H3/ W的函數(shù)。當(dāng)螺槽較淺時(shí),兩者的值趨于1。若考慮螺棱與機(jī)筒間的間隙對(duì)流率的影響,則式(2)可簡(jiǎn)化成
(2)能量消耗
在聚合物物料擠出過(guò)程中,計(jì)量段的功率消耗主要為熔融剪切流動(dòng)的粘性能量耗散、機(jī)械能與熱能的轉(zhuǎn)換以及流體壓力的增大。如圖1所示,沿螺槽z 方向取一微分單元體WH3dz ,則輸入微元體的能量為
式(4)～(6)為基于二維流場(chǎng)分析而導(dǎo)出的計(jì)算計(jì)量段能量消耗的基本方程。若采用簡(jiǎn)化的一維流動(dòng)分析,則可導(dǎo)出計(jì)量段功耗的簡(jiǎn)化表達(dá)式,為
式(7)等號(hào)右邊第2項(xiàng)為壓力升高所消耗的能量,通常約占總能耗的10%。因此式(7)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為
1.2目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低能耗的設(shè)計(jì)原則,選擇以單位產(chǎn)量的能耗小為螺桿計(jì)量段幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo),即
f ( x) = N/ Q (9)
將式(3)和(8)代入式(9) ,可得擠出機(jī)螺桿計(jì)量段幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。
1.3設(shè)計(jì)變量
根據(jù)前述的聚合物物料在螺桿計(jì)量段內(nèi)熔融剪切流動(dòng)機(jī)理及目標(biāo)函數(shù)可知,該段的幾何參數(shù)中,螺槽深度H3、螺紋棱頂寬度e、螺棱與機(jī)筒內(nèi)壁之間的間隙δ以及螺棱處螺紋升角θb對(duì)聚合物物料熔融剪切流動(dòng)過(guò)程的影響很大。因此,取H3, θb, е和δ為設(shè)計(jì)變量,得
X=[x1,x2,x3,x4]T=[ H3, θb, е, δ]T (10)
1.4 約束條件
(1)強(qiáng)度約束條件由受力分析可知,螺桿在工作時(shí)受彎、扭和壓的作用,相應(yīng)的應(yīng)力為彎應(yīng)力、剪應(yīng)力和壓應(yīng)力。根據(jù)螺桿所用材料(38CrMoAlA氮化) ,應(yīng)用第三強(qiáng)度理論,其強(qiáng)度約束條件為
80噸注塑機(jī)螺桿料管-螺桿頭
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