（机械工程专业论文）高扭矩深槽啮合同向双螺杆设计及受力分析.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2学科分类号 4 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 3 8 密级公开 学位授予单位代码 l 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名谢兆兴学号 2 0 0 9 0 1 0 0 3 8 获学位专业名称机械工程 获学位专业代码 4 3 0 1 0 2 非金属材料加工理论及 课题来源省、市，自治区项目研究方向 设备研究 论文题目 高扭矩深槽啮合同向双螺杆设计及受力分析 关键词高扭矩、深槽、啮合同向双螺杆、有限元分析 论文答辩日期 2 0 1 1 5 3 1论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师罗兵副教授北京化工大学非金属材料加工机械 评阅人1杨卫民教授北京化工大学聚合物成型加工 评阅人2 钱才富教授北京化工大学化工过程机械 燃员会揣王奎升教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员1 吴大鸣 教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员2何立东教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员3钱才富教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员4 江波 教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员5杨卫民教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员6 张亚军教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员7周俊良教授北京化工大学工业设计 答辩委员8薛平教授北京化工大学聚合物成型加工 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 高扭矩深槽啮合同向双螺杆设计及受力分析 摘要 同向双螺杆挤出机在塑料改性与加工方面的应用越来越广泛。同向双 螺杆挤出机作为塑料挤出造粒的核心装备，正在向着高扭矩、高产量、高 转速方向发展。但上述特征的双螺杆挤出机挤压系统设计却受到螺杆中心 距、螺杆元件的啮合和传动系统中轴承齿轮的布置和承载的制约。本课题 旨在对高扭矩、高产量的啮合同向双螺杆挤出机的螺杆芯轴和常规螺纹元 件受力与变形进行研究，对提高现有国内挤出机的设计与应用水平具有较 高的工程应用价值。 本课题首先分析了芯轴和螺纹元件在实际工况下的载荷及边界条件， 利用有限元软件a n s y s 对影响双螺杆挤出机的螺杆芯轴和常规螺纹元件 的受力与变形的因素进行分析和研究。首先六方型芯轴和渐开线花键芯轴 的承载和抵抗变形的能力进行分析和对比。其次，对不同导程、不同槽深、 不同内孔直径、不同啮合比螺纹元件的应力分布和抵抗变形进行分析研 究。最后，研究在中心距一定情况下，在可以承受的最大载荷的范围内， 寻找深槽螺杆合理的芯轴连接形式，合理的芯轴直径( 螺纹元件内孔径) 、 元件导程等几何参数，根据分析研究得出的规律，为开展深槽高扭矩啮合 同向双螺杆挤压系统设计提供依据，并探讨了实现高扭矩深槽螺杆设计的 方法。 本课题对实验室的现有机型进行了改造，并在此基础上对高扭矩深槽 螺杆设计的可行性作进一步得的研究并提出合理的设计参数，为挤出机挤 i 北京化工人学硕士学位论文 压系统的设计提供依据。 关键词：a n s y s 分析，啮合同向双螺杆，芯轴，螺纹元件，受力，变形 摘要 s t r e s sa n a l y s i sa n dd e s i g no na h i g h t o r q u e ，d e e p g r o o v ei n t e r m e s h i n g c o r o t a t i n gt w i ns c r e w a b s t r a c t t 1 1 ei n t e m e s h i n gc o r o t a t i n g 帆i ns c r e we x t r u d e r ( i c t s e ) h a sb e e nm o r e w i d e l yu s e di nt h ep l a s t i c sp r o c e s s i n ga n dm o d i f i c a t i o n a sa ni i i l p o r t a n tc o r e e q u i p m e n to fp l a s t i ce x t r u s i o ng r a n u l a t i o n ，t h ei n t e m e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i n e x t r u d e rs c r e we x t m d e rd e v e l 叩st o w a r d st h eh i g h o u t p u t ，h i 曲- e 衔c i e n c m l a 玛e s c a l ea n dl o w - p o w e rd i r e c t i o n b u tt h ea b o v ef e a m r e so ft w i n s c r e w e x t l l j d e rd e s i g nw a sr e s t r i c t e db ys c r e ws h a rc e n t e rd i s t a n c e ，s c r e we l e m e n t i n t 锄e s h i n ga n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mc o n d i t i o n s t l l i ss u b ! j e c ta i m st od e s i g n h i g ht o r q u e ，h i g hf 砘ev o l u m eo fi n t e m e s h i n gc o r o t a t i n gt w i n s c r e 、e x t m d e r s c r e w ，i ti sv e 可s i g n i f i c a i l tt oi m p r o v et h ed e s i g na 1 1 de n 百n e e r i n g 印p l yl e v e l o fi n t e m e s h i n gc o r o t a t i n gt w i n - s c r e we x t n l d e rs c r e w t h ee x t m s i o ns y s t e mw a st h er e s e a r c ho b je c ti nt h i ss u b je c t i nr e c e n t y e a r su s i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dt os t u d yt h ee x t r u d e rh a sm a d es o m e a c h i e v e m e n t s t h ef o r c eo fs h a r sa n dt h es c r e w sb e 撕n gi n w o r k i n g c o n d i t i o n ，t h es t r e s sa n dt h ed e f o m a t i o ns i t u a t i o ni sa n a l y z e db ym e a n so fm e m i m e r i c a lc a l c u l a t i o nw i t ht h eh e l po fa n s y ss o r w a r e f i r s t ，g i v i n gt h eo f a n a l y s i sa n dc o m p a s i o no f i n v o l u t es p l i n es h a f ta n dr e g u l a rh e x a g o ns h a r s i 北京化t 人学顾i j 学位论文 c a 玎y i n gc a p a c i t y ，t h e na n a l y z i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs c r e ww i t hd i 仃e r e n t s c r e wl e a d ，g r o o v ed e p t h ，i n n e rh o l e - d i 锄e t e ra 1 1 di n t e m e s h i n gr a t i o i nt h e e n du n d e ra f 仍r d a b l em a x i m u ml o a d 啪g ei nt h ec e r t a i nc e n t e r d i s t a n c e ，f i n d i n g r e a s o n a b l ec o o p e r a t ef o 咖b e t w e e ns h a ra 1 1 ds c r e we l e m e n t ，r e a s o n a b l e d e s i g np a r a m e t e r so ft h es h a rd i a m e t e r ，s c r e we l e m e n ti n n e rh o l e d i a m e t e r a n dt h es c r e wl e a d i tp r o v i d e st h eb a s i so ft h ed e s i g no f h i g ht o r q u e ，h i g h 丘e ev o l u m eo f i n t e n n e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i n s c r e we x t r u d e rs c r e w t h es u b j e c tp r o v i d e st h ei m p r o v i n go ft h ec u r r e n te x t r u d e r ，t h ef e a s i b i l i 哆 o f h i g ht o r q u ea n dd e 印印o v ee x t m d e rt ) ，p e 1 ( e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t 觚a l y s i s ， i n t e m e s h i n gc o - r o t a t i n gt w i n s c r e w ，s h a r ，s c r e we l e m e n t i v 2 1 螺纹元件设计7 2 2 螺杆芯轴的设计7 2 2 1 渐开线花键螺杆芯轴8 2 2 2 六方型螺杆芯轴8 2 3 螺杆的材质及热处理8 2 4 设计难点分析9 第三章有限元模型的建立1 1 3 1 几何模型”1 1 3 1 1 六方形芯轴几何模型1l 3 1 2 渐开线芯轴几何模型1 2 3 1 3 螺纹元件模型1 3 3 2 网格划分1 4 3 3 螺杆芯轴和元件的受力及边界条件- 1 6 3 3 1 载荷加载的简化1 6 3 3 2 扭矩加载17 3 3 2 1 六方形芯轴扭矩加载l7 3 3 2 2 渐开线花键( g b ) 芯轴扭矩加载”l9 v 北京化工人学硕上学位论文 3 3 2 3 螺纹元件扭矩加载2 0 3 3 3 轴向力加载2 2 3 3 4 位移约束条件一2 4 3 4 小结2 5 第四章螺杆芯轴和螺纹元件有限元分析结果及讨论”2 7 4 1 单个芯轴和螺纹元件的有限元分析一2 7 4 1 1 六方形芯轴的有限元模拟结果2 7 4 1 2 渐开线花键( g b ) ：卷轴的有限元模拟结果3 2 4 1 3 二十四边内孔螺纹元件的有限元模拟结果3 7 4 1 4 渐开线花键螺纹元件的有限元模拟结果3 9 4 2 不同参数芯轴、螺纹元件对受力状态的影响”4 l 4 2 1 直径对六方形芯轴受力影响4 l 4 2 2 模数、齿数对渐开线花键( g b ) 芯轴的受力影响4 3 4 2 3 六方形芯轴和渐开线花键( g b ) 芯轴受力比较4 5 4 2 4 啮合比、导程对二十四边形内孔螺纹元件受力的影响4 6 4 3 螺杆芯轴和元件变形对啮合及轴向力的影响5 0 4 4 对现有设备的改造及高扭矩螺杆：签轴、深槽螺纹元件设计可行性分析5 l 4 4 ，j 、结j 5 4 第五章深槽高扭矩螺纹元件设计5 7 5 1 螺杆：卷轴及元件参数的确定5 7 5 2 电机最高转速及功率的确定5 9 5 3 小结6 0 第六章总结”6 3 6 1 本文的主要结论6 3 6 2 本课题研究的创新之处”6 4 6 3 本研究有待进一步研究、认识的问题”6 4 参考文献6 7 j 改谢”6 9 v l 2 2 1i n v o l u t es p l i i l es c r e ws h a r 8 2 2 2 h e x a g o n a l t ) ，p es c r e ws h a r ”8 2 3s c r e wm a t e r t i a la n dh e a tt i e a t i i l e n t 8 2 4d e s i 印d i m c u l t i e s 9 c h a p t e r3t h ef o u n d a t i o no ff e m m o d e l l1 3 1g e o m e t r i cm o d e l 11 3 1 1g e o m e 仃i cm o d e lo f h e x a g o n a l 电p es c r e ws h a 矗1 1 3 1 2g e o m e t r i cm o d e lo f i n v o l u t es p l i n es c r e ws h a r ”1 2 3 1 3g e o m e t r i cm o d e lo f s e 1 3 3 2m e s hg e n e r a t i o n 1 4 3 3f o r c eo nt 1 1 es h a ra n ds e 觚db o u l l d a 巧c o n d i t i o 璐1 6 3 3 1f o r c el o a d i n g 1 6 3 3 2t o r q u el o a d i n g ”1 7 3 3 2 1t o r q u el o a d i n go f h e x a g o n a l - t ) ，p es c r e ws h a 肛1 7 3 3 2 2t o r q u el o a d i n go f i n v o l u t es p l i n es c r e ws h 心1 9 3 3 2 - 3t o r q u el o a d i n go fs e 一2 0 v n 北京化工火学硕上学位论文 3 3 3a x i a lf o r c el o a d i n g 2 2 3 3 4d i s p l a c e m e n tc o n s t m i m s 2 4 3 4s u m m a i y 2 5 c h a p t e r 4f e m a n a i y s i sr e s u l t sa n dd i s c u s s i o nf o rt h es h a f ta n d s e 2 7 4 1f e mr e s u l t sf o rt h es i n g l es h a r 觚ds e 2 7 4 1 1f e mr e s u l t sf o rh e x a g o n a l t y p es c r e ws h a r 2 7 4 1 2f e mr e s u l t sf o ri n v o l u t es p l i n es c r e ws h a n 3 2 4 1 3f e mr e s u l t sf o rt w e n 田q u a d r l a t e r a lh o l es e 3 7 4 1 4f e mr e s u l t sf o ri n v o l u t es p l i n es e 3 9 4 2d i f l e r e n tp a r a m e t e r so fs h a r ，s ei i l f l u e n c e st os t r e s ss t a t e 一41 4 2 1d i 锄e t e ri n n u e n c e st oh e x a g o n a l 电p es c r e ws h a rs t r e s ss t a t e 一4 1 4 2 2m o d u l u s ，n 啪b e r so ft e e t ho fi n v o l u t es p l i i l e ( g b ) i n n u e n c e st os 吮s ss t a t e 一4 3 4 2 3c o m p 撕s o no fs 雠s ss t a t eb e t 、 ，e e nh e x a g o n a l 一哆p es c r e ws h a ra n di n v o l u t es p l i n e s c r e ws h a r “4 5 4 2 4d i 髓r e mi n t e 肌e s h i n gr a t i o ，s c r e wl e a di n n u e n c e st o 铆e n t ) ，一q u a d r l a t e r a lh o l es e 4 6 4 3i n n u e n c e so fs h a ra n ds ed e f o m a t i o nt om e s h i n ga i l da x i a lf o r c e 5 0 4 4f e a s i b i l 时o f d e v e l o p m e n to f d e 印g r 0 0 v e s ，1 1 i g ht o r q u es h a ra i l ds e 一5 1 4 4s u m m 踟吖5 4 c h a p t e r5d e s i g no fd e e pg r o o v e sa n dh i g ht o r q u es e 一5 7 5 1p a r a m e t e r so fs h a ra 1 1 ds e 5 7 5 2d e t e 加 1 i n a t i o no f m o t o rm a x i m u ms p e e d ，p o 、v e r 5 9 5 3s u l l u i l a r y 6 0 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 6 3 6 1i 仰o v a t i o na i l dc o n t r i b m i o no f m i ss u b j e c t 6 3 6 2m a i l lc o n c l u s i o no f t h i ss i l b j e c t 6 4 6 3t h ec o n t e n tw h i c hn e e d sm n h e rs t u d y 6 4 r e f e r e n c e 6 7 a c k n o w l e d g e 6 9 v i l i 第一章绪论 第一章绪论 作为塑料加工和改性的主要设备，啮合同向双螺杆挤出机是随着塑料工业的发展而 发展起来的【。作为塑料共混改性的重要核心装备，在塑料市场需求的推动下啮合同向 双螺杆挤出机也在向着高扭矩、高产量、高转速和低能耗的方向发展【2 】。因此在保证产 品质量的前提下，获得更高的生产能力、更高的熔融塑化效率、更优的混合质量和较低 的能耗，是啮合同向双螺杆挤出机制造商和用户所共同追求的目标【3 】。 以高扭矩、高产量、高转速为特征的啮合同向双螺杆挤出机挤压系统设计时，要求 螺纹元件在中心距相差不大的情况下，螺槽要更深，螺杆芯轴所能承受的扭矩要更大， 利用数值计算方法对螺纹元件和螺杆芯轴的进行受力分析，可以为工程设计提供新的计 算分析方法和设计依据，是提高国产装备技术水平的有效途径。 1 1 本课题相关领域的研究现状 1 1 1 国内相关情况 国内对啮合同向双螺杆挤出机的研究开发过程中，数值模拟方法起到了非常重要的 作用。 对啮合同向双螺杆挤出机挤出过程的研究，通常运用数值模拟中的流体有限元( c f d ) 来进行熔体输送与混合特性的研究。19 8 9 年王蓉利用流体有限元方法对同向双螺杆挤出 过程中物料在捏合块中的流动进行了数值求解，得到了流场的速度分布，压力分布及剪 切应力分布【4 j 。1 9 9 9 年周甫萍借助a n s y s 对物料全充满的常规螺纹元件、波状螺纹元 件的熔体输送段进行了等温模拟研究【5 】。2 0 0 2 年，金月富利用a n s y s 软件和自编程序 对s 元件流场中的压力场、挤出量、回流量、速度场、剪切速率及拉伸速率进行计算分 析【6 1 。2 0 0 3 年，罗兵对他所设计的新型螺杆元件- v c r 元件进行了三维等温流场的 数值模拟，并对模拟结果进行了实验验证【_ 7 】；李鹏、马秀清、陈士宏等使用a n s y s 及 p o l y f l o w 软件分别对常规螺纹元件、轴向循环元件、s 形元件、六棱柱元件、非啮 合多过程元件( n i m p e ) 、齿形盘元件进行了三维等温流场模拟，并对流场计算结果进行 了实验验证瞵d3 1 。彭炯和陈晋南利用p o l y f l o w 软件模拟了非牛顿型聚合物熔体在熔 体输送段中的三维等温流场【1 4 1 。2 0 0 5 年，董中华应用p o l y f l o w 软件，采用三维c r o s s 模型、非等温模型，对齿形元件和断裂螺纹元件中的流动和混合过程进行了数值模拟【”j 。 2 0 0 7 年，孙士强使用p o l y l o w 软件对螺纹元件的三维等温流场进行了连续转动情况 下的数值模拟【1 6 1 。2 0 0 8 年，龙志斌应用p o l y l o w 软件模拟了不同组合的螺纹元件在 北京化工大学硕十学位论文 流场中受到的轴向力，并自行设计了拉杆应变测量系统对螺杆轴向力进行了间接测试 【1 7 】 o 对双螺杆挤出机挤压系统的应力和变形分析研究，则运用数值模拟中的固体有限元 f e m 进行应力分析，2 0 0 4 年刘华玲利用有限元软件a n s y s 对啮合同向双螺杆几种不同 形式芯轴的受力状况进行有限元( f e m ) 模拟分析f 1 8 】。2 0 0 7 年，梁斌介绍了一种新型螺 杆挤出机的原理及其结构特点，对该新型挤出机的螺杆建立了符合实际尺寸与形状的有 限元模型，利用a n s y s 有限元软件对其进行了应力分析 19 】，对新型螺杆进行强度校核， 从理论上证明其在新载荷下具备运行的安全可靠的能力。 1 1 2 国外相关情况 1 9 8 0 年至1 9 9 0 年间，有关双螺杆挤出数学计算文献大幅涌现，m l b o o y 利用几何关 系对牛顿流体建立数学模型【2 0 】，【2 1 】。1 9 8 4 年，l s c l l l i l i d t 等研究并建立啮合同向双螺杆挤 出机的分布性混合模型理论【2 2 】。1 9 8 8 年，美国人d k a l y o n 等对啮合双螺杆几何学原理作 了详细推导【2 3 】，【2 4 】。1 9 9 3 年，a l a w a l d 等对同向双螺杆啮合盘中的单个粒子混合的运动 轨迹进行了有限元模拟网。1 9 9 4 年，t “和l z l o c z o w e 对螺纹元件和啮合盘中的流动情 况进行了有限元模拟【2 6 】。1 9 9 6 年，口本、法国、荷兰d g o 雒i n 、d w a i 、k f u n a t s u 等对 啮合同向双螺杆的挤出过程进行了等温三维有限元模拟【z 琢【2 8 】。2 0 0 0 年，加拿大的c o s t a s t z o g 趾a k i s 对双螺杆挤出作了三维有限元模拟分析【2 9 】。2 0 0 0 年，比利时的yl 汕i n 和 t a v a l o s s e 对啮合同向双螺杆挤出机中的混合过程进行了有限元模拟分析【3 0 】。近几年， 采用示踪粒子法p t a 来模拟聚合物在元件中流动，可以得到元件的流场，应变场，剪切 速率分布【3 1 】，1 3 2 】。同时设计出新型混合元件通过产生拉伸流动来促进混合，并且混合过 程中可以减少轴向的温度和压力差【3 弼。7 1 。 1 2 有限元技术简介 有限元法的实质是将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体，化无限自由度问 题为有限自由度问题。将连续场函数的偏微分方程的求解问题转化为有限个参数的代数 方程组的求解问题。 有限元方法的基本思想是先化整为零，再积零为整，也就是把一个连续体人为分割 成有限个单元；即把一个结构看成由若干通过节点相连的单元组成的整体。先进行单元 分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构进行整体分析。从数学角度来看，有 限元方法是将一个偏微分方程转化为一个代数方程组，然后利用计算机进行求解的方 法。由于有限元法采用了矩阵算法，因此借助计算机便可以快速地算出结果。 2 第一章绪论 1 3 表征双螺杆整机水平的几个性能指标【1 】，【3 8 】 啮合同向双螺杆挤出机两螺杆的中心距、螺杆外径和根径之比( 啮合比) 、最大理论 输送量、螺杆所能承受的最大扭矩之间相互影响、相互制约。因为这些参数与啮合同向 双螺杆挤出机的发展方向和要达到的设计指标密切相关。 在啮合同向双螺杆挤出机的发展进程中，螺杆外径和根径之比( 啮合比) 及扭矩与中 心距三次方的比值( 比扭矩) 这两个参数指标非常重要且呈不断增加趋势。 螺杆外径和根径之比的大小反映了螺槽的深浅，而且反映了螺杆的自由体积和可能 的输送能力大小。显然，螺槽越深，可能的输送能力越大。比扭矩反映的是物料在啮合 区内所承受的剪切强度，它是啮合同向双螺杆挤出机中物料混合的关键，是表征双螺杆 设备能力的一个等级参数。众所周知，螺杆承受的扭矩大小与螺杆根径的三次方成正比。 在相同中心距下，承受大的扭矩，则螺杆根径必须增大，以容纳较大的螺杆芯轴。螺杆 根径的增大，则螺杆直径必须减少，以维持挤出机螺杆的自扫特性，而螺杆直径的减小 将使螺槽深度减小，从而导致自由体积减小。可见两个指标是相互制约的。 世界著名啮合同向双螺杆挤出机生产厂家之一的德国w p 公司提出了表征这种双 螺杆挤出机设计制造水平和使用水平先进与否的几个指标，包括螺纹头数、螺杆外径和 根径之比，以及比扭矩。该公司z s k 型啮合同向双螺杆挤出机主要根据后两个指标来 划分代次的，如下1 所示。 表1 1 六代z s k 型双螺杆挤出机主要指标 1 a b 1 - 1m a i ni n d e xo fs i xg e n e r a t i o nz s k 嘶n - s c r e we x 咖d e r 近几年来，中国中小型双螺杆挤出机技术水平也在快速进步。双螺杆挤出机的重要 指标，如比扭矩、转速、产量等均直逼国际主流水平。例如，南京越升在2 0 l o 年推出 的s a t 5 2 双螺杆挤出机采用自主开发的高转速、高扭矩齿轮箱，比扭矩达到 1 1 m 俐，这已是当前全球主流双螺杆技术的领先水平；南京诚盟在2 0 l o 推出的比 北京化工人学硕1 ：学位论文 扭矩达到8 9 m 铡3 的双螺杆挤出机，转速达到8 0 0 r m i n 。南京科亚公司，其全新推 出的双螺杆挤出机系列，配套德国进口减速箱，比扭矩可达到比扭矩达到1 2 m c 研3 。 当然，在中国双螺杆技术提升的同时，国际领先厂家的技术水平同样也在迅速提升， 德国科倍隆集团新近推出了新一代z s k 双螺杆挤出机z s km c l 8 ，螺杆外径和根径之比 的大小达到1 5 5 ，其比扭矩达到1 8 m 伽3 ，这样的技术水平使其继续保持在双螺杆 领域的领导地位。 此外，螺杆长径比在一定程度上可以反映挤出机规格及性能，长径比加大，建立起 所需的沿程压力分布较易，转速相同下，停留时间加长，塑化混合质量提高。 1 4 本课题的研究目的及意义 高扭矩、高产量、高转速是现代双螺杆挤出机发展的趋势之一。近年来数值计算方 法更多的被用于对挤出过程中熔体输送部分进行研究，而对螺纹元件和芯轴的受力进行 数值分析并指导设计方面，做的工作还比较少。为了适应同向啮合双螺杆挤出机的发展 趋势，提高螺纹元件和芯轴的设计水平，在分析螺纹元件和芯轴的受力的基础上，对其 挤压系统关键部件螺纹元件和芯轴进行有限元模拟并分析螺杆参数对芯轴和螺纹 元件承载能力的影响，为高扭矩深槽螺纹元件和芯轴的合理设计提供依据，是一项具有 实际意义的工作。 本课题综合运用计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) 技术，使用c a d 软 件p r o e n 西n e e r 建模，借助于c a e 专业有限元分析软件a n s y s ，对同向双螺杆挤出机 的螺杆芯轴和螺纹元件进行仿真模拟，对受载荷后螺杆芯轴和螺纹元件的应力分布和应 变情况加以分析和研究，为挤出机螺杆的工程设计提供科学的设计依据。 本课题目的是对现有机型进行改造，并在此基础上对高扭矩深槽螺杆设计的可行性 作进一步得的研究。 1 5 研究内容 ( 1 ) 查阅文献，总结前人在课题领域的相关研究成果。 ( 2 ) 使用p r 0 幢建立六方形、渐开线花键螺杆芯轴和螺纹元件的几何模型，并通过 a n s y s 建立有限元模型，加载并求解。 ( 3 ) 通过对a n s y s 计算结果进行后处理后，比较几种不同几何参数、不同连接形式 的螺杆芯轴在不同载荷的条件下最大应力分布、最大周向变形和最大轴向位移的不同， 分析影响芯轴强度和变形的主要因素。 ( 4 ) 比较不同啮合比、不同导程的螺纹元件在相同载荷的条件下最大应力分布及其 轴向位移的不同，分析引起螺纹元件失效和啮合干涉的主要因素。 4 第一章绪论 ( 5 ) 根据分析计算所得出数据，在中心距一定情况下，对螺杆几何参数对螺杆及芯 轴的承载能力进行研究，对实验室现有机型进行改造，获得较大的自由体积以提高产量， 并进一步对高扭矩深槽高扭矩螺杆芯轴及元件的可行性进行研究。 5 第二章同向双螺杆挤压系统关键部件的设计要点和难点分析 第二章同向双螺杆挤压系统关键部件的设计要点和难点分析 作为双螺杆挤出机的核心部分，双螺杆挤出机的挤压系统的目的是将聚合物熔融、 混合并挤出造粒。啮合同向双螺杆挤出机螺杆一般都采用积木式，因而，设计上包括螺 纹元件安装和组合，互换、定位、等，还应包括螺杆材料的选择及热处理工艺等。 2 1 螺纹元件设计 整根螺杆可为不同的功能段，不同的功能段采用不同几何结构的螺纹元件，主要分 为输送元件和混合元件。螺纹元件三维造型根据自扫型双螺杆几何学原理，基于螺杆端 面曲线的三维建模方法在p r o e 中画出。 中心距3 0 m m 、双头螺纹元件具体参数如表2 1 所示。 表2 - l 啮合同向双螺杆挤出机常规螺纹元件参数 1 a b 2 1p a r a m e t e r so fs f 2 2 螺杆芯轴的设计【1 】 啮合同向双螺杆大多采用组合( 或积木) 式结构，即将整根螺杆分成若干螺纹元件， 然后用螺杆芯轴将某些元件按一定要求和顺序串起来，组成针对某一特定配混工艺的特 定螺杆，再来使用。这样，双螺杆挤出机的制造厂家只需向用户提供一整套螺纹元件， 或根据用户使用要求向用户建议某种组合。而双螺杆使用者，需根据完成混合作业的特 点和要求，采用理论一实验一经验相结合的办法，或根据双螺杆挤出机制造厂家提供的 组合方式，把螺纹元件组合成所使用的螺杆。实现螺杆的不同组合，设计需要芯轴把扭 矩传递给螺纹元件，并且要保证不同的螺纹元件之间要几何同心，元件之间要过渡光滑， 以免物料滞留。 对于螺杆芯轴与螺纹元件的连接方式，综观国内外双螺杆挤出机，所用的螺杆芯轴 的截面形状及与螺纹元件的连接方式主要有渐开线花键心轴、六棱形螺杆芯轴、圆柱形 螺杆芯轴等常用形式，本课题主要讨论渐开线花键和六棱形两种形式的螺杆芯轴。 7 北京化工人学硕上学位论文 ( a ) 人方型螺杆芯轴( b ) 3 0 0 渐开线花键螺杆芯轴 图2 1 螺杆芯轴断面图 f i g 2 一lt l ec u to f t h es h a r 2 2 1 渐开线花键螺杆芯轴 对花键轴及花键孔的加工精度要求很高，因为是靠花键定位。只要有专用机床( 拉 床) ，是容易做到的。为提高螺杆芯轴抗扭截面系数，螺杆芯轴常采用小模数齿花键， 因为采用小模数齿花键后每个元件上传递扭矩的花键强度仍足够，但却大大增加了抗扭 截面系数。 2 2 2 六方型螺杆芯轴 六方形螺杆芯轴可以是标准规格的型材，因而可保证制造精度。在上述同样规格的 螺杆直径下，其螺杆芯轴直径( 即六正方形外接圆) 比采用圆柱形、平键连接的螺杆芯轴 外径大，故抗扭截面大。各元件之间的同心度是靠圆柱形定位环。在螺纹元件的两端， 加工出有一定深度的圆孔，用一个外径等于该圆孔、内孔为六方形的定位环把相邻的两 个螺纹元件连接起来，以保证同心度。但各元件在圆周方向的位置是靠螺杆芯轴和元件 的六方形来定位的。这种连接方法关键在各零件的加工精度。 2 3 螺杆的材质及热处理i l j 双螺杆挤出机的螺杆在挤出作业过程中的工作条件是恶劣的，工作中它处于高扭 矩、高温、高速、高压下，有时也处于高磨损、高腐蚀条件下，因此螺杆有个失效问题。 其有两层含意：对于非正常工作，如带料冷车启动，螺杆中塞进金属异物或物料焦烧或塞 死后仍启动，过载保护装置失灵而引起螺杆扭断，这是工作应力超过材料的强度极限造 成的。对于j 下常工作，螺杆失效是指经过一段时间，因物料中含有对螺杆产生严重磨损 的物料( 如填料，玻纤) ，将螺棱表面和螺槽表面的氮化层磨去，造成过大的问隙；也可 能因物料中含有对螺杆产生腐蚀的物质，将螺杆表面腐蚀出麻点，以致螺杆不能工作， 8 第二章同向双螺杆挤压系统关键部件的设计要点和难点分析 就要更换。 由于上述原因，螺杆材质的选择应当考虑强度、耐磨损、耐腐蚀问题。对于组合型 同向双螺杆，由于螺杆采用螺杆芯轴结构，因而螺杆的强度问题转化为螺杆芯轴的强度 问题。因为螺杆芯轴受结构限制，截面很小，再加上目前啮合同向双螺杆挤出机有向高 速、大扭矩发展的趋势，故必须选择高强度的螺杆芯轴材料。相反，组合螺杆的螺纹元 件则一般不存在强度问题。这是因为，整根螺杆的扭矩分配到每个螺纹元件上( 转化成 圆周方向的作用力) 已很小，螺纹元件上承受这样小的圆周力的键槽( 花键) 受力面不会出 现强度不够的问题。因而组合螺纹元件的中心孔与螺纹元件根径之间的壁厚的确定，一 般也不是基于强度的考虑，而是考虑热处理后的脆性断裂。换言之，能保证热处理后不 发生脆性断裂的螺纹元件的最小壁厚足以满足强度要求。 螺纹元件材质的选择主要考虑耐磨、耐腐蚀性，自然也要考虑机械加工性能和热处 理性能的好坏。磨损和腐蚀可导致螺棱和机筒之间的间隙增大。若发生在熔融段，则导 致熔融能力下降，并导致温度不均匀和压力波动：若发生在熔体输送段，会使熔体输送 能力下降。螺棱和机筒之间间隙增大，也会降低机筒和聚合物间的热传递效率。而若螺 槽发生腐蚀，会破坏螺槽的光滑表面，容易挂粘物料。 2 4 设计难点分析 从上述分析可以看出，螺杆芯轴和元件的设计是提高挤出机质量的重要环节之一。 本课题对啮合同向双螺杆挤出机的芯轴和螺纹元件使用有限元分析软件a n s y s 进行了 应力和变形分析，在中心距一定条件下，在分析螺纹元件和芯轴的受力的基础上，对其 挤压系统关键部件一螺纹元件和芯轴进行有限元模拟并分析螺杆参数对芯轴和螺纹元 件应力和变形影响，为高扭矩深槽双螺杆设计提供依据理论高扭矩和深槽是相互制约 的，而当今挤出机发展趋势为高产、高扭矩，即要求能够提高螺杆扭矩和螺杆槽深。课 题的难点在于找到如何同时实现芯轴承受的大扭矩和深槽螺纹元件技术手段，实现高扭 矩深槽双螺杆的设计。 9 第三章有限元模型的建立 第三章有限元模型的建立 本课题首先将对六方形芯轴、渐开线花键( g b ) 芯轴和螺纹元件的实际工况中的受力 进行分析，并使用a n s y s 对其进行模拟计算。为了能够更加准确进行分析，本章将采 用p r o e n 舀n e e r 软件对六方形芯轴、渐开线花键芯轴和螺纹元件进行建模，根据它们的 几何特征划分网格，建立了有限元模型。 3 1 几何模型 3 1 1 六方形芯轴几何模型 六方形芯轴二维简图如图3 - 1 所示。由于芯轴较长，为了方便表示，未将整根芯轴 都画出，只显示主要部分。 3 05 日 5 5 一 、|- j寸u 彦l 一1 1 &州b t i 图3 1 六方形芯轴二维简图 f i g 3 一lt h em o d e lo ft l l eh e x a 9 0 ns h a f i 图3 - l 中a 为六方形芯轴外接圆直径，c 为六方形芯轴内接圆直径。a 与c 的取值 如表3 - 1 所示。六方形外接圆直径为1 9 6 m m 的六方形芯轴三维模型如图3 2 所示。 表3 1 六方形芯轴参数 t | a b 3 - lp a 姗e t e r so 仆e x a g o ns h a f i 北京化工人学硕上学位论文 3 1