螺杆挤出机优化设计的现状

螺杆挤出机优化设计的现状

刘佐冰

桦林佳通轮胎有限公司黑龙江牡丹江157032

摘要：作为聚合物加工成型主要设备之一的螺杆挤出机，在聚合物加工行业得到越来越广泛的应用，而且在其他行业也将得到更多的应用。根据聚合物在螺杆挤出机中的三种物理状态的变化过程，以及对螺杆各部位的工作要求，通常将螺杆挤出机的螺杆分为加料段、熔融段和计量段。由于螺杆的几何结构非常复杂，所以难以建立一个能全面反映螺杆挤出机优化设计的数学模型。即便能建立起理想的螺杆挤出机优化设计的数学模型，由于影响因素复杂，设计变量多，其求解也非常困难，所以按螺杆的功能段建模并进行优化设计，较为符合实际要求。基于此，本文主要对螺杆挤出机优化设计的现状进行分析探讨。

关键词：螺杆挤出机；优化设计；现状

1、前言

20世纪70年代以来，在挤出理论发展的基础上，各主要工业国家纷纷开始用计算机按挤出理论的规律来进行螺杆设计，仅日本便有100多个企业在进行这方面的工作，在美国、德国等国家的一些研究单位已开始用计算机在大量计算和分析的基础上对螺杆进行最优化设计。

2.螺杆挤出机优化设计的理论基础

2.1理论依据

机械优化设计有两个重要的环节或内容：一是建立优化问题的数学模型；二是选择优化问题的求解方法。对于三段式螺杆挤出机，物料依次经过固体输送、熔融和熔体输送等不同的输送阶段，并且各段的输送机理各不相同。因此，螺杆挤出机加料段、熔融段和计算段优化设计的理论基础也各不相同，分别为：由达内尔和摩尔提出并经塔德摩尔和柏罗伊加以完善的，建立在固体摩擦机理上的固体输送理论，建立在马多克等人数学物理模型基础上的熔融理论，以及流体动力学理论。

2.2优化目标

在保证挤出物质量的前提下，达到最高生产力或最小功率能耗。

2.3设计变量

一个设计方案可用一组基本参数的数值来表示。其中，需要优选的独立参数称之为设计变量。螺杆的设计变量通常为：螺杆直径、长径比、螺纹升角和螺杆槽深等。

3、螺杆挤出机优化设计

3.1单螺杆挤出机优化设计

研究者从单螺杆挤出机的挤出过程及挤出理论出发，分析螺杆结构及其几何参数对螺杆塑化性能的影响，提出衡量螺杆塑化性能优劣的标准，并以此为优化目标，以聚丙烯（PP）/竹粉为例，对螺杆的相关几何参数进行优化。优化结果表明：木塑复合材料专用螺杆较普通塑料用螺杆更利于木塑复合材料熔体的输送，避免了因为木塑复合材料熔体黏度增加而出现一系列问题。对物料塑化计量段压力场影响的因素大小依次为：计量段螺槽深度、螺纹升角、螺棱宽度。

若增大螺槽深度，减小螺纹升角，可有效降低计量段所需要的能耗。这是因为螺槽深度越大，螺纹升角越小，熔体前进阻力越小，计量段输送熔体消耗的能量就越少。螺棱宽度增加，计量段输送熔体所消耗的能量有增加的趋势，但增加趋势比较平缓；若过多增加螺棱宽度，则螺棱上的动力消耗也会增加，并且会出现局部过热的危险，螺棱宽度应控制在某一个合适的范围。利用Pro/E分析软件，最终确定了最适宜的挤出机螺杆因素，从而达到提高生产效率的目的。

研究者基于正交实验法与Matlab模拟仿真相结合的方法对单螺杆挤出机的固体输送段进行数值模拟，通过对目标进行多方面的优化分析得到最优结果，得出固体输送段的单螺杆几何参数对固体输送速率和固体输送效率的影响，以及最优的螺杆参数组合。优化过程：首先，采用模拟计算与正交试验法相结合，可以快速、高效地对单螺杆挤出机的螺杆进行优化；其次，由于螺槽宽度对固体输送速率和固体输送效率的影响较大，螺距对固体输送速率的影响最大，故利用Matlab软件对单螺杆挤出机的结构进行优化设计，以保证上述两因素对物料在挤出过程中的影响控制在合理范围。结果表明：通过优化设计得到的结果不仅有较高的可靠度，而且还能缩短单螺杆的设计周期，降低研发成本。

有研究者讨论了单螺杆挤出机螺杆加料段的优化设计问题。以单位产量的能耗最小为优化目标，建立简化的挤出机加料段螺杆优化设计的数学模型，应用约束坐标轮换法求解，螺槽宽度、螺槽深度和螺纹升角的最佳值均位于或接近文献中所建议的最佳取值范围。还讨论了单螺杆挤出机螺杆熔融段的优化设计问题。研究中提到螺槽深度、螺棱顶宽度和螺纹升角直接关系到挤出机的生产能力、塑化质量和能耗，并以这些几何参数为设计变量，以单位产量能耗最小为优化目标，建立了简化的挤出机熔融段螺杆优化设计的数学模型。应用约束复合形法求解。从而得到了螺杆熔融段起、末端的螺槽深度，螺棱顶宽度和螺纹升角的最佳值，使螺杆熔融段得到了优化。

此外，还讨论了挤出机螺杆计量段的优化设计问题。应用黏性流体动力学基本方程，分析了聚合物物料在螺槽中的流动。以单位产量能耗最小为优化目标，建立简化的挤出机计量段螺杆优化设计的数学模型，应用约束随机方向法求解。结果表明：螺槽深度、螺纹棱顶宽度、螺纹棱顶与机筒间隙和螺纹升角均位于或接近于文献中所建议的最佳取值范围。

通过数值模拟和实验分析，得到如下结论：（1）三角槽形状是影响混炼元件流场混炼效果的主要因素。在所研究的4种三角槽屏障混炼元件中，等腰反向三角槽屏障混炼元件流场的最高压力、剪切棱两侧的最大压差及高剪切区比例均高于其他结构混炼元件，流场的温升更高，剪切棱对物料的破碎和磨蚀作用最强，共混物中CaCO3颗粒的平均粒径最小，材料拉伸力学性能最好；（2）剪切棱宽度和剪切棱径向间隙也对混炼元件流场的混炼效果有重要影响。其中剪切棱宽度为5mm、剪切棱径向间隙为2mm的三角槽屏障混炼元件对物料的剪切作用和分散混合作用最好，共混物中CaCO3颗粒的平均粒径最小，材料拉伸力学性能最好；（3）适当提高螺杆转速可有效减小共混物中CaCO3颗粒的平均粒径，提高混炼元件的总体混炼效果。

3.2双螺杆挤出机优化设计

为解决SJ-150双螺杆挤出机机筒因热变形而引起的磨损问题，研究者提出了新的结构设计方案，并利用Pro/E和ANSYSWorkbench构建的协同仿真优化平台，对新方案的机筒结构进行了优化分析，确定了机筒流道最佳位置、流道孔径以及机筒壁厚的最优值。通过与原方案的对比，得到以下结果：改进方案的机筒整体热变形减小了15.4%，有效地减轻了机筒与螺杆间的磨损。

为配合高性能同向双螺杆挤出机的开发，在对比了几种小型机齿轮传动设计方案的基础上，考虑到同向双螺杆两输出轴径向空间严重受限以及齿轮接触强度、疲劳强度等方面的要求，以中心距最小为优化目标，建立了三轴式传动系统两对扭矩分配齿轮优化数学模型，并采用混合惩罚函数法编程进行了优化计算。在优化计算中，以Φ35同向旋转双螺杆挤出机减速装置为例进行全面阐述，计算结果表明，建立的分配齿轮优化设计模型可为小型同向双螺杆挤出机减速分配箱的开发提供优选的设计参数。

有位研究者系统地介绍了锥形双螺杆挤出机螺杆的基本参数以及各功能段参数的设计依据，并针对SJSZ-35锥形双螺杆挤出机的螺杆进行了优化设计，从螺杆的基本参数、各功能段参数以及端面曲线修正等方面进行分析计算，各参数确定后利用三维造型软件得出优化后的锥形双螺杆结构。对于修正螺杆间隙的方法，通常有以下三种：首先，缩小理论中心距；其次，将理论轴向曲线沿着轴向和径向两次平移，得到新的螺纹曲线；最后，将螺杆曲面上各点沿法线方向等距离平移，消除轴剖面等间隙法的修正不足，建立修正方程。

4、结语

利用参数化建模软件Pro/E和通用有限元软件ANSYS构建的协同仿真优化平台，分析螺杆挤出机的基础参数和螺杆结构，对螺杆挤出机进行参数化建模，得出最优设计方案。与经验设计法相比，该设计方法研发周期更短且成本更低，对重要参数的确定也更加可靠，可为同类螺杆的设计提供参考。

参考文献：

[1]梁基照．塑料成型机械优化设计[M]．北京：国防工业出版社，2006：113—115．

[2]张谦．基于遗传算法的注塑机螺杆优化设计[D]．杭州：浙江大学，2004：40—43．