80噸注塑機螺桿料管-螺桿頭
擠出機螺桿可分為加料段、壓縮段和計量段。計量段是普通單螺桿的重要功能段，聚合物料進入計量段后，被塑化和均勻化，然后從機頭擠出。因物料經(jīng)過計量段進入機頭，因此該段幾何結(jié)構(gòu)設計合理與否直接關(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為普通擠出機螺桿的結(jié)構(gòu)簡圖。從圖1可以看出,計量段的螺槽等深且相對較淺,這主要是因為聚合物物料經(jīng)熔融段強化的剪切塑化作用后,物料在螺槽中的運動為熔融剪切流動。換言之,計量段的主要作用是進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筒間的流動為兩平板之間的等溫粘性流動,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)。當螺槽較淺時,兩者的值趨于1。若考慮螺棱與機筒間的間隙對流率的影響,則式(2)可簡化成
(2)能量消耗
在聚合物物料擠出過程中,計量段的功率消耗主要為熔融剪切流動的粘性能量耗散、機械能與熱能的轉(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)為基于二維流場分析而導出的計算計量段能量消耗的基本方程。若采用簡化的一維流動分析,則可導出計量段功耗的簡化表達式,為
式(7)等號右邊第2項為壓力升高所消耗的能量,通常約占總能耗的10%。因此式(7)可以進一步簡化為
1.2目標函數(shù)
根據(jù)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低能耗的設計原則,選擇以單位產(chǎn)量的能耗小為螺桿計量段幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設計的優(yōu)化目標,即
f ( x) = N/ Q (9)
將式(3)和(8)代入式(9) ,可得擠出機螺桿計量段幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計的目標函數(shù)。
1.3設計變量
根據(jù)前述的聚合物物料在螺桿計量段內(nèi)熔融剪切流動機理及目標函數(shù)可知,該段的幾何參數(shù)中,螺槽深度H3、螺紋棱頂寬度e、螺棱與機筒內(nèi)壁之間的間隙δ以及螺棱處螺紋升角θb對聚合物物料熔融剪切流動過程的影響很大。因此,取H3, θb, е和δ為設計變量,得
X=[x1,x2,x3,x4]T=[ H3, θb, е, δ]T (10)
1.4 約束條件
(1)強度約束條件由受力分析可知,螺桿在工作時受彎、扭和壓的作用,相應的應力為彎應力、剪應力和壓應力。根據(jù)螺桿所用材料(38CrMoAlA氮化) ,應用第三強度理論,其強度約束條件為
80噸注塑機螺桿料管-螺桿頭
