双合金螺杆的强度计算

  • 发布日期:2016-06-23
  • 摘要:

    螺杆强度计算的原始数据是作用在双合金螺杆上的扭矩M和轴向力P,在一般情况下作用在螺杆上的扭矩可以由式(12-1)求的:

     双合金螺杆强度计算的原始数据1

     

    式中 n---螺杆的转速;
         N---在该转速下电动机输出功率;
         η---从电动机到螺杆的机械效率
     在计算扭矩式必须注意下列问题:在大多数情况下是用整流子电机、直流电动机、滑差电机和液压马达来传动,其传动特征是恒扭矩传动,因此式(12-1)中的N/n可以用Mmax/nmax或Nmin/nmin来进行计算,他们的效果是一样的(图12-9b)。nmax和nmin。为螺杆的最高转速和最低转速,Nmax和Nmin是该转速下相应的电动机输出功率。
     但是目前 有些由只留电动机或液压马达拖动的挤出机的传动特性设计成采用恒功率调速(图12-9a曲线KB段)和恒转矩调速(图12-9a曲线AK段)想结合的调速方式,这样可以降低选用电动机的额定功率。这个情况下用式(12-1)计算扭矩时N/n应用Nmax/nk或Nmin/nmin代入,而不能用Nmax/Nmax代入,否则计算出来的扭矩偏小.
     双合金螺杆强度计算的原始数据2

     

     这里必须明确地指出两个问题,一是由于存在着电机的铜损、铁损以及传动系统的能量,实际上传到螺杆上的功率并没有额定功率那样大,扭矩也不像式(12-1)计算出来的那样大,按式(12-1)的扭矩来设计螺杆是偏保守的.
     第二个问题是如前所述,我们将挤出机的传动看成恒扭矩传动,即功率随转速的增加而正比地增加,扭矩则保持恒定不变,反映在公式(12-2)和(12-3)中的指数x=1。
     
      

    双合金螺杆强度计算的原始数据3

     

     但是实际上并不全是这样,我们曾在ф45挤出机上对不同塑料进行过测试,测出对硬聚氯乙烯和碳砜,指数x=1,而对聚乙烯x=1.35,软聚氯乙烯x=1.4,聚碳酸酯x=1.6.这说明在这种工艺条件下,挤出硬聚氯乙烯和聚砜时看成是恒扭矩传动是可以的;而对另几种塑料只能近似的堪称是恒扭矩传动,这是扭矩随转速的增加而有所增加。根据流体力学理论也可证明这点:
     消耗在螺杆上的功率:
     

    双合金螺杆强度计算的原始数据4

     
        由于黏度η是剪切速率γ和料温T的函数,当剪切速率γ增加(即转速n增加)和温度T增加时,黏度η都会下降。试验表明,对聚乙烯来说,黏度η和螺杆转速之间有式(12-5)所示的关系:
     
     式12-6中的指数与我们实测的指数正好相等。
     作用在螺杆上的轴向力P由两部分组成。第一部分是由机头压力P作用在螺杆端面所产生的“静”压力P1;第二部分是在挤出时由于动载产生的“动”压力P2,这一部分包括了加料段和计量段中沿螺杆轴向压力梯度产生的附加轴向力,例如固体输送过程推进面作用在微元上的正推力(式3-18),流体输送过程αp/ αx和αp/αz产生的轴向力(图5-2)等等.动载力的计算是比较复杂的,目前还没有一个准确而使用的理论公式来计算这一部分.在大多数情况下都是根据实验的数据来考虑动载部分的影响,令P2=KP1,系数K表示了动载部分与静载部分的比值.K=0.125-0.25,即动载部分大约是静载部分的1/8-1/4.
     
     根据我们的实验,证明系数K的数值变化幅度很大,从0.48-0.06都有。当螺杆转速增加时,动载部分数值一般都减小,螺杆参数对动载部分也有明显的影响,例如随着螺旋升角ф的减小,动载部分也会增大。
     
    图12-10 加工LDPE时动载系数K和转速,料温T以及黏度的关系
     目前在设计时一般取K=0.25,因此:
     P=1.25π/4D2p≈D2p   (12-9)
     根据流体动力学理论,当机头关闭时机头压力达到最大值,即:
    Pmax=6πη1L8n/Htgф   (12-10)
     由式(12-11)可知:机头压力正比于熔料黏度η1,计量段长度L3,螺杆直径D和转速n,反比 于螺纹深度H3的平方以及螺纹升角ф的正切.当然,式(12-10)表达的是在断流状态下的非正常情况,用它来计算是不合适的.根据实测对不同的机头由于熔料的不同机头压力总是在一个范围内变化(表12-6)

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