螺杆设计技术

  • 发布日期:2016-07-01
  • 摘要:
     挤出理论所描述的挤出过程实质上是用数学分析的办法建立已知自变量x(输入量如螺杆参数、工艺参数和物理参数)和挤出机螺杆性能y(产量Q、单耗N/Q、温升T、波动△p、△T……)之间的数学关系y=f(x1、x2、x3、……xn).从理论上说,每一组输入量都应该得到一组确定的螺杆性能y,但是实际上由于挤出工艺的复杂性以及实际检测过程中不可避免的误差,我们不可能得到准确的数学对应关系.因此在工程设计中,人们旺旺根据试验结果,用回归分析的方法寻找挤出过程的统计规律性,这也是一种最佳设计的行之有效的方法.这个方法的基本思想是暂时抛开挤出过程的物理实质,将挤出过程看作类似控制论中的“黑箱”。所谓“黑箱”,指的是这样一个系统(图13-8),其输入量x1,x2。。。。。。xn,是已知的,其输出量y1,y2。。。。。yn是可以测出的,而其内部机理则是暂时不明的。“黑箱”的任一输出量y都是输入量x1,x2。。。。。xn的函数,即:
    y1=E(x1,x2,x3.....xn)
    y2=F(x1,x2,x3.....xn)
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    .
    Yn=M(x1,x2,x3.....xn)
     统计理论在螺杆设计上的应用1

     

     在回归分析过程中,根据需要式(13-32)可以写成含有一次项的多元线性回归方程,或者写成多项式回归方程,后者通过数学变换也可转换成线性回归方程.
     为了减少实验工作量 ,可以正交设计的规律来安排实验次数和选择必须的因素和水平。
     按上述统计理论的规律,采用回归分析的方法,我们便可得到:
    1.       从实验数据出发,确定螺杆参数,挤出工艺,塑料性能(输入量)和螺杆性能(输出量)之间的近似的定量关系式;
    2.       对这些关系式的可靠性要进行统计检验;
    3.       从影响螺杆某一性能的许多输入量中,判断那些输入量对该性能影响较大,而那些影响不显著;
    4.       利用所求的的关系式对挤出过程进行分析与预测,利用图解法或计算机寻求设计的最佳化.

     

      这里以一具体设计为例,扼要地介绍按统计规律设计螺杆、寻求其最佳参数的具体过程。加工材料为高分子量聚乙烯。

       螺杆直径D=45mm,母体部分的长径比L/D在11.2-20.62范围内变动,头部有一剪切元件L(图13-9)。为了配合螺杆长度的变化,开有纵向沟槽的IKV机筒也可在(10-25)D长度上变化。螺杆头前有一测量环,可以测量同一截面上的料压和料温。所有的螺杆性能(Q,N1,T,△T1,△T2,△P,Mk,△N。。。。。。)都可实测或自动记录。考虑到螺杆长度L和螺槽深度H,剪切间隙△和剪切长度L之间的交互作用,为了减少实验工作量,按正交设计的规律来安排实验。根据实验时测出的表征螺杆性能的输出量(表13-6),采用逐次的办法,得到描述螺杆性能的各方程的系数如下(式13-33-式13-37):

     

     以式(13-33)为例,我们可以看出:对产量Q影响最大的 因素是剪切元件的剪切间隙x3(b2=3.1324)和剪切长度x4(b4=2.9186),其次是螺杆转速x3(b3=2.6785)和第一段机筒温度x6(b6=2.2393),再其次才是螺槽深度x1(b1=2.0299)和机头压力x5(b5=1.5148),而螺杆长度x2(b2=0.3120)和第二段机筒温度x7(b7=0.3263)对产量的影响却很小.除此以外,还可以看出:某些交互作用,如螺槽深度和螺杆长度之间的交互作用x1x2(b12=1.9433),第一段机筒温度和螺杆转速之间的交互作用x6x3(b=1.3518),剪切间隙和螺杆转速之间的交互作用x3x6(b=1.1717)对产量Q都有一定影响.
     
        对平均料温T、温度波动ΔT1、熔融指数MI和功率消耗都可以这样来分析.

      采用图解法能更清楚地看出各个自变量对螺杆性能的影响。现举出上述实例的一部分分析图表来具体说明:

    1.       各个参数对产量Q的影响。从图13-10到图13-13可以看出:当剪切间隙Δ增大时产量Q增加,Δ每相差0.2mm时产量相差4kg/Hr;而当剪切长度从37mm下降至13mm时,产量Q大约增加了6 kg/Hr(图13-10);对剪切间隙Δ小而转速n较大的螺杆,当机头压力减小150kgf/cm2时产量大约增大4kg/Hr。相反当Δ较大而n较小时在压力同样减小150kgf/cm2的情况下产量仅增加2kg/Hr(图13-11和图13-12);当第一段机筒温度T减小时产量Q增加,降低30°C时产量约增加6kg/Hr(图13-13)。

    2.       各个参数对平均料温T的影响。从图13-14;当机筒温度T p1上升时,或者当间隙Δ减小0.2mm时,平均料温T大约升高15°C图13-14;当机筒温度T p1上升时或者当间隙Δ减小时,平均料温都会上升图13-15;当机筒我呢度Tp2和转速n上升时平均料温T都会上升,例如每当转速提高35rpm时平均料温大约增高15°C(图13-16).

    3.       各个参数对径向温差ΔT1的影响。从图13-17到图13-19可以看出:当螺槽深度H3增加时,温度波动ΔT1也相应增加,而压力增加时波动增加不大(图13-17);当转速上升时,波动增加。在L较短时,机筒第二段温度每上升10°C,波动大约下降1-2°C(图13-18);当间隙Δ和剪切长度L增大时,波动都跟着增加(图13-19)。

    4.       各个参数对单耗N/Q的影响。从图13-20和图13-21可以看出:当螺杆长度L和螺槽深度H3增加时,单耗都相应减少(图13-20);而当间隙Δ减小或剪切长度L增加时,单耗都相应上升(图13-21)。

     

      5.各个参数对熔融指数MI的影响。早挤出过程中塑料的物理机械性能、光学性能、电性能和流动性能等都会发生改变。同事测量这些性能的变化工作量太大,因此可以用熔融指数MI的变化来间接地反映这些性能的变化。一般来说,加工后的MI值有所降低。在本例中,随着加工条件的不同,各因素对MI的影响如图13-22到图13-25所示。间隙Δ和剪切长度L对MI的影响不大(图13-22);当螺杆长度L较短时,螺槽深度H3对MI的影响不大,而当螺杆较长时,H3对MI有一定的影响(图13-23);当压力p增高或螺槽深度H3变浅时,MI都会减小(图13-24);最后,当间隙Δ增加和第一段机筒温度减小时,MI都会增加(图13-25)。

     

      在以上分析的基础上可以用图解法求螺杆和工艺条件的最佳参数。图13-26证明:为了求得剪切间隙Δ和剪切长度L的最佳值,可以将同样挤出条件下的图13-10、图13-14、图13-19、图13-21和图13-22叠加在一起。这时便可看出:为了使得产量Q最大,温升T、波动ΔT1,单耗N/Q和熔融指数都最低,剪切间隙Δ和剪切长度L的最佳范围应在图13-26中的影线范围内,即Δ=0.45-0.6mm,L=10-14mm。

     

     依靠图解法虽然可以求得某些参数的最佳值,但是要全面寻求最佳条件是苦难的,工作量也是很大的。这时往往要根据实验数据,按统计理论的规律采用电子计算机进行计算以求得设计的最佳化。

    标签: 螺杆定做(16)

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