挤出机螺杆芯轴的受力和失效分析

  • 发布日期:2016-07-12
  • 摘要:

     

    近年来,由于挤出机产量越来越大,驱动功率越来越大,螺杆的转速也随之提高。为了有效提高轴承受单向扭矩能力,分析研究挤出机螺杆芯轴的失效和受力原因是非常重要的。为何获取更好的塑化效果和生产能力,大直径螺杆、超深螺槽是近年挤出机发展的趋向,其轴所承受的扭矩也越大,挤出机在运行中发生的芯轴折断事故拼拼出现。因此,研究挤出机螺杆芯轴失效的原因,对于提高挤出机生产能力和产品质量,有着至关重要的意义。

    1.芯轴的受力与失效分析
      挤出机螺杆由螺杆元件、芯轴等部件组成,螺杆芯轴将由减速箱传递来的扭距通过花键或平键传递给螺杆元件,带动螺杆元件转动,完成对树脂的融熔、塑化、均化、挤出等作业。由于挤出机料筒与螺杆之间充满了融熔的树脂,螺杆在工作过程中悬浮在料筒内。一般认为,螺杆芯轴在此过程中主要承受剪应力。
     挤出机螺杆芯轴的失效通常呈现脆断形式,一般发生在轴径突变处。断面通常有裂纹等缺陷存在。
       芯轴通常采用高强度的合金钢制造,其毛坯通常为锻件,材料的塑性与韧性较差。有的制造厂为了降低成本,使用不合格的原材料,使得毛坯内部存在裂纹、夹渣、气孔等缺陷。在轴径突变处存在应力集中,如果这些缺陷存在于应力集中处,在一定扭矩和疲劳载荷的作用下,挤出机的芯轴就极容易折断。

    2 芯轴的自增强理论
    2.1基本构想
    根据材料力学,受纯扭转的轴横截面上的剪
    应力分布为: 

      剪切应力分布如图1(a)所示。对于理想塑性材料,随着载荷的增加,当轴横截面外缘处的剪应力达到材料的屈服极限后,此处剪应力值将不再增加,而增加的载荷将由屈服的部件来承受[如图1(b)]。

     

    根据目前轴强度的设计规定,对于受纯扭转的轴必须使其最大剪应力满足下式:
    гmax<[r](2)
    式中[r]为材料的许用剪切应力,MPa。此时,轴的芯部材料所受的应力远远低于材料的屈服极限,因此实际轴材料的机械性能远未能得到充分的发挥与利用。对于承受单向扭转的轴,在使用前,如果施加一个与工作扭矩方向相反的扭矩,且使名义上计算的最大剪应力大于材料的屈服极限,即~rnax大于r。,即使轴的外表面纤维层先预屈服,而此时轴内部的纤
    维组织仍处于弹性状态。当去除该载荷后,轴内部的组织要弹性恢复至变形前的状态,而外层纤维由于已经屈服,这样便在轴的横截面上存在一个残余应力区,即外层组织受压,内层组织受拉。如图2
    (a)所示。
    当施加工作扭矩以后,所产生的工作剪应力与残余剪应力叠加,降低轴外缘处的应力峰值[如图2
    (c)所示],充分利用了材料的性能。

    2.2 基本假设

      材料为理想塑性 材料,其扭转 变形符合平面假设 。
    2.3 自增强应力分布
      当轴横截面外缘处的剪应力达到材料的屈服极限后,其屈服圆半径(r)为:

    施加工作扭矩以后轴横截面上的剪应力分布为:

    2.4自增强计算实例
    某挤出机芯轴直径20mm,材料的剪切屈服极限为120MPa,许用剪切应力为40MPa,采用上述方法,在使用前施加与工作扭矩方向相反的自增强扭矩(235.5N·m),其在轴的横截面外缘处产生的残余应力为70MPa。工作时,当最大计算剪切应力为110MPa时,其实际剪应力也不会超过材料的许用应力。轴的实际承载能力提高了2.75倍。

     3 结论

      a)芯轴的自增强方法是一种提高单向旋转并承受纯扭矩轴的承载能力的有效途径,可以成倍地提高该类构件所能承受的最大扭矩。
      b)制作挤出机螺杆芯轴的材料应该采用优质钢,不得存在气孔、疏松等缺陷,其材料中硫、磷含量应该尽量低,以提高材料的韧性和塑性,防止产生脆性断裂。
      c)构件的毛坯应采用锻件,并严格控制终锻温度。终锻温度过高,材料的晶粒长大,塑性下降;终锻温度过低,材料在锻打后存在残余应力,并容易产生裂纹。
      d)毛坯制造前和加工过程中应该严格检验,防止其表面和芯部存在裂纹等缺陷。

     

      e)加工与使用过程中应注意旋向,严禁逆向旋转。
     
     

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