螺旋啮合销钉冷喂料挤出机的设计研究与三维动态过程模拟

论文摘要

橡胶冷喂料挤出机是目前橡胶加工中最重要的成型设备之一,它在橡胶工业中得到了广泛的应用。多年来,人们围绕挤出机的核心部件——螺杆进行了不断的探索和研究,先后出现了不同螺杆构型的挤出机,由于其工作原理的不同而各具特点。其中,机筒销钉螺杆由于具有高质量的塑化效果、输送能力较大、较高的挤出稳定性和自洁能力、生产周期短、制品质量高、能耗低等诸多优点得到了广泛的应用和认可。同时也需要考虑到,只有喂料段输送能力与塑化能力相匹配时,才能保证高质量和高生产率的挤出。而相对于螺杆的发展,喂料段结构的发展是比较缓慢的。早期的自由喂料方式因受机头反压作用的影响,常在喂料口出现堆积胶或胶条打滑现象,影响生产效率和挤出稳定性。随后出现的旁压辊喂料装置虽在一定程度上解决了产量及波动问题,但在冷喂料挤出机中喂料功能却仍然适应不了塑化功能的发展,具体表现为胶料进入轴承使旁压辊工作失效、喂料不足、喂料过程的不稳定性以及容易产生机械故障等。本文在深入研究螺旋啮合喂料机理和传统设备构造优缺点的基础上,设计了一种全新的螺旋啮合销钉冷喂料挤出机,在原有的销钉冷喂料挤出机的结构上进行了研究、有机整合机创新。全文通过理论推导建立了螺旋啮合销钉冷喂料挤出机的功率消耗,受力变形及应力、应变等数学模型,并进行了大量的设计计算和有限元受力分析,对螺旋啮合销钉冷喂料挤出机进行了结构优化设计,为了保证结构的可行性和可靠性,对机台进行了三维造型仿真设计及工作过程动态模拟。本论文的主要成果如下:1.首次将螺旋啮合喂料技术应用在销钉冷喂料挤出机上,解决了挤出机长期尚未解决的挤出稳定性低、漏胶问题、喂料装置容易失效问题、生产效率较低和能耗较高的问题。为现代挤出机实现高质、高效、低耗的性能奠定了基础。2.首次将二次平面包络减速器技术应用在销钉冷喂料挤出机上,极大地简化了传统挤出机采用的多级圆柱齿轮传动减速器的结构,使传动系统的体积减小了40～60%,过载能力提高了1～2倍,噪音明显降低,以及明显提高了传动系统的平稳性和可靠性。为现代挤出机简化传动系统结构和提高传动系统性能开拓了新的途径。3.设计中应用了先进的数字传感技术,胶料压力采用压力传感器,挤出机轴向力首次采用了拉压传感器。使挤出机操作更加直观、方便、安全和可靠。4.设计了结构简单的供胶机头,使挤出机可以为压延机供胶,可以取代陈旧、庞大的开放式炼胶机组的供胶系统,提高了生产效率,降低了能耗,减少了设备投资以及降低了劳动强度。5.设计中针对于螺旋啮合喂料装置采用的三重密封形式,通过在轴承套上开反胶槽、轴与轴承套进行间隙配合、在轴承的内侧加唇形密封圈三种形式加强密封效果,另外开加了漏胶口和刮胶刀,有效地防止胶料进入轴承使旁压辊失效。6.在设计中运用了有限元分析软件。合理简化模型,快速、深入地对结构模型进行静力分析,对不同方案的结构进行比较,对设计进行优化,使结构更加合理可靠。7.运用传统设计、三维仿真设计和过程动态模拟相结合的设计手段,充分体现了设计与制造同步的现代设计理念,缩短设计周期、降低设计成本、在物理样机产生之前预先评估设计。本文对螺旋啮合销钉冷喂料挤出机的设计,是在原有传统挤出机结构上的研究、有机结合与创新,将传统销钉冷喂料挤出机与新型的螺旋啮合喂料技术、新型的传动系统技术进行有机的整合,突破了传统挤出机设计的思路,大大地提高了挤出机的生产能力和塑化能力,提高了工作效率和设备可靠性,降低了能源消耗和设备配套费用。为挤出机技术水平和使用性能的升级奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题目的及设计研究的意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题研究的迫切性
• 1.1.3 课题设计研究的意义
• 1.2 橡胶挤出机的进步与发展
• 1.2.1 柱塞式挤出机
• 1.2.2 热喂料挤出机
• 1.2.3 普通冷喂料挤出机
• 1.2.4 主副螺纹冷喂料挤出机
• 1.2.5 冷喂料排气挤出机
• 1.2.8 橡胶挤出机的发展趋势
• 1.3 橡胶冷喂料挤出机螺杆、喂料装置及机头的发展
• 1.3.1 挤出机螺杆的发展情况
• 1.3.2 挤出机喂料装置的发展概况
• 1.3.3 机头的发展概况
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 本文的章节安排
• 1.4.2 本文的创新点
• 第二章 橡胶螺旋啮合销钉冷喂料挤出机的相关理论研究与进展
• 2.1 螺旋啮合喂料挤出装置产生的背景及工作原理
• 2.1.1 螺旋啮合喂料装置产生的背景
• 2.1.2 螺旋啮合喂料装置的工作原理及特点
• 2.2 螺旋啮合喂料挤出原理的验证性试验与研究
• 2.2.1 喂料方法的验证性试验与研究
• 2.2.2 螺旋啮合喂料装置的验证性试验与研究
• 2.2.3 螺旋啮合喂料挤出机的基本结论
• 2.3 销钉排数对挤出性能影响的验证性试验与研究分析
• 第三章 螺旋啮合喂料挤出机的设计原理及模型建立
• 3.1 胶料的挤出过程分析
• 3.2 螺旋啮合喂料装置的设计原理及数学模型的建立
• 3.2.1 胶料喂入理论分析
• 3.2.2 固体输送理论中固体输送率模型的建立
• 3.2.3 啮合原理中物料输送特性参数模型的建立
• 3.3 平面二次包络减速装置的设计原理及数学模型的建立
• 3.3.1 蜗杆受力模型的力学分析
• 3.3.2 蜗杆轴挠曲变形的数学模型
• 3.4 聚合物在机筒销钉螺杆内流动性的研究
• 3.5 螺旋啮合喂料挤出机机头的设计原理及数学模型的建立
• 3.5.1 入口效应
• 3.5.2 出模膨胀
• 3.5.3 实现稳定挤出过程的考虑因素
• 3.6 本章小结
• 第四章 螺旋啮合销钉冷喂料挤出机的结构设计及有限元分析
• 4.1 挤出机传动系统的设计
• 4.1.1 传动装置的设计计算
• 4.1.2 结构设计
• 4.2 螺杆的设计
• 4.2.1 螺杆结构参数的选取
• 4.2.2 螺杆强度校核
• 4.3 螺旋啮合喂料装置的设计
• 4.3.1 螺旋辊结构设计
• 4.3.2 螺旋啮合喂料装置组装图
• 4.4 喂料段机筒的结构设计
• 4.5 塑化段机筒的结构设计
• 4.6 机头的结构设计
• 4.7 螺旋啮合销钉冷喂料挤出机总图
• 4.8 基于有限元思想的零件结构设计的优化
• 4.8.1 轴承座的有限元分析和结构改进
• 4.8.2 喂料辊的有限元初步分析
• 第五章 螺旋啮合销钉冷喂料挤出机的三维造型设计与动态过程模拟
• 5.1 三维造型设计
• 5.1.1 减速器的三维造型设计如图5-1 所示
• 5.1.2 螺杆的三维造型设计如图5-2 所示
• 5.1.3 螺旋啮合喂料装置的三维造型设计如图5-3 所示
• 5.1.4 喂料段机筒的三维造型设计如图5-5 所示
• 5.1.5 塑化段机筒的三维造型设计如图5-6 所示
• 5.1.6 机头的三维造型设计如图5-8 所示
• 5.1.7 整机组装图如图5-9 所示
• 5.2 螺旋啮合喂料挤出机的三维动态模拟
• 5.2.1 三维动态模拟的动作过程
• 5.2.2 三维动态模拟的实现原理与方法
• 5.2.3 动态模拟的实现步骤
• 5.2.4 三维动态模拟过程图
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果