李 勇
桂林市君威机电科技有限公司， 广西 桂林 541004
摘 要：螺杆挤出机是主要的聚合物加工设备之一，已被广泛用于聚合物加工行业，并将用于其他行业。说明螺杆挤出机工作性能的主要技术参数有:螺杆直径、长径比、速度范围、牵引螺杆马达功率、生产可塑性、加热功率和气缸段数、机器中心高度和外观尺寸等。这些参数是评估和选择拉伸器的主要基础，也是设计螺旋拉伸器时首先要确定的技术参数。螺杆挤出机的螺杆通常根据螺杆挤出机中聚合物的三种物理状态的变化分为进料段、熔体段和测量段。由于螺钉几何结构复杂，很难创建完全反映拉伸器优化设计的数学模型。尽管可以为螺杆挤出机的优化设计创建理想的数学模型，但由于影响因素的复杂性和设计变量的数量，基于螺杆的功能段进行建模和优化设计更为现实。以供参考。
关键词：单螺杆挤出机；双螺杆挤出机；优化设计；理论分析；
前 言：螺杆挤出机的最佳化设计包括根据特定制程和生产条件下的设计需求和目标选取设计变数和建立目标特征，以及在适当的约束下取得螺杆直径、节距和槽深度参数的最佳值。阐述了螺杆挤出机的主要参数，总结了螺杆优化设计的理论基础和特点。螺钉优化设计现状概述与展望。
1 螺杆挤出机优化设计的理论与方法
理论基础:机械优化设计包括两个主要部分:一是优化问题的数学建模；二是选择优化问题的解决方案。分析表达式的数学模型不仅取决于预期的优化目标，而且在很大程度上取决于对工作条件和整体理论的理解。对于三级螺旋挤出机，材料依次经过不同的运输阶段，如固体运输、熔解和运输，每个阶段的运输机制也不同。因此，螺杆挤出机最佳进料、熔体和测量段设计的理论基础是不同的:darnell和Moore提出并由Tadmore和Berroy开发的固体摩擦机构的固体输送理论maddock等物理数学模型的核聚变理论；以及动力学理论最佳化目标:螺丝最佳化设计有许多目标，主要是为了达到最大产能或最小耗电量，同时确保挤出品质。设计变量:设计方案可以由一组基本参数表示。需要优化的独立参数称为设计变量。螺钉直径、长径比、螺纹角度、螺旋槽深度等参数。，它们直接关系到螺栓的载荷能力、生产能力、能耗、拉伸质量和加工能力。因此，它们通常被选作设计变量。
2 螺杆挤出机优化设计
2.1 单螺杆挤出机优化设计
根据挤出过程和单螺杆挤出机挤出理论，分析了螺杆结构及其几何参数，以确定其对螺杆塑化性能的影响。对聚丙烯竹粉进行了相关的几何参数优化，优化结果表明，木质复合材料专用螺钉比普通塑料螺钉更便于运输木质复合材料，避免了塑料复合材料粘度增加引起的一系列问题影响材料塑胶测量段压力范围的因素包括螺旋槽的深度、螺旋角度和测量段螺旋边的宽度。如果增大螺旋槽的深度并减小螺纹角度，则可以降低测量段的能耗。随着螺钉筋宽度的增加，测量段用于运输熔体单位的能量量也会增加，但增加幅度相对较小；如果螺旋肋宽度增加太多，螺旋肋的耗电量也会增加，可能会导致局部过热。螺旋肋的宽度必须在适当的范围内进行控制。使用Pro/E分析软体来确定最适合挤出机螺杆的系数，以提高生产力。结合正交试验和Matlab仿真，对单螺杆式挤出机的固体输送段进行了数值模拟。优化结果是通过目标的多维优化、单个螺钉的几何参数对实体运输速度和效率的影响以及螺钉参数的优化组合来实现的。优化过程:首先，通过组合仿真计算和正交试验，可以快速有效地优化单螺杆挤出机的螺钉；第二，由于螺旋槽的宽度对固体的运输速度和效率影响很大，且螺距对固体的运输速度影响最大，因此使用Matlab优化了单螺杆挤出机的结构，以确保在合理的限度内控制这两个因素对挤出过程的影响。结果表明，优化设计不仅可以提供更可靠的结果，还可以缩短单个螺钉的设计周期并降低研发成本。
另外，可以使用有限元软件进行应力分析，并与传统方法进行比较。实践证明，合理使用有限元法进行仿真计算可以优化和调整挤出过程参数和结构设计，从而得到合理优化的解决方案。讨论了单螺杆挤出机进料段的优化设计，优化目标是最大限度地降低单位产量能耗，建立了挤出机进料段螺杆优化设计的简化数学模型，并采用应力坐标旋转法求解。螺旋槽的最佳宽度、深度和螺纹角度值包括在内或接近文档中建议的值。对单螺杆挤出机螺杆融合部分的优化设计进行了研究，研究表明螺杆槽深度、峰值宽度和螺纹仰角直接关系到挤出机的能力、塑性质量和能耗。利用这些几何参数作为设计变量，并为了最大限度地降低每个工作站的能耗，为挤出机的铸件创建了一个简化的螺栓优化设计数学模型。套用约束复本以解决问题。这将提供螺旋槽深度的最佳值，该值位于螺钉合并段的起点、螺钉头的顶部宽度和螺纹的上升角度，从而优化螺钉合并段。还讨论了挤出机螺杆测量段的优化设计。根据粘性流体动力学的基本方程分析螺旋槽中聚合物的流动。为了降低单位产量的能耗，采用约束随机方向法建立并求解了挤出机测量段螺钉优化设计的简化数学模型。结果表明，螺旋槽的深度、螺旋顶面的宽度、螺旋顶面与圆柱体之间的间距以及螺旋的仰角均在文献所建议的范围内或接近文献所建议的范围。
2.2 双螺杆挤出机优化设计
为了解决SJ-150双螺杆挤出机缸体热变形引起的磨损问题，提出了新的结构设计方案，并利用Pro/E和ANSYSWorkbench建立的协作模拟优化平台对新方案的缸体结构进行了优化和分析，以确定通道的最佳位置与初始方案相比，结果如下:改进方案的总热变形减少15.4%，圆柱体和螺钉之间的磨损实际减少。作为开发高性能双向双螺杆挤出机的一部分，建立了三轴传动系统中两对转矩分布齿轮的优化数学模型，并根据多个齿轮传动设计方案的比较，采用混合罚函数法对优化计算进行了编程 考虑到两个双向螺杆输出轴线的径向间隙的严格限制以及齿轮接触强度和疲劳强度的要求。 在优化计算中，以φ35双螺旋挤出机为例，计算结果表明，分布齿轮优化设计模型可为研制小型双螺旋挤出机配电箱提供优化设计参数。修改修正螺旋间隙的方法通常有三种:第一种方法是减小与理论中心的距离。然后，理论轴向曲线沿轴和半径平移两次，以获得新的螺纹曲线。最后，您可以沿法向等距离平移螺旋线上的每个点，以移除间距修正，并建立修正方程式。首先分析双螺杆挤出机传动系统，掌握传动箱布局和各种传动选项，并与已知传动系统进行比较，确定其优缺点，然后利用Matlab软件及其优化工具箱优化传动系统中的齿轮。优化过程从数学建模开始，包括创建目标特征、选择设计变量和约束特征。然后通过Matlab编程优化齿轮。最后，在双螺旋桨驱动轴和二次轴上设计了齿轮。优化结果表明，输出轴转速比优化前提高43%，提高了双螺杆挤出机的工作效率；与此同时，通过将初始参数与优化参数进行比较，可以看到模数和齿轮齿数的减少，从而降低了传动系统的体积和质量，并降低了制造成本。
结束语：
综上所述，利用Pro/E参数化建模软件和ANSYS通用有限元软件构建的协同仿真优化平台，分析了螺杆挤出机的基本参数和螺栓结构，对螺杆挤出机进行参数化建模，得出优化设计方案。设计方法比经验性设计方法更短、成本更低，确定重要参数更可靠，可作为设计类似螺钉的参考。
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