金鑫擠出機螺桿優(yōu)化設(shè)計的目標、特點和方法(2)
摘要： 擠出過程是一個復雜的物理化學過程．其中包括物料的輸送與相變、化學反應、熱傳遞與交換、能量變換等，導致螺桿各段所要求的功能相異，構(gòu)成了不同于普通機械設(shè)計的特點與方法相應地，螺桿的優(yōu)化設(shè)計也有其獨特的方面和方法
2 螺桿優(yōu)化設(shè)計的特點與方法
擠出過程是一個復雜的物理化學過程．其中包括物料的輸送與相變、化學反應、熱傳遞與交換、能量變換等，導致螺桿各段所要求的功能相異，構(gòu)成了不同于普通機械設(shè)計的特點與方法相應地，螺桿的優(yōu)化設(shè)計也有其獨特的方面和方法。
2.1螺桿優(yōu)化設(shè)計的特點
2.1.1設(shè)計參數(shù)多
由于螺稈幾何形狀復雜，且影響擠出機生產(chǎn)能力和功率消耗的因素眾多，從而使螺桿設(shè)計參數(shù)多。例如，對于圓體輸送段，影響Q，的幾何參數(shù)有Db，θb,H，W，e等。這些參數(shù)在一定條件下又影響到物料的溫升、移動角和壓力等。此外，公式(1)是基于固體機械運動而導出的，若考慮到運動過程申靠近螺桿和機筒表面處物料出現(xiàn)熔膜現(xiàn)象，則包含的設(shè)計變量更多、更復雜。
2.1.2優(yōu)化目標多
如前所述，螺桿各段的功能不同，故相應的優(yōu)化目標存在較大的差異。而就任一區(qū)段而言，亦存在多優(yōu)化目標的情況。例如，圓體輸送段，既要求螺桿的輸送效率高、輸送率波動小，亦希望能耗?。粚τ谌廴诙?，則要求熔融速率高，亦即能量轉(zhuǎn)換與傳遞效率高、對于計量段，除要求生產(chǎn)率高、能耗低之外，還希望擠出平穩(wěn)、擠出物質(zhì)量高。此外，對于批量生產(chǎn)螺桿的廠家，還存在一個如何在保證螺桿工作性能及強度剛度滿足的前提下，盡可能使螺桿用料最省的問題。
2.1.3約束條件多
機械最優(yōu)化設(shè)計是根據(jù)預定的優(yōu)化目標和設(shè)計要求建立數(shù)學模型，并按工作要求及條件確定約束條件，然后選擇優(yōu)化方法尋找最佳設(shè)計方案的過程。螺稈的優(yōu)化設(shè)計，除需滿足強度和尉度條件外，還要求滿足聚合物成型加工工藝條件，這就導致設(shè)計模型的約束條件眾多，增加尋優(yōu)的難度綜上所述，設(shè)計參數(shù)多、優(yōu)化目標多、約束條件多構(gòu)成了螺桿優(yōu)化設(shè)計的主要特點，并導致尋優(yōu)過程的復雜性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，上述特點也是高分子材料加工機械最優(yōu)化設(shè)計的共同特點。
2.2螺桿優(yōu)化設(shè)計的方法
一般說來，優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型中的目標函數(shù)，設(shè)計變量和約束條件越多，則設(shè)計過程和優(yōu)化過程越復雜，越困難。所以，由前述知，設(shè)計一條滿足各方面條件的最佳化螺桿是不可能的。于是，人們致力于尋求在預定優(yōu)化目標下螺桿重要幾何參數(shù)如螺紋升角、槽深，螺桿與機筒間隙、長徑比等的優(yōu)化設(shè)計方法。目前，常用的螺桿優(yōu)化設(shè)計方法有：簡化條件下的數(shù)學求極值方法(解析法)，建立在實驗基礎(chǔ)上的圖解法和正交設(shè)計法、統(tǒng)計分析法和CAD等。
2.2.1解析法
該法使用較早。一般是在單一優(yōu)化目標(如產(chǎn)量或功率消耗)下對某一設(shè)計變量進行最優(yōu)化設(shè)計，其尋優(yōu)方法即為高等數(shù)學中的求極值方法例如，由公式(1)中可以看出，若不考慮壓力變化及螺桿摩擦因素f，Q，可達到最大。于是式（1）可寫成。
2.2.2圖解法
當要考慮的設(shè)計變量非單一，或設(shè)計變量以某種函數(shù)關(guān)系形式表達時，應用圖解法可直觀地顯示出該參數(shù)的最佳值范圍。例如，由式(1)知，當其它參數(shù)一定時，生產(chǎn)能力與tgф*tgθb/(tgф+tgθb)成正比。若取f。=fb，D=50mm，H=10mm，繪出tgф*tgθb/(tgф+tgθb)與θ的關(guān)系曲線如圖2所示f當f=0.25-0.50(大多數(shù)塑料在此范圍內(nèi))時，螺紋升角的最佳值范圍為17°～20°。因而目前大多數(shù)螺稈被設(shè)計成螺距等于直徑，這時θb=17．66°。
2.2.3正交設(shè)計法
如前所述，螺桿設(shè)計的變量眾多，各變量之間又可能存在著某種聯(lián)系，這些聯(lián)系有時會十分復雜。在這種情況下，應用實驗方法去尋找設(shè)計變量的最佳取值范圍往往更為有效。但是，若采用常規(guī)的實驗方法，則需進行上百次基至上千次宴驗，費時費力正交設(shè)計是按照一定規(guī)律(正交表)用最少實驗次數(shù)尋求最佳實驗效果的科學方法。在分析各影響因素的基礎(chǔ)上，將每個因素選擇需要的水平數(shù)按正交表所示的組合原則進行實驗對實驗結(jié)果進行正交分析，既可確定設(shè)計參數(shù)的最佳值．亦可判斷其中的主要因素，以便分析出效果更好的實驗方案。
2.2.4統(tǒng)計分析法
應用圖解法和正交設(shè)計法盡管可確定設(shè)計參變量的最佳值范圍，但不能建立用于指導設(shè)計的模型，因此存在一定的局限性。建立在統(tǒng)計理論基礎(chǔ)上的回歸分析方法則可較好地解決這一問題。具體做法是，根據(jù)實驗結(jié)果，確定螺桿設(shè)計參數(shù)與擠出工藝，材科性能，工作特性之間的近似定量關(guān)系(應用回歸分析)，對若系式進行回歸效果檢驗；利用所求得的關(guān)系式對擠出過程進行分析和預測，采用圖解法或計算機尋求設(shè)計的最佳化。
2.2.5CAD
按擠出理論建立的螺桿設(shè)計模型相當復雜，且考慮的因素愈多，模型愈復雜，計算過程愈困難。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，自七十年代以來，人們致力于螺桿的計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的開發(fā)與應用。在進行螺桿CAD時，一般假設(shè)螺桿參數(shù)，物料性能參數(shù)和擠出工藝參數(shù)為已知并輸入計算機，V得出形如=f(z)，T=f(z)等關(guān)系式。然后檢驗熔融情況、擠出溫度等是否滿足要求。若不滿足，則修改其中某些參數(shù)，直至滿意為止。計算結(jié)果可以是表格，亦可以是圖線形式，綜合分析后確定最佳值范圍。由于理論公式尚不完善，故計算值還需用實驗驗證。
2.2.6可靠性設(shè)計
建立在概率統(tǒng)計理論基礎(chǔ)之上的可靠性設(shè)計，是在可靠度足夠的前提下，尋求設(shè)計參數(shù)的最佳值。近年來，被廣泛應用于機械通件的優(yōu)化設(shè)計。筆者曾應用它確定普通螺桿的最適宜根徑和螺桿強度安全系數(shù)的最佳化。
3 結(jié)束語
聚臺物擠出是一個相當復雜的過程，它涉及到固體力學、流變學、傳熱學和高分子物理學等多種學科。眾多的工藝參數(shù)、復雜的螺桿幾何結(jié)構(gòu)和物料的加工性能，以致迄今尚未有較理想的定量公式來進行螺桿設(shè)計，從而構(gòu)成螺桿優(yōu)化設(shè)計的特點。所以，要設(shè)計出普遍適用的最佳化螺桿是不可能的于是，人們大多致力于尋求單一優(yōu)化目標下少數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值。
目前，用于擠出機螺桿優(yōu)化設(shè)計的方法主要有：解析法、圖解法、正交設(shè)計法、統(tǒng)計分析法、CAD和可靠牲設(shè)計等。各種方法互有短長，應用時可根據(jù)實際情況而定，或混臺使用。
