摘要：本文對我們的最新研究進展進行了綜述，提出了非平衡螺桿的設計理念，對比了雙通道機筒和單通道機筒的傳熱性能，給出了銷釘機筒在PID溫控模式下的溫度變化的模擬方法，最后利用有限元方法分析了傳動系統的力學性能和振動模態。本文涉及內容可為我國橡膠銷釘擠出機的更新換代提供一定的基礎理論支持。
1 介紹
橡膠銷釘擠出機是現代橡膠行業最重要的加工設備。銷釘擠出機不僅可以降低擠出溫度，提高擠出產量，而且還可以提高混煉效果，自問世以來就得到廣泛的應用。我國于20世紀80年代引入銷釘式冷喂料擠出機，經過多年的發展與研究已形成了較成熟的技術，但還是無法研制出綜合性能達國際一流水平的設備。為更進一步提高我國銷釘擠出機的總體水平，在最近的研究中，我們針對螺桿、機筒和傳動系統進行了更加深入的研究。本文對我們的最新研究進展進行了綜述。本文涉及內容可為我國橡膠銷釘擠出機的更新換代提供一定的基礎理論支持。
2 非平衡式螺桿的設計
螺桿是擠出機的核心部分，其性能直接決定了擠出膠料的質量。從功能上，螺桿可分為固體輸送段、熔融段和熔體輸送段。文獻給出了各段能力的計算公式：
固體輸送段輸送能力：

熔融段熔融速率：

擠出段輸送能力：

在傳統的設計方法中，通常要保證固體輸送段輸送能力、熔融段輸熔融速率以及熔體輸送段輸送能力相平衡。這樣的設計容易受到外界因素的影響，造成螺桿各段之間的相互干擾。比如固體輸送段內膠料加入量突然增加，這樣會造成熔融段無法完成全部物料的塑化。同時，熔體輸送段內物料會在熔體輸送段入口壓力增大的情況下產生輸送產量波動。這樣的波動是造成擠出不穩定的主要因素。所以，我們考慮了非平衡式螺桿的設計，這一設計理念是令擠出段的輸送能力大于熔融段輸送能力，熔融段輸送能力大于加料段段輸送能力。如加料量突然增加，但是熔融段的熔融能力大于加料段的輸送能力，這樣就不會造成塑化不充分的問題，同時，由于熔體輸送段的輸送能力大于固體輸送段輸送能力，那么由此造成的產量波動，將在熔體輸送段減弱或消失，這樣就保證了擠出過程的穩定性。
3 節能機筒溫控過程數值模擬
高效、精確、節能是現代橡膠擠出行業對銷釘擠出機溫控系統提出的要求。傳統的導熱介質流通通道結構，往往不能夠把加料生熱及時帶走，并且無法靈敏且精確的進行機筒溫控。為此，我們開發了雙通道機筒。圖1中給出了單通道機筒和雙通道機筒結構的對比。此外，在傳統機筒傳熱性能分析時，我們沒有考慮機筒在溫控模式下的傳熱性能，這樣就無法獲得機筒在實際工作狀態下的溫控狀態。為此，我們對Fluent軟件進行了二次開發，編寫了具有PID控制功能的UDF函數，來實現機筒實際工作過程中溫度的動態仿真模擬。
3.1 雙通道機筒和單通道機筒的性能對比
本研究中設計了雙側雙通道和雙側單通道兩種溫控流道的機筒，兩機筒的模型及流道展開圖如圖1所示。通過升溫模擬對比這兩種不同結構的機筒的傳熱性能，升溫模擬結果如圖2所示。從圖中可以看出，雙通道機筒升溫速率更快，并且最終溫度更高，具有更好的傳熱性能。這是由于雙通道機筒具有更大的流道面積、更短的流道長度以及更大流道體積比。

圖1 兩種機筒模型及流道展開圖

圖2 兩機筒升溫過程曲線

3.2 銷釘機筒在PID控制下的溫控狀態模擬
以銷釘機筒為例，模擬機筒在PID控制下的溫控效果。模擬中的邊界條件根據實際情況確定：（1）設定機筒內壁面為恒定熱源，同時為溫度采集面；（2）流道中通入加熱或冷卻介質，簡化各個流道壁面為不同恒定溫度的冷卻面或加熱面，其加熱或冷卻功能由PID控制；（3）其余面與空氣接觸。圖3為機筒內壁面經過PID溫控的曲線圖，圖4為PID控制穩定后機筒的溫度分布圖。模擬設定溫度為363K（90℃），經過PID溫控，可以使機筒內壁面較快達到設定溫度并穩定在附近。在模擬過程中發現，不同結構的機筒對應不同的PID參數，因此可以使用模擬的方法來確定PID參數，省時可靠。并且還可以使用模擬的方法來對算法進行研究，所得到的結果可靠性也非常高。

圖3 PID控制下機筒內壁面溫度

圖4 PID溫控穩定后機筒溫度分布圖

4 低噪聲傳動系統的軸系強度校核及振動模態分析
為進一步提高擠出機傳動系統使用壽命和降低齒輪箱的運轉噪聲，我們利用有限元方法不僅對齒輪軸系進行了力學性能校核，還對箱體的振動模態進行了分析。
選取某螺桿直徑為120mm銷釘擠出機齒輪箱軸系中各軸進行強度校核。依據實際情況施加力的邊界條件：（1）輸入端施加扭矩；（2）兩支撐面施加支撐力；（3）齒輪接觸面施加接觸條件。經過模擬，我們發現最大的應力和最大形變都發生在輸出軸上，其應力和變形結果如圖5所示。從圖中可知，該軸最大應力為2.5673e8Pa，分布在接大齒輪的齒根部；該軸的最大形變為2.2295e-4m，分布在大齒輪的輪齒上。

圖5 輸出軸強度校核結果

應用Workbench的振動模態分析功能可直接進行振動模態分析。對上述齒輪箱箱體進行振動模態分析，得到其前六階陣型圖，如圖6到圖11所示，各階振型對應頻率見表1。箱體的振動來源于齒輪軸的轉動及齒輪系的嚙合。輸入軸的轉速為1500rpm，25r/s。輸入軸上17個齒，輸入軸每旋轉一周，由于齒輪嚙合而造成的振動頻率為17X25=425Hz。該頻率處于箱體第一和第二階振動頻率之間。擠出機的噪聲與各個部件的振動都有關，主要的振動來自減速箱。從各階振動頻率來看，減速箱的固有振動頻率較高。而對于擠出機支架來說，通常采用鋼材或鋼板的焊接結構，固有振動頻率數值較低。電機、齒輪箱和擠壓系統等部件的振動傳遞到支架上，很容易接近支架的固有頻率，造成較大噪聲。同樣的振動模態分析方法，可在包括支架綜合模型上進行計算，得到結果將更有指導意義。

表1 齒輪箱體各階振動頻率

5 總結
（1）提出了一種非平衡式螺桿設計理念，將螺桿的固體輸送能力、熔融段輸送能力以及擠出段輸送能力依次增大，減少了各段間的輸送影響，從而增加了擠出過程的穩定性。
（2）開發了雙側雙通道機筒，該機筒具有更高的溫控靈敏性；并提出基于PID控制的機筒運行狀態下溫度模擬方法，使得有限元模擬結果能夠真實地描述實際工作狀態。
（3）對傳動系統進行力學性能和振動模態有限元分析，為綜合性能優異且運行噪聲低的擠出機傳動系統開發提供了一種有效的計算方法。
（張俊、郭少龍、潘家芳、畢超）
（北京化工大學機電工程學院；中國化學工業桂林工程有限公司）