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2011年8月中国制造业信息化第40卷第15期
浅析单螺杆挤出机用螺杆的径向曲与磨损的原因
陈辉殿
(南京艺工电工设备有限公司,江苏南京211199
摘要:以150mm螺杆为例,分析了单螺杄塑料挤出机的螺杆在机筒中静止和工作状态下的挠曲
情况,由此进一步分析和讨论了磨损的原因,并推荐了设计依据。
关键词:螺杆;挠曲;磨损;单螺杄塑料挤出机
中图分类号;1H122文献标识码:B文章编号:1672-1616(2011)15-0076-02
南京艺工电工设备有限公司设计的单螺杆塑式中:g为重力加速度;为螺杆材料的密度;D为
料和橡胶挤出机,主要应用于电工专用设备领域,螺杆直径。
服务于电线电缆行业。总结近三十年来的使用情
例如,一台直径为150mm的单螺杆挤出机的
况,发现总有部分设备的螺杆和机筒之间出现严重螺杆,密度为7850kg/m3,弹性模量为210GPa;那
磨损,甚至导致粘结或者是螺杆扭断等破坏性事故么,按照式(2),此例的垂度为
的发生。导致事故原因有很多,经初步分析,除目
Y(L)=3.256E-5L4
前国内的企业为达到各种用途在应用不同种类的
作为螺杆长度的函数的自由下垂量(如图2所
塑料和橡胶的改性添加材料,以及螺杆机筒自示),显然,当L/D比值超过10时,自由下垂开始
身的制造和装配精度之外,主要还是由于螺杆自身超过标准径向间隙(0.2~0.4mm)。当LD比值
的重力以及工作过程中受到的径向力所致。这里在20~30时,螺杆自由下垂比标准径向间隙约大
仅就重力和径向力的影响进行分析和讨论。
1至2个数量级。显而易见,螺杄与机筒之间的聚
1重力的影响
合物为避免螺杄和机筒之间的接触必须起相当大
引起螺杆径向挠曲的原因有多个,但最明显的的支承作用。为抵消因螺杆自重引起的下垂,所需
原因是作用于螺杆的重力。如果把螺杆与减速箱支承力在L/D比值増大时会大大增加。
连接的驱动部分的支承结构认为是刚性的,聚合物
和机筒的支承作用先忽略不计,则因螺杆自重造成
的下垂可由图1表明。这种情况相当于简支梁,螺
杆远离支承的末端的下垂量为(2?:
Y(L)- 9L4
8ET
式中:q为根据螺杆重力的每单位长度的力;E为
051015202
弹性模量;I为惯性力矩。
L/D
图2螺杆长度与自由下垂量的关系
2轴向弯曲
另一个能引起螺杆径向运动的机理是轴向弯曲
图1螺杆一一如悬臂梁
引起均匀悬臂梁轴向弯曲所需要的下垂力为21
如果不计螺纹槽的存在,则方程(1)可写为
NEI
r(L)- geb
ED
因而,引起轴向弯曲所需的机头压力为:
收稿日期:2011-05-19
作者简介:陈辉殿(1963-),男,江苏兴化人,南京艺工电工设备有限公司高级工程师,主要从事机械设计制造方面的工作。
?应用研究?陈辉殿浅析单螺杄挤出机用螺杄的径向挠曲与磨损的原因
ED2
(S)当E=210GPa,P=7850kg/m3时,临界旋转速
度可写为
因为愤性力矩I=ェD",轴向弯曲的临界机头压力
4549.5
ッにD(L/D)2
(9)
作为L/D比值的函数如图3所示。
对于L=25D的150mm挤出机,其临界漩流速度
100
N=48.5r/s=2911r/amin。由这些数字可以清
X0
楚地看出,漩流不会发生于正常挤出过程中。
60
4周边径向压力
导致螺杄径向挠曲的另一个可能的原因是环
绕螺杄周边径向压力分布的不均匀,这种不均匀的
202530354045
压力会造成螺杆上相当大的不均匀的应力分布,如
图3L/D比值与临界机头压力的关系
图4所示
取弹性模量为210GPa。考虑法向机头压力范
围为20MPa~60MPa1,显然,当L/D比值大于
20时,确定无疑能发生轴向弯曲。上述方程没有
考虑由于螺槽造成的螺杄强度减小。分析螺槽深
度H和压缩比C的影响可以发现,当考虑螺槽深
度时,轴向弯曲的临界机头压力下降。在H/D比
值为0.05及压缩比C=3的情况下,所预测的临
界机头压力值比用方程(5)预测值小一半,如图3
所示。这完全表明,当L/D大于20时,轴向弯曲更
可能发生。因此,聚合物必须支承位于挤出机机筒
中心区域的螺杆,以防止由于轴向弯曲引起的螺杆
图4螺杆挠曲的周边压力分布
与机筒接触。由轴向弯曲产生的径向力Fb约为
水平作用力分量可由式(10)计算
F≈4FL≈xD2P/L
(6)
RH
P(9)cosprd
(10
式中:F为作用于螺杄端部的力;6为螺杄与机筒
垂直作用力分量可由式(11)计算
之间的间隙。因为お/L比值约为0.00005,故由轴
向弯曲产生的径向力十分小。
R
(9)sin Rdg
(11)
如果压力按平均△P计算,左侧大于右側,则
3漩流
在长度L上,水平作用力为:
另一可能的挠曲机理是漩流的发生。当轴达
Rb=△PDL
(12
到临界速度并出现大的径向振幅、大的动态不稳定如果D=L=150mm及△P=1MPa,即相当于
时即出现漩流。这种现象是由于当旋转速度(相当个螺距的情况,则反作用力为2.5kN。实际上,顺
于轴径向振动的自然频率)达到共振频率时才产生螺槽方向和跨螺槽方向压力均变化而且情况更加
的。对于在弯曲状态下振动的梁,自然频率可表示复杂。然而,从此简单例子可清楚看出,即使仅
为31
IMPa的微小压差,也能在螺杄上引起很大的径向
fw=C
(7)反作用力。这个反作用力如此之大,以致能轻易导
致螺杄在机筒中挠曲并造成严重磨损。当沿螺杄
式中:1为每单位长度的重力
某处压力达到明显最大或最小值时,很可能出现这
一端夹持另一端自由的梁的Co值为0.560
类引起挠曲的压力。与螺棱小螺纹升角比较,在大
对于环形梁,临界旋转速度变为:
螺纹升角的条件下,也很有可能出现这种情况。
0.88
D/E
8)
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