固液分離機(jī)葉片螺桿制造方法研究

王建軍，胡呂平

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江杭州 310018)

0 引言

固液分離設(shè)備是一種應(yīng)用量大的通用機(jī)械，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，它在化工、制藥、紡織、冶金、食品、礦山、能源、飲料、水處理等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，其技術(shù)水平的高低直接影響到現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)性，利用螺旋擠壓原理進(jìn)行固液分離的設(shè)備是固液分離機(jī)的一種類型，其特性具有進(jìn)料連續(xù)、出料連續(xù)、脫水率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)成本低、可配備洗滌附件等優(yōu)點(diǎn)［1］，因此，很多固液分離機(jī)采用了螺桿推進(jìn)器作為推進(jìn)擠壓機(jī)構(gòu)，這其中葉片螺桿推進(jìn)器作為關(guān)鍵部件的固液分離機(jī)在纖維類、毛質(zhì)類等物質(zhì)提取中有較好的使用效果，文中所述葉片螺桿為毛質(zhì)類物料洗劑與提取固液分離試驗(yàn)設(shè)備中的關(guān)鍵零件之一.

1 葉片螺桿推進(jìn)器工作原理

圖1為葉片螺桿推進(jìn)器的工作原理示意圖，固液混合物料從進(jìn)料口①進(jìn)入推進(jìn)器內(nèi)腔，在葉片螺桿②的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)下向左側(cè)流動(dòng)，物料流動(dòng)過(guò)程中，液體通過(guò)腔體小孔③排除，腔內(nèi)壓力逐漸增大，圖2在變截面部位④達(dá)到最大［2］，之后固體物料在排料口⑤處排出并進(jìn)入到下道處理工序.

圖1 葉片螺桿推進(jìn)器工作原理示意

圖2 推進(jìn)器腔內(nèi)壓力分布圖

分析葉片螺桿推進(jìn)器的脫水原理，整個(gè)旋轉(zhuǎn)擠壓過(guò)程可視作一個(gè)輸入?yún)?shù)間相互作用但關(guān)系未知的黑箱系統(tǒng)，輸入為固液混合物料的初始含水率和初始粘度、螺桿轉(zhuǎn)速、葉片螺桿尺寸、進(jìn)料口壓力等參數(shù)，輸出為含少量水分的物料或固體.新產(chǎn)品制作中，通過(guò)調(diào)整進(jìn)料口壓力、葉片螺桿轉(zhuǎn)速等可實(shí)現(xiàn)輸出物料達(dá)到提取的要求，推進(jìn)器采用封閉式結(jié)構(gòu)在異味物料處理時(shí)可保證工作環(huán)境的清潔，但對(duì)葉片的外圓加工有比較高的要求.根據(jù)使用場(chǎng)合不同，葉片螺桿的結(jié)構(gòu)略有不同，有些由圓柱面和變截面面拼接，有些外徑相同內(nèi)徑變化，有些則采取內(nèi)外徑同時(shí)漸進(jìn)式變化，但都具有齒寬、壁薄、螺旋葉片間容積大等特點(diǎn)，適合對(duì)軟體絮狀物料的擠壓輸送.

2 葉片螺桿制造

2.1 螺旋葉片成形工藝

圓柱曲面螺旋槽加工一般采用成形銑刀銑削或車削、普通平頭銑刀銑削、旋風(fēng)銑削［3］、無(wú)瞬心包絡(luò)銑削等方法加工，葉片螺桿的螺旋葉片常選不銹鋼等材料，其加工方法不同于圓柱曲面螺旋槽的加工，而是采用某種成形工藝先制作螺旋葉片，之后將螺旋葉片依次或整體焊接在軸的圓柱面上.螺旋葉片的成形工藝很多，總體可分兩大類:一類是單片成形工藝，包括單片拉形法、手工仿形法和模具壓形法等，該工藝需將葉片螺桿按單位螺距分割生產(chǎn);另一類是連續(xù)成形工藝，包括組合拉形法、卷繞成形法、擠壓成形法和輾軋成形法等.不同成形工藝有各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，單片拉形法、手工仿形法和擠壓成形法適合單件小批量生產(chǎn)，其余成形方法適合成批大量生產(chǎn)情況［4］.

2.2 螺桿基本尺寸和材質(zhì)

圖3為毛質(zhì)類物料洗劑與提取固液分離機(jī)試驗(yàn)設(shè)備中采用的葉片螺桿，尺寸中葉片螺旋面外徑為D，內(nèi)徑為d，螺距為P和變截面部分的角度參數(shù)為β為已知，螺旋外緣表面光潔度有要求，螺旋葉片材質(zhì)為SUS304不銹鋼，該設(shè)備是針對(duì)某種特殊毛質(zhì)類物料提取單獨(dú)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，生產(chǎn)批量不大，螺旋葉片加工選擇單片成形工藝類型下的單片拉形法.

圖3 試驗(yàn)機(jī)葉片螺桿形狀

2.3 葉片螺桿制造工藝

采用單片拉形法制造葉片螺桿的流程為:先按一個(gè)螺距單位下料并拉伸成形，制作單位螺距的螺旋葉片;之后將多個(gè)螺旋葉片氬弧焊接在一起并套在直徑為d的軸上，同樣采用氬弧焊在螺旋葉片的內(nèi)圈與軸的圓柱面接縫處進(jìn)行焊接;因螺旋葉片外緣回轉(zhuǎn)面與固液分離機(jī)內(nèi)腔圓柱面間隙有嚴(yán)格要求，單個(gè)螺旋葉片制作時(shí)，外徑需留一定的余量以供外圓精加工;最后一道工序是將葉片螺旋面進(jìn)行拋光.

(1)圓柱部分螺旋葉片下料尺寸計(jì)算

圓柱部分螺旋葉片下料尺寸計(jì)算有帶缺口和不帶缺口兩類計(jì)算方法，各種方法理論差別不大，不帶缺口的毛坯可節(jié)省缺口部位的材料，考慮到試驗(yàn)設(shè)備為單件小批量生產(chǎn)，為方便拉伸螺旋葉片，試驗(yàn)設(shè)備螺旋葉片下料尺寸采用帶缺口的計(jì)算方法.

帶缺口的計(jì)算方法中三角形法比較常用，見(jiàn)圖4，是將螺旋線看成是一條直角三角形斜邊纏繞在直徑為d(或D)的圓柱面上，根據(jù)直角三角形三邊的關(guān)螺距.

圖4 三角形法計(jì)算螺旋線長(zhǎng)度

根據(jù)弧長(zhǎng)、半徑和夾角間的關(guān)系可分別導(dǎo)出圓柱螺旋葉片下料的相關(guān)尺寸計(jì)算公式［5］，見(jiàn)圖5.

圖5 圓柱部分螺旋葉片展開(kāi)圖

考慮到螺旋葉片與軸的裝配及焊接，葉片內(nèi)徑需留焊縫δ，另外葉片螺桿外徑有精度要求，故需留精加工余量ε，這樣實(shí)際計(jì)算圓毛坯料的尺寸時(shí)，需對(duì)內(nèi)徑d和外徑D進(jìn)行修正，即d'=d+δ，D'=D+ε.試驗(yàn)設(shè)備所用葉片螺桿外徑D=293 mm，軸直徑d=107 mm，螺距P=170 mm，葉片厚度B=3 mm，制造中取焊縫δ=1 mm，外圓精加工余量ε=3 mm，可計(jì)算出 d'=108 mm，D'=296 mm，將 d'、D'代入公式(1)、(2)、(3)、(4)替換 d 和 D，可得 t=94 mm，d1≈126 mm，D1≈314 mm，α =15.11°.

(2)變截面螺旋葉片下料計(jì)算

變截面的螺旋葉片展開(kāi)尺寸計(jì)算是錐形螺旋葉片制作的關(guān)鍵技術(shù)之一，從數(shù)學(xué)模型角度看，它存在雙變量，即隨著角度的變化，半徑和弧長(zhǎng)每一點(diǎn)都在變化，生產(chǎn)實(shí)際中，利用高等函數(shù)方法計(jì)算存在較大的難度，有文獻(xiàn)提及采用“360度加工計(jì)算方法”和“任意角度加工計(jì)算方法”［6］，但這些方法只是近似計(jì)算出了螺旋線的長(zhǎng)度，不能直觀表述出下料的形狀，也不方便螺旋葉片下料的制作.通過(guò)對(duì)比變截面螺旋葉片和圓柱螺旋葉片，不難看出展開(kāi)圖的差別在于下料外圈不同，圓柱螺旋葉片外圈直徑為恒定值，而變截面螺旋葉片的外圈曲率半徑隨角度的變化而變化，見(jiàn)圖6，這樣通過(guò)計(jì)算缺口兩邊葉片寬度的差值ΔR就可獲知曲率半徑隨角度的變換規(guī)律，為此推導(dǎo)出錐形螺旋葉片展開(kāi)圖外圈的極徑方程，以作為下料毛坯圖形繪制，推導(dǎo)過(guò)程如下:

圖6 變截面螺旋葉片展開(kāi)圖

缺口內(nèi)外圈寬度差值:

極徑變化率:

極徑方程為:

首段段單片變截面螺旋葉片計(jì)算時(shí)，已知:D0=D'=296 mm，d=d'=108 mm，β =74°，由圓柱部分螺旋葉片下料計(jì)算中獲得α=15.11°，將這些數(shù)據(jù)分別代入公式(5)、(6)、(7)可得:t0=94 mm，ΔR=48.746 7 mm，t1=45.25 mm，ξ=8.098 2，極徑方程為 ρ(θ)=148-8.098 2θ，根據(jù)此方程在 CAXA電子圖板中選擇【繪圖】菜單下的【公式曲線】功能，在選中極坐標(biāo)系后，見(jiàn)圖7，輸入角度的終止值和參數(shù)方程就可繪制出變截面部分螺旋葉片的展開(kāi)圖，變截面部分的其余螺旋葉片展開(kāi)圖獲取與首段段類似，不同之處在于螺旋葉片的起始外徑不同.因螺旋葉片焊接在內(nèi)圈軸上后，螺桿外圓還需進(jìn)行精加工，以上方法獲取螺旋葉片展開(kāi)圖存在的誤差在實(shí)際生產(chǎn)中忽略不計(jì).

圖7 利用公式曲線繪制下料外圈

(3)葉片螺桿外圓精加工

將加工好的螺旋葉片逐個(gè)焊接到螺桿軸上后，葉片螺桿的實(shí)物見(jiàn)圖8.

圖8 葉片螺桿實(shí)物圖

進(jìn)行精車外圓時(shí)，因葉片壁薄等原因，直接加工工件振動(dòng)很大，且不能很好保障外圓的尺寸精度和表面光潔度，為此需在外圓精加工之前，在相鄰葉片間點(diǎn)焊一些支柱，待外圓精加工完成后將支柱去除，最后對(duì)葉片表面進(jìn)行拋光.實(shí)際應(yīng)用中，因葉片螺桿工作環(huán)境不同，還需對(duì)葉片表面或外緣進(jìn)行其它處理，如涂層等.

3 結(jié)語(yǔ)

葉片螺桿作為固液分離機(jī)上螺桿推進(jìn)器的關(guān)鍵零件之一，其制造工藝直接影響設(shè)備的工作效率，毛質(zhì)類物料洗劑與提取固液分離試驗(yàn)設(shè)備中的葉片螺桿制造具有代表性，其制造過(guò)程中采用的方法可延伸到其它類型的葉片螺桿加工，特別變截面部分的螺旋葉片借助了計(jì)算機(jī)繪圖手段實(shí)現(xiàn)下料毛坯圖形的繪制，可便捷解決螺旋葉片展開(kāi)尺寸計(jì)算難的問(wèn)題，并能達(dá)到螺旋葉片方便制作的效果.

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