旋轉(zhuǎn)沖擊粘膠擠出機(jī)工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)分析

張 涵

(榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

擠出機(jī)是一種很常見(jiàn)的粘接材料擠出工具，經(jīng)常配合攪拌機(jī)使用，可以根據(jù)粘接材料的流動(dòng)性差異和物料黏度的不同，設(shè)計(jì)不同的擠出壓力。常見(jiàn)的粘接材料擠出機(jī)一般都是在外部進(jìn)行加熱的條件下由機(jī)械內(nèi)部的螺桿對(duì)粘接材料進(jìn)行摩擦加熱并攪拌，使粘接材料不斷變軟和融合，最終經(jīng)過(guò)冷卻形成固態(tài)或熔融狀態(tài)粘接材料。常見(jiàn)的擠出機(jī)機(jī)械大多數(shù)采用單螺桿擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，有許多摩擦性能差的材料不能送入單螺桿擠出機(jī)中，會(huì)影響擠出機(jī)的適用范圍。因此，本文將沖擊、復(fù)合雙驅(qū)擠出技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)融合，開(kāi)發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)沖擊粘接材料擠出工具。該工具利用螺桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)沖擊擠出、螺桿復(fù)合雙驅(qū)擠出這2種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分利用，在軸向上有著高頻沖擊力，同時(shí)還兼具高速旋轉(zhuǎn)切削力，這樣就能顯著提升粘接材料擠出機(jī)械的適用范圍，增強(qiáng)擠出機(jī)的工作效率。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素主要有5個(gè)方面的原因：(1)空間結(jié)構(gòu)：具體根據(jù)擠出粘接材料直徑大小，對(duì)該套工具的外徑大小進(jìn)行限制，并在耐沖擊、機(jī)械強(qiáng)度等參數(shù)方面，要滿足擠出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求。當(dāng)前螺桿鉆具技術(shù)已具有較高的成熟度，為此，本套工具的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵就在于沖擊發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)。(2)工具壽命：普通螺桿壽命時(shí)長(zhǎng)與沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)壽命時(shí)長(zhǎng)是相同的，此外它還會(huì)收到外部工況、介質(zhì)以及鉆壓3個(gè)方面的影響，空間凸輪壽命時(shí)間的長(zhǎng)短決定著沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)的壽命時(shí)長(zhǎng)，所以壽命的空間凸輪設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。(3)工作介質(zhì)：因?yàn)楣滔嗪?、流變性、黏度等因素存在著一定制約性，擠出液將會(huì)對(duì)該發(fā)生模塊、工具軸承的壽命產(chǎn)生頗為顯著的影響，進(jìn)而工具設(shè)計(jì)需要對(duì)擠出液有害固相的作用進(jìn)行考慮，并遴選耐磨、耐腐蝕材料。(4)排量：具體按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將其排量與螺桿鉆具進(jìn)行匹配，確保工具有通暢屬性；同時(shí)也能很好滿足強(qiáng)度要求。據(jù)此對(duì)該沖擊發(fā)生模塊的水眼尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使工具壓耗顯著下降。(5)功率：在不耽誤工作進(jìn)度的情況下，應(yīng)考慮沖擊結(jié)構(gòu)在工作時(shí)所消耗的功率，將沖擊參數(shù)進(jìn)行記錄，以便后期設(shè)計(jì)沖程與空間凸輪齒數(shù)等。

1.2 工具結(jié)構(gòu)與原理

依據(jù)上述分析，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為本工具的設(shè)計(jì)提供了整體方案。此工具主要構(gòu)成件為沖擊發(fā)生模塊、特制螺桿鉆具?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，遴選相應(yīng)規(guī)格的螺桿，同時(shí)還對(duì)傳動(dòng)軸總輸出端加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之具有特制屬性。在設(shè)計(jì)沖擊發(fā)生模塊時(shí)，關(guān)鍵就是將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該擠出工具構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，在擠出領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)較為明顯。此擠出工具適合應(yīng)用于Φ 215. 9 mm到Φ 241.3 mm，上下端標(biāo)準(zhǔn)扣型分別是41/2inIF與41/2inREG，它可以與鉆頭直接進(jìn)行連接。該擠出工具輸出軸水眼與內(nèi)部水眼之間是相通的，為了便于清洗井底。螺桿鉆具中的潤(rùn)滑擠出液，主要利用輸出軸外環(huán)隙流入至外環(huán)空，其流量較小。螺桿定子與上凸輪部件呈現(xiàn)出同步轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)，下凸輪與傳動(dòng)軸在旋轉(zhuǎn)動(dòng)作上具有同步性。擠出液水力對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行作用，使之轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)鉆頭、下凸輪軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，借助于沖擊發(fā)生模塊，將上凸輪部件轉(zhuǎn)移至上止點(diǎn)，接著在彈簧作用力、重力下，帶來(lái)向下的沖擊效應(yīng)，并將其導(dǎo)向鉆頭，形成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而破碎巖體，實(shí)現(xiàn)擠出速度的提升。

旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具工藝參數(shù)如表1所示。

表1 旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具參數(shù)Tab.1 Rotational impact extrusion tool parameters

2 關(guān)鍵技術(shù)

在本套工具中，螺桿與沖擊器分別為旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將這2種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行很好地融合，關(guān)鍵就是將螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之形成上凸輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為此，在對(duì)本套工具進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)這2種運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行深入剖析，并對(duì)沖擊發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)。

2.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換形式研究

當(dāng)前，使得旋轉(zhuǎn)向往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變具有多元化的方法，常用的是凸輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等。前者能夠?qū)?fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求能很好地滿足，是較為常用的一種轉(zhuǎn)換方法。在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，凸輪主要有移動(dòng)與盤(pán)形凸輪。凸輪從動(dòng)件規(guī)律涉及到余弦、正弦2種加速度、等速、等加速等減速運(yùn)動(dòng)等。然而，僅僅運(yùn)用某種凸輪模式或者相關(guān)規(guī)律，很難將中高速重載環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為此，將移動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)換成圓柱體，之后凸輪面會(huì)構(gòu)成一定坡度，促使動(dòng)件等速、正弦加速度這2種運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行融合，更好地滿足運(yùn)動(dòng)條件。本設(shè)計(jì)的圓柱凸輪動(dòng)力轉(zhuǎn)換模塊，其結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，其核心部件為上、下凸輪構(gòu)成，在此結(jié)構(gòu)下，不僅可以使得軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成從動(dòng)部件(筒狀)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在具體下行之際，對(duì)鉆頭帶來(lái)不小的沖擊。同時(shí)，由于上、下凸輪結(jié)構(gòu)具有頗高的強(qiáng)度，其使用年限相對(duì)更高。每一個(gè)凸輪的圓周面上方都可以設(shè)置無(wú)數(shù)個(gè)凸輪齒，本設(shè)計(jì)是在圓周面上方設(shè)置的三分凸輪齒結(jié)構(gòu)，就相當(dāng)于螺桿每旋轉(zhuǎn) 1個(gè)周期，上方凸輪組件就會(huì)被沖擊3次。如果凸輪齒數(shù)是時(shí)，那么螺桿鉆具會(huì)帶著凸輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆具每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以下是沖擊頻率的計(jì)算公式：

式中:為螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速，r/min；為旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具運(yùn)動(dòng)頻率，Hz。

2.2 沖擊發(fā)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)凸輪嚙合軌道與運(yùn)動(dòng)形式明確后，設(shè)計(jì)沖擊發(fā)生模塊(機(jī)構(gòu))就成為關(guān)鍵性內(nèi)容，它對(duì)該工具的實(shí)現(xiàn)機(jī)制產(chǎn)生決定性影響。該發(fā)生模塊的構(gòu)成包括彈簧組、輸出主軸、下接頭、中間筒等。花鍵滑動(dòng)連接將上部螺桿傳動(dòng)與輸出注重進(jìn)行對(duì)接，后者配置上下凸輪部件，這2個(gè)部件，前者結(jié)構(gòu)為圓環(huán)狀，后者則與輸出主軸一體，并與前者進(jìn)行嚙合。輸出主軸配置擋瓦及中間筒，后者對(duì)前者起到固定作用。該主軸與下接頭之間還配置TC軸承，此主軸具有防磨屬性。上凸輪與外筒之間，也配置了花鍵模塊，在其外筒表面之上，配置專門(mén)的花鍵槽；而上凸輪表面，則配置相應(yīng)的花鍵齒，這樣就能防止二者出現(xiàn)周向位移問(wèn)題，確保上凸輪僅做軸向滑動(dòng)。馬達(dá)能夠促進(jìn)輸出主軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)上凸輪上行壓縮彈性件進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，并在下行環(huán)節(jié)，形成對(duì)應(yīng)的沖擊。在設(shè)計(jì)該沖擊發(fā)生模塊時(shí)，要按照需求的轉(zhuǎn)速、扭矩參數(shù)來(lái)挑選螺桿鉆具。該鉆具相關(guān)零部件與輸出主軸進(jìn)行一體化連接之后，就能將后者上端配置的花鍵，置入傳動(dòng)軸的軸心花鍵，并將上、下外筒的接頭螺紋進(jìn)行更好的對(duì)接。

3 模擬試驗(yàn)臺(tái)架性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

此次試驗(yàn)?zāi)康木褪腔诓煌帕?、鉆壓環(huán)境，對(duì)沖擊力、頻率、泵壓等參量進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，分析這些參量與擠出參量有何種關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而判斷該工具輸出屬性參量能否滿足復(fù)合擠出實(shí)際工作條件。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與連接

對(duì)接試驗(yàn)裝置之后，在正式試驗(yàn)前需要對(duì)試驗(yàn)擠出設(shè)備進(jìn)行模擬，對(duì)液壓系統(tǒng)、擠出泵、傳感器等進(jìn)行調(diào)試；同時(shí)還需要調(diào)試采集系統(tǒng)，根據(jù)鉆具組合(鉆桿、減震模塊、旋轉(zhuǎn)接頭等)，及基于擠出筒深度20 m等，對(duì)合適的轉(zhuǎn)換接頭、短鉆桿等進(jìn)行提前準(zhǔn)備等。

3.3 試驗(yàn)步驟及測(cè)試

(1)依據(jù)鉆具組合方法進(jìn)行擠出，在距離擠出口100 mm以外的位置時(shí)，要保證鉆壓是0；

(2)以6 L/s啟動(dòng)馬達(dá)，嘗試加鉆壓進(jìn)行工作。在正式工作前檢查各個(gè)系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)采集、循環(huán)以及動(dòng)力系統(tǒng)。判斷工具是否運(yùn)行正常的前提是沖擊力曲線是否為正弦曲線，以此為判斷標(biāo)準(zhǔn)；

(3)把擠出工具在距離擠出口1 m距離時(shí)進(jìn)行開(kāi)泵，將排量漸漸提升到7 L/s，當(dāng)擠出工具工作穩(wěn)定之后可以把鉆壓提升到40 kN；之后在把鉆壓逐步降低到35、30、25 kN時(shí)，依次遞減至5 kN，在此期間要記錄沖擊力、沖擊頻率以及鉆壓等參數(shù)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以得出，擠出工具馬達(dá)轉(zhuǎn)速與沖擊頻率成正比。因?yàn)轳R達(dá)轉(zhuǎn)速存在硬屬性，具體就是負(fù)載沒(méi)有大于滯動(dòng)扭矩時(shí)，負(fù)載不會(huì)對(duì)該轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響。這意味著，此時(shí)負(fù)載即便是有所增加，轉(zhuǎn)速的下降量則較為微小。為此，在排量一致下，鉆壓上升，沖擊頻率則維持大致穩(wěn)定。排量上升，轉(zhuǎn)速上升，相應(yīng)沖擊頻率也會(huì)隨之增長(zhǎng)。擠出之際，鉆頭能夠?qū)Π凑照乙?guī)律改變的鉆壓進(jìn)行肩負(fù)。在不同排量與鉆壓下測(cè)試了擠出設(shè)備的沖擊性能，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。鉆壓越大則沖擊力也就越大，擠出工具鉆壓與沖擊力呈線性關(guān)系，沖擊力對(duì)于排量的影響并不大。為了對(duì)擠出工具使用效果進(jìn)行驗(yàn)證，本次試驗(yàn)使用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具對(duì)TPU等熱塑性膠粘劑進(jìn)行擠出，全程開(kāi)泵時(shí)長(zhǎng)125 h，總進(jìn)尺710 m。因受多種因素干擾，其純擠出時(shí)長(zhǎng)是66.7 h，平均擠出速度為1 064 m/h；擠出工作完成后，擠出工具外表呈良好狀態(tài)。使用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具擠出的PA、PES和TPU對(duì)比情況，如圖1所示。

圖1 不同排量下最大沖擊力與擠出壓關(guān)系Fig.1 Relationship between maximum impact force and extrusionpressure under different displacements

當(dāng)前研發(fā)出的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具工程樣機(jī)已經(jīng)在多個(gè)粘接材料生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，一套擠出工具最長(zhǎng)一次使用時(shí)長(zhǎng)為187.2 h，大約擠出粘接材料總進(jìn)度為9 350 m。在常規(guī)螺桿鉆具與工具壽命成正比狀況下，提速效果顯著提高。擠出工具在此次試驗(yàn)中降摩阻效果表現(xiàn)良好，使用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具不僅工具面比較穩(wěn)定，同時(shí)擠出速度也很快，大大提升了擠出效率，避免了擠出設(shè)備產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象。

表2 機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊工具擠出的PA、PES和TPU對(duì)比情況Tab.2 Comparison of PA, PES and TPU extrusion speed

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具，借助于螺桿馬達(dá)，使得下凸輪與鉆頭旋轉(zhuǎn)，這樣上凸輪部件實(shí)現(xiàn)了幾種不同粘接材料高頻沖擊與螺桿復(fù)合擠出功能，可以明顯提升粘接材料的擠出效率。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架性能進(jìn)行了模擬測(cè)試，結(jié)果顯示：對(duì)該套工具的降低摩阻、提速效果進(jìn)行分析，表明在實(shí)際應(yīng)用時(shí)機(jī)械式旋轉(zhuǎn)沖擊擠出工具頗具穩(wěn)定性。此外，該工具結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在不同粘接材料的擠出環(huán)節(jié)均有較強(qiáng)的適用性。