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@75螺杆挤出机三维设计与动态模拟
发布时间 :[2014/1/19 10:44:53] 浏览次数 2530
    摘 要:螺杆挤出机是橡胶加工的主要设备之一,利用三维软件对其进行零件的参数化设计、零部件的装配及 整机的动态模拟,能够实现零件与整机的交互式操作,方便设计人员在样机制造之前对机器做进一步优化设 计,提高产品开发的成功率。
    关键词:造粒机 螺杆挤出机;三维设计;动态模拟
    螺杆挤出机是橡胶加工的主要设备之一,已 有100多年的使用历史。由于橡胶工业新材料、 新工艺、新技术的不断出现,除了传统的热喂料挤 出机外,又涌现出一批新型橡胶冷喂料挤出机、排 气挤出机、螺杆挤出机、螺杆连续混炼挤出机、排 料挤出机等。螺杆挤出机主要由螺杆、机筒、机 头、喂料机构、传动装置、温度控制系统和电控系 统组成。工作原理:胶料从喂料口喂入,再由电动 机通过减速装置带动旋转的螺杆进入螺槽。胶料 在旋转螺杆推动下向前移动,从机头的口型中以 一定形状挤出,完成挤出过程。
    在设计制造挤出机时,由于受到设计者水平 和经验的影响及技术条件的限制,容易出现设计 出来的零件尺寸过小,零件之间不能有效配合等 错误,极易造成产品报废。同时,零件的加工在传 统工艺中还用手工操作,其操作不连续也不规范, 加工质量受到人为因素的控制,影响了产品的精 度和外观。为减少人为因素影响,减轻劳动强度, 提高产品质量及加工效率,适应工业化生产的需 要,本文对挤出机进行了三维设计与动态模拟。 三维设计的特点是基于特征的参数化实体建 模设计,利用尺寸驱动零件生成,在零件设计完成 后,直接把各个零件调入装配图中装配,利用零件 之间的约束关系进行装配,如出现装配错误,在零 件图中直接修改零件尺寸,装配图中尺寸也随之 自动更新。完成整机的装配后,再利用动态模拟功能实现整台机器的仿真运动。通过此设计过程 我们能够直观的发现问题,做到早期改进,完善设 计。在这里,我们采用SolidWorks三维软件进行 设计。设计主要包括:整台机器的结构分析、各运 动机构的功能分析、零件及机构的设计与装配、机 器的动态模拟。
    1螺杆挤出机的结构与功能分析
    螺杆挤出机结构如图1所示。主要由6部分 组成:机头、螺杆、机筒、喂料装置、传动系统、底 座。
    (1)机头是挤出机主要的工作部件之一,其作 用是使胶料由螺旋运动变为直线运动,产生较高 的挤出压力,将胶料从机头挤出。
    (2)螺杆是挤出 机最重要的工作部件,螺杆的结构和参数选择是 否合理直接影响机器的工作性能,在挤出过程中 对螺杆有如下主要要求:
    ①塑化质量高;②生产效 率高;③单位能耗低;④自洁性好;
⑤挤出温度低; ⑥挤出稳定性好;⑦满足强度刚度;⑧便于加工; ⑨便于维护保养。根据挤出能力要求,我们采用75等深不等距螺杆
    3)机筒是挤 出机的主要工作部件之一,在设计机身时应考虑 如何满足胶料的冷却和加热、输送和混炼、机器的 强度以及制造工艺等要求。(4)挤出机的进料情 况直接影响到生产能力,而进料情况好坏与喂料 方式有很大关系。为提高生产能力,采用一种新 型螺旋啮合辊喂料方法,其装置结构示意如图3, 它主要由设置在喂料口处与螺杆喂料段螺棱相啮 合旋转的螺旋辊和驱动部分组成。当喂入胶料 时,在相互啮合的螺杆和螺旋辊的共同作用下,胶 料被连续喂入螺杆挤出机中。(5)对于传动系统 的设计,必须正确解决以下几个问题:①如何使传 动系统的工作特性满足螺杆挤出机的工作特性; ②确定转速范围;③选择调速方式;④选择减速机 构;⑤布置止推轴承;⑥考虑传动系统的安全保 护。(6)底座的设计应确保螺杆挤出机在工作过 程中的平稳挤出,并能承受很大的推力。
2螺杆挤出机的三维设计与动态模拟 旋辑 机器三维设计与动态模拟总体上可分为4个 步骤:创建零件、创建部件装配体、创建整机装配 体、部件动态模拟、整机动态模拟。根据设计要求 及SolidWorks设计程序,要完成整机的设计,首 先要从零件设计开始,然后进行零件装配,继而做 动态模拟。下面以螺旋喂料装置为例,说明设计 全过程。
    2.1喂料装置零件的设计
SolidWorks进行三维零件设计是基于特征的参数化实体建模来完成零件的造型的。下面以 喂料辊为例来说明设计过程。
创建喂料辊实体:在SolidWorks中创建3D 实体时,一般要从草图绘制开始。进入Solid— Works用户界面后,首先要选择一个面为草图平 面,在这里从界面左侧FeatureManager设计树中 选择Front面,然后点击“草图绘制”,利用画圆命 令在原点处画半径为16.5ram的圆,然后点击拉 伸凸台/基体命令,然后在给定深度一栏中输入 35ram。这样就完成了喂料辊第一个凸台特征的 创建。创建第二个凸台时,首先选择凸台顶面为 草图面,然后插入草图,绘制第二个凸台特征,其 具体尺寸为R17.5ram,高度为47.55turn。用同 样的办法创建第三个凸台。下一步开始创建带有 螺棱的柱体。在第三个凸台的顶面插入草图,绘 制R38.5ram,高度为98ram的柱体。下一步在 柱体上绘制螺旋线,在柱体底面插入草图,并选中 柱体底面的边,点击命令“转换实体引用”,将圆边 投影到草图平面上,然后选择下拉菜单“插入”l “曲线”l“螺旋线/涡状线”命令,在定义方式选项 栏中选择“高度和螺距”,依次输入高度98ram、螺 距90mm,螺旋线的起始角度为0。。用同样方式, 绘制第二条螺旋线,高度和螺距同第一条,起始角 度为180。。选择Top面插入草图,绘制螺棱截 面,在螺棱截面草图与螺旋线起始点之间添加“重 合”几何关系,退出草图绘制。然后用选择“扫描” 命令对螺棱截面草图沿第一条螺旋线扫描,这样 就完成螺棱的造型。同样方法创建第二条螺棱。 接下来在螺杆柱体的顶面继续创建其他凸台特 征。最后完成了实体喂料辊的创建。如图4所 示。将设计好的零件文件存盘,再创建下一个零 件造型。按上述步骤,依次完成喂料装置的其他 零件的三维造型。各零件的造型完成后,就可以 进入建立装配体过程了。
2.2 喂料装置部件的装配
在SolidWorks中建立装配体有两种方法:一 是自下而上的设计方法。此方法是比较传统的方法。在自下而上设计中,先生成零件并将其插入 装配体,然后根据设计要求配合零件。当使用以 前生成的不在线的零件时,自下而上的设计方案 是首选的方法。自下而上设计法的另一个优点是 因为零部件是独立设计的,与自上而下的设计法 相比,它们的相互关系及重建行为更为简单。使 用自下而上设计法可以让您专注于单个零件的设 计工作。当不需要建立控制零件大小和尺寸的参 考关系时(相对于其他零件),则此方法较为适用。 二是自上而下的设计方法。自上而下设计法从装 配体中开始设计工作,这是两种设计方法的不同 之处。可以使用一个零件的几何体来帮助定义另 一个零件,或生成组装零件后才添加的加工特征。 可以将布局草图作为设计的开端,定义固定的零 件位置、基准面等,然后参考这些定义来设计零 件。比较两种方法,采用自下而上的方法建立装 配体比较合适。
建立装配体文件,选择下拉菜单中“插入”J “零部件”l“已有零部件”,选择零件喂料辊,点击 用户界面使零件进入绘图区。加入装配体中的第 一个零部件的默认状态是固定的,固定的零部件 不能被移动并且固定于插入装配体时放置的地 方。再插入零件轴套,此零件处于未完全定义状 态,具有6个自由度。利用“插入配合”命令在零 部件和装配体之间建立关系。利用多种实体或参 考几何体来建立零件间的配合关系。如:模型面、 参考平面、模型边、顶点、草图线、基准轴、原点。 常用的配合关系是“重合”和“同心轴”。在喂料辊 和轴套之间建立配合关系,选择轴套内孔面和喂 料辊圆柱面,选择“插入配合”命令中的“同心轴” 选项,单击确定按钮。这样,两表面之间就建立了 “同心轴”配合。用同样方法再装配其他零件,建立相应的配合关系。喂料装置的装配体如图5所 示。
2。3喂料装置的动态模拟
当完成零件造型、装配创建后就可以进行运 动仿真了。在SolidWorks中,利用物理模拟,可 以在装配图中实现如线性马达、旋转马达、弹簧和 引力在装配体中的效果。物理模拟将模拟要素和 SolidWorks 7-具(如配合关系和物资动力)相结 合,从而实现零部件在装配中的运动。 喂料装置运动是由从动齿轮带动喂料辊运 动,从而使胶料被连续的喂人,因此在模拟其运动 时,应在齿轮上添加“旋转马达”,实现喂料装置的 螺旋喂料。在“模拟”工具栏中选择“旋转马达”命 令,选择齿轮面。如果旋转方向不对,在Proper— tyManager中单击“反向”按钮。设置好参数后, 在“模拟”工具栏中选择“录制模拟”按钮,喂料装 置中的零件会依据定义的旋转马达和零件的自由 度进行仿真运动。其余机构同上述方法进行设计,再将各部件 装配成挤出机,利用物理模拟实现整机的仿真运 动,最后使螺杆挤出机设计操作都符合要求为止。 图6为 75螺杆挤出机的三维主体总装图。
3 结论
根据螺杆挤出机的三维设计与动态模拟可得 到以下结论; 1)采用参数化设计软件对挤出机进行三维设 计,可缩短设计周期,提高设计质量;
2)通过对零部件的三维设计,使加工人员在 加工过程中不再需要设计人员的帮助,大大提高 了生产效率;
3)三维软件在机械行业有很多成功应用案 例。在橡胶机械设计中,普及应用三维设计,将会提高生产效率, 加快橡胶机械的创新设计。
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