（机械制造及其自动化专业论文）双螺杆磨浆机优化设计的研究.pdf

摘要 双螺杆磨浆机是一种新型的资源节约型磨浆设备，它具有优良的性能和广阔的应 用前景，但当前国内双螺杆磨浆机的设计方法主要是类比法，只能靠经验估计，影响 了该设备的设计和使用。另外，由于双螺杆磨浆机螺纹参数非常复杂，各参数的确定 和选择比较困难。因此，有必要对双螺杆磨浆机理论进行深入的研究，并对螺杆几何 参数和磨浆机传动系统进行优化设计。 本文首先简要介绍了机械优化设计的方法，阐述了螺杆挤出机的发展历史和螺杆 的主要参数，介绍了螺杆挤出机优化设计的理论基础和设计特点，讨论了螺杆优化设 计采用的算法，并对螺杆挤出机优化设计前人所作的工作进行了综述。 根据双螺杆磨浆机的挤压模型和螺杆几何参数，推导出的两种不同方法的双螺杆 磨浆机流率的理论方程，建立了流率优化设计的目标函数，分别以螺纹导程、实际螺 棱顶宽、螺槽深度等为优化参数，分析了双螺杆磨浆机优化设计的约束条件，编写了 双螺杆磨浆机优化设计的m a t l a b 程序，得到流率优化设计的初步结果。 通过对双螺杆磨浆机传动系统的分析，运用m a t l a b 软件中的优化工具箱的优化函 数，以传动系统总中心距最小为优化目标，得到传动系统各设计参数的最优值。 本文深入研究了双螺杆磨浆机的设计理论，为双螺杆磨浆机螺杆几何参数的选 择、双螺杆磨浆机传动系统减速箱的设计提供了依据，对双螺杆磨浆机优化设计理论 研究具有着重要的意义。 关键词0 双螺杆磨浆机；双螺杆；优化设计；流率；螺纹参数；传动系统 a b s t r a c t t w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e ri san e wk i n do fe n e r g y - e f f i c i e n tp u l p i n gm a c h i n e ，w h i c h h a v eag o o dc h a r a c t e r i s t i ca n db r o a dp r o s p e c t f o rt h em o m e n tt h ed e s i g nm e t h o d so ft w i n s c r c wp u l p i n ge x t r u d e rm a i n l yr e l yo ne x p e r i e n c e ，w h i c hr e s 仃i c t st h ed e s i g na n du s eo ft h i s n e we q u i p m e n t a n db e c a u s eo ft h e c o m p l i c a t i o n t h r e a dg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，t h e d e t e r m i n ea n ds e l e c to ft h e ma r ev e r yd i f f i c u l t s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yf u r t h e ro n t h et h e o r yo ft w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e ra n dt oo p t i m i z ed e s i g nt h et h r e a dg e o m e t r y p a r a m e t e r sa n dt h ed i s t r i b u t i o nv e l o c i t yr a t i oo fd r i v es y s t e md e c e l e r a t o ro f i t t h ep a p e rf i r s t l y p r e s e n t t h em e c h a n i c a l o p t i m a ld e s i g nm e t h o d ，e x p o u n dt h e d e v e l o p i n gh i s t o r yo fs c r e wp u l p i n ge x t r u d e ra n dt h em a i np a r a m e t e r so ft h es c r e w , t h e n p r e s e n tt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e s i g nc h a r a c t e r i s t i co ft h eo p t i m a ld e s i g no fs c r e w p u l p i n ge x t r u d e r , d i s c u s st h eo p t i m a la l g o r i t h mi ni ta n di n v e s t i g a t et h ew o r k sd o n eb y f o r e f a t h e ri ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e ro p t i m a ld e s i g n e s t a b l i s h e dt h ee x t r u d i n gm o d e lo ft w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e ra c c o r d i n gt ot h e e x t r u s i o nm o d e l i n go fi ta n dt h es c r e wg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，d e d u c i n gt h r e ek i n d so f f l o w r a t et h e o r e t i c a le q u a t i o no fi t ，s e tu po b j e c t i v ef u n c t i o no ft h ef l o wr a t eo p t i m a ld e s i g n , a n a l y s i st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h eo p t i m a ld e s i g no fi t t h r o u g hc o m p i l ea n dd e b u g t h em a t l a bp r o g r a m ，g e t t i n gp r e l i m i n a r yo u t c o m eo ft h ef l o wr a t eo p t i m a ld e s i g ni nt h r e a d p i t c ha n ds p i r a la n g l ec r o w nw i d t ha n ds p i r a ld e p t ha n dp u l la n g l eo fm a t e r i a l s t h r o u g ha n a l y s i so fd r i v i n gs y s t e mo ft w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e ra n du s i n gm a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o l b o x ，0 1 1t h em i n i m u mo ft h et o t a lc e n t e rd i s t a n c ef o ro p t i m i z a t i o nt a r g 吡 g o tt h em i n i m u mv a l u e so f i t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e rs t u d i e sf u r t h e ri nd e p t ho nd e s i g nt h e o r yo ft w i ns c r e w p u l p i n ge x t r u d e r , p r o v i d e sar e l i a b l eb a s i sf o rs e l e c t i o no ft h r e a dg e o m e t r yp a r a m e t e r so f t w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e r , s oi th a se s s e n t i a lt ot h ed e s i g no ft w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e r k e yw o r d s ：t w i ns c r e wp u l p i n ge x t r u d e r ，t w i ns c r e w , o p t i m u md e s i g n ，f l o wr a t e ，s c r e w p a r a m e t e r s ，d r i v es y s t e m 天津科技大学硕士论文 1前言 1 1 优化设计概述 2 0 世纪5 0 年代在应用数学领域发展形成了以线性规划和非线性规划为主要内容 的数学规划理论，并应用于解决工程设计问题，形成了工程优化设计的理论和方法。 d a n t z i g 提出了求解线性规划问题的单纯形法，b e l l m a n 对动态规划问题提出了最优化 原理，这两方面的研究为约束优化方法的进展铺平了道路。k u h n 和t u c k e r 关于规划 问题的最优解的必要条件和充分条件的研究工作为以后在非线规划内的大量研究奠 定了基础。2 0 世纪6 0 年代初，z o u t e n d i j k 和r o s e n 对非线性规划的贡献有很重要的 价值，尽管还没有发现一种能普遍适用于求解非线性规划问题，但c a r r o l l 、f i a e e o 和 m c c o r m i c k 的研究使很多非线性规划问题能用无约束优化方法方便的加以解决。 自2 0 世纪6 0 年代以来，以计算机为工具、数学规划为理论基础的优化设计方法 逐渐发展形成，它将最优化原理和计算机科学技术应用于工程设计领域，在机械、宇 航、电机、石油、化工、建筑、造船、轻工等各行业得到广泛的应用，获得了显著的 技术与经济效益。优化设计为工程设计提高一种重要的科学设计方法。利用这种先进 的设计方法，我们就可以从诸多的设计方案中寻找最优的设计方案，因此可大大提高 设计效率和设计质量。所以，优化设计是现代设计理论的方法的一个重要领域，它已 广泛应用于各个工业部门。 机械产品的设计一般需要经过调查分析、方案拟定、技术设计、总装图设计及零 件图绘制等环节。在传统设计中，这些环节几乎全部由设计人员用手工工具完成。随 着社会的发展，人民生活水平的提高，市场竞争的加剧，机械产品的不断开发和推陈 出新，这就要求机械产品设计时间的缩短和设计质量的提高。任何机械设计，总希望 获得性能好、使用可靠成本低等经济技术效益，因而要求设计者能从一系列可供选择 的设计方案中选出最好的方案。显然，由于分析和计算手段以及时间和费用的限制， 可供选择的方案有限，且不一定能从中选出最佳者，传统的设计方法越来越不适应发 展的需要。 近4 0 年来，随着计算机技术和计算方法的发展，机械设计领域经历了深刻而巨 大的变革，先后出现了计算机辅助设计( c a d ) 、机械优化设计、可靠性设计、设计 方法学、设计系统学、有限元分析法等现代设计方法及其相应的学科。 机械优化设计是最优化设计方法和机械设计的结合。最优化设计是在现代计算机 广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据最优化原理和方法结合各方面因 素，以人机配合的方式或使用自动探索的方式，在计算机上进行半自动或自动设计， 以选出在现有工程条件下最优设计的一种现代设计方法。其设计原则是最优设计；设 计手段是计算机和相关设备以及计算程序；设计方法采用最优化数学方法。 优化设计方法发展的历史虽然很短，但进展迅速，无论在机构综合、机械的通用 1 前言 零部件设计，还是在各种专用机械设计和工艺设计方面都很快的得到广泛应用。究其 原因，一方面是由于生产和生活中确实存在着大量的优化设计问题亟待解决；另一方 面是电子计算机技术的广泛应用，计算机运算能力和效率的极大提高，为优化技术提 供了强有力的计算工具。 美国m a t h w o r k s 公司在1 9 9 4 年推出了第一个m a t l a b 商业版本科技应用软件，它 具有强大的科学计算、图形处理、可视化功能和开发式可扩展环境，特别是附带的优 化工具箱( o p t i m i z a t i o nt o o l b o x ) 中包含有一系列算法和模块，可以用于求解约束线 性最小二乘优化、约束非线性和无约束极小值问题、非线性最小二乘逼近和曲线拟合、 非线性系统方程和复杂结构的大规模优化问题。特别是m a t h w o r k s 公司在1 9 8 4 年正 式推出m a t l a b 后，于1 9 9 2 年推出了具有划时代意义的m a t l a b 4 0 版本，之后陆续推 出了几个改进和提高的版本，2 0 0 4 年9 月正式推出了m a t l a b 7 0 ，其功能在原有的基 础上又有了进一步的改进，2 0 0 9 年9 月推出了r 2 0 0 8 b ，为优化设计的科学计算与工 程计算提供了强大的工具【m 】。 1 2 优化设计的基本概念 1 2 1 设计变量 一个设计方案可用一组基本参数的数值表示。依据设计内容的不同，选取的基本 参数可能是某些物理量，如质量、力及力矩、惯性矩等；也可能是几何参数，如构件 的外形尺寸、机构的运动尺寸等；还可以是代表工作性能的导出量，如应力、挠度、 频率、冲击系数等。这些参数中，有一些是事先给定的，另一些则需要在设计中优选。 前者称之为设计常量，而需要优选的独立参数，则成为设计变量。设计变量应当是在 优化过程中进行选择并最终必须确定的相互独立的设计参数。设计变量的全体实体实 际上是一组变量，可以用一个列向量表示，即 x = 【j c l ，而，弓，r 式( 1 - 1 ) 称作设计变量。 设计变量的数目成为优化设计的维数。为坐标轴所组成的力维实空间通常称作设 计空间。设计变量的数目越多，即优化设计的维数越多，表明考虑问题越周全，设计 的自由度也越大，容易得到理想的结果：但随着设计数目的增多，也必然是问题复杂 化，给优化问题的求解带来更大的困难。 1 2 2 目标函数 设计空间是所有设计方案的组合，如设计方案满足所有对它提出的要求，则成为 可行设计方案( 或称为可行域) ，反之则称为不可行方案( 或称为不可行域) 。在机械 设计中，有许多可行的方案，因而就需要有一个衡量设计方案优劣的标准。在机械优 化设计中，结构尺寸、强度、刚度、承载能力、效率根据设计要求都可以分别作为衡 量设计方案优劣的准则。这个被用于评价设计方案优劣的函数，被成为目标函数，通 常记为 2 天津科技大学硕士论文 厂( x ) = 厂( 而，屯，玛，) 式( 1 - 2 ) 优化设计要把设计变量与某种衡量标准的关系用函数来表达，追求函数值最小 ( 或最大) 以求得一组设计变量值，从而获得一个最优设计方案。这里的函数就称为 目标函数，它是以设计变量为自变量，以所要求的某种目标为因变量，按一定关系所 建立的用以评价设计方案优劣的数学关系式。 机械最优化问题，就是要追求目标函数的极小值，常用以下形式表示 r a i n f ( x ) 式( 1 - 3 ) x t 对 式中r ”称为甩维欧式空间 若追求目标函数值最大，则写成 m a x f ( x )式( 1 4 ) x e 甜 由于m a x f ( x ) 与m i n 一厂( x ) 】等价，为了算法和程序的统一，通常都写出追求目 标函数的畿尔值的形露飞口式( 1 3 ) 所示。 目标函数有单目标函数和多目标函数之分。用一个评价标准建立的目标函数称为 单目标函数，单目标函数的优化问题成为单目标优化问题。若同时兼顾几个评价标准 而建立的目标函数，则成为多目标优化问题。 1 2 3 约束条件 目标函数取决于设计变量，机械优化设计的设计变量x i ( i = l ，2 ，甩) 的值不能任意 选取，设计变量的取值范围有一定的限制，一般总要受到某些条件的限制，这些限制 条件就是设计的约束条件。每个约束条件用设计变量或它的函数表示，故又成为约束 函数，即约束条件。约束条件可以用等式和不等式表示。 等式约束对设计变量的约束严格，起着降低自由度的作用，它可能是显约束( 对 设计变量直接限制) ，也可以是隐约束( 对设计变量间接限制) ，其形式为 瑰( x ) = 0 ( 七= 1 ，2 ，) 式( 1 - 5 ) 在机械优化设计中不等式约束更为普遍，不等式约束的一般表达形式为 蜀( x ) 0 ( f = l ，2 ，朋)式( 1 - 6 ) 约束优化问题是在可行域内对设计变量求目标函数的极小点，此极小值点可在可 行域内或在可行域边界上。用图l - l 可以说明约束的二维优化问题极值点所处位置的 不同情况 图1 1 中a ) 极值点处于多边形的某一顶点上b ) 极值点处于等值线的中心c ) 极值 点处于约束曲线与等值线线的切点上d ) 极值点处于约束曲线与等值线的切点上e ) 极 值点处于两个约束曲线的交点上 其中图a ) 是约束函数和目标函数均为线性函数的情况，等值线为直线；图b ) 是约 束函数和目标函数均为非线性函数的情况；图c ) 、d ) 均为约束优化问题极值点处于可 3 1 前言 行域边界的情况。 d b ) o _ r i d ) d ) ；0 图l l 极值点所处位置不同的情况 f i g 1 - 1t h e d i f f e r e n ts i t u a t i o no f e x t r e m ep o i n t 1 3 机械优化设计的基本步骤、方法和发展趋势 1 3 1 优化设计的基本步骤 机械最优化设计的基本步骤： ( 1 ) 建立数学模型，将机械设计问题转化为数学规划问题：选取设计变量，建立 目标函数，确定约束条件； ( 2 ) 选择最优化计算方法： ( 3 ) 按算法编写优化程序： ( 4 ) 利用计算机进行优化计算并选出最优化设计方案； ( 5 ) 对优选出的设计方案进行分析判断，看去是否符合工程的实际情况。 1 3 2 优化设计方法的分类及其基本思想 求解优化问题的方法通常分为两大类：解析法和数值计算方法。解析法的特点是 利用数学分析方法求其目标函数的极值；数值计算方法是利用目标函数在某区域的某 种性质解一些特殊点的函数值，确定下一步的搜索方向和步长，逐步调优并逼近到函 数极值点或最优点的方法。因数值法不仅适用于求解复杂函数的最优解，也可用于处 理没有数学表达式的优化问题，故在机械优化设计中得到广泛的应用。 1 3 3 现代机械优化设计的发展趋势 目前，现代机械优化设计的研究和发展方向主要如下： ( 1 ) 模糊优化设计技术： ( 2 ) 面向产品创新设计的优化技术； 4 天津科技大学硕士论文 ( 3 ) 广义优化设计技术； ( 4 ) 产品全寿命周期的优化设计技术； ( 5 ) c a d 、c a p p c - 气m 集成系统中的优化技术； ( 6 ) 智能优化算法及其研究趋势； ( 7 ) 稳健优化设计方法的研究。 1 4 模糊优化设计方法简介 模糊优化方法是以模糊集理论为基础发展起来的一种新的优化设计理论和优化 方法，它能定量地处理影响设计方案的各种模糊因素，使设计结果更加符合客观实际。 模糊优化问题的求解涉及两方面的研究内容： 第一，由实际的生产或科研问题抽象出模糊优化数学模型，即建立模糊优化设计 模型。 第二，对所建立的模糊优化设计数学模型进行求解。 1 4 1 模糊优化设计的数学模型 与普通优化设计的数学模型一样，模糊优化设计的数学模型也由设计变量、约束 条件和目标函三个基本要素组成。 ( 1 ) 设计变量 模糊优化设计的设计变量，仍然是需要在优化过程中不断进行修改和调整的、独 立变化的参数。这些参数一经确定，设计方案也即确定。 过去通常将设计变量都视为确定的，但严格说来，设计变量大多带有不同程度的 模糊性。如动态设计中的阻尼系数、结构设计中的动载系数等，都很难给它们一个确 定的值，都有一个从完全是到完全非的中间过渡过程，因为都具有一定的模糊性。 ( 2 ) 约束条件 模糊优化设计的约束条件，仍然是对设计变量的取值加以限制的条件，也就是设 计方案必须满足的条件。这些条件通常分为三类：边界约束，如几何尺寸约束、形 状约束等；性能约束，如应力约束、变形约束、稳定性约束等；人文因素约束， 如政治形势约束、经济政策约束、管理及环境因素约束等。在这几类约束中，一般是 人文约束和性能约束包含了大量的模糊因素。通常所说的模糊优化设计，大多是具有 模糊约束的优化设计。 ( 3 ) 目标函数 模糊优化设计的目标函数，仍然是用于评价设计方案好坏的某个指标或某几个指 标。模糊优化的目的，也即寻找使目标函数达到最优的设计方案，如能使体积小、重 量轻、效率高、可靠性高或其他性能指标最优的设计方案。显然这些指标本身就是一 些模糊概念，都没有明确的界限和标准，所以目标函数通常具有模糊性。此外，由于 目标函数是设计变量的函数，当考虑了设计变量的模糊性时，目标函数也必然具有模 糊性，因此，一般情况下，目标函数是模糊的。 5 1 前言 在设计变量、约束条件、目标函数中，只要包含了至少一个模糊因素，则属于模 糊优化问题，否则为普通优化问题。 模糊优化设计的数学模型可写成 求x = ( 五，玉，磊) r使m i n f ( _ x ) 并满足g ，( 善) 匕( 歹= l ，2 ，j ) 其中，g ，( 善) 表示变形、应力、尺寸等物理量，匕表示模糊约束量g ，( 善) 所允许 的模糊范围。式中的约束称为“广义模糊约束。若g ，( x ) 为非模糊量，则式中的约束 可改写为g j ( x ) c 匕( = 1 ，2 ，) 且称其为“普通模糊约束 根据目标函数和约束函数两者在模型中地位和作用的关系，可将模糊优化数学模 型分为对称优化模型和非对称优化模型。前者是指目标函数和约束条件在模型中的地 位和作用是同等的、对称的、可以互换位置的一种优化模型：后者是指目标函数和约 束条件在模型中的地位是不同等的、不可互换位置的一种优化模型，它是在接受约束 条件限制的前提下，去寻求最优的目标，接受限制条件是第一位的。 1 4 2 模糊优化的基本含义和基本求解途径 ( 1 ) 模糊优化的基本含义为：寻求一组设计变量，使目标函数值到达最佳值，并 满足所有约束条件，当然，模型中包含一个或一个以上的模糊因素。 ( 2 ) 模糊优化问题的基本求解途径，是把模糊优化问题转化为非模糊优化问题， 再用普通优化方法求解。其具体转化方式有两种：最优水平截集法；近似模糊集 合法。最优水平截集法的基本思想是：从既安全可靠又经济实用的要求出发，在标志 模糊性的中间过渡状态中，截取一最优水平截集，把原来的模糊优化问题转化为相应 的普通优化问题。近似模糊集合法的基本思想是：用一个普通集合去近似一个模糊集 合，从而把一个模糊优化问题转化为一个非模糊优化问题。模糊优化问题的各种解法 有一个共同的核心，就是从模糊到非模糊的转化，不同的转化方法，便产生不同的模 糊优化解法【l j 。 1 5 稳健优化设计方法简介 1 5 1 传统稳健设计方法 2 0 世纪7 0 年代，日本著名学者田口玄一创立的三次设计法为稳健设计的发展奠 定了基础。三次设计法强调产品的设计都必须经过系统设计、参数设计和容差设计三 个阶段。正交试验设计和信噪比是三次设计法的两个基本工具。正交试验设计中必然 要用到正交表。运用正交表安排试验的最大优点是，可以从许多的试验条件中，选取 最有代笔性的少数几次试验条件，通过几次试验，分析推断出最佳试验条件。田口用 信噪比作为产品输出特性的稳定性指标来加以择优，信噪比最大的设计方法，就是最 有设计方案。 1 5 2 现代稳健优化设计理论 ( 1 ) 稳健设计的基本原理 6 天津科技大学硕士论文 产品质量的稳健性是指产品的质量特性对设计参数和噪声因素变差影响的不敏 感性，因此稳健产品是这样的一种产品，即它对制造工艺、环境、使用条件和材质的 差异的影响是不敏感的。一种获得了稳定性的产品，一般说来就可以放宽对制造工艺， 使用条件的要求，可以采用低廉的原材料，从而可以降低产品的成本。 嗍寸墟嗍如l 遗 芝纠产品质量 如l 一 噪声因素5 ，= y f ，) ：( 口，- y 1 ) l i i i 1i ， 一 i- 图1 2 稳健设计的图解表示 f i g 1 2 t h ed i a g r a m m a t i z eo fr o b u s td e s i g n t 综合以上分析，图1 2 给出了面向产品质量的稳健设计的图解表示。首先要使质 量指标的实际值尽可能达到目标值，其次还要使他的随机“钟形 分布变得“瘦小 些，以保证一批产品的实际质量指标的波动限制在规定的容差内。因此，一般说来， 稳健设计要求达到两个目的： 使产品质量特性的均值尽可能到达目标值； 使由于各种干扰因素引起的功能特性波动的方差尽可能小。 ( 2 ) 稳健设计的一般步骤 确定产品的指标体系，建立可控与不可控因素对产品质量影响的质量设计模 型，该模型应能充分显示出各个功能因素的变差对产品质量特性的影响； 对稳健设计模型进行试验设计和数值分析模拟计算，获取质量特性的可靠分 析数据； 寻找稳健设计解或稳健优化解，获得稳健产品的设计方案。 1 5 3 现代工程稳健优化方法 ( 1 ) 基于损失模型的稳健设计 基于损失模型的稳健设计就是一般技术文献中所称的t a g u c h i 稳健设计。此方法 在国内亦有称它为三次设计，是由任何一种产品或系统都必须经过系统设计、参数设 计和容差设计的三次设计而得名。 ( 2 ) 基于响应面模型的稳健设计 响应面法是以试验设计为基础的用于处理多变量问题建模和分析的一套统计处 7 i 前言 理技术。把响应面法应用于稳健设计一般分为三个阶段：因素的筛分、寻域和优化。 ( 3 ) 基于随机模型的稳健设计 工程随机变量优化设计是优化技术中近十几年来发展起来的一个分支，是把优化 技术、概率论和数理统计及计算机技术用于处理含有随机因素工程问题的一种重要方 法。 ( 4 ) 基于成本质量混合模型的稳健设计 基于成本质量模型的稳健设计就是把根据产品质量的稳健性来确定设计变 量的容差与根据制造费用确定容差分配结合，以在设计阶段使产品的质量与成本之间 达到最佳的平衡。 1 5 4 稳健优化设计的发展趋势 ( 1 ) 充分利用优化设计理论、数学等相关基础学科的原理不断完善本身理论，通 过与计算机技术、控制论等相关技术相结合提高解决实际工程问题的能力； ( 2 ) 必须把质量与成本紧密联系起来，通过稳健优化设计以获得高质量、低成本 的产品，适应市场竞争的要求 6 - 7 。 1 6 双螺杆磨浆机设计理论的现状 1 6 1 双螺杆磨浆机简介 双螺杆磨浆机( 法国人发明并称之为“b i v i s ) 是从塑料橡胶工业中同向旋转的 双螺杆挤出机变型设计而来的，用于制浆造纸工业的机械磨浆工艺。它的基本结构是 由两个相互平行、彼此啮合、转向相同的特殊螺杆和与其配合的机壳组成的机构。特 殊螺杆上的螺纹正反向交替，反向螺旋上开有数个斜槽。在磨浆过程中，制浆材料由进 料口送入，被正向螺旋推向反向螺旋，在正、反向螺旋挤压作用下物料被压缩揉碎，由 于正向螺旋挤压作用较大，物料被迫从反向螺旋的斜槽中通过而被剪切撕裂、进入下 一个挤压区，如此反复，在出料口物料被磨制成纸浆。在挤压过程中还可以加注药剂和 蒸汽，使物料在机械作用的同时发生化学反应，以提高纸浆的质量。双螺杆磨浆机以其 磨浆质量好、能耗低、用水量少和减少排污等优良特性，受到国内外学者和制浆造纸 行业的高度重视，被称为是继第一代打浆机、第二代盘磨机之后的第三代磨浆机械，具 有广阔的应用前景。 1 l弋，”9 ”= i a“7 ”。? 口匪 时婧阿好训 瓣群 厂1 鼯 _ 嘲 f 哥玲溅p 淌 。i a t 、 图1 3 双螺杆磨浆机构的示意图 f i g ! - 3f r a m e s k e t c ho f t h et w i ns c r e w r e f i n i n gm e c h a n i s m 3 b 天津科技大学硕士论文 1 9 7 5 年，生产塑料挤出机的法国c l e x t r a l 公司首先提出双螺杆机构应用于制浆造 纸工业磨浆的概念，并在8 0 年代初研制成功，9 0 年代初以双螺杆磨浆机为核心的制浆 生产线投入工业化生产。我国在9 0 年代中期开始研究双螺杆磨浆机，现在已研制生 产出几种规格尺寸较小的产品。但是目前双螺杆磨浆机的设计主要是类比国外产品的 结构和参数，或者参照螺杆挤出机的有关设计规范，双螺杆磨浆机的设计理论研究得很 少。鉴于塑料和制浆材料的机械性能差别较大，双螺杆磨浆机和双螺杆挤出机的结构 和工作原理不同，所以双螺杆磨浆机的设计理论的研究是很有必要的。这对于研制大 规格尺寸的双螺杆磨浆机、提高产品质量有着重要的意义删。 以双螺杆磨浆机为主体设备的双螺杆制浆系统是一种高效、清洁、灵活、节能的 制浆方法，可以改善目前我国以木材、棉秆、麻类和麦草等作为原料的造纸企业的生 产状况，制浆工段生产用水可以循环利用，努力实现零排放。该系统在高浓度条件下 进行磨浆处理，大幅度降低水耗和能耗，缓解困扰造纸行业的环保和能源消耗问题， 较传统的低浓度磨浆系统有突出的优势：1 ) 依据不同的生产工艺节能2 0 - - 5 0 ；2 ) 比传统的低浓度磨浆工艺流程节水8 0 9 0 ；3 ) 在漂白浆的生产中，节省化学药品 3 0 以上，设备自身的混合效果良好，大幅度缩短工艺操作时间；4 ) 在磨浆环节，吨 浆废水排放量大幅度减少；5 ) 制浆得率高达8 0 - - 9 2 ，对纤维破坏程度小，强度高； 6 ) 生产漂白浆的成浆白度最高可达8 0 i s 0 协1 9 】。 1 6 2 双螺杆磨浆机国内外研究历史、现状 在国外，1 9 7 5 年，生产塑料和食品挤出机的法国c l e x t r a l 公司首先提出双螺杆机 构应用于制浆造纸工业磨浆的概念，并开始进行实验和研究。8 0 年代初，双螺杆磨浆 机( 法国人称之为b i v i s ) 研制成功。1 9 8 3 年6 月，美国c eb a u e r 公司进行了双螺杆 磨浆机的生产实验，处理原料为南方松和杨木木片，在较低的能耗下，生产了类似热 磨机械浆( t m p ) 的浆料。9 0 年代初，c l e x t r a l 公司完成了以双螺杆磨浆机为核心的 制浆生产线的工业化实验。到目前为止，双螺杆磨浆制浆生产线已在世界上十多个国 家销售了近2 0 套。我国天津和昆山某造纸厂也引进了该公司的两条生产线。除此之 外，法国、美国和荷兰等国的学者对双螺杆磨浆机进行了研究。美国学者k u r d i nj a 等人u 引将双螺杆磨浆机与盘磨机进行了对比实验，发现双螺杆磨浆机有明显的节能作 用。 在国内，1 9 9 2 年，大连轻工业学院董平等人啪1 研究了双螺杆磨浆机螺杆的啮合原 理和螺杆参数的设计。1 9 9 4 年王丹发表论文啦论述了用双螺杆磨浆机生产高白度化学 热磨机械浆的情况，此后乔丹文也发表文章介绍了这种双螺杆纸浆设备乜列。1 9 9 7 年在 第八届造纸学术年会上天津轻工业设计院陈樵鉴撰文1 根据天津某造纸厂引进的法 国c l e x t r a l 公司的b i v i s 法高级漂白棉浆生产线，详细地介绍了b i v i s 法的生产流程， 并对b i v i s 法制浆机理进行了探讨。东北林业大学教授刘长恩在俄罗斯考察期间参观 了俄罗斯某造纸厂引进的法国c l e x t r a l 公司生产的双螺杆磨浆机，回国后根据当时拍 9 1 前言 摄的照片和有关资料进行研究，1 9 9 7 年申报了实用新型专利：双螺旋式磨浆机叫，并 与专业生产塑胶工业双螺杆挤出机的沧州东方塑机公司合作，研制生产了国内第一台 直径7 6 衄的双螺杆磨浆机，于1 9 9 9 年1 0 月通过黑龙江省科技成果鉴定。后来东方 塑机与东北林大签订了专利转让合同，两家分别进行该产品的研究和开发。2 0 0 1 年1 月东方塑机生产的直径7 6m m 的双螺杆磨浆机实验机型通过河北省新产品鉴定。同年6 月，他们和天津轻工业学院( 现天津科技大学) 合作，设备研究结合磨浆工艺的要求， 研制出直径1 2 0m m 的s m l 2 0 型双螺杆磨浆机，2 0 0 3 年1 月通过河北省新产品鉴定。 同时以东北林大为主体的黑龙江恩泽公司对7 6 咖双螺杆磨浆机进行改进研究，研制 出系列产品，并于1 9 9 9 年9 月申报发明专利：一种化学机械制浆方法及设备嗌1 。东 北林大刘长恩等人还对双螺杆磨浆机的制浆机理及其应用等进行了深入的研究防捌。 2 0 0 3 年初东方塑机在与天津科技大学的协作下研制出直径1 2 0m m 的双螺杆磨浆机； 天津科技大学王平申请人申报了实用新型专利：同向旋转双螺杆磨浆机啪1 ，并且对双 螺杆磨浆机的设计理论进行了初步的研究，并与天津和发机械厂合作研制出直径1 2 0 衄和2 4 0 咖的双螺杆磨浆机。 1 6 3 双螺杆磨浆机国内研究的发展趋势 目前，国内对双螺杆磨浆机的研究和开发取得了阶段性的成果，并投入生产应用。 总体而言，呈现出以下发展趋势： ( 1 ) 高速、高产化；( 2 ) 高效、低能耗；( 3 ) 模块化和专业化；( 4 ) 大型化； ( 5 ) 智能化：( 6 ) 对关键技术进行科技攻关，打破国外公司的技术垄断h 钔。 1 6 4 双螺杆磨浆机螺杆设计理论概述 螺杆的外形并不十分复杂，在正常情况下，根据转速的不同，物料在螺杆上停留 的时间大约在一分钟到几分钟之间。但就在这样短的时间内，却发生了大量的物理变 化。因此，虽然说挤出纸浆的质量及产量与挤出生产线的其它设备、部件有着直接的 关系，但螺杆设计质量的好坏却更大程度地影响着挤出产量的高低和纸浆质量的优 劣。因此，在正式分析双螺杆磨浆机挤出理论和设计参数之前，我们有必要对发生在 螺杆上的挤出过程有一比较为全面和深刻的认识。 ( 1 ) 加料物料一般采用皮带机输送加入料斗后，在强制螺旋加料装置的作用下， 进入螺杆螺槽的空间，在螺棱的推动下往前移动、挤出。 ( 2 ) 输送从理论上说，当物料进入螺槽后，螺杆每转功一转，所有的物料将往 前输送一个导段。但在实际生产中，这种理想情况是不可能发生的。向前的输送量事 实际上主要取决于物料对机筒的摩擦系数五和物料对螺杆的摩擦系数z 。五越大或z 越小，向前输送的固体物料量将越多。 ( 3 ) 挤压与剪切双螺杆磨浆机的正向输送段螺纹的螺距由大到小，大导程螺纹 段有利于物料的加入，提高输送效率；而小导程螺纹段对浆料产生挤压作用，形成渐 缩区以建立高压揉搓。下一段为反向螺纹，浆料反向运动。反向螺旋的螺棱上开有数 1 0 天津科技大学硕士论文 个斜槽。在反向螺旋逆向推送作用下，物料在此积累，形成压力区。当压力达到一定 程度时，物料通过斜槽，正向螺纹对纤维物料定向挤压和输送；反向螺纹在反向推送 挤压时，也有这种定向作用。这就实现了纤维的轴向挤压和剪切。 1 6 5 双螺杆磨浆机螺杆几何学的研究概况 北京化工大学的席世亮等用v i s u a lc + + 编写了单螺杆挤出过程的计算机仿真系 统，此系统能近似地模拟挤出过程，并预测挤出机的质量流率、沿着螺槽的压力和温 度分布、固体床的分布，以及能量消耗。大连水产学院的王玉德等设计了基于m a t l a b 的g u l 设计双螺杆挤压机系统仿真软件，利用该软件设计的软件包工具可以简单方便 的预测双螺杆挤压机系统的目标输出，其结果可以用于指导生产实践m 侧。1 9 9 9 、2 0 0 0 年陈洪涛、肖斌先后对肘杆式合模机构优化设计及其c a d 软件进行了开发与研究 纠羽。螺杆作为挤出机的一个关键零件，生产中的大量实际例子表明：螺杆设计的好坏， 对制品的产量和质量及能耗等有着极大的影响。因而螺杆设计显得非常重要。1 9 9 9 年，杨巧绒等对单螺杆挤压机能耗的参数进行了优化h 朝。 在双螺杆磨浆机的结构设计中，其螺杆螺纹曲线的确定是其关键之一，即螺纹 元件必须满足一定几何条件，这关系到两螺杆能否正常啮合而不发生干涉，目前双螺 杆磨浆机螺杆几何学的研究，主要借鉴同向啮合双螺杆挤出机螺杆几何学研究成果。 在双螺杆挤出机领域，对于自扫型啮合同向双螺杆的几何学而言，研究得最早、起奠 基作用的当推m l b o o y “引，其它如c h r i sr a u w e n d a a l m l ，c c a r r o t “ ，h p o t e n t m 粕1 等 都作了很多有益的工作，国内也进行了有关的研究工作，这些对于双螺杆挤出机的发 展做出了重要贡献。但是塑料、聚合物工业双螺杆挤出机都采用2 头、3 头螺纹或多 头螺纹，而双螺杆磨浆机采用单头螺纹。对于双螺杆磨浆机而言，由于被加工物料的 机械性能与聚合物不同，加工过程的功能作用也必然不同，所以不能采用塑料挤出机 的齿形修正方法简化理论单头螺纹齿面，如何修正、简化和优化，仍是一个亟待解决 的技术问题。 在文献 4 5 1 中，m l b o o y 根据相对运动原理推导出全啮合自扫型同向旋转双螺杆 的横截面几何方程，表明在相同的速度下一对螺杆具有特定的横截面，并详细阐明了 螺纹直径、中心距、导程和头数对螺杆设计、净容积、表面积是如何影响的。对于给 定的螺杆直径、中心距和头数，螺杆截面是唯一确定的，并在螺杆横截面的基础上推 导出螺杆轴向截面的曲线方程；并且计算了螺杆净容积的方程。 在文献【5 6 】中，何继敏详细地阐述了同向旋转全啮合双螺杆螺纹曲线的形成机理， 并建立数学模型；通过对曲面法向修正法的掌握，可以有效地解决实际设计中螺纹理 论曲线的修正问题，从而完善了该数学模型。 张建敏、郭弈崇等在文献【5 7 】中通过采用相对运动分析的方法，建立了双螺杆螺 纹几何轮廓的数学模型，得出了修正后螺纹轮廓表面上任意一点的数学表达式，利用 该数学表达式，可直接求得螺纹轴截面内的几何形状。 l 前言 刘慧在文献 5 8 】中通过对双螺杆几何学的研究，建立了同向全啮合、共轭、双头 挤出机螺纹端面曲线、立体图形的数学模型，并进一步给出了螺杆设计中端面所适用 的参数曲线组方程。 柳和生在文献 5 9 】中从双螺杆啮合几何学出发，分析并研究了啮合型同向旋转双 螺杆各功能段螺纹头数选择准则，探讨了该类双螺杆挤出机中三种典型螺杆间隙的确 定方法，并将这些准则及方法用于指导螺杆设计。 文献【6 0 】对梯形螺槽截面同向和异向旋转双螺杆三维实体造型进行了分析，并对 其在双螺杆设计、双螺杆中物料流动分析中的应用进行了研究和探讨。结果表明，双 螺杆几何造型程序具有很强的适用性和可行性，为各种双螺杆各几何参数的合理选择 以及优化设计提供了强有力的技术和工具支撑。 1 6 6 啮合同向双螺杆挤出理论 在双螺杆挤出机流量、功耗和螺杆轴向力的计算方面李品华唧】假定物料为非牛顿 流体，且沿螺槽定常流动，用数值方法求解n a v i e r - s t o k e s 方程得到速度方程，并采用 无量纲分析法得到螺杆轴向力、扭矩和功耗的积分表达式，但是由于表达式中的剪应 力无法确定仍然无法求解。1 9 7 8 年j a n s s e nl p b m t 6 1 】采用几何法给出双螺杆挤出机 流量的表达式，q = 2 n m v ( 其中刀为螺杆转速，m 为螺纹头数，v 为双螺杆c 形小室的 体积) ，我国学者陈仪先【5 5 1 、耿孝正1 1 3 】、朱文华1 5 6 1 等、史建国等【5 7 1 和国外学者1 4 2 舶1 对 上式进行了补充和修正，但由于这种方法只能计算理论最大流量，并且没有考虑加工 物料的力学性能和物料与螺槽表面和机筒内表面的摩擦特性，因为并不符合实际的生 产情况。 在功耗和轴向力计算方面，2 0 0 3 年耿孝正指出【”】：对于双螺杆挤出机的功耗和 轴向力除了定性分析之外，目前尚无比较成熟的理论计算方法。双螺杆挤出机的功耗 可采用类比设计、经验统计数据和反算法三种方法设计；螺杆轴向推力与螺杆直径、 机头静压力和附加动压有关，当螺杆螺槽充满物料时，附加动压可以忽略。 从整体上看，双螺杆磨浆机的挤出过程自物料进入螺杆机筒后先后经历了固体输 送、轴向挤压、剪切切断和纤维化等阶段，最后经出口排出。 从啮合原理上讲，啮合同向旋转双螺杆在啮合区纵向和横向皆封闭是不可能实现 的，因为如果完全封闭将发生干涉现象。故必须将螺杆螺棱的设计宽度小于螺槽宽度， 即纵向是开放的，而横向可以是封闭的。从现今流行的啮合同向双螺杆挤出机的螺杆 设计来看，螺纹形状绝大多数是根据相对运动原理设计出的所谓自洁型，螺棱较窄， 螺槽较宽，故由加料口到出料口，两根螺杆中有一成形螺旋通道。 从输送机理上，啮合同向双螺杆磨浆机有正向位移输送，也有摩擦拖拽流和粘性 拖拽输送，具体的输送特性形式取决于物料的性质、螺杆构型和操作条件等。 关于同向双螺杆磨浆机挤出过程的研究，主要是通过实验研究物料在螺杆间所受 到的挤压作用、能耗和轴向力等，在理论上，对固体输送理论则研究得比较少。国内 1 2 天津科技大学硕士论文 外迄今发表的有关啮合同向双螺杆挤出过程固体输送论文的篇数不多。发表得最早的 是w p 公司的资料，它提出了物料沿螺旋形通道向前输送的概念。c c a r r o t 等人的 固体输送模型有较大进展，他们认为啮合同向双螺杆固体输送有两种机理，即基于摩 擦流拖拽流输送和在上啮合区沿螺杆轴线方向的正位移输送，并认为上啮合区的正位 移输送量就是全部正位移输送量，在螺槽中物料会形成密实的固体床，但没有指明是 粒料还是粉料。h p o t e n t e 则认为在垂直于螺杆轴线的截面内，不同区的物料集聚态是 不同的，有的区域内物料呈松散状态，有的地方物料则形成压实的固体结块，螺槽内 的物料完全靠正位移输送。j l