（机械设计及理论专业论文）聚合物电磁动态塑化挤出机驱动系统动态特性研究.pdf

摘要 摘要 本文利用集中质量的方法建立了聚合物电磁动态塑化挤出机螺杆的轴向振 动的物理模型和数学模型，对简化模型的刚度、质量、激励和阻尼的处理方法进 行了研究，得到了接近实际的计算方法；基于所建立的螺杆轴向振动系统的模型 是单自由度有阻尼系统，因此在计算上采用解析法计算螺杆的轴向自由振动和强 迫振动，比传统的霍尔兹法和能量法有更高的准确性；得出了螺杆轴向振动系统 共振的频率和振幅；并且对螺杆轴向振动及其转动二者之间的关系问题进行了初 步探索，得出一些结论；制定了测试方案。利用所总结的理论和方法以及测试系 统对s j d d 2 6 0 挤出机的螺杆轴向振动和转动进行了计算和测试，并对结果进行 了一系列的分析和处理，理论计算和实测数据基本吻合。 本文的研究为进一步研究在振动力场作用下聚合物的成型加工和特性奠定 了基础；为电磁动态塑化挤出机螺杆的轴向振动和转动二者之间的协调控制提供 了理论依据；也为今后研究螺杆轴向振动和扭转振动二者的耦合振动以及电磁动 态塑化挤出机螺杆轴向振动系统构件的动态设计、优化设计和可靠性设计做了一 些先行工作。 关键词：集中质量法电磁动态塑化挤出机 螺杆轴向振动 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b yu s i n gt h em e t h o do fl u m p e d - m a s s ，t h i sp a p e ru p b u i l d e dt h ep h y s i c a l m o d e la n dm a t h e m a t i cm o d e lo ft h es c r e w sa x i a l v i b r a t i o no ft h e e l e c t r o m a g n e t i s md r a m a t i cp o l y m e rm o l de x t r u d e r ，a n ds t u d i e dt h em e t h o dh o w t op r e d i g e s tt h es t i f f n e s s ，m a s s ，e x c i t a t i o na n dd a m p ，a n dg a i n e dt h ea p p r o a c h p r a c t i c a lm e t h o do fc a l c u l a t i n g b a s e do nt h em o d e lo fw h i c ht h es c r e w sa x i a l v i b r a t i o ni sad a m p e dv i b r a t i o ns y s t e mo fs i n g l ed e g r e e - o f - f r e e d o m ，s oi t s m o r ee a s ya n dm o r ep r e c i s et oa d o p tt h em e t h o do fe x p l a i n i n ge q u a t i o n s d i r e c t l y t oc a l c u l a t et h es c r e w sa x i a lv i b r a t i o n ，f r e ev i b r a t i o na n df o r e e d v i b r a t i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lh o l z e rm e t h o da n de n e r g ym e t h o d t h e ne d u c e d t h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ft h es y s t e mr e s o n a n c eo ft h es c r e w s a x i a l v i b r a t i o n w h i c ha l s oe l e m e n t a r i l yr e s e a r c h e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es c r e w s a x i a lv i b r a t i o na n dr u n n i n g ，f o u n ds o m ec o n c l u s i o n sa n dc o n s t i t u t e dt h et e s t i n g p r o j e c t b yu s i n gt h es u m m a r i z e dt h e o r ya n dm e t h o da n dt e s t i n gs y s t e m ，t h i s p a p e ra i m e da tt h es c r e w sa x i a lv i b r a t i o na n dr u n n i n gt oc a l c u l a t ea n dt e s t ， t h e nas e r i e so fa n a l y s i sa n dd i s p o s a la i m e da tt h er e s u l ta r ec a r r i e d ，a n da tl a s t f o u n dt h ec a l c u l a t i n gd a t ao ft h e o r ym e e t sw i t ht h eo fm e a s u r e db a s i c a l l y t h e s t u d yo ft h i sp a p e rs e t t l e df o u n d a t i o nf o rm o r es t u d y i n gt h em o l d i n gm a c h i n i n g o fp o l y m e ra n dc h a r a c t e r i s t i c ，a n di tp r o v i d e st h eg i s to ft h e o r y f o r t h e h a r m o n i z e c o n t r o l l i n g b e t w e e na x i a lv i b r a t i o na n dr u n n i n g o ft h e e l e c t r o m a g n e t i s md r a m a t i cp o l y m e rm o l de x t r u d e r a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e r a l s od os o m ep r e c e s s i o nw o r kf o rs t u d y i n gc o u p l e dv i b r a t i o nb e t w e e na x i a l v i b r a t i o na n dt o r s i o n a lv i b r a t i o na n dt h ed y n a m i cd e s i g n ，o p t i m i z ed e s i g na n d d e s i g no fd e p e n d a b i l i t yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i cp l a s t i c a t i n ge x t r u d e r f o rt h ef l l t u r e k e yw o r d s ：l u m p e d m a s sm e t h o d t h ee l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i cp l a s t i c a t i n g e x t r u d e r s c r e wa x i a lv i b r a t i o n i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 我郑重声明：该论文是我在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。文章实事求是，绝无虚假和剽窃，9 0 以上都是自己组织 语言、一个字一个字地打字输入，只有绪论中的一少部分是引用别人 的。文中有大量的图，其中只有一幅图是引用导师的发明成果，其余 全部是自己结合实际、亲手所画。另外，对有所不足和误差较大的部 分，本文也遵循实际，作出了分析。 本文的理论分析有一定的广度和深度。所推导的结论正确、合理， 能对现实中的现象进行很好的解释。值得特别提的是：根据实验数据 描绘的幅频特性( 动态特性) 曲线和静态特性曲线，与理论曲线非常 接近。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 蚬魄研 1 年幻月 乙 学位论文版权使用授权书 2 弓日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于保密，在5年解密后适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 袭觇 午 日期：嘶年 日期：劢尹年 厂 1 ) 扩月二乡日 莎乡日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 振动利用工程的形成、发展 聚合物电磁动态塑化挤出机是一种利用振动技术的机械。通常认为，某种量 随时间或大或小的不断变化即为振动，它是物质运动的一种带有普遍意义的重要 形式。在工业技术领域，振动现象屡见不鲜一一各类振动机械、动力装置、仪器 仪表和各种加工设备等，无一不存在振动问题。 一般情况下，振动是有害的；但在一定的条件下，振动则是有利的。有害 的振动需要抑制，而有利的振动则要充分利用。由此振动工程学科有两大分支一 一振动抑制工程和振动利用工程。本文着重阐述振动利用工程问题。 1 1 1 振动利用工程学科的形成和发展 振动学科曾经是物理学或力学的一个分支，原属于基础科学。这一学科以力 学和数学为基础，以现代测试技术、计算技术为手段，并从系统论、控制论及信 息论等新兴学科吸取营养，而发展起来。它面向工程实际，以振动学科的理论、 知识和方法来解决工程中日趋复杂的各种动力学问题，作出了富有成效的贡献， 且越来越成熟，终于由基础学科发展成为一门工程学科一一振动工程。 由于在特定条件下，振动则是有利的，并且在近二三十年来，振动与波利用 技术在工程技术的各个部门及人类生活的各个方面的广泛应用。所以，对振动现 象进行研究，找出其内在规律，并进行有效的利用，就会对社会产生重大的社会 效益与经济效益，为人类造福。基此，“振动利用工程学科 应然而生，逐渐发 展成为振动工程学与其他学科相结合的一门新学科。 目前“振动利用工程”正处在迅速发展的过程中。例如，在医疗方面，利用 振动超声波能够诊断、治疗疾病，彩超、医用c t 和核磁共振等，都是对振动与 波动原理的实际应用；在土建工程中，振动沉桩、振动拔桩以及混凝土灌注时的 振动捣固等；在石油开采上，还可利用振动提高石油产量：在许多工矿企业，可 以利用振动完成许多工艺过程，或用来提高工作效率。据不完全统计：目前用于 工业生产中的振动机械有百余种之多。这些振动机械在各个工业部门已发挥了重 要作用。 1 1 2 振动利用的分类 振动利用主要分为：振动能量的利用和振动信号的利用两类。 华南理工大学硕士学位论文 1 1 2 1 振动能量的利用 各类振动机械均为对振动能量的利用，包括下面要论述的聚合物电磁动态塑 化挤出机，是对振动力场的利用，因此它属于振动能量利用的范畴。振动机械是 由激振器、振动体或工作台面、平衡质体或隔振质体、弹性元件及阻尼元件等组 成，按激振器的基本类型，振动机械可分为曲柄连杆式、惯性式、电磁式、液动 式、凸轮式等。 1 1 2 2 振动信号的利用 利用结构物、机器设备( 及至自然物、生命体等) 工作过程中产生的振动信号， 借助测量、记录、分析、显示仪表，实现工作性能检验、施工质量分析、运转过 程监控、故障预测和诊断等这方面的应用，正从机械工程领域向建筑工程、水 利水电工程、农业工程、气象工程直至医疗保健、社会经济领域不断扩展。 例如，机械设备的故障诊断和过程监控就是利用设备运转中产生的振动信号 的不同特征，对已知结构情况的设备进行故障诊断、故障预报和过程监控，是近 十多年来发展起来的一种新技术。 1 2 振动利用在聚合物加工中的实现 挤出成型和注塑成型是聚合物成型的主要方法，据统计，塑料的加工成型有 4 5 是通过挤出成型实现：从塑料门窗到塑料给排水管都是挤出制品；而光碟和许 多电子产品的外壳则是通过注塑成型。挤出成型所用的设备是螺杆挤出机，而注 塑成型所用的设备是注塑机。挤出机及注塑机的性能不但对制品质量有直接影 响，而且直接关系到成型生产效率、成本以及环境等一系列问题，长期以来，人 们对其原理和结构进行了深入的研究，出现了新的挤出机和注塑机。华南理工大 学瞿金平教授将振动引入到聚合物塑化挤出的全过程，发明了聚合物电磁动态塑 化挤出机。此项发明是聚合物加工史上的里程碑。 2 第一章绪论 图1 - 1塑料电磁动态塑化挤出机 1 螺杆、2 料筒、3 转子、4 定子、5 机座、6 料斗 f i g 1 - l t h es t r u c t u r eo fe l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i cp l a s t i c a t i n ge x t r u d e r 1s c r e w 、2b a r r e l 、3r o t o r 、4s t a t o r 、5s u p p o r tb a s e 、6h o p p e r 1 2 1 机器的原理和结构 各种传统挤出设备都是采用电机驱动，外加热元件加热，采用外加热源与机 械剪切联合作用的稳态塑化挤出机理，采用多系统分立的结构型式，它们一直存 在着能量利用率低、能耗大、噪声大、体积质量大、制造成本高、挤出制品质量 提高困难等缺陷。令人鼓舞的是，华南理工大学瞿金平教授发明了聚合物电磁动 态塑化挤出机，一改传统挤出机的毛病，将电磁场引起的机械振动引入聚合物塑 化挤出的全过程，是聚合物加工发展史的里程碑。 图1 - 1 是聚合物电磁动态塑化挤出机的原理结构示意图。 由图可见，在该机器中，塑料的塑化挤出部分被全部植入驱动电机转子的内 腔之中，让电机转子直接参与聚合物的塑化挤出过程，并利用转子的转动和振动， 直接将电磁功率转化成电能、压力能及动能，完成物料的输送、塑化挤出成型。 这样便将电磁场引起的机械振动场引入聚合物塑化挤出全过程，实现了物料动态 塑化挤出、直接电磁换能及结构的集成化。由于其全部塑化挤出部件均置于转子 内腔，故其结构相当紧凑，体积及质量只有原来的3 0 ，制造成本也降低5 0 。 同时，由于它将电机内电磁场的能量直接的利用来对物料进行塑化，而整个工作 机构又紧凑地置于机器的中心部分，因此，其效率特别高，实验表明，在相同产 量下，其能耗仅是传统挤出机的5 0 。除这些外，它还有噪声低、对物料适应性 好、塑化混炼效果好、挤出温度低等一系列优点。 3 华南理工大学硕士学位论文 1 2 2 引入振动力场后的挤出机理 整部机器从侧面观察相当于一个铁磁体转子异步电动机，气隙中脉振磁场不 仅在转子上产生热耗，同时使转矩产生脉动，转子产生轴向振动，这对聚合物的 塑化挤出过程产生巨大影响。 振动场对固体物料输送影响很大，在振动状态下，物料沿螺旋槽输送的同时 还被周期性的压缩、释放，瞬时变化的压力将使物料快速压实，固体输送效率提 高，排气效果提高，物料从松散到压实所需要的运动路径缩短。 振动场对物料的熔融塑化也有影响，在振动场作用下，物料中产生应力与应 变。由于应变滞后于应力，在物料中产生了耗散热，这一热能正是聚合物熔融塑 化所需要的。另一方面，振动场使物料中产生瞬变压力，加速了聚合物分子链的 解缠、取向及重排列，在宏观上加速了聚合物的转化，表现出转化温度降低的现 象。 振动场还对熔体的输送及计量有影响，熔体中动态应力幅超过某一极限后， 熔体表观粘度将减小，同时弹性也减小。这就使挤出成型过程受影响，挤出特性 发生变化。 1 2 3 优点及展望 通过用电磁动态塑化挤出机生产的h d p e 吹塑薄模与传统设备生产的制品相 比，发现新型挤出机挤出薄膜的各项性能均优于传统设备生产的制品，有趣的是， 新型设备生产的吹塑薄膜制品纵横向力学性能基本一致。这说明动态塑化挤出方 法有使挤出制品各向同性的趋势及可能。 塑料电磁动态塑化挤出机优良的品质、极高的效率，使得它得到普遍的认同， 发展前景一片光明。 1 2 4 振动利用的显著特征及发展趋势 由聚合物电磁动态塑化挤出机可知，它是振动工程与机械学、电机学、电磁 学、材料学、自动控制等诸多学科紧密结合的结晶。同时也会带动材料科学、机 械学、电机学、电磁学等学科向纵深领域发展。 事实上，随着科技的发展，振动利用的研究和应用早己跨出了机械工程领域， 扩展到了建筑工程、矿业工程、化学工程、材料加工工程等诸多工程领域，并将 经典力学、非线性力学、振动学与机械学、电机学、材料学、自动控制、信号分 析、图象处理等诸多学科紧密结合，由此形成了多学科互相交叉渗透的局面。 由于振动现象的广义化，振动利用更延伸到了生物、农业以及社会经济领域， 使得振动利用的范围大大扩展，诸多工程学科的结合体又将与生物学、农业科学、 医学、经济学等学科，在更大的范围形成交叉互动。 4 第一章绪论 因此，振动利用最显著的特征在于的广泛性及其与多学科互相交叉渗透，并 带动各学科向更大的范围、更深层次方向发展。振动利用工程科学在更宽的视野 以及更深的层次与其它学科交叉渗透，将是2 1 世纪振动利用发展的主要趋势。 1 3 螺杆的轴向振动 振动利用在聚合物加工中的引入方式，是螺杆的轴向振动。电磁动态塑化挤 出机螺杆是一个复杂的振动系统。由于螺线管激振器的工作是周期性的，因而螺 杆上承受着周期性交变载荷的作用。这一作用使螺杆产生轴向的振动。我们把螺 杆沿轴向的振动称为螺杆的轴向振动，简称为螺杆的纵振。 正弦激振力 墨三羽珥辅羯辚鞠豳晒 图l 一2螺杆 f i g 1 - 2 t h es c r e w 如图1 - 2 所示，螺线管激振器产生的正弦激振力作用于螺杆上，使螺杆发生 轴向振动。同时，由于螺杆的偏心，作用在螺杆上的力分解为轴向力和切向力， 切向力产生扭矩，带动螺杆发生扭振；对于扭振，在此不做进一步的讨论。轴向 力的作用将引起螺杆的纵向振动。本文着重讨论螺杆的纵向振动。 动态塑化挤出机螺杆的纵振系统主要由螺杆、传动套、弹簧板等回转件组成。 无论是对于短螺杆，还是对于长螺杆，在利用轴向振动进行工作的同时，还要避 免纵振共振，共振是不可忽视的，严重的螺杆纵振共振可能引起： 1 ) 过大的应力( 比非共振时大几倍，甚至十几倍) ，导致螺杆的疲劳破坏； 2 ) 弹簧板上的附加弯曲负荷，使其使用寿命减少； 3 ) 轴承附加交换负荷，加速轴承的磨损； 4 ) 纵振产生二次激励引起机体的振动和噪音，甚至引起机体上有关部位的破 坏。 为了减小螺杆纵向振动的危害，以及探索其振动利用的规律，有必要对螺杆 纵向振动进行研究，以便在设计中避免强烈纵振的发生，并对存在严重纵振的发 动机采取减振措施；同时，在尊重振动规律的基础上，更有效地利用振动。 1 4 轴向振动研究的发展 轴系振动的研究开始于扭转振动的研究。从十九世纪未到二十世纪初，各种 华南理工大学硕十学位论文 断轴事故的分析报告及有关文章逐渐出现，对轴系扭振的研究也逐步深入。一九 一六年德国的盖格尔发表了机械盖格尔的振动仪测量轴系扭转振动的文章后，扭 转振动的研究进入了实测和试验阶段。到本世纪五十年代，扭转振动的研究逐渐 成熟，扭振实际问题的计算分析处理己形成一套完善的理论方法。随着计算机的 问世和普及，大量的计算问题得以解决。到目前为止，扭转振动的研究己相当成 熟。 对于轴系的轴向振动，最早提出的研究对象是柴油机曲轴的轴向振动。而它 研究的目的是为了避免轴向振动带来的危害。至于挤出机螺杆的轴向振动，到目 前为止，国内外还没见有任何报道。 各工业部门中的各类振动机械、动力装置、电子产品、仪器仪表所存在的振 动问题，大部分都属于振动抑制问题，即想方设法把工程中的振动消除或者将其 降低到最低程度。例如，电动机、发电机主轴的弯曲振动、扭转振动、弯扭偶合 振动以及轴向振动都是这种类型；柴油机曲轴的轴向振动所带来的危害越来越 大，因此，此类振动也是需要消除或者将其降低到最低程度的。 与工程中大部分振动不同的是，聚合物电磁动态塑化挤出机螺杆的振动，则 属于振动利用问题，但同时也包含有振动抑制问题，这是聚合物电磁动态塑化挤 出机螺杆振动区别于工程中大部分振动的重要特点。说它属于振动利用问题，是 因为它是由我国华南理工大学瞿金平教授于1 9 8 8 年创造性地运用能量转换原理 口】，并将振动力场引入到塑化挤出的全过程【3 】，首次提出了电磁动态塑化挤出成 型的新方法，由该法所研制成功的电磁动态塑化挤出设备取得了一系列显著优点 一一由于振动场引入到物料塑化中的能量占主导地位，以热耗散方式使物料均匀 加热，稳定挤出时不需加热器，克服了传统挤出机中加热器热能利用率低、加热 不匀的缺点。同时，理论和实验研究表明“1 ，螺杆加轴向振动后，在螺杆转速不 变的情况下，振动力场的引入使挤出产量增加。在振动强度一定的情况下，螺杆 转速增加，挤出压力增加，挤出产量也相应增加。在螺杆转速相同的条件下，振 动强度越大，挤出产量将获得更大的增加。反之，若维持挤出产量不变，则挤出 压力随振动强度的增加而减少。这是因为振动力场的引入，使熔体粘度减小，挤 出压力必然降低。因此，螺杆振动可在维持挤出产量不变的情况下实现低压挤出， 这有利于充分发扦挤出机的最大挤出潜力、提高挤出机的产量。而且，在挤出产 量一定的情况下，挤出压力随振动强度的增大而减少，这对减小熔体流经1 2 1 模时 的内应力、防止熔体破裂、减小挤出胀大、提高制品尺寸精度和时效特性具有重 要意义。与此同时，由该法所研制成功的电磁动态塑化挤出设备具有体积重量减 少约7 0 、制造成本降低5 0 左右、工作能耗降低4 0 5 0 、对物料适应性广、 成型制品质量高、噪声小和无油污染。 而为什么说它同时也包含有振动抑制问题呢? 是因为聚合物电磁动态塑化 6 第一章绪论 挤出机在利用其螺杆的振动进行加工的同时，也要避免螺杆和电机转子发生共 振，也同样需要降低挤出机本身的整机振动。 不管是轴系振动利用问题，还是振动抑制问题，都需要对振动进行深入地研 究以获取其规律和特性。这样一来，才能对振动进行有效地利用和抑制，才能为 进一步研究在振动力场作用下聚合物的成型加工和特性奠定基础，同时也为控制 系统的优化与完善提供理论依据。 柴油机曲轴向振动问题早在本世纪初就提出来了，但未被引起足够的重视， 因为当时曲轴扭振问题显得更为突出。然而在曲轴的振扭振问题得到解决之后， 曲轴仍然出现断裂事故，这就迫使人们转向对纵向振动的研究。现在资料表明， 在曲轴扭振得到较为完善地解决之后，曲轴故障坏是6 0 8 0 由于曲轴纵振引起 的。 柴油机纵向振动研究首先在船舶行业内引起重视，大功率，长冲程的船用柴 油机是纵向振动首当其冲的受害者。从四十年代开始，特别是近二十年，国外的 一些主要船级社和柴油机制造厂陆续开展了柴油机轴系轴向振动理论研究和测 试工作，不少船级社已纷纷明确把曲轴纵振特性计算和测量作为船舶入级的内容 之一。国内对柴油机轴系纵振问题的研究工作开展的比较晚，8 0 年代初由上海 船检局首先开展柴油机轴系纵振的理论研究和实船计算测量工作，并颇有成绩。 目前，船舶柴油机轴系的纵系的纵向振动研究和测量工作己在国内许多单位展 开，并取得了一定的成果。 近几年来，车用柴油机曲轴纵向振动问题己经逐步引起人们的重视。发达国 家很早就着手研究和预防车用柴油机曲轴振动和整机振动，采用了不同的方法， 研制出了各种减振器( 如阻尼式，调频式，主动式和被动式等) ，有效的降低了 曲轴的振动和整机的振动。但是柴油机的工作特点决定了曲轴始终要承受很大的 动载荷，曲轴振动的问题仍然是研究车用柴油机振动的重点难点。在扭振基本得 到控制的情况下，曲轴的纵向振动问题变得越来越严重。我国在这方面的研究刚 刚起步，很有必要进一步深入。 因此，不管是车用柴油机曲轴，还是船用柴油机曲轴，或者是挤出机螺杆， 对于轴系轴向振动的研究已是刻不容缓。 车用发动机现朝着高紧凑性，高可靠性，高经济性，低散热量方向发展，随 之而来的振动问题愈加严重。在根据扭振理论所采取的方法不能理想减振的情况 下，有必要运用扭转纵向耦合振动的方法对曲轴的振动进行研究。在船舶行业， 国内关于扭转纵向耦合振动的理论已经研究己经开始，国外己经着手进行曲轴扭 转，纵向和弯曲三维振动的研究工作。 7 华南理工大学硕十学位论文 1 5 本文的研究内容和意义 1 5 1 研究内容 本研究是结合广东省自然科学基金研究团队项目【2 0 0 0 1 2 4 “聚合物电磁动 态成型的基础理论研究 进行的。为适应聚合物加工对螺杆振动系统提出的要求， 本文对电磁动态挤出机螺杆的轴向振动的理论进行了研究，同时对螺杆轴向振动 和转动二者之间的关系问题进行了初步探索。并对s j d d 2 6 0 挤出机螺杆轴向振 动和转动进行了实测。 具体工作如下： 1 在消化和吸收国内外关于船舶轴系纵向振动研究理论方法的基础上，结 合电磁动态塑化挤出机的特殊结构和特点，建立了螺杆轴向振动振动计算分析的 物理模型和数学模型； 2 根据弹簧板的特殊结构，总结出了较为合理的简化方法，对其刚度进行 计算； 3 根据自行研制的螺线管激振器的结构以及电磁铁的理论，推导出电磁动 态塑化挤出机螺杆轴向振动的电磁激振力； 4 对聚合物的阻尼进行了研究，总结出了较为合理的处理方法和计算方法； 5 根据模型以及以上的理论推导，进行自由振动计算和强迫振动计算，求 解出螺杆轴向振动的空载固有频率、有载固有频率及共振频率。 6 对螺杆的轴向振动和转动二者之间的关系问题，进行研究； 7 制定了螺杆轴向振动、转动的动，静态测试方案，利用测试分析系统以 及上述理论的方法对s j d d 2 6 0 挤出机螺杆轴向振动、转动进行动，静态测试和 分析计算。对计算和实测结果进行了分析，验证了所提出的理论与方法的正确性， 总结出了电磁动态塑化挤出机螺杆轴向振动和转动的基本规律。 1 5 2 研究的意义 通过研究聚合物电磁动态塑化挤出机螺杆的转动和轴向振动二者之间的动 态关系特性，不仅有重大的理论意义，也有重大的现实意义。 理论意义： 1 - 从转动和轴向振动关系的角度对振动进行研究，完善和发展振动理论。 2 完善挤出机驱动系统的理论，为电磁动态塑化挤出机螺杆的轴向振动和 转动二者之间的协调控制提供了理论依据； 8 第一章绪论 现实意义： 1 本研究为进一步研究在振动力场作用下聚合物的成型加工和特性奠定了 基础： 2 为今后研究螺杆轴向振动和扭转振动二者的耦合振动以及电磁动态塑化 挤出机螺杆轴向振动系统构件的动态设计、优化设计和可靠性设计做了一些先行 工作。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章螺杆轴向振动动力学模型的建立 聚合物电磁动态塑化挤出机螺杆是一个复杂的连续体，想精确计算其纵振特 性是困难的，为了便于研究，需要进行一些简化和转换工作。我们把挤出机螺杆 看作是一个集中质量而没有变形的刚体，也就是说，把螺杆的连续纵向变形和连 续质量看作是一个集中质量系统。 2 1 螺杆轴向振动系统模型的简化 电磁动态塑化挤出机螺杆轴向振动系统主要是由激振器衔铁，螺杆，弹簧板， 传动套，轴承套杯和其它附属构件组成。和扭转当量系统的简化有所不同，纵振 当量系统的简化形式多样，当把螺杆看作多自由度系统时，可以把螺杆分成四个 质量点一一螺杆头部质量点，螺杆加料段质量点，螺杆熔融段质量点和均化段质 量点，这个当量系统就是四个自由度的振动系统；也可以以弹簧板为分界线，把 螺杆分成弹簧板左右两边的两个质量点，变成两个自由度的当量系统。 这里把螺杆看作是一个集中质量而没有变形的刚体，同时为了便于螺杆纵振 系统刚度的计算，假设螺杆的质量集中在弹簧板的左端。这样简化，既便于螺杆 的纵向刚度和当量轴向力的计算，同时也利于对系统中外阻尼的处理。 为不失一般性，仅以螺杆为例来说明模型简化的具体方法，至于需要加质量 点和阻尼的地方，比如说弹簧板的附加质量和附加阻尼，则视具体情况根据上面 的原则而定。图2 1 是一具有代表性的挤出机螺杆简图，外阻尼主要考虑聚合物 固体的摩擦阻尼和聚合物熔体的粘性阻尼，除此之外，在精确情况下，还可以考 虑主轴颈或轴承套杯与轴承之间的阻尼，其他阻尼的影响相对要小一些，为了便 于处理，将其他阻尼忽略不计。忽略掉其他构件对螺杆的轴向限制，只考虑轴承 的限位作用。 1 0 第二章螺杆轴向振动动力学模型的建立 2 1 1 电磁激振下的轴向振动模型 螺杆轴向振动原理的简明示意图如图2 1 所示，螺杆5 与激振器衔铁1 固定 在一起，磁缸3 中的励磁线圈组2 通过电流，从而对衔铁1 产生正弦脉动的电磁 激振力。由于衔铁l 与螺杆固定在一起，因而螺杆5 发生轴向振动。弹簧板4 除了把电机转子的转矩传递给螺杆5 之外，还构成螺杆轴向振动系统的弹性元 件。 23456 图2 1螺杆轴向振动简明示意图 l 衔铁、2 励磁线圈组、 3 磁缸、 4 弹簧板、5 螺杆、6 料筒 f i g 2 - lt h ec o n c i s es k e t c hm a po ft h es c r e w sa x i a lv i b r a t i o n 1 g a gb i t 、2e x c i t a t i o nl o o pb r i g a d e 、3m a g n e t i s mc y l i n d e r 、4s p r i n gb o a r d 、5s c r e w 、6b a r r e l o fs t u f f 当发生轴向振动时，其与被加工物料间的相互作用是比较复杂的；而在建立 模型时，先作适当的简化以求把握住它们的主要特征则是可行的。由于着重点在 于建立螺杆的轴向振动模型，因此，在保证模型与工程实际接近的基础上，为了 简化计算，作以下定义及几点简化假设。 2 1 1 1 广义螺杆的定义 由于研究的对象是螺杆的振动规律，而螺杆是和激振器衔铁以及轴承套杯和 华南理工大学工学硕士学位论文 其它附属构件连在一块一起发生振动的。因此，在此定义广义螺杆为一一螺杆和 激振器衔铁以及轴承套杯及其它附属构件连在一块组成的整体。广义螺杆的振动 规律即为螺杆的振动规律。所以，本文所指的螺杆是广义螺杆，以广义螺杆为研究 对象。 2 1 1 2 几点简化和假设 ( 1 ) 螺杆绝对刚性，因而仅用一集中质量块表示； ( 2 ) 螺杆无质量偏心，其轴线与激振器振动盘的轴线重合，忽略螺杆的弯 曲变形； ( 3 ) 忽略弹簧板的质量和阻尼作用，弹簧板仅用一无质量弹簧表示； ( 4 ) 聚合物固体对螺杆的摩擦阻尼以及聚合物熔体的粘性阻尼，统一折算 为等效的粘性阻尼。 2 1 1 3 力学模型 如图2 - 2 所示， 图2 2e ( f ) 作用下螺杆轴向振动力学模型 m 一螺杆质量，k 一弹簧板刚度，c 一聚合物等效粘性阻尼系数； e ( f ) 一电磁激振力；而( t ) 一在曩( f ) 作用下螺杆的强迫响应。 f i g 2 - 2t h em o d e lo ft h es c r e w sa x i a lv i b r a t i o nd y n a m i c sa tt h er u l eo ft h ee ( f ) m s c r e wm a s s ，k t h es t i f f n e s so fs p r i n gb o a r d ， c t h ed a m p i n gc o e f f i c i e n to fe q u i v a l e n ts t i c k i n e s so fp o l y m e r ： e ( r ) 一t h ee x c i t a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i s m ： ( ，) 一t h es c r e w sf o r c er e s p o n s e a tt h er u l eo fe ( f ) 1 2 第二章螺杆轴向振动动力学模型的建立 2 1 1 4 数学模型 显然，图2 - 2 所示为单自由度有阻尼系统的强迫振动，其运动微分方程为： m x l ( t ) + c x l ( t ) + h l ( f ) = e ( f )( 2 一l a ) 2 1 2 转动激发的轴向振动模型 2 1 2 1 激励产生的原因分析 当聚合物电磁动态塑化挤出机工作时，即使不启动激振器，在每次调速时， 螺杆仍然会发生轴向振动。发生轴向振动的原因是： ( 1 ) 聚合物电磁动态塑化挤出机螺杆的特殊安装方式，决定了其存在轴向 自由度； ( 2 ) 挤出机工作时，机头处物料对螺杆头部端面存在轴向作用力，轴向作 用力随螺杆转速的波动而波动； ( 3 ) 在挤出时，由于动载荷产生附加轴向力，附加轴向力也会随螺杆转速 的波动而波动。 其中( 1 ) 是由螺杆的特殊安装方式决定的，是转动激发轴向振动的内因， 也是前提；( 2 ) 、( 3 ) 共同构成了螺杆轴向力，是转动激发轴向振动的外部条件。 由( 1 ) ( 3 ) 原因所产生的轴向力可分为两部分：e 和e ( f ) ，e 为恒定转 速下稳定挤出时螺杆的恒定轴向力；e ( t ) 为由调速时转速波动而产生的波动的 螺杆轴向力。 另外，电机转子除了转动外，同样还会发生轴向振动。发生轴向振动的原因 有以下几点： ( 4 ) 由于偏斜角、径向游隙、轴向尺寸累积误差的影响，使轴承处于不稳 定游隙状态下运行【2 副。 7 ( 5 ) 由于定、转子铁心磁力中心不对中；或者定、转子铁心迭片后波浪度 大，从而引起铁心沿轴向有扭曲现象，使电机运行时产生不平衡轴向力【2 6 1 。 ( 6 ) 轴承诸元件的形状位置公差也会引起转子轻微的轴向振动2 7 1 。 ( 7 ) 在适当的绕组布置、转子材料和结构参数时，气隙中产生脉振磁场， 从而引起处于悬浮状态转子的轴向振动28 1 。由于螺杆与转子是同轴固定连 接，因此，当转子在上述原因之下作轴向振动时，螺杆也作相应的轴向振动。 由( 4 ) ( 7 ) 原因产生的综合的轴向激励，机理复杂，很难准确地定量描 述，但由于其振幅微小，频率相对较高，在此用e 。( f ) 表示。并且，在前面基本 假设的基础上，在这里假设螺杆轴线与电机转子轴线重合。 华南理丁大学工学硕士学位论文 2 1 2 2 力学模型 一 r 、疋( f ) 、e ( r ) 综合作用下螺杆的力学模型，如图2 3 所示： 图2 - 3 e 、b ( f ) 、e ( t ) 综合作用下螺杆的力学模型 m 一螺杆质量，七一弹簧板刚度，c 一聚合物等效粘性阻尼系数： e 一螺杆恒定的轴向力；疋( f ) 一螺杆波动的轴向力； 疋( t ) 一其它电磁和机械因素而产生的轴向激励力；x 2 ( f ) 一在疋作用下螺杆的静位移。 f i g 2 - 3t h em o d e lo ft h es c r e w sd y n a m i c sa tt h ei n t e g r a t er u l eo f 疋、e ( f ) 、 e ( f ) m s c r e wm a s s ，七一t h es t i f f n e s so f s p r i n gb o a r d ，c t h ed a m p i n g c o e f f i c i e n to fe q u i v a l e n ts t i c k i n e s so fp o l y m e r ：e t h ei n v a r i a b l e n e s sa x i a l p o w e ro fs c r e w ：疋( f ) 一t h ef l u c t u a n ta x i a lp o w e ro fs c r e w , 疋( t ) 一t h ea x i a l e x c i t a t i o np o w e rf r o mo t h e re i e c t r o m a g n e t i s ma n dm e c h a n i s m f a c t o r s x 2 ( f ) 一t h es c r e w sw h i s h td i s p l a c e m e n t a tt h er u l eo fe 2 1 2 3 数学模型 显然，图2 - 3 的微分方程为： ，l 工2 ( f ) + c x 2 ( f )+ h 2 ( f ) = 疋+ 最( f ) + e ( t ) ( 2 1 b ) 1 4 第二章螺杆轴向振动动力学模型的建立 2 2螺杆轴向振动系统的集中质量 轴向振动系统的集中质量是指参与振动的所有元件的质量总和，也就是广义 螺杆的质量，主要包括：螺杆和激振器衔铁。在另外一些类型的电磁动态塑化挤 出机中，广义螺杆还包括轴承套杯和其它附属构件。为不失一般性，这里主要计 算螺杆和激振器衔铁的质量。对于特定类型的挤出机，根据具体情况的具体结构 另外计算。计算方法有两个，一个是直接秤量，另一个是根据元件材料的密度， 再计算其体积，通过密度乘以体积间接计算。在这里进行间接计算。 2 2 1 螺杆质量 由于引入了轴向振动，因此，电磁动态塑化挤出机的螺杆与传统的挤出机的 螺杆，其具体结构是有一些区别的。最重要的区别就是，电磁动态塑化挤出机的 螺杆有导杆和内花健轴段。导杆的主要作用是安装激振器衔铁以及外伸出为了便 于位移传感器对螺杆振幅值的测量；内花健与外花健相套合，其作用是传递电机 转子的扭矩。当然，除了内外花健套之外，传递扭矩的元件还有弹簧板和传动套。 如图2 - 4 所示，在计算体积时，把螺杆分成四个主干部分：导杆、内花健轴 段、螺纹轴段和螺纹，分别计算它们的体积，然后相加，就可以得到螺杆的体积。 图2 4 螺杆分解图 l 、导杆2 、内花健轴段3 、螺纹轴段4 、螺纹 f i g 2 4 t h es u b s e c t i o nc a l c u l a t i o no ft h es c r e w sv o l u m e 1 1 e a d e r2 、t h ec a r d oo fi n n e rs p l i n e s3 、t h ec a r d oo fs c r e wt h r e a d4 、s c r e wt h r e a d 华南理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 广义螺杆的质量 广义螺杆的质量： 式中， m 。一螺杆质量； m ：一衔铁质量。 m = m l + m 2 在轴向振动系统的集中质量中，实际上还应该包括各种形式的螺栓( 如，联 接弹簧板与螺杆的螺栓；联接导杆与螺杆的螺栓以及联接衔铁与螺杆的螺栓等等) 的质量，因为这些起联接作用的螺栓属于广义螺杆的范畴，参与了轴向振动。 除了螺栓的质量之外，广义螺杆的集中质量还包括弹簧板的结合质量，弹簧 板在作为轴向振动系统的弹性元件，其也有一部分质量( 结合质量) 参与振动， 只是我们在建立纵振简化模型时，忽略了弹簧板的结合质量。 并且，对于具体类型的动态塑化挤出机，其具体结构也有所不同，因而集中 质量所包含的元件也会有所不同。 基于以上各种原因，在计算集中质量时，可引入一个修正系数k l ( k i 1 ) 。 这时，广义螺杆的质量公式变为： m = k l ( m 1 + m 2 ) ( 2 2 d ) 如前所述，对于特定类型的挤出机，为了精确，在计算其纵振系统的集中质 量时，还要根据具体情况的具体结构另外进行计算。 当然，在新机器装配之前，直接秤量组成广义螺杆的各个元件的质量，是一种 最简单、最直接而又准确的方法。间接计算的方法通常是用在无法直接秤量的场 合，如，组成广义螺杆的各个元件在机器或者实验设备上，装拆不方便。 2 3螺杆轴向振动系统的刚度 螺杆轴向振动固有频率的计算精度，除了与当量系统的转化方法有关外，还与 螺杆轴向振动系统的刚度计算的准确性有关。关于螺杆轴向振动系统的刚度，在 这里主要是弹簧板的弯曲刚度，而弯曲刚度不仅与它本身的结构和尺寸有关，而 且还与相联接的花健套和传动套的刚度有关。 1 6 第二章螺杆轴向振动动力学模型的建立 为了计算方便，在此忽略花健套和传动套的纵向变形，认为花健套和传动套 绝对刚性，仅考虑弹簧板的刚度。 弹簧板，也称板弹簧，是工程中广泛采用的一种弹性元件，其刚度和工作应 力，多年来一直没有形成一个比较切合实际的完善的计算方法。 为提高钢板弹簧计算方法的合理性，许多学者一直在探索更加符合实际的计 算方法口p 33 l ，这些方法虽有一定程度的改进，但仍都存在不足之处。文献( 3 3 ，3 4 ) 用有限元方法计算钢板弹簧的刚度、应力等问题，虽在理论上严密，力学模型统 一，但其刚度、应力不能用一个简单的解析式表达，而且计算量很大，因此限制 了在实际设计中的应用。 目前比较常用的共同曲率假设和集中载荷假设也均有不足之处，共同曲率假 设不能满足片端无应力( 弯矩) 的边界条件，这也是对刚度引入修正系数的原因。 按集中载荷假设所计算的各片应力分布由两条折线组成( 末片除外) 与实测各片 应力分布相差较大，只有在板簧片数较少时( 1 - 3 片) 才认为符合这种假设。 由于聚合物电磁动态塑化挤出机中的弹簧板是单板弹簧，因此，在此用集中 载荷的方法计算其刚度。 弹簧板在力和力矩的作用下，将产生弯曲和拉压变形，我们以弹簧板产生单 位弯曲变形y 所需要的轴向力f 来表示弹簧板的弯曲刚度，用k 表示， 即： f k = 二- ( 2 3 a ) y