注塑机螺杆强度的分析计算.doc

注塑机螺杆强度的分析计算第30卷第2期2012年4月轻工机械LtIndustryMachineryVo1.3ONO2Apr.2012研究?设计DOI:10.3969/j.issn.10052895.2012.02.005洼塑枧螺杆强废分析计算袁卫明,傅纪国(浙江申达机器制造股份有限公司,浙江杭州310038)摘要:针对注塑机螺杆在塑化状态下的失效情况,进行结构和受力分析,确定螺杆的工作应力为脉动循环交变应力分析目前螺杆按静强度理论的计算不足,并提出按疲劳强度理论对螺杆受扭压复合变应力进行精确可靠性计算的方法.通过实例对上述计算方法作出对比分析,计算表明该方法能够使螺杆的强度计算符合实际应用.结果表明对螺杆进行可靠的受力分析并建立精确计算模式,对注塑机螺杆强度的评价方法提供了一定的理论依据.图3参12关键词:螺杆;静应力;疲劳强度;可靠性计算中图分类号:TQ320.66文献标志码:A文章编号:10052895(2012)020016-04Analysis&CalculationfortheScrewStrengthofInjectionMoldingMachineYUANWeiming.FUJiguo(ZhejiangSoundMachineryManufactureCo.,Ltd.,Hangzhou310038,China)Abstract:FocusingonthechargingfailureconditionoftheIMMSscrewundertheplasticcondition,thepaperproceededtothestructuralandstressanalysistodeterminethescrewworkingstresswhichisthepulsecyclealternatingstress,andanalyzedtheshoageincalculatingscrewstresswiththeStaticstrengththeory,thusproposedamethodforaccurateandreliabilitycalculationofthetorsionandpresscomplexbasedonvariablestressinscrewastheFatigueStrengthTheory.Throughcomparativeanalysisoftheabovecalculatemethod,thecalculationsshowthatthiscalculatemethodcanmakethecalculationofthescrewstrengthaccordwiththepracticalapplication.TheresultsshowthatthereliablestressanalysisofthescrewandtheestablishmentoftheaccuratecalculatemodelcangivesometheoreticalbasistothestrengthevaluationmethodoftheIMMSscrew.Ch,3fig.12ref.Keywords:screw;staticstress;fatiguestrength;reliabilitycalculation0前言螺杆是注塑机塑化部件中的核心零件,其作用是将固态塑料母粒通过剪切加热熔融为流态塑料,并通过螺杆的推动将其注入模腔.螺杆设计是注塑机设计的关键技术之一,螺杆在工作过程中不仅要承受注射时的高压,同时还要经受熔体的磨蚀和预塑过程中的频繁负载启动.由于在设计中往往凭借设计者的经验确定螺杆各参数,材料,热处理等要求的选择,对螺杆的强度一般采用第三强度理论进行分析计算.因此中小直径的螺杆时常发生疲劳断裂,多数在加料段螺纹根部处发生断裂J.影响螺杆使用寿命的因素很多,如塑料原料,成型温度,螺杆加工质量,热处理,耐磨性,应力集中等,因此设计时必须通过对螺杆的受力分析,建立断裂失效模式,将载荷,材料强度及螺杆实际参数尺寸作为统一指标进行有效的强度校核,实现螺杆设计的可靠性.1计算方法注塑机螺杆在预塑过程中,螺杆承受在背压作用力下的轴向压应力和马达扭矩作用下产生的剪切应力,整个预塑过程螺杆受扭压复合交变应力的作用,符合脉动循环变化特性(循环特性r=0),因此需按疲劳强度理论对螺杆进行强度的校核.疲劳断裂是螺杆失效的形式之一,因螺杆的实际尺寸,表面加工光洁度,表面强化,应力集中度等因素与疲劳强度相关,所以可收稿日期:2011-08-07:修回日期:201110-08作者简介:袁卫明(1971),男,浙江杭州人,工程师,技术部副主任,现从事塑料注射成型机设计研制开发工作.E-mailyuanweiming852vip.sina.coln研究?设计袁卫明,等注塑机螺杆强度的分析计算先依据静强度理论设计确立螺杆的尺寸结构,再结合螺杆实际使用情况运用精确计算方法对螺杆进行疲劳强度的验算.以液压马达直驱,双缸注射的螺杆注塑机结构(图1)为例进行研究讨论,图中螺杆的联接为浮动联接,为螺杆所承受最大扭矩,为预塑时熔料对螺杆头部的压力,Pn为预塑时油缸背压.P:fr+?+lI|,(卜fll,/llf.r+I图1螺杆结构受力图Figure1Bytryingtoscrewstructure1.1静强度计算目前设计注塑机螺杆时,一般采用螺杆强度计算按第三强度理论引进行扭压合成静强度计算,其强度条件为=/:=n式中:,复合应力;螺杆危险截面压应力;丁螺杆危险截面扭剪压应力:螺杆材料的许用应力;螺杆材料的屈服极限;n安全系数,一般取1.72.2.采用静强度计算法忽略了螺杆实际的工作状况,因螺杆在预塑过程中受扭压复合交变应力的作用,具有脉动循环变化特性,因此采用疲劳强度计算方法较合理.1.2螺杆疲劳强度计算在脉动循环下持久极限要考虑材料受应力集中,尺寸及表面质量等因素的影响,对材料的持久极限曲线加以修正.试验表明,各种因素只对交变应力中属于动应力部分的应力幅or有影响,而对属于静应力部分的平均应力并无影响.在螺杆设计时先按要求选定螺杆的参数,确定结构和尺寸,再根据螺杆的材料和受载情况进行强度校核.疲劳强度校核的过程是先确定出螺杆的危险截面,危险截面多数为加料段根部处.再计算危险截面的压应力,扭剪应力.1.2.1疲劳强度校核因注塑机螺杆在预塑转动过程中,承受轴向压力和转动扭矩作用.即危险截面上同时有正应力和剪应力作用,属于有双向稳定变应力作用,因此其危险截面疲劳强度按双向稳定变应力公式校核.即校核危险截面计算安全系数.s计算公式为mS=兰s/s:+Js式中:Js螺杆受复合应力的疲劳强度安全系数,取S=1.51.8;.s螺杆只受正应力的安全系数;s螺杆只受剪应力的安全系数.s与s的计算式为5=Or_1:一三二L一K/r+式中:一:和一螺杆材料的疲劳极限;和螺杆材料特性常数;和应力幅;or和平均应力;和综合影响系数.1.2.2影响疲劳强度的因素影响零件疲劳强度的主要因素有:应力集中,尺寸大小,表面质量等.零件的疲劳极限影响可用综合影响系数来表示.综合影响系数与的计算式为(一)Pq,8口p口11/Pq,式中:和一一有效应力集中系数;s和o07-一螺杆尺寸系数;和fL-一表面质量系数;表面强化系数.k与k的计算式为k=1+g(一1)k=1斗q(Ot一1)式中:g和g材料的敏感系数;Ot和Ot理论应力集中系数.1.2.3脉动循环应力幅,平均应力分析注塑机的工作过程可知,螺杆所受轴向压应?18?轻工机械LightIndustryMachinery2012年第2期力和剪切应力都是交变应力,在一个循环中由零变为2.1按疲劳强度校核最大,后又减为零,这一过程为脉动循环变化,因此2.1.1求危险断面上的压应力or,扭剪应力O-=0,交变应力变动于某一应力与零之间(图2).危险断面的压应力为图2交变应力与时间t的关系Figure2Alternatingstressandtimet应力幅用.和表示,即一mirmaxrminrd一厶平均应力,用Gr和r表示,即max+inorm一.rmax+minm=2因此脉动循环有r=011.Torm,x5-l1am7-m式中:危险截面压应力;危险截面剪切应力.2实例计算已知9O吨注塑机螺杆(图3)直径D=25mm,加料段螺槽深度h=3.0mH1,螺杆根部直径d.=19inm,液压马达驱动扭矩M=90N?m,螺杆转数n=200r/min,传动效率叼=0.92,双缸注射油缸直径D.=100mm,活塞杆直径d.=50mm,预塑背压P.=1MPa.螺杆材料为氮化钢38CrMoALA,调质氮化处理,表面硬度HRC65,表面粗糙度R<0.8p,m.图3螺杆结构尺寸图Figure3Screwthestructuredimensionscr=2()2()4M危险断面的剪切应力丁为:160.9MPO.20.21.9危险断面应力幅,平均应力为:1:=-141.5:20.75MPTo-/MYadm?:丁:一:1_160.9:80.45MPa丁=丁=?:?2.1.2确定S与S所用的参数值根据螺杆材料及结构尺寸,由机械设计手册中查得:6=930MPa,or=785MPa,一l=440MPa,丁一1=280MPa,=0.25,=0.15,卢=1.3,c:2.0,(=1.5,占=0.83,=0.89,卢=0.92,卢=0.92.2.1.3求综合影响系数与K综合影响系数K与K为=(+1)(+一)1:1.92(+1一t)(撼+一,)1=1.362.1.4计算安全系数1.922O.75+0.2520.751.36x80.45+0.15x80.45=9.77=2.3因此螺杆危险截面计算安全系数S为S=Ss,9.77X2.3=2.24因螺杆疲劳强度安全系数S=1.51.8,所以S>5,即满足疲劳强度条件.(下转第22页)?22?轻工机械tIndustryMachinery2012年第2期lNl一一一jlP雌cGr口口h1c自SMN一36.B0lOlivr=552.2YrtlO4.49_:图5监测机构温度分布云图Figure5Temperaturecontoursofmonitoringmechanism5结论采用ANSYS11.0软件对保温层的壁温及整个监测设备进行热分析.由分析的结果,可以得到以下结论:1)模拟分析得到的保温层壁温和理论计算结果误差在0.02%以内,说明分析可靠.2)在不考虑其他因素情况下,探针杆,填料,法(上接第18页)2.2按静强度校核2.2.1求危险断面上的压应力,扭剪应力丁(同上)=41.5MPa.r=160.9MPa2.2.2按第三强度理论计算复合应力,为r,=/+4丁=l41.5+4160.9=324.5MPa2.2.3求许用应力:一Os:785:357MPa,二?所以<盯,即满足静强度条件.根据上述2种强度计算方法可知,虽然螺杆计算强度,安全系数均满足各许用值,但都比较接近.由于注塑机螺杆工作情况比较复杂,螺杆从原材料到加工为成品各环节对强度的影响较大.因此该螺杆存在断裂的危险性较大,其分析结果与实际使用情况相吻合.3结语采用疲劳强度对注塑机螺杆进行强度校核更能可靠地分析螺杆设计的合理性,在计算过程中通过对螺杆的结构,尺寸和表面状态,加工质量系数的调整获得可靠安全的设计,对螺杆断裂的主要原因分析及采取兰,闸阀,保温层的设计和选用能用于高温470c【=的管追上.3)分析的结果对结构的设计和腐蚀的防护具有参考价值.参考文献(References):1赵镇南.传热学M.北京:高等教育出版社,2002.2方江敏,马小明,钱颂文.斜针翅管强化混合管束换热器的优化设计J.华南理工大学,2002,39(5):2629.3沈松泉.压力管道安全技术M.南京:东南大学出版社,2000.4干勇,田志凌,董瀚,等.钢铁材料手册M.北京:化学工业出版,2009.5王泽鹏,张秀辉,胡仁喜.ANSYSI2.0热力学有限元分析从入门到精通M.北京:机械工业出版社,2010.6GABKEHJ.CarburizationahightemperaturecorrosionphenomenonM.St,Louis,MO,USA:ElsevierSciencePubCo,1998.7ZIEMNIAKSE,HANSONM.Corrosionbehaviorof304stainlesssteelinhightemperature,hydrogenatedwaterJ.CorrosionScience,2002,44(10):22092230.8岳进才.压力管道技术M.北京:中国石化出版社,20009REVIERW.尤利格腐蚀手册M.杨武,译.北京:化学工业出版茬2005.10李久青,杜翠薇.腐蚀试验方法及监测技术M.北京:中国石化出版社,2007.11郑立群,张蔚,台闯,等.高温腐蚀监测电阻探针和测试仪的研制及应用J.石油化工腐蚀与防护,2002,19(5):5053.改进措施具有