旋轉沖擊粘膠擠出機工具結構優(yōu)化設計與技術分析

張 涵

(榆林學院，陜西 榆林 719000)

擠出機是一種很常見的粘接材料擠出工具，經(jīng)常配合攪拌機使用，可以根據(jù)粘接材料的流動性差異和物料黏度的不同，設計不同的擠出壓力。常見的粘接材料擠出機一般都是在外部進行加熱的條件下由機械內(nèi)部的螺桿對粘接材料進行摩擦加熱并攪拌，使粘接材料不斷變軟和融合，最終經(jīng)過冷卻形成固態(tài)或熔融狀態(tài)粘接材料。常見的擠出機機械大多數(shù)采用單螺桿擠出機驅動技術，有許多摩擦性能差的材料不能送入單螺桿擠出機中，會影響擠出機的適用范圍。因此，本文將沖擊、復合雙驅擠出技術進行了有機融合，開發(fā)了一種旋轉沖擊粘接材料擠出工具。該工具利用螺桿進行驅動，將旋轉沖擊擠出、螺桿復合雙驅擠出這2種技術的優(yōu)勢進行充分利用，在軸向上有著高頻沖擊力，同時還兼具高速旋轉切削力，這樣就能顯著提升粘接材料擠出機械的適用范圍，增強擠出機的工作效率。

1 技術分析

1.1 結構設計的影響因素

影響結構設計因素主要有5個方面的原因：(1)空間結構：具體根據(jù)擠出粘接材料直徑大小，對該套工具的外徑大小進行限制，并在耐沖擊、機械強度等參數(shù)方面，要滿足擠出現(xiàn)場實際要求。當前螺桿鉆具技術已具有較高的成熟度，為此，本套工具的設計，關鍵就在于沖擊發(fā)生模塊的設計。(2)工具壽命：普通螺桿壽命時長與沖擊發(fā)生機構壽命時長是相同的，此外它還會收到外部工況、介質(zhì)以及鉆壓3個方面的影響，空間凸輪壽命時間的長短決定著沖擊發(fā)生機構的壽命時長，所以壽命的空間凸輪設計非常關鍵。(3)工作介質(zhì)：因為固相含量、流變性、黏度等因素存在著一定制約性，擠出液將會對該發(fā)生模塊、工具軸承的壽命產(chǎn)生頗為顯著的影響，進而工具設計需要對擠出液有害固相的作用進行考慮，并遴選耐磨、耐腐蝕材料。(4)排量：具體按照現(xiàn)場實際情況，將其排量與螺桿鉆具進行匹配，確保工具有通暢屬性；同時也能很好滿足強度要求。據(jù)此對該沖擊發(fā)生模塊的水眼尺寸進行設計，使工具壓耗顯著下降。(5)功率：在不耽誤工作進度的情況下，應考慮沖擊結構在工作時所消耗的功率，將沖擊參數(shù)進行記錄，以便后期設計沖程與空間凸輪齒數(shù)等。

1.2 工具結構與原理

依據(jù)上述分析，并結合機械設計手冊與行業(yè)標準，為本工具的設計提供了整體方案。此工具主要構成件為沖擊發(fā)生模塊、特制螺桿鉆具。基于現(xiàn)場實際情況，遴選相應規(guī)格的螺桿，同時還對傳動軸總輸出端加以優(yōu)化設計，使之具有特制屬性。在設計沖擊發(fā)生模塊時，關鍵就是將旋轉轉換成往復運動。該擠出工具構造較為簡單，在擠出領域優(yōu)勢較為明顯。此擠出工具適合應用于Φ 215. 9 mm到Φ 241.3 mm，上下端標準扣型分別是41/2inIF與41/2inREG，它可以與鉆頭直接進行連接。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)出同步轉動特點，下凸輪與傳動軸在旋轉動作上具有同步性。擠出液水力對螺桿轉子進行作用，使之轉動，進而帶動鉆頭、下凸輪軸進行旋轉，借助于沖擊發(fā)生模塊，將上凸輪部件轉移至上止點，接著在彈簧作用力、重力下，帶來向下的沖擊效應，并將其導向鉆頭，形成往復運動，從而破碎巖體，實現(xiàn)擠出速度的提升。

旋轉沖擊擠出工具工藝參數(shù)如表1所示。

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

2 關鍵技術

在本套工具中，螺桿與沖擊器分別為旋轉與往復運動，將這2種運動進行很好地融合，關鍵就是將螺桿馬達旋轉運動進行轉換，使之形成上凸輪往復運動。為此，在對本套工具進行設計之前，需要對這2種運動的轉換方式進行深入剖析，并對沖擊發(fā)生模塊結構進行細致設計。

2.1 旋轉運動和往復運動轉換形式研究

當前，使得旋轉向往復運動模式轉變具有多元化的方法，常用的是凸輪、曲柄連桿機構等。前者能夠對復雜的運動要求能很好地滿足，是較為常用的一種轉換方法。在具體應用環(huán)節(jié)，凸輪主要有移動與盤形凸輪。凸輪從動件規(guī)律涉及到余弦、正弦2種加速度、等速、等加速等減速運動等。然而，僅僅運用某種凸輪模式或者相關規(guī)律，很難將中高速重載環(huán)境下的運動進行轉換，為此，將移動凸輪轉換成圓柱體，之后凸輪面會構成一定坡度，促使動件等速、正弦加速度這2種運動規(guī)律進行融合，更好地滿足運動條件。本設計的圓柱凸輪動力轉換模塊，其結構具有一定的特殊性，其核心部件為上、下凸輪構成，在此結構下，不僅可以使得軸旋轉運動轉換成從動部件(筒狀)往復運動，進而在具體下行之際，對鉆頭帶來不小的沖擊。同時，由于上、下凸輪結構具有頗高的強度，其使用年限相對更高。每一個凸輪的圓周面上方都可以設置無數(shù)個凸輪齒，本設計是在圓周面上方設置的三分凸輪齒結構，就相當于螺桿每旋轉 1個周期，上方凸輪組件就會被沖擊3次。如果凸輪齒數(shù)是時，那么螺桿鉆具會帶著凸輪進行轉動，鉆具每轉動一個周期就相當于實現(xiàn)了次往復運動，以下是沖擊頻率的計算公式：

式中:為螺桿鉆具的轉速，r/min；為旋轉沖擊擠出工具運動頻率，Hz。

2.2 沖擊發(fā)生機構的結構設計

在對凸輪嚙合軌道與運動形式明確后，設計沖擊發(fā)生模塊(機構)就成為關鍵性內(nèi)容，它對該工具的實現(xiàn)機制產(chǎn)生決定性影響。該發(fā)生模塊的構成包括彈簧組、輸出主軸、下接頭、中間筒等。花鍵滑動連接將上部螺桿傳動與輸出注重進行對接，后者配置上下凸輪部件，這2個部件，前者結構為圓環(huán)狀，后者則與輸出主軸一體，并與前者進行嚙合。輸出主軸配置擋瓦及中間筒，后者對前者起到固定作用。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，配置專門的花鍵槽；而上凸輪表面，則配置相應的花鍵齒，這樣就能防止二者出現(xiàn)周向位移問題，確保上凸輪僅做軸向滑動。馬達能夠促進輸出主軸旋轉，進而對上凸輪上行壓縮彈性件進行相應的驅動，并在下行環(huán)節(jié)，形成對應的沖擊。在設計該沖擊發(fā)生模塊時，要按照需求的轉速、扭矩參數(shù)來挑選螺桿鉆具。該鉆具相關零部件與輸出主軸進行一體化連接之后，就能將后者上端配置的花鍵，置入傳動軸的軸心花鍵，并將上、下外筒的接頭螺紋進行更好的對接。

3 模擬試驗臺架性能測試

3.1 試驗目的

此次試驗目的就是基于不同排量、鉆壓環(huán)境，對沖擊力、頻率、泵壓等參量進行動態(tài)試驗，分析這些參量與擠出參量有何種關聯(lián)性，進而判斷該工具輸出屬性參量能否滿足復合擠出實際工作條件。

3.2 試驗設備與連接

對接試驗裝置之后，在正式試驗前需要對試驗擠出設備進行模擬，對液壓系統(tǒng)、擠出泵、傳感器等進行調(diào)試；同時還需要調(diào)試采集系統(tǒng)，根據(jù)鉆具組合(鉆桿、減震模塊、旋轉接頭等)，及基于擠出筒深度20 m等，對合適的轉換接頭、短鉆桿等進行提前準備等。

3.3 試驗步驟及測試

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

(2)以6 L/s啟動馬達，嘗試加鉆壓進行工作。在正式工作前檢查各個系統(tǒng)是否可以正常運行，重點關注數(shù)據(jù)采集、循環(huán)以及動力系統(tǒng)。判斷工具是否運行正常的前提是沖擊力曲線是否為正弦曲線，以此為判斷標準；

(3)把擠出工具在距離擠出口1 m距離時進行開泵，將排量漸漸提升到7 L/s，當擠出工具工作穩(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，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 試驗結果分析

通過分析結構特點可以得出，擠出工具馬達轉速與沖擊頻率成正比。因為馬達轉速存在硬屬性，具體就是負載沒有大于滯動扭矩時，負載不會對該轉速產(chǎn)生影響。這意味著，此時負載即便是有所增加，轉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，轉速上升，相應沖擊頻率也會隨之增長。擠出之際，鉆頭能夠對按照正弦規(guī)律改變的鉆壓進行肩負。在不同排量與鉆壓下測試了擠出設備的沖擊性能，測試結果如圖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系，沖擊力對于排量的影響并不大。為了對擠出工具使用效果進行驗證，本次試驗使用機械式旋轉沖擊擠出工具對TPU等熱塑性膠粘劑進行擠出，全程開泵時長125 h，總進尺710 m。因受多種因素干擾，其純擠出時長是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)。使用機械式旋轉沖擊擠出工具擠出的PA、PES和TPU對比情況，如圖1所示。

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

當前研發(fā)出的機械式旋轉沖擊擠出工具工程樣機已經(jīng)在多個粘接材料生產(chǎn)企業(yè)進行了實驗，一套擠出工具最長一次使用時長為187.2 h，大約擠出粘接材料總進度為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中降摩阻效果表現(xiàn)良好，使用機械式旋轉沖擊擠出工具不僅工具面比較穩(wěn)定，同時擠出速度也很快，大大提升了擠出效率，避免了擠出設備產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象。

表2 機械式旋轉沖擊工具擠出的PA、PES和TPU對比情況Tab.2 Comparison of PA, PES and TPU extrusion speed

4 結語

本文設計了一套機械式旋轉沖擊擠出工具，借助于螺桿馬達，使得下凸輪與鉆頭旋轉，這樣上凸輪部件實現(xiàn)了幾種不同粘接材料高頻沖擊與螺桿復合擠出功能，可以明顯提升粘接材料的擠出效率。對試驗臺架性能進行了模擬測試，結果顯示：對該套工具的降低摩阻、提速效果進行分析，表明在實際應用時機械式旋轉沖擊擠出工具頗具穩(wěn)定性。此外，該工具結構較為簡單，在不同粘接材料的擠出環(huán)節(jié)均有較強的適用性。