浅谈泥料挤出机的模块化建模

曹新林，何家波，张柏清

（1.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000；2.浙江大学，浙江 杭州 310027；3.景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333403）

浅谈泥料挤出机的模块化建模

曹新林1，何家波2，张柏清3

（1.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000；2.浙江大学，浙江 杭州 310027；3.景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333403）

本文介绍了模块化建模的概念，结合陶瓷泥料的特点，确定双螺杆泥料挤出机螺杆的基本参数，利用SolidWorks软件建立螺杆的三维几何模型。按照产品模块化建模流程，对泥料挤出机的螺杆进行几何形状和结构参数分析，预测分析模块化建模将为企业提高产品设计质量和效率。

模块化建模；泥料；螺杆

0 引 言

长期以来，关于练泥机挤出部分的理论研究较少，大部分是定性分析，无法从本质上解决泥料挤出质量差，挤出效率低，混合不均匀等问题［1］。由于泥料既非流体又非弹性体，其运动并不服从内摩擦定律和胡克定律。它兼具流体和弹性体的双重属性，跟一般聚合物性质不同，所以适用于聚合物挤出的双螺杆挤出机不一定适合泥料的挤出。例如在进行运动情况模拟时，聚合物挤出机一般假设“机筒旋转，螺杆静止”，而泥料挤出机则假设为“螺杆旋转，机筒静止”。一般塑料聚合物挤出机螺杆的螺槽深度较浅，而泥料挤出机相对较深等。正是因为泥料挤出机结构相对复杂，有没有很好的改进方法，导致几十年来练泥机设备更新缓慢，考虑利用模块化设计的方法来优化其结构，降低制造成本，缩短新产品上市周期，提高生产效率和改善泥料质量。

1 真空练泥机的模块化建模设想

模块是指成上一层系统的、可替换或变型的单元，这些单元具有独立功能和标准接口。一般可分为通用模块，专用模块和基本模块。产品模块化设计是一种基于模块的配置设计或变型设计方法，它对产品中相同和相似模块进行识别、分类、规范并建立通用模块，在此基础上对通用模块组合和变型，设计出能够低成本、快速满足用户的个性化需求的定制产品。对模块化设计而言，模块化产品建模具有特别重要的意义。模块化产品建模是标准化和规范化的结果，是实现产品资源重用的基础，实现产品配置设计和变型设计的关键。模块化建模是指在全面分析和研究客户（包括潜在客户）需求的基础上，根据模块划分结果，开发设计面向模块及基于模块的各种标准变型的主模型、由这些模块组成的上层系统的主结构以及描述上层系统构成情况的主文档。针对真空练泥设备长期以来性能和结构优化甚少的局面，提出结合模块化建模思想对练泥设备进行改造的设想。

由图1所示，双轴式真空练泥机由加料装置、出料装置、真空室和传动装置等组成。工作原理：电动机l通过传动装置带动上铰刀轴5和下铰刀轴11转动，两根轴上均装有螺旋绞刀，泥料从加料口2加入，先被不连续螺旋绞刀搅拌和输送，然后在连续螺旋绞刀的挤压下通过筛板6进入真空室10。设置筛板的目的是把泥料切成细小的泥条，以便有效地抽走泥料中的空气。在真空室内，泥料中的空气被抽走，接着泥料进入练泥机的出泥部分。泥料在连续螺旋绞刀轴11的输送和挤压下经机头12和机嘴13挤出，切断后即成为具有一定截面形状和大小的泥段，这些泥段直接作为陶瓷拉坯的坯料。

根据练泥机的结构特点可以将其分为动力模块，传送模块，真空模块，壳体模块。其中动力模块主要由电动机、齿轮箱组成；传送模块由铰刀轴、挡泥板、筛板、机头、机嘴组成；真空模块主要有真空管道、真空照明灯、真空表、真空室组成；壳体模块主要有机筒、支撑架组成。根据顾新建提出的机电产品模块化设计的“Y”模型的产品模块建模流程［2］，如图2所示是机电产品模块建模流程图，企业可以根据需要选择部分步骤展开模块化设计，真空练泥机属于已有产品，只需要考虑已有产品模块化开发过程即可。我们假设选择模块化建模过程的标准模块设计和模块接口定义作为研究对象，对模块几何形状分析和参数分析进行初步探讨。

图1　双轴真空挤泥机示意图Fig.1 Biaxial vacuum extruder

图2　机电产品模块化建模流程图Fig.2 Mechanical and electrical product modular modeling fow chart

2 泥料挤出机的螺杆基本参数的确定

2.1 绞刀外径D1、轴毂直径D2

参照我国的挤出机标准（ZB G95 009.1-88）规定［3］，螺杆外径一般取20 mm、30 mm、45 mm、65 mm、90 mm、120 mm、150 mm和200 mm。根据欧洲塑料橡胶机械制造厂委员会汇总的挤出机设计方案中，建议螺杆直径分别为30 mm、45 mm、60 mm、（75）mm、80 mm、90 mm、（100）mm、（120）mm、（125）mm、150 mm、（160）mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm和500 mm，括号中的数值建议少用或不用。我国参考国际上通用的标准也对双螺杆挤出机的螺杆直径做出以下规定：30 mm、45 mm、53 mm、57 mm、60 mm、68 mm、72 mm、83 mm、102 mm、150 mm、170 mm、200 mm。

泥料挤出机的螺槽深度比塑料挤出机螺杆的螺槽深度要深得多。塑料挤出机螺杆通常采用同向旋转方式，而泥料挤出机螺杆通常采用向内异向旋转方式。根据简化的生产率公式G=βD3n，G代表质量生产率，D代表螺杆直径，n代表螺杆转速，β反映的是螺杆参数和挤出条件综合影响系数，一般取0.002-0.0045。当前我国双螺杆挤出机行业规定标准为304 r/min，极少超过600 r/min。目前双螺杆挤出机使用的螺杆直径基本在40-150 mm的范围内，这里设计的泥料双螺杆挤出机是中小规模生产的，结合实际生产中泥料挤出机产量和螺杆转速初步设定螺旋绞刀外径为72 mm，轴毂直径40 mm。

2.2 长径比L/D、螺棱宽度e、螺距S、螺纹升角

（1）长径比是反应挤出机性能的主要参数之一，螺杆的长径比L/D是指螺杆的有效长度L和螺杆直径D之比。欧洲塑料橡胶机械制造厂委员会建议长径比为12、15、（18）、20、（24）、25、28、30 和35，括号中的数值建议少用或不用。

一般来说，大长径比有利于延长泥料的停留分布时间，提高泥料混合和挤出质量。但长径比增大后，螺杆和机筒的加工装配更困难，螺杆更容易弯曲，会影响泥料的挤出。因此，应根据实际需要选用合适的长径比，这里考虑泥料挤出真实情况，选用长径比L/D为15，满足了生产需求。

（2）对于单头螺纹，螺距S、螺纹升角 和螺杆外径之间关系如下：

依据规定，螺棱宽度取螺杆外径的8%至12%，这里取其0.1倍，即7.2 mm。为了加工和设计方便，设计时取螺距S等于外径D1，根据（2）式计算可得出此时螺旋升角等于17° 42' 。

2.3 中心距CL、螺槽深度H

双螺杆的中心距说明了两平行螺杆的啮合程度和螺槽深度。螺杆外径这里指螺旋绞刀外径D1，螺杆内径指轴毂直径D2，则全啮合双螺杆挤出机中心距与绞刀外径和轴毂直径之间的关系如下：

中心距与螺槽深度之间的关系如下：

将D1=72 mm，D2=40 mm，代入式（3）和式（4）得到中心距CL=56 mm，螺槽深度H=16 mm。若是部分啮合型双螺杆挤出机，螺槽深度则略小于16 mm。

3 模块几何形状分析和结构参数分析

3.1 模块几何形状分析

模块几何形状分析的目的是利用几何形状的相似性减少产品内部多样化，减少零部件种类，建立配置设计和变型设计系统，用尽量少的零部件组成尽可能多的产品，达到优化产品成本和提高产品质量的目的［4］。

以泥料挤出机的螺旋铰刀为例，泥料挤出机的螺旋铰刀主要参数如下：铰刀外径、轴毂直径、长径比、螺距、螺纹升角。当其中某参数发生变化时，泥料挤出机的螺杆发生较大的改变，图3所示是几种基本螺杆种类。

图3　泥料挤出机的基本螺杆种类Fig.3 The basic screw types of ceramic paste extruder

3.2 模块结构参数分析

模块结构参数分析的目的是区分变动参数和不变参数，优化参数种类，简化加工过程，为开展零部件的变型设计做好准备工作。

泥料挤出机模块结构参数分析过程是：对各个模块参数的类型分类，如功能参数、工艺参数（如螺旋升角、螺距等）；其次确认该参数是变动参数还是不变参数，并根据设计中的约束限制，如强度约束和稳定性约束等条件，进一步找出变动参数中可以不变的参数集合，归并到不变参数集合中。

这里以异向啮合双螺杆为例，所建立的几何模型的具体参数如下：螺旋绞刀外径72 mm，轴毂直径40 mm，长径比为15，螺棱宽度是7.2 mm，螺距是72 mm，螺纹升角近似17° 42'，中心距为56 mm，全啮合时螺槽深度为16 mm，部分啮合时螺槽深度为10 mm。

图4　全啮合双螺杆三维几何模型Fig.4 Three dimensional geometric model of fully engaged twin screw

参照《SolidWorks 2010从入门到精通》［5］，在SolidWorks软件中使用扫描曲面命令得到全啮合和部分啮合泥料挤出机双螺杆的三维几何模型如下图所示，具体操作步骤不赘述了。如图4所示是全啮合泥料双螺杆的三维几何模型，图5为半啮合泥料双螺杆的三维几何模型。

通过双螺杆模型的建立可以发现：结构参数在大部分情况下是可以重用的，如对螺旋升角等参数进行固化后，下次设计时可以直接选用17° 42' 。这样做不仅可以提高设计效率和质量，而且能够固化加工工艺，节约制造成本。所有泥料挤出机的螺杆都采用17° 42' 的螺旋升角，因为这个螺旋升角是经过计算和证明可以最大限度地提高泥料挤出效率的；所有啮合双螺杆泥料挤出机采用向内异向旋转的方式；统一规定一个系列的练泥机的长径比，保证两根螺杆的匹配度高；同一系列功能的真空练泥机的螺棱宽度选用统一的尺寸，保证泥料的搅拌均匀和泥条的质量；所有真空练泥机的真空表，真空照明灯和真空管道都采用同样的结构，那样只需根据真空练泥机的实际尺寸同比例的放大或缩小就可以了。

由于未来的客户需求大多是变化的，因此需要预测分析。我们通过这类预测分析将客户需求转化为产品的功能和结构需求，并进行产品模块化规划和产品模块接口设计。最终得到的是既满足未来市场的功能和成本需求，又具有模块化的特点，能够较好满足未来客户多样化和个性化需求的新产品。通过对零件进行模块几何形状分析可以减少零部件的种类，将相似的零部件划分成同一组，分为通用模块，基本模块和专用模块；经过零件的结构参数分析，可以减少产品内部多样化，建立零件参数库。将泥料挤出机的各零部件进行标准化和规范化，建立基于模块化的设计产品模型和过程模型，帮助企业缩短产品设计周期，提高设计质量。

图5　部分啮合双螺杆三维几何模型Fig.5 Three dimensional geometric model of partially engaged twin screw

4 结 论

本文简单介绍了泥料挤出与一般聚合物挤出的不同特点，结合泥料挤出的实际工作特点，客观地确定泥料挤出机的双螺杆几何参数，并利用SolidWorks软件对泥料双螺杆进行三维几何造型。通过对泥料挤出机的螺杆进行几何形状和结构参数分析，可以设想在建立泥料挤出机的零件参数库，将相似零部件分组别类，有助于企业对零部件进行标准化，系列化和规范化，达到为企业提高设计质量和效率的目的。

［1］何家波, 张柏清.基于ANSYS的泥料双螺杆挤出机的流场分析［J］.陶瓷学报, 2012,（03）： 339-342 HE J B, ZHANG B Q.Journal of Ceramics, 2012（03）： 339-342

［2］顾新建, 杨青海, 纪杨建, 等.机电产品模块化设计方法和案例［M］.北京： 机械工业出版社, 2013.

［3］ZB G95 009.1-88, 单螺杆挤出机基本参数［S］.

［4］刘宏洋, 何家波, 顾新建, 等.混凝土泵车的产品模块建模方法研究［J］.机电工程, 2014, 31（8）： 967-973.LIU H Y, HE J B, GU X J, et al.Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2014, 31（8）： 967-973.

［5］暴风创新科技.SolidWorks 2010从入门到精通［M］.北京： 人民邮电出版社, 2010.

date: 2015-11-17.Revised date: 2016-03-16.

Modular Modeling of the Extruder for Ceramic Paste

CAO Xinlin1，He Jiabo2，ZHANG Baiqing3（1.Zhangzhou Ιnstitute of Technology，Zhangzhou 363000，Fujian，China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China；3.Jingdezhen Ceramic Ιnstitute，Jingdezhen 333403，Jiangxi，China）

This paper introduced the concept of modular modeling.Combined with the characteristics of the ceramic paste，the screw's basic parameters of twin-screw extruder for ceramic paste were determined，and the three-dimensional geometric model of twin screw extruder which was used to squeeze ceramic paste was constructed by SolidWorks software.According to the process of product modular modeling，the screw's geometry and the structure parameters of the screw extruder were analyzed.The predictive analysis modular modeling would improve product design quality and effciency for enterprises.

modular modeling；ceramic paste；screw

TQ174.5

A

1000-2278（2016）04-0413-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.017

2015-11-17。

2016-03-16。

通信联系人：曹新林（1965-），男，副教授。

Correspondent author:CAO Xinlin（1965-），male，Associate professor.

E-mail:13709395223@163.com