双螺杆挤压膨化机螺杆的力学模型及有限元分析

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挤压膨化技术是-种先进的物料挤压成型技术，具有产品质量稳定、产品膨化率高、生产效率高、能耗低等优点。挤压过程中，物料在螺杆的推动力作用下向前挤压，并在混合、搅拌、摩擦和高剪切力作用下解体，同时机腔内温度、压力的升高使得物料以-定的形状从机筒另-端的淖中瞬间挤出，物料从高温高压突然降至常温常压而发生膨化。同向啮合双螺杆挤压膨化机相比其他类型的膨化机具有诸多优点而逐步成为实现挤压膨化的常用设备，广泛应用于塑料加工领域、水产饲料加工领域和食品加工领域↑年来，国内外有关于同向啮合双螺杆挤压膨化机的研究包括：Antonio通过使用流体动力学数值仿真模型对同向双螺杆中谷物的挤压膨化过程进行了数值研究，分析了剪切速率、停留时间和混合指数等流体动力学参数 ；Barrera利用有限元技术研究了三维模型化同向双螺杆挤压机标准元件内的流动曲线 ；Cheng利用因次分析方法对双螺杆食品膨化过程中挤出物膨化进行了建 ；科研人员通过啮合同向双螺杆几何学和运动学的分析，运用 Pro/E软件研究了-种简便快捷的造型方法 ；科研人员利用PolyflOW软件模拟计算了组合螺杆元件在流场中受到的轴向力，分析了相关参数对轴向力的影响阁；科研人员利用 PolyflOW软件对啮合同向双螺杆驼峰元件进行了流场分析，并与双头螺纹元件进行了比较分析，得出了啮合同向双螺杆驼峰原件的适用诚[61。

但是关于双螺杆挤压膨化机螺杆的受力分析的研究比较少。

2挤压膨化机螺杆的力学模型为了确定螺杆所受的载荷，需要先求出螺杆所受的扭矩。功率和扭矩的关系式如下。

T9550×P (1)n式中： 根螺杆所分配的到的功率，kW；，r-螺杆的转速，r/min；-螺杆所受的扭矩，N·m。

就整个螺杆而言，各段螺杆的功率消耗是不均匀的。假设消耗的最大功率PⅡ 是平均功率的3倍171，则螺纹元件所受的最大扭矩 眦是平均扭矩 的 3倍。

：3×T (2)取所受的最大扭矩的那-段螺杆作为研究对象。已有资料表明螺杆流场的压力分布是沿着螺旋线方向分布的171，为了施加载荷方便，将推进物料的螺旋面沿着螺旋线平均分为五段，每-个面域内的螺杆所受的面载荷相同。

假设同-截面内过渡圆弧上的载荷呈线性分布，如图 1所示～过渡圆基匀的分成五段，每个端点所受的集中力载荷为、 、 、 、 、 。 假设 、 、 、 、 、 的大小呈线性关系，来稿日期：2012-03-15基金项目：江苏省重大科技成果转化项目(BA2009)作者简介：杨 凯，(1987-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为先进制造工艺与装备；武 凯，(1972)，男，山西，副教授，主要研究方向：先进机械制造工艺与装备