搜索熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計
2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 徐歡*李慶春*朱常委 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 熔體泵 圓柱齒輪 參數(shù)優(yōu)化 二次開發(fā) 參數(shù)化設(shè)計 三維
介紹了熔體泵的應(yīng)用、結(jié)構(gòu),重點就熔體泵的主要組成部分-圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計進行了探討。運用Visual Basic編程語言完成了熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)使熔體泵在滿足排量要求的前提下,對齒輪參數(shù)進行優(yōu)化,并對齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進行求解。還運用SolidWorks軟件二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)了熔體泵圓柱齒輪三維建模的自動化。
1前言
熔體泵應(yīng)用于塑料擠出,最早是在20世紀(jì)初,到20世紀(jì)70年代左右日趨成熟。20世紀(jì)80年代至90年代中期,熔體泵擠出技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家取得了高速發(fā)展,它在塑料擠出加工業(yè)的應(yīng)用已涉及造粒、擠板(片、膜)、擠管、吹膜、擠出涂覆、型材擠出、連續(xù)吹塑等領(lǐng)域,加工的材料幾乎涉及所有的熱塑性樹脂、熱塑性彈性體及其它聚合物。熔體泵的基本結(jié)構(gòu)是一種外嚙合式齒輪泵,即兩個模數(shù)、齒數(shù)、齒寬均相同的嚙合狀齒輪,在一個與它們的外徑和端面精密配合的泵體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。用于輸送塑料熔體的熔體泵,其主要功能是將來自塑化混煉設(shè)備的高溫塑料熔體增壓、穩(wěn)壓,保持熔體流量精確穩(wěn)定地送人擠出模具。它可在高溫達350°C,壓力達35 MPa或更高條件下連續(xù)工作。其主要特點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊,工作可靠。廣泛采用熔休泵擠出技術(shù)已成為塑料擠出加工業(yè)的主流。
熔體泵主要由泵體、前后側(cè)板、兩個相互嚙合的齒輪、軸承和密封件等組成,如圖1 ,2所示。相互嚙合的一對齒輪是熔體泵的核心部件,其結(jié)構(gòu)形式多種多樣:按嚙合方式可分為內(nèi)嚙合和外嚙合方式;按齒廓曲線可分為漸開線齒輪、圓弧齒輪和擺線齒輪等;按齒向可分為直齒輪、斜齒輪和人字齒輪等。但在輸送塑料熔體中最常用的是圓柱齒輪外嚙合式熔體泵,其中圓柱齒輪包括直齒圓柱齒輪(直齒輪)和斜齒圓柱齒輪(斜齒輪)。若采用斜齒輪的熔體泵,不僅能增加齒輪嚙合的重合度,而且嚙合時能對物料進行連續(xù)、平穩(wěn)的擠壓,減少壓力的波動。此外,斜齒輪還具有更好的自潔作用,可以避免物料的沉積分解。但是斜齒輪也存在相應(yīng)的問題:在工作時會產(chǎn)生軸向力,加劇軸承與齒輪接觸面的磨損。文章推薦采用既易于加工,又可承受較高載荷的漸開線型斜齒輪。
在設(shè)計確定熔體泵圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)時,首先要使圓柱齒輪達到熔體泵的排量指標(biāo),并使圓柱齒輪的外形盡量小。同時,還要使齒輪滿足機械原理和強度條件方面的要求,如齒輪變位后要滿足加工時不根切、齒頂不過薄、保證一定的重合度、不產(chǎn)生過渡曲線干涉以及齒輪具有足夠的彎曲強度、接觸強度等。這樣,在圓柱齒輪設(shè)計過程中,為平衡滿足以上各方面的要求,必須通過反復(fù)的計算來調(diào)整修改各方面的參數(shù),工作量大且復(fù)雜。針對這一狀況,作者運用Visual Basic編程語言完成了熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。這一系統(tǒng)對熔體泵圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義,有助于縮短設(shè)計周期,提高工作效率,使熔體泵圓柱齒輪的設(shè)計過程趨于簡捷。
2熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)確定
下面以Visual Basic作為編程語言,進行熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)優(yōu)化,并對圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行求解。
2. 1根據(jù)熔體泵的排量要求對圓柱齒輪參數(shù)進行優(yōu)化
泵每轉(zhuǎn)所排出熔體的體積叫做泵的理論排量,或稱泵的排量,單位為cm3/r。對于一定尺寸規(guī)格的泵來說,從理論上講,泵每轉(zhuǎn)所排出熔體的休積量是一樣的,所以一般以排量多少來表征泵的規(guī)格。在工程實際應(yīng)用中,通常使用較為簡捷的公式來計算泵的排量,其公式如下:
由排量公式可知,排量9與齒數(shù)Z成正比。當(dāng)模數(shù)一定時,齒數(shù)多,排量大。但齒數(shù)多,泵的體積增大,如果保持泵的體積不變,Z增大時,排量減小。因此齒數(shù)不能太多,一般取8-20為宜。
當(dāng)熔體泵排量一定時,圓柱齒輪齒數(shù)增多,泵的外形尺寸會隨之增大,但壓力脈動會減小。所以在要求熔體泵的流量脈動小時,可以取較多的齒數(shù),一般取12~ 25。對于把建壓能力作為重點的熔體泵,可以取較少的齒數(shù),一般取8一14。但模數(shù)和齒數(shù)的選擇是個較為復(fù)雜的問題,除考慮外形尺寸、排量大小外,還要考慮齒輪的寬度。而齒輪寬度是有限制的,若齒輪寬度過窄,將引起排量的下降;若齒輪寬度太大,則徑向力增大,軸頸及軸承所能承受的負載會隨之提高,且加工制造難度亦增大。一般情況下,采用平方齒輪的概念,即齒寬應(yīng)等于分度圓直徑(B=mZ)。此時,熔體泵的排量公式可整理為:
下面根據(jù)熔體泵的排量需求對圓柱齒輪參數(shù)進行優(yōu)化:依據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊的原則,在滿足齒數(shù)和模數(shù)的要求下,應(yīng)以最小的尺寸結(jié)構(gòu)獲得最大的排量。文章運用VB語言對該模型進行優(yōu)化,即調(diào)整參數(shù)m和Z,使熔體泵排量在一定的情況下,分度圓尺寸達到最小。而參數(shù)m和Z也是有限制的,其中模數(shù)m要采用國標(biāo)GB 1357-87所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列;齒數(shù)Z在上文已經(jīng)有所陳述,根據(jù)其側(cè)重點的不同,所選齒數(shù)范圍也有所不同,但是不管側(cè)重點放在流量脈動小還是放在建壓能力上,其齒數(shù)范圍均在8-25之內(nèi)。
于是根據(jù)上述條件,建立一個目標(biāo)函數(shù)f=(m,Z)=2пm3Z2,m的取值為1,1.25,1.5,2,2.5,3,4,5..... .Z的取值為8-25的正整數(shù)?，F(xiàn)要求解m和Z,在滿足上述函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上,m}Z取最小值,即熔體泵排量一定時,分度圓尺寸最小。設(shè)定、為己知量,在f(m,Z)一定的情況下,求取Zo當(dāng)求取值Z為8 } 25之間的值時,將該組數(shù)據(jù)保留。之后將所有保留的數(shù)據(jù)組進行分度圓、排量上的比較,進而選擇合適的模數(shù)和齒數(shù)。由于函數(shù)計算過程中,所得的Z值基本上不會是整數(shù),對其進行四舍五人,故函數(shù)值.f(m,Z)也稍微會有所變化。
文章采用VB語言建立該數(shù)學(xué)模型,其程序框圖如圖3所示。
由于篇幅關(guān)系,省略了該VB優(yōu)化程序代碼。下面以256cm3/r的熔體泵排量為例,其運行后的優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。
由程序運行結(jié)果可知,當(dāng)輸入所需熔體泵排量為256cm3/r時,可得到一系列的模數(shù)和齒數(shù)組合,此時得到的齒數(shù)是經(jīng)過圓整的,從而熔體泵的排量也隨之有所變化。根據(jù)運算結(jié)果可知,當(dāng)分度圓尺寸到達最小時,其排量并不是最大。此外,根據(jù)熔體泵的用途對齒輪齒數(shù)進行選擇,當(dāng)要求流量脈動較小時,選取較大的齒數(shù)(12~25),當(dāng)要求建壓能力時,選取較小的齒數(shù)(8~14)。
2. 2運用VB編程完成熔體泵圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計
漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪不發(fā)生根切時的最小齒數(shù)是17 }5",可是由圖4的運算結(jié)果可知,多種情況下其齒數(shù)都會少于17。這時就要采用變位齒輪,由于熔體泵中兩個相互嚙合的齒輪完全相同,因此將采用不等變位齒輪傳動(角度變位齒輪傳動),分配變位系數(shù)時只需使它們相等即可。若采用變位齒輪,不僅可以有效利用漸開線的不同區(qū)段,從而可提高齒輪的抗彎強度和抗膠著能力,而且可用于配湊中心距。工程實踐證明,齒輪有輕微根切時,對降低齒根應(yīng)力集中有一定的好處,故可允許有輕微根切,這時可取最小齒數(shù)為14。
在此程序中,齒頂高系數(shù)(ha )、頂隙系數(shù)(c)和分度圓壓力角(a)等均采用國家標(biāo)準(zhǔn)值,即ha=1,c=0.25,a=20°。圓柱齒輪的模數(shù)值也采用國家標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列。
首先選擇所用圓柱齒輪類型、系列模數(shù),輸入齒數(shù),之后根據(jù)圓柱齒輪類型選擇是否輸人螺旋角以及變位中心距。輸人必要參數(shù)后,點擊確定即可得到圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外,該程序還對圓柱齒輪變位之后是否出現(xiàn)根切現(xiàn)象、齒頂是否過薄、重合度是否滿足要求、是否產(chǎn)生過渡曲線干涉進行判斷。鑒于圓柱齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的VB程序代碼繁多,在此省略。下面根據(jù)圖4得到的運算結(jié)果,以齒數(shù)為14,模數(shù)為6n/m的變位斜齒輪為例。
由圖5可以看出,如圖6所示輸人的兩齒輪中心距是87 mm,點擊確定按鈕后,計算機會根據(jù)程序中的幾個判斷函數(shù)進行判斷,看是否滿足條件。此時中心距滿足要求,不會發(fā)生根切,計算結(jié)果如圖。在該程序中,采用熔體泵排量的精確計算表達式對其排量進行求解,其中表達式為:
3熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計
下面以Visual Basic為編程語言,對熔體泵圓柱齒輪進行Solidwork。的二次開發(fā),完成熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計。
3. 1運用VB編程語言對SolidWorks進行二次開發(fā)的過程
基于VB的SolidWorks二次開發(fā),最重要的是程序代碼的編寫。代碼可以完全由開發(fā)者寫人,即完全用程序?qū)崿F(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計以及模型的編輯,這種方法編程較為復(fù)雜,但可以實現(xiàn)對具有復(fù)雜形體的零件造型,如生成精確的漸開線齒輪齒廓。這種方法要求開發(fā)者對SolidWorks API函數(shù)非常熟悉,但是SolidWorks API函數(shù)有幾百個之多,對于初學(xué)者往往不容易掌握。一個簡單實用的方法是先錄制使用SolidWorks用戶界面執(zhí)行的操作,即錄制宏。宏是一系列命令的集合,進行零件設(shè)計時,通過SoIidworks軟件菜單【工具】、【宏操作】、【錄制】功能,即將用戶產(chǎn)品設(shè)計過程中用到的對象、方法等完整地記錄下來,獲得宏操作代碼,其語法完全符合VB要求。開發(fā)人員只需對所錄制的宏進行合理的編輯修改,用變量代替具體的參數(shù),通過程序驅(qū)動設(shè)計變量即可實現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計。宏功能極大地簡化了SolidWorks的二次開發(fā)過程,對于實現(xiàn)參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計具有重要意義。
3.2熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計過程法,并運用Salidworka中宏錄制命令錄制了圓柱齒輪的三維建模過程。通過編輯修改所錄制的宏,用變量代替具體的參數(shù),完成了圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計。
3.2.1繪制漸開線齒輪齒廓線方法
在錄制宏之前,需要在SolidWorks環(huán)境中用多種方法生成零件,進行比較,最終確定最適合于二次開發(fā)的步驟來生成零件并錄制宏。繪制圓柱齒輪過程中,首先要確定漸開線齒輪齒廓線,其確定方法如下。
一個完整的漸開線齒輪輪齒被分成幾個部分,如圖6所示。
齒廓線采用的是樣條曲線,選擇了3個關(guān)鍵點來繪制該樣條曲線:齒頂圓的交點,分度圓的交點和基圓的交點。過渡圓弧則采取齒根圓與基圓倒圓角的方法實現(xiàn)。之后通過鏡像完成整個齒廓線的繪制。
3.3.2熔體泵齒輪宏錄制過程的三維建模步驟
1)繪制齒頂圓、分度圓、基圓和齒根圓;
2)確定左側(cè)齒頂圓、分度圓和基圓上的3個關(guān)鍵點,并采用3點圓弧命令將這3點連接起來,繪制出左側(cè)齒廓線;
3)將基圓與齒根圓處進行倒圓角;
4}剪切除齒廓線、過渡圓弧、齒頂圓和齒根圓外所有的線;
5)鏡像生成右側(cè)的齒廓線和過渡圓弧,生成一個完整的單齒線;
6)直齒輪:結(jié)束草圖繪制,拉伸草圖長度為齒寬,形成直齒的單齒模型;斜齒輪:結(jié)束上述草圖繪制,在齒寬方向上新建草圖繪制,偏移一個螺旋角度,通過放樣操作生成斜齒的單齒模型;
7)通過旋轉(zhuǎn)基體命令生成輪坯,完成圓柱齒輪的三維建模。
3.3.3運用YB進行SolidWorks二次開發(fā)的程序設(shè)計
圖7所示為變位斜齒輪,其齒數(shù)為14,模數(shù)為6,螺旋角為9°,兩齒輪中心距為87。
在完成以上步驟后就可在VB中進行二次開發(fā)的程序設(shè)計了。界面設(shè)計應(yīng)簡單明了,使用方便。在具體的編程過程中,利用SolidWorks帶的宏錄制功能,錄制得到宏文件,加以編譯即可生成被VB調(diào)用的應(yīng)用程序。程序代碼過多,在此省略。由用戶程序界面輸人所需的參數(shù),即可自動生成所需的圓柱齒輪,從而實現(xiàn)圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計。
4結(jié)語
主要完成了熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)參數(shù)求解及其二次開發(fā),開發(fā)了熔體泵圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng),實現(xiàn)了圓柱齒輪三維建模的自動化。該參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)對熔體泵設(shè)計人員具有實際的指導(dǎo)意義,可以縮短設(shè)計周期,提高工作效率。此外,這也是二次開發(fā)技術(shù)在圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計上的有益嘗試,有助于簡化建模過程和提高建模效率,進而顯著提高熔體泵技術(shù)參數(shù)確定和相關(guān)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工作效率。
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