旋转冲击粘胶挤出机工具结构优化设计与技术分析

张 涵

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

挤出机是一种很常见的粘接材料挤出工具，经常配合搅拌机使用，可以根据粘接材料的流动性差异和物料黏度的不同，设计不同的挤出压力。常见的粘接材料挤出机一般都是在外部进行加热的条件下由机械内部的螺杆对粘接材料进行摩擦加热并搅拌，使粘接材料不断变软和融合，最终经过冷却形成固态或熔融状态粘接材料。常见的挤出机机械大多数采用单螺杆挤出机驱动技术，有许多摩擦性能差的材料不能送入单螺杆挤出机中，会影响挤出机的适用范围。因此，本文将冲击、复合双驱挤出技术进行了有机融合，开发了一种旋转冲击粘接材料挤出工具。该工具利用螺杆进行驱动，将旋转冲击挤出、螺杆复合双驱挤出这2种技术的优势进行充分利用，在轴向上有着高频冲击力，同时还兼具高速旋转切削力，这样就能显著提升粘接材料挤出机械的适用范围，增强挤出机的工作效率。

1 技术分析

1.1 结构设计的影响因素

影响结构设计因素主要有5个方面的原因：(1)空间结构：具体根据挤出粘接材料直径大小，对该套工具的外径大小进行限制，并在耐冲击、机械强度等参数方面，要满足挤出现场实际要求。当前螺杆钻具技术已具有较高的成熟度，为此，本套工具的设计，关键就在于冲击发生模块的设计。(2)工具寿命：普通螺杆寿命时长与冲击发生机构寿命时长是相同的，此外它还会收到外部工况、介质以及钻压3个方面的影响，空间凸轮寿命时间的长短决定着冲击发生机构的寿命时长，所以寿命的空间凸轮设计非常关键。(3)工作介质：因为固相含量、流变性、黏度等因素存在着一定制约性，挤出液将会对该发生模块、工具轴承的寿命产生颇为显著的影响，进而工具设计需要对挤出液有害固相的作用进行考虑，并遴选耐磨、耐腐蚀材料。(4)排量：具体按照现场实际情况，将其排量与螺杆钻具进行匹配，确保工具有通畅属性；同时也能很好满足强度要求。据此对该冲击发生模块的水眼尺寸进行设计，使工具压耗显著下降。(5)功率：在不耽误工作进度的情况下，应考虑冲击结构在工作时所消耗的功率，将冲击参数进行记录，以便后期设计冲程与空间凸轮齿数等。

1.2 工具结构与原理

依据上述分析，并结合机械设计手册与行业标准，为本工具的设计提供了整体方案。此工具主要构成件为冲击发生模块、特制螺杆钻具。基于现场实际情况，遴选相应规格的螺杆，同时还对传动轴总输出端加以优化设计，使之具有特制属性。在设计冲击发生模块时，关键就是将旋转转换成往复运动。该挤出工具构造较为简单，在挤出领域优势较为明显。此挤出工具适合应用于Φ 215. 9 mm到Φ 241.3 mm，上下端标准扣型分别是41/2inIF与41/2inREG，它可以与钻头直接进行连接。该挤出工具输出轴水眼与内部水眼之间是相通的，为了便于清洗井底。螺杆钻具中的润滑挤出液，主要利用输出轴外环隙流入至外环空，其流量较小。螺杆定子与上凸轮部件呈现出同步转动特点，下凸轮与传动轴在旋转动作上具有同步性。挤出液水力对螺杆转子进行作用，使之转动，进而带动钻头、下凸轮轴进行旋转，借助于冲击发生模块，将上凸轮部件转移至上止点，接着在弹簧作用力、重力下，带来向下的冲击效应，并将其导向钻头，形成往复运动，从而破碎岩体，实现挤出速度的提升。

旋转冲击挤出工具工艺参数如表1所示。

表1 旋转冲击挤出工具参数Tab.1 Rotational impact extrusion tool parameters

2 关键技术

在本套工具中，螺杆与冲击器分别为旋转与往复运动，将这2种运动进行很好地融合，关键就是将螺杆马达旋转运动进行转换，使之形成上凸轮往复运动。为此，在对本套工具进行设计之前，需要对这2种运动的转换方式进行深入剖析，并对冲击发生模块结构进行细致设计。

2.1 旋转运动和往复运动转换形式研究

当前，使得旋转向往复运动模式转变具有多元化的方法，常用的是凸轮、曲柄连杆机构等。前者能够对复杂的运动要求能很好地满足，是较为常用的一种转换方法。在具体应用环节，凸轮主要有移动与盘形凸轮。凸轮从动件规律涉及到余弦、正弦2种加速度、等速、等加速等减速运动等。然而，仅仅运用某种凸轮模式或者相关规律，很难将中高速重载环境下的运动进行转换，为此，将移动凸轮转换成圆柱体，之后凸轮面会构成一定坡度，促使动件等速、正弦加速度这2种运动规律进行融合，更好地满足运动条件。本设计的圆柱凸轮动力转换模块，其结构具有一定的特殊性，其核心部件为上、下凸轮构成，在此结构下，不仅可以使得轴旋转运动转换成从动部件(筒状)往复运动，进而在具体下行之际，对钻头带来不小的冲击。同时，由于上、下凸轮结构具有颇高的强度，其使用年限相对更高。每一个凸轮的圆周面上方都可以设置无数个凸轮齿，本设计是在圆周面上方设置的三分凸轮齿结构，就相当于螺杆每旋转 1个周期，上方凸轮组件就会被冲击3次。如果凸轮齿数是时，那么螺杆钻具会带着凸轮进行转动，钻具每转动一个周期就相当于实现了次往复运动，以下是冲击频率的计算公式：

式中:为螺杆钻具的转速，r/min；为旋转冲击挤出工具运动频率，Hz。

2.2 冲击发生机构的结构设计

在对凸轮啮合轨道与运动形式明确后，设计冲击发生模块(机构)就成为关键性内容，它对该工具的实现机制产生决定性影响。该发生模块的构成包括弹簧组、输出主轴、下接头、中间筒等。花键滑动连接将上部螺杆传动与输出注重进行对接，后者配置上下凸轮部件，这2个部件，前者结构为圆环状，后者则与输出主轴一体，并与前者进行啮合。输出主轴配置挡瓦及中间筒，后者对前者起到固定作用。该主轴与下接头之间还配置TC轴承，此主轴具有防磨属性。上凸轮与外筒之间，也配置了花键模块，在其外筒表面之上，配置专门的花键槽；而上凸轮表面，则配置相应的花键齿，这样就能防止二者出现周向位移问题，确保上凸轮仅做轴向滑动。马达能够促进输出主轴旋转，进而对上凸轮上行压缩弹性件进行相应的驱动，并在下行环节，形成对应的冲击。在设计该冲击发生模块时，要按照需求的转速、扭矩参数来挑选螺杆钻具。该钻具相关零部件与输出主轴进行一体化连接之后，就能将后者上端配置的花键，置入传动轴的轴心花键，并将上、下外筒的接头螺纹进行更好的对接。

3 模拟试验台架性能测试

3.1 试验目的

此次试验目的就是基于不同排量、钻压环境，对冲击力、频率、泵压等参量进行动态试验，分析这些参量与挤出参量有何种关联性，进而判断该工具输出属性参量能否满足复合挤出实际工作条件。

3.2 试验设备与连接

对接试验装置之后，在正式试验前需要对试验挤出设备进行模拟，对液压系统、挤出泵、传感器等进行调试；同时还需要调试采集系统，根据钻具组合(钻杆、减震模块、旋转接头等)，及基于挤出筒深度20 m等，对合适的转换接头、短钻杆等进行提前准备等。

3.3 试验步骤及测试

(1)依据钻具组合方法进行挤出，在距离挤出口100 mm以外的位置时，要保证钻压是0；

(2)以6 L/s启动马达，尝试加钻压进行工作。在正式工作前检查各个系统是否可以正常运行，重点关注数据采集、循环以及动力系统。判断工具是否运行正常的前提是冲击力曲线是否为正弦曲线，以此为判断标准；

(3)把挤出工具在距离挤出口1 m距离时进行开泵，将排量渐渐提升到7 L/s，当挤出工具工作稳定之后可以把钻压提升到40 kN；之后在把钻压逐步降低到35、30、25 kN时，依次递减至5 kN，在此期间要记录冲击力、冲击频率以及钻压等参数。

3.4 试验结果分析

通过分析结构特点可以得出，挤出工具马达转速与冲击频率成正比。因为马达转速存在硬属性，具体就是负载没有大于滞动扭矩时，负载不会对该转速产生影响。这意味着，此时负载即便是有所增加，转速的下降量则较为微小。为此，在排量一致下，钻压上升，冲击频率则维持大致稳定。排量上升，转速上升，相应冲击频率也会随之增长。挤出之际，钻头能够对按照正弦规律改变的钻压进行肩负。在不同排量与钻压下测试了挤出设备的冲击性能，测试结果如图1所示。钻压越大则冲击力也就越大，挤出工具钻压与冲击力呈线性关系，冲击力对于排量的影响并不大。为了对挤出工具使用效果进行验证，本次试验使用机械式旋转冲击挤出工具对TPU等热塑性胶粘剂进行挤出，全程开泵时长125 h，总进尺710 m。因受多种因素干扰，其纯挤出时长是66.7 h，平均挤出速度为1 064 m/h；挤出工作完成后，挤出工具外表呈良好状态。使用机械式旋转冲击挤出工具挤出的PA、PES和TPU对比情况，如图1所示。

图1 不同排量下最大冲击力与挤出压关系Fig.1 Relationship between maximum impact force and extrusionpressure under different displacements

当前研发出的机械式旋转冲击挤出工具工程样机已经在多个粘接材料生产企业进行了实验，一套挤出工具最长一次使用时长为187.2 h，大约挤出粘接材料总进度为9 350 m。在常规螺杆钻具与工具寿命成正比状况下，提速效果显著提高。挤出工具在此次试验中降摩阻效果表现良好，使用机械式旋转冲击挤出工具不仅工具面比较稳定，同时挤出速度也很快，大大提升了挤出效率，避免了挤出设备产生的托压现象。

表2 机械式旋转冲击工具挤出的PA、PES和TPU对比情况Tab.2 Comparison of PA, PES and TPU extrusion speed

4 结语

本文设计了一套机械式旋转冲击挤出工具，借助于螺杆马达，使得下凸轮与钻头旋转，这样上凸轮部件实现了几种不同粘接材料高频冲击与螺杆复合挤出功能，可以明显提升粘接材料的挤出效率。对试验台架性能进行了模拟测试，结果显示：对该套工具的降低摩阻、提速效果进行分析，表明在实际应用时机械式旋转冲击挤出工具颇具稳定性。此外，该工具结构较为简单，在不同粘接材料的挤出环节均有较强的适用性。