熔体泵圆柱齿轮的参数化设计

2013-05-17 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 徐欢*李庆春*朱常委来源: 万方数据
关键字: 熔体泵圆柱齿轮参数优化二次开发参数化设计三维
介绍了熔体泵的应用、结构,重点就熔体泵的主要组成部分-圆柱齿轮的参数化设计进行了探讨。运用Visual Basic编程语言完成了熔体泵圆柱齿轮的参数化设计系统。该系统使熔体泵在满足排量要求的前提下,对齿轮参数进行优化,并对齿轮结构参数进行求解。还运用SolidWorks软件二次开发技术实现了熔体泵圆柱齿轮三维建模的自动化。

1前言

熔体泵应用于塑料挤出,最早是在20世纪初,到20世纪70年代左右日趋成熟。20世纪80年代至90年代中期,熔体泵挤出技术在工业发达国家取得了高速发展,它在塑料挤出加工业的应用已涉及造粒、挤板(片、膜)、挤管、吹膜、挤出涂覆、型材挤出、连续吹塑等领域,加工的材料几乎涉及所有的热塑性树脂、热塑性弹性体及其它聚合物。熔体泵的基本结构是一种外啮合式齿轮泵,即两个模数、齿数、齿宽均相同的啮合状齿轮,在一个与它们的外径和端面精密配合的泵体内旋转。用于输送塑料熔体的熔体泵,其主要功能是将来自塑化混炼设备的高温塑料熔体增压、稳压,保持熔体流量精确稳定地送人挤出模具。它可在高温达350°C,压力达35 MPa或更高条件下连续工作。其主要特点是结构简单紧凑,工作可靠。广泛采用熔休泵挤出技术已成为塑料挤出加工业的主流。

熔体泵主要由泵体、前后侧板、两个相互啮合的齿轮、轴承和密封件等组成,如图1 ,2所示。相互啮合的一对齿轮是熔体泵的核心部件,其结构形式多种多样:按啮合方式可分为内啮合和外啮合方式;按齿廓曲线可分为渐开线齿轮、圆弧齿轮和摆线齿轮等;按齿向可分为直齿轮、斜齿轮和人字齿轮等。但在输送塑料熔体中最常用的是圆柱齿轮外啮合式熔体泵,其中圆柱齿轮包括直齿圆柱齿轮(直齿轮)和斜齿圆柱齿轮(斜齿轮)。若采用斜齿轮的熔体泵,不仅能增加齿轮啮合的重合度,而且啮合时能对物料进行连续、平稳的挤压,减少压力的波动。此外,斜齿轮还具有更好的自洁作用,可以避免物料的沉积分解。但是斜齿轮也存在相应的问题:在工作时会产生轴向力,加剧轴承与齿轮接触面的磨损。文章推荐采用既易于加工,又可承受较高载荷的渐开线型斜齿轮。

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片1

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片2

在设计确定熔体泵圆柱齿轮的结构参数时,首先要使圆柱齿轮达到熔体泵的排量指标,并使圆柱齿轮的外形尽量小。同时,还要使齿轮满足机械原理和强度条件方面的要求,如齿轮变位后要满足加工时不根切、齿顶不过薄、保证一定的重合度、不产生过渡曲线干涉以及齿轮具有足够的弯曲强度、接触强度等。这样,在圆柱齿轮设计过程中,为平衡满足以上各方面的要求,必须通过反复的计算来调整修改各方面的参数,工作量大且复杂。针对这一状况,作者运用Visual Basic编程语言完成了熔体泵圆柱齿轮的参数化设计系统。这一系统对熔体泵圆柱齿轮参数化设计具有实际指导意义,有助于缩短设计周期,提高工作效率,使熔体泵圆柱齿轮的设计过程趋于简捷。

    2熔体泵圆柱齿轮的参数确定

下面以Visual Basic作为编程语言,进行熔体泵圆柱齿轮的参数优化,并对圆柱齿轮的结构参数进行求解。

    2. 1根据熔体泵的排量要求对圆柱齿轮参数进行优化

泵每转所排出熔体的体积叫做泵的理论排量,或称泵的排量,单位为cm3/r。对于一定尺寸规格的泵来说,从理论上讲,泵每转所排出熔体的休积量是一样的,所以一般以排量多少来表征泵的规格。在工程实际应用中,通常使用较为简捷的公式来计算泵的排量,其公式如下:

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片3

由排量公式可知,排量9与齿数Z成正比。当模数一定时,齿数多,排量大。但齿数多,泵的体积增大,如果保持泵的体积不变,Z增大时,排量减小。因此齿数不能太多,一般取8-20为宜。

当熔体泵排量一定时,圆柱齿轮齿数增多,泵的外形尺寸会随之增大,但压力脉动会减小。所以在要求熔体泵的流量脉动小时,可以取较多的齿数,一般取12~ 25。对于把建压能力作为重点的熔体泵,可以取较少的齿数,一般取8一14。但模数和齿数的选择是个较为复杂的问题,除考虑外形尺寸、排量大小外,还要考虑齿轮的宽度。而齿轮宽度是有限制的,若齿轮宽度过窄,将引起排量的下降;若齿轮宽度太大,则径向力增大,轴颈及轴承所能承受的负载会随之提高,且加工制造难度亦增大。一般情况下,采用平方齿轮的概念,即齿宽应等于分度圆直径(B=mZ)。此时,熔体泵的排量公式可整理为:

下面根据熔体泵的排量需求对圆柱齿轮参数进行优化:依据结构紧凑的原则,在满足齿数和模数的要求下,应以最小的尺寸结构获得最大的排量。文章运用VB语言对该模型进行优化,即调整参数m和Z,使熔体泵排量在一定的情况下,分度圆尺寸达到最小。而参数m和Z也是有限制的,其中模数m要采用国标GB 1357-87所规定的标准模数系列;齿数Z在上文已经有所陈述,根据其侧重点的不同,所选齿数范围也有所不同,但是不管侧重点放在流量脉动小还是放在建压能力上,其齿数范围均在8-25之内。

于是根据上述条件,建立一个目标函数f=(m,Z)=2пm3Z2,m的取值为1,1.25,1.5,2,2.5,3,4,5..... .Z的取值为8-25的正整数。现要求解m和Z,在满足上述函数关系的基础上,m}Z取最小值,即熔体泵排量一定时,分度圆尺寸最小。设定、为己知量,在f(m,Z)一定的情况下,求取Zo当求取值Z为8 } 25之间的值时,将该组数据保留。之后将所有保留的数据组进行分度圆、排量上的比较,进而选择合适的模数和齿数。由于函数计算过程中,所得的Z值基本上不会是整数,对其进行四舍五人,故函数值.f(m,Z)也稍微会有所变化。

    文章采用VB语言建立该数学模型,其程序框图如图3所示。

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片5

由于篇幅关系,省略了该VB优化程序代码。下面以256cm3/r的熔体泵排量为例,其运行后的优化结果如图4所示。

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片6

由程序运行结果可知,当输入所需熔体泵排量为256cm3/r时,可得到一系列的模数和齿数组合,此时得到的齿数是经过圆整的,从而熔体泵的排量也随之有所变化。根据运算结果可知,当分度圆尺寸到达最小时,其排量并不是最大。此外,根据熔体泵的用途对齿轮齿数进行选择,当要求流量脉动较小时,选取较大的齿数(12~25),当要求建压能力时,选取较小的齿数(8~14)。

    2. 2运用VB编程完成熔体泵圆柱齿轮的结构参数设计

渐开线标准齿轮不发生根切时的最小齿数是17 }5",可是由图4的运算结果可知,多种情况下其齿数都会少于17。这时就要采用变位齿轮,由于熔体泵中两个相互啮合的齿轮完全相同,因此将采用不等变位齿轮传动(角度变位齿轮传动),分配变位系数时只需使它们相等即可。若采用变位齿轮,不仅可以有效利用渐开线的不同区段,从而可提高齿轮的抗弯强度和抗胶着能力,而且可用于配凑中心距。工程实践证明,齿轮有轻微根切时,对降低齿根应力集中有一定的好处,故可允许有轻微根切,这时可取最小齿数为14。

在此程序中,齿顶高系数(ha )、顶隙系数(c)和分度圆压力角(a)等均采用国家标准值,即ha=1,c=0.25,a=20°。圆柱齿轮的模数值也采用国家标准模数系列。

首先选择所用圆柱齿轮类型、系列模数,输入齿数,之后根据圆柱齿轮类型选择是否输人螺旋角以及变位中心距。输人必要参数后,点击确定即可得到圆柱齿轮的结构参数。此外,该程序还对圆柱齿轮变位之后是否出现根切现象、齿顶是否过薄、重合度是否满足要求、是否产生过渡曲线干涉进行判断。鉴于圆柱齿轮结构参数设计的VB程序代码繁多,在此省略。下面根据图4得到的运算结果,以齿数为14,模数为6n/m的变位斜齿轮为例。

由图5可以看出,如图6所示输人的两齿轮中心距是87 mm,点击确定按钮后,计算机会根据程序中的几个判断函数进行判断,看是否满足条件。此时中心距满足要求,不会发生根切,计算结果如图。在该程序中,采用熔体泵排量的精确计算表达式对其排量进行求解,其中表达式为:

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片7

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad案例图片8

3熔体泵圆柱齿轮的参数化设计

下面以Visual Basic为编程语言,对熔体泵圆柱齿轮进行Solidwork。的二次开发,完成熔体泵圆柱齿轮的参数化设计。

    3. 1运用VB编程语言对SolidWorks进行二次开发的过程

基于VB的SolidWorks二次开发,最重要的是程序代码的编写。代码可以完全由开发者写人,即完全用程序实现三维模型的参数化设计以及模型的编辑,这种方法编程较为复杂,但可以实现对具有复杂形体的零件造型,如生成精确的渐开线齿轮齿廓。这种方法要求开发者对SolidWorks API函数非常熟悉,但是SolidWorks API函数有几百个之多,对于初学者往往不容易掌握。一个简单实用的方法是先录制使用SolidWorks用户界面执行的操作,即录制宏。宏是一系列命令的集合,进行零件设计时,通过SoIidworks软件菜单【工具】、【宏操作】、【录制】功能,即将用户产品设计过程中用到的对象、方法等完整地记录下来,获得宏操作代码,其语法完全符合VB要求。开发人员只需对所录制的宏进行合理的编辑修改,用变量代替具体的参数,通过程序驱动设计变量即可实现产品的参数化设计。宏功能极大地简化了SolidWorks的二次开发过程,对于实现参数化产品设计具有重要意义。

3.2熔体泵圆柱齿轮的参数化设计过程法,并运用Salidworka中宏录制命令录制了圆柱齿轮的三维建模过程。通过编辑修改所录制的宏,用变量代替具体的参数,完成了圆柱齿轮的参数化设计。

    3.2.1绘制渐开线齿轮齿廓线方法

在录制宏之前,需要在SolidWorks环境中用多种方法生成零件,进行比较,最终确定最适合于二次开发的步骤来生成零件并录制宏。绘制圆柱齿轮过程中,首先要确定渐开线齿轮齿廓线,其确定方法如下。

一个完整的渐开线齿轮轮齿被分成几个部分,如图6所示。

齿廓线采用的是样条曲线,选择了3个关键点来绘制该样条曲线:齿顶圆的交点,分度圆的交点和基圆的交点。过渡圆弧则采取齿根圆与基圆倒圆角的方法实现。之后通过镜像完成整个齿廓线的绘制。

    3.3.2熔体泵齿轮宏录制过程的三维建模步骤

    1)绘制齿顶圆、分度圆、基圆和齿根圆;
    2)确定左侧齿顶圆、分度圆和基圆上的3个关键点,并采用3点圆弧命令将这3点连接起来,绘制出左侧齿廓线;
    3)将基圆与齿根圆处进行倒圆角;
    4}剪切除齿廓线、过渡圆弧、齿顶圆和齿根圆外所有的线;
    5)镜像生成右侧的齿廓线和过渡圆弧,生成一个完整的单齿线;
6)直齿轮:结束草图绘制,拉伸草图长度为齿宽,形成直齿的单齿模型;斜齿轮:结束上述草图绘制,在齿宽方向上新建草图绘制,偏移一个螺旋角度,通过放样操作生成斜齿的单齿模型;
    7)通过旋转基体命令生成轮坯,完成圆柱齿轮的三维建模。

    3.3.3运用YB进行SolidWorks二次开发的程序设计

图7所示为变位斜齿轮,其齿数为14,模数为6,螺旋角为9°,两齿轮中心距为87。

在完成以上步骤后就可在VB中进行二次开发的程序设计了。界面设计应简单明了,使用方便。在具体的编程过程中,利用SolidWorks带的宏录制功能,录制得到宏文件,加以编译即可生成被VB调用的应用程序。程序代码过多,在此省略。由用户程序界面输人所需的参数,即可自动生成所需的圆柱齿轮,从而实现圆柱齿轮的参数化设计。

熔体泵圆柱齿轮的参数化设计autocad培训教程图片9

    4结语

    主要完成了熔体泵圆柱齿轮的参数优化、结构参数求解及其二次开发,开发了熔体泵圆柱齿轮的参数化设计系统,实现了圆柱齿轮三维建模的自动化。该参数化设计系统对熔体泵设计人员具有实际的指导意义,可以缩短设计周期,提高工作效率。此外,这也是二次开发技术在圆柱齿轮参数化设计上的有益尝试,有助于简化建模过程和提高建模效率,进而显著提高熔体泵技术参数确定和相关整体结构设计方面的工作效率。

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