Forschung zur Optimierung der Konstruktion und Leistungssteigerung von Vakuum-Extrudern

Forschung zur Optimierung des Designs und zur Leistungssteigerung von Vakuumextrudern
Basierend auf der Ingenieurpraxis der strukturellen Verbesserung von zweistufigen Vakuumextrudern

In einer Ziegelfeuerlinie ist der Vakuumextruder für Ziegel der Kernformgebungsausrüstung, der die Qualität der grünen Ziegel und die Produktionseffizienz bestimmt. Mit den steigenden Anforderungen der Ziegel- und Dachziegelindustrie an Produktqualität, Leistung und Zuverlässigkeit der Ausrüstung sind die strukturelle Optimierung und die technologische Modernisierung von Vakuumextrudern besonders wichtig geworden.
Durch die Erforschung und Analyse verschiedener im In- und Ausland entwickelter Vakuumextruder-Ausrüstungen und die Kombination der fortschrittlichen technischen Erfahrung verschiedener Produktionsunternehmen wird eine systematische Optimierung des Designs von Schlüsselstrukturen durchgeführt, während die Leistung der Ausrüstung gewährleistet wird. Durch die Auswahl technologisch ausgereifter und wirtschaftlich sinnvoller unterstützender Komponenten wird die Funktionalität der Ausrüstung verbessert und gleichzeitig die Herstellungskosten effektiv gesenkt, wodurch eine umfassende Verbesserung sowohl der Leistung als auch der Wirtschaftlichkeit der Ausrüstung erzielt wird.

I. Optimierungsdesign von Schlüsselkomponenten

1.1 Optimierung der Schneckenwellenstruktur (Hauptwelle)

Die Schneckenwelle ist die zentrale Übertragungskomponente des Vakuumextruders. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Leistung zu übertragen und die Tonmischung vorwärts zu schieben, während sie gleichzeitig erhebliche Drehmomente und Axialdrücke aufnimmt. Daher wirkt sich die strukturelle Gestaltung der Schneckenwelle direkt auf die Gesamtstabilität und Zuverlässigkeit der Maschine aus.
In der ursprünglichen Vakuumextruderstruktur betrug der Durchmesser der Schneckenwelle an den Lagerpositionen Φ170 mm, und sie wurde durch drei Lager (einschließlich eines Axiallager) gestützt. Während des tatsächlichen Betriebs wies diese Struktur jedoch folgende Probleme auf:
• Relativ kleiner Mittenabstand zwischen vorderem und hinterem Lager
• Relativ langer Kragabschnitt der Schneckenwelle
• Deutliche Durchbiegung der Welle während des Betriebs
Diese Struktur neigte dazu, während des Betriebs ein spürbares Schütteln des Extruder Kopfes zu verursachen (allgemein bekannt als "Kopfschütteln"). Übermäßiges oder anhaltendes Schütteln beeinträchtigt nicht nur die Betriebsstabilität der Ausrüstung, sondern kann auch zu Schäden an Komponenten und sogar zu Produktionsausfällen führen.

Laut mechanischer Theorieanalyse:
Angenommen, der Abstand vom Mittelpunkt des vorderen Lagers der Schneckenwelle bis zum vorderen Ende der Schnecke ist L₁
Angenommen, der Mittenabstand zwischen vorderem und hinterem Lager ist L₂
Wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
L₂ / L₁ ≥ 0,7
kann die Schneckenwelle eine gute Betriebsstabilität aufrechterhalten.
In der ursprünglichen Ausrüstungsstruktur:
L₂ / L₁ = 1040 / 1950 = 0,533
Dies liegt deutlich unter dem angemessenen Designbereich und weist somit auf eine strukturelle Designschwäche hin.

1.2 Strukturelles Verbesserungs schema

Während des Optimierungsdesignprozesses wurde die zentrale Übertragungsstruktur angepasst, um eine rationellere Konfiguration der Schneckenwelle zu erreichen.
Hauptmaßnahmen umfassten:
• Änderung der ursprünglichen Radial-Luftkupplung zu einer Axial-Luftkupplung
• Reduzierung der axialen Einbaumaße der Kupplung
• Verschiebung des Schneckenwellenlagergehäuses nach hinten

Durch die oben genannten Optimierungen:
Der Mittenabstand zwischen vorderem und hinterem Lager erhöhte sich um ca. 400 mm.
Unter der neuen Struktur:
L₂ / L₁ = (1040 + 400) / 1950 = 0,74
Dieses Verhältnis erfüllt nun die Anforderungen für einen stabilen Betrieb, wodurch die Schneckenwelle reibungsloser und zuverlässiger läuft.
Aufgrund der erhöhten strukturellen Steifigkeit konnte auch der Durchmesser der Schneckenwelle entsprechend optimiert werden:
Ursprünglicher maximaler Wellendurchmesser: Φ185 mm
Optimierter Lagerabschnittsdurchmesser: Φ150 mm
Maximaler Wellendurchmesser: Φ160 mm
Nach struktureller Optimierung:
• Das Wellengewicht wird erheblich reduziert
• Die mechanische Struktur ist rationaler
• Die Herstellungsschwierigkeit wird verringert

Gleichzeitig wurden die Abmessungen der Lager und zugehörigen Komponenten reduziert, wodurch das gesamte Schneckenwellensystem kompakter wurde.

II. Optimierung des pneumatischen Kupplungssystems

Im ursprünglichen Ausrüstungsdesign wurde eine Radial-Luftkupplung als Leistungskopplungsvorrichtung verwendet. Diese Struktur hatte folgende Nachteile:
• Komplexe Struktur
• Großer Platzbedarf
• Hohe Anforderungen an Installation und Inbetriebnahme
• Strenge Anforderungen an die Genauigkeit der Ausrichtungsgenauigkeit der Ausrüstung

Die Radial-Luftkupplung erforderte eine präzise Ausrichtung mit dem Untersetzungsgetriebe über eine Kupplung und benötigte zusätzliche Stützstrukturen, was Installation und Wartung komplexer machte.
Im Optimierungsdesign wurden alle Radialkupplungen durch Axial-Luftkupplungen ersetzt, die direkt an der Hochgeschwindigkeitswelle des Untersetzungsgetriebes montiert wurden.
Diese Struktur bietet folgende Vorteile:
• Kompaktere Struktur
• Leichter sicherzustellen der Einbauegenauigkeit
• Bequemere Inbetriebnahme und Wartung
• Deutlich reduziertes Ausrüstungsgewicht
• Geringere Anforderungen an das Druckluftsystem
Durch diese Verbesserung wurde nicht nur die Betriebszuverlässigkeit der Ausrüstung erhöht, sondern auch die gesamte Übertragungsstruktur vereinfacht.

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III. Steigerung der Produktionskapazität der Ausrüstung

Der ursprüngliche zweistufige Vakuumextruder litt in der Praxis unter einer relativ geringen Leistung. Die technische Analyse identifizierte die Hauptgründe als:
• Unzureichende Zuführkapazität der oberen Stufe
• Übermäßiges Kompressionsverhältnis im konischen Hohlraum
• Relativ niedrige Fördergeschwindigkeit in der oberen Stufe

Kompressionsverhältnis des konischen Hohlraums der ursprünglichen Ausrüstung:
λ = 2,6
Dieser Wert lag nahe der Obergrenze des zulässigen Designbereichs.
Der typische vernünftige Bereich ist:
λ = 2,0 – 2,6
Ein übermäßig großer Konus reduziert die Fördergeschwindigkeit der Tonmischung, verringert die Menge des Materials, das pro Zeiteinheit in die Vakuumkammer gelangt, und begrenzt somit die Gesamtleistung der Maschine.
Im Optimierungsdesign wurde durch Anpassung der strukturellen Abmessungen der inneren und äußeren konischen Hülsen das Kompressionsverhältnis auf λ = 2,3 optimiert.
Darüber hinaus wurde aufgrund des Austauschs gegen die Axialkupplung die Drehzahl der oberen Stufe entsprechend erhöht, was die Tonförderkapazität erheblich steigerte.
Nach der Optimierung:
Die Menge der Tonmischung, die pro Zeiteinheit in die Vakuumkammer gelangt, erhöhte sich um ca. 22%.
Die Produktionskapazität des neuen zweistufigen Vakuumextruders verbesserte sich im Vergleich zum ursprünglichen Modell um etwa 25%.
IV. Strukturelle Leichtbauweise und Fertigungsoptimierung

Während des gesamten Optimierungsprozesses der Ausrüstung wurden systematische Verbesserungen an mehreren Strukturkomponenten vorgenommen, um die Fertigungseffizienz und die strukturelle Rationalität zu verbessern.

4.1 Optimierung des Struktur gewichts

Unter Gewährleistung von Festigkeit und Leistung der Ausrüstung wurde eine strukturelle Optimierung an folgenden Schlüsselkomponenten vorgenommen:

• Zuführkasten
• Vakuumkammer
• Maschinenkörperstruktur
Durch die Optimierung von Gussstrukturen und Bearbeitungsprozessen wurde das Gesamtgewicht der Ausrüstung erheblich reduziert, während die Bearbeitungseffizienz verbessert wurde.
4.2 Standardisierung des Komponentendesigns

Im ursprünglichen Ausrüstungsdesign waren einige Hilfskomponenten wie:

• Filter
• Motor-Gleitschienen
• Beleuchtungssysteme
• Inspektionsluken der Vakuumkammer
• Variierten in der Struktur über verschiedene Ausrüstungsmodelle hinweg.
Im Optimierungsdesign wurden durch die Implementierung eines standardisierten Komponentendesigns folgende Ziele erreicht:

• Verwendung einheitlicher Strukturteile für verschiedene Ausrüstungsmodelle
• Nur angemessene Dimensionsanpassungen vornehmen
• Einrichtung eines Systems interner Unternehmensstandardteile
Diese Maßnahme brachte erhebliche Produktionsvorteile:

• Reduzierung der Teilevielfalt
• Erhöhte Stapelproduktionskapazität
• Verbesserte Bearbeitungseffizienz
• Reduzierte Herstellungskomplexität
V. Auswirkungen des Optimierungsdesigns

Struktur

1. • Kompaktere Ausrüstungsstruktur
   • Rationaleres Übertragungssystem
   • Erhöhte Standardisierung von Komponenten
   Leistung

2. • Stabilerer Betrieb der Schneckenwelle
   • Deutlich verbesserte Produktionskapazität
   • Erhöhte Betriebszuverlässigkeit der Ausrüstung
   Fertigung

3. • Optimiertes Ausrüstungsgewicht
   • Verbesserte Bearbeitungs- und Fertigungseffizienz
   • Rationalere Gesamtstruktur
   Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Optimierungsdesign nicht nur das technische Niveau der Ausrüstung angehoben, sondern auch die Produktionseffizienz und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung verbessert hat, wodurch der Vakuumextruder in Ziegelfeuerlinien einen größeren Wert liefern kann.