Pesquisa sobre Otimização de Projeto e Aumento de Desempenho de Extrusoras a Vácuo
Baseado na Prática de Engenharia de Melhoria Estrutural de Extrusoras a Vácuo de Dois Estágios
Em uma linha de produção de tijolos cozidos, a extrusora a vácuo de tijolos cozidos é o equipamento de conformação central que determina a qualidade dos tijolos crus e a eficiência da produção. Com as crescentes demandas da indústria de tijolos e telhas por qualidade do produto, produção e confiabilidade do equipamento, a otimização estrutural e a atualização tecnológica das extrusoras a vácuo tornaram-se particularmente importantes.
Ao pesquisar e analisar diversos equipamentos de extrusoras a vácuo desenvolvidos nacional e internacionalmente, e combinando a experiência técnica avançada de diferentes empresas fabricantes, é realizada uma otimização sistemática do projeto de estruturas chave, garantindo o desempenho do equipamento. Ao selecionar componentes de suporte tecnologicamente maduros e economicamente razoáveis, a funcionalidade do equipamento é aprimorada, reduzindo efetivamente os custos de fabricação, alcançando assim uma melhoria abrangente tanto no desempenho quanto na economia do equipamento.
I. Otimização do Projeto de Componentes Chave
1.1 Otimização da Estrutura do Eixo da Rosca (Eixo Principal)
O eixo da rosca é o componente de transmissão central da extrusora a vácuo. Sua função principal é transmitir potência e empurrar a mistura de argila para frente, ao mesmo tempo em que suporta torque e pressão axial significativos. Portanto, o projeto estrutural do eixo da rosca afeta diretamente a estabilidade geral e a confiabilidade da máquina.
Na estrutura original da extrusora a vácuo, o diâmetro do eixo da rosca nas posições dos rolamentos era de Φ170 mm, e utilizava três rolamentos para suporte (incluindo um rolamento de escora). No entanto, durante a operação real, esta estrutura apresentou os seguintes problemas:
• Distância entre centros relativamente pequena entre os rolamentos dianteiro e traseiro
• Seção em balanço relativamente longa do eixo da rosca
• Deflexão significativa do eixo durante a operação
Esta estrutura tendia a causar trepidação perceptível da cabeça da extrusora durante a operação (comumente conhecida como fenômeno de "trepidação da cabeça"). Trepidação excessiva ou prolongada não afeta apenas a estabilidade operacional do equipamento, mas também pode levar a danos nos componentes e até mesmo a paradas de produção.
De acordo com a análise da teoria mecânica:
Assuma que a distância do centro do rolamento dianteiro do eixo da rosca até a extremidade dianteira da rosca é L₁
Assuma que a distância entre centros entre os rolamentos dianteiro e traseiro é L₂
Quando a seguinte condição é atendida:
L₂ / L₁ ≥ 0.7
o eixo da rosca pode manter boa estabilidade operacional.
Na estrutura do equipamento original:
L₂ / L₁ = 1040 / 1950 = 0.533
Isso está significativamente abaixo da faixa de projeto razoável, indicando assim uma deficiência no projeto estrutural.
1.2 Esquema de Melhoria Estrutural
Durante o processo de otimização do projeto, a estrutura de transmissão chave foi ajustada para alcançar uma configuração mais racional do eixo da rosca.
As principais medidas incluíram:
• Alteração da embreagem pneumática radial original para uma embreagem pneumática axial
• Redução das dimensões de instalação axial da embreagem
• Recuo da caixa do rolamento do eixo da rosca
Através das otimizações acima:
A distância entre centros dos rolamentos dianteiro e traseiro aumentou em aproximadamente 400 mm.
Sob a nova estrutura:
L₂ / L₁ = (1040 + 400) / 1950 = 0.74
Esta proporção agora atende aos requisitos para operação estável, tornando o eixo da rosca mais suave e confiável.
Devido ao aumento da rigidez estrutural, o diâmetro do eixo da rosca também pôde ser otimizado de acordo:
Diâmetro máximo original do eixo: Φ185 mm
Diâmetro otimizado da seção do rolamento: Φ150 mm
Diâmetro máximo do eixo: Φ160 mm
Após a otimização estrutural:
• O peso do eixo é significativamente reduzido
• A estrutura mecânica é mais racional
• A dificuldade de fabricação é diminuída
Simultaneamente, as dimensões dos rolamentos e componentes relacionados também foram reduzidas, tornando todo o sistema do eixo da rosca mais compacto.
II. Otimização do Sistema de Embreagem Pneumática
No projeto original do equipamento, uma embreagem pneumática radial foi usada como dispositivo de conexão de energia. Esta estrutura apresentava as seguintes desvantagens:
• Estrutura complexa
• Grande área ocupada
• Altos requisitos para instalação e comissionamento
• Requisitos rigorosos para precisão de alinhamento do equipamento
A embreagem pneumática radial exigia alinhamento preciso com o redutor através de um acoplamento e necessitava de estruturas de suporte adicionais, tornando a instalação e a manutenção mais complexas.
No projeto de otimização, todas as embreagens radiais foram substituídas por embreagens pneumáticas axiais, instaladas diretamente no eixo de alta velocidade do redutor.
Esta estrutura oferece as seguintes vantagens:
• Estrutura mais compacta
• Mais fácil de garantir a precisão da instalação
• Comissionamento e manutenção mais convenientes
• Peso do equipamento significativamente reduzido
• Menores requisitos para o sistema de ar comprimido
Através desta melhoria, não apenas a confiabilidade operacional do equipamento foi aprimorada, mas toda a estrutura de transmissão também se tornou mais simples.
III. Aumento da Capacidade de Produção do Equipamento
A extrusora a vácuo de dois estágios original sofria de uma produção relativamente baixa em uso prático. A análise técnica identificou as principais razões como:
• Capacidade de alimentação insuficiente do estágio superior
• Razão de compressão excessiva na cavidade cônica
• Velocidade de transporte relativamente baixa no estágio superior
Razão de compressão da cavidade cônica do equipamento original:
λ = 2.6
Este valor estava próximo do limite superior da faixa permitida de projeto.
A faixa razoável típica é:
λ = 2.0 – 2.6
Um cone excessivamente grande reduz a velocidade de transporte da mistura de argila, diminuindo a quantidade de material que entra na câmara de vácuo por unidade de tempo, limitando assim a produção geral da máquina.
No projeto de otimização, ajustando as dimensões estruturais das luvas cônicas interna e externa, a razão de compressão foi otimizada para:
λ = 2.3
Além disso, devido à substituição pela embreagem axial, a velocidade de rotação do estágio superior foi apropriadamente aumentada, aumentando significativamente a capacidade de transporte de argila.
Após a otimização:
A quantidade de mistura de argila que entra na câmara de vácuo por unidade de tempo aumentou em aproximadamente 22%.
A capacidade de produção da nova extrusora a vácuo de dois estágios melhorou em cerca de 25% em comparação com o modelo original.
IV. Aligeiramento Estrutural e Otimização de Fabricação
Durante o processo geral de otimização do equipamento, melhorias sistemáticas foram feitas em vários componentes estruturais para aumentar a eficiência de fabricação e a racionalidade estrutural.
4.1 Otimização do Peso Estrutural
Garantindo a resistência e o desempenho do equipamento, a otimização estrutural foi realizada nos seguintes componentes chave:
• Caixa de alimentação
• Câmara de vácuo
• Estrutura do corpo da máquina
Ao otimizar estruturas de fundição e processos de usinagem, o peso total do equipamento foi significativamente reduzido, enquanto a eficiência de processamento foi aprimorada.
4.2 Padronização do Projeto de Componentes
No projeto original do equipamento, alguns componentes auxiliares como:
• Filtros
• Trilhos deslizantes do motor
• Sistemas de iluminação
• Portas de inspeção da câmara de vácuo
• Variaram em estrutura entre diferentes modelos de equipamentos.
No projeto de otimização, implementando o projeto padronizado de componentes, os seguintes objetivos foram alcançados:
• Utilização de peças estruturais unificadas para diferentes modelos de equipamentos
• Realização apenas de ajustes dimensionais apropriados
• Estabelecimento de um sistema de peças padrão internas da empresa
Esta medida trouxe vantagens de produção significativas:
• Redução na variedade de peças
• Aumento da capacidade de produção em lote
• Melhora da eficiência de processamento
• Redução da complexidade de fabricação
V. Efeitos da Otimização de Projeto
-
Estrutura
• Estrutura de equipamento mais compacta
• Sistema de transmissão mais racional
• Aumento da padronização de componentes
-
Desempenho
• Operação mais estável do eixo da rosca
• Capacidade de produção significativamente melhorada
• Confiabilidade operacional do equipamento aprimorada
-
Fabricação
• Peso do equipamento otimizado
• Eficiência de processamento e fabricação aprimorada
• Estrutura geral mais racional
Em resumo, a otimização de projeto não apenas elevou o nível técnico do equipamento, mas também melhorou a eficiência de produção e a confiabilidade do equipamento, permitindo que a extrusora a vácuo entregue maior valor em linhas de produção de tijolos.
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