Investigación sobre el diseño de optimización y la mejora del rendimiento de extrusoras al vacío
Basado en la práctica de ingeniería de la mejora estructural de extrusoras al vacío de doble etapa

En una línea de producción de ladrillos cocidos, la extrusora al vacío para ladrillos de arcilla cocida es el equipo de moldeo central que determina la calidad de los ladrillos verdes y la eficiencia de la producción. Con las crecientes demandas de la industria ladrillera en cuanto a calidad del producto, producción y confiabilidad del equipo, la optimización estructural y la actualización tecnológica de las extrusoras al vacío se han vuelto particularmente importantes.
Mediante la investigación y el análisis de varios equipos de extrusoras al vacío desarrollados a nivel nacional e internacional, y combinando la experiencia técnica avanzada de diferentes empresas manufactureras, se lleva a cabo un diseño de optimización sistemática de las estructuras clave, asegurando al mismo tiempo el rendimiento del equipo. Al seleccionar componentes de soporte tecnológicamente maduros y económicamente razonables, se mejora la funcionalidad del equipo mientras se reducen efectivamente los costos de fabricación, logrando así una mejora integral tanto en el rendimiento del equipo como en la economía.

I. Diseño de optimización de componentes clave

1.1 Optimización de la estructura del eje sinfín (eje principal)
El eje sinfín es el componente de transmisión central de la extrusora al vacío. Su función principal es transmitir potencia y empujar la mezcla de arcilla hacia adelante, soportando simultáneamente un par torsor significativo y una presión axial. Por lo tanto, el diseño estructural del eje sinfín afecta directamente la estabilidad general y la confiabilidad de la máquina.
En la estructura original de la extrusora al vacío, el diámetro del eje sinfín en las posiciones de los cojinetes era de Φ170 mm, y utilizaba tres cojinetes para el soporte (incluido un cojinete de empuje). Sin embargo, durante la operación real, esta estructura presentó los siguientes problemas:
• Distancia entre centros relativamente pequeña entre los cojinetes delantero y trasero
• Sección en voladizo relativamente larga del eje sinfín
• Deflexión significativa del eje durante la operación
Esta estructura tendía a causar un agitamiento notable del cabezal de la extrusora durante la operación (comúnmente conocido como el fenómeno de "sacudida de cabeza"). Un agitamiento excesivo o prolongado no solo afecta la estabilidad operativa del equipo, sino que también puede provocar daños en los componentes e incluso paradas de producción.

Según el análisis de la teoría mecánica:
Suponga que la distancia desde el centro del cojinete delantero del eje sinfín hasta el extremo delantero del sinfín es L₁
Suponga que la distancia entre los centros de los cojinetes delantero y trasero es L₂
Cuando se cumple la siguiente condición:
L₂ / L₁ ≥ 0.7
el eje sinfín puede mantener una buena estabilidad operativa.
En la estructura del equipo original:
L₂ / L₁ = 1040 / 1950 = 0.533
Esto está significativamente por debajo del rango de diseño razonable, lo que indica una deficiencia en el diseño estructural.

1.2 Esquema de mejora estructural
Durante el proceso de diseño de optimización, se ajustó la estructura de transmisión clave para lograr una configuración más racional del eje sinfín.
Las medidas principales incluyeron:
• Cambiar el embrague neumático radial original por un embrague neumático axial
• Reducir las dimensiones de instalación axial del embrague
• Mover el alojamiento del cojinete del eje sinfín hacia atrás

A través de las optimizaciones anteriores:
La distancia entre centros de los cojinetes delantero y trasero aumentó aproximadamente 400 mm.
Bajo la nueva estructura:
L₂ / L₁ = (1040 + 400) / 1950 = 0.74
Esta relación ahora cumple con los requisitos para una operación estable, haciendo que el eje sinfín funcione de manera más suave y confiable.
Debido al aumento de la rigidez estructural, el diámetro del eje sinfín también pudo optimizarse en consecuencia:
Diámetro máximo original del eje: Φ185 mm
Diámetro optimizado de la sección del cojinete: Φ150 mm
Diámetro máximo del eje: Φ160 mm
Después de la optimización estructural:
• El peso del eje se reduce significativamente
• La estructura mecánica es más racional
• La dificultad de fabricación disminuye

Simultáneamente, las dimensiones de los cojinetes y componentes relacionados también se redujeron, haciendo que todo el sistema del eje sinfín sea más compacto.

II. Optimización del sistema de embrague neumático
En el diseño del equipo original, se utilizó un embrague neumático radial como dispositivo de conexión de potencia. Esta estructura presentaba las siguientes desventajas:
• Estructura compleja
• Gran espacio ocupado
• Altos requisitos para la instalación y puesta en marcha
• Requisitos estrictos para la precisión de alineación del equipo

El embrague neumático radial requería una alineación precisa con el reductor a través de un acoplamiento y necesitaba estructuras de soporte adicionales, lo que hacía que la instalación y el mantenimiento fueran más complejos.
En el diseño de optimización, todos los embragues radiales fueron reemplazados por embragues neumáticos axiales, instalados directamente en el eje de alta velocidad del reductor.
Esta estructura ofrece las siguientes ventajas:
• Estructura más compacta
• Mayor facilidad para asegurar la precisión de instalación
• Puesta en marcha y mantenimiento más convenientes
• Peso del equipo significativamente reducido
• Menores requisitos para el sistema de aire comprimido
A través de esta mejora, no solo se mejoró la confiabilidad operativa del equipo, sino que toda la estructura de transmisión también se volvió más simple.

III. Mejora de la capacidad de producción del equipo
La extrusora al vacío de doble etapa original sufría de una producción relativamente baja en el uso práctico. El análisis técnico identificó las razones principales como:
• Capacidad de alimentación insuficiente desde la etapa superior
• Relación de compresión excesiva en la cavidad cónica
• Velocidad de transporte relativamente baja en la etapa superior

Relación de compresión de la cavidad cónica del equipo original:
λ = 2.6
Este valor estaba cerca del límite superior del rango permitido de diseño.
El rango razonable típico es:
λ = 2.0 – 2.6
Un cono excesivamente grande reduce la velocidad de transporte de la mezcla de arcilla, disminuyendo la cantidad de material que ingresa a la cámara de vacío por unidad de tiempo, limitando así la producción total de la máquina.
En el diseño de optimización, ajustando las dimensiones estructurales de los casquillos cónicos interior y exterior, la relación de compresión se optimizó a:
λ = 2.3
Además, debido al reemplazo con el embrague axial, la velocidad de rotación de la etapa superior se incrementó apropiadamente, mejorando significativamente la capacidad de transporte de arcilla.
Después de la optimización:
La cantidad de mezcla de arcilla que ingresa a la cámara de vacío por unidad de tiempo aumentó aproximadamente un 22%.
La capacidad de producción de la nueva extrusora al vacío de doble etapa mejoró aproximadamente un 25% en comparación con el modelo original.

IV. Aligeramiento estructural y optimización de fabricación
Durante el proceso de optimización general del equipo, se realizaron mejoras sistemáticas en varios componentes estructurales para mejorar la eficiencia de fabricación y la racionalidad estructural.

4.1 Optimización del peso estructural
Asegurando la resistencia y el rendimiento del equipo, se llevó a cabo la optimización estructural en los siguientes componentes clave:
• Caja de alimentación
• Cámara de vacío
• Estructura del cuerpo de la máquina
Mediante la optimización de las estructuras de fundición y los procesos de mecanizado, el peso total del equipo se redujo significativamente, mientras que se mejoró la eficiencia del procesamiento.

4.2 Estandarización del diseño de componentes
En el diseño del equipo original, algunos componentes auxiliares como:
• Filtros
• Rieles deslizantes del motor
• Sistemas de iluminación
• Puertas de inspección de la cámara de vacío
• Variaban en estructura entre los diferentes modelos de equipo.

En el diseño de optimización, mediante la implementación del diseño estandarizado de componentes, se lograron los siguientes objetivos:
• Utilizar piezas estructurales unificadas para diferentes modelos de equipo
• Realizar solo ajustes dimensionales apropiados
• Establecer un sistema de piezas estándar internas de la empresa

Esta medida trajo ventajas de producción significativas:
• Reducción en la variedad de piezas
• Mayor capacidad de producción por lotes
• Mayor eficiencia de procesamiento
• Reducción de la complejidad de fabricación

V. Efectos del diseño de optimización
A través de la optimización estructural sistemática y las actualizaciones tecnológicas, la extrusora al vacío de doble etapa JZK50/50-15 mejorada ha logrado mejoras significativas en múltiples áreas:

1. Estructura
• Estructura del equipo más compacta
• Sistema de transmisión más racional
• Mayor estandarización de componentes
2. Rendimiento
• Operación más estable del eje sinfín
• Capacidad de producción significativamente mejorada
• Mayor confiabilidad operativa del equipo
3. Fabricación
• Peso optimizado del equipo
• Mayor eficiencia de procesamiento y fabricación
• Estructura general más racional

En resumen, el diseño de optimización no solo ha elevado el nivel técnico del equipo, sino que también ha mejorado la eficiencia de producción y la confiabilidad del equipo, permitiendo que la extrusora al vacío brinde un mayor valor en las líneas de producción de ladrillos.