毕业设计（论文）-单螺杆挤出机设计说明书

毕业设计（论文）-单螺杆挤出机设计说明书 前言 采用螺杆挤出聚合物迄今已有120多年的历史。这种方法在聚合物加工工业中已经占有十分重要的地位。据统计，全世界60,以上的产品是采用螺杆挤出法来加工的。挤出成型制品的产量雄居于其它聚合物成型制品之上。随着聚合物加工工业的飞速发展，螺杆挤出装备的技术发展和进步也受到人们更多的关注。 与其它成型方法比较，聚合物的螺杆挤出成型法具有一些突出的特点，如:生产过程连续;生产率较高;适用范围广，其不仅能用于加工几乎所有的热塑性塑料制品，而且也能用于挤出一些热固性材料。此外，螺杆挤出设备通常结构较为简单、操作容易，而且投资少，收效快。因此，螺杆挤出成型法已成为目前最广泛采用的一种聚合物成型加工方法，螺杆挤出装备也理所当然成为聚合物成型加工机械中的最重要的机 种之一。 目前，用螺杆挤出法生产的制品有:管材、板材、片材、棒材、薄膜、单丝、电缆、中空制品、异型材、各种复合制品等。此外，螺杆挤出还大量用于进行聚合物的造粒、脱水、共混、增强、反应挤出、合金化、喂料及色母料等作业。 螺杆挤出机的分类，目前最通常是按螺杆数目分为:单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。其中前两类目前应用最广泛。此外，还可按用途分为:造粒挤出机、排气脱挥 式挤出机、喂料挤出机、传递混炼挤出机，按结构特点分为:磨盘式挤出机、可视化科研挤 出机、电磁动态塑化挤出机、自热式高速挤出机、立式挤出机、阶式多级挤出机等，以上机型还可有通用机和专用机之分。 常规型单螺杆挤出机，易操作、造价低，因此在聚合物加工工业得到广泛的应用。但它存在混合、分散和均化效果差，物料温差大和难以吃粉料等不足之外。因此，通常只适用于一般性造粒和塑料制品的加工。目前，欧美等国单螺杆挤出机应用的比例是:平膜及片材10,;异型材20,;发泡材30%,40,;吹膜100%;电缆100%;单丝100%;配混(包括双级式)10,。 第1章 挤出机概述 随着机械制造技术的进步，常规型单螺杆挤出机螺杆，制品的质量有所提高。但由于常规型单螺杆挤出机存在上述许多的不足，如今正逐渐被新型单螺杆挤出机所取代。 新型单螺杆挤出机的出现，极大地改善了常规单螺杆挤出机的不足，使单螺杆挤出机的产量和质量有了较大的提高。目前，各国新型螺杆的相关专利众多，得以实用的主要有以下类型 : (1) 分离型螺杆 分离型螺杆是在普通螺丝杆的加料段末端设置一外径小于主螺纹的副螺纹，并在固体物料熔融结束处与主螺纹相交，从而有效地避免常规单螺杆在熔融段后期出现的固相破碎，使熔融速率得到提高。分离型螺杆的熔体温度、压力和流率波动小，挤出量大。不仅适用于通用的聚稀烃塑料、尼龙、聚碳酸酯和聚砜等工程塑料，而且可用于聚氯乙烯和聚甲醛等热敏性的塑料加工。分离型螺杆的BM型、Barr型熔体槽型、XLK双层型、PM 型和ICT型等，目前工业应用最多的是BM型。 (2) 屏障型螺杆 屏障型螺杆是在均化段设置屏障，以阻止未熔融固相进入均化段，并促进物料熔融。屏障元件有直槽式、斜槽式、三角槽式、深槽渐变型、斜槽双屏障式或多屏障式等多种结构。该螺杆属高剪切元件，通常仅适用于聚烯烃物料。但只要屏障头设计合理，也可用于挤出热敏性的塑料。 (3) 分流型螺杆 分流型螺杆是在常规螺杆螺槽内设置分流元件(如销钉、犁钉、凸台、分流沟槽、分流孔等)，其作用是打乱固液两相流动、增加固体和熔体间的剪切，促进 熔融和混合。主要结构型式为销钉型和DIS型。这种螺杆可适用于硬聚氯乙烯制品、发泡挤出、交联挤出、聚乙烯和尼龙等混配作业。 (4) 变流道型螺杆 该螺杆的结构特征是螺杆流道截面形状或截面面积大小是变化的。其代表是波形螺杆和HM型(其具有多边形的螺杆段)。由于物料在这种螺杆内要承受不断的压缩、捏合和混炼作用，故可强化熔融和混合。变流道型螺杆虽然制造麻烦，但塑化、混合质量好，尤适于加工难以熔融的塑料。但这种螺杆不适用于热敏塑料。 (5) 减压螺杆减压螺杆是在螺槽熔融段内设置2,3个螺距槽深较浅的区域，目的是避免熔体因过大的剪切热而导致塑料过热分解。由于熔体可在较小的剪切作用 下进行热量的扩散和均化，故可适用于热敏性塑料和需脱挥的物料挤出。此外，还有沟槽型螺杆、排气螺杆、剪切锥螺杆、强冷输送螺杆、空心螺杆和分段组合螺杆等新 型螺杆。 除了上述挤出机外，还有特殊型单螺杆挤出机: (1) 剖分式单螺杆挤出机的特点是机筒可沿轴线剖分，使得清理螺杆和机筒极为方便和省时，特别是当突遇停电或机器故障时，便于机内塑料的清除。尤 其适用于热固性塑料(如粉末涂料。酚醛塑料等)的挤出。 (2) 排气式单螺杆挤出机 位置开有排气口和抽真空系统。排气式挤出机能排除固体粒料间带入机内的空气、粒料吸附的水分、残留单体、低沸点增塑剂和低分子挥发物等。它适用于聚合物挤出造料时对需要排除熔体中的挥发物以及吸湿性大的塑料的加工，如对硬聚氯乙烯、聚碳酸酯、尼龙和聚甲醛等的挤出。 (3) 全程透明视窗单螺杆挤出机 这种机型主要用于科学研究和螺杆结构优化试验之用，其特点是机筒两边交错设置透明玻璃视窗，可以在正常挤出条件下，观察拍摄物料在机筒内的形态变化过程。 (4) 电磁动态塑化单螺杆挤出机 该设备的特点是将挤出系统(螺杆和机筒)置于电机转子内腔中。略去了常规挤出机由电机驱动、皮带轮、齿轮传动、螺杆和机筒塑化的模式 ，采用能量直接转换方式塑化物料，实现了机电磁一体化，其能量消耗、机器重量及制造成本均大幅下降。 第2章 冷喂料挤出机的理论和实践 第2.1节 喂料挤出机的分类 橡胶工业使用了多年的热喂料挤出机，用它加工的胶料必须是经过开炼机热炼塑化后的，这种挤出工艺和设备至今在我国橡胶加工厂中仍占有相当大的份额。 六十年代发展起来的冷喂料挤出机，它不需在压出之前将胶料在两辊开炼机预热，而是通过特殊结构的螺纹和加长螺杆尺寸，增加胶料在螺槽和机筒内运行时间将喂入的未经热炼的冷胶料加热塑化，这对于适合于冷喂料挤出工艺和设备的胶料来说，它明显地优于热喂料挤出机。 冷喂料挤出机的优点:省掉预热胶料的热炼机及相应的供胶装置;减少操作人员、设备占地面积、空间、维修、动力和冷却水的消耗。缺点:胶料生热大;产量比同规格的热喂料挤出机低;特定的螺杆结构只适合于加工几种特定胶料，而对于某些胶料会造成俗话不均或因生热过高引起焦烧。正因为冷喂料挤出机生产量低，适应能力差，使它无法全部取代热喂料挤出机。近十多年发展最快的是机筒销钉式冷喂料挤出机。销钉式冷喂料挤出机开始主要是用于常规冷喂料挤出机不能胜任的地方。由于它具有挤出胶温度低，产量可超过热喂料挤出机，塑化程度好，挤出质量高的特点，从这些年的发展趋势来看，有取代热喂料挤出机和冷喂料挤出机的倾向。 另外，随着工业制品常压硫化技术的发展，冷喂料排气挤出机的应用也在扩大。 为了提高挤出制品质量的稳定性，除要求挤出机螺杆设计良好外，稳定的喂料，平稳的传动，正确的温度控制也是十分重要的，这些方面都取得了进步。 2.1.1 销钉式冷喂料挤出机 销钉式冷喂料挤出机的结构是从径向向机筒插入成排的销钉，销钉端部几乎达到螺杆纹的底部，插有销钉部位的螺纹开有环形沟槽(切口)。挤出工作时，销钉将胶料连续地分割和移位，反复地将螺纹沟槽中的胶料料流分隔成一些较小的料流，胶料经分隔、移位和局部阻滞之后，小料流又汇合到一起。在各销钉周围横过流动的胶料料流，方向发生变化，与相邻未受干扰区域的胶料相比，流动速度下降，另外，通过螺纹各切口的胶料被拉长，胶料受到如此反复作用，得到良好的塑化和均匀化。 销钉式冷喂料挤出机的主要优点还表现在:销钉防止胶料在机筒表面打滑，可提 高和稳定产量，较一般冷喂料挤出机相比，产量约提高10%，对于较易加工的胶料和较难加工的胶料，产量差别很小;可降低挤出机的温度，出口处挤出胶的温度较一般 -15?。 冷喂料挤出机低10 销钉式冷喂料挤出机和热喂料挤出机、普通冷喂料挤出机的比较见表1。销钉式冷喂料挤出机取代一般热喂料挤出机和冷喂料挤出机的优越性是显而易见的。此外，它还可取代供胶开炼机，作为需要热炼胶的压延机等设备的胶料预热设备。 表2.1 各种挤出机的比较 2.1.2 冷喂料排气挤出机 目前像橡胶密封条等工业制品生产过程中采用常压硫化的技术正不断发展，为使常压硫化的胶料在硫化过程中不致产生气孔，要求彻底地排除胶料中所含的气体，以保证制品质量。为此，需选用冷喂料排气挤出机，它可将挤出胶中的气体基本排除，保证制品在常压硫化时不致产生气孔。 冷喂料排气挤出机的工作原理是在螺杆的塑化区段和挤出区段之间设有抽真空区段，经过螺杆塑化的胶料挤入到真空去段时，胶料体积突然膨胀，所含气体被释放出来，释放出来的气体被抽真空装置抽走，之后胶料挤至机头口型，挤出所需形状的半成品。 挤出机的传动技术，有齿轮变速、直流电机和其他方式等若干种。国内外常用的是由电机通过减速装置带动螺杆进行无级调速传动，国外多用直流电机变速传动，而国内则多用整流子电机变速传动。近年国外在发展液压技术的基础上，如同开炼机一样，采用液压马达传动方式来转被挤出机。 挤出机运转过程中所压出的胶料常有不均匀及波动现象，这种现象引起的原因:?电源波动;?供料不均匀;?胶料本身不均匀。采用液压马达传动方式来装备挤出机，使胶料的挤出和电源的波动不发生直接的联系，带动螺泛传动的转速，由油量的 大小来决定，因此液压传动不象电机转速一样有波动。此外，液压传动具有工作稳定、噪音低、操作安全等特点，所以适用于挤出机作业。 为提高挤出制品质量的稳定性，挤出机除要求螺杆设计良好和传动系统平稳外，稳定的喂料和正确温度控制也是十分重要的。 装有对螺杆进行强制喂料的喂料辊，可以保证胶料均匀喂入。近年国外发展了转矩喂料装置，即在加料口设置两个小辊筒分别由两个液压马达传动，由于两个小辊筒相当于一台小开炼机，使胶料加料恒定在一定位置而不波动。加料口胶料由两只转矩加料辊施以压力，并产生反压力，当进入加料口的胶料过多时，转矩加料辊就减速，当进入加料口的胶料减少时，转矩辊就增速，当进入加料口的胶料适量时，则转矩辊就恢复保持正常速度，多供给的胶片遇厚薄不匀时，转矩加料装置能自动加以控制，以达到均匀加料，提高胶料压出精度，其误差可由0.5mm到0.25mm。 挤出机的温度控制，主要是对机身、螺杆、和机头的温度进行控制，而机身通常按螺杆结构分三个区段进行控制，每个部位的控温介质用各自独立的热交换器控制，以适应不同温控部位不同温度的要求。这种温控方式准确、有效、合理。 2.1.3 挤出机的应用 挤出机主要应用于挤出胎面、轮胎半成品部件、内胎、胶管、电缆及其他需要挤出的半成品。由于挤出机的进步，其应用方法和应用范围也在不断的改进和扩大。 (1) 汽车用散热器胶管的制造 (2) 工业制品小胶条的制造 (3) 挤出连续硫化的橡胶制品 (4) 由挤出机取代压延机 第2(2节 排气挤出机简介 在用普通螺杆挤出机加工制品时，要出去原料中所含的气体和水分等，一般通过两种途径:一种是先将原料进行预热烦躁处理;另一种是靠物料在机筒中通过螺杆的挤压作用返回加料段，并从加料口逸出。采用第一种途径势必增加设备和工序，费工又费时，并使成本增加，而且对于单体和某些高沸点溶剂的脱除效果也不一定好，因为在加工前用烘箱的热空气来干燥物料，由于塑料的导热性差，使得干燥时间长达树小时，效率很低，且物料易受污染，而采用第二种途径时，由于被封闭在原料颗粒内 的挥发物、空气和水分等又往往无法在颗粒熔融前完全逸出，特别是在螺杆转速较高的情况下。 针对上述问，为了找出一个脱除这些成分的更有效的途径，更好地提高产品质量，在生产中发展了排气挤出机。 排气挤出机是在挤出成型制品过程中，能够用来排除物料中所含的水分、溶剂、剩余单体、不凝性气体及在成型温度下能挥发的低聚物的一种挤出设备。它可以省却物料的干燥工序，提高制品质量，它既具有排气性能而又有较大的长径比，因此可以提高螺杆的转速，从而提高机器的生产能力。 排气挤出机在加工塑料制品过程中，显示出许多优点，欧洲的许多有名度的挤出机制造商都在生产排气挤出机，一般可分成两大类: ? 单螺杆排气挤出机 ? 多螺杆排气挤出机(大多数指双螺杆) 本论文只讨论单螺杆排气挤出机 1(最基本的商用单螺杆排气挤出机 通常，单螺杆排气挤出机挤压部件的基本结构由两段(通常叫两阶)组成，一般每阶均有一固定的螺距和不同的槽深，物料从第一阶的进料区进入，融化、升压，最后送到第一计量段，然后半熔融体被释压(由于螺槽突然加深，有时伴随着螺距突然加宽)，这样半熔融体边进入排气段，此段一般认为是第二阶螺杆的首段;在排气段，挥发性物质以及其它的气体成分从熔融体中释放，通过开在机筒上的排气孔逸出或由真空泵抽出。 半熔融体在排气段排气后，继而又在第二压缩段、死二计量段(泵送段)升压，并保持一定的压力，(此压力由机头的阻力而决定)，最后从机头挤出成型制品。 然而，排气挤出机在生产过程中，通常有两个不易解决的问题:?产量波动;?排气口堵塞(即冒料问题)。这两个问题是矛盾的统一，为了避免产量波动，螺杆的第二计量段必须充满熔体，并保持足够的压力，这就很可能会把熔体挤回排气区，充满排气段，导致冒料;相反，威力防止排气口堵塞，保持有效的排气效率，就必须使排气段不充满熔体，即希望熔体能尽快从第二计量段通过机头挤出，这往往又会使挤出量波动，因此，设计时要兼顾二者，设法达到平衡。 2(二阶单螺杆排气挤出机的类型 尽管排气挤出机工作原理相同，但结构类型和螺杆的几何结构参数等方面往往相 差很大，这不仅取决于制造技术水平的高低，而且还取决于生产、科研需要的不同。 根据目前国内外所设计和使用的排气挤出机的情况来看，从排气口的开设情况(亦既排气段的多少)可分为二阶和多阶排气式挤出机;只有一个排气段的称为二阶排气挤出机;有两个或两个以上排气段的称为多阶排气挤出机。多阶排气挤出机比二阶排气挤出机多若干段排气程序，因此可以满足某些物料加工的特殊要求，在一般的情况下，当工艺上只需要排除物料中所含的不凝性气体和挥发物时，采用二阶排气挤出机(一次抽气)已足够有效，故目前用得较多的是二阶排气挤出机。 第3章 排气挤出机 第3(1节 排气挤出机的分类 目前国内生产的二阶单螺杆排气挤出机有直排和直接抽气式、旁路式、中空排气和尾部排气式挤出机。 (1) 和直接抽气式排气挤出机 图3.1 一般排气挤出工艺原理 所谓直排和直接抽气式排气挤出机，即是系统直接由第一计量段进入 排气段后，气体是从设在排气段的机筒上的排气口排出的挤出机。如图3.1所示，它的特点是螺杆加工较其它类型的排气螺杆方便，加工物料的种类范围较广，较容易安装加热冷却系统装置，目前广泛采用。 (2) 旁路式排气挤出机 图3.2 旁路式排气挤出机 上图所示旁路式排气挤出机的特点是在机筒上开有旁路系统，在旁路上安有调压阀，以控制流量，在其螺杆的第一计量段末有一反向螺纹，以迫使物料通过旁路进入 排气段，其优点是可方便地控制流量，达到防止冒料的目的。但这种机台的机筒形状复杂，热处理加工时容易变形，而且螺杆上的反螺纹制造亦较难，在机筒上也不易布置加热冷却装置，它不适于加工热敏性塑料，但易于安装调压装置。 (3) 中空式排气挤出机 图3.3 中空排气式挤出机结构原理图 1.中空部分 2.反螺纹 上图所示中空排气挤出机的特点是在其螺杆的第一计量段后面设有一个或几个反螺纹，在反螺纹的作用下，使向前的料流被迫从开设在螺杆中心的孔中流到第二阶螺杆，而气体却可以通过反螺纹到达排气段，并从排气段排气口排出，脱除了气体的物料经压缩和塑化后从机头挤出。该排气挤出机亦不使用于加工热敏性塑料，但其机筒的结构比旁路式的简单，而螺杆的结构却复杂不易加工，因在螺杆的中心开了孔，之螺杆的冷却长度受到限制。 (4) 尾部排气挤出机 图3.4 尾部排气式挤出机 图3.4所示尾部排气挤出机的特点是其螺杆有较短的压缩段，且排气口不开设在机筒上，而开在排气段的螺杆上，气体是从排气口经开在螺杆中心的孔中从螺杆尾部排出的，故称其为尾部排气挤出机。此机台的螺杆亦较复杂，其螺杆冷却计受到限制，但在机筒的加工及安装加热冷却装置等方面比较容易。 第3(2节 排气挤出机的结构 排气挤出机与普通挤出机的主要不同是螺杆与料筒的结构，同时排气挤出机还有一套排气系统。图3.5所示为一级排气挤出机的螺杆与料筒结构示意简图。排气挤出机的螺杆可以看成是由前后两根螺杆组成，第一根螺杆的出料端与排气段相接。排气段可以看成是第二根螺杆的加料段。这前后相联的结构决定了这两根螺杆的产量相互牵制，相互影响。假如第一根螺杆的挤出能力大于第二根螺杆的进料能力，则排气口必然会冒料，影响正常生产。假如第二根螺杆的挤出能力大于第一根螺杆，则排气挤出机挤出不稳定，影响挤出质量，因此要使排气挤出机能正常工作，这两根螺杆的挤出能力，在转速相同的条件下，必须相等。一台高质量的排气挤出机，不仅要求挤出产量高、质量好、能耗低，而且要求排气口不冒料或少冒料。 因此，排气挤出机的机筒和螺杆设计比普通用挤出机的要复杂的多。 图3.5 排气挤出机结构图 1.加料段; 2.熔融段; 3.计量段; 4.减压段 5.排气段; 6.压缩段; 7.第二计量段 排气挤出机的结构类型很多，根据料筒上排气口的数量，可以分为一级和多级，采用较多的是一级和二级;根据排气条件可以分为自然排气和抽真空排气。排气口的位置可以设在熔融段的前方，也可以设在熔融段的末端。设计者应根据材料的性能和最终所需达到的条件进行结构设计。对粉末状的原材料、原材料中所含挥发物的沸点比较低的，排气口的位置应放在熔融段的前端比较有利。对粒料，含高沸点挥发物的，排气口的位置应放在熔融段的后面。对要求挤出物中所含挥发物极限值比较高的可采用自然排气，这样不易冒料，对提高产量有利。但对含量极限值比较低的，则应采用真空排气。对原材料中含挥发物量大的应采用多级排气螺杆，对固态料用抽真空排气 效果比较明显，但对熔体的效果就小得多了。 第3(3 节 排气原理 塑料在通过排气挤出机螺杆时，要经历比普通螺杆更为复杂的历程，各段功能在直接影响整机性能的同时还会相互影响，相互促进或牵制，设计螺杆的各段时，必须应用系统工程的观点，使各段功能相互匹配，最优组合，提高整机效率。偏面提高某一段功能，不但不能提高整机功能，有时甚至会不利于其它段更好的发挥功能。如设计排气挤出机，假如把加料段的进料能力提得很高，排气段的排料能力达不到要求，结果，螺杆转速愈高，排气口处的冒料量就愈大。为此，螺杆只能在较低的转速下进行生产，产量不能有实质性的提高。设计排气挤出机的螺杆，排气段的设计是关键，物料通过此段时突然降压，有的还要受负压的影响，物料必须早此段内将所含高于极限值的所有挥发物放出，同时将排好气的物料及时向前输送。排气段的长度不宜太长，太长不仅增加了螺杆的总长，同时增加了冒料的危险。因此，设计排气挤出机螺杆，如何提高排气段的效率至关重要，也是目前研究的一个热点。 本文将对90橡胶排气挤出机在传统机型的基础上进行开发设计。从理论结合实f 践设计出一套挤出机的主机系统，并与传统主机进行比较。 90橡胶排气挤出机是一个有机整体，对它的开发设计必然要求综合材料，材料加工，实践等多方面的知识。由于本人知识结构的局限，对聚合物加工、高分子材料、高分子材料加工机械设计及流体动力学等理论和设计实践还有许多认识不足，恳请各界师长、学人和朋友批评指正。 第4章 设计排气挤出机 第4(1节 排气挤出机主要组成部分 (1) 一台挤出成型设备通常又主机、辅机及其控制系统组成。 1)主机 主机主要由以下三部分组成: ? 挤压系统 它主要由机筒、衬套和螺杆组成，是挤出机的关键部分。 ? 传动系统 其主要作用是驱动螺杆，保证螺杆工作过程中、所需的扭距和 转速。 ? 加热冷却系统 它保证塑料和挤压系统在成型加工中的温度要求。 2)辅机 挤出设备的组成根据制品的种类而定的。一般来说辅机是由机头、定性装置、冷却装置、牵引装置、切割装置等组成。 3)控制系统 挤出机的控制系统主要由电仪表和执行机构组成，其主要作用: ? 控制主、辅机的拖动系统，以满足工艺要求的转速和功率。 ? 控制主辅机的温度、压力、流量和制品的质量。 ? 实现整个挤出机的自动控制。 一般来说，主机在整个设备中是最主要的部分，而在主机部分中挤压系统是最主要的。传动系统和加热冷却系统是为了保证挤出机正常工作服务的。在辅机的各项组成部分中，机头的设计和制造往往是比较复杂的。随着情况的转变，这些矛盾可以相互转化。 (2) 挤出机的主要技术参数有:螺杆直径(指螺杆外圆直径)、螺杆的长Ds径比(即螺杆的工作部分长度与之比值)、螺杆转速范围、拖动主螺杆的功LDs/Ds 率N、机器的生产能力Q、机筒的加热功率和机筒的分段数、机器的中心高度和外形尺寸(长、宽、高)等，这些是衡量和选用挤出机的主要根据，也是设计挤出机时首 先确定的技术参数。 ? 生产能力 生产能力是设计螺杆的主要指标之一。不同规格的螺杆的指标不一样。同一种规格的螺杆由于结构和几何的差异或者由于螺杆的差异，加工同一种物料的生产能力也不同。因此，必须有一个衡量生产能力的。其中的一个标准就是生产能力Q和螺杆n的转速之比，称为比流量Q/n。 熔料在螺杆中流动时，在不考虑漏流的影响下，对单头螺纹其生产率简化为: 22,,,Dnhsincoss111,Q (4.1) 2 D其中: — 螺杆直径(厘米) s n — 螺杆转速(转/秒) 3 Q — 生产能力(厘米秒/) h — 第一计量段螺槽深度(厘米) 1 — 第一计量段螺杆的螺旋升角 ,1 oDh把=9cm，n=75r/min=1.25r/s，=1cm，=代如到以上公式可得 17,s11 22oo,，，，，，91.251sin17cos17Q,2 22，，，，，91.2510.290.96,, 2 2,138/cms ? 功率消耗 从挤出机的能量平衡来看，在挤压系统中对物料所消耗的能量应等于对物料的加热能量和对螺杆的输入功率的总合。通常以螺杆每单位生产能量的所消耗的机械功率作为衡量的标准，称为螺杆的单耗N/Q。螺杆的单耗值越大，说明螺杆的机械功率对物料进行剪切和摩擦作用而转化为热能越多，机械功率转化的热能越多，可能引起局部过热，甚至造成物料的分解，影响制品的质量:另一方面增加螺杆的传动装置的湖负载或螺杆和机筒局部冷却造成浪费。因此在保证物料塑化的前提下，螺杆的单耗应以底值为好。 ? 挤出物的质量 挤出物的质量包括外观质量、挤出物的混合质量、挤出物的挤出温度在径向上的 温度差值、温度随时间波动的轴向温差、挤出的压力波动等方面的内容。 挤出物的外观质量是指挤出物在挤出时表面是否出现不光滑、波浪形、鲨鱼皮形等。 挤出物的混合质量指挤出物的各组分的分散程度。混合质量好表明制品的各点的性能均匀性好。 挤出物的挤出温度是指保证塑化的前提下，挤出物挤出时的温度的高低。挤出物的基础温度低，制品容易定型、可以缩短对制品的冷却时间，能减轻辅机的冷却负担。 轴向温差指螺杆头部前面某一轴向位置上物料的温度随着时间而伯父动的温度差值。径向温差是指在螺杆头部前面某一垂直于物料流动方向的截面上径向各点的温度差值。这两种差值太大容易使制品尺寸不均、变形、甚至造成局部过热分解，降低制品的性能。 ? 螺杆加工制造容易，使用寿命长 螺杆的加工制造困难，影响螺杆的造价。使用寿命短，机台的经济性差。 ? 机头压力的计算 胶料在挤出机内流动的过程中，由于受到机头内腔流道的阻力和螺杆的压缩作用，使机筒内胶料的压力有加料口开始沿胶料流动的方向逐渐升高，到螺杆头部附近达到最大值，该值习惯上称为机头压力。机头压力的大小与螺杆的几何参数、螺杆转速、机筒内表面与螺棱顶部的间隙、胶料的性质、机头结构以及口型截面等有关。对普通螺杆而言,胶料压力在螺杆头端 形成最大值.对于带有屏障头的螺杆,从喂料口到螺杆头端会形成两个压力峰值,其最大的仍在螺杆的头部附近。 在正常操作的条件下，当螺杆挤出机达到操作温度后，挤出压力可以达到3-10MPa，如果操作条件不合理，胶料没有达到预热的温度，或者口型截面较小时，挤出压力可以达到13MPa。通常压型挤出机的挤出压力是10MPa左右，滤胶机为15MPa左右。 因为本设计中为冷喂料滤胶机，机头压力主要用于螺杆、机筒及其它一些零件的校核时使用，为了安全起见，将机头压力假定为50MPa。 ? 驱动功率影响到机器能否正常生产，它直接决定成本的高低。它与所加工物料的品种、螺杆的长径比、转速、挤出工螺杆的几何形状等多种因素有关，目前排气螺杆的驱动功率一般还是靠实验、类比和经验公式来确定，当然，在条件具备的情况 下亦可用理论公式来进行计算。 排气挤出机的驱动功率应为一、二阶螺杆所消耗的驱动功率之和，即 NNN,， (4.2) III 式中 N — 排气挤出机所消耗的驱动功率(千瓦) N — 排气螺杆第一阶所消耗的驱动功率(千瓦) I N — 排气螺杆第二阶所消耗的驱动功率(千瓦) II NN在计算、时，可参考普通螺杆的驱动功率的计算方法进行。但这时还必须注意III 到他们之间还存在一些异同点。如第一计量段末的压力是否为零，物料在到达第二阶时是否处于基本熔融塑化的状态等情况来考虑。 下表列出了部分排气挤出机的驱动功率，供设计时参考。 表4.1 部分排气挤出机的驱动功率 螺杆直径 长径比 转速范围 生产率 驱动功率 加热功率及分段数 D(毫米) (转/分) (公斤/时) (千瓦) 加热功率 分段数 s 45 25 50 4.4-14.5 7.5 60 30 120 16-24.9 90 30 12-120 250 74 30 6 90 35 200 70-180 30-55 41 5 150 27 21.6-65 60-200 75 71.5 6 ? 轴向力的计算 螺杆的轴向力是挤出机设计的一个重要参数，它是由作用在螺杆上的两个不同部分的力组成的:螺杆头端胶料对螺杆的反压力(胶料的静压力)作用在螺杆端面上引起的，即由挤出压力引起的轴向力，称为静压轴向力;在螺杆旋转推动胶料运动时，胶料对螺杆表面摩擦阻力的轴向分力而引起的，称为动压轴向力。 ppp=+ (4.3) 12 p式中: — 轴向力，N; p — 静压轴向力，N; 1 p — 动压轴向力，N。 2 静压轴向力可以按挤出压力与螺杆的横截面积来计算，即: 2pDPP= (4.4) 14 PMP式中: — 螺杆头端胶料的挤出压力， a D — 螺杆外径，m.。 动压轴向力主要取决于胶料的性质及其运动状态。动压轴向力要精确计算是困难的，以下的是半经验公式: 骣L2'2?çppDLiDSe=-+pp' (4.5) ()?ç2?ç桫S 'pp式中: — 胶料移动时的摩擦阻力，; a L — 螺杆螺纹部分长度，; m i — 螺杆螺纹头数; — 螺纹的导程，; mS — 螺峰的轴向宽度，。 me' 'p经国内测定:对排气挤出机推荐采用: 在上式中，摩擦阻力 'pMP=0.4~0.5 (4.6) a pp实验证明:仅为的1/8~1/4，即: 21 pp=(0.125~0.25) 21 本设计中轴向力的确定: 22ppD?0.09ppMP=+=+(10.15)(10.15)500.37创= a44 ? 螺杆转速的确定: 挤出机螺杆转速是挤出机的重要参数，直接影响挤出机的生产率、功率、压出半成品的质量，机器的结构等。下面是一些影响转速的因素。 生产率与转速的关系 从生产率Q的计算公式中可知，随着转速n的增加， 生产率Q也上升。但转速过高，生产率提高不多，而且胶料容易焦烧。 功率与转速的关系 随着转速的增加，功率也随着增加，但功率随转速增加的速率是逐渐下降的。 机头压力与转速的关系 随着转速n的增加，机头压力P略有增加。较大的机 头压力可以提高半成品的致密度。但n增加时，P的增加不大，所以转速对提高致密度的效果并不显著。 当n升高后，速度梯转速n与胶料在机筒内剪切、捏炼、塑化、升温的关系 度增加，则胶料的撕裂、剪切、捏炼的效果好，塑化亦好。但n过高，发热量过大，当冷却不好时，容易发生早期硫化。因此n的高低既影响半成品的质量，又影响挤出机的正常运转。如果能够改善挤出机机筒和螺杆的散热条件，就可以提高螺杆转速n。 螺杆的临界转速 在无旁压辊的颗粒加料挤出机中，当转速过高时，会使进料 n困难，甚至加不进料。加不进料胶料时的螺杆转速称为螺杆的临界转速，它可以根临据胶料被螺杆转动所产生的离心力与其重力相等的条件来确定。 424n= (4.7) 临D D式中: — 螺杆直径，厘米。 转速n与传动系统的关系 螺杆转速越低，传动系统的减速比就越大，使传动系统结构复杂。 最佳条件下的螺杆转速 最佳条件下的螺杆转速n可以通过下式计算: 1nc= (4.8) D 式中: n — 螺杆的最佳转速，; r/min D — 螺杆直径，mm; c — 系数，排气挤出机，胶料流动性差时，c值应相应减少。 c=820 排气挤出机螺杆转速与螺杆长径比有一定的关系，螺杆长径比大，转速允许范围大，以保证胶料在挤出机内停留足够的时间。 11转速ncr==?82086/min D90 参考国内外同类的挤出机的螺杆转速，确定螺杆的最佳转速，即正常工作时的螺杆转速为，有效工作的螺杆转速范围是。 75/minr0~75/minr 第4(2节 设计排气螺杆 挤出机螺杆的基本参数 :指螺杆的外经，它是挤出机规格大小的标志; (1) 螺杆的直径DsDs (2) 螺杆的长度L和长径比:螺杆的长度L是指螺杆的有效工作长度，LDs/ 即自螺杆加料段螺纹部分至均化段长度的末端的长度。 (3) 螺杆的螺槽深度H和压缩比I:螺杆的螺槽深度是指螺纹的外半径与其根部半径之差。 螺杆的压缩段比(又称为几何压缩比)I是指螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽的容积之比。 (4)螺杆的螺纹升程(又称为导程)、螺纹升角、螺纹头数和螺距 排气螺杆的设计的基本参数有:螺杆直径、长径比、螺杆的特征深度、压缩比、排气段的螺槽深度及排气段的长度、螺杆的转速及螺杆各段长度的分配等。 在设计并确定排气螺杆的这些基本工作特性参数的时候，应当根据理论计算、生产实践和科学实验的有关资料的累积。同时还应考虑到所加工的原料的工艺条件、排气过程的特殊要求及所配的机头口模结构类型等因素。 (1) 长径比 D整条排气螺杆的有效工作长度L与螺杆的直径的比值即为排气螺杆的长径比s D(L/)。 s 在普通挤出机上，由于物料是经过塑化和均化后即进行挤出成型，而排气挤出机的物料是在经过第一阶螺杆的基本塑化后，还要在排气段进行排气，而排气后的物料再经第二阶螺杆挤出。因此，它的长径比都比普通螺杆的大。 在确定螺杆的长径比时，应注意到，如选得太小，则物料在第一阶中有可能达不到基本塑化的程度，这将影响到排气效果。而长径比过大，又容易使螺杆弯曲变形，且使制造带来困难。因此，在设计时应根据具体要求而定。目前国内部分排气挤出机的长径比如下表所示。 表4.2 目前国内部分排气挤出机的长径比 螺杆直径 (毫米) 45 65 90 90 150 150 D长径比(L/) 25 26 25 30 27 30(7 s (2) 排气螺杆的螺槽特征深度 hhD排气螺杆第一计量段的螺槽深度称为它的特征深度，一般用=K来表示。11s D式中是螺杆直径(厘米)，K是系数。 s Q第一计量段的螺槽深度影响着生产能力，因此在螺杆直径等已确定的情况下，1 Q的要求，来确定第一计量段的螺槽深度h的大小。 可根据生产能力11 对于系数K来说，根据现有排气挤出机进行统计，在直径相同的情况下，长径比较大的则对应着较大的K值。 hD根据资料介绍，0.03-0.05左右，对一般排气挤出机来说，可取K0.033。 ,,1s (3) 排气螺杆的压缩比 排气式螺杆在第一、第二阶均有压缩段和压缩比。而且这两段的压缩比是有所不同的。因为物料在这两个压缩段中的状态有所不同。在第一压缩段中，物料还未被塑化，而在第二压缩段时，物料已经基本塑化并已经通过脱气。因此在选取和计算这两段的压缩比时，应根据它的所处的状态和所对应的物料密度来考虑。 (4) 排气段各参数的确定 衡量排气挤出机的优劣的质量指标之一是排气效果的好坏。排气纯粹是一个物理过程。当气体从熔融物料中排出时，必须克服熔体表面的张力和气体从熔体向表面扩散的阻力。 影响排气段排气效果的因素很多。根据实验表明，排气段的流量、物料在排气段的充满程度、排气段的长度、物料在排气段的停留时间以及物料在排气段所承受的剪切应变等，都直接关系到排气段的排气效果。 排气段中的物料流量大，则排气效率低;物料在排气段停留的时间长，则排气率高;物料在排气段充满程度大，则排气效率低;物料在排气段所承受的剪切变形大，则排气效率高;排气段较长时排气效率亦高。 (5)排气螺杆各段长度的分配 ? 第一阶螺杆的长度 排气螺杆在第一阶的长度应保证物料在进入排气段前已基本塑化。在一般情况下，其长度约为螺杆全长的53-58%，最长亦不超过全长的2/3。对于长径比较大的排气螺杆，这一百分比可取较小的值。 ? 第一加料段的长度 第一加料段长度可取第一阶螺杆长度的60-65%。 ? 第一、二压缩段长度 D因物料在第二压缩段中已熔融，故第二压缩段长度一般不大于2。 s ? 第一、二计量段长度 第一计量段长度可取为第一阶螺杆全长的25-30%。根据资料介绍，第一计量段 D。 长度不少于3s 在可能的情况下，为保证挤出过程的稳定，适当的增加第二计量段的长度是可行的。一般认为，它可取整体排气螺杆长度的15-25%。对于长径比较大的螺杆，这一百分比还可取得大些。第二计量段与第一计量段的长度比可为1.8-0.8。 ? 减压段长度 D减压段长度一般不大于1。 s 表4.3 国内外部分排气挤出机螺杆的参数 DDLLLLLLLLhhhh L/ ss1234567801v2 30 18 5.55 2 5.8 3 0.83 4.5 2 4.5 2.5 45 25 5 4 3 1 5 1 5 6 2 3 2 60 18 5.85 3 5.1 3.6 0.6 8 3 11 4.5 110 20 1.6 8.8 4.5 1.74 1.87 0.8 18 9 18 9 115 26 9 1 4 1 6 1 4 18 4 20.5 6.5 150 24 4.5 4.2 5 0.2 5 0.2 5.5 16 3 19.6 8.25 150 27 12 2.2 1 2.4 6.5 3.6 15 4 20 4.5 60 30 9 3 4 1 4 2 7 9 3 10.8 5.9 90 24 9 2 3 1 4 1 4 11 3 9.5 5.46 90 24 7 2 5 1 4 1 4 11 3 13.1 5.87 60 24 9 0.5 3.5 0.5 5 0.5 5 7 2 9.5 4.7 60 46 6.5 3.5 4 1 5 2 4 8 3 12.7 5.8 115 24 2.5 6 5.5 1 2 2 5 12 3 15.2 6.82 第4.3节 机筒的设计 螺杆和机筒共同组成了挤出机的挤压系统。完成对物料的固体输送、熔融和定压定量输送。机筒的结构形式关系到热量的稳定性和均匀性，并且对于一些新型的挤压系统来说，机筒在加料段上的机构形式也影响到固体输送效率。机筒的机械加工使用寿命也影响到整个挤压系统的工作性能。因此，机筒在挤压系统中是仅次于螺杆的重要零部件。 普通挤出机机筒的结构形式常见的有三种，分别为:整体式机筒、分段式机筒和双金属机筒。 1) 整体式机筒 ( 图4.1所示为整体式机筒的结构形式之一。其特点是长度大、加工要求比较高;在加工精度和装配精度上容易得到保证(特别式螺杆和机筒的同心度要求)，也可简化装配工作;在机筒上设置外加热器不易受到限制，机筒受热均匀。一般专业制造厂用的比较多。但是机筒的加工设备要求较高，技术加工要求也较高;机筒内表面磨损不易修复。 图4.1 整体式机筒 (2) 分段式机筒 分段式机筒如图4.2所示，是将机筒分成几段加工，然后各段用法兰或其它形式联结起来。 图4.2分段式机筒 这种机筒形式的机械加工比整体式简单，便于改变长径比。多用于需要改变长径比或实验室用的挤出机以及排气时挤出机的机筒，使机筒结构更加合理。 这种机筒的主要缺点是分段太多时难以保证各段的对中;法兰联结处影响了机筒的加热均匀性。 (3) 金属机筒 双金属机筒主要结构形式有两种:一种衬套式机筒;另一种实在机筒上浇铸一层 合金箔层，简称为浇铸式机筒。 ? 衬套式机筒 衬套是机筒一般是在大中型挤出机的机筒内装配上可以更换的合金钢衬套。衬套可制作成整体式或分段式的形式。分段式衬套制作方便一些。机筒是用一般的碳素钢或铸钢材料。 这种机筒结构可节省贵重金属;衬套磨损后可更换，提高了机筒的使用寿命。但是衬套式机筒的设计、制造和装配等比非衬套式机筒复杂，设计时需注意的问题: 衬套于机筒的配合间隙要适合。过松的配合间隙，挤出机在工作式会出现衬套相对于机筒的移动或转动，同时也不利于传热。过紧的间隙配合除了使装拆衬套的工作带来困难外，还会产生过大的装配应力。因此，要选择适当的配合间隙。为防止产生衬套与机筒相对运动，在衬套与机筒之间常常装有止动键获止动销(见图4.3)。 由于衬套和机筒的材料不同，受热后膨胀不一致，因而在结构上应使衬套在机筒内有伸缩的余地。各段衬套之间的接合处要有一定的接触应力，使受热后不留下接触间隙，以防止塑料落入间隙而发生热分解。 图4.3衬套式机筒 ? 浇铸式机筒 浇铸使机筒是在机筒内壁上离心浇铸一层大约2毫米厚的合金属。然后研磨到所需要的机筒内径尺寸(一般研磨量很小)。这种机筒的特点是合金层与机筒的基体结合的很好，且沿机筒轴向长度上的结合较均匀，既没有剥落的倾向，也不会开裂，还有机好的滑动性能。由于这种合金层的耐磨性高，使用寿命较长。 参照以上所述的机筒形式，虽然整体式机筒的加工技术要求高，但考虑到其普遍性以及在装配时的简单性，因此选用了整体式的机筒。 第4.4节 机筒和螺杆的材料选择以及对中性的确定 螺杆和机筒在挤出机挤出时受到高温、高压的作用。同时受到机械刮磨。有的塑料还有化学腐蚀作用，且螺杆受到的扭矩也较大。螺杆和机筒的工作温度有时达400? ,50MPa的压力，甚至压力高达70,80MPa。螺杆和机筒在这些条件下工高温和30 作，要求其机械性能能满足要求。且螺杆的螺棱的顶面和机筒的内表面受到刮磨，不断加大了螺杆与积筒之间的间隙，影响了螺杆的工作性能。有些腐蚀性较强的塑料，在加工时对螺杆和机筒有很大的腐蚀作用。加工含有填料的塑料，造成螺杆和机筒的磨损更加严重。因此对材料的性能应该满足如下要求: (1) 机械强度高 在选择材料时时，要求有足够的机械强度，以保证设计和使用上的要求。 (2) 工性能好 选择的钢材要有好的切削加工性能和热处理性能。在一般情况下，切削加工之后还要进行热处理，如氮化或淬火等，所以钢材要易于适应这方面的要求。 (3) 耐腐蚀性和抗磨性能好 一般未经处理的钢材，其耐磨性能不是很高，往往影响其使用寿命。加工含腐蚀性物质时，要求选取的钢材或经过出理后具有较好的耐腐蚀性。 (4) 取材容易，成本低。 我国目前常用的一些材料及其主要性能见表4.4所示。 表4.4 我国螺杆和机筒常用材料 材 料 类 45钢 40Cr钢镀铬 38CrMoAlA氮化 性 别 能 屈服极限(MPa) 360 800 ，85 硬度最高用温度(?) 500 500 热处理硬度(HRC) 基体?45镀铬层,55 ，65 耐HCl腐蚀性 不好 较好 中等 热处理工艺 简单 较复杂 复杂 ,6线膨胀系数(/?) 12.1 基体13.8铬层8.2,9.2 14.8 10 相当价格 1 1.5 2.5 对于一些要求不高的螺杆和机筒采用45钢，虽然成本低取材容易，但其耐磨性和耐腐蚀性差。 40Cr钢经过渡铬(一般镀其深度为0.05~0.1mm)后的抗磨性和抗腐蚀性能大大提高。但对铬层的厚度要求太高，厚度过薄时，质地疏松;过厚时容易剥落，从而加速其磨损。 参照国内主要机筒和螺杆的生产产家，选其材料38CrMOAlA的氮化钢，其综合性能良好。煅后正火处理，粗加工后调质处理。 螺杆与机筒的对中性 从设计要求上，螺杆与机筒的中心线必须重合，但是由于制造和装配的原因，实际上却无法达到此要求。由于螺杆和机筒之间间隙的存在，因此一般不同心度所造成的影响较小，而不垂直度造成的影响较大。这是由于螺杆和机筒较长，微小的不垂直度反映到螺杆头部都会出现较大的偏差。 为了提高螺杆和机筒的对中性，采取下列措施:提高螺杆和机筒的加工和装配精度，减小积累误差:尽量减少组成零件的数目;采用有效的定位基准和合理的连接方式。在设计时参考《塑料机械设计图集》，通过在机筒两端的结构改进来保证螺杆与机筒的对中性。 第4(5节 传动系统的设计 传动系统是挤出机的主要组成部分之一。其作用是驱动螺杆，并使螺杆在选定的工艺条件下(如压力、速度和温度等)获得所需的扭矩并能均匀的旋转，完成对塑料的塑化和连续地输送、挤出成型。 (1) 挤出机功率的确定 整个挤出机的螺杆转动所需要的能量靠电动机来驱动。查阅《塑料机械设计》，国产f90挤出机的电机选择的功率为45KW。 (2) 挤出机对螺杆转速的要求 螺杆转速一般在一定范围内要求到达无级调速，以满足挤出机的产量和质量的要求，以及使主辅机能更好的配合。在生产实践中，挤出机所加工的原材料、制品以及 对生产能力的要求往往是变化的，要达到对产品的质量和产量的很好控制，除了通过对压力和温度的调节外，其中一个最主要的方法就是改变螺杆的转速。在通常的条件下要求螺杆转速能够在一定的范围了随意加以改变和调节。 挤出机的螺杆的调速范围的确定很重要。调速范围是指最低转速与最高转速之间的比值范围。转速范围影响到挤出机所能加工的物料与制品的范围、生产率、功率消耗、制品质量、设备成本和操作方便与否等。参考目前国内挤出机的调速范围以及最 nr,75/min。 高转速值，选取的max 目前可以实现无级调速的方法通常有下几种: ? 步整流子电机实现无级调速 采用此种电机，其工作特性曲线与挤出机工作特性工作曲线很相近。因此，采用它作原动机时，可保证有较高的功率与效率。且这种电机起动性能好，运转稳定，当转速固定后受负载变化的影响较少。此种电机比直流电机相比有成本低，占地小的优点，但与一般异步电机比较又显得成本高，体积较大，故障较多。 ? 直流电机实现无级速速 其特点有调速范围广，启动平稳的优点。可通过改变电枢电压和改变激磁电压两种方式调速，以得到不同的效果。使用直流电机时常需配用直流供电装置，使用可控硅整流器(其特点为体积小，重量轻，效率高)为挤出机上应用直流电机提供了非常有利的条件。 ? 滑差电机实现无级调速。 其特性是:在规定的转速范围内均匀地连续地进行调速，并能输出额定的扭矩。此种电机调节器速平滑，起动转矩大，结构简单可靠，且控制装置所消耗的功率小。但因其在低速时效率较低，且惯性大，在挤出机上使用还不多。 ? 机械无级变速器与异步电机配用进行无级调速 采用机械式无级调速、液压马达等实现无级调速。 以上几种方法各有特点，在选用时，既考虑挤出机的恒转矩特性和调速范围，又考虑到它们所传递的功率大小及效率，制造维修，控制系统的配置，伟动的可靠性和成本问题。因此选择Y225M-4型三相异步电动机。 第4(6节 带轮设计 通过电机的额定转速与螺杆的最高转速可知总的传动比:i=1:20，根据所选择的 ii减速箱型号的传动比=1:14,则带轮的传动比为=1:1.42。 12 PKPKW,,，,1.14044K1) 确定计算功率: (为工况系数) (caAA(2) 选择带型:根据计算功率和小带轮的转速，选择SPB型窄V带 dmm,180(3) 初选小带轮直径，则大带轮直径 d1 didmm,,,,，，,(1)(10.02)1.42180250.5, dd21 d,250mm 原整取d2 d250'd2,,,则实际传动比为 i1.4172,,,，(1)(10.02)180dd1 1.4171.42, i,,,,0.0020.2%1.42 (4)确定V带的基准长度和传动的中心距: 初选中心距a 0 0.55()2()ddadd，,,，dddd12012 0.55(180250)2(180250)，，,,，，a 0 236860,,a 0 a区=600mm 0 带长计算值: 2()dd,,dd12Ladd,，，，2()0012dd24a0 2(180250),, ,，，，，2600(180250)24600， 1878mm L, 原整后取2000mm d LL,20001878,d0 aamm,，,，,600661022 (5) 验算主动轮的包角: dd,oooo21dd ,18057.3176.3120,,，,,a 包角适合。 p,0.95k,0.98p,8.5k,0.9(6) 选取窄V带SPB型，查表得到，，， 00,L p44c根数Z ,,,Z5.27，，，，()(8.50.95)0.980.9ppkk00,L 故选取6根V带 第5章 计算与校核 第5(1节 螺杆的校核 按照螺杆的连结形式似呈悬臂梁，但由于螺杆与减速箱中的传动轴固定方式不同，一般可分为紧固式和浮动式两种。螺杆的受力状态如图5.1所示。在螺杆的全长 PM上主要受物料的压力，克服物料的阻力所需的扭矩和螺杆自重G的作用。由图zT 5.1可见，沿螺杆径向所受的压力大小相等，方向相反，因而相互抵消。故计算时对 P的影响只考虑轴向压力对螺杆的作用(即螺杆所受的轴向力)，螺杆的纵向弯曲问z 题可以忽略。因此，对螺杆的强度计算，可归结为压、扭、弯共同作用下的复合计算，可进一步归结为上述复合应力下螺杆根径断面的强度计算。 图5.1 螺杆受力分析 P(1) 轴向力产生的压缩应力 ,z 2D (5.1) ,,1.2Pcmax22,dds0d式中: — 螺杆最小断面的根径(毫米) s d — 螺杆冷却水空直径(毫米) 0 2注:(机头最高压力压力取) 500/公斤力厘米 26.6,,，，1.2500c22则， ,6.62.5 2kgcm,700/ M(2) 由扭矩产生的剪应力 ,T P,MAX,496000 (5.2) ,34(1),ndCmaxs P式中: — 挤出机电机最大传动功率(KW) MAX n — 螺杆最大转速(r/min) max , — 挤出机传动效率 d0C, ds , 注:(=0。923)，参考《机械设计》 450.923，,,，4960002.5，，34756.61()，，,则， ,,6.6，， 2,975/kgcm ,(3) 螺杆自重G产生的弯应力 b (5.3) 式中 L—螺杆的有效长度(cm) G—螺杆自重(kg) 2,3kgkg/—螺杆材料比重()，钢材取= rr7.8510， (4) 螺杆的合成应力 , 根据材料力学可知，对塑性材料合成应力用第三强度理论计算，其强度条件为: 2,,,,，4总 22,，，，,()70031049751012/kgcm (5.4) 85002,,,2830/kgcm,,,3 ,y2kgcm/注:(38CrMoAlA的屈服极限为8500，安全系数为3，) ,,,,ny所以 ，螺杆强度许可。 ,,,,,总 第5(2节 机筒校核 挤出机工作时，机筒内部受熔料的压力作用，而物料在即筒内产生的压力沿机筒轴向的分布式相当复杂的，各处压力不等，一般都取机头处的最大压力作为计算压力。 图5.2 机筒受力分析与内应力分布 a—受力分析 b—内应力分布 由于机筒外径与内径指比k>1.1, 因此可用厚壁圆筒强度理论进行计算。 根据后壁圆筒理论，即筒内壁受物料的压力P作用时，即筒壁上每一点处三向应 ,,,力状态(如图5.2)，即径向应力，切向应力和轴向应力。所以根据材料力学rtz ()rr,及机筒几何尺寸可知，在内壁，径向及切向应力都达到最大值，即: b 22PRR12 (5.5) ,,,(1)t222,RRr21 22PRR()，max21,,tmax22RR,21 22500(8.56.5)，， (5.6) ,228.56.5, 2,1908/kgcm 2PRmax1,,tmax22,RR21 25006.5， (5.7) ,228.56.5, 2337.5/,kgcm RR式中、分别为机筒内径与外径(毫米)。 12 按第四强度理论—最大变形能量理论计算，其强度条件为: 1222，，,,,,,,,,,，,，,()()()rttzzr，，2 1222，， (5.8) ,,,，,，,(5001908)(1908337.5)(337.5500)，，2 22kgcmkgcm,,,2117/2830/,,, 所以机筒强度足够。 第5(3 节 花键校核 花键的主要失效形式是工作面被压溃(静联接)或工作面过度磨损(动联接)。 因此，静联接按工作面的挤压应力进行强度计算，动联接按照工作面上的压力进行条 件性的强度计算。 3210T，动联接花键强度条件: (5.9) pp,,,,,zhLdm ,式中:——载荷分配系数。与齿数有关，一般取0.7~0.8; ——花键的齿数; z L——工作长度mm; ——花键齿侧面的工作高度; h d——花键的平均直径 m P45电机 (5.10) TNm,,，,95509550290n1480电机 K,1.7查表，则计算转距为: A TKTNm,,，,1.7290493 (5.11) caA 3249310，，则， pp,,,9.65 ,,0.8837076，，，， 第5.4节 平键连接的校核 对于采用常见的采用常见的材料组合形式和按标准选取尺寸的普通平键联结(静联结)，其主要失效形式是工作面被压溃(除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向平键和滑键联结(动联接)，其主要的失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核。 假设载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为 3210T，，，,,,, (5.12) pp，，kld T式中 — 传递的扭矩， Nm ，，, — 轴、键、轮毂三者中最弱材料的许用应力，MPa p，， — 轴的直径,mm d ,——键与轮毂的接触高度，k=0.5h,此处h为键的高度，mm ,——键的工作长度，单位mm;圆头平键，平头平键，这里L为lLb,,lL, 公称长度，单位mm，b为键的宽度，mm 表5.1 不同材料许用应力 许用应力 连接工作方键或毂的材载荷性质 式 料 静载荷 轻微冲击 冲击 许用挤压应静连接 钢 125~150 100~120 60~90 ,力[] 铸铁 70~80 50~60 30~45 p 许用压强[p] 动连接 钢 50 40 30 电机与带传动的小带轮联接平键的校核 所选平键型号为18134,GB 1095-79,即可知,h=11mm,l=L-b=134-18=116mm,，bmm,18 已知电机最大扭矩为2200，输出轴直径d=60mm Nm 332102220010T，，，,,则 ,,,,,115125MPa ,,pkld5.511660，， 带传动的大带轮与减速器高速轴联接平键的校核 据减速箱型号对应的数据可知该低速轴的直径d=90mm, 即可知 ,h=11mm,l=L-b=134-18=116mm， bmm,18 45 (5.13) TNm,，,9550286.51500 332102286.510T，，，,,,,,,,15125MPa ,,pkld5.511660，， 第5.5节 螺钉校核 在本设计结构中，从减速箱低速轴通过平键传递到螺杆的扭矩T，T逐步地通过胶料阻碍螺杆的旋转，由胶料与套筒的摩擦，然后从机筒传递回到减速箱，构成封闭 '的力系(忽略通过支架所传走的扭矩T，这样假设力全部回到减速器，校核计算出的结果会更安全些。)因扭矩是沿螺杆方向逐渐传回减速箱的，所以受力最大的是减速箱与加料座联接的螺栓，其次的是塑化段机筒与加料座法兰联接的螺栓，所受的扭矩都假设为减速器低速轴传递出来的扭矩，即螺杆所受最大扭矩T=21000. Nm s355s四十五号钢的 (5.14) ts====MPa88.75pppn4 21000 (5.15) RTndN===/'7000()l?120.25 R7000 (5.16) t===9.9MPa22ppd?20m44 R7000 (5.17) s===5.83MPapdd3040? ttss<<,所以强度合格 因为pppp, 结论 经过三个月的毕业设计，现在顺利完成了毕业设计的全部内容。通过此次毕业设计的训练深刻体会到工程技术人员的艰辛，同时领会到将理论知识运用到实践中，是大学四年来知识的全面升华。 通过前期的查阅，了解挤出机相关的知识，最终筛选出与单螺杆相关的挤出机文献资料。之后在参考相关文献和老师的指导下，完成了初步的初步设计。在确定方案后的设计过程中，尽可能将所设计的结构和参数最优化。随着一次次的改图和方案的更改，我对排气挤出机有了越加深刻的认识，最后完成的排气挤出机的设计可以实现预定的目的。在这次设计过程中，我认为螺杆的设计是重中之重，排气挤出机只所以与其他挤出机不同，关键就是螺杆的区别，通过对排气螺杆的进一步改进，排气挤出机在技术方面还会有更大的发展，而且对排气螺杆的改进还可以使整台机器的污染量下降，对提高环境质量有很大的提高，因此发展技术型环保型的新型排气挤出螺杆是整个排气挤出机行业发展的总趋势。 毕业设计在最大程度上综合了大学所学的知识。基础课是为专业知识的铺垫，为整个的理论计算提供了依据，是整个设计的基础。我认为毕业设计是将基础知识应用到专业知识，将专业知识应用到具体工程实践的过程。 参考文献 [1] 朱复华.挤出理论机应用.轻工业出版社.2001. [2] 洪宗沃.熔体泵—单螺杆排气挤出系统研究[D].北京:北京化工大学，2003. [3] 朱复华.螺杆设计机应用.轻工业出版社，1984. [4] 朱复华.单螺杆挤出机的混合及应用[J].塑料机械，2001，30(2)，28-32. [5] 林成荣.排气挤出机:中国，90209871.3[P].1990-07-04. [6] 戴晖平.单螺杆排气挤出机的排气理论及其结构设计[J].浙江化工，22(4)，41-43. [7] 徐凌秀、张忠臣、徐华秀.单螺杆排气式挤出机:中国，94241227.3[P].1994-08-23. [8] 金春霞、康正生.国外单螺杆排气挤出机的研究现状分析.塑料，1995，24(2)， 32-37. [9] 康震生.塑料单螺杆排气挤出机冒料问题探讨[J].北京化工学院学报，1991，18 (1):58-83. [10] 郭彦荣.排气挤出机排气口溢料故障的排出[J].塑料工业，1990，1(1)，55-56. [11] 薛木庆.单螺杆排气挤出节的结构:中国，200520061903.7[P].2005-07-28. [12] Chris Rauwendaal.How To Improve Mixing In Single Extruder.Plastic World.1990,48(12):45-47. [13] Degassing of molten polymers. I.Gestring, D.Mewes. Institute for Process Engineering, University of Hannover, Callinstr. 36, 30167 Hannover, Germany. Received 6 August 2001; received in revised form 5 November 2001; accepted 5 November 2001 [14] Design of a new type of pin mixing section for a screw extruder based on analysis of flow and distributive mixing performance. W. G.. Yao, K. Takahashi, K. Koyama and G. C. Dai. Department of Materials Science and Engineering, Yamagata University , Yonezawa 992, Japan; Department of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237, China [15] Theoretical modelling of torque requirements for single screw feeders. Y. Yu, P.C. Arnold . Centre for Bulk Solids and Particulate Technologies, Department of Mechanical Engineering , University of Wollongong, Wollongong, NSW 2522, Australia Received 13 December 1996; revised 20 March 1997; accepted 21 April 1997 [16] Effect of Different Extrusion Temperatures and Moisture Content on Lipoxygenase Inactivation and Protein Solubility in Soybeans. Shangwu Zhu, Mian N. Riaz, and Edmund W. Lusas. Hangzhou Institute of Commerce, Hangzhou, Zhejiang Province, People’s Republic of China 310035, and Food Protein Research and Development Center, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-2476 [17] Mixing effects of constituting elements of mixing screws in single and twin screw extruders. D.J. van Zuilichem, E. Kuiper, W. Stolp, T. Jager. Department of Food Technology and Nutritional Sciences, Wageningen Agricultural University, Food and Bioprocess Engineering Group, P.O. Box 8129, Bomenweg 2,6700 EV Wageningen, Netherlands Received 21 April 1998; accepted 29 March 1999 致谢 毕业设计是对大学知识的总结，是对知识的全面检验，是从学校过度到工作岗位的桥梁。 作为工程技术人员要求有严谨的工作态度。我意识到以后走上工作岗位的重要性，一直以严谨科学的态度对待此次毕业设计。 衷心感谢董传涛老师极其耐心细致的讲解，不辞辛劳的为我们一次又一次的纠正错误，同时还要感谢马秀清老师、刘月星老师、冯连勋老师及其他像塑设计研究办公室的老师们，感谢您对我不时的提醒，为我纠正错误，再次向各位老师表示由衷的感谢。