小型塑料挤出机设计 摘 要 单螺杆挤出机是一种啮合型挤出设， 以其优异的加工性能得到了越来越广泛的应用， 并成为市场发展的主要趋势。 通过参阅了 许多文献， 分析了现有常规单螺杆挤出机和加料段机筒开直槽单螺杆挤出机 （IKV 单螺杆挤出机）的固体输送段存在的物料输送问题，设计了一种加料段机筒配置螺旋沟槽衬套的单螺杆挤出机。 通过合理的沟槽设计， 克服了现有加料衬套采用直槽产生的衬套剪切力大、 温升高， 导致挤出机强制输送能力下降的缺陷， 提高了挤出机的产量。 本文的工作对于单螺杆挤出机的研究、 设计和应用具有很好的参考价值。 关键词： 单...

　　小型塑料挤出机设计 摘 要 单螺杆挤出机是一种啮合型挤出设， 以其优异的加工性能得到了越来越广泛的应用， 并成为市场发展的主要趋势。 通过参阅了 许多文献， 分析了现有常规单螺杆挤出机和加料段机筒开直槽单螺杆挤出机 （IKV 单螺杆挤出机）的固体输送段存在的物料输送问题，设计了一种加料段机筒配置螺旋沟槽衬套的单螺杆挤出机。 通过合理的沟槽设计， 克服了现有加料衬套采用直槽产生的衬套剪切力大、 温升高， 导致挤出机强制输送能力下降的缺陷， 提高了挤出机的产量。 本文的工作对于单螺杆挤出机的研究、 设计和应用具有很好的参考价值。 关键词： 单螺杆挤出机； 机筒； 设计。 全套图纸加 ABSTRACT As a kind of engaged device， single screw extrude has been gained widespread availability， for its extremely excellent attribute for processing， and single screw extruder has became the main tendency of market development.By referring to a lot of literature available and analysis the conveying problems existing in the solid conveying zone of the conventional single screw extruders and the single screw extruders that use the IKV system, a kind of single extruder whose feed section was comprising of a feed bushing that has several helical grooves in its inner surface was designed. Its conveying theory was also studied. It can realize positive conveying in the solid conveying zone. Besides, it can also overcome the defects that the existing feed bushings have, such as high shearing force, high melt temperatures, which can decrease the solid conveying capacity of the extruder. So it can highly increase the output of the extruder. The works of the paper will play a positive role for designs， studies and applications of single screw extruder. Key words: Single Screw Extrude; Barrel； Design 目 录 1. 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1 课题背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1. 1 普通单螺杆挤出机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1. 2 加料段机筒开轴向沟槽的单螺杆挤出机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2 研究目标及内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. 主要机构及零部件的方案对比、 选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. 1 单螺杆挤出机的结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. 1. 1 单螺杆挤出机组成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. 2 传动方案的设计和选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. 2. 1 挤出机驱动功率的确定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. 2. 2 挤出机的转速要求及调速范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. 2. 3 挤出机的传动系统的组成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. 3 螺杆的结构及材料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. 3. 1 螺杆的材料的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. 3. 2 螺杆结构形式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. 3. 3 螺杆的表面处理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 4 机筒的结构及材料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 4. 1 机筒材料的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 4. 2 机筒的表面处理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 4. 3 机筒的结构形式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 4. 4 机筒与机头的连接形式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. 5 加热冷却方案的对比和选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. 5. 1 加热功率的确定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. 5. 2 挤出机的加热方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2. 5. 3 挤出机的冷却装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2. 6 机筒与支架间的连接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2. 7 挤出机加料系统的设计 3. 重要结构的设计及校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 1 传动系统的设计及校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 1. 1 皮带传动设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 1. 2 V 带轮的结构尺寸 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. 2 加料套的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3. 3 螺杆的设计及校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3. 3. 1 螺杆的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3. 3. 2 螺杆的强度计算及校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. 4 机筒的设计及强度校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3. 4. 1 机筒壁厚的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3. 4. 2 机筒的强度校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3. 5 螺杆尾部平键的强度计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 结 论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 致 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1. 绪论 1. 1 课题背景 挤出成型具有生产率高、 适应性强、 用途广泛等优点， 几乎适合于所有高分子材料的加工。 螺杆挤出机是聚合物加工基本的装之一。 迄今为止, 对单螺杆挤出机的研究已有近 90 年的历史。 过去人们对单螺杆挤出机的研究仅仅是停留在普通挤出机的理论研究和结构完善上， 这只能适当提高产量、 改善制品性能。 1.1.1 普通单螺杆挤出机 普通单螺杆挤出机的机筒的内表面都是光滑的圆柱面， 机筒中的物料向前输送的动力来源于物料与加料段机筒之间的摩擦力错误！ 未找到引用源。。 由固体输送理论可知， 通过提高错误！ 未找到引用源。， 可以增大输送角错误！ 未找到引用源。， 进而获得较高的生产率错误！ 未找到引用源。。 但是对于普通单螺杆挤出机来说， 错误！ 未找到引用源。一般较小， 挤压系统的固体输送率错误！ 未找到引用源。 很低， 进而影响到挤出机的产量。 此外， 加料段的冷却一般只限于机筒的加料口附近， 再加上该段与前面的热机筒没有隔热措施， 热机筒的热量就会传导至该段， 因此冷却不充分， 不但未能增大物料与机筒之间的摩擦系数错误！ 未找到引用源。， 反而有可能在一定的条件下， 虽然机筒表面温度未达到物料的熔点， 但物料在摩擦热作用下便已经融化了， 固体输送率会更低。 1.1.2 加料段机筒开轴向沟槽的单螺杆挤出机 在 70 年代以前， 设计螺杆时， 螺杆的挤出量是按计量段的熔体输送理论公式来考虑的。 这时， 挤出量受机头压力影响较大， 而与粘度有关。 螺杆的几个功能段（输送、 压缩、熔融和均化） 在螺杆的三段上是相互重叠的。 由于种种原因它们相互影响。 例如， 如果料斗中存在架桥现象或加料口几何形状设计不合理， 这些因素往往导致加料段充满状态的不 稳定， 塑料的压缩状态也不稳定， 达到一定压力的压缩点的位置一会儿超前， 一会儿延后。此外， 由于塑料在螺杆上熔融起始点的位置不仅决定于机筒的热传导情况、 剪切热产生的情况和塑料的热性能， 而且还直接决定于塑料的压缩状态， 即决定于压缩点达到位置和压力升高的状况。 为此， 如果压缩点在螺杆上变化， 势必会导致熔融起始点也在螺杆上变化。由此压力、 温度和产量都会产生波动， 当转速提高后这个现象更为严重。 采取一些措施后虽然会对上述不足有所改进， 例如， 通过强制计量加料可以改善加料的稳定性， 采用混合元件和加长计量段， 会减少熔料的各种波动。 但另外一个问题仍未很好地解决。 例如： 塑料在螺杆上压实不足， 压力形成缓慢， 塑料在螺杆上除了有轴向移动外， 还存在相当大的径向滑动， 因此输送率很低， 一般只有 0. 3～0. 5， 挤出量受机头压力影响较大。 从 20 世纪 70 年代开始， 德国亚琛工业大学塑料加工研究所（IKV） 和巴登苯胺苏打（BASF） 的一些研究工作者对如何提高固体输送生产率进行了一系列研究，双螺杆喂料机 设计并生产了性能优越的挤出机。 这种机器的主要特征是， 在螺杆加料段依靠强制加料来提高螺杆的输送效率， 依靠设置于熔融段和计量段上的混炼元件来保证输送能力提高后的挤出质量。螺杆的三个主要功能， 输送、 塑化和均化， 分别在螺杆上独立地完成， 它克服了普通螺杆几个功能段相互重叠并由此带来的不稳定和波动现象。 1机筒； 2加料座； 3料斗； 4沟槽 5加料套； 6冷却水通道； 7隔热垫 图 1 -1 I KV 系统的基本结构 IKV 螺杆的强制输送作用主要依靠机筒在加料段处的特殊结构来完成的。 它的基本结构是这样的： 在机筒的加料段上设置一段带有内锥孔的套筒， 锥孔内壁沿周围开出若干条轴向沟槽， 套筒的外表面开有冷却循环水或者其他冷却介质的螺旋沟槽， 料斗座与机筒间设有隔热层， 防止高温机筒向后传热。 a粉料的楔形结构 b粒料的楔形结构 1螺杆； 2加料套； 3粉料； 4粒料 图 1 -2 物料的楔形结构断面图 它的工作原理如下： 物料随螺杆转动的趋势受沟槽侧面的阻挡； 物料形成“架桥” 或者“楔形” ， 使错误！ 未找到引用源。 的特性得到充分利用； 物料如同带翅的螺母套在螺杆上， 螺杆转动， 物料“螺母” 轴向转动， 其效果相当于提高了错误！ 未找到引用源。， 而减小了打滑和回流， 进而提高了固体输送率； 锥孔的内孔、 沟槽的斜度， 使物料尽快压实， 尽早建立压力； 隔热层可以防止高温往后传； 冷却系统将高压、 高摩擦产生的热量带走， 防止过早出现熔膜而破坏固体输送机理； 此外, 普通挤出机在加料段建立的压力是极小的, 其产量在很大程度上要依赖于背压， 而在开槽衬套挤出机中, 物料能在加料段末端建立起比背压高的压力, 这样, 其产量受背压的影响很小甚至没有影响, 在加料段就完成了输送物料的任务。 总的来说， 加料段机筒开槽， 可提高物料的输送率， 进而提高挤出机的产量， 此外， 挤出机的性能更加稳定。 但是它也有缺陷如下： 由于摩擦力正比于正压力和摩擦系数， 螺杆和机筒的寿命又直接与摩擦副的相对运动速度有关， 而 IKV 系统的加料区正好具高压高摩擦和高速工作的条件， 因此， IKV 系统的螺杆和机筒磨损比较严重， 需要采用耐磨性较高的螺杆材料和机筒材料； 由于高压高摩擦和高速的工作条件， 加料区产生了大量的热量。 为了保证高的输送率和挤出质量， 必须对加料区进行强制冷却。 物料出衬套后， 需要对物料进行重新加热， 冷却又加热， 浪费了能源； 冷却水结垢后， 使冷却效率降低， 甚至堵塞； 冷却水压、 水温变化使冷却效果不一， 使输送效率产生波动； 冷却水耗量大； 螺杆承受扭矩大， 功耗大， 需要提高螺杆的强度， 增加了成本； 在加料段末端可能产生极高的压力， 有损坏带有沟槽的薄壁机筒危险； IKV 系统是建立在固体摩擦理论基础上的， 因此这种系统显然不适于熔料挤出机， 如造粒出机中的后处理挤出机和一些混炼机； 在机筒需要排气的场合， 使用 IKV 系统时比较困难的。 这时第二计量段的生产率得不得不由机头压力来确定， 而计量段生产率过大将造成排气口的冒料。 IKV 系统加大了 阶螺杆的生产率， 为此排气式挤出机使用 IKV 系统时困难的。 为了解决加料段机筒开槽挤出机的这些问题， 美国发明专利（专利号 5909958） 披露了一种新技术， 与常规开槽机筒不同， 机筒沟槽上设置有键， 键的径向高度小于沟槽的径向深度， 用独立的控制机构来调节键在沟槽中的径向高度位置， 槽深可从零变为全深度。这样就能够依据塑料颗粒的形状、 大小来调节沟槽的深度， 形成适宜的摩擦， 获得的输送效率。 槽深可独立调节的加料段开槽挤出机的优点有： 较高的产量， 加工过程更加稳定， 可以加工高分子量聚乙烯， 比如 HDPE。 此外， 开槽部分的输送效率可以和聚合物及螺杆的特性相匹配。 由于槽和键的这种组合式沟槽流道，双螺杆喂料机 当更换物料时， 可以轻易地清洗料筒， 单有沟槽的加料段机筒不具这种特性。 在实际的工艺条件下， 可以通过调节沟槽的深度使得加工过程得到优化。 此外， 通过机头压力波动的反馈机制， 可以对沟槽深度进行自动优化。沟槽深度可调节的加料段机筒开槽挤出机的主要优势在于能够更加的控制挤出系统的输送效率、 压力、 温度等， 从而实现高效稳定挤出。 1螺杆； 2机筒； 3键； 4控制机构 图 1 -3 槽深可独立改变的加料段结构 美国的这一发明技术的另一种结构形式是： 沟槽倾斜， 即槽深全长不等， 而键的全长厚度相同； 或者沟槽全长深度一致， 而键全长厚度不等， 上游端薄， 下游端厚（下游端厚度略小于沟槽深度）， 放在沟槽里形成了上游槽深， 下游槽浅。 两种形式都构成了渐变形槽深。 每一条沟槽上也设置有执行机构来与键连接， 用来调节沟槽中键的径向深度， 这样就能够控制所形成的沟槽的深度和机筒的中心孔的尺寸。 通过监测工艺参数， 比如用传感器来监测机筒压力， 形成控制环。 将这些数据传送给加工控制器， 然后控制器调节执行机构独立控制沟槽的槽深， 同时也就能够控制工艺参数。 综上所述， 为了提高加料段的固体输送效率， 通常的做法是在加料机筒内设置开槽衬套， 槽的形式主要是直槽式， 但是正如前面所述， 这种形式的挤出机的输送效率还是不够高， 且存在诸如剪切热过大的问题。 因此， 这一课题的目的是通过研究单螺杆挤出机的固体输送理论， 设计一种可以实现类似于双螺杆挤出机的正位移输送的单螺杆挤出机， 这种挤出机的加料段的衬套是螺旋型的， 而不是直槽型的， 可以通过设计螺旋沟槽式衬套， 使其与挤出机螺杆有一定的几何参数的相匹配关系， 从而提高固体输送效率， 提高挤出机的 产量。 1. 2 研究目标及内容 研究高产量的单螺杆挤出机是当前挤出机发展的主要方向， 它能很大程度地提高企业的生产效率， 进而有助于提高企业效益。本文的目标就是在总结借鉴前人研究的基础上，通过研究高产量挤出机的机理， 试图设计单螺杆挤出机的传动系统， 加料系统和挤压系统的设计， 使其能够完成较高的产量挤出机的工作。 2.主要机构及零部件的方案对比、 选择 2. 1 单螺杆挤出机的结构 2.1.1 单螺杆挤出机组成 （1） 传动系统： 由驱动电机、 减速器、 止推轴承等构成， 作用是驱动螺杆旋转， 提供螺杆转动所需的扭矩和转速， 并承受螺杆的轴向力； （2） 加料系统： 由料斗、 料斗座等组成， 料斗座的作用是储料， 料斗由料斗座支撑， 机筒和减速器通过加料座连接； （3） 挤压系统： 由螺杆、 机筒等组成， 它是挤出机的“心脏” ， 对塑料进行连续输送、塑化、 均化、 定压定量地挤出； （4） 加热冷却系统： 由加热器、 冷却器、 冷却通道等组成， 保证挤出机工艺温度要求； （5） 控制系统： 有电控柜、 检测元件、 仪表、 电气元件等组成， 作用是对挤出机的运转及工艺条件进行控制。 2. 2 传动方案的设计和选择 传动系统是挤出机的主要组成部分之一， 它的作用是驱动螺杆， 并使螺杆能在选定的工艺条件下（如压力、 温度和转速） 获得所必须的扭矩且能均匀地旋转， 以完成对物料的输送和塑化。 2.2.1 挤出机驱动功率的确定 影响挤出机驱动功率的因素是很多的， 虽然没有有效地方法来确定挤出机的驱动功率， 但是可以利用经验公式来估算， 然后再进行确定。 错误！ 未找到引用源。 n 式中 N挤出机的驱动功率， 错误！ 未找到引用源。 D螺杆的直径， cm （2-1） n螺杆的转速， r/min 错误！ 未找到引用源。 系数， 它根据实验和统计分析进行确定。双螺杆喂料机 根据我国生产的挤出机进行统计， 对错误！ 未找到引用源。 挤出机， 一般错误！ 未找到引用源。；对于错误！ 未找到引用源。 的挤出机， 错误！ 未找到引用源。 2.2.2 挤出机的转速要求及调速范围 对挤出机的速度要求有两方面， 一方面是能无级调速， 另外就是应该有一定的调速范围， 前者是为了控制挤出质量及于辅机的配合一致； 后者针对挤出机应具有适应各种加工而提出来的。 所谓挤出机的调速范围，失重式喂料机 就是指螺杆的转速与转速的比值（错误！未找到引用源。）。 转速范围的确定很重要， 因为它直接影响到所能加工物料和制品的范围、 机器的生产率、 功率消耗、 制品的质量、 设的成本和操作是否方便等。 在本设计中取挤出机的转速为错误！ 未找到引用源。。 对大多数挤出机来说， 其调速范围在错误！ 未找到引用源。 内， 因此在这里取挤出机的转速为错误！ 未找到引用源。。 2.2.3 挤出机的传动系统的组成 挤出机的传动系统通常由原动机（如电动机等）、 调速装置和减速装置组成。 本设计中传动系统由电机、 皮带和减速箱组成。 传动链组成形式： 电动机皮带减速箱双键螺杆 （1） 电机的选择 由于 IKV 挤出机所需的电机功率比普通的挤出机大， 由前面的计算的挤出机的驱动功率， 初步选定电机功率为 7. 5kW。 电机选用三相异步电动机， 型号为 Y132-M-4-B3。 表 2-1 Y132-M-4-B3 电机的主要技术参数 JB/T 96161 999 电机型号 额定功率 kW 满载转速 rpm 满载电流A 功率 因素 重量 kg Y132-M-4-B35 7. 5 1440 15. 4 0. 85 81 （2） 减速器的选择 从电机到螺杆的总传动比为 可选减速箱传动比为错误！ 未找到引用源。， 则皮带轮的传动比为错误！ 未找到引用源。 根据电机的功率和螺杆的转速， 减速箱选用 ZLYJ 系列减速箱。 ZLYJ 系列减速箱是为 塑料螺杆挤出 机配套设计的高精度硬齿面带推力 座的传动部件。 产品 设计采用 了JB/T8853-2001 所规定的各项技术规范。 其特点是齿轮和轴类零件采用了高强度合金钢。齿轮经渗碳、 淬火、 磨齿工艺加工。 齿轮精度为 GB10095-88. 6 级。 齿面硬度 HRC54-62。在空心输出轴前端配置有超规格的推力轴承， 承受螺杆的工作轴向力。 轴承和油封等主要标准件皆采用国内优质产品。 整机具有体积小、 承载能力高、 传动平稳、 噪声低、 效率高等特点。 产品性能已达到国际先进水平， 可替代同类型进口产品使用。 本设计选用的减速箱为： ZLYJ 146-20。 减速箱的装配形式有以下几种： 图 2-1 减速箱的装配形式 根据挤出机的安装要求， 在这里选择种装配形式。 螺杆的轴向推力为错误！ 未找到引用源。， ZLYJ 146-20 能承受此轴向推力。 润滑方式采用飞溅润滑， 冷却方式采用自然冷却。 表 2-2 ZLYJ 146-20-Ⅰ 减速器的主要技术参数 产品型号 公称传动比 公称转速rpm 许用输入功率kW 输出扭矩mN 输入1n 输出2 n ZLYJ 146-20-Ⅰ 20 1000 50 8. 11 1549 2. 3 螺杆的结构及材料 2.3.1 螺杆的材料的选择 对螺杆材料的性能有以下要求： （1） 加工性良好， 也即切削性能良好和抛光性能良好， 前者是为了减少螺杆加工工时，后者是为了增加螺杆表面光洁度； （2） 热处理性能良好， 主要是指热处理时变形要小， 这是保证螺杆正常工作的必要条件； （3） 耐磨性和耐腐蚀性良好， 这是保证螺杆寿命的基本要求； （4） 有足够的芯部强度； （5） 附着性好良好， 例如， 在镀铬， 喷涂， 堆焊等工序中必须保证螺杆基本金属和附加物的附着性； （6） 成本尽可能低廉。 基于以上要求的考虑， 选择螺杆的常用材料： 38CrMoAlA。 2.3.2 螺杆结构形式 由于挤出机主要用于加工聚烯烃， 尤其是 LDPE， 其结晶度较低， 属于无定形物料，因此螺杆结构形式采用渐变式， 加料段等距等深， 熔融段等距变深， 计量段等距等深。 螺杆加工制造容易， 成本低， 由于螺纹升程相等， 物料与机筒的接触面积大， 从外加热的机筒上吸收的热量多， 有利于固体塑料的熔融和均匀压缩, 塑化物料； 加料段的个螺槽深度大， 有利于进料。 关于螺杆的具体结构设计在下一章进行介绍。 2.3.3 螺杆的表面处理 （7） 氮化深度错误！ 未找到引用源。 m， 硬度错误！ 未找到引用源。， 脆性： 错误！ 未找到引用源。， 调质: 错误！ 未找到引用源。 2. 4 机筒的结构及材料 2.4.1 机筒材料的选择 与螺杆的相似， 38GrMoAlA 的综合性能较好， 故选用它作为机筒的材料。 2.4.2 机筒的表面处理 氮化深度错误！ 未找到引用源。， 硬度错误！ 未找到引用源。， 脆性错误！ 未找到引用源。 级。 2.4.3 机筒的结构形式 a b c d a整体式； b分段式； c衬套式； d双金属式 图 2-2 常见的机筒结构形式 由于本设计在加料段设置了加料套， 因此机筒采用分段组合式 b。 关于机筒的具体结构设计在下一章进行介绍。 2.4.4 机筒与机头的连接形式 a铰状连接； b螺钉连接； c剖分连接； d冕状螺母连接 图 2-3 几种常见的机筒与机头的形式 铰状螺钉连接拆装机头快速， 方便， 故本设计采用这种连接方式。 2. 5 加热冷却方案的对比和选择 加热与冷却是塑料挤出成型过程能够进行的必要条件。 随着螺杆的转速、 挤出压力、外加热功率以及挤出机周围介质的温度变化， 机筒中物料的温度也会相应地发生变化。 因此， 为了使塑料始终能在其加工工艺所要求的温度范围内挤出， 一般是通过加热或冷却的方式不断地调节机筒内塑料的温度来实现的。 2.5.1 加热功率的确定 按机筒内表面积计算 错误！未找到引用源。 （2-2） 式中： 错误！ 未找到引用源。 机筒的直径（cm） 错误！ 未找到引用源。 螺杆的长径比 A单位面积的加热功率（错误！ 未找到引用源。） , 一般取错误！ 未找到引用源。 在这里， 取错误！ 未找到引用源。， 则 根据挤出机机筒的长度和所计算得到的加热功率， 可以将机筒分为 3 段加热， 每段的3=B。 加热功率为 2kW， 也即加热段数2.5.2 挤出机的加热方法 目前挤出机的加热方法有： 载体加热、 电阻加热和电感应加热等。 （1） 热载体加热 利用热载体作为加热介质的加热方法称为热载体加热。 这种方法加热均匀， 但需要配置一套专门设， 故较少应用。 （2） 电阻加热 电阻加热是用得广泛的加热方式， 其装置具有尺寸小、 重量轻、 安装方便等优点。 由于电阻加热器是采用电阻丝加热机简后再把热传到塑料上， 而机筒又是一个具有一定厚宽的筒体， 因此在机筒的径向方向上便形成较大的温度梯度。 另外， 用它来加热也而要较长的时间。 同时， 使用云母片作绝缘材料的电阻加热器其电阻丝易氧化受潮等， 也会使其寿命缩短。 由于要使用大量的云母片作绝缘材料， 加热器的成本也较高。 近年来， 在许多挤出机上采用了铸铝加热器。 它是将电阻丝装于金属管中， 并填进氧化镁粉之类的绝缘材料， 然后将此金属管铸于铝合金中。 实际上它是一种改进了的电阻加热器。 它与旧式的电阻加热器相比较， 既保持了原来电阻加热器的体积小、 装设方便及加热温度较高的优点。 而由于省去了云母片， 便降低了加热器的成本。 此外， 由于电阻丝是装于加热金属管的密实的氧化镁粉中， 就使得它有防氧化、 防潮、 防震和防爆等性能， 因而提高了加热器的使用寿命， 传热效果也比旧式加热器好。 铸铝加热器的加热温度一股力错误！ 未找到引用源。， 如要求有更高的加热温度，则可采用铸铁或铸铜加热器， 以提高加热装置的耐久性。 （3） 电感应加热 电感应加热时通过电磁感应在机筒内产生电的涡流而使机筒发热， 从而达到加热机筒中物料的作用。 电感应加热与电阻丝加热相比具有如下几个特点： ①它是由机筒直接加热塑料的， 因此预热外观的时间较短(大约 7 分钟左右) 。 在机筒的径向方向上的温度梯度较小。 ②由于以上特点， 采用此加热器时对温度调节的反应较电阻加热的灵敏， 从而有较大的温度稳定性， 对制品的质量很有利。 ③由于感应线圈的温度不会超过机筒的温度等原因， 它比电阻加热器可节省电能； ④在正确的冷却和使用的情况下， 感应加热器的寿命比较长。 感应加热器也有其不足之处， 如加热温度会受感应线包绝缘性能的限制， 这对成型加工温度要求比较高的塑料尤其是一些工程塑料是不适合的。 其次是它的径向尺寸大， 用在大型挤出机上必然会使机器的体积庞大， 而且需要大量的矽钢片等材料。 另外， 它在形状复杂的机头上装设也不方便。 当同一台机器上其机头不得不用电阻丝加热时， 因机头升温时间较长， 则机筒采用感应加热也就显不出其预热升温快的优点。 同时， 它在装拆方面也不很方便。 综上所述， 本设计采用铸铝加热器对挤出机进行分段加热。 2.5.3 挤出机的冷却装置 在设计风冷装置时， 每一个加热段都单独配有冷却用鼓风机， 而且在机筒表面都有一定通道， 防止空气无规则地流动， 而出现冷却不均匀现象。 采用鼓风机进行冷却， 其结构形式如图： 1铸铝加热器； 2机筒； 3螺杆； 4鼓风机 图 2-4 风冷加热 表 2-3 DF-3 型风机的参数性能 型号 流量 （hcm /3） 全压 （Pa）转速 （r/min）噪音 （dB）电动机 电机重量 功率（kW）电压 (V) 三相 DF-3 405 450 2840 75 0. 18 380 或 220 5. 3 2. 6 机筒与支架间的连接 1调整螺钉； 2机筒； 3螺杆； 4支架 图 2-5 机筒与支架间的连接结构 为了调节机筒的中心以及防止轴向窜动， 支架上有 3 个调节螺钉。 2. 7 挤出机加料系统的设计 加料装置的作用是给挤出机提供物料。 它一般由料斗部分和上料部分组成， 料斗装于挤出机的加料座上， 将物料不断地提供给挤出机。 上料部分主要是将物料输送到料斗上，不断向料斗提供物料。 料斗的形状一般做成对称的， 常见的有圆锥形、 矩形和正方形等。 料斗的侧面开有视镜孔． 以便观察料位变化情况。 料斗底部设开合门， 用以停止和调节加料量。 料斗上方安有盖子， 以免灰尘和杂物进入。 本设计用的料斗如下图所示。 1料斗盖； 2料斗； 3视镜； 4开合门 图 2-6 加料斗 3. 重要结构的设计及校核 3. 1 传动系统的设计及校核 3.1.1 皮带传动设计 现在已知电机功率错误！ 未找到引用源。， 转速错误！ 未找到引用源。， 皮带传动比错误！ 未找到引用源。 （1） 确定计算功率错误！ 未找到引用源。 取工作情况系数错误！ 未找到引用源。， 故 错误！ 未找到引用源。 （3-3） （2） 选择 V 带的带型 根据错误！ 未找到引用源。 和错误！ 未找到引用源。， 选用基准宽度制 SPZ 型窄 V 型带 （3） 确定带轮的基准直径错误！ 未找到引用源。， 并验算带速v 初选小带轮的基准直径错误！ 未找到引用源。 验算带速v 因为错误！ 未找到引用源。， 故带速合适。 错误！ 未找到引用源。 （3-4） 计算大带轮的基准直径错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 （3-5） 其中 为弹性滑动系数 将其圆整为错误！ 未找到引用源。 （4） 实际传动比 错误！ 未找到引用源。 （3-6） （5） 初定中心距错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 （3-7） （3-8） 初定中心距错误！ 未找到引用源。 （6） 确定带基准长度错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 （3-9） 0d L 取 错误！ 未找到引用源。 （7） 实际中心距 a 错误！ 未找到引用源。 （3-10） 安装时所需小轴间距 错误！ 未找到引用源。 （3-11） 张紧或者补偿伸长所需轴间距 错误！ 未找到引用源。 （3-12） （8） 小带轮包角1 错误！ 未找到引用源。 （9） 单根带所能传递的额定功率错误！ 未找到引用源。 （3-13） 根据带型、 错误！ 未找到引用源。 和错误！ 未找到引用源。， 查的错误！ 未找到引用源。 （10） 考虑传动比的影响， 额定功率的增量错误！ 未找到引用源。 （11） V 带的根数 Z 错误！ 未找到引用源。 --包角修正系数， 取错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 --带长修正系数， 取错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 （3-14） 取 Z=4， 需要 4 根带 （12） 单根 V 带的初拉力错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 （3-15）m --V 带单位长度质量， 取错误！ 未找到引用源。 （13） 有效圆周力 错误！ 未找到引用源。 (3-16) tF 作用在轴上的力 错误！ 未找到引用源。 （3-17） 错误！ 未找到引用源。 （3-18） 错误！ 未找到引用源。 考虑到新带的初拉力为正常拉力的 1. 5 倍 综上所述， 选用的 V 带型号为 SPZ-1600-GB/T 11544-1997 3.1.2 V 带轮的结构尺寸 （1） 带轮的材料 因带轮的线速度较小， 故可以采用 HT200。 （2） 小带轮的结构形式: 根据带型 SPZ 和小带轮基准直径错误！ 未找到引用源。 , 由机械设计手册选小带轮的结构形式为实心式 小带轮孔径及其直径偏差 错误！ 未找到引用源。 （3-19） 小带轮轮毂直径错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 （3-20） 因电机的伸出轴长度为错误！ 未找到引用源。 , 故取小带轮长错误！ 未找到引用源。 小带轮轮槽截面尺寸： 基准宽度错误！ 未找到引用源。 基准线上槽深错误！ 未找到引用源。 基准线下槽深错误！ 未找到引用源。 槽间距错误！ 未找到引用源。 槽对称面至端面的小距离错误！ 未找到引用源。 轮槽角错误！ 未找到引用源。 小轮缘厚度错误！ 未找到引用源。 小带轮轮宽错误！ 未找到引用源。 小带轮外径错误！ 未找到引用源。 图 3-1 小带轮的结构图 （3） 大带轮的结构形式: 减速箱的输入轴直径为错误！ 未找到引用源。 则大带轮孔径及其偏差错误！ 未找到引用源。 根据带型 SPZ 和小带轮基准直径错误！ 未找到引用源。， 由机械设计手册选用大带轮的结构形式为腹板式， 腹板厚度错误！ 未找到引用源。 大带轮轮毂直径错误！ 未找到引用源。 因减速箱的输入轴的伸出长度为错误！ 未找到引用源。 , 故取大带轮长度错误！ 未找到引用源。 大带轮轮槽截面尺寸： 基准宽度错误！ 未找到引用源。 基准线上槽深错误！ 未找到引用源。 基准线下槽深错误！ 未找到引用源。 槽间距错误！ 未找到引用源。 槽对称面至端面的小距离错误！ 未找到引用源。 轮槽角错误！ 未找到引用源。 小轮缘厚度错误！ 未找到引用源。 大带轮轮宽错误！ 未找到引用源。 大带轮外径错误！ 未找到引用源。 图 3-2 大带轮结构图 带轮的技术要求： 轮槽工作面不应有砂眼、 气孔； 各轮槽间距的累积误差不得超过错误！ 未找到引用源。， 任意两槽的基准直径差不得大于错误！ 未找到引用源。。 3. 2 加料套的设计 3.2.1 挤出机加料套的设计 ⑴ 加料套结构参数的确定 依据双螺棱推动理论可知， 设计的机筒加料套的结构特征为： 机筒加料套为螺旋沟槽，槽宽且槽浅棱窄， 螺槽深度小于粒料的粒径， 目的是避免剪切； 为保证质量流率恒定， 加料套螺旋角是渐变的。 ①加料套的长度 L 加料套的长度指的是加料口到衬套出口的距离 L。 通常错误！ 未找到引用源。， 本设计中取加料套的长度错误！ 未找到引用源。。 加料套的螺旋角是渐变的， 而螺旋角为错误！未找到引用源。 时效果， 因此， 本设计中取加料套的导程由错误！ 未找到引用源。渐变为错误！ 未找到引用源。。 ②加料套沟槽的形状 由于本设计中的加料套沟槽是螺旋形的， 而螺旋形沟槽的形状一般有矩形和锯齿形两种， 在本设计中， 取矩形螺旋沟槽， 这种形式沟槽的效果。 ③加料套螺纹头数错误！ 未找到引用源。 的确定 对于大型的挤出机来说， 沟槽的数目大约是螺杆直径的错误！ 未找到引用源。， 但是对于小型挤出机来说， 沟槽的数目大约是螺杆直径的错误！ 未找到引用源。， 因此， 设计加料套的螺纹头数错误！ 未找到引用源。。 ④加料套的沟槽深度 H 加料套的沟槽深度指的是螺槽底至螺棱顶面的距离。 为了避免剪切， 该距离不应大于物料颗粒的尺寸。 由于物料在沟槽中运动， 因此螺槽的深度还将影响到物料与摩擦力的大小。 由 TGL 理论的受力分析可知， 沟槽中的物料与沟槽三面接触， 也即螺槽底面和螺槽两侧面， 而物料在螺槽中运动时受到的外摩擦来源于这三个地方， 如果螺槽深度太大，则螺槽两侧面的面积就会增大， 使得物料受到的摩擦力也将增大， 而挤出机实现正位移输送的边界条件是弧板嵌入螺杆螺槽的部分与嵌入加料套螺槽的部分的分界面上的剪切力错误！ 未找到引用源。 不能大于分界面上的摩擦力。 因此螺槽的深度不宜太深。 此外，由 TGL 理论的固体输送率方程可知， 螺槽深度的减小也有利于固体输送率的提高。 因此， 根据物料颗粒的大小以及经验， 确定加料套的沟槽深度错误！ 未找到引用源。。 ⑤加料套的螺槽宽度 b 加料套的螺槽宽度应大于物料颗粒的大小， 还与螺杆的直径有关。 由 TGL 理论的固体输送率公式知道， 加料套螺棱宽度错误！ 未找到引用源。 的大小也将影响到固体输送率，因此螺槽的宽度不应太小， 否则螺棱的宽度错误！ 未找到引用源。 就会太大。 此外， 由 弧板模型的受力分析知道， 螺槽的宽度也会影响固体塞与螺槽底面的摩擦力， 进而影响到正位移的实现， 因此螺槽宽度应当适宜。 本设计中螺槽较宽而螺棱较窄， 根据经验加料套总的螺槽宽度应该在 D 到错误！ 未找到引用源。 之间， 也即错误！ 未找到引用源。 到错误！ 未找到引用源。 之间， 取螺槽宽度错误！ 未找到引用源。， 则总螺槽宽度为错误！ 未找到引用源。， 满足这一条件， 故合适。 根据这些参数设计出的加料套的结构形式如下图所示。 图 3-9 基于 TGL 理论的加料套结构图 ⑵ 加料套的基本特点： ①加料套的内表面开设了 8 条螺旋沟槽， 沟槽的旋向与螺杆螺槽的旋向相反； ②为了对加料段进行冷却， 在加料套沟槽外圆开设有螺旋水槽； ③加料套与内衬焊接后精加工至后尺寸； ④内衬上开有键槽， 通过平键与加料座相连接， 防止加料套发生旋转。 3. 3 螺杆的设计及校核 3.3.1 螺杆的设计 ⑴ 螺杆各段的长度 螺杆各段的长度主要与物料性能和工艺条件相关。由于本设计的挤出机的加料段配置了螺旋式加料套， 加料套的长度错误！ 未找到引用源。， 因此， 根据加料套的长度取加料段长度为错误！ 未找到引用源。。 无定形物料随着温度的升高， 物料会逐渐软化， 当温度超过粘流温度后， 物料变成粘流态， 这个过程是在一个相当大的范围内完成的， 在此过程中， 物料的密度变化平缓， 因此压缩段开始要早， 长度要长， 根据经验， 取压缩段长度为错误！ 未找到引用源。。 由于 IKV 挤出机的固体输送率较大， 导致物料停留的时间变短， 因此就需要考虑物料的塑化均匀度问题， 为了使物料能在计量段中更好地均匀化， 计量段的长度应取长些， 甚至需要在计量段设置混炼段， 因此本设计取螺杆的计量段长度为错误！ 未找到引用源。。 则螺杆的长度为错误！ 未找到引用源。。 ⑵螺槽深度及压缩比 ①对于 IKV 挤出机来说， 其压缩比较小， 因此计量段的螺槽深度要比普通挤出机的小，而当计量段的螺槽深度较浅时， 压力波动和温度波动都较小。 错误！ 未找到引用源。 取错误！ 未找到引用源。。 ②加料段的螺槽深度1H 由于加料段有开螺旋沟槽的加料套， 因此与常规的螺杆相比， 螺杆加料段的螺槽深度要小些， 虽然表面上螺杆的压缩比因此而变小了，失重式喂料机 但是由于有螺旋沟槽的存在， 其实际压缩比还是比较大的。 本设计取几何压缩比错误！ 未找到引用源。， 则加料段的螺槽深度为 ⑶ 螺旋角错误！ 未找到引用源。 和螺距错误！ 未找到引用源。 为了设计和方便加工， 取错误！ 未找到引用源。 螺旋角错误！ 未找到引用源。 ⑷ 螺杆螺棱法向宽度错误！ 未找到引用源。失重式喂料机 和轴向宽度错误！ 未找到引用源。 由 TGL 理论知道， 螺杆的螺棱宽度影响固体输送率， 其值过大， 则固体输送率就会降低， 因此我们希望螺杆螺棱的宽度小些， 根据经验， 计算其大小 错误！ 未找到引用源。 错误！ 未找到引用源。 ⑸ 螺纹头数错误！ 未找到引用源。， 单头螺纹 ⑹ 螺纹的断面形状 常见螺杆螺纹的断面形状有两种， 一种是矩形， 另一种是锯齿形， 如图 3-11 所示。前者在螺槽根部有一个很小的圆角半径， 它有的装填体积， 而且机械加工比较容易，适用于加料段； 后者能改善塑料流动情况， 有利于搅拌塑化， 也避免了物料的滞留． 适用于压缩段和均化段。 a矩形断面； b锯齿形断面 图 3-1 1 常见螺纹断面形状 本设计采用矩形螺纹， 螺纹根径表面与螺棱推进面成错误！ 未找到引用源。 夹角，用小圆弧过渡， 螺槽的容积较大。 ⑺ 螺纹根径处的圆角半径： 错误！ 未找到引用源。 图 3-1 2 螺纹断面形状 ⑻ 螺杆的头部形状 当塑料熔体从螺旋槽进入机头流道时， 其料流形态急剧改变。 即由螺旋带状(其实物 料流动很复杂) 的流动变为直线运动。 为了得到较好的挤出质量， 要求物料尽可能平稳地从螺杆进入机头， 使其改变流动形态， 同时要避免物料局部受热时间长而产生热分解等现象(也称滞料现象) 。 这与螺杆头部形状、 螺杆末端螺纹形状以及机头体中的流道和分流的流道和分流板的设计有关。 目前国内外常用的螺杆头部结构形式如图 3-13 所示。 图 3-1 3 常见螺杆头部的结构 本设计采用圆头形螺杆头 a， 螺杆头的球半径为错误！ 未找到引用源。 , 结构如图 图 3-1 4 螺杆头部结构 ⑼ 螺杆尾部的密封结构 目的： 为了防止从料斗加入的物往螺杆尾部即传动方向漏出， 在螺杆尾部的无螺纹部分往往设计有密封部分。 措施： 采用与螺杆螺纹旋向相同的螺纹进行密封， 由于旋向相同， 这种结构不仅能起密封作用， 而且还能将...

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