精密熔体泵的工艺计算及结构设计

密 级 公开 学 号 050476 毕 业 设 计（论 文） 精密熔体泵的工艺计算及结构 设计 院（系、部） ： 机械工程学院 姓 名： 王圣 年 级： 05 级 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 陈琪 教师职称： 副教授 2009 年 5 月 31 日北京 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 王圣 学 号： 050476 2009年 6 月 15 日 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 北 京 石 油 化 工 学 院 毕 业 设 计 （论 文）任 务 书 学院（系） 机械工程学院 专业 机械电子 班级 过053 学生姓名 王圣 指导教师/职称 陈 琪/副教授 1.毕业设计（论文）题目 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 2.任务起止日期： 2009年 2 月 16日 至 2009 年6月 5 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果） 熔体泵在高聚物加工领域中的应用越来越广。熔体泵最主要的功能是将来自挤出机的高温聚合物熔体增压、稳压后,流量稳定地送入挤出模具,泵出口的熔料压力受入口压力波动的影响极小，当它与单螺杆或双螺杆挤出机连机工作时就使整条生产线的性能优异,效益显著增加。 通过精密熔体泵的工艺计算及结构设计，了解熔体泵的类型，结构，选材以及发展方向；掌握设计理论，解决技术难点，以提高设计水平和效率。要求该设计具有工程性、实用性、可靠性。 设计参数： 泵的排量： rmlq /15=工作介质:高粘度聚合物 功 率: wP 5.312=最高转速：100 min/r研究设计应符合相关国家标准。 研究方向： 化工机械装备的设计。 提交的成果： 笔译约 2 万英文字符的外文文献（约合 5000 汉字的译文）的中文译文以及文献原文各一份； 开题报告一份； 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 手绘2张0号装配图； CAD绘制1张0号图，4张2号零件图。 4.主要参考文献 【1】 鲁春萌. 高粘度熔体泵结构设计理论研究：硕士学位论文。北京：北京化工大学，5/2001 【2】 鲁春萌，李庆春. 熔体泵结构设计研究J.中国塑料，2000，14(12):7984 【3】 陈琪. 熔体泵工作性能的理论与实验研究D.北京:北京化工大学，1999 【4】 何存兴主编. 液压元件 机械工业出版社， 1981：2393 【5】 纪名刚等主编. 机械设计 高等教育出版社, 2001:1882 11,288293，363368 【6】 张有华. 高压机械密封的设计与应用，流体机械，2005，33，(2)：58 5.进度计划及指导安排 2.162.20 接受毕业设计题目，准备资料； 2.232.27 查阅相关资料、调研，对文献进行综述； 3.23.6 完成英文翻译； 3.93.13 完成开题报告，进行开题答辩； 3.164.3 进行泵工艺计算、选材及结构的设计计算； 4.65.15 制定设计方案；并结构设计及绘图； 5.185.30 毕业论文的编写及打印； 6.16.5 教师评阅，准备答辩, 毕业答辩。 任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（部、系）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 陈琪 计划完成任务日期 2009 年 5 月 31 日 学生（签字） 王圣 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 摘 要 能源短缺是当今社会面临的首要问题，所以在工业生产的各个部门，开发研制新产品的过程中都把降低消耗和提高产品质量作为首先考虑的问题。高聚物加工行业亦是如此，在过去的十几年中，作为建压、稳压装置，熔体泵技术在精密挤出领域的应用已愈加广泛。应用熔体泵的挤出系统，几乎能加工所有热塑性塑料，并且生产出各种优质产品，如片材、吹塑膜、拉伸膜、管材、桶材和型材等。在许多发达的工业国如美国、日本和德国，熔体泵的开发和应用己经取得了很好的成果。 本文在阐述了熔体泵的性能特点和输送机理的同时，针对熔体泵设计中的诸难点进行了进一步的剖析，如润滑和密封结构。并且借鉴液压齿轮泵的设计原理、步骤和方法完成了对熔体泵的设计。在设计过程中，利用AutoCAD 进行了计算机辅助设计。 关键词 ：熔体泵，圆柱齿轮，滑动轴承，计算机辅助设计 I 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 Abstract Energy shortage is the main scourge of modern world. As a result， people are trying their best to develop new equipment which are the most energy-saving and products with the highest precision are their preferences. Under this condition，As the pressurize device, the melt pump has been applied extensively in field of the precision extrusion. Melt pumps are used in the manufacturing of sheet， cast， blown film， pipes and so on. In most highly developed countries such as America， Japan and Germany， the research and application of melt pump in polymer processing have been made rapid progress. In this paper，the properties and principl es of gear pump are described in this paper and the mathematical models of melt lubrication and viscous seal were constructed. In this paper，the properties and tr ansmission mechanism of gear pump are described in this paper and Melt pump for the design of the various difficulties to carry out further analysis such as lubrication and sealing structure.Referring the design of hydraulic gear pump, the melt pump has been designed. In this design, AutoCAD2004 is used for CAD. Keywords: melt pump， parametric design，bush bearing ， CAD II 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 引言.1 1.2 国内外熔体泵的研究、生产状况.2 1.3 熔体泵应用领域.5 第二章 熔体泵的工作原理及性能特点 . 7 2.1 熔体泵简介.7 2.2 熔体泵的结构特点.7 2.3 熔体泵的工作原理.8 2.4熔体泵的主要功能及特点 .9 第三章 结构及工艺计算 . 14 3.1 设计题目、参数和要求.14 3.2 工艺计算.14 3.2.1 齿轮的计算 .14 3.2.2 齿轮强度的校核计算.16 3.2.3 排量及动力参数计算 .20 3.3 结构设计计算.21 3.3.1 结构形式的确定16.21 3.3.2 轴承负荷(即径向力)的计算16.22 3.3.3 确定高低压腔尺寸16（图3-2） .26 3.3.4 齿轮泵最佳间隙的确定16.27 3.3.5 传动轴的计算 .28 3.3.6 从动轴的计算15.29 3.3.7 轴承的设计计算15.31 3.3.8 泵体强度的计算 .34 3.3.9 前泵盖尺寸计算 .35 3.3.10 后泵盖尺寸计算 .35 3.3.11 连接（泵盖与泵体）螺钉（或螺栓）的计算 .35 3.3.12 密封结构的设计 .36 3.3.13 润滑系统设计 .38 3.3.14 熔体泵其他零件的选取 .41 第四章 总结和展望 . 42 附录 1.熔体泵装配图. 43 附录 2.零件图. 44 参 考 文 献 . 46 致 谢 . 47 声 明 . 48 III 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 第一章 绪 论 1.1 引言 中国塑料加工业是解放后发展起来的新兴产业，1958年国产聚氯乙烯树脂生产装置投产后，塑料工业才开始正式发展，在现代工业中，塑料工业师承一个重要行业，随着科学技术的迅速发展，特别是高分子材料技术的发展，使它在人们的生产生活中的地位和作用越来越高。从人类生产和生活所使用的主要材料的发展史来看，人类已经经历了石器时代、木器时代和金属时代。由此而来可以看出，随着科学技术的不断发展，人们生产和生活所使用的材料也越来越高级和复杂。目前，人类已进入木材，钢铁和高分子材料三足鼎立的时代。而且，以塑料为代表的高分子材料所占的比例越来越大。如在机器制造工业中，塑料被广泛用来制造机器零、部件。在电器工业中，电机，电器和电讯产品等大量采用塑料。据统计，每年大约有25%的塑料用于机电工业各部门。随着国民经济的发展，这种比例还将继续增长。在化工设备方面，如反应釜，管道，容器，阀门等都广泛使用塑料作为防腐材料，甚至直接用塑料来制造管道，泵，阀门和各种动静密封环等。它解决了金属无法解决的腐蚀，磨损问题。在建筑材料行业，国家更是大力提倡使用塑料管材，塑料门窗。在国防，航天，航空事业上的应用更是举不胜举。总之，塑料在人们生产和生活的重要性是不言而喻的。 塑料从加工方法来分，主要可分为挤塑成型、注射成型、二次成型等。其中挤塑成型大约占加工量的四分之一，尤其是90% 以上的热塑性材料和60% 以上的塑料制品加工成型都要经过挤塑设备处理。挤塑成型加工方法比起其它加工方法具有一系列突出的优点。 (1)由于挤出过程具有连续性，因此用挤出机进行成型加工具有较高的生产率。而且，实现生产过程自动化也比较容易。 (2)相应其它成型加工机械来比，挤出机构造比较简单，操作比较容易，因此投资少，收效快，制品的价格比较低廉。 (3)挤出加工的应用范围很广，既能加工常用的聚乙烯、聚丙烯、软硬聚氯乙烯等民用塑料，也能加工聚砜、聚碳酸酷、尼龙、 ABS、聚甲醛等工程塑料。既能生产薄膜、管材、棒材、型材、单丝、电缆、金属与纸张的涂层等任意长度的制品，又能加工中空容器等单件制品。因此，对挤塑设备的研究有着十分重要的意义。 1 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 自从本世纪三十年代第一次将单螺杆挤出机应用于高分子聚合物加工以来，挤出机就随着加工的需要不断发展和完善。出现了各种各样的挤出机。如具有混炼，反应塑化，排气，反应等特殊功能的单螺杆，双螺杆，多螺杆，无螺杆及各种组合型的挤出机。但是，能否高效，稳定，优质的熔融，塑化，挤出，仍然受到许多客观条件的限制。 (1)当螺杆转速有波动，物料在螺杆内塑化不充分，在熔融段的物料软化点不稳定或固体床破碎，电机负荷有波动时，都会引起挤出物料的温度、压力、流量的波动，从而影响制品尺寸的精度和产品的质量。 (2)由挤出机，螺杆设计和螺杆均化段流量，功率计算理论公式可知，由于机头压力增大，逆流量和漏流也必然增加，使最终流量下降。而压力的增大，也必然使螺杆转动所消耗的能量加大。 (3)在加入多种物料及填料对聚合物进行改性时，为了保证混合的均匀性，将对螺杆进行改进设计，增加混炼混和元件等。此外，添加剂的加入，使物料的温度、粘度、压力等更难以预测，必然使挤出过程更加不稳定。 目前，双螺杆挤出机发展很快，并在一定程度上克服了单螺杆的一些缺点，如混合均匀，正位移输送物料停留时间短等优点，对于同向双螺杆还因其剪切柔和和混合性好而几乎可以用于所有的物料和添加剂的混合。但是，这也会产 生新的问题，如共混改性的添加剂大部分都含有挥发性成分，在挤出过程中必须脱排出去，否则就会影响制品的质量。而排气口的设置，必然使一根螺杆上有多组压缩段和计量段，使得整个过程的控制更加复杂。 所以，一般挤出机都存在着挤出压力不足，挤出不稳定等问题。人们经过不断研究探索，总结经验，开阔思路，提出了如下几种方案:(1)多阶式挤出。它是将加料，输送，熔融等功能与排气、计量、均化分离开来，由不同的螺杆来控制。(2)熔体泵方案。把熔体泵安装在挤出机与机头之间可以把挤出方向产生的波动与机头及下游的设备隔离开来，使它们之间不发生相互影响1。 1.2 国内外熔体泵的研究、生产状况 聚合物熔体泵首先由Zenith 公司研制成功，并应用于人造丝挤压生产中，在过去的二十多年里，聚合物熔体泵挤出技术已被广泛关注，并成为工业发达国家橡塑工业的主流。 美国华盛顿大学对熔体泵的研究比较早，在七十年代，J.M.Mckelvey 教授与 Luwa 公司的 UrsMaire 工程师合作，对熔体泵的输送原理进行了诸多研究，并与2 精密熔体泵的工艺计算及结构设计 螺杆泵进行了比较，他们把熔体泵的输送简化为活塞泵加上一段小直径排出管道，他们得出熔体泵其实也是一个正位移输送装置。在理想的状态下，和活塞泵一样，流量随转速而变化，并是转速N 的线性函数；排出管中得流动是在泵的出口压力作用下而形成的压力流，与物料的粘度和管道的几何尺寸有关系2。 八十年代， Allan R.Budris和J.M.Mckelvey 教授分别对熔体泵的气穴、容积效率的计算进行了深入研究。 Allan R.Budris认为， 当流体没有足够的能量填充到齿槽时，就会引起气穴现象。并对气穴产生的机理进行了分析，他认为，没有充满物料的空隙随着齿轮的旋转而被室壁封闭，从而形成局部真空，必有部分流体发生气化，气化所形成的气泡达到熔体泵的高压端就会形成气穴3 4。气穴的产生与熔体的粘度、转速的大小和齿间的间隙有关，粘度愈大、转速越快以及间隙加大都会促进气穴的产生。 Allan R.Budris提出了一个合理的措施就是提高熔体泵的入口压力，这样可使流体具备足够的能量进行填充，从而避免气穴的产生。 J.M.Mckelvey考虑漏流因素，对熔体泵的容积效率进行了深入分析，并且通