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小型塑料挤出机设计
31页 13000字数+说明书+开题报告+任务书+文献综述+外文翻译+7张CAD图纸
中期检查表.doc
任务书.doc
内衬.dwg
加料座.dwg
外文翻译--单螺杆塑料挤出机.doc
大带轮.dwg
封面.doc
小型塑料挤出机设计说明书.docx
小带轮.dwg
开题报告.doc
总图.dwg
文献综述.doc
机筒.dwg
衬套.dwg
说明书.doc
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12
3.重要结构的设计及校核13
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
摘 要
单螺杆挤出机是一种啮合型挤出设备，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。
单螺杆挤出机的结构
2.1.1单螺杆挤出机组成
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；
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；
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；
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，虽然没有精确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。
- 内容简介：
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中国地质大学长城学院毕业设计中期检查表学生姓名李江学号05208307班 级08机制三班指导教师于建波职称高级工程师单 位中国地质大学长城学院毕业设计题目小型塑料挤出机设计已完成工作、存在的问题及下一步的打算 就目前我书写的毕业设计情况来看，开题报告、外文翻译、任务书、文献综述等已经完成就绪；在单螺杆塑料挤出机传动系统的设计方面，针对于传动系统中最重要最复杂的齿轮零件，根据设计要求，我进行了深入的数据分析计算，根据载荷的强度要求对其进行强度校核，并且从理论上对该部分零件的性能进行分析；基本完成了主要零件的设计与校核。接下来，我的工作主要方面在于各张零件图还认真须要修改；总装配图还要认真完善；设计说明书格式还要认真修改。还有对我的毕业设计进行润色，规范字体，修饰文字等收尾工作将要进行。 学生签名：年 月 日检查意见指导教师签名：年 月 日 中国地质大学长城学院毕业设计任务书学生姓名李 江学号05208307班 级机制3班指导教师于建波职称高级工程师单 位中国地质大学长城学院毕业设计题目小型塑料挤出机设计毕业设计主要内容和要求：根据目前塑料成型应用的广泛性，技术成熟性以及稳定性方面考虑，进行最优的小型塑料挤出机设计。设计单螺杆挤出机件的传动系统设计单螺杆挤出机件的加料系统设计单螺杆挤出机件的挤压系统基本实现单螺杆挤出机的功能毕业设计主要参考资料：1濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第8版.北京:高等教育出版社. 2006.52郭克希，王建国.机械制图.第7版.北京:机械工业出版社,2006.8.3左健民.液压与气压传动.第4版.北京:机械工业出版社,2007.5.4王伯平主编.互换性与测量技术基础.第2版.北京:机械工业出版社,2008.12.5刘鸿文主编.材料力学.第4版.北京:高等教育出版社,2004.6 孙恒，陈作模，葛文杰主编机械原理第7版北京：高等教育出版社，2006.57 王先逵主编机械制造工艺学第2版北京：机械工业出版社，2006.18熊诗波，黄长艺主编机械工程测试技术基础第3版北京：机械工业出版社，2006.5毕业设计应完成的主要工作：分析各构件最优选择方案进行单螺杆挤出机件主要构件的设计及其校核绘制零件图、装配图撰写设计说明书，不少于6000字毕业设计进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1选定毕业设计题目，查阅并收集整理相关资料2011.11.-2011.122调查研究提纲，分析处理数据，并撰写毕业设计开题报告2011.123结合毕业设计课题进行外文资料阅读，并翻译外文资料，并撰写文献综述2012.1-2012.24构思并丰富论文内容，完成论文初稿的撰写，2012.3.-2012.45论文修改润色，完成论文终稿2012.4.-2012.56评审并进行答辩2012.5课题信息：课题性质： 设计 论文 课题来源： 教学 科研 生产 其它发出任务书日期： 指导教师签名： 年 月 日教研室意见：教研室主任签名：年 月 日 学生签名：本科毕业设计外文资料翻译系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 3 2012 年 4 月 20 日 外文资料翻译译文塑料工业是与国民经济发展和社会文明建设息息相关的重要产业。塑料工业的机械和装备的水平对该工业的发展起着关键作用。比起传统的塑料挤出机，单螺杆塑料挤出机有他积极的优势，通常他能加工出高分子量、高粘度热塑性好的塑料。其中有高生产率低熔点、高熔体强压力的塑料有利于化学降解，产品质量高，品，因此是最佳的塑料生产这使得单螺杆塑料挤出机生产经济，特别适用于稳定的挤压。螺杆的回转航程和固定筒壁的相互作用是挤出机的泵出过程中必要的参数。为了运输塑料材料，其摩擦在螺杆的表面要低，但在固定的筒壁要高。如果达不到这个基本标准，塑料可能会随着螺杆旋转，而不是在轴向/输出方向上移动。在输出区域，螺杆和机筒的表面通常都覆盖着的溶解物以及来自溶解物和螺杆通道之间的外力，而其除了 处理有极高粘性的材料时都是无效的，如硬质 PVC 材料和有超高分子量的聚乙烯。溶解物流在输出部分是 受内摩擦系数（粘度）影响，尤其是当模具提供了一个高阻力的熔体流时。 常见且更多使用的单螺杆型使用的是传统设计，即机筒和螺杆保持基本一致的直径，包括具有例如减小螺 杆通道体积，有连续可变速度、压力控制，和通风（挥发）系统的挤出机。一些特殊的设计使用了圆锥或 抛物线外形的螺杆，用以达到特殊的混合和捏合效果。它们可以包含偏心的核心，根据不同坡度变化的动 程，揉捏转子，适应性的核心环，和间歇的轴向运动。桶内可能有螺纹，可伸缩的螺杆形状以及进料设备。 一个成功的挤出操作需要密切注意很多细节，如（1）进给材料的质量和在适当温度下的物质流，（2）足以 融化、但不会分解聚合物的温度曲线，以及（3）不会分解塑料的启动和关机。 应采取措施，防止促进塑料表面上水分的胶合和湿气的吸收凝结，如颜料浓缩物中的色素。表面凝结，可 通过储存于密封的塑料容器（吸湿性塑料）中在使用前约 24 小时与工作区域保持同温来避免。如果怀疑颜 色母料有吸湿，可以在 250 至 300 （ 120 -150 ）加热 8 至 16 小时，烘箱应充分干燥。料斗干燥机已被 证明在干燥塑料中非常有用。它们还可以在操作中提高挤出机受加热和熔解能力限制的输出的能力。图 显示了与加热输入挤出机所需的熔化塑料，有或没有料斗干燥机作为预热器时相关的不同。挤出机使塑料 熔体均匀熔化，并使之通过与产品的横截面形状关联的模具口。所形成的 TP 的熔体（挤出的）是冷了却的，或是加热的TS熔体，因为它是向下放置的进而得以远离模具出口或是通过下游设备拔出。 外文原文Plastic industry is an industry relation to national economy development and social civilization.The level of working equipment plays a pivotal role in the development of the plastic industry.The processing of very high-molecular-weight and high-viscosity thermoplastics in single-screw extruders today is usually done only in extruders with a positive-advantages over conventional extrusion. Among these are high output at low melting temperatures and high melt pressures; reduced shear of the plastics, which makes this system energy-saving and very economical; gentle plastic of the plastics; on thermal or chemical degradation, hence optimum product quality; and particularly stable extrusion so that output, pressure and melting temperature surges are prevented.The essential parameter in the extruders pumping process is the interaction between the rotating fights of the screw and the stationary barrel wall. For the plastic material to be conveyed, its friction must be low at the screw surface but high at the barrel wall. If this basic criterion is not met, the plastic will probably rotate with the screw and not move in the axial/output direction. In the output zone, both screw and barrel surfaces are usually covered with the melt, and external forces between the melt and the screw channel walls have no effect except when processing extremely high viscosity materials such as rigid PVC and ultrahigh molecular weight PE. The flow of the melt in the output section is affected by the coefficient of internal friction (viscosity), particularly when the die offers a high resistance to the flow of the melt. The usual and more popular single screw types use conventional designs with basically uniform diameters of the screw and barrel. Examples include extruders that have decreasing screw channel volume, continuous variable speed, pressure control, and a venting (devolatilization) system. Special designs use conical or parabolic screws for special mixing and kneading effects. They can include eccentric cores, variable pitch superimposed flights of different pitch, kneading rotors, fitted core rings, and periodic axial movement. Barrels may have internal threads,telescopic screw shapes, and feeding devices. A successful extrusion operation requires close attention to many details, such as (1) the quality and flow of feed material at the proper temperature, (2) a temperature profile adequate to melt but not degrade the polymer, and (3) a startup and shutdown that will not degrade the plastic. Care should be used to prevent conditions that promote surface condensation of moisture on the plastic and moisture absorption such as by the pigments in the color concentrates. Surface condensation can be avoided by storing the sealed plastic container (for hygroscopic plastics) in an area at least as warm as the operating area for about 24 h before use. If color concentrate moisture absorption is suspected, heating for 8 to16h in a 250 to 300 (120 to 150 ) oven should permit sufficient drying. Hopper dryers have proven very useful in drying plastics. They can also enhance extruder capacity in operations where the output is limited by the heating and melting capacity of the extruder. The relative difference in heat input required from the extruder to melt the plastic, with and without the hopper dryer used as a preheater. The extruders form a homogeneous plastic melt and force it through a die orifice that is related to the shape of the products cross section. The formed TP melt (extrudate) is cooled or the TS melt heated as it is being dropped downward away from the die exit or drawn through downstream equipment. 中国地质大学长城学院 本 科 毕 业 设 计 题目：小型塑料挤出机设计 系 别 工程技术系 专 业机械设计制造及其自动化 学生姓名 李 江 学 号 05208307 指导教师 于建波 职 称 高级工程师 2012年5月 7日中国地质大学长城学院2012毕业设计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备，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。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11.1课题背景11.1.1普通单螺杆挤出机11.1.2加料段机筒开轴向沟槽的单螺杆挤出机11.2 研究目标及内容42.主要机构及零部件的方案对比、选择52.1单螺杆挤出机的结构52.1.1单螺杆挤出机组成52.2传动方案的设计和选择52.2.1挤出机驱动功率的确定52.2.2挤出机的转速要求及调速范围52.2.3挤出机的传动系统的组成62.3 螺杆的结构及材料72.3.1螺杆的材料的选择72.3.2螺杆结构形式72.3.3螺杆的表面处理82.4机筒的结构及材料82.4.1机筒材料的选择82.4.2机筒的表面处理82.4.3机筒的结构形式82.4.4机筒与机头的连接形式92.5加热冷却方案的对比和选择92.5.1加热功率的确定92.5.2挤出机的加热方法102.5.3挤出机的冷却装置112.6机筒与支架间的连接122.7挤出机加料系统的设计123.重要结构的设计及校核133.1传动系统的设计及校核133.1.1皮带传动设计133.1.2 V带轮的结构尺寸153.2 加料套的设计173.3 螺杆的设计及校核203.3.1螺杆的设计203.3.2螺杆的强度计算及校核233.4 机筒的设计及强度校核243.4.1机筒壁厚的选择243.4.2机筒的强度校核243.5 螺杆尾部平键的强度计算25结 论26参考文献27致 谢281.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最基本的装备之一。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fb。由固体输送理论可知，通过提高fb，可以增大输送角，进而获得较高的生产率Qs。但是对于普通单螺杆挤出机来说，fb一般较小，挤压系统的固体输送率Qs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fb，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0.30.5，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）和巴登苯胺苏打厂（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，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 IKV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fi5fb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fb，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备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，而第一计量段生产率过大将造成排气口的冒料。IKV系统加大了第一阶螺杆的生产率，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、大小来精确调节沟槽的深度，形成适宜的摩擦，获得最佳的输送效率。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，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备这种特性。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精确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，虽然没有精确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。 N=KD2n （2-1）式中 N挤出机的驱动功率，kw D螺杆的直径，cm n螺杆的转速，r/min K系数，它根据实验和统计分析进行确定。根据我国生产的挤出机进行统计，对D90mm挤出机，一般K0.0354；对于D90mm的挤出机，K0.008N=KD2n=0.003544.5250=3.58kw2.2.2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，就是指螺杆的最高转速与最低转速的比值（nmaxnmin）。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、设备的成本和操作是否方便等。在本设计中取挤出机的最大转速为nmax=50rmin。对大多数挤出机来说，其调速范围在1:10内，因此在这里取挤出机的最低转速为nmin=5rmin。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 96161999电机型号额定功率 满载转速 满载电流A功率因素重量Y132-M-4-B357.5144015.40.8581（2）减速器的选择从电机到螺杆的总传动比为i总=n电机额定转速nmax=144050=28.8可选减速箱传动比为i减速箱=20，则皮带轮的传动比为i=1.44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，在这里选择第一种装配形式。螺杆的轴向推力为Pz=99KN940，脆性2 级。2.4.3机筒的结构形式 a b c da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 H=11000Db2LDA （2-2）式中：Db机筒的直径（cm） LD螺杆的长径比 A单位面积的加热功率（Wcm2）,一般取A=34Wcm2在这里，取A=3.8Wcm2，则H=11000Db2LDA=110004.52253.8=6.04kw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备，故较少应用。（2）电阻加热电阻加热是用得最广泛的加热方式，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。铸铝加热器的最大加热温度一股力350370，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：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。 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。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；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（）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-34054502840750.18380或2205.32.6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P=7.5kw，转速n1=1440rmin，皮带传动比i=1.44 （1） 确定计算功率Pc取工作情况系数KA=1.3，故 Pc=KAP=1.37.5=9.75kw （3-3）（2） 选择V带的带型根据Pc和n1，选用基准宽度制SPZ型窄V型带（3）确定带轮的基准直径dd，并验算带速v初选小带轮的基准直径dd1=112mm验算带速vv=dd1n1601000=1121440601000=8.44ms （3-4）因为5msv0.7dd1+dd2=0.7112+160=190.4mm （3-7） a02dd1+dd2=2112+160=544mm （3-8）初定中心距a0=540mm（6）确定带基准长度 Ld0=2a0+2dd1+dd2+dd2-dd124a0 =2540+2112+160+160-11224540=1508.07mm （3-9）取 Ld=1600mm（7）实际中心距aaa0+Ld-Ld02=540+1600-1508.072=585.97mm （3-10）安装时所需最小轴间距 amin=a-0.015Ld=585.97-0.0151600=562mm （3-11）张紧或者补偿伸长所需最大轴间距 amax=a+0.03Ld=585.97+0.031600=633.97mm （3-12）（8）小带轮包角 1180-dd2-dd157.3a=175.31 （3-13）（9） 单根带所能传递的额定功率P0 根据带型、dd1和n1，查的P0=2.77kw（10） 考虑传动比的影响，额定功率的增量P1=0.15（11） V带的根数Z Z=PcP0+P1KKL=9.752.77+0.150.991.01=3.34 （3-14）K-包角修正系数，取K=0.99 KL-带长修正系数，取KL=1.01 取Z=4，需要4根带（12）单根V带的初拉力F0 F0=5002.5K-1PcZv+mv2 =5002.50.99-19.7548.44+0.078.442=220.6N （3-15） -V带单位长度质量，取m=0.07kgm（13）有效圆周力 Ft=1000Pcv=10009.758.44=1155.2N (3-16)作用在轴上的力 FQ=2F0Zsin12=2220.644sin175.312=1763.3N （3-17）Fmax=1.5F0=1.51763.3=2664.95N （3-18）Fmax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 11544-19973.1.2 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dd1,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 d0=38H7=380+0.025mm （3-19）小带轮轮毂直径d1 d1=1.82d=238=76mm （3-20）因电机的伸出轴长度为80mm,故取小带轮长L=80mm小带轮轮槽截面尺寸：基准宽度bd=8.5mm基准线上槽深hamin=2mm基准线下槽深hfmin=9mm槽间距e=120.3mm第一槽对称面至端面的最小距离fmin=7mm轮槽角=381最小轮缘厚度min=5.5mm小带轮轮宽B=Z-1e+2f=4-112+27=50mm小带轮外径da=dd1+2ha=112+22=116mm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d=32mm则大带轮孔径及其偏差d0=32H7=320+0.025mm根据带型SPZ和小带轮基准直径dd1，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S=12mm大带轮轮毂直径d1=1.52d=232=64mm因减速箱的输入轴的伸出长度为80mm,故取大带轮长度L=80mm大带轮轮槽截面尺寸：基准宽度bd=8.5mm 基准线上槽深 hamin=2mm基准线下槽深hfmin=9mm槽间距e=120.3mm第一槽对称面至端面的最小距离fmin=7mm轮槽角=381最小轮缘厚度min=5.5mm大带轮轮宽B=Z-1e+2f=4-112+27=50mm大带轮外径da=dd2+2ha=160+22=164mm 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0.6mm，任意两槽的基准直径差不得大于0.4mm。3.2加料套的设计3.2.1挤出机加料套的设计 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。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L=35D，本设计中取加料套的长度L=5D=225mm。加料套的螺旋角是渐变的，而螺旋角为3050时效果最佳，因此，本设计中取加料套的导程由144mm渐变为80mm。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最佳。加料套螺纹头数M2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110，但是对于小型挤出机来说，沟槽的数目大约是螺杆直径的15，因此，设计加料套的螺纹头数M2=8。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最大尺寸。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H2=2.5mm。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e2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e2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0.5D之间，也即45mm到70mm之间，取螺槽宽度b=6.5mm，则总螺槽宽度为52mm，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 加料套的基本特点：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；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；加料套与内衬焊接后精加工至最后尺寸；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 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L=5D=225mm，因此，根据加料套的长度取加料段长度为L1=3D=315mm。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L2=10D=450mm。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L3=8D=360mm。则螺杆的长度为L=L1+L2+L3=315+450+360=1125mm。螺槽深度及压缩比 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。 H3=KD=0.0445=1.8mm，取K=0.04。 加料段的螺槽深度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，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=2，则加料段的螺槽深度为H1=H3=21.8=3.6mm 螺旋角和螺距S为了设计和方便加工，取S=D=45mm螺旋角=1740 螺杆螺棱法向宽度e1和轴向宽度b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 e=0.1D=0.145=4.5mm b=ecos=4.51740=4.72mm 螺纹头数M=1，单头螺纹 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，它有最大的装填体积，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3-11 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90夹角，用小圆弧过渡，螺槽的容积较大。 螺纹根径处的圆角半径：推力面R1背面R2R1=12H3=121.8=0.9mmR2=2R1=20.9=1.8mm图3-12 螺纹断面形状 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3-13 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R=20mm,结构如图图3-14 螺杆头部结构 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，而且还能将已漏入密封内的物料推回到螺杆的工作部分。图3-15 螺纹尾部密封结构 螺杆整体结构图3-16 螺杆的整体结构图3.3.2螺杆的强度计算及校核（1） 与常规的挤出机的机头压力不同，IKV挤出机的压力峰值一般出现在加料段末端，而且该压力数值较大，因此校核时所取的压力也应该是加料段处的压力，根据经验取螺杆的受到的压力P=50MPa图3-17 螺杆受力分析图（2） 螺杆的轴向力Pz Pz=0.98D2PD2P=0.045250106=99KN （3-21）（3）螺杆的强度计算螺杆与主轴的连接方式：浮动式连接，配合较松，挤出时螺杆可被物料浮起，可以近似为一端固定的悬臂梁，危险断面在加料段螺杆的根径处。轴向力Pz产生的压应力c c=PzA=1.254D2Ds2-d02=PD2Ds2=5010645237.82=69.3Mpa （3-22）螺杆无冷却孔，故d0=0其中Ds为螺杆最小断面的根径，Ds=37.8mm 重力G产生的弯应力b b=L2D+ds2ds3=4.52524.5+3.7827.8510-437.83=12.6MPa （3-23）螺杆的材料比重，钢材取=7.8510-4MPacm扭矩Mn产生的剪应力 =MnWn=9550Nnmax161-d0Ds4=95507.5500.9160.03782=121.6Mpa （3-24）合成应力 =c2+42=69.3+
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