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双螺杆塑料挤出机设计【5张图纸-3A0】【优秀】

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关键词：: 双螺杆塑料挤出机设计图纸

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双螺杆塑料挤出机设计

50页 20000字数+说明书+任务书+开题报告+5张CAD图纸【详情如下】

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0加料斗装配图A1.dwg

0总装图A0.dwg

0螺杆 A2.dwg

0齿轮 A2.dwg

第1章绪论 …………………………………………………………………1

　　1.1 塑料挤出成型概述 …………………………………………………1

　　1.2 塑料挤出成型设备的组成 …………………………………………1

　　1.3 挤出机的分类 ………………………………………………………2

　　　1.3.1 分类方法…………………………………………………………2

　　　1.3.2 各挤出机的结构特点及用途……………………………………2

1.4 设计类型的确定………………………………………………………3

第2章同向啮合双螺杆挤出机 ……………………………………………4

　　2.1 同向啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性 ………………………4

　　2.2 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格 …………………4

第3章同向啮合双螺杆挤出机主要零部件的设计 ………………………7

　　3.1 主螺杆的设计 ………………………………………………………7

　　　3.1.1 螺杆的基本尺寸初步确定 ………………………………………7

　　　3.1.2 螺杆材料的选择 …………………………………………………8

　　　3.1.3 螺杆设计计算 ……………………………………………………8

　　　3.1.4 螺杆的强度校核与计算 …………………………………………11

　　　3.1.5 螺杆的技术要求 …………………………………………………13

　　　3.1.6 螺杆传动系统及止推轴承布置设计 ……………………………13

　　3.2 机筒的设计 …………………………………………………………14

　　　3.2.1 机筒的结构类型选择及特性 ……………………………………14

　　　3.2.2 机筒的结构尺寸设计 ……………………………………………15

　　　3.2.3 机筒的材料选择 …………………………………………………15

　　3.3 螺杆与机筒的配合要求 ……………………………………………16

　　　3.3.1 螺杆与机筒的配合间隙 …………………………………………16

　　　3.3.2 螺杆与机筒的对中性 ……………………………………………17

　　3.4 送料螺杆的设计 ……………………………………………………17

　　3.5 分流板及过滤网 ……………………………………………………18

　　　3.5.1 分流板 …………………………………………………………18

　　　3.5.2过滤网 ……………………………………………………………18

　　3.6 料斗的设计 …………………………………………………………19

　　3.7 挤出机电机的选择 …………………………………………………19

　　3.8 传动系统的设计 ……………………………………………………19

　　　3.8.1 传动方案的确定 ………………………………………………19

　　　3.8.2 齿轮参数 ………………………………………………………20

　　　3.8.3 齿轮轴的确定 …………………………………………………26

　　　3.8.4 轴承寿命校核 …………………………………………………38

　　　3.8.5 键的校核 ………………………………………………………39

　　　3.8.6 箱体的设计 ……………………………………………………41

第4章双螺杆挤出机辅助系统设计 ………………………………………43

4.1 定量给料系统…………………………………………………………43

4.2 恒温系统………………………………………………………………43

4.3 真空排气系统…………………………………………………………43

4.4 电气控制系统…………………………………………………………43

4.4.1 直流调速系统……………………………………………………44

4.4.2 加热控制系统……………………………………………………44

结论 ………………………………………………………………………46

参考文献 ………………………………………………………………………47

致谢 ………………………………………………………………………48

摘要

　　　本文是关于工业用塑料聚合物双螺杆挤出机的设计。在工业上和实验室中，单螺杆和双螺杆挤出机都应用极其普遍，是塑料加工设备的重要元部件之一。作为工业中使用的双螺杆挤出机，在设计过程中，除了要求能够完成固体输送、增压、熔融、熔体输送和泵压等一系列通用过程以外，还要求涉及到复合塑料与聚合物颗粒之间的混合，以及物料喂料量的控制。物料喂料量的控制则是通过控制主螺杆及其辅助喂料螺杆的转速来完成的。同时，双螺杆挤出机具有分布混合和分散混合效果良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适合聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。有利于增加挤出机的挤出产量，提高塑化质量。

　　　关键词：双螺杆挤出机；塑料；同向啮合

第3章同向啮合双螺杆挤出机主要零部件的设计

　　　同向啮合双螺杆挤出机主要零部件包括螺杆、机筒、分流板、过滤网、料斗及料斗传输螺杆、电机、减速器等装置。

3.1 主螺杆的设计

　　　螺杆是挤出机的核心部分，是输送、塑化塑料的最重要部件。其结构性能将直接影响挤出机的生产率、塑化混合质量和能量消耗。

　　　由于聚氯乙烯（PVC）为非结晶型高聚物，它从玻璃化温度到粘流温度的温度范围较大，其熔融过程是在一个比较长的距离后才能全部熔融，出于制造成本和胶料的均匀混炼和塑化考虑，采用渐变型普通螺杆，螺纹断面形状为矩形。

3.1.1 螺杆的基本尺寸初步确定

　　　螺杆的螺纹长度为：L=30D=30×72=2160mm

　　　根据实践经验，螺杆三段长度的分配如表3.1。

　　　　　表3.1 长度分配比例表

塑料类型加料段压缩段计量段

非结晶型塑料10%~25%全长55%~65%全长22%~25%全长

结晶型塑料60%~65%全长1~2 螺距25%~35%全长

　　　所以：加料段=（10%~25%）L，取 =0.15L=0.12×2160=259mm

　　　压缩段=（55%~65%）L，取 =0.6L=0.65×2160=1404mm

　　　计量段=（22%~25%）L，取=0.25L=0.23×2160=497mm

　　　螺杆压缩比。因压缩比的确定非常复杂，目前国内根据经验选取。对塑料而言，螺杆几何压缩比大多数为2~5,根据常用塑料螺杆的几何压缩比表，选取螺杆压缩比：ε=3

为了加工方便，等距螺杆取S=D

螺距S： S=D=72mm

螺纹头数： i=1

1.2塑料挤出成型设备的组成

　　　一套完整的挤出设备由主机、辅机及控制系统组成。

　　　挤出机是塑料挤出成型的主要设备，即主机。由挤压系统、传动系统及加热冷却系统和主机控制系统组成。

（1）挤压系统由机筒、螺杆和料斗组成，是挤出机的核心工作部分。

（2）传动系统由电机、调速装置和传动装置组成。作用是给螺杆提供所需转速和扭矩。

（3）加热冷却系统由温控设备组成。作用是通过对机筒进行加热和冷却，以保证挤出系统成型在工艺要求的温度范围内进行。

　　（4）控制系统主要由仪表、电器及执行机构组成。作用是调节控制机筒温度、机头压力和螺杆转速。

挤出机需配置相应的辅助机械设备才能实现挤出成型。根据制品的种类确定辅助设备的组成。通常包括：机头、冷却系统、定量给料系统、电气控制系统、真空排气系统等。

　　　控制系统由各种电器、仪表及执行机构组成。根据自动化水平的高低，可控制挤出机、辅机的拖动电机及其他各种执行机构按所需的速度、功率和轨迹运行监控主辅机的流量、温度及压力，最终实现对整个挤出成型设备的自动控制和对产品质量的控制。

1.3 挤出机的分类

1.3.1 分类方法

　　　随着挤出机的广泛应用和不断的发展，出现了各种类型的挤出机，其分类方法各异，主要有以下几种：

　　　按装置位置分为立式挤出机和卧式挤出机。

　　　按可否排气分为排气挤出机和非排气挤出机。

　　　按螺杆转速分为普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机

　　　按螺杆数目的多少和结构分为无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。

　　　按用途可分为配混造粒挤出机和生产制品用挤出机。

QQ截图20130802180503.gif

双螺杆塑料挤出机设计.gif

内容简介：: 湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料本科毕业设计（论文）中期报告填表日期： 2010 年 5月10 日学院(部)机械工程学院班级机械工程及自动化062班学生姓名苏志远课题名称：双螺杆挤出机课题主要任务：（1）设计生产PVC的双螺杆挤出机；（2）写出设计过程的说明书；（3）画出总装图和主要零部件的CAD图纸；1、简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果查阅相关资料，分析所给题目的要求，了解双螺杆挤出机工作原理，选择合适的设计型号并写出设计过程说明书，并初步修改。2、下一步的主要研究任务，具体设想与安排完成设计图纸，总装图1张，主要零、部件4-5张，继续完善设计说明书。交指导老师评阅，再修改。3、存在的具体问题设计说明书完成过程有大量计算，出现了很大的困难。图形的绘制比较困难。很多细节上的东西考虑不到位。 4、指导教师对该生前期研究工作的评价指导教师签名：日期： 11湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料 2010届毕业设计（论文）课题任务书学院（部）：机械工程学院专业：机械工程及自动化指导教师林益平学生姓名苏志远课题名称72MM双螺杆塑料挤出机内容及任务设计内容 72MM双螺杆塑料挤出机设计任务（1）设计说明书按学校的模板格式撰写设计说明书，设计说明书正文部分（从第1章到致谢）不少于40页。（2）绘制设计图纸采用AutoCAD(2006以下版本)绘制二维图纸，并鼓励采用三维软件绘图。绘制总装图1张，部装图、零件图若干。图纸总量相当于A0图纸3张。拟达到的要求或技术指标技术指标双螺杆直径（72MM）设计要求：用于PVC的混合、改性，最大产量为200Kg/h，最高转速为260r/min要求（1）设计计算准确，计算结果修正合理，设计方案可行。（2）设计说明书叙述清楚、文字通顺、表达准确、书写工整，技术术语符合标准，说明书字数达到或超过任务书的规定。（3）设计说明书中的参考文献总数（含书籍）不少于10篇（本），其中应引用5篇以上的中文学术论文，1篇以上的外文学术论文，并严格按模板格式在文中引用处加以标注。（4）设计图纸符合国家标准，布图合理、图面整洁、美观，图纸数量达到任务书的规定；（5）设计计算与图纸均为独立完成，无相互抄袭痕迹。进度安排起止日期工作内容2009-2010学年第1学期第1820周写开题报告2009-2010学年第2学期第1到4周实习第5到8周编写设计说明书、绘草图，中期检查第9到12周绘装配图、零件图，输出说明书、图纸第13周作好答辩前的准备工作第14周毕业答辩主要参考资料1.工程制图赵大兴主编高等教育出版2.机械原理（第七版）郑文纬、吴克坚主编高等教育出版社3.机械设计（第八版）濮良贵、纪名刚主编高等教育出版社4.机械设计手册成大先主编化学工业出版社5液压与气动技术许福玲等主编机械工业出版社6.工程材料与成形技术基础庞国星主编机械工业出版社7.塑料成型工艺与模具设计齐晓杰主编机械工业出版社系（教研室）意见签名：年月日学院（部）主管领导意见签名：年月日 - 2 -湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料湖南工业大学本科毕业设计（论文）开题报告（2010届）学院（部）：机械工程学院专业：机械工程及自动化学生姓名：苏志远班级：机工062 学号06405600206 指导教师姓名：林益平职称教授 2010年元月 15 日- 11 -题目：双螺杆塑料挤出机1. 双螺杆塑料挤出机设计概述1.1双螺杆塑料挤出机概述塑料挤出成型是在挤出机中通过加热、加压而使塑料以及熔融流动状态连续通过口模成型的方法，或简称为挤塑。挤出成型是聚合物加工中出现较早的一门技术,在19世纪初已有使用。挤出成型可加工的聚合物种类很多,制品更是多种多样,成型过程也有许多差异，比较常见的是以固体块状加料挤出制品的过程。双螺杆塑料挤出机有主机，机头和辅机组成。其中主机是核心部分，由传动系统，挤压系统，加热冷却系统，控制系统组成。其挤出成型过程为:将颗粒状或粉状的固体物料加入到挤出机的料斗中,挤出机的料筒外面有加热器,通过热传导将加热器产生的热量传给料筒内的物料,温度上升,达到熔融温度。机器运转,料筒内的螺杆转动,将物料向前输送,物料在运动过程中与料筒、螺杆以及物料与物料之间相互摩擦、剪切,产生大量的热,与热传导共同作用使加入的物料不断熔融,熔融的物料被连续、稳定地输送到具有一定形状的机头(或称口模)中。通过口模后,处于流动状态的物料取近似口型的形状,再进入冷却定型装置,使物料一面固化,一面保持既定的形状,在牵引装置的作用下,使制品连续地前进,并获得最终的制品尺寸。最后用切割的方法截断制品,以便储存和运输。加料挤出系统整体方案设计双螺杆挤出机有啮合型的，也有非啮合型的；啮合型的又分同向旋转的和异向旋转的；异向旋转啮合型双螺杆又有平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机之分。主要考虑的参数是双螺杆直径（72MM）、中心距、长径比、螺杆转数范围、功耗、挤出量、螺杆轴向推力。1.2 挤出系统设计1.2.1 螺杆设计（1）螺杆元件的设计根据实现功能的不同，可将螺杆元件分为输送元件（它由螺纹元件组成，可有不同的螺纹头数和导程），剪切元件（主要是捏合盘及其组成），混合元件（主要是齿形元件等）。（2）螺杆局部构型设计整根螺杆的组合分两个方面：一是完成不同局部功能的各种螺杆区段（即局部构型）设计；二是针对整个挤出过程完成的任务，整跟螺杆的组合设计。（3）螺杆机械结构设计双螺杆的结构设计包括芯轴、螺杆轴、螺杆元件的设计以及各种螺杆元件的类型、数量及如何装配在一起等总体规划设计。（4）螺杆的材质及热处理螺杆材质的选自要考虑强度、耐磨度、耐腐蚀等问题，国内双螺杆挤出机厂家一般用合金结构钢，制成螺杆后氮化处理，氮化层厚度一般0.3-0.5mm。1.2.2 机筒设计根据挤出过程和工艺的需要，将不同功能，不同结构形状的若干机筒段用不同的方法把它们组合成一根整体机筒，与相应的组合螺杆装在一起，成为挤压系统。1.3 传动系统设计双螺杆挤出机传动系统的作用是在设定的工艺条件下，向两根螺杆提供合适的转数范围、稳定而均匀的速度、足够且均匀相等的扭矩（功率），并能承受挤出过程中所产生的巨大的螺杆轴向力。下图是德国某公司的传动箱的内部结构。传动系统（1）主驱动电动机选型常用的电机有直流电动机、交流变频调速电机、滑差电机、整流子电机，其中以直流电机和交流变频调速电机居多。（2）传动箱设计双螺杆挤出机的传动箱由两部分组成，即减速部分和扭矩分配部分。这两部分虽然功能不同，但联系紧密，有时互相制约。根据目前流行的结构看，其布置设计主要分两种：一种是将减速部分和扭矩分配部分很明显的分开，即分离式;一种是将两者和在一起。追求的目标总的来说是实现规定的螺杆转数（范围）、螺杆旋转方向、扭矩均匀分配、轴承合理布置的前提下，通过传动方案的确定和结构设计，采取措施，降低齿轮负载，抵消或减小传动齿轮的径向载荷，传递更大的功率和轴向力，提高轴承的寿命，装配维修方便。1.4 双螺杆挤出机辅助系统设计（1）压力调节装置挤出过程中沿螺杆轴向方向的压力分布是挤出过程的操作因变量之一，它会影响能量的转换和混合效果，沿螺杆方向的压力分布跟螺杆构型、物料特征与操作条件有关。（2）排气系统双螺杆挤出机一般都设有排气系统，用于将挤出过程中物料中的空气、残留单体、低分子挥发物、溶剂、反应生成物中的气体排出。排气效果的好坏，排气口冒不冒料，与排气系统各组成部分的合理设计与匹配有很大关系。（3）加料系统双螺杆挤出机一般使用计量加料，有时也采用溢流加料，强制加料。所谓计量加料，就是加料装置给挤出系统加多少料，挤出系统就挤出多少料。挤压系统的挤出量与螺杆转数无关。加料系统的调速电机可以采用直流电机，也可以采用变频调速电机，计量方式有体积计量、失重计量、称重计量。（4）加热冷却系统挤出过程物料要吸热变成粘流态才能完成挤出，一般的加热方式是电加热和载体加热。冷却有风冷，油冷、水冷。（5）安全保护系统双螺杆挤出机设有很多安全装置，如螺杆扭矩过载保护，止推轴承过载保护，计量加料装置和主机联锁，润滑系统保护。2 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案2.1 选题依据当今世界四大材料体系（木材、硅酸盐、金属和聚合物）中，聚合物和金属是应用最广泛和最重要的两种材料。据统计，在塑料制品成型加工中，挤出成型制品的产量大约占整个塑料制品产量的50%以上。其中不仅包括板、管、膜、丝、和型材等制品的直接成型，还包括热成型、中空吹塑等坯料的挤出加工。除此之外，在填充、共混、改性等复合材料和聚合物合金生产过程中，螺杆挤出很大程度上取代了密炼、开炼等常规工艺。挤出机几乎成为任何一个塑料有关公司或研究所最基本的装备之一。挤出成型有如此发展趋势主要原因为：螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程，如固体输送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。近年来，挤出工程的创新表现，更多的过程，如发泡、胶联、接枝、嵌段、调节相对分子质量甚至聚合反应等化学加工过程都愈来愈多地在螺杆挤出机上进行。螺杆挤出工艺装备逐步取代了一些由多台经典化工装备组成的生产线。连续生产代替间歇生产，必然有较高的生产率和较低的能耗，减少生产面积和操作人员数量，降低生产成本，也易于实现生产自动化，创造好的劳动条件和减少少的环境污染。与此同时，螺杆的搅拌作用也提高了混合质量。正因如此，螺杆挤出这种工艺不仅广泛地用于聚合物加工，而且在建材、食品、纺织、军工、和造纸等工业部门中都得到了愈来愈多的应用。2.2 主要研究内容双螺杆挤出机最重要的部分是挤出系统和传动系统，要着重设计螺杆和机筒以及两者的配合，这个设计要自主设计传动系统，要独立设计调速装置。2.3 研究思路及方案同向啮合双螺杆挤出机与单螺杆挤出机一样，承担输送、塑化、混合和混炼聚合物的工作，但在工作上与单螺杆挤出机有许多不同点。同向啮合双螺杆挤出机表现为物料的正位移输送特性。所谓正位移输送特性是这移动的外部表面物质置换了系统中的部分液体的输送方式。啮合同向双螺杆挤出机必须纵向开放，否则螺杆会因为发生干涉而不能正常啮合。意味着螺槽的宽度一定要大于螺棱的宽度，在纵向留下一定的输送物料的通道。纵向开放程度越大，正位移输送能力损失也越多，此时摩擦拖曳和粘性拖曳所起的作用越大。但是无论开放程度多大，物料沿螺槽流动时在螺棱出仍然受阻而改变方向，因此具有一定的正位移输送能力。由于螺槽纵向开放，由加料口到机头，两螺杆间有一通道，当物料由加料口加到一根螺杆上后，物料在摩擦拖曳作用下沿着这跟螺杆的螺槽向前输送物料至下方的楔形区，在这里物料会受到一定的压缩。因螺棱比螺宽窄，那么另一根螺杆的螺棱不会把物料向前输送的道路堵死。两根螺杆在楔形区有大小相等、方向相反的速度梯度，因此物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进而被另一螺杆托起，在挤出机机筒表面的摩擦拖曳下沿另一根螺杆的螺槽向前输送。由于同向双螺杆挤出机具有分布混合及分散混合良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适用于聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。并且本次设计的挤出机主要用于复合塑料挤出，因此应设计同向啮合双螺杆挤出机。3.工作进度及具体安排2009-2010学年第1学期第1820周写开题报告2009-2010学年第2学期第1到4周实习第5到8周编写设计说明书、绘草图，中期检查第9到12周绘装配图、零件图，输出说明书、图纸第13周作好答辩前的准备工作第14周毕业答辩4.指导教师意见指导教师：年月日说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效。湖南工业大学本科毕业设计（论文）目录第1章绪论 11.1 塑料挤出成型概述 11.2 塑料挤出成型设备的组成 11.3 挤出机的分类 21.3.1 分类方法21.3.2 各挤出机的结构特点及用途2 1.4 设计类型的确定3第2章同向啮合双螺杆挤出机 42.1 同向啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性 42.2 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格 4第3章同向啮合双螺杆挤出机主要零部件的设计 73.1 主螺杆的设计 73.1.1 螺杆的基本尺寸初步确定 73.1.2 螺杆材料的选择 83.1.3 螺杆设计计算 83.1.4 螺杆的强度校核与计算 113.1.5 螺杆的技术要求 133.1.6 螺杆传动系统及止推轴承布置设计 133.2 机筒的设计 143.2.1 机筒的结构类型选择及特性 143.2.2 机筒的结构尺寸设计 153.2.3 机筒的材料选择 153.3 螺杆与机筒的配合要求 163.3.1 螺杆与机筒的配合间隙 163.3.2 螺杆与机筒的对中性 173.4 送料螺杆的设计 173.5 分流板及过滤网 183.5.1 分流板 183.5.2过滤网 183.6 料斗的设计 193.7 挤出机电机的选择 193.8 传动系统的设计 193.8.1 传动方案的确定 193.8.2 齿轮参数 203.8.3 齿轮轴的确定 263.8.4 轴承寿命校核 383.8.5 键的校核 393.8.6 箱体的设计 41第4章双螺杆挤出机辅助系统设计 43 4.1 定量给料系统43 4.2 恒温系统43 4.3 真空排气系统43 4.4 电气控制系统43 4.4.1 直流调速系统44 4.4.2 加热控制系统44结论 46参考文献 47致谢 48摘要本文是关于工业用塑料聚合物双螺杆挤出机的设计。在工业上和实验室中，单螺杆和双螺杆挤出机都应用极其普遍，是塑料加工设备的重要元部件之一。作为工业中使用的双螺杆挤出机，在设计过程中，除了要求能够完成固体输送、增压、熔融、熔体输送和泵压等一系列通用过程以外，还要求涉及到复合塑料与聚合物颗粒之间的混合，以及物料喂料量的控制。物料喂料量的控制则是通过控制主螺杆及其辅助喂料螺杆的转速来完成的。同时，双螺杆挤出机具有分布混合和分散混合效果良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适合聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。有利于增加挤出机的挤出产量，提高塑化质量。关键词：双螺杆挤出机；塑料；同向啮合1ABSTRACTThis paper is about the design of plastic polymer single-screw extruder that used in industry.The single-screw extruder is extensively used in the fields of industry and experiment,and it is one of the important units of polymer processing equipment.As a single-screw extruder used in industry,it requires to complete a series of general process such as transportation of solid,increase of pressure,melt,transportation of melt.Besides,it refers to mix the composite plastics and polymer grain,and the control of the material feed quantity.These are the innovations in this design.On the base of the design of common single-screw extruder,i increased two auxiliary feed screws which are used to transportate materials of composite plastics and used it to mix kinds of plastics.The control of the quantity of material feed is done by the control of the chief screw and the speed of auxiliary feed screws.Meanwhile,i used twin wedge-shaped thread section in the design of screw thread section.This is good to increase the outcome of the extruder, and to improve the quality of plasticity comparing with common tectangular thread section.Keyword: Single-screw Extruder; plastics; Industry第1章绪论1.1 塑料挤出概述当今世界四大材料体系（木材、硅酸盐、金属和聚合物）中，聚合物和金属是应用最广泛和最重要的两种材料。据统计，在塑料制品成型加工中，挤出成型制品的产量大约占整个塑料制品产量的50%以上。其中不仅包括板、管、膜、丝、和型材等制品的直接成型，还包括热成型、中空吹塑等坯料的挤出加工。除此之外，在填充、共混、改性等复合材料和聚合物合金生产过程中，螺杆挤出很大程度上取代了密炼、开炼等常规工艺。挤出机几乎成为任何一个塑料有关公司或研究所最基本的装备之一。挤出成型有如此发展趋势主要原因为：螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程，如固体输送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。近年来，挤出工程的创新表现，更多的过程，如发泡、胶联、接枝、嵌段、调节相对分子质量甚至聚合反应等化学加工过程都愈来愈多地在螺杆挤出机上进行。螺杆挤出工艺装备有较高的生产率和较低的能耗，减少生产面积和操作人员数量，降低生产成本，也易于实现生产自动化，创造好的劳动条件和减少少的环境污染。螺杆挤出这种工艺不仅广泛地用于聚合物加工，而且在建材、食品、纺织、军工、和造纸等工业部门中都得到了愈来愈多的应用。双螺杆挤出机与单螺杆挤出机相比，能使熔体得到更加充分的混合，应用更广。1.2塑料挤出成型设备的组成一套完整的挤出设备由主机、辅机及控制系统组成。挤出机是塑料挤出成型的主要设备，即主机。由挤压系统、传动系统及加热冷却系统和主机控制系统组成。（1）挤压系统由机筒、螺杆和料斗组成，是挤出机的核心工作部分。（2）传动系统由电机、调速装置和传动装置组成。作用是给螺杆提供所需转速和扭矩。（3）加热冷却系统由温控设备组成。作用是通过对机筒进行加热和冷却，以保证挤出系统成型在工艺要求的温度范围内进行。（4）控制系统主要由仪表、电器及执行机构组成。作用是调节控制机筒温度、机头压力和螺杆转速。挤出机需配置相应的辅助机械设备才能实现挤出成型。根据制品的种类确定辅助设备的组成。通常包括：机头、冷却系统、定量给料系统、电气控制系统、真空排气系统等。控制系统由各种电器、仪表及执行机构组成。根据自动化水平的高低，可控制挤出机、辅机的拖动电机及其他各种执行机构按所需的速度、功率和轨迹运行监控主辅机的流量、温度及压力，最终实现对整个挤出成型设备的自动控制和对产品质量的控制。1.3 挤出机的分类1.3.1 分类方法随着挤出机的广泛应用和不断的发展，出现了各种类型的挤出机，其分类方法各异，主要有以下几种：按装置位置分为立式挤出机和卧式挤出机。按可否排气分为排气挤出机和非排气挤出机。按螺杆转速分为普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机按螺杆数目的多少和结构分为无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。按用途可分为配混造粒挤出机和生产制品用挤出机。1.3.2 各挤出机的结构特点及用途（1）单螺杆挤出机单螺杆挤出机，造价低、易操作，但塑料混合、分散和均化效果差，滞留时间长且分布广，物料温差较大（指同一断面处）和难以吃粉料。因此，它只适用于一般性造粒和塑料制品的加工。（2）同向双螺杆挤出机双螺杆挤出机的特征是两根相互平行的组合式螺杆装在具有8字形孔的机筒内。如果两根螺杆旋转方向相同，称为同向型双螺杆挤出机。根据两根螺杆的啮合型式不同，可分为啮合型和非啮合型两种，常用的为啮合型。选用双螺杆挤出机的优越性：生产能力大，根据理论计算，在同螺杆直径下，双螺杆挤出机生产量能达到单螺杆挤出机的4倍（实测为24倍）。能耗低，双螺杆挤出机的单位能耗仅约为单螺杆挤出机的1/31/2左右。产品质量好，由于双螺杆挤出机的塑化、混炼性能好，在保证产品强度的条件下，原材料的消耗量下降约1/41/5。双螺杆挤出机在欧美国家中应用的比例：管材 100% 板材 90%造粒 100% 异型材 80% 平膜片材 90% 发泡材 60%70% 同向双螺杆挤出机的显著特点是高效能和多功能。高效能集中于高混炼、高扭矩、低能耗，特别适合工程塑料的共混改性、填充、增韧、增强。多功能表现为螺杆的多种功能的组合，组成不同功能的螺杆形式，以适应不同塑料、树脂的挤出，特别是高性能对树脂和塑料合金的加工。（3）异向双螺杆挤出机异向双螺杆挤出机的显著特点是：物料的输送能力和挤出能力比同向双螺杆挤出机的强，在同螺杆直径下，挤出量比同向挤出机一般高1倍左右，物料在机筒内的滞留时间比同向机要短，并且剪切发热小，温差小，物料温度分布十分均匀，物料分散充分。（4）锥形双螺杆挤出机双螺杆是异向啮合。（5）多螺杆挤出机我国已开发出四螺杆反应混炼机。它综合了捏合机、螺杆挤出机、缩聚反应器、混炼机、研磨机的特点。1.4 设计类型的确定现在在工业生产中复合塑料的应用范围很广，本次设计的挤出机要可以对塑料混合、改性，主要用于生产以聚氯乙烯（PVC）为主料的复合塑料。由于同向双螺杆挤出机具有分布混合及分散混合良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适用于聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。并且本次设计的挤出机主要用于复合塑料挤出，因此应设计同向啮合双螺杆挤出机。第2章同向啮合双螺杆挤出机2.1 同向啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性同向啮合双螺杆挤出机与单螺杆挤出机一样，承担输送、塑化、混合和混炼聚合物的工作，但在工作上与单螺杆挤出机有许多不同点。同向啮合双螺杆挤出机表现为物料的正位移输送特性。所谓正位移输送特性是这移动的外部表面物质置换了系统中的部分液体的输送方式。啮合同向双螺杆挤出机必须纵向开放，否则螺杆会因为发生干涉而不能正常啮合。意味着螺槽的宽度一定要大于螺棱的宽度，在纵向留下一定的输送物料的通道。纵向开放程度越大，正位移输送能力损失也越多，此时摩擦拖曳和粘性拖曳所起的作用越大。但是无论开放程度多大，物料沿螺槽流动时在螺棱出仍然受阻而改变方向，因此具有一定的正位移输送能力。由于螺槽纵向开放，由加料口到机头，两螺杆间有一通道，当物料由加料口加到一根螺杆上后，物料在摩擦拖曳作用下沿着这跟螺杆的螺槽向前输送物料至下方的楔形区，在这里物料会受到一定的压缩。因螺棱比螺宽窄，那么另一根螺杆的螺棱不会把物料向前输送的道路堵死。两根螺杆在楔形区有大小相等、方向相反的速度梯度，因此物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进而被另一螺杆托起，在挤出机机筒表面的摩擦拖曳下沿另一根螺杆的螺槽向前输送。2.2 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格螺杆直径螺杆直径：即螺杆的外径，它是挤出机的重要参数，一般用D表示，单位为mm，它表征挤出机挤出量的大小。在设计或选用挤出机前，一般挤出机生产能力及转速已经确定，螺杆直径的选取主要是根据挤出机的产量来确定设计参数：生产以聚氯乙烯（PVC）为主料的复合塑料，最大产量为 200Kg/h，最高转速为260r/min。根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)和螺杆直径系列标准，取螺杆公称直径:D=72mm。螺杆中心距公称尺寸双螺杆中心距公称尺寸。指平行布置两螺杆中心的距离，用a表示，单位为mm。根据螺杆直径、螺杆计量段螺纹槽深度和计量段啮合程度确定。螺杆长径比螺杆长径比。（L/D）来表示，即螺杆有效螺纹部分长度L与螺杆外径D之比，它可以表征螺杆的塑化能力和塑化质量，用（L/D）来表示，如下图2.1所示：图2.1 螺杆示意图现代塑料挤出工业螺杆长径比较早期螺杆大，国内应用较多的长径比一般范围是2025，多采用25，最长可达40乃至更高。螺杆长径比的增加有如下好处：（1）螺杆加压充分，能提高塑料制品的物理机械性能。（2）提高塑化质量，制品外观质量好。（3）有利于类似于PVC粉料挤管的成型。（4）螺杆特性曲线斜率小，挤出量稳定，挤出量可以提高20%40%。但螺杆长径比与很多因素有关，因此可以根据加工条件和实际需要再由试验确定，还可以由统计类比的方法来确定。国产同向旋转挤出机的主要技术参数表(JB/T 5420-91)显示生产能力为300kg/h的螺杆挤出机螺杆长径比 L/D=2832，取 L/D=30。螺杆转速要求及范围螺杆转速范围：用（最高转速）（最低转速）表示，其单位是r/min。对挤出机速度要求有两方面，既能实现无级调速又要有一定的调速范围。要求实现无级调速的目的是容易控制挤出质量并与辅机的一致配合；要求有一定的调速范围的目的是为了适应多种加工物料及满足多种工艺要求。在实际生产中，因挤出机开始工作时，机头压力容易出现超常值，所以螺杆转速应缓慢增至工作要求速度；当螺杆运转平稳后，由于加工的原料、制品及生产能力不同要求，要保证质量提高产量，除控制温度、压力等条件外，主要是靠改变螺杆转速进行控制调节。因此，要求螺杆转速在一定范围内可调。多数挤出机的调速范围在1：6，对通用性大的小规格挤出机调速范围可达到1：10，根据经验，确定螺杆转速范围为： n=50260r/min挤出机功率的确定驱动电机功率.用P表示，单位为千瓦（KW）。它表征挤出机的驱动能力。挤出机螺杆消耗的功率所涉及的因素是多方面的。双螺杆挤出机功率的确定通常是根据经验选取，根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)选取挤出机主电机功率:P=55KW.挤出机加热功率的确定挤出机加热功率是指机筒加热功率：用H表示，单位为千瓦（KW）它表示了挤出机的加热能力。通常情况下按机筒的内表面积计算加热功率： H=41.1KW式中 H机筒加热功率，单位为KW；机筒内直径，单位为mm； A单位面积的加热功率，W/。A值根据各种塑料性能靠经验选定，取A=5.5 W/。第3章同向啮合双螺杆挤出机主要零部件的设计同向啮合双螺杆挤出机主要零部件包括螺杆、机筒、分流板、过滤网、料斗及料斗传输螺杆、电机、减速器等装置。3.1 主螺杆的设计螺杆是挤出机的核心部分，是输送、塑化塑料的最重要部件。其结构性能将直接影响挤出机的生产率、塑化混合质量和能量消耗。由于聚氯乙烯（PVC）为非结晶型高聚物，它从玻璃化温度到粘流温度的温度范围较大，其熔融过程是在一个比较长的距离后才能全部熔融，出于制造成本和胶料的均匀混炼和塑化考虑，采用渐变型普通螺杆，螺纹断面形状为矩形。3.1.1 螺杆的基本尺寸初步确定螺杆的螺纹长度为：L=30D=3072=2160mm根据实践经验，螺杆三段长度的分配如表3.1。表3.1 长度分配比例表塑料类型加料段压缩段计量段非结晶型塑料10%25%全长55%65%全长22%25%全长结晶型塑料60%65%全长12 螺距25%35%全长所以：加料段=（10%25%）L，取 =0.15L=0.122160=259mm压缩段=（55%65%）L，取 =0.6L=0.652160=1404mm计量段=（22%25%）L，取=0.25L=0.232160=497mm螺杆压缩比。因压缩比的确定非常复杂，目前国内根据经验选取。对塑料而言，螺杆几何压缩比大多数为25,根据常用塑料螺杆的几何压缩比表，选取螺杆压缩比：=3 为了加工方便，等距螺杆取S=D 螺距S： S=D=72mm 螺纹头数： i=1螺纹升角：=arctan=arctan= 螺棱法向宽度e：根据对紧密共轭齿廓的要求和齿轮传动啮合基本原理，考虑到螺杆制造和安装方便，同时为了更好的对物料进行充分混合，把螺杆设计成接近共轭型，取螺棱法向宽度为： e=30mm 螺棱轴向宽b：b=e/Cos=30/Cos=12.6mm 螺槽法向宽E：E=SCos30=72Cos30=38.7mm 螺槽轴向宽B：B=Db=7231.4=40.6mm螺杆与机筒间隙=0.3mm 3.1.2螺杆材料的选择螺杆工作时不仅所受扭矩较大，而且是在高温、高压下工作。因螺杆要与机筒配合工作，所以还要受到机械摩擦磨损、刮磨及塑料摩擦的作用，某些塑料还会有较强的化学腐蚀作用。所以螺杆可能产生扭断、因磨损严重而与机筒间隙增大使产量降低等失效形式。根据以上螺杆的实际工况，要保证螺杆能正常工作，必须选择合适的材料。其材料性能要求为：机械性能好，耐磨性能好，耐腐蚀性能好，加工性能好。由于38CrMoA1综合性能好且是挤出机螺杆应用最广泛的材料，因此选择38CrMoA1作为螺杆的材料。3.1.3螺杆设计计算到此已知螺杆参数为：最高转速：最高产量：G=200Kg/h螺杆直径：D=72mm 螺距S： S=72 mm长径比： L/D=30螺槽法向宽度：E=38.7mm螺槽轴向宽度：B=40.6mm螺棱法向宽度：e=30mm螺棱轴向宽度：b=31.4mm螺纹升角：=查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆积密度为固相密度液相密度熔池温度由于双螺杆挤出机的理论很不成熟，加之螺杆啮合部分容积相对于整个螺杆来说很小，故可以把双螺杆看成两根单螺杆进行计算，然后做一定的因双螺杆啮合带来数据校正。（1）计算熔融速率。为了保证稳定的挤出过程，熔体输出量、固体输送量和固体熔融量应该平衡。即：式中固体输送量；单位面积熔融速率；固体粒料与机筒的接触面积；熔体密度；熔体输出量；取螺杆转速下塑料的输出量为：G=200Kg/h =估算面积A。由于螺杆啮合部分没有机筒对物料进行加热，但螺纹啮合处没有机筒部分占整个机筒的比例较小，因此机筒的总面积约为1.8,其中螺槽占56.3%，假设其中固体与熔体塑料各占一半，则固体总面积A：熔融速率：=0.228（2）计算计量段螺槽深度。为了保证螺杆的硬特性，避免压力波动引起过大的输出量波动，应取较小的值，但为了达到较好的混合质量，又不能取得过小。综合上述原因，取：由得：=由于是双螺杆，则有：= 取（3）验算计量段长度。螺杆的剪切速率为：=当温度为时，由流变曲线得：有上文可知：=令=，由式：得： = 497mm 94.7mm 合格（4）确定加料段螺槽深度。根据常用塑料的几何压缩比表，取：=3 则加料段螺纹槽深度为： =5.72mm 取 =5.7mm 验算压缩比=2.99 正确（5）验算压缩段长度。计算螺槽内固体粒料厚度减小的速率，即形成熔膜的速率, =即固体粒料在压缩段中移动时，在每秒钟移动的距离上螺槽深度的减小量不能超过0.456mm .否则固体粒料来不及完全熔融而堵塞螺槽，引起产量波动。此时固体粒料顺着螺槽的流动速率：=则压缩段顺着螺槽展开的长度:=则压缩段的最小长度为:=1032mm 由于1404mm 1034mm （6）螺杆中心距的确定。考虑到螺杆的安装和物料的混合均匀，又不至于螺杆产生干涉，取螺杆的中心距a:a=70.7mm （6）归纳设计结果。加料段长度：=259mm加料段螺槽深度：=5.7mm压缩段长度：=1404mm计量段长度：=497mm计量段螺槽深度：螺槽轴向宽度：B=40.6mm螺棱轴向宽度：b=31.4mm螺杆中心距a：a =70.7mm 3.1.4 螺杆的强度校核与计算双螺杆挤出机中需要进行强度计算的主要零部件是螺杆和机筒。进行螺杆的强度计算时，必须先确定原始数据。决定螺杆强度的原始数据包括：机头最大压力P、螺杆轴向力及螺杆扭矩。（1）机头压力的确定机头压力可以用理论计算方法和实测方法得到。当螺杆转速增加到一定程度时，实际机头压力与转速的关系并不成正比，在实际生产中常以试验测定机头压力。根据实际生产中产量为200 的国产双螺杆挤出机的机头压力一般为，取：P=40.0MPa（2）螺杆轴向力的确定螺杆轴向力的大小受到物料物理性能、机头压力、螺棱构型、螺杆转速及机筒温度等、因素的影响。螺杆轴向力可按下式计算：式中物料作用在螺杆端面上的总压力，单位为N； =D/4式中螺杆端部的物料压力，单位为MPa，国产挤出机一般取=3050MPa。动载荷产生的附加压力的沿轴向的力的分量，约为的1/81/4，即=（0.1250.25），取：=0.2D/4所以有：= 1.2D/4（3）螺杆冷却孔直径确定由于聚合物在挤出过程中与金属接触面积中有一半在螺杆上，为了避免螺杆过热需在挤出过程中对螺杆进行冷却。取螺杆冷却水孔的直径：（3）螺杆强度的计算螺杆与减速箱传动轴的连接有固定式和浮动式两种。无论是哪种连接方式在进行强度计算时，都将螺杆视为一端固定的悬臂梁。螺杆主要受到物料压力P，克服物料阻力所需的扭矩和螺杆自重G的作用。由于双螺杆的啮合角度很小，所以计算时近似认为螺杆所受径向力大小相对方向相反，可以抵消。螺杆所受轴向力为。由于螺杆轴向弯曲作用较小可忽略不计。螺杆自重G对螺杆产生横向弯曲作用。因此，螺杆所受的综合受力作用为：螺杆轴向力、螺杆扭矩及螺杆自重产生的压、扭、弯的力的组合。由于加料段螺杆的根径较小，承载能力最低，所以强度计算以加料段的根径截面为强度计算、校核截面。由轴向力产生的压应力：=69.5式中轴向力产生的压应力，MPa；螺杆的最小内径端面直径，mm；螺杆冷却水孔直径，mm. 由扭矩产生的剪切应力：=35.8 主电机的最大传递功率，KW; 螺杆的最高转速，r/min。电动机传递效率，此时校核取1；C；螺杆的剪切应力，MPa；由螺杆自重产生的弯曲应力： =式中 L螺杆的有效长度，mm；螺杆材料密度，钢取7.85；由自重产生的弯曲应力，单位MPa；螺杆的合成应力合成应力用第三强度理论计算，其强度条件为：查表得的屈服极限： =有： =71.2MPa65HRC，脆性不大于2级。螺杆外圆极限偏差应符合GB/T1184-1999 h8的规定。螺杆的上、下偏差分别为：上偏差：es=0m 下偏差：ei=39m螺杆全长直线度公差值应符合 GB/T1184-1996 h7的精度等级规定。所以螺杆的直线度公差值为：螺杆外圆：螺纹槽底径的表面粗糙度不大于0.8m，螺棱两侧的表面粗糙度不大于1.6m。3.1.6 螺杆传动系统及止推轴承布置设计设计双螺杆传动系统比较困难的问题是配位齿轮和止推轴承的布置。因受螺杆啮合条件的限制使安装配位齿轮和止推轴承在空间上受到很大的限制。本设计传动系统及止推轴承的布置从机头开始的顺序为：深沟球轴承配位齿轮止推轴承。将止推轴承布置在减速箱之后。双螺杆传动齿轮布置如图3.1。图3.1 齿轮布置图1、2为配位齿轮，c为减速箱输出齿轮。3.2机筒的设计机筒是双螺杆挤出机最重要的部件之一。机筒的结构设计是否合理直接影响到挤出机的热量传递的稳定性及均匀性；机筒的加料段设计影响到塑料固体输送效率；机筒的加工与装配影响挤出机的工作性能和机器寿命。所以，对于挤出机机筒，涉及到其结构形式选择、机筒加料口形式确定及其各段与机头的连接等问题。3.2.1机筒的结构类型选择及特性机筒的结构类型有多种，主要有分段式、整体式、双金属和轴向开槽结构形式。整体式机筒的特点是加工精度容易满足，转配误差小；长径比大，零件数目少；机筒受热均匀，配置加热器不受限制。但整体式机筒对加工设备及加工技术要求较高，且磨损后修复困难。分段式机筒是将机筒分成若干段来加工，各段加工好后通过法兰连接起来。这种机筒加工比较容易，可适应多种长径比的要求，对于长径大的螺杆，因过长的机筒整体难以加工，也配以分段式机筒，但分段多，对中性不易保证，连接法兰也会影响到机筒的加热均匀性。为减少装配困难，分段尽量少。为减少热量损失，法兰尺寸尽可能小。双金属机筒有浇铸式和衬套式两种结构形式。衬套式机筒具有易更换、寿命长、节约贵金属等优点，但其设计、制造、装配都较为复杂。浇铸式机筒的优点是合金层与机筒合为一体，在挤出机机筒的内表面结合均匀，不会脱落或开裂，耐磨性好，寿命长，滑动性好，但成本高。轴向开槽机筒能提高固体输送率，但其结构设计需要综合考虑被加工物料的性能，如物料的大小、几何形状、物料颗粒间的摩擦系数值，颗粒在凹槽中的抗剪切强度，由颗粒组成的楔形结构的抗剪强度，套筒的冷却性能，螺杆的转速，以及与加热机筒的隔热程度等因素。综合上述各种结构类型机筒的优劣以及双螺杆螺杆挤出机的设计要求，选择分段式机筒。3.2.2机筒的结构尺寸设计机筒壁厚的设计，要考虑机筒的强度要求，还要考虑其结构工艺性以及机筒传热效率等因素，使加工容易，传热快且稳定。双螺杆挤出机筒断面形状为型，在综合了经验和理论计算结果的基础上，我国挤出机生产厂家提出了挤出机机筒壁厚的参考值。根据参考值，可选择机筒壁厚h为： h=40mm机筒的内径机筒的外径机筒两孔的中心距为两螺杆中心距，即为70.7mm. 机筒总长度L的确定。查GB/T297-95,选取安装在机筒内深沟球轴承的代号为61810，其内径为50，外径为65mm ,宽为7mm .轴承端盖暂取40mm ,螺杆螺纹端末端到轴承需留一段长度供密封，取该段长度为30mm. 则螺杆的重长度L为：L=2160+7+40+30=2237 mm 取： L=2240mm3.2.3机筒的材料选择工作时机筒受到刮磨、摩擦磨损以及塑料摩擦的作用，一些塑料还会有较强的化学腐蚀作用。普通机筒材料为一般钢材（如45号钢）、铸钢或球磨铸铁。为了提高机筒的耐磨性，国际上的挤出机机筒有采用氮化钢制造，其强度极限约为900MPa。这里我们选择40Cr钢作为机筒的制造材料。机筒的强度计算机筒内部受塑料熔料的压力作用，熔料在机筒内产生的力沿机筒轴向的分布是相当复杂的，各处压力不等。由于机头处压力最大，因此一般取机头压力为计算压力值。进行机筒设计时，用壁厚圆筒理论来对料筒进行强度计算。根据厚壁圆筒的理论，当筒壁内受到物料压力P的作用时，筒壁上各点处于三向应力状态，三向应力分别为：径向应力，轴向应力，切向应力。机筒的内壁处，径向应力和切向应力都达到最大值。径向应力：切向应力：=63.1MPa轴向应力为： =11.6MPa由于机筒为塑性材料，可用第四强度理论进行设计计算和强度校核，机筒壁厚的强度条件为：查表得40Cr的屈服强度极限为540MPa,则：，有：=89.3MPa55HRC，脆性不大于2级。（3）公差：机筒内孔极限偏差：上偏差ES=0.231mm 下偏差EI=0.130mm机筒内孔轴线的直线度公差值应符合GB/T1184-1996 7级的精度规定。则所设计机筒的直线度公差为：（4）机筒内孔：表面粗糙度不大于1.6。3.3 螺杆与机筒的配合要求3.3.1 螺杆与机筒的配合间隙螺杆与机筒的配合间隙值影响到挤出机的功率消耗、生产能力、使用寿命、机器加工成本等问题。取值过大，加工、装配比较容易容易，但生产能力会降低，塑料原料在机筒内的停留时间难以控制，甚至会造成热分解。如果取值过小，功率消耗大，加工、装配困难，且易使螺杆和机筒发生磨损，降低挤出机使用寿命。螺杆与机筒之间的间隙值可按JB1291-73来选取。则设计的双螺杆挤出机的螺杆和机筒之间的间隙取值：3.3.2螺杆与机筒的对中性挤出机螺杆与机筒的对中性在设计上要求螺杆的中心线与机筒的中心线重合。然而由于制造、装配过程中所产生的螺杆定位面与螺杆中心线不同心、机筒内孔偏差、螺杆径向跳动、螺杆推力面与螺杆中心线不垂直、法兰平面对机筒中心不垂直、内孔径向跳动等安装误差和加工误差都会影响对中性。要保证螺杆与机筒的对中性，一般需要采取以下措施提高对中性：选取有效的定位基准和合理的连接方式；提高零件的加工与装配精度，减少零件数目。3.4送料螺杆的设计为了使塑料与其他材料能够进行定量定比例的加入，因此要在机筒加料口上方添加两根送料螺杆。其中，一根螺杆用于输送聚合物塑料颗粒，另一根螺杆用于输送其他复合材料。工作时，只需要分别控制两根送料螺杆的转速比及两根送料螺杆与主螺杆之间的转速关系，就能够较精确地将复合原材料通过送料螺杆送入到塑料颗粒中去混合。没根螺杆按照最大输送能力200kg/h进行设计。所设计螺纹断面形状为矩形。送料螺杆的基本参数设计如下。螺杆直径D d=40mm螺纹升角 =17.41螺距S S= 40mm螺纹头数单头螺纹螺棱法向宽e e=0.1d=0.140=4mm螺棱轴向宽b b=e/Cos=4.2mm螺槽法向宽W W=SCose=37.9mm螺槽轴向宽B B=db=35.8mm螺杆与机筒之间的间隙摩擦因数、 =0.27转速n n=200r/min敞开式固体输送 =0由于送料螺杆主要是用于颗粒状或粉末状材料的输送，因此送料螺杆可按照普通螺杆送料段的设计方法来进行设计计算。螺杆在n=200r/min的转速下的输出量为G=200kg/h。则固体输送量Q：由得：=15.5mm3.5分流板及过滤网在挤出机机筒与机头之间设分流板（也称多孔板）和过滤网，其作用是：防止熔料中的杂质和未熔物料进入机头而堵塞机头流道或影响产品质量；使由机筒来的熔料的旋转运动变为直线运动，并分成若干束，以保证挤出稳定；搅拌混合，增强塑化效果。设置料流障碍，以增加背压来保证制品的密实；支撑过滤网。3.5.1 分流板因聚氯乙烯为热敏性物料，分流板的设置离螺杆头部距离要小，以防止积料产生热分解。但也不能因距离设置过小而使物料的螺旋运动来不及转变为直线运动，导致物料纵向流动不稳定。一般应使螺杆头部至分流板的容积小于或等于计量段一个螺纹槽的容积，其距离为0.1D。目前，国产挤出机多采用制造方便、结构简单的平板型分流板。为保证物料流经分流板后速度不变，且由于聚氯乙烯为热敏性物料，把分流板设计孔眼尺寸为中间孔眼直径大而稀疏形式，以降低流道阻力，避免热分解。本双螺杆挤出机分流板的设计尺寸及孔眼尺寸分别为：孔眼直径开孔率分流板至螺杆头部的距离取分流板尺寸分流板的孔道结构设计要光滑无死角，以便物料的流动和清理。所以孔道的进料段设倒斜角，分流板的材料用不锈钢2Cr13。3.5.2过滤网对于加工医疗用品、电缆、透明制品、薄膜、单丝等产品质量要求较高时，挤出成型需要在分流板上设置过滤网。过滤网一般为金属网，细度为20120目，放置层数15层。网的细度及层数由塑料的物料性能、制品的形状、密度要求及挤出机的结构形式等决定。网的放置为：细的铜丝网放在靠螺杆一侧，粗的铜丝网放在靠分流板一侧。3.6料斗的设计料斗的设计遵循不允许物料结成团、架桥和挂料的原则。料斗角度应该大于塑料颗粒的静止角。为了达到设计所需要求，该挤出机设置两个料斗：一个用于盛装主料；另一个用于盛装添加料。如下图3.2所示：图3.2 料斗3.7 挤出机电机的选择为了实现在调速范围内的无级调速和保证双螺杆挤出机50r/min260r/min 的调速范围，选择直流电机作为挤出机电机。双螺杆挤出机功率的确定通常是根据经验选取，根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)选取挤出机主电机功率为：P=55KW挤出机电机选择某公司生产的型号为Z3-250-31直流电动机，其主要技术参数为：额定功率为55 KW、额定电压440V、额定转速为500r/min。3.8 传动系统的设计3.8.1 传动方案的确定本设计选取的直流电动机的额定转速为500r/min，挤出机设计的最高转速为260 r/min，因此需要在电机输出轴和螺杆之间设置减速器，总传动比：=1.92。由参考文献1双螺杆挤出机及其应用知，由于受挤出机螺杆上配位齿轮大小的限制，防止发生挤出机螺杆的配位齿轮与高速级从动齿轮产生干涉，因此把减速箱和螺杆配位齿轮整个传动系统设计成两级减速一级增速。传动比的分配：由于配位齿轮受到螺杆直径的限制，如果第一级传动比取得过小，则减速器的第二根轴上的小齿轮会较小，而此轴的直径较第一根轴大，如此对键和齿轮的强度有很大的不利，因此应把第一级减速的传动比设置大些取：，则后续总传动比=0.83.8.2齿轮参数第减速级齿轮（1）选择齿轮材料，确定许用应力选用渗碳淬火的材料制成的齿轮许用接触应力由式接触疲劳极限齿轮接触强度寿命系数设计挤出机每天工作24小时，每年工作300天，预期寿命为10年，应力循环次数N 由式查接触强度计算的寿命系数图表得1 1接触强度最小安全系数许用弯曲应力由式弯曲疲劳极限查试验齿轮的弯曲疲劳强度极限查弯曲强度寿命系数图查弯曲强度尺寸系数图（假设模数小于5mm）弯曲强度最小安全系数则（2）齿面接触疲劳强度确定齿轮传动的精度等级，按估取圆周速度=2.4m/s，参考通用机械所用齿轮传动的精度范围图表和齿轮第公差精度与齿轮圆周速度图表选取小轮分度圆直径，由式齿宽系数查圆柱齿轮的齿宽系数表，按相对轴承为非对称分布选取小齿轮齿数在推荐值2040中取 =23大齿轮齿数圆整选取 =55齿数比u 传动比误差u/u u/u=（2.4-2.39）/2.4=0.00420.05小齿轮转矩 =1050500Nmm载荷系数K K= 材料弹性系数查材料弹性系数表 =189.8节点区域系数查节点区域系数表重合度系数由推荐值0.850.92 =0.88故：=70.74mm齿轮模数 =3.08按渐开线齿轮标准模数表圆整故小轮分度圆直径：大轮分度圆直径：圆周速度标准中心距=156mm齿宽大齿轮齿宽取=57mm小齿轮齿宽取=65mm （3）齿根弯曲疲劳强度校核由式查齿形系数和应力修正系数表齿形系数小轮大轮应力修正系数小轮大轮重合度重合度系数 =（4）齿轮其他主要尺寸计算齿根圆直径齿顶圆直径第级减速及第级增速齿轮此两级的传动方式为小齿轮与大齿轮啮合把功率传递给大齿轮，然后大齿轮和配位齿轮啮合把功率传递给配位齿轮，两螺杆上的配位齿轮需要错位配置。由于两螺杆上的配位齿轮错位配置，因此第级减速齿轮为参数相同的两对齿轮，没对齿轮传递的功率是总功率的一半，即：（1）选择齿轮材料，确定许用应力选用渗碳淬火制作齿轮许用接触应力由式接触疲劳极限查图接触强度寿命系数设计挤出机每天工作24小时，每年工作300天，预期寿命为10年，应力循环次数N 由式此时三个齿轮的应力循环次数都大于，查接触强度计算的寿命系数图表得1 1接触强度最小安全系数许用弯曲应力由式弯曲疲劳极限查试验齿轮的弯曲疲劳强度极限弯曲强度寿命系数查弯曲强度寿命系数图弯曲强度尺寸系数查图（假设模数小于5mm）弯曲强度最小安全系数则（2）齿面接触疲劳强度确定齿轮传动的精度等级，按估取圆周速度=2.1m/s，参考通用机械所用齿轮传动的精度范围图表和齿轮第公差精度与齿轮圆周速度图表选取小轮分度圆直径，由式由于螺杆上的配位齿轮的大小受到空间的严格限制，因此先确定配位齿轮的分度圆直径。由于两螺杆的中心距为70.7mm，两配位齿轮错位放置，螺杆上安装配位齿轮段的直径大致取50mm，考虑到安装容易，则配位齿轮的齿顶圆直径不能超过85mm,假设模数为3，则齿轮的分度圆直径最大为79mm,此时齿轮齿数为26.3，取配位齿轮分度圆直径小齿轮齿数圆整取齿数比u 传动比误差小齿轮分度圆直径为了空间需要取取大圆齿数大齿轮的分度圆直径：查圆柱齿轮的齿宽系数表，按相对轴承为非对称分布选取=0.8小齿轮转矩 = =525250Nmm载荷系数K=载荷系数K K= =1.44材料弹性系数查材料弹性系数表=189.8节点区域系数查节点区域系数表重合度系数由推荐值0.850.92 =0.88故： =25.2mm因此满足接触疲劳强度圆周速度小齿轮和大齿轮的标准中心距 =156mm配位齿轮和大齿轮的标准中心距 =145.5mm齿宽取大齿轮齿宽小齿轮齿宽取=68mm 配位齿轮齿宽（3）齿根弯曲疲劳强度校核计算由式查齿形系数和应力修正系数表齿形系数小轮大轮应力修正系数小轮大轮重合度重合度系数重合度重合度系数因此有：=（4）齿轮其他主要尺寸计算齿根圆直径齿顶圆直径 3.8.3 齿轮轴的确定根据整个减速箱设计规划，轴上的齿轮最多，出于减速箱加工工艺和降低成本需要减速箱两侧内壁在同一平面上，因此减速箱的宽度由轴来确定。轴的计算（1）计算轴转矩轴的输出功率： =550.970.99=52.82KW转速：=208.3r/min 求轴上转矩 =1940119Nmm（2）求作用在齿轮上的力（3）初步估算轴直径选取38GrMoAlA作为轴的材料，调质处理。由式计算轴的最小直径并加大3%考虑键槽对轴的强度的影响，查表取A=90，得：（4）轴的结构1）拟定轴的结构方案采用调心滚子轴承。轴的结构简图如下图3.3所示：图3.3 轴的结构简图1）确定各轴段直径和长度段根据圆整（按GB/T288-1994）,且符合标准轴承内径，暂选调心滚子轴承型号为22212C/W33, ，其宽度。轴承润滑方式选择：，选择脂润滑。齿轮3与减速箱体内壁间隙取，考虑到轴承脂润滑，取轴承距箱体内壁距离，为了使齿轮轴向可靠定位，轴段应伸入齿轮3内孔一段距取其长度为，则有：段，齿轮3与齿轮2之间的间隙取10mm，为了使与左轴承相连的套筒1端面可靠地压紧齿轮3，轴段上齿轮3占据的长度应比轮毂孔短14mm，取其长度为2mm，为了使套筒2可靠地压紧齿轮2，轴段还应在以上长度基础上加上2mm，则：段，套筒2端面可靠地压紧齿轮2，应比齿轮2的轮毂长度短2mm段取齿轮2右端定位轴肩高度为，则轴环直径，长度取段因齿轮4和齿轮3的技术参数完全相同，考虑到加工方便和降低成本，取，为了使套筒3端面可靠地压紧齿轮4，应比齿轮毂孔的长度短2mm段长度和直径都和段相同2）确定轴承及齿轮作用力位置（5）绘制轴的弯矩和扭矩图1）求轴承反力V垂直面 H水平面 2）求危险截面处的弯曲轴的计算简图作出轴的弯矩图、扭矩图和当量弯矩图。从轴的结构图及当量弯矩图中可以看出，C截面的当量弯矩最大，是轴的危险截面。C截面处的M、T及的数据如下。 V垂直面 H水平面合成弯矩扭矩 =1940119Nmm（6）按弯扭合成强度校核轴的强度当量弯矩 =轴的材料为38GrMoAlA，调质处理。查表可得：，取8493，取，则轴的计算应力为： =根据计算结果，该轴满足强度要求轴的计算由于齿轮较小，传递功率较大，把轴和齿轮做成齿轮轴。（1）求轴转矩轴的输出功率：转速：求输入轴上转矩:=1050500Nmm（2）计算作用在齿轮上的力（3）初步估算轴直径选取38GrMoAlA作为轴的材料，调质处理。由式计算轴的最小直径查表取A=90，得：（4）轴的结构设计1）拟定轴的结构方案右挡油圈和右轴承从轴的右端装入，右挡油圈左端面靠轴肩定位。左挡油圈和左轴承从轴的左端装入，左挡油圈靠轴肩定位。半联轴器靠轴肩定位。左右轴承均采用轴承端盖，半联轴器靠轴肩得到轴向固定。齿轮和半联轴器采用普通平键得到周向固定。采用调心滚子轴承和弹性柱销联轴器。轴的结构简图如下图3.4所示。图3.4 轴的结构简图2）确定各轴段直径和长度段此轴段用于联轴器的安装，根据圆整（按GB5014-85圆整），其直径应该与联轴器的孔径相配合，并根据输入轴的转矩和转速选用型号为HL4联轴器(GB/T5014-1985)，为了使轴端挡圈能够可靠地对半联轴器进行轴向定位，取比毂孔长度短14作为段长度。段为了使半联轴器轴向能够可靠得定位，轴肩高度取，半联轴器孔倒角C取2mm，并且要符合标准密封内径(JB/ZQ4606-86)。取端盖宽度为，端盖外端面与半联轴器右端面留空隙，则段为了方便轴承内圈的装拆，应，并且应符合标准轴承内径。根据GB/T288-1994，初选调心滚子轴承代号为22212 C/W33，其宽度B为。轴承润滑方式的确定：，选择脂润滑，考虑挡油圈宽度为17mm。段查机械设计手册可知轴承的安装尺寸,取：。由轴的设计计算可知，齿轮轴向中点到箱体左内壁的距离为116.5mm，轴承右端面距箱体内壁为7mm,则有：段该段为齿轮所占长度，长度等于齿轮宽度。段由于箱体内壁相对于齿轮对称，因此该段与4段数据相同。段该段数据与3段数据相同3）确定轴上圆角和倒角尺寸各轴肩出的圆角半径为R2，轴端倒角为245。4）确定轴承及齿轮作用力位置（5）绘制轴的弯矩和扭矩图1）求轴承的反力H水平面 V垂直面 2）求齿宽中点处弯矩 H水平面 V垂直面合成弯矩M =扭矩 =1050500（6）按弯扭合成强度校核轴的强度当量弯矩=轴的材料为38GrMoAlA，调质处理。查表可得：，取8493，取，则轴的计算应力为： =根据计算结果可得，该轴满足强度要求。轴的计算（1）计算轴转矩轴的输出功率： =52.820.970.99=50.72KW转速：=96.8r/min 求轴上转矩=5003884Nmm（2）计算作用在齿轮上的力（3）初步估算轴直径选取38GrMoAlA作为轴的材料，调质处理。由式计算轴的最小直径并加大3%考虑键槽对轴的强度的影响查表取A=90，得：（4）轴的结构设计1）拟定轴的结构方案右齿轮和右轴承从轴的右端装入，右齿轮左端面靠轴肩定位，右齿轮和右轴承之间用定位套筒使右轴承左端面得以定位。左齿轮和左轴承从轴的左端装入，齿轮右侧端面靠轴肩定位，左齿轮和左轴承之间用定位套筒使左轴承右端面得以定位，左右轴承均采用轴承端盖。齿轮采用普通平键得到周向固定。采用调心滚子轴承。轴的结构简图如下图3.5所示。图3.5 轴的结构简图2）确定各轴段直径和长度段根据按GB/T288-1994圆整，选择调心滚子轴承型号为22215C/W33,其宽度。轴承润滑方式的选择：，选择脂润滑。考虑轴承润滑，取轴承距箱体内壁距离为7mm。由轴计算可知，左齿轮轴向中点到箱体左内壁的距离为44mm，则：段，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，应比齿轮毂孔短2mm。段取左齿轮右端定位高度为4mm。由前面计算轴可知两齿轮径向中心距为145mm，则此轴环的长度由于是对称布置，因此段分别与、段相同。3）确定轴上圆角和倒角尺寸各轴肩出的圆角半径为R1，轴端倒角为245。4）确定轴承及齿轮作用力位置（5）绘制轴的弯矩和扭矩图轴上齿轮与前一级齿轮和配位齿轮相对位置如图3.6。图3.6 齿轮相对位置其中齿轮5与齿轮3、齿轮7啮合，齿轮6与齿轮4、齿轮8啮合。1）求轴承反力：H水平面 V垂直面 2）求齿宽中点处弯矩H水平面 V垂直面合成弯矩M 由于不受扭矩作用，因此按弯矩进行强度校核。轴的材料为38GrMoAlA，调质处理。查表可得：，取8493，取，则轴的计算应力为： = 根据计算结果，该轴满足强度要求。螺杆齿轮轴段计算（1）计算轴转矩每根螺杆的输出功率：=50.720.970.99=24.4KW转速：=260r/min 求轴上转矩=896230.8Nmm（2）计算作用在齿轮上的力（3）初步估算轴直径螺杆的材料为38GrMoAlA，调质处理。由式计算轴的最小直径并加大3%考虑键槽对轴的强度的影响，查表取A=90，得：（4）轴的结构确定1）拟定轴的结构方案由于螺杆挤出工作段直径最大，因此齿轮和轴承均从轴的右端装入，因此螺杆非挤出段直径从左到右依次减小。两螺杆的中心距为70.7mm，查机械设计手册，内径大于42mm的满足选择要求的轴承的外径都大于螺杆中心距的一半，因此两螺杆上安装在减速箱体同侧的轴承必须错位布置。考虑到防止一根螺杆的轴承和另一根螺杆非挤出段发生干涉，则轴承外径的半径加上螺杆的半径必须小于螺杆中心距，由前面初步估算的轴的直径，如果此段用了轴肩来对齿轮或轴承进行轴向定位，那么轴的大径段会达到50mm，可选用的轴承的外径的半径加上轴的半径将达到70mm，而螺杆的中心距只有70.7mm，这样给制造和安装的精度误差带来了很大麻烦。因此两轴承之间螺杆段直径一样，靠套筒进行轴向定位。左右轴承均采用轴承端盖，齿轮采用普通平键得到周向固定，轴承采用调心滚子轴承。结构如图3.7。图3.7 轴的结构简图 2）确定轴直径和受力点之间的长度根据圆整，选择调心滚子轴承型号为22209C/W33，其宽度。轴承润滑方式的选择：，选择脂润滑。考虑轴承润滑，取轴承距箱体内壁距离为7mm。由轴计算可知，齿轮中点到箱体左内壁的距离为44mm，则：齿轮中点到箱体右内壁的距离为189mm，且要给另一根螺杆安装轴承留下空间，取两轴承之间的轴向间为10mm，则：（5）绘制轴的弯矩和扭矩图1）求轴承反力：沿齿轮接触点切平面垂直平面 2）求齿宽中点处弯矩切平面垂直平面合成弯矩（6）按弯扭合成强度校核轴的强度当量弯矩，取折合系数为0.6。 =轴的材料为38GrMoAlA，调质处理。查表可得：，取8493，取，则轴的计算应力为： =螺杆推力轴承的选择螺杆的轴向力，轴向力较大，应设置推理轴承。3.8.4 轴承寿命校核轴承设计的预期寿命为为1年，由于挤出机每天24小时工作，则设计预期寿命小时数轴轴承寿命计算该轴选用的轴承为调心滚子轴承22212C/W33,其额定载荷 (GB/T288-1994). 该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命轴承寿命校核合格轴轴承寿命计算该轴选用的轴承为调心滚子轴承22212C/W33,其额定载荷 (GB/T288-1994)。该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命轴承寿命校核合格轴轴承寿命计算该轴选用的轴承为调心滚子轴承22215C/W33,其额定载荷 (GB/T288-1994)。该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命螺杆轴承寿命计算该轴选用的轴承为调心滚子轴承22209C/W33,其额定载荷 (GB/T288-1994)。该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命轴承寿命校核合格3.8.5 键的校核轴上的键校核选用普通平键A型，按1.5个键进行强度计算。轴直径为 A型普通平键尺寸 bh=149键长转矩许用挤压应力则有： =因此，该键可以安全使用。轴上的键校核（1）大齿轮键校核选用普通平键A型一个轴直径为 A型普通平键尺寸 bh=2012键长转矩许用挤压应力则有： =因此，该键可以安全使用。（2）小齿轮键校核选用普通平键A型，轴直径为 A型普通平键尺寸 bh=1811键长转矩许用挤压应力则有： =轴上的键校核选用普通平键A型，直径为 A型普通平键尺寸 bh=2214键长转矩许用挤压应力则有： =因此，该键可以安全使用。螺杆上的键校核选用普通平键A型，轴直径为 A型普通平键尺寸 bh=149键长转矩许用挤压应力则有： =因此，该键可以安全使用。3.8.6 箱体的设计完整的减速器箱体上设有窥视孔、窥视孔盖、连通器、轴承盖、定位销、起箱螺钉、油标、放油孔、放油螺塞和起吊装置等。本设计为卧式减速器。减速器箱体设计数据如下表3.2所示。表3.2 箱体参数名称符号尺寸箱座壁厚11箱盖壁厚11箱座上凸缘厚度b12箱盖凸缘厚度b16.5底座凸缘厚度b27.5地脚螺栓直径24地脚螺栓数目n6轴承旁连接螺栓直径20盖和座连接螺栓直径12轴承端盖螺钉直径10检查孔盖螺钉直径8定位销直径d8第4章双螺杆挤出机辅助系统的设计4.1定量给料系统定量给料系统由电动机、减速箱、送料螺杆和加料斗组成。送料螺杆实行无级调速，其螺杆速度视双螺杆转速而定。也就是说，随双螺杆转速的提高而提高。一旦建立了平衡，送料螺杆的送料量就等于挤出量，也就等于工作产量。送料螺杆与挤出螺杆可实现同步调速，且转速可直接从仪表上显示出来。在减速箱内要加入30号机油润滑。另外，在加料斗内附有CJ3型磁力架，可有效地防止钢制螺钉、铁屑导磁金属杂物随塑料原料混入挤出机螺杆内。保护螺杆不受损环。4.2 恒温系统恒温系统由电加热器和风冷却器组成，安装在机身内部。本部件可按设定温度值，起到对螺

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