机械毕业设计（论文）-反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 反向旋转型双螺杆挤压机反向旋转型双螺杆挤压机 及挤压部件设计及挤压部件设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 反向旋转型 双螺杆挤压机及挤压部件设计 是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别 加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包 含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 I 无锡太湖学院无锡太湖学院 信信 机机 系系 机械工程及自动化机械工程及自动化 专业专业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 螺杆挤压机能将一系列的化工基本单元过程集中在挤压机中进 行，螺杆挤出已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，也已实现自动化，同时螺杆的搅拌作用业提高了混合质量这 些因数加在一起，避让降低生产成本。挤压加工技术作为一种经济实 用的新型加工方法广泛应用于食品生产中，并得到迅速的发展。 反向旋转型双螺杆挤出机因其具有突出的高效工作性能, 受到 了食品行业的广泛重视。根据收集的相关文献, 对反向双螺杆挤压机 在食品工业中的应用、发展前景、主要组成部分，以及挤压机的各项 参数等进行综合的分析和论述,希望对我国反向型双螺杆食品挤压的 研究与发展有益。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解挤压机的工作原理； II 了解挤压机的内结构； 熟练掌握反向旋转型双螺杆机压机的优缺点； 熟练绘制双螺杆挤压机的装备图，挤压部件装配图，挤压机零件 图。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 本文先分析了膨化食品的市场需求和生产现状，并初步探讨了挤压机生产膨化食品 的工艺可行性；提出了用双螺杆挤压机生产膨化食品的工艺流程。在现有挤压机的基础 上，并参考了国内外比较成熟的挤压机设计方法，根据膨化食品的特性和生产膨化食品 的特殊工艺要求，对挤压机的关键部位进行了相应的设计。本文详细的介绍了挤压机的 主要零部件传动箱、螺杆、机筒等的结构设计，并进行了相应的校核计算；对主要传动 零部件如传动箱大小齿轮，带轮，从动轴，键等进行了设计和强度校核，并对轴承承载 能力进行了校核计算;本文还涉及了挤压机一些辅助元件如加料系统，加热冷却装置，模 头的选择要求,并进行了简单的设计。最后，本文介绍了一些关于挤压机的安装，操作， 控制和维护等方面的内容。 关键词关键词：膨化食品；挤压混炼；反向旋转双螺杆挤压机 IV ABSTRACT In this page, the market need of the Puffed food and the condition of the production is analyzed first. And from theoretically, we studied the technique possibility to produce the Puffed food. We expounded the specialty and working elements of the twin-screw extruder and pointed working flow to produce the Puffed food with twin-screw extruder. In the base of the extruders in existence, we referenced the mature means of extruder design in our country and abroad and based the characteristic of Puffed food and the special working craftwork requires, then, we Designed the key structure of extruder. In this text, we introduced the structure design of extruder in detail, particular to the major parts: assignment tank, screw, barrel and systems analysis and calculating. To those important transmission parts: the big gear and the small gears in assignment tank, strip wheel, driving spindle, key, we made a design and check the intensity. And we calculate and check the carrying capacity of the bearing particularly. We also refer to the choosing requirements of the accessories: heating and cooling system, die, knife equipment, and made a simple design. In the end of the text, the installing, operation, controlling and repairing of the extruder were also introduced. Key words: Puffed food, extrusion mixing and shaping, Counter-rotation twin -screw extruder VI 目目 录录 摘 要 .III ABSTRACT IV 目 录.VI 1 绪论 .1 1.1 挤压技术介绍 1 1.1.1 挤压技术在食品生产中的应用 .1 1.1.2 挤压技术在食品生产中的发展状况 .1 1.1.3 挤压机生产膨化食品 .1 1.1.4 挤压膨化原理 .2 1.2 挤压机的发展 2 1.2.1 国内外挤压机的发展状况 .2 1.2.2 双螺杆挤压机的前景和未来 .2 1.3 本课题应达到的要求 3 2 反向旋转型双螺杆挤压机的简介 .4 2.1 反向旋转型双螺杆挤压机的特点及应用 4 2.1.1 反向旋转型双螺杆挤压机的特点 .4 2.1.2 双螺杆挤压机在食品工业中的应用 .4 2.2 双螺杆挤压机的工作原理 5 2.2.1 挤压原理 .5 2.2.2 挤压加工系统 .6 2.3 总体结构设计 6 3 反向旋转型双螺杆挤压机的设计 .8 3.1 螺杆的设计及计算 8 3.1.1 螺杆结构设计 .8 3.1.2 双螺杆的有关计算 .9 3.1.3 螺杆的强度校核 .13 3.2 机筒的设计及计算 16 3.2.1 机筒结构形式 .16 3.2.2 料口结构设计 .16 3.2.3 机筒材料的选择 .16 3.2.4 机筒的连接方式 .17 3.3 传动系统的简单设计 17 3.3.1 传动系统设计 .18 3.3.2 电动机的选用 .18 3.3.3 螺杆推力的传递和拉杆强度校核 .18 3.4 辅助零部件设计计算 19 VII 3.4.1 加料系统设计计算 .19 3.4.2 加热与冷却系统的设计 .22 3.4.3 模头装置的设计 .24 3.4.4 润滑油的选用 .25 3.5 双螺杆挤出机辅助系统的设计 25 3.5.1 定量给料系统 .25 3.5.2 恒温系统 .26 3.5.3 冷却系统 .26 3.5.4 真空排气系统 .26 3.5.5 电气控制系统 .26 4 挤压加工系统的安装、操作与维护 .28 4.1 挤压加工系统的安装 28 4.1.1 挤压机的安装基础 .28 4.1.2 调整挤压机水平 .28 4.1.3 机筒的安装 .28 4.1.4 螺秆的装拆 .28 4.1.5 模头的安装 .28 4.2 挤压加工系统的操作 28 4.2.1 挤压机的开车 .28 4.2.2 开车操作注意事项 .28 4.3 挤压机的维护保养 28 4.3.1 螺杆的保养 .28 4.3.2 机筒的保养 .28 4.3.3 挤压机其它部分的保养 .29 4.4 设计中的几个问题 29 5 总结与展望 .30 5.1 总结 30 5.2 展望 30 致 谢 .31 参考文献 .32 附 录 .33 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 1 1 绪论绪论 1.1 挤压技术介绍挤压技术介绍 1.1.1 挤压技术在食品生产中的应用 20 世纪 30 年代，食品加工中开始应用挤压技术，它的特点有具有集混炼、输送、加 热、剪切、加压时间短等特点，从而广泛应用于食品工业中。挤压机可以进行谷物植物 组织蛋白食品的生产，奶酪的风味开发，宠物饲料的生产等。 螺杆挤压机能将一系列的化工基本单元过程集中在挤压机中进行，螺杆挤出已连续 生产代替间歇生产，必然有较高的生产率和较低的能耗，也已实现自动化，同时螺杆的 搅拌作用业提高了混合质量这些因数加在一起，避让降低生产成本。作为一种经济实用 的新型加工方法从而被应用于食品生产中的挤压技术得到了迅速的发展。在没有挤压技 术之前，谷物食品的加工工序一般须经破碎、混合、成型、烘烤或油炸、杀菌干燥等， 每道工序都要有不同的设备，较长的生产线，较大的占地面积，高强度的劳动力，所需 设备较多。随着挤压技术的发展和成熟，初步混合原料后，就可用一台挤压机完成以上 繁琐的食品生产工序，制成各式各样、品种繁多、味道独特的产品，这些产品在再经油 炸或微波、烘干、调味后就可以在市场上销售了，只要简单根据更换挤压模板，就可以 很方便的改变产品的造型。相对于传统工艺，挤压技术有很多的有点，它改变了谷物食 品的加工工艺，大大减短了过程，丰富了食品的样式，减低了产品的生产成本，减少了 设备的占地面积，降低了生产劳动强度，同时改变了产品的形态和味道，使得产品质量 得到了提高。 1.1.2 挤压技术在食品生产中的发展状况 上世纪 30 年代，人们首次把挤压机用于方便食品谷物的生产中;到四十年代末期挤压 机的应用在食品领域进一步扩大;50 年代初的蒸煮挤压机已经基本上取代了当时的饼干赔 烤 60 年代至今挤压机的技术以及理论得到了飞速发展，对挤压机的结构设计、工艺参数、 挤压过程机理进行研究，通过对挤压机理的探讨，进一步研究各种谷物以及蛋白类食物 在挤压过程中发生的一系列变化，以及挤压食品的营养与吸收问题;现阶段随着控制技术 的发展、新材料的发现与应用挤压技术得到更大的发展，生产能力越来越大，通过对挤 压过程的精确控制，生产出的产品愈加符合人们的期望。 采用挤压技术加工食品在我国已有悠久的历史，但直到 70 年代还停留在爆米花的手 工业状态从 70 年代中期开始，尤其是近十几年来，我国用挤压方法生产食品得到了很 大的发展，随着任命生活水平的提高以及饮食结构的变化，挤压食品的品种和产量日益 增多。 1.1.3 挤压机生产膨化食品 现在国内外的各大生产膨化食品的公司企业一般都是用挤压法生产食品，挤压加工 概括的说是将食品物料置于挤压机的高压和适当的温度的状态下，然后突然释放到常压， 使物料和各种调味料、香料达到充分渗透、混合和输出的过程。所以用蒸煮挤压法生产 可以取得更好的混合效果，原料利用率高，营养损失小，生产出的食品口感，香味的持 无锡太湖学院学士学位论文 2 久力都比传统的加工方法好。 总的来说，用挤压法生产膨化食品是现今的发展趋势。 1.1.4 挤压膨化原理 物料在挤压机套筒内受到螺杆的推力作用和加热作用以及卸料模板和反向推力的作 用。在 3 8MPa 和 200 e 左右的高温高压下。物料中的水分不会沸腾蒸发,出现熔融状态 下的物料。模头出料过成中, 压力迅速降为常压,水分迅速蒸发, 温度降到 80 e 左右, 从而使物料变成多孔结构形状的膨胀食品。 1.2 挤压机的发展挤压机的发展 1.2.1 国内外挤压机的发展状况 挤压机作为挤压加工技术的关键得到了广泛应用。挤压加工主要由一台挤压机一步 完成,包括:原料的混炼、熟化、粉碎、成型等工艺。只需简单地更换挤压模板，就能生 产不同样式的产品。 1879 年英国人得到了螺杆挤压机的第一个专利，从此挤压机开始进行生产。到本世 纪 30 年代,用于谷物加工的单螺杆挤压机问世,开始用于生产膨化玉米。60 年代, 渐渐 出现用于食品加工领域的双螺杆挤压机。70 年代开始，食品挤压技术和挤压加工机械在 中国开始研究。 吸收了国外的思想和技术，国内许多生产厂家为了提高生产效益从世界各大公司引 进了先进的挤压设备。国际上有代表性的挤压机生产企业如：德国的 WP 公司,日本的卡 尼奥食品有限公司, dafsal 机械 公司， dswrfr 食品机械公司, MAP 机械制造公司,瑞 士的 dafsfa 食品机械公司等。国内的许多机械厂也先后生产了不同型号的挤压设备,单 螺杆设备较多。 用于食品生产的螺杆挤压机具有工艺简单、一机多用、连续性好、效率高、能耗低、 成本少、收益高的特点。生产出来的食品口感好、易吸收、营养损失少、保质期较长、 易食用。目前,挤压技术已经发展成为最常用的膨化食品生产技术之一。我们对挤压机的 研究与开发也势在必行。 1.2.2 双螺杆挤压机的前景和未来 近几年双螺杆挤压技术得到了迅速地发展。通过研究表明, 双螺杆挤压技术与单螺 杆挤出技术相比更具有无法比拟的优越性,物料能更加充分、彻底混合揉捏。机器运行时, 由于双螺杆互相啮合而具有自行擦净的功能, 所以不会出现单螺杆挤出机中螺杆堵塞的 物料在套筒内表面结焦。同时双螺杆挤压机还有的优点就是可以适应更多的原料, 解决 了单螺杆挤压机无法对高水分和高脂肪物料进行加工的难题。双螺杆挤出机因其工作性 能高、工作效率大, 受到了食品行业和橡塑行业的较高重视。根据相关文献的阐释, 对 双螺杆挤压机在国内外的发展前景、双螺杆挤压机在食品橡胶生产中的应用、双螺杆挤 压机的重要构造，挤压机的各项参数等进行综合的分析和论述,希望对我国双螺杆食品挤 压的研究与发展有益。 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 3 1.3 本课题应达到的要求本课题应达到的要求 了解螺杆挤压机的挤压膨化原理和结构特点，了解反向旋转型双螺杆挤压机的工作原 理，进行反向旋转型双螺杆挤压机主要结构参数研究，进行反向旋转型双螺杆挤压机的 设计，反向旋转型双螺杆挤压机挤压部件的设计。了解双螺杆挤压机的维护维修，及其 使用时的注意事项。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 反向旋转型双螺杆挤压机的简介反向旋转型双螺杆挤压机的简介 2.1 反向旋转型双螺杆挤压机的特点及应用反向旋转型双螺杆挤压机的特点及应用 2.1.1 反向旋转型双螺杆挤压机的特点 反向旋转式双螺杆挤压机一般采用两根尺寸完全相同的螺杆,但是其螺纹方向相反。 反向旋转可分为向内反向旋转和向外反向旋转两种形式,两者的的主要区别在于压力区位 置的不同。向内反向旋转式双螺杆在上部进入啮合，建立高压区，在下部双螺杆脱离啮 合，形成低压区。物料在通过双螺杆时受到挤压，但螺杆啮合紧密，就会造成入口压力 极大，导致进料困难。因此，目前这种向内反向旋转式很少采用，仅用于非啮合双螺杆 挤压机上。向外反向旋转式特别适用于干粉料的加工，也曾被广为采用。这种旋转式建 立的高压区在下部，低压区在上部，有利于喂入物料。挤压中，物料受到类似辗轮产生 的挤压捏合作用。和同向旋转不同的是物料在螺杆内会形成的 C 形段，由于两根螺杆旋 向相反，只能在一根螺杆内向排料口作轴向平移，而不可能从一根螺杆移向另一根螺杆， 直至从排料口挤出。牵引产生的正流和反压产生的逆流只能在 C 型腔室内进行，被阻挡 在啮合区的物料经受一根螺杆螺纹顶面和另一根螺杆螺纹根部及啮合螺纹侧面的辗压和 捏合。因此，同向旋转所产生其物料产生的混合程度比反向旋转式双螺杆挤压机的混合 程度要大。 2.1.2 双螺杆挤压机在食品工业中的应用 2.1.2.1 在组织化蛋白质生产上的应用在组织化蛋白质生产上的应用 在一定的高温高压下,植物蛋白质会变成组织化。在双螺杆挤压机螺槽与筒壁之间剪 切力的作用下,物料中的蛋白被强烈地展开, 出现了相对地直线形状。分子链展开后变得 自由，能够重新定向和再组合形成纤维状态。类似瘦肉维组织结构, 吸收水分后具有一 定的弹性, 口感较好。 2.1.2.2 在膳食纤维加工中的应用在膳食纤维加工中的应用 膳食纤维可以清理肠胃、解毒等功能，还能降低体内胆固醇水平和降低血糖。但是 纤维素比较难溶,人体很难吸收, 口感不好,它的开发和利用被限制了。然而, 利用双螺 杆挤压技术可以提高膳食纤维的溶解度,生产味道更好的膳食纤维。 2.1.2.3 在浸油中的应用在浸油中的应用 双螺杆挤压技术利用于浸油原料进行膨化预处理,可得到更佳的效果。当物料被输送 到挤压腔后,通过挤压、摩擦和加热作用产生高温高压效果,物料被剪切、熔融,使物料的 组织结构发生了变化。物料从高温高压下被挤出降到常压状态时,物料中的水蒸发产生巨 大的压力,就会膨化成型，产生许多带细微的孔状。此时的物料非常有利于油料的浸出。 目前研究较多的是从葵花籽、花生、芝麻中提取油。 2.1.2.4 在休闲即食食品加工中的应用在休闲即食食品加工中的应用 现在市场上利用双螺杆挤压机生产的食品的主要原料是谷物,例如水稻、大豆、麦子 等。采用双螺杆挤压机一是能运用少量能量加工谷物食品,，二是可以加入更多的配料加 工,所以可以生产出不同口味的食品,从而能不断地创新,更好地满足市场需求和创造更大 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 5 的经济价值。 2.1.2.5 在高蛋白质谷物类食品加工中的应用在高蛋白质谷物类食品加工中的应用 用谷物生产的高蛋白质类产品主要是通过蒸煮、脱水加工而成，更易于食用和消化。 目前, 挤压技术已成功地应用于高蛋白质谷物类食品的生产中。 2.2 双螺杆挤压机的工作原理双螺杆挤压机的工作原理 2.2.1 挤压原理 强制输送 根据螺杆旋转的方向不同，双螺杆挤压机可分为同向旋转和反向旋转两大类。根据 双螺杆的旋转方向，啮合程度和螺纹参数的不同，双螺杆的啮合部分可构成在横向和长 度方向是全开的全闭的，或半开半闭，因而形成的 C 形小室可以是相互连通的，也可以 是完全封闭的。理想的全啮合反向旋转的双螺杆的 C 形小室是完全封闭的，小室中的物 料跟着小室一起前移，输送过程中不会产生倒流或滞流，因此具有最大的强力输送。由 于口香糖胶基的粘性大，为了减少物料和螺杆、机筒的摩擦力，使物料更容易螺旋输送， 本设计采用向外反向旋转式双螺杆。 混合作用 图 2.1 反向旋转，物料在双螺杆螺槽中的流动情况 因为反向旋转双螺杆在啮合处螺棱和螺槽的速度方向相同，但是存在速度差，所以 被螺纹带入啮合间隙的无聊将受到螺棱和螺槽间的挤压和研磨，使物料得到混合和混炼。 自洁性能 反向旋转的双螺杆，在啮合处螺纹和螺槽间，存在速度差，在相互擦离的过程中， 相互剥离粘附在螺杆上的无聊，使螺杆得到自洁。 压延效应 无锡太湖学院学士学位论文 6 向外反向旋转的螺杆挤压机，由于有使物料向上运动的趋势，因此没有明显的压 延效应。 2.2.2 挤压加工系统 图 2.2 典型食品挤压加工系统链图 如图 1.2 所示,典型的挤压加工系统支链图,其中包括喂料装置、预调质装置、传动、 挤压、加热与冷却、成型、切割、控制等部分组成。 2.3 总体结构设计总体结构设计 螺杆挤压机总体结构对整机的性能有很大的影响，总体结构包括挤压系统，传动系 统和驱动源的相互位置关系。由于这些关系的不同，构成了种种不同差别：（见表 2-1） 表 2-1 总体结构设计分析表 总体类型不同类型优点缺点 卧式螺杆挤压机螺杆在空间呈水平放置， 尺寸大小影响占地面积， 对空间高度影响不大 计量部分的螺杆和机筒 易于磨损 外观形式 立式螺杆挤压机螺杆在空间呈竖直减速箱选型和结构设计 受限制，空间高度要求 高 联接形式 整体式螺杆挤压机结构紧凑不便于加工和装拆、维 修 电机置于机器旁侧便于电机及机器维修占地面积大 电机置于减速箱前部， 挤压系统下部 机器结构紧凑，外观整 齐 要求设计带等传动系统， 传动效率低 动力源和传动装 置位置 电机置于减速箱后部， 与机器成一体 与机器构成整体，有利 于选用标准减速器，有 利于互换性和满足加工 要求 轴向长度较长，占地面 积相应增大 料 仓喂料装置机筒挤压 成型 加热与冷却 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 7 电机置于减速器上部占地面积小由于振动问题，要求支 架有足够刚度 结论：通过以上分析，结合本课题的实际情况，拟采用卧式分段式结构形式，动力源和 传动装置位置选用电机置于减速箱前部，挤压系统下部。 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 反向旋转型双螺杆挤压机的设计反向旋转型双螺杆挤压机的设计 3.1 螺杆的设计及计算螺杆的设计及计算 3.1.1 螺杆结构设计 螺杆是挤压机最重要的关键部件之一,其结构及其几何参数的设计合理与否之间关系 到挤压过程。 3.1.1.1 螺杆结构设计要点螺杆结构设计要点 生产能力：生产能力是设计螺杆的主要指标之一，不同规格的螺杆生产能力是 不同的，同一规格的螺杆，由于结构和几何尺寸的差异或由于螺杆转速的差异也不同。 通常我们取生产能力 Q 与螺杆转速 n 的比值，称之为“比流量” 。同规格的螺杆在加工同 一种物料时的比流量，在一定程度上说明了螺杆的结构及几何参数的合理与否。对于 85 机来说，一般认为 Q/n1（kg/h/r/min）是同规格机台中比较好的比流量值。本设计 中，生产能力定为 Q150kg/h,螺杆转速根据生产口香糖的工艺要求取为 n40min，则比 流量 Q/n150/403.75，较合理。 功率消耗：从能量平衡来看，物料所消耗的能量应等于物料在挤压系统中的加热 能量和对螺杆输入功率的总和。习惯上为衡量螺杆加工不同物料所消耗的机械功率大小， 如果机筒外加热功率相同时，以螺杆每单位生产能力所消耗的机械功率作为衡量的标准， 称为螺杆的单耗 N/Q。在保证物料胶体化的前提下，螺杆的单耗较低比较好。 挤压物的质量 挤出物的质量包括外观质量、混合质量、挤出温度、轴向与径 向温差、温度随时间波动的轴向温差、挤出压力的波动等方面的内容。由于压力 p 的 波动，直接影响生产能力的稳定性。温度的波动可以通过粘度 的波动而影响 Q 的稳定 性。根据与挤压法生产口香糖的比较，机筒温度和压力的大小对挤压生产口香糖的产品 品质有着极大的影响，温度升高有利于提高物料混合的速度和程度，但也会降低模头处 的压力。因此，应视温度和压力对口香糖的影响程度，合理选取控制，避免两者的较大 波动。 螺杆的加工制造是否容易，使用寿命是否长。螺杆加工制造困难，影响螺杆的 寿命。 3.1.1.2 螺杆传动系统螺杆传动系统 反向旋转式双螺杆的传动系统相对来说比较复杂，一般采用外啮合传动。 （如图 3.1 所示） 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 9 图 3.1 螺杆传动系统 3.1.2 双螺杆的有关计算 螺杆主要结构参数有：螺杆直径，长径比，螺杆各段主要参数，螺纹形状，螺杆的 螺纹头数。 图 3.2 等深变距螺杆 3.1.2.1 螺杆结构和啮合方式的确定螺杆结构和啮合方式的确定 本设计中螺杆的设计仍按普通螺杆的方法进行设计改进。普通螺杆按其螺纹升角和 螺槽深度可分为三种形式：1.等距变深螺杆；2.等深变距螺杆；3.变深变距螺杆。考虑到 螺杆的强度要求和设计较大的压缩比，我们拟采用等深变距螺杆。等深变距螺杆是指螺 槽深度不变，螺距从加料段的第一个螺槽开始至均化段末端是从宽变窄，结构形式如图 3.2 所示。 为使进料均匀，协调螺槽输送物料和熔融的能力，螺杆采用单头螺纹，并部分啮合， 以使物料受到较大的剪切和混合，有利与生化反应的进行。 3.1.2.2 螺杆直径螺杆直径 Ds 的确定的确定 螺杆直径是螺杆主要的参数之一，在设计螺杆时，一般是根据生产能力和理论公式 来计算螺杆直径，这种方法是比较是困难的，因此可选用下列计算方式进行计算，在初 步确定螺杆的生产能力和转速后，根据经验的生产能力公式初步确定螺杆直径： 无锡太湖学院学士学位论文 10 3 S QD n (3.1) 式中 Q 生产能力，kg/h 螺杆直径，cm s D 螺杆转速，r/minn 经验出料系数，一般取 0.0030.007 本设计中，（工作转速），150Qkg h40minnr0.006 由式（3.1）得 1/31/3 1/3 DQ/(*n)Q/(*n)100/(0.004 85)8.550 s cm 取标准螺杆直径。85 s Dmm 3.1.2.3 长径比长径比 L/Ds 的确定的确定 在挤出理论的其他条件一定时，增大长径比，物料在螺杆中的停留时间变长，即保 证了物料进行较好的融合，但过大的长径比会造成停留时间过长而使热敏性物料分解。 因此，应根据被加工物料的物理性能和产品质量的要求来考虑。 为使物料和调味料的充分混合，延长熔体在机筒内的停留时间，保证其均一性，参 考有关资料，初步选取长径比，则螺纹段总长18 s L D 1818 851530 s LDmm 取标准长 L1200mm，修正1200 6518.462 S L D 3.1.2.4 螺杆各段主要几何参数的确定螺杆各段主要几何参数的确定 物料在螺杆中的挤压经历固体输送、熔融和均化的过程。因此，整个螺杆的设计通常 分为三部分。以下具体计算确定各段的几何参数。 1 螺槽深 H 由于螺杆设计成等深变距形式，取统一螺槽深 0.150.2112.717.85HDDmm: 取 H15mm，则螺杆根径 。2853055 bs DDHmm 2 螺距 S 沿输送段到均化段方向，将螺杆成阶梯形分成三段，螺距依次为 54mm、48mm、36mm。 3 各段长 L 根据经验数据，确定各段长如下： 9 加料段 ，取螺距的整倍数， 1 30%65%459994LLmm: 1 54Smm 1 540Lmm 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 11 熔融段 。取螺距的整倍数， 2 50%60%715918LLmm: 2 48Smm 2 864Lmm 均化段 3 312 1530540864174LLLLmm 3 180Smm 实际螺纹段总长 m 123 540864 1801584LLLLmm 4 螺纹升角、 s b 参考公式 10 螺杆外径处螺纹升角 arctan bb SD 螺杆根径处螺纹升角 arctan ss SD 分别计算出各段的螺纹升角、，列表如下：（表 3-1） s b 表 3-1 各段螺纹升角表 第一段第二段第三段 b 11.43210.197.678 s 17.35515.5311.77 3.1.2.5 其他参数的确定其他参数的确定 1 双螺杆中心距 A 和螺杆啮合间隙 1 双螺杆的中心距主要取决于螺杆的直径和对间隙的要求，一般地单螺纹双螺杆 9 ，螺杆部分啮合，需要存在一定大的间隙，应满足0.71160.3585 S ADmm: ，即，则取 A80mm20 bs ADD25585270 bs ADDmm 2 螺杆与机筒的配合间隙 2 间隙的选择主要根据所加工物料的性能和机械加工条件来决定。 2 参考，一般取挤压机的配合间隙。 9 85mm 2 0.5mm 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 3.3 梯形螺纹断面 3.1.2.6 螺纹断面形状的确定螺纹断面形状的确定 对于小直径螺杆，一般选用梯形螺纹，由于其前后缘有较大的倾角，有利于物料的流 动，同时具有较好的混合和均化物料的作用。其断面形状如图 3.3 所示。 9 本设计中，各段螺纹统一取 倾角 10 圆角半径 0.5rm ，取 R5mm 0.040.122.67.8 s RDmm: 螺棱顶宽 ，取 0.040.125.27.8 s bDmm:8bmm 为了使物料在机筒内流动顺畅，减少流动阻力，减轻模头压力，免发生堵塞现象， 并维持其均一性和连续性，我们在均化段螺纹上开半圆槽，具体结构如图 3.4 所示。 3.1.2.7 压缩比压缩比 i 全螺纹双螺杆的压缩比等于加料段一个螺距的螺槽容积与挤出段一个螺距的螺槽积 之比，不计过渡圆弧的影响，其计算式如下： 5 （3.2） 22 1111111 22 2222222 )4 ()4 Sm eDdF S i Sm eDdF S p p - = - 平均 平均 ）（ ）（ 式中 、分别为加料段、挤出段的螺距 1 S 2 S 、分别为加料段、挤出段的螺纹头数 1 m 2 m 图 3.4 开槽螺纹 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 13 、 分别为加料段、挤出段平均直径处的螺纹轴向厚度 1 e 2 e D、d 分别为螺杆外径、根径 、分别为加料段、挤出段的啮合面积的一半 1 F 2 F 因为螺杆等深，截面形状一样，且是单头螺纹， 12 DD 12 dd 12 eeb ，啮合面积、忽略，由式（3.2）初步估算压缩比 12 1mm 1 F 2 F 1122 5483681.6428iSeSe 3.1.3 螺杆的强度校核 3.1.3.1 材料选取材料选取 螺杆材料选用 38CrMoAlA，氮化处理，其综合性能较好，使用广泛。主要性能参数 详见表 3-2。 表 3-2 我国螺杆和机筒的常用材料 材料类别 性 能 45#40Cr 钢镀铬38CrMoAlA 屈服极限(Mpa)360800850 最高使用温度() 500500 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 线膨胀系数（10-6/）12.1基体 13.8，铬层 8.29.2 14.8 相对价格11.52.5 3.1.3.2 连接方式连接方式 螺杆的连接方式按照螺杆与减速箱中的传动轴固定方式不同，一般可分为紧固和浮动式。本设计中将 采用浮动式，即螺杆与传动轴为两个不同的零件，并以较松的配合连接，在挤压时可在机筒内浮动，整个 螺杆在实际计算中可近似地视为一悬臂梁。 3.1.3.3 受力分析受力分析 无锡太湖学院学士学位论文 14 P L 图5 螺杆受力示意图 G Mt 图 3.5 螺杆受力示意图 螺杆的受力状态如图 3.5 所示。主要受到物料的压力 p，克服物料的阻力所需的扭矩 和自重 G 的作用。根据图 3.5 可知，螺杆径向所受的压力 p 大小相等方向相反，所以 t M 可以互相抵消，计算时只考虑 p 对螺杆轴向的影响（即轴向力）。由分析可得，对螺 z p 杆的强度计算，在弯、压、扭联合作用下进行复合计算，一般状况下因为螺杆根径处的 承载能力较差，因此可归结于上面所提的复合应力的作用下螺杆根径断面强度的计算。 3.1.3.4 双螺杆的校核双螺杆的校核 对螺杆进行强度校核计算。 9 (1) 由轴向力产生的压缩应力 z p c （3.3） 2 2 max max 22 22) 1.2 4 1.2 ( 4 s s c sb sb PD D P DD DD p s p = - - 取螺杆轴向最大压力，螺杆外径，内径代入式 max 20PMpa85 s Dmm55 b Dmm （3.3），得 2 1.2 2085 5557.322 c Mpa (2) 由扭矩产生的剪应力 t M （3.4） max maxmax 34 34 max 97360 4960000 (1) (1) 16 t s s s N MnN WndC dC h h p = - - 根据 9 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 15 （3.5） 3 S NKD n= 对于的挤出机，取 K0.00354，另取 n 为螺杆最高转速90Dmm ， max 100minnnr 则计算所得挤压机驱动功率 2 0.00354 8.510025.5765NkW 取传动效率，则电机输出功率 0.80 25.5762 0.8031.97NNkw 选用 YCT3154A 电磁调速电机。通过电机调速，可方便地调节螺杆转速，继而柔性 11 地改变操作参数，达到生产膨化食品的控制要求。 YCT3154A 电机的基本技术参数如下表 3-3 所示。 表 3-3 YCT2504B 电机主要技术参数 标称功率 （kW） 输出转矩 （Nm） 额定转速下调速范围 （r/min） 转速变化率 不大 于% 3723213201322.5 取挤压机主电机最大传动功率，由式（3.4）得 max 37NkW 437 4.96 1037 0.80 100 0.0558.8244 1088.244PaMPa 由螺杆自重 G 产生的弯应力 b （3.6） 22 63 3 () 2 10 32 bss b bs s L G MLDd Wd d g s p + = 将 L1.5m，代入（3.6），得 33 7.85 10 kg m 2 2363 1.50.0850.0557.85 10100.0552.0807 b MPa (3) 螺杆的复合应力 r 根据材料力学可知，对于塑性材料合成应力应用第三强度理论计算，即 （3.7） 2 4 r 式（3.7）中 57.3222.080759.4027 cb MPa 无锡太湖学院学士学位论文 16 螺杆材料许用应力：，取，则 yy n850 y MPa3 y n 850 3283.333MPa 所以复合应力 1 2 2 59.40274 88.244186.216283.333 r MPaMPa 螺杆强度足够。 8 3.2 机筒的设计及计算机筒的设计及计算 挤压机的挤压系统由螺杆和机筒共同组成，热量传递的稳定性和均匀性都与其结构 形式有关，在进行机筒设计时，机筒结构形式的选择必须考虑，机筒上的加料口形式， 机筒与机头的联接方式以及机筒的加工等问题都要进行研究。 3.2.1 机筒结构形式 由于啮合异向平行双螺杆挤出机对机筒的要求很高有良好的密封性等，所以机筒一 般采用整体式，整体式的缺点是机筒过长，难于加工和清洁。 图 3.6 喂料口断面图 3.2.2 料口结构设计 加料口的结构必须适应物料的形状，使被加工的物料能够从料斗或加料器中不间断 的自由流入螺杆，能很好的适应各种粉料粒和带状物料，如图 3.6。 3.2.3 机筒材料的选择 为节约贵重金属，在满足性能要求的前提下，机筒材料选用 40Cr，内表面镀铬，以 提高其抗磨性和耐腐蚀性。 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 17 图 3.7 整体式机筒 3.2.4 机筒的连接方式 机筒的结构有整体式、分段式等。 本设计中机筒结构采用整体式，整体式机筒的特点是长度大，加工要求高；在加工精度和装配精度上 容易的到保证，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；对于物料的输 送更容易。 参考，机筒壁厚取 45mm。 9 机筒强度校核略。 3.3 传动系统的简单设计传动系统的简单设计 传动系统是挤压机的主要组成部分之一，螺杆的驱动，并使螺杆能在特定的工艺条 件下获得所必须的扭矩并且能够进行均匀地旋转，从而对物料完成输送和塑化。 无锡太湖学院学士学位论文 18 3.3.1 传动系统设计 图 3.8 传动系统示意图 初步确定挤压机传动路线如图 3.8 所示。 3.3.2 电动机的选用 螺杆转速的调节是生产食品的一个关键性操作参数，因此在本设计中，我们将采用 无级调速电机与有级减速机的组合。 采用无级调速电机，主要是因为其工作特性曲线与挤压机的工作特性相似，所以采 用它来作原动机，能够保证有较高的功率因素与效率(cos0.60.96，5060%)，且 启动性能好，运行稳定，可得到较合理的使用。为使螺杆获得足够的转矩，电机调速不 应太低，控制在 1000r/min 左右。采用有级减速机，承担大部分的传动比，可满足这一要 求。 为减小整机外形尺寸，使结构紧凑，电机置于下方，通过带轮传动带动减速机。带 轮不仅可以分担一定的传动比，而且还可使整个系统传动稳定，并起到过载保护的作用。 由前面电机选用 YCT3154A 电磁调速电机。 11 3.3.3 螺杆推力的传递和拉杆强度校核 螺杆推力的传递是挤压机传动系统设计中最须解决的问题之一。本设计中，物料压 力的传递路线是这样的：一方面，物料对螺杆的推力由螺杆出发，依次经过套筒联轴 器套筒轴承支架，传至传动箱内的从动轴上，再通过推力轴承，传到传动箱箱体， 而传动箱又通过拉杆固接于机架；另一方面，物料对模头的压力通过端盖传至机筒，由 于机筒通过螺栓固接于机架，这样就形成了一个“封闭力系” 。 通过上面的分析，我们看到物料对螺杆的推力最终是通过拉杆传递到机架上的，全 部轴力都作用于拉杆，这就对拉杆的强度提出了很高的要求。本设计中，拉杆螺纹规格 为 M30，数目为 4，安装时预紧。以下是参考对拉杆抗拉强度进行校核计算的过程(视 14 反向旋转型双螺杆挤压机及挤压部件的设计 19 拉杆为螺栓，静载荷)。 计算项目计算项目 计算内容计算内容 计算结果计算结果 计计 算算 拉拉 杆杆 受受 力力 端盖承受最大压力 上面计算已知 45401.9 Q FN 拉杆工作载荷 (式 6.13) F11350.475.N 45401.9 4 Q FFz 剩余预紧力 (见 6.3.1 节) 0.20.2 11350.475FF 2270.095FN 拉杆最大拉力 (式 6.5) 0 11350.4752270.095FF F 0 13620.57FN 计计 算算 拉拉 杆杆 应应 力力 拉杆直径 已知 d30mm 螺纹段几何尺寸 查手册续表 5-2 得 ， 15 1 26.211dmm 2 27.727dmm p3.5mm，H0.866 p3.031mm 拉杆危险截面面积 22 1 6426.211 3.031 64 c AdH 2 519.050 c Amm 选择拉杆材料 45 钢 选择拉杆性能等级