机械毕业设计（论文）-高剪切式单螺杆挤压机设计【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： 高剪切式单螺杆挤压机设计高剪切式单螺杆挤压机设计 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 ） 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） 高剪切式单 螺杆挤压机设计 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： 0923202 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 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 高剪切式单螺杆挤压机设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 食品挤压技术具有加工范围广、生产效率高、产品质量好、加工 过程无污染等特点。单螺杆挤压机的结构简单、易加工制造、成本低 廉，广泛用于加工各种膨化小吃食品。本课题的任务是设计一台高转 速产生高剪切率的单螺杆挤压机，利用高剪切率产生的摩擦热来加热 熔融低水分谷物原料，使原料得到蒸煮熟化，从模板中挤出时产生高 度膨化而形成松脆可口的膨化谷物食品。 通过本课题的设计，有助于学生能掌握和运用专业知识，锻炼工 程设计能力。 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： 查阅和整理资料，包括一篇与课题相关或相近的外文资料并进行 翻译； 确定课题的总体设计方案，进行开题报告； 进行相关参数的选择、计算和校核； II 对高剪切式单螺杆挤压机进行详细的结构设计，绘制总装图； 绘制主要部件图和典型零件图； 对整个设计过程作出总结，撰写设计说明书。 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 目前膨化食品越来越受到人们的欢迎，而挤压技术在膨化食品中的应用也更加广泛。 在挤压机内的面团类食品中的水分由于处于压力之下成液态，然后从模板孔挤出时， 过热的水分突然处于常压下，压力突然降低，水分蒸发成水蒸汽，产生伸张的和膨胀， 这样使这种产品产生一种低密度轻质的状态。 挤压技术作为食品工业中一项非常重要的技术得到更大的发展，现代食品工业用的螺 杆挤压机集混合、融合、蒸煮、改性反映、调质、组织化、成型、膨化等多种功能于一 身，体现出有利于自动控制、便于灵活转产以及节能、节劳力、节省生产场地等优点。 单螺杆挤压机的结构简单、易于加工制造、成本低廉，广泛用于加工各种膨化小吃食 品，本设计中设计一台单螺杆挤压机，其特点是高转速，高剪切率，外部无加热和冷却 装置，而是利用其高剪切率产生的摩擦热来加热熔融原料使食品原料得到蒸煮熟化，从 而生产出松脆可口的膨化谷物食品。设计将从挤压机的传动系统，挤压系统，喂料系统 等进行完整的设计。 关键词：关键词：膨化食品；挤压技术；单螺杆挤压机 IV Abstract At present puffs food more and more to receive peoples welcome. The extrusion technology in puffs in food the application to be also more widespread.In extruder pasta class food moisture content because is in under the pressure to become the liquid state,Then when squeezes out from the template hole, the superheat moisture content suddenly is in under the atmospheric pressure, the pressure reduces suddenly,The pressure reduces suddenly, the moisture evaporation steam, produces promotes and the inflation, like this causes this product to have one kind of low density light quality condition. The extrusion technology took in the food industry an extremely important technology obtains a bigger development,Modern food industrial used screw rod extruder have the mix, the fusion, the steam boiling, the modification reflected, the quenching and tempering, the organization, the formation, puff and so on many kinds of functions,manifests is advantageous to the automatic control, is advantageous for produces a different product nimbly as well as the energy conservation, the festival labor force, saves produces merits and so on location. The single screw extruder structure simple, easy to process the manufacture, the cost is inexpensive, widely uses in processing each kind to puff snack food,In the design designs a single screw rod extruder, its characteristic is the high speed, high cutting rate, the outside does not have the heating and the cooling system, but is uses the friction heat which its high cutting rate produces to heat up the fusing raw material enable food raw material to obtain the steam boiling curing, thus produces the pine crisply delicious to puff grain food. The design from the extruder transmission system, the extrusion system, will feed the material system and so on to carry on the integrity the design. Keyword: euffs food extrusion technology single screw extruder V 目目 录录 摘 要 III Abstract.IV 目 录 V 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 意义、目的、研究范围 .2 1.3 本课题在国内外的发展概况及存在的问题 2 1.4 本课题研究内容 .5 2 单螺杆挤压机整体设计方案 6 2.1 挤压机的主要部件 .6 2.1.1 挤压机的供料部件 6 2.1.2 螺杆 6 2.1.3 机筒 6 2.1.4 模头及模板 6 2.1.5 其他 7 2.2 挤压机的驱动装置 .7 2.2.1 电动机的选用 .7 2.2.2 传动比分配 .8 3 挤压机零部件设计与计算 9 3.1 螺杆的设计 .9 3.1.1 螺杆的结构 .9 3.1.2 螺杆各部分参数 .9 3.2 机筒结构设计 12 3.3 带轮结构设计与计算 12 4 螺杆和机筒强度计算及配合要求 .16 4.1 螺杆强度计算 16 4.1.1 螺杆材料选取 16 4.1.2 螺杆校核计算 16 4.2 机筒强度校核 18 5 轴承布置与校核计算 .20 5.1 径向轴承 20 VI 5.2 推力轴承 21 5.3 键的强度校核 21 5.4 螺杆的生产能力计算 22 6 加料系统设计 .23 6.1 螺旋直径和转速的确定 23 6.2 螺旋主要结构参数确定 23 6.3 电机选用 24 6.4 润滑油的选用 24 6.4.1 齿轮传动的润滑 24 6.4.2 滚动轴承的润滑 25 7 挤压机操作系统 .24 7.1 安装 24 7.1.1 挤压机的安装基础 24 7.1.2 调整挤压机水平 24 7.1.3 机筒的安装 24 7.1.4 螺杆的装拆 24 7.1.5 模头的安装 24 7.2 挤压加工系统的操作与维护 26 7.2.1 开车前的准备工作 26 7.2.2 开车操作 26 7.2.3 运转中的检查 27 7.2.4 停机 .27 7.2.5 维护保养 27 8 总结与展望 .29 8.1 总结 29 8.2 展望 29 致谢 .30 参考文献 .31 高剪切式单螺杆挤压机设计 1 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挤压技术在食品生产中的应用 本世纪 30 年代，挤压技术开始应用于食品加工，它具有集输送，混炼，剪切，加热， 加压等多种化工单元操作于一体的高温短时加工的特点，因此在食品加工领域的应用范 围越来越广泛。除了谷物及植物组织蛋白挤压食品以外，从糖果制造到酪蛋白生产，从 固体脂肪到风味成分的开发，及至饲料宠物食品加工制造都用到食品挤压机。 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。加工谷物食 品的工艺一般须经粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、杀菌干燥等生产工序，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。 通过挤压技术对谷物食品进行加工，初步混合原料后，就可用一台挤压机完成混合、熟 化、粉碎、杀菌、余干燥、成型等工艺，制成膨化、组织化产品或制成不膨化食品，这 些产品在再经油炸或微波、烘干、调味后即可上世，只要简单根据更换挤压磨具，并可 以很方便的改变产品的造型。相对于传统工艺，挤压加工改变了谷物食品的加工工艺， 大大减短了加工工艺过程，丰富了谷物样式，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 1.1.2 挤压技术在食品生产中的发展状况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。 2 1.1.3 挤压机生产膨化食品挤压机生产膨化食品 本世纪 30 年代，挤压技术开始应用于高温短时食品加工，它具有集输送，混炼，剪 切，加热，加压等多种化工单元操作于一体的特点，因此范围越来越广泛地运用于食品 加工领域。食品挤压机可以加工谷物和植物组织蛋白挤压食品，可以进行糖果制造到奶 酪蛋白生产，可以进行固体脂肪到风味成分的开发，以及宠物饲料食品加工。 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膨化食品，挤压 无锡太湖学院学士学位论文 2 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，生产出的膨化食品口感， 香味的持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。 3 1.1.4 挤压膨化原理挤压膨化原理 物料中含有一定的水分,物料在挤压机套筒内受到螺杆的推动作用和卸料模具或套筒 内节流装置的反向阻滞作用以及加热作用。使得物料处于高达 3 8MPa 的高压和 200 e 左右的高温状态之下。压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压, 使得挤出机套筒内物料中 的水分不会沸腾蒸发, 物料呈现出熔融状态。一旦物料从模头挤出, 压力将骤降为常压, 物料中水分瞬间蒸发, 温度降至 80e 左右, 从而使物料变成多孔结构形状的膨胀食品。 4 1.2 意义、目的、研究范围意义、目的、研究范围 食品挤压技术具有加工范围广、生产效率高、产品质量好、加工过程无污染等特点。 单螺杆挤压机的结构简单、易加工制造、成本低廉，广泛用于加工各种膨化小吃食品。 本课题的任务是设计一台高转速、高剪切率的单螺杆挤压机，其外部无外加热装置，而 是利用高剪切率产生的摩擦热来加热熔融原料并使食品原料得到蒸煮熟化，从而生产出 松脆可口的膨化谷物食品。 1.3 本课题在国内外的发展概况及存在的问题本课题在国内外的发展概况及存在的问题 直接膨化休闲食品是一类消费非常广泛的食品，它们是由所使用的挤压机类型特点 而被称为玉米果，现在这类食品已被称为直接膨化食品，通常，直接膨化的食品在高剪 切蒸煮积压机上生产的，此类产品是由于产品从挤压机模板处出来产生直接膨化而得名 的，并且除了干燥外不需要进一步的加工处理。一些直接膨化的休闲食品的典型代表的 玉米卷（焙烤的或油炸的） 、洋葱圈、马铃薯条和近来的立体休闲食品。 直接膨化休闲食品的膨化过程是由加热物料使温度超过 100 摄氏度而产生的，在挤 压机内面团中的水分由于面团是处于压力之下故呈液态，然后当面团从模板孔中挤出挤 压机时，过热的水分突然处于常压下，压力迅速的降低，水分蒸发成水蒸汽，产生伸张 的和膨胀是淀粉基质赋予了这种产品一种低是密度和轻的质地，整体密度降到 50160g/L 范围内。这类产品的形状和大小是由模板设计、挤压物的粘弹性以及切割方式决定的， 用于生产着类产品的设备可以是简单的夹套式挤压机到双螺杆挤压机。夹套式挤压机用 于生产诸如玉米卷和大米膨化物等产品，若对配料要求高和生产率高，则应使用较复杂 的单螺杆和双螺杆挤压机。生产率一般为：夹套式挤压机 50200kg/h,有较长套筒的单螺 杆挤压机 100600kg/h，双螺杆挤压机 1501000kg/h。 5 挤压技术作为食品工业中得一项重要技术并得到更大的发展。它能将食品原料直接 挤压成型得到我们需要的产品。现代食品工业用的螺杆挤压机集混合、融和、蒸煮、改 性反应、 调质、组织化、成型、膨化等多种功能于一身，体现出有利于自动控制、便于 灵活转产以及节能、节劳力、节省生产场地等优点。同时，挤压技术生产婴儿食品、制 高剪切式单螺杆挤压机设计 3 3 品的性状发生改变，产品的速溶性、冲调性提高，产品极易消化，且提高了氨基酸的含 量。 目前挤压技术还可以生产膨化小食品及夹心食品汤料、面包干、人造蛋白肉等。本 设计就是生产挤压膨化食品。 物料经过挤压后又如下特点： （1）成分损失少，有利于人体的吸收。 （2）用途广。 （3）生产率高，从进料到成品仅需 20-40s。 （4）成本低。 （5）维护方便。 基于以上几点，挤压技术可以为现代生产提供巨大的支持。 随着食品工业的迅速发展，螺杆挤压机被广泛的应用于食品加工当中，特别是单螺 杆挤压机在各方面都取得了长足的发展。现在单螺杆挤压机朝着高效能、高速、自动化 和辅助配套连续生产方向发展。在螺杆设计方面，除增大螺杆的直径，螺杆的长径比， 也研制了各种新型高效的螺杆，同时采用了计算机设计螺杆，并对自动控制提出了要求， 使得产品的质量更加稳定，生产产品的水平更上一层楼。 多段组件螺杆的单螺杆挤压机，是由 Wenger 公司（1964 年）创新设计和研制开发的 成功机型。螺杆采用若干个可拆卸的单个组件，个个螺杆组件彼此连接安装在转轴上， 转轴通过联轴套管与传动齿轮箱装配。第一段称为定量供料螺杆，它将原料进行混合挤 压，将其运送至下一区段的螺杆组件，在中间区段的螺杆，其节距变得更短，产生更大 的混合作用和挤压作用，接着物料被混合并运送到的三区段产生更大的剪切作用。随着 剪切力和压力的增大，产生揉合作用，挤压料转变成为塑性物质。接着物料被推送到第 四区段，该区的物料将受到更加大的剪切作用和发热，继而物料的温度升高和熟化。 在一定的产量条件下，单螺杆挤压机比双螺杆挤压机便宜 1.5-2.5 倍，因为结构比较 简单，但是对一个挤压机系统来讲，它要对物料进行干燥等一些额外的要求，也会增加 产品的成本。 进行综合的比较，对能耗进行分析，由于单螺杆挤压机广泛的采用蒸汽或电加热以 及用水来调节以提供蒸煮加工所需的热量，所需热能由机械能提供的将减少。在双螺杆 挤压过程中，较多的热量是由输入的机械能提供的，其他的一些热量则是由夹套传递过 来的。相对来说单螺杆索要的热量消耗要经济一些。单摞杆挤出物的水分很高，相关的 能耗使蒸煮的能耗得到补偿。 ，所以总的能耗并不是很低。另外干燥机的效率只有 40%， 相比之下，双螺杆挤压机的优点就是它有很多的能力来处理低水分的物料。除了低水分 挤压会导致配料的过度破坏和产品的负影响外他们两者的能耗差别不是太大。 6 总的而言，单螺杆挤压机有它不足之处，但是它也有不可替代的优点。主要是单螺 杆挤压机结构简单，制造成本低，加工的产品为各种膨化食品、速溶谷物粉、锅巴类小 食品，苏释方便米粥。还有就是其操作维修方便。设备在使用一段时间后，可以更换易 损件。 无锡太湖学院学士学位论文 4 从结构上来看，单螺杆挤压机比双螺杆挤压机简单，操作上的限制也少。双螺杆挤 压机的齿轮传动相对复杂，两根轴必须同向旋转，两轴之间狭窄的空间给设计带来很大 的困难，特别是推力轴承的放置就有很大的问题。而且，双螺杆的扭力、压力和比单螺 杆挤压机小的止推力限制，过度的负担将导致过度的损坏而增加维修费用。 由于单、双螺杆的不同特点，他们在食品加工中各自起着他们的作用。例如，在宠 物食品的蒸煮和成型加工中，单螺杆挤压机是经济而有效的方法。在需要良好的控制以 及操作灵活的蒸煮反应时，选择双螺杆挤压机会更合适。物料在单螺杆挤压机中向前输 送的原理与双螺杆挤压机的有些不同。在双螺杆挤压机中，根据螺杆的旋转方向，啮合 程度和螺纹参数的不同，双螺杆可以分为同向旋转和异乡旋转、啮合与非啮合等多种类 型。目前发展的主流类型是同向旋转、完全啮合梯形螺纹的双螺杆挤压机。在双螺杆挤 压机中，；螺杆和机筒之间扭曲了近于闭合的 C 形空间，由喂料机构进入的物料充满这 个空间并被流畅的推送向前，当物料的体积与空隙的体积相等时，继续送入的物料将会 产生压力，表面看来这是与单螺杆挤压机一样，具备了物料和螺杆共转的条件。但是， 对于双螺杆挤压机而言，在 C 形开口出总有另一螺杆的螺旋齿齿板旋转着，即一根螺杆 的螺旋齿板对另一根螺杆 C 形空间中的物料起着挡板的作用。因此物料不会和螺杆一起 共转，机筒内部就可以做成光滑的表面，可避免不必要的摩擦，降低运转所需要的能量， 同时还可以把螺杆和机筒的间隙做小，减少物料沿缝隙逆向的漏流，机对高水分、高油 分的食品原料也不易发生逆流和漏流。提高承载压力的范围，甚至还可以进行更高温度 的处理。 在单螺杆挤压机中，物料基本上紧密围绕在螺杆周围，形成螺旋状的连续带状物料。 因此，根据螺杆螺母相似的关系，在物料与螺杆的摩擦力大于机筒与物料的摩擦力时， 物料将和螺杆一起旋转，这就不可能实现物料的输送。在模头附近高压或高湿的情况下， 返压力易使物料逆流，物料的水分、油分越高，这种趋势就越显著。因此，单螺杆挤压 机为了解决或避免这些问题会在螺杆采取一些措施。比如增加螺杆的头数，就是螺杆旋 转一周对物料的作用次数。头数越多，螺杆对物料的推动能力越强。多头的螺杆适用于 粘性较高的物料。不过随着头数的增多，螺杆和机筒之间的空间就会更少，物料输送的 绝对量也就降低了。所以没有必要从进料口到模头的螺旋头数都保持一致，可以选择各 种螺杆的放置形式以适应各个区段的物料的变化情况。 7 为避免物料跟随螺杆一起旋转，可以采用一些方法。在物料上就是降低物料的水分 和油分，减少物料与机筒的的润滑作用。同时，应将物料的分布控制在某个范围之内， 即当物料充满螺杆与机筒的空间时，应使后继物料的传输比例降低，物料各粒子得以分 散，从而降低物料在螺杆之间的紧密程度。实际上 ，食品物料一般多是不定型，不均匀， 高水分，高油分，多成分的物料，因此，还没有成熟的方法解决这些难题。不过如果采 用自动化控制，会在一定程度上解决问题。单螺杆挤压机和双螺杆挤压机的不同之处见 表 1.1。 表 1.1 单、双螺杆挤压机的比较 高剪切式单螺杆挤压机设计 5 5 机型 项目 单螺杆挤压机双螺杆挤压机 物料移动方式摩擦滑移具有一定的正向输送 加工能力受物料成分的限制在一定范围内不受限制 物料允许水分1030（最大40）595 物料的热分布不均匀均匀 剪切力强弱 逆流产生程度高低 续表 1.1 加工产品种类少多 耐久性大比单螺杆稍差 本课题中的单螺杆食品挤压机，能有效而稳定的长期工作，既能保证食品质量，减 少对原材料的浪费，又能增加产量，提高劳动生产率，降低食品成本。应用这种食品挤 压成型机，减少了人身与食品物料的直接接触和病菌传播机会。这种成型机具有结构简 单，操作容易，清洗维修方便等特点，适合于在餐厅以及各个超市使用单螺杆挤压机优 于双螺杆挤压机最主要的一点是其结构简单，价格便宜，因此在食品工业领域有着广泛 地应用，只有当单螺杆挤压机在生产中不能得到完全令人满意的效果时才改用双螺杆挤 压机。螺杆挤压机在膨化食品挤压应用广泛。目前，美国、日本及西欧等国家对挤压膨 化的理论研究越来越完善，应用领域越来越广阔，各种各样的挤压食品遍步超市货架。 美国生产的大型挤压膨化机生产能力已达每小时几吨至十几吨，有关挤压膨化和设备的 专利已达百余项 ，挤压产品遍及世界各地，由于食品工业日新月异的发展，挤压设备的 不断改进，挤压理论的不断完善，挤压食品在消费者中的地位也越来越重要。 8 1.4 本课题研究内容本课题研究内容 在单螺杆挤压机中，大部分能量在机筒上传导。这些能量既有通过机筒外热的传导， 也有由于螺杆本身的剪切作用所产生的机械能。其中机械能的大小是由螺杆转速和螺杆 结构所决定的，这是因为剪切率与螺杆转速成正比，而对于一台确定的挤压机，螺杆结 构一般是预先确定的，修改的可能性很小。对于大型单螺杆挤压机，热交换及其输送产 量和压力的增加都将变得更加困难，因为挤压机的尺寸越大，物料的表面积与体积之比 就越小。 9 本设计名为自热式单螺杆挤压机，即是用螺杆本身的剪切作用所产生的机械能而产 生的热量来加热物料，而不需要在外部通过加热装置进行预热物料处理。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 单螺杆挤压机整体设计方案单螺杆挤压机整体设计方案 2.1 挤压机的主要部件挤压机的主要部件 典型的挤压机的构成包括以下 4 个主要部件：供料机构、螺杆及其传动机构、机筒、 模头。螺杆的传动如图 2.1 所示。 图 2.1 螺杆的传动 2.1.1 挤压机的供料部件挤压机的供料部件 有两种形式，水平型和垂直型，它们都配有一个料斗，用来接收和暂存待挤压的原 料，并将其运送至螺杆。为了确保原料能有畅流的运动和避免产生 “架桥” ，料斗内配 装搅拌机，或者采用宽大的出料口，这样，将有助于该机构保持不间断的均匀供料工况。 喂料基本要求 按照设计实际需要及具体条件来决定装置设计 重力加料 物料在料斗中依靠本身的重力进入挤压系统，在料斗上方设置喂料器，均匀的喂料， 且能控制喂料量，满足各种不同物料加工需要，避免进料不均匀的现象，提高产品的质 量和产量。 10 2.1.2 螺杆螺杆 通常可以这样讲，螺杆是挤压机最重要的部件，它不仅决定挤压机的熟化和糊化功 能强度，而且还决定最终成品的质量。不同的螺杆，有不同的挤压功能。螺杆的挤压功 能，决定于螺杆的设计参数。 2.1.3 机筒机筒 包围在螺杆外面的螺套，本设计采用整体结构。机筒内表面通常制成凹槽形状，有 的是直线型凹槽，有的是螺线型凹槽。螺线型凹槽，产生助推的顺流，而直线型凹槽， 则阻碍顺流。因而，直线型凹槽会导致较低的流速，但其机械剪切作用则更大。螺杆与 其机筒之间的间隙距离，通常保持在最小程度，藉以减少渗漏流。 2.1.4 模头及模板模头及模板 在机筒的终端，通常配装具有各种形状孔眼的模压盘，一般被称之谓模头。模头具 有双重功能：将挤压料模压成所要求的形状。确定模头孔眼的几何形状，对于挤压产品 外形及质量有很重要的作用。目前，已开发应用多种孔眼形式的单程模压模头，例如圆 筒形孔眼模头，狭槽形孔眼模头，环状形孔眼模头，以及双程模压模头。在双程模压模 头内的进料，来自两台挤压机单程模压的出料口，可加工成具有双重颜色或双重味道的 挤压制品。 （1） 模板设计原则为：熔融料的流道呈十分光滑的流线型，不得有突变，更不能 有死角和滞留区；保证模板有足够的压缩比，使料能在模板内形成必要的压力；在强足 高剪切式单螺杆挤压机设计 7 7 够的条件下，结构紧凑，易于加工制造和装拆维修。同时结构尽量对称，以使传热均 匀；材料选用合理。 （2） 对模板材料的要求：耐蚀和耐磨损；在模板的内压作用下有足够的强度刚度； 在高温下不变形，模板各组成零件视所处位置和工作要求可选不同的材料。对模板的加 工装配要求：模板的装配要求高，各零件的加工视作用不同而异。所以，选用材料为： 38CrMoAl 氮化处理。 11 2.1.2.1.5 5 其他其他 另外还有的就是动力提供装置，包括电动机和减速器等等。 2.2 挤压机的驱动装置挤压机的驱动装置 1) 电动机 可选用结构简单，价格合理，稳定可靠的工业用机。 2) 变速装置 挤压机所生产的产品各不相同，螺杆的速度也会不一样，变速的方法可以是采用变速电 机比如无级变速的，比较先进的是可控硅交流变速。 3) 传动装置 挤压机螺杆的转速一般不会很高，小于 500rpm，可以选用减速装置将其直接减到一定 的范围即可。 4) 推力轴承 在挤压过程中会产生一定的压力，通过螺杆传递到传动装置，因此需要增加一些轴承以 平衡这些力。轴承的寿命为小时。2628524365(3（小时）（天）年） h L 2.2.1 电动机的选用电动机的选用 螺杆转速一个关键性参数，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曲线很接近， 如图 3 所示。采用它来作原动机，能够保证有较高的功率因素与效率( )，且启动性能好，运行稳定，可得到较合理的使用。为%60%50,96 . 0 6 . 0cos 使螺杆获得足够的转矩，电机调速不应太低，控制在 1300r/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。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.2 调速电机的特性工作曲线 所需电动机功率为： (式 2.1)kw P P w d 式中：工作机要求的电动机输出功率： kw d P 工作机所需要的输入功率： kw w P 电动机到工作机之间的传动装置总效率 根据螺杆的转速和螺杆直径。 直径 D=45mm 转速 n=300r/min 挤压机输出功率估算： (式KWKnKDN5 .21)00354. 0( 2 2.2） 选取电机 YCT280-4A 额定功率 30KW，转矩 189，调速范围 132-1320r/min 满足 设计要求。 2.2.2 传动比分配传动比分配 1.总传动比 为保证螺杆有较高的转速，满足一定的螺杆输入转矩，取电机工作转速 1320r/min, 挤压机工作转速 300r/min，则总传动比为： 4 . 4 300 1320 n n i 电机 总 2.带轮传动比 因为螺杆要高的转速，总传动比较小而减速器要承担大部分传动比，带轮将选用较 小的传动比，同时，这样也可减小机器尺寸和重量，便于安装。在设计中，我们初取带 轮传动比=1.2 v i 3.减速器选用 参考11571158，按强度选用减速机。 12 计算功率 （式KWPPKP pAc1 2.3） 工况系数 KA按轻微冲击查表 18-40 得 =1 A K 高剪切式单螺杆挤压机设计 9 9 减速机传递功率 v nT P 9550 max电电 （式kw21.27 96. 09550 1320189 2.4） 则计算计算功率= 127.21=27.21 c Pkw 查表9-2-8 选用 ZDY-100 型减速器，其许用输入功率 PP1=28kW，传动比 13 55 . 3 减 i 无锡太湖学院学士学位论文 10 3 挤压机零部件设计与计算挤压机零部件设计与计算 3.1 螺杆的设计螺杆的设计 3.1.1 螺杆的结构螺杆的结构 普通螺杆按其螺纹升角和螺槽深度分为： 等距变深，等深变距，变深变距。本设 计中将采用等距变深螺杆，即螺杆的螺距不变而螺槽深度变化。 14 3.1.2 螺杆各部分参数螺杆各部分参数 （1）螺杆直径 选取螺杆直径 =45mm 根据， （式 s DnDsQ 3 3.1） 式中 Q -生产能力 (kg/h) -螺杆外径 (mm) s D -螺杆转速 (n/min)n -经验出料系数，取 0.0030.007 计算出 Q=164kg/h。 （2）螺杆长径比 从挤压理论得知，在其他条件一定时，增大长径比，即等于增加螺杆的长度。结果 物料在螺杆中的停留时间也延长，即保证了物料有充分的熔融时间，但对热敏性的物料， 过大的长径比易于造成停留时间过长而热分解。由于本设计中需要加工的物料只要将其 熟化或者半熟化，并挤压成型即可。所以只取 18 S D L 则螺纹段长mmDL s 81018 （3）螺杆各段主要几何参数 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。 a 螺距 S 由于本设计设计成等距变深螺杆，从输送段到均化段统一取螺距 S=35mm b 各段长 L 根据经验数据（Pg7577），确定各段长如下： 9 加料段 L115%30%L121.5243mm，取螺距 S35mm 的整倍数， L1215mm 熔融段 L250%60%L405486mm。出于段长取螺距倍数的考虑，取 L2420mm。 均化段 L3LL1L2810215420175 c 螺槽深度 H 高剪切式单螺杆挤压机设计 11 11 输送段螺槽深度，在理论上大，固体输送量增大。在确定时要考虑 1 H 1 H 1 H 螺杆的机械强度和物料的物理压缩比大小。一般先确定均化段螺槽深度后， 再由螺杆几何压缩比来计算加料段的螺槽深度。均化段螺槽深度 1 H =（0.0250.06）D=1.1252.7mm （式 3.2） 3 H 取= 3mm,初步取压缩比 i=3。根据三三段螺纹升程 3 H 3 1 3333 1111 H H HelHD HelHD i 相等，螺棱宽度 e 也相等。所以=9 取=10mm. 1 H 3 3H 1 HmmH6 2 d 螺纹升角 s b 参考Pg161 公式 10 螺杆外径处螺纹升角 （式 3.3） b b D S arctan 螺杆根径处螺纹升角 （式 3.4） s s D S arctan 分别计算出各段的螺纹升角s、b，列表 3-1 如下： 表 3-1 各段螺纹升角 第一段第二段第三段 b241916 s141414 图 3.1 梯形螺纹断面 （4）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 3.1 所示。 本设计中，各段螺纹统一取倾角 = 15 圆角半径 r=0.5mm,R=(0.50.67) 取 1mm, （式 3.5） 3 H 螺棱顶宽 e(0.080.12)3.65.4mm （式 S D 3.6） 取 e=5mm . 9 无锡太湖学院学士学位论文 12 压缩比i 全螺纹螺杆的压缩比，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容积 之比，不计过渡圆弧的影响，其计算式如下： （式 3.7） SFdDems SFdDems i 22 2 2 2 2222 11 2 1 2 1111 4 4 平均 平均 9 式中 S1、S2分别为加料段、挤出段的螺距 m1、m2分别为加料段、挤出段的螺纹头数 e1、e2分别为加料段、挤出段平均直径处的螺纹轴向厚度 D、d 分别为螺杆外径、根径 F1、F2分别为加料段、挤出段的啮合面积的一半 由于是单头螺纹，截面形状一致， D1=D2，d1=35，d2 =43 e1=e2= e=5，m1=m2=1， 忽略啮合面积F1、F2，初步估算压缩比 （式 3.8）5 . 4 18492025 12252025 2 2 2 2 2 1 2 1 dD dD i 由于螺杆等深，截面形状一致，据有相关资料，物料在挤压过程中发生复杂的化学反 应，本身由固体粉料转化为熔体将有两倍左右的物理压缩比。如果挤压机本身的压缩比 过小，将会导致挤压过程中需要较大的进给速度或更大的螺杆转速，才能满足所需要的 压力和充满程度。另外，考虑到化学反应对压缩比的影响，我们认为估算值还是有一定 参考意义的。 12 高剪切式单螺杆挤压机设计 13 13 图 3.2 螺杆设计图 3.2 机筒结构设计机筒结构设计 机筒采用整体式机筒，其特点是长度大，加工要求比较高，在加工精度和装配精度 上容易得到保证（特别是螺杆和机筒的同轴度要求） ，简化了装配工作，在机筒上设置外 加热不容易受到限制，机筒受热均匀，应用比较广泛。在机筒和螺杆的加工方面，螺杆 的外围粗糙度定为 1.6，在车床上面进行磨削加工，而机筒外层可在主式磨床上采用平行 磨进行深孔磨，其粗糙度取 3.2。螺杆及机筒的外围及内孔的精度要求，较高是为了减少 物料对其表面的磨损，我们要求的是物料被进行高剪切，同时减少对设备的磨损，延长 机器的使用寿命。 14 螺杆和机筒在挤出机受到高温，高压的作用，同时受到机械刮磨及化学腐蚀作用。 从螺杆和套筒的磨损机理中是较为复杂的，其中主要包括有：粘连磨损，磨料磨损，分 层磨损，化学磨损。 机筒螺杆共同组成了挤压机的挤压系统，其结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性， 在设计机筒时，要考虑到机筒结构形式的选择，机筒上的加料口形式，机筒和机头的连 接方式以及机筒机械加工的难易等问题。 16 机筒元件的结构形式分为：带加料口的机筒元件，带侧加料口的机筒元件等等。设 计采用的是带加料口的机筒元件。 料口的结构设计，加料口的结构必须与物料形状相适应，使被加工的物料能从料斗 或加料器中不断流入螺杆不中断，对各种粉料和带状物都能很好的适应，且用的较多。 无锡太湖学院学士学位论文 14 图 3.3 机筒设计图 3.3 带轮结构设计与计算带轮结构设计与计算 以下设计计算参考 7 设计功率：电机输出功率 kwP12.26 9550 1320189 ,工作情况系数 取 1.1 A K 小带轮转速取r/min 初定传动比KWKPP Ad 7 . 2812.261 . 11200 1 电 nn =1.2 v i 高剪切式单螺杆挤压机设计 15 15 计算项目 计算内容 计算结果 定定 V V 带带 轮轮 型型 号号 和和 带带 轮轮 直直 径径 工作情况系数 11.5 1 . 1 A K 选带型号 11.15 选 B 型 小带轮直径 36.1-24 mmD200 1 大带轮直径 v iDD 12 1 mm 6 . 2372 . 120001 . 0 1 (设1%) 取基准直径 取236mm 2 D 大带轮转速 2 11 2 1 D nD n =1006.8r/min 236 120020001 . 0 1 2 n 计计 算算 带带 长长 求 Dm 218mm 2 21 DD Dm m D 求 18 2 200236 2 12 DD 初取中心距 初取中心距： )(2654)(5 . 1 2121 DDDDao 带长 =1993 （式 O L a DD DDa 42 2 2 12 21 3.9） 基准长度 取 L=2000mm 求求 中中 心心 距距 和和 包包 角角 实际中心距 a+=657.5 取 a657mm o a 2 O LL 小轮包角 a DD a 0 12 0 1 3 . 57)(180 5 . 657 3 . 57)200236(180 00 1176.86120 求求 带带 根根 数数 带速 100060 11 nD v 100060 1200200 smv/56.12 传动比 19. 1 )01. 01 (200 236 1 1 2 D D iv 无锡太湖学院学士学位论文 16 带根数 单根带功率 4.5kW； 0.98； 1 P K ； 0.98；21. 0 1 p L K L d KKPP P Z )( 11 取 z6 根3 . 6 52. 4 7 . 28 求求 轴轴 上上 载载 荷荷 张紧力 由 q=0.17 13 单根带拉力 2 0 1 5 . 2 500 qv K zv P F C N32256.1217 . 0 1 98 . 0 5 . 2 56.126 7 . 28500 2 轴上载荷 2 sin2 0 zFFQ 3864N3864 2 177 sin32262 0 Q F 材材 料料 与与 结结 构构 带轮结构 小带轮采用实体式，大带轮设计成腹板式，具体外形结构略 带轮材料 大、小带轮均采用