（化工过程机械专业论文）螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 m y 1 7 4 0 4 w 。 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 摘要 橡胶冷喂料挤出机是橡胶加工行业重要的成型设备之一，它的出现推动了橡 胶加工行业的发展进步。在冷喂料挤出机长期发展的过程中，挤出机的螺杆作为 其最重要的部件，得到了人们广泛的研究和探索，先后出现了不同螺杆构型的挤 出机。但是塑化能力的提高并没有带来挤出机生产能力的相应提高，其中一个重 要因素就是喂料能力的低下。早期的自由喂料方式和后来的简单旁压辊喂料方式 都不能很好地满足冷喂料挤出机塑化能力的发展。 本课题深入地对橡胶挤出机和螺旋啮合喂料装置的设备和理论进行了研究 探索，并在此基础上设计出了一种全新的挤出机设备螺旋啮合冷喂料挤出 机。这种优化了喂料装置的挤出机喂料能力得到了显著的提高，使得整个挤出机 的生产能力也得到了显著的提高。 同时，由于本课题设计开发出的橡胶挤出机已经投产使用，其实际应用价值 很高。所以本课题是橡胶机械传统设计理论指导实践，实践检验理论的最好明证， 具有非常重要的意义。 目前已有的橡胶机械c a d 系统多是针对不同构型的挤出机螺杆进行二次开发 和绘制，还没上升到整机开发的高度。所以，这些c a d 系统或者停留在纯理论研 究的层面上或者只能作为挤出机设计的一部分来使用。同时，这些c a d 系统的开 发环境较早，技术条件不成熟，导致难以满足复杂系统多元化的需求，难以实现 软件的扩展性和重用性，也难以解决跨进程、跨平台移植和分布式应用等问题。 目前广为流行的编程开发环境n e tf r a m e w o r k 并非老版本应用程序的简单升 级，而是具备了统一的集成开发环境( i d e ) 、真正的面向对象、通用语言运行库 ( c l r ) 、新一代的数据访问、多线程的直接支持等特点。基于以上这些原因，应 用新语言和新设计思路重新开发橡胶机械c a d 系统势在必行。 本课题在螺旋啮合冷喂料挤出机设计开发完成的基础上，构思了对橡胶挤出 机整机进行c a d 二次开发的设计思想。本设计选择了v i s u a lb a s i c n e t2 0 0 5 作为开发语言，选择a c c e s s2 0 0 3 数据库存储冷喂料挤出机的经验公式和数据以 便进行查询、更新、赋值等操作，进一步地应用a c t i v e x 技术调用a u t o c a d2 0 0 4 绘图软件对挤出机整机和零部件进行模块化设计和参数化设计，最终达到整机和 零部件绘制和出图等工作。 本课题提出的对橡胶挤出机进行整机化的设计理念是橡胶机械c a d 二次开发 未来发展的方向，具有领向标的作用，有着深远的指导意义。在此设计理念指导 下对程序进行编码，生成的c a d 系统具有设计开发挤出机快捷迅速、功能丰富、 可扩展性好等特点，是橡胶机械c a d 二次开发的典范。 关键词：螺旋啮合喂料挤出机整机化设计模块化设计参数化设计 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 t h ec o m b m a t e dr e s e a r c ha n d d e s i g n so nh e l i c a li n t e r m ：e s h i n g c o l df e e de x t r u d e r a bs t r a c t c o l df e e dr u b b e rm a c h i n e s ，w h i c hp r o m p tt h ee v o l u t i o no ft h er u b b e rp r o c e s s i n g i n d u s t r y , a r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o r m i n ge q u i p m e n t si nt h ef i e l d so fr u b b e r p r o c e s s i n g d u r i n gt h el o n g - t i m ed e v e l o p m e n to ft h ec o l df e e dr u b b e rm a c h i n e ，t h e s c r e wo fe x t r u d i n gm a c h i n e ，a st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t ，a t t r a c t e do u re x t e n s i v es t u d y a n de x p l o r a t i o n ，a n dg o tn e wd i f f e r e n tt y p e so n ea f t e ra n o t h e r b u tt h ei m p r o v e m e n t o fp l a s t i c i z i n gc a p a c i t yd i dn o tb r i n gt h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c t i v ec a p a c i t yo ft h e e x t r u d e ra si td e s e r v e s ，o n eo ft h ev i t a lf a c t o r si st h ed e f i c i e n c yi nt h ea b i l i t yo ff e e d i n g b o t ht h ef o r m e rf l e ef e e da n dt h ep r e s e n ts i m p l er o l l e df e e dc a n tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h ed e v e l o p m e n to f t h ee x t r u d e r sp l a s t i c i z i n gc a p a c i t y t h es u b j e c th a sm a d ed e e pr e s e a r c h e sa n dp r o f o u n d e x p l o r a t i o n s o nt h e e q u i p m e n ta n dt h e o r yo fh e l i c a li n t e r m e s h i n gf e e dd e v i c e ，a n d ，b a s e do nt h i s ，d e s i g n e d ab r a n - n e we x t r u d e r p r e s e a r c ho nh e l i c a li n t e r m e s h i n gc o l d f e e de x t r u d e r t h e f e e d o p t i m i z e de x t r u d e r e n h a n c e st h ef e e d c a p a c i t ys i g n i f i c a n t l y , a n dm a k e sa p r o m i n e n ti m p r o v e m e n to nt h ep r o d u c t i v ea b i l i t y a l s o ，t h ed e s i g no ft h er u b b e re x t r u d e ri nt h es u b j e c th a sb e e np u ti n t ou s e ，a n di t s p r a c t i c a lv a l u ei sh i g h t h u s ，t h ec o n c e p ti s t h eb e s tp r o o ft h a t ，i nt h ef i e l do f t r a d i t i o n a ld e s i g no fr u b b e re x t r u d e r , t h e o r i e sc a nd i r e c tp r a c t i c ea n dp r a c t i c ec a n v e r i f yt h e o r i e s ，a n di so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ， i np r e s e n t ，t h ee x i s t i n gc a ds y s t e m so fr u b b e rm a c h i n e sm o s t l ym a k ea s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n dp l o r i n go nd i f f e r e n te x t r u d es c r e w s ，a n dc a n tm e a s u r eu p t ot h es t a n d a r do fw h o l e - m a c h i n ed e v e l o p i n g a sar e s u l t ，t h e s ec a d s y s t e m se i t h e r t a r r ya tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho rj u s tb eu s e da sap o r t i o n m e a n w h i l e ，t h ee a r l y d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h ec a ds y s t e mi se a r l ya n dt h et e c h n o l o g yi st o o i m m a t u r e ，w h i c hc a u s e sm a n yq u e s t i o n s ，j u s tl i k et h a ti ti sh a r dt of u l f i l lt h e r e q u i r e m e n to ft h ed i v e r s i f i c a t i o no ft h ec o m p l e xs y s t e m i ti sd i 衔c u l tt or e a l i z et h e a u g m e n t a b i l i t ya n dt h er e u s a b i l i t yo ft h es o f t w a r e a n di t i sd i 衔c u l tt os o l v et h e i i 青岛科技人学研究生学位论文 p r o b l e m so fo u t o f - p r o c e s sa n dc r o s s - p l a t f o r mi m p l a n t a t i o na n dd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n a n ds oo n ，a n ds oo n t h ep r e s e n tp o p u l a rp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t - - n e t f r a m e w o r kh a v ef e a t u r e so fc o n s o l i d a t e di n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t ( i d e ) ，t r u l y o b j e c to r i e n t e d ，c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ( c l r ) ，n e wg e n e r a t i o nm e t h o do fd a t a a c c e s s ，a n dm u l t i t h r e a dd i r e c ts u p p o r ta n ds oo n ，r a t h e rt h a nas i m p l eu p g r a d i n go ft h e o l de d i t i o no ft h ea p p l i c a t i o np r o g r a m b a s e do nt h ea b o v e r e a s o n s ，r e d e v e l o pc a d s y s t e mo fr u b b e rm a c h i n eu s e dn e wl a n g u a g ea n dn e wd e s i g nm e t h o di sb o t h i n e v i t a b l ea n dn e c e s s a r y b a s e do nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fh e l i c a li n t e r m e s h i n gc o l df e e de x t r u d e r , t h et r e a t i s es t r u c t u r e dt h ed e s i g np h i l o s o p h yo f a c t u a t i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f t h ew h o l er u b b e re x t r u d e ru s e dc a d t h i sd e s i g nc h o o s e sv i s u a lb a s i ca n d n e t2 0 0 5 a st h ed e v e l o pl a n g u a g e ，s e l e c t sa c c e s s2 0 0 3d a t a b a s et om e m o r yt h ee m p i r i c a l f o r m u l aa n dd a t ao fc o l df e e de x t r u d e rf o rt h eo p e r a t i o n so fi n q u i r i n g ，u p d a t i n ga n d a s s i g n m e n ta n ds oo n ，a n d ，u s e dt h et e c h n o l o g yo fa c t i v e x ，i n v o k e st h es o f t w a r eo f a u t o c a d2 0 0 4t of i n i s ht h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g na n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g no ft h e w h o l ee x t r u d e ra n dt h ec o m p o n e n t sa n dp a r t s ，a n df i n a l l yc o m p l e t et h ed r a w i n ga n d p i c t u r i n go ft h ew h o l ee x t r u d e ra n dt h ec o m p o n e n t s t h ei s s u er a i s e do nt h er u b b e re x t r u d e rm a c h i n ed e s i g nc o n c e p ti st h ed i r e c t i o no f f u t u r ed e v e l o p m e n ta b o u ts e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fr u b b e rm e c h a n i c a lc a d i ti st h e l e a d i n gr o l et o t h es u b j e c tw h i c hh a sf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e t oc o d eu n d e rt h e g u i d a n c eo ft h i sd e s i g np r o c e d u r e ，c a ds y s t e mc o u l dd e s i g na n dg e n e r a t ee x t r u d e r f a s t ，f e a t u r e - r i c h ，a n dw i t hg o o ds c a l a b i l i t y t h es y s t e mi sar u b b e rm a c h i n e r ym o d e lo f t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lc a d - k e yw o r d s ：h e l i c a l i n t e r m e s h i n gf e e d ；e x t r u d e r ；w h o l e m a c h i n e o p t i m i z a t i o n ；m o d u l a r i z e dd e s i g n ；p a r a m e t r i cd e s i g n 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 i v 2 1 4 主副螺纹冷喂料挤出机2 州2 7 伸8 1 1 5 2 1 5 冷喂料排气挤出机1 5 2 1 6 销钉机筒冷喂料挤出机m h 4 2 1 1 6 2 1 7 复合挤出机2 仆蝤引1 7 2 2 橡胶挤出机的发展趋势1 8 2 2 1 橡胶冷喂料挤出机螺杆的发展与进步1 8 2 2 2 挤出机喂料装置的发展与进步2 4 2 2 3 机头的发展与进步2 7 2 3 本章小结2 9 3 螺旋啮合冷喂料挤出机的理论研究及设计方案3 1 3 1 螺旋啮合冷喂料挤出机的理论研究3 l 3 1 1 螺旋啮合喂料装置的理论研究3 l 3 1 2 挤出功率理论研究3 5 3 2 螺旋啮合冷喂料挤出机的设计方案4 l 3 2 1 动力机构的设计4 2 3 2 2 螺杆的设计0 1 1 0 引4 6 3 2 3 机筒的设计5 6 v 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 3 2 4 螺旋啮合喂料装置的设计6 l 3 2 5 机头的设计6 3 3 3 本章小结6 5 4 螺旋啮合冷喂料挤出机c a d 系统二次开发相关技术简介6 7 4 1 橡胶机械c a d 技术简介。6 7 4 2a u t o c a d 绘图软件及其二次开发相关技术简介7 1 4 2 1a u t o c a d 绘图软件简介7 l 4 2 2v i s u a lb a s i c 编程软件简介7 2 4 2 3a u t o c a d 二次开发技术简介7 3 4 2 3 数据库编程技术简介7 6 4 4 本章小结7 9 5 螺旋啮合冷喂料挤出机的参数化和模块化设计8 1 5 1 软件工程相关知识简介8l 5 1 1 软件生存周期8 1 5 1 2 软件开发模型8 2 5 2 二次开发系统准备工作8 4 5 3 二次开发系统的步骤和详细编码8 5 5 3 1 建立工程定制界面8 5 5 3 2 添加基本功能模块8 8 5 3 3 添加绘图功能模块9 1 5 3 4 添加图库调用模块9 5 5 3 5 程序运行生成效果图9 6 5 4 本章小结1 0 1 6 结论与展望10 2 结论10 2 展望1 0 3 参考文献10 4 致谢10 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果i 独创性声明| l 关于论文使用授权的说明。i il v i 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 广螺棱法向宽度； 舻平均螺旋升角； 9 _ 牵引角； 缈一螺槽法向宽度 矿平均螺槽宽度； d 一螺杆顶径； f 螺纹头数； 日广艰料段螺槽深度； 仍一均化段螺槽深度； 以一机筒与胶料的摩擦系数； z 一固体塞与螺杆底面之间的摩擦系数； z 一沿螺槽方向的固体输送段长度； p ，一固体输送段结束处的压力； 一固体输送段开始处的压力； 编一螺槽中的物料粘度； 7 7 2 一螺杆和机筒之间间隙中的物料粘度； g 一生产能力； 卜顶径尺寸； r 底径尺寸； ，7 一机械传动效率； ，一螺纹的导程，m m ； z 一螺纹头数； p 一螺距，m m ； q 一轴向载荷，； 口一梯形螺纹的螺旋升角： ， 吼一当量摩擦角，= 口r c t g ； c o sp 厂一螺纹副摩擦系数； 一梯形螺纹牙顶角； r r p 一螺旋的中经，m m ； 一电机功率，k w ； v i i 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合没计研究 m 一转矩，n 。m ； 。一轴传递功率，k w ； 刀一电机转速，r m i n ； 刀2 输出轴转速，r m i n ； ，一轴半径， m m ； k n 一电机的过载系数，其值等于堵转转矩与额定转矩的比值，k n = 4 5 ； m 咖工作时的最大转矩，n m ； f 一传动比； 砑传动效率； d 2 一螺旋中径，m m ； d 3 一螺旋小径，m m ； d i 一螺母小径，m m ； d 2 一螺母中径，m m ； d 4 一螺母大径，m m ； h 一螺纹的工作高度，m i t t ； v i l l 青岛科技人学研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出、目的、意义 挤出机在橡胶工业中的应用已有1 0 0 多年的历史了，是橡胶加工中最重要的 成型设备之一，其在橡胶工业中的应用越来越广泛。上世纪4 0 年代，国际上许 多工业发达国家便先后开发出冷喂料挤出机，冷喂料挤出机的出现带来的是挤出 设备革命性的进步。早期的热喂料挤出机加工要求先将胶料经过热炼加工达到 工艺要求的温度和可塑度才能挤出成型心1 。而冷喂料挤出机的出现简化了生产工 艺，胶料可以不需热炼即进行生产n - r - 得到不同形状的制品胶坯。在使用冷喂料 挤出机进行生产加工的工艺过程中，胶料在室温条件下喂入挤出机喂料口。从喂 料段丌始由于热水循环温控装置m 1 和摩擦作用使胶温得到提高后进入塑化段，在 塑化段对物料进行充分塑化和混炼后进入挤出段，可以根据挤出制品的不同要 求，在挤出段设定不同的温度和挤出压力，设计不同的机头和口型，挤出得到制 品胶坯晗1 。由工艺过程的分析可见，冷喂料挤出机完全可以替代热喂料挤出机， 结束热喂料挤出机在橡胶工业挤出领域近百年的统治，其进步意义是显著的。经 过2 0 世纪6 0 年代开的推广和普及以及8 0 年代的发展，冷喂料挤出机逐渐成为 主流h 1 。到目前为止，冷喂料挤出技术已在世界各国橡胶工业的各个领域都得到 了广泛的应用。冷喂料挤出机可以挤出的胶料多种多样，如电缆、胶管、轮胎的 胎面胎侧等，并可用于混炼胶的热炼和胶料造粒等工艺操作。现在工业发达的国 家如同本、美国、英国、德国和意大利等国生产的挤出机有9 5 是冷喂料 挤出机5 1 。 目前，冷喂料挤出机( 如销钉机筒冷喂料挤出机和销钉传递冷喂料挤出机等) 已经达到很高的水平。然而以往冷喂料挤出机的发展主要集中在提高塑化能力和 混合能力方面，喂料方法和装置一直没有什么变化。挤出机问世初期采用的是 自由喂料方法，这一方法的弊端是常常由于机头的反压作用导致喂料口堆积胶现 象或者喂料不足的现象以及胶条产生打滑的现象1 。这些现象的出现既影响了挤 出机的工作效率，又影响了挤出的稳定性。因此人们就想办法在喂料口处设置了 旁压辊喂料装置，早期应用于热喂料挤出机上，后来应用于冷喂料挤出机上。这 种喂料装置可以缓和胶料的堆积，克服胶料的打滑现象，对提高生产能力和挤出 稳定性起到了一定的作用。但是，这种结构的旁压辊喂料装置容易产生漏料现 象呻1 ，胶料容易进入旁压辊两端的轴承中，导致机械故障的发生。后来又出现了 一种力矩喂料装置，这种装置的作用是将胶条导入喂料口内，当胶料过多时，胶 料就对喂料辊产生一个反力矩，如果反力矩达到一定值时，力矩喂料装置就停止 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 喂入胶料；当喂料辊胶料逐渐减少达到一定值时，力矩喂料装置又继续喂入 胶料3 。这种结构也可以一定程度稳定和提高挤出生产能力。但是，这些装置的 弊端也是明显的：喂料装置容易产生机械故障而失效；结构复杂化；喂料 段机加工难度大，加工工序复杂。一些研究人员试图摒弃旁压辊和力矩喂料装置， 引入塑料挤出机喂料段中的轴向沟槽结构和螺纹沟槽结构，但效果甚微。因此， 改进提高传统的旁压辊结构成为当下提高喂料能力和挤出稳定性最有效的途径 之一。 本课题正是在以上的现状基础上同时结合了青岛科技大学高分子材料机械 加工研究所长期以来的研究和现有的项目的条件下提出的。螺旋啮合冷喂料挤出 机，将普通冷喂料挤出机和螺旋啮合喂料装置揉和在一起设计开发，并应用于生 产实践当中，其生产效率和稳定性高，经济效益明显。在螺旋啮合冷喂料挤出机 的设计开发和应用过程中，理论对于生产实践的指导意义大，生产实践反过来为 理论提供丰富的技术参数，其意义重大。 目前已有的橡胶机械c a d 系统多是针对不同构型的挤出机螺杆进行二次开发 和绘制口1 ，还没上升到整机开发的高度。所以，这些c a d 系统或者停留在纯理论 研究的层面上或者只能作为挤出机设计的一部分来使用。同时，这些c a d 系统的 开发环境较早，技术条件不成熟，导致难以满足复杂系统多元化的需求，难以实 现软件的扩展性和重用性，也难以解决跨进程、跨平台移植和分布式应用等问题。 目前广为流行的编程开发环境n e tf r a m e w o r k 并非老版本应用程序的简单升 级，而是具备了统一的集成开发环境( i d e ) 、真正的面向对象、通用语言运行库 ( c l r ) 、新一代的数据访问、多线程的直接支持等特点。基于以上这些原因，应 用新语言和新设计思路重新开发橡胶机械c a d 系统势在必行。 本课题在螺旋啮合冷喂料挤出机设计开发完成的基础上，构思了对橡胶挤出 机整机进行c a d 二次开发的设计思想。本设计选择了y i s u a lb a s i c n e t2 0 0 5 作为开发语言，选择a c c e s s2 0 0 3 数据库存储冷喂料挤出机的经验公式和数据以 便进行查询、更新、赋值等操作，进一步地应用a c t i v e x 技术调用a u t o c a d2 0 0 4 绘图软件对挤出机整机和零部件进行模块化设计和参数化设计，最终达到整机和 零部件绘制和出图等工作。 本课题提出的对橡胶挤出机进行整机化的设计理念是橡胶机械c a d 二次开发 未来发展的方向，具有领向标的作用，有着深远的指导意义。在此设计理念指导 下对程序进行编码，生成的c a d 系统具有设计开发挤出机快捷迅速、功能丰富、 可扩展性好等特点，是橡胶机械c a d 二次开发的典范。 1 2 课题研究领域的历史历程和现状 1 2 1 国内外橡胶挤出机的发展历程和现状 ， 橡胶挤出机自问世到现在，已有一百多年的时间。国外橡胶挤出机的发展经 历了柱塞式挤出机、螺杆型热喂料挤出机、普通冷喂料挤出机、主副螺纹冷喂料 2 青岛科技人学研究生学位论文 挤出机、冷喂料排气挤出机、销钉冷喂料挤出机、复合挤出机等阶段。 柱塞式挤出机可较好地用于挤出长度较短的制品，但它对于工艺要求中需要 有混炼作用和连续作用的型件则显得无能为力，所以很快就被其它挤出机形式所 代替，目前只能在很少的领域应用。 热喂料挤出机由于其具有结构简单、生产效率高、制造容易以及能够连续化 作业等优点，在橡胶工业占据支配地位近1 0 0 年之久。但是，热喂料挤出机需一 整套庞大的预热供胶系统、工艺过程复杂、古地面积大、电能消耗大阳3 ，其缺点 也是非常的明显。应该指出热喂料挤出机的历史就是橡胶挤出机停滞不前的历 史。热喂料挤出机在近年来仍有一定程度的发展。如：处于领先地位的机械制造 商指出，卡车轮胎设计者要求用硬度更强，黏性更大的天然胶作为胎面混炼胶的 基本材料，而标准的冷喂料挤出机不能加工上述胶料。m a s c h i n e n b a ug m b h 公司 开发了一种通用型热喂料挤出机。据称该机应用于特殊领域优势明显且经济效益 古【9 】 同。 针对于热喂料挤出机所存在的问题，德国2 0 世纪4 0 年代初期发明了冷喂料每 挤出机，这种挤出机是在原有热喂料挤出机基础上加大螺杆的长径比，把挤出机 机外胶料热炼功能集成到机内并提高了挤出机的机头压力，使挤出胶坯制品质地 均匀，提高了产品的质量旧1 。然而，早期的冷喂料挤出机一直存在剪切混合功能 。 较差和螺杆构型过于简单等问题。加之当时理论研究的局限，对于挤出机加热恒 温重要性的探索尚浅，导致挤出胶料塑化往往达不到要求。这时的普通型冷喂料 挤出机在橡胶工业领域迟迟得不到推广，用途仅仅局限于电缆电线的覆胶。 一 在2 0 世纪6 0 年代，经过人们2 0 多年的不断探索开发，发达国家出现了主 副螺纹强力剪切螺杆，相应地主副螺纹冷喂料挤出机也出现了。这种冷喂料挤出 机的出现，显著地提高了挤出机的剪切功能和混合功能并可以建立起更高的机 头，使冷喂料挤出机一直存在的塑化能力低下的问题得到了很好的解决。几乎与 此同时，由于某些制品在加工过程中需要除去原料中的气体、水分及各种易挥发 物，而先f j 的挤出机无法解决这一问题，发达国家适时地推出了冷喂料排气挤出 机。这种挤出机的优点是可以有效地解除物料中所含的水分、溶剂等杂质，从而 提高挤出制品的光洁度，减少各种缺陷，以更好地提高产品质量。 在2 0 世纪7 0 年代未期8 0 年代初期，发达国家又推出了销钉机筒冷喂料挤 出机3 。这种冷喂料挤出机的特点是具有高塑化能力和高挤出生产能力，其优势 是之前其它冷喂料挤出机所无法比拟的，其一推出，就很快地得到了普及，发展 异常迅速，应用领域也得到了拓展。与此同时，挤出联动生产线也发展的非常快， 如复合胎面挤出联动线等等。与其配套的附属装置如：喂料供胶装置、热水循环 温控装置、机头测压装置等都得到了迅速发展陋1 。这个时期，冷喂料挤出机发展 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 迅速，既有理论上的突破又有结构上的创新，是冷喂料挤出机发展的辉煌时 我国橡胶挤出机的起步较晚，2 0 世纪5 0 年代，一些橡胶机械生产厂家相继 开发出了热喂料挤出机，并广泛应用于塑料、轮胎、胶管等行业。我国对销钉冷 喂料挤出技术的开发探索始于8 0 年代，至今已有二十多年的历史。该技术在历 经对螺纹结构、螺纹参数、销钉配置方式与数量、温控及喂料方式等的不断改进 和完善后，终于被国际认可h 1 。目前，销钉式冷喂料挤出机已成为挤出机市场的 主导产品。 由于目前在斜交轮胎和子午线轮胎的生产中，胎面、胎侧及三角胶等部件的 生产，大都采用胶料复合挤出技术，因此，国内外二复合、三复合或四复合销钉 式冷喂料挤出机也就应运而生h ，。我国的复合技术已日渐成熟，复合挤出机的设 计制造水平飞跃提高，现已达到了国际先进水平，及可以提供各种组合形式的复 合挤出机，又可以向国外轮胎公司出口。 同时应该注意到，开发新型冷喂料挤出机橡胶挤出机的发展史实际上就是螺 杆构型的发展史，而在螺杆中，又以塑化段为核心，从普通螺杆到主副螺纹螺杆 到销钉螺杆等都是在研究塑化段。然而，长期以来对挤出机喂料段的研究就比较 薄弱了，效果也不太明显，如：喂料段设置轴向沟槽、螺纹沟槽等对喂料效果 影响都不大。从热喂料到冷喂料挤出机在喂料段使用最多、最普遍的是旁压辊喂 料装置，然而这种装置的工作原理是利用磨擦喂料，其磨擦作用受到许多外在因 素和内在因素的影响，喂料的均匀性、有效性都不够理想；同时由于产生挤压作 用容易使胶料进入旁压辊两端的轴承，而易发生事故，这成了挤出机发展的一 道难题0 1 。这大大制约了挤出机的发展。 目前，冷喂料橡胶挤出机已经占到欧美等发达国家生产总量的9 5 ，是橡胶 挤出机发展的主流。发达国家正在开发研制的m c t d 和其它高速、精密的新型挤 出设备，未来也有广泛的前景。 国内的橡胶挤出机械近年来的发展也异常迅猛。为了提升自身竞争力，国内 的橡胶挤出机生产厂家一直在努力使先进设备国产化。这有利于新型设备与技术 的推广，提高企业装备水平，促进生产发展h 3 。同时，它们紧盯市场发展方向， 积极研发和推广子午线轮胎生产线和销钉式冷喂料挤出机。 1 2 2 国内外橡胶机械c a d 的发展历程和现状 进入二十一世纪，伴随着电子集成高度化、软件工程模块化等各项基础技术 的发展，计算机软硬件技术得到了迅猛发展。微型计算机的硬件和软件技术逐渐 发展成熟，为计算机应用走向系统化、规模化，为大型软件和各类应用软件的开 4 青岛科技人学研究生学位论文 发提供了坚实可靠的软硬件基础。微型计算机的应用软件逐渐走向成熟，各类操 作系统、开发环境和应用软件大量出现和不断改进升级，以满足各层次计算机用 户日益增长的需要。 总之，微型计算机的发展给各行各业都带来了新的机遇和挑战。对橡胶机械 行业而言，微型计算机的高速发展带来的是橡胶机械c a d 的发展。 我国在c a d 技术方面的研究开始于7 0 年代中期，当时主要是研究开发二 维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形。在8 0 年代中后期，我国的c a d 技 术有了较大的发展，而且c a d 技术的优点被越来越多的人所注意。进入9 0 年 代后，各工业部门普遍提出了开发c a d 技术的计划，主要表现在以下几个方面： 部分单位已较好地应用c a d 技术，提高设计质量，取得了经济效益；c a d 技 术的理论和软件开发，进行了大量的研究，并取得了成果。与此同时，国家科委、 各工业部门都十分重视c a d 技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各地c a d 培训基地，对有关人员c a d 技术方面的培训，以提高有关人员c a d 素质。与 此同时，有些工业部门还对所属单位提出应用c a d 技术的具体要求。从此，国 内c a d 技术的发展与普及也进入高速运行。然而，与其他行业相比，橡胶机械 c a d 领域，却依然相对滞后。 作为橡胶机械人，我们深切地体会到从计算机辅助设计概念的提出和实际应 用，到现在不过4 0 多年的时间。但这种先进技术已普遍应用于机械制造、汽车、 航空、计算机大规模集成电路、造船、建筑、铁道、轻纺等许多行业中。采用c a d 技术能大大缩短设计周期、提高设计质量、降低生产成本。同时把设计人员从设 计计算和手工绘图等繁重劳动中解脱出来，使他们有更多的时间去从事创造性的 工作。计算机辅助设计是崭新的技术，又是活生生的生产力，它已经并将进一步 给人类带来巨大的影响和利益。c a d 技术的应用情况已成为衡量一个国家工业 技术水平的重要方面n 。 c a d 技术，作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开 发与转化，实现设计自动化，增强企业创新能力和竞争能力，加速国民经济发展 及其现代化的一项关键性高新技术，也是进一步向现代集成制造系统( c 蹦s ) 发 展的重要技术基础n 。 归纳起来，c a d 技术应用于橡胶机械主要有以下几个方面： ( 1 ) 工程制图 采用二维绘图软件( 如a u t o c a d 等) 对设计图纸、工程图纸等进行绘制、 修改、管理和复用。目前绝大多数橡胶设计生产单位都有这类型的应用软件。 ( 2 ) 试验数据的处理 ， 这方面c a d 的应用主要是应用统计学的一些原理，对实验数据进行分析， 螺旋啮合冷喂料挤出机的组合设计研究 得出有关橡胶加工过程的统计结果，用于指导设计和生产。此类c a d 应用相对 简单，应用也较成功。 ( 3 ) 常规计算 橡胶机械二次开发人员运用软件工程的知识和掌握的程序开发语言的知识 将橡胶机械设计过程中的理论公式、经验公式等设计成工程计算软件。开发人员 运用这类软件可以进行几何尺寸计算、强度计算、功率计算及相关开发的理论计 算等。 ( 4 ) 计算机辅助设计 橡胶机械二次开发人员通过掌握计算机图形学、软件工程、开发语言环境和 机械设计等的相关知识设计开发出c a d 参数化系统。运用这类c a d 参数化系统 可以简化设计过程、提高工作效率，其参数的储存和图库方面的调用有着非常明 显的优点。目前作此方面工作的开发人员很多。国内有相关开发的文章n 幻n 引。 ( 5 ) 工程分析 采用工程分析软件，通过数值分析方法( 特别是有限元分析方法) 来模拟分 析并优化橡胶机械设计中的零部件，解决工程中结构的问题、应力应变的问题等。 ( 6 ) 图形管理 采用以数据库和其编程技术为核心的图形管理系统对不同的人员、不同的产 品信息、工程图纸和设计文档等内容进行管理，可以加强设计过程中工作职责的 划分，提供工作效率，并能实现信息的共享和信息内容的一致。 ( 7 ) 虚拟制造 运用三维造型软件如( p r o e 、s o l i d w o r k s 、i n v e n t o r 等) 对二维的设计图纸 建立三维造型，并最终建立起设计的三维虚拟装配模型，检查尺寸的匹配情况和 干涉情况并将此信息直观地展现给工程开发设计人员，使他们可以对设计方案进 行及时的评估，以便于进一步地检验修改。 ( 8 ) 虚拟设计 对于橡胶机械的设计由于不限于机械设计还需要考虑生产工艺、加工原料等 问题，如螺杆结构的选择就取决于工艺条件。因此，对于橡胶机械设计师而言， 能够实现虚拟设计尤为方便n 4 1 。 1 3 本课题研究的主要内容及其创新点 本课题研究内容包括对螺旋啮合冷喂料挤出机的理论分析和设计过程以及 螺旋啮合冷喂料挤出机模块化系统的开发： ( 一) 螺旋啮合冷喂料挤出机的理论分析和设计内容： 6 青岛科技人学研究生学位论文 包括：橡胶挤出机的发展历史：柱塞式挤出机一热喂料挤出机一普通冷喂 料挤出机一主副螺纹冷喂料挤出机一冷喂料排气挤出机一销钉机筒冷喂料挤出 机一螺旋啮合冷喂料挤出机一复合挤出机等。螺旋啮合冷喂料挤出机的结构分 析和设计：螺旋啮合冷喂料挤出机传动系统的计算和设计一螺杆构型分析和设计 一螺旋啮合装置的理论分析和设计一机筒的结构设计一机头的结构设计等。 本课题传统设计部分的创新点包括： ( 1 ) 成功地将螺旋啮合喂料技术应用到冷喂料挤出机上，并改进了螺旋啮合喂 料装置的结构，解决了如圆螺母在传动过程中紧固失效产生滑动的问题等，解决 了长期以来挤出机无法解决的挤出稳定性差、大量漏胶或返胶、喂料装置密封性 能差、生产效率低下和能耗高等问题。其高效、低耗、高质的特性为橡胶挤出机 的发展指明了方向。 ( 2 ) 将二次包络减速机应用到冷喂料挤出机上，摒弃了传统挤出机采用的多级 圆柱齿轮减速机的结构，提高了传动效率，使得传动系统的体积减小了 3 0 - 4 5 过载能力提高了1 一1 5 倍，减小了冲击简化了结构，使得噪音显著 降低，明显地提高了传动结构的稳定性和安全性。 蠢 ( 3 ) 设计采用了先进的数字传感技术，机头处放置压力传感器检测胶料挤出压 力，直观方便。 ( 4 ) 本课题中所设计的挤出机头，能产生较高的挤出压力，提高挤出胶料的致 密性，提高制品的稳定性。 ( 5 ) 本设计对螺旋啮合喂料装置采用了三重密封结构在轴承套上增丌返胶 槽轴和轴承套的配合采用间隙配合轴承内侧放置唇形密封圈和圆螺母加装 止动挚圈，以加强密封效果。同时加开了漏胶结构和刮胶刀结构，有效地防止漏 胶导致的喂料装置失效。 同时，由于本课题设计开发出的橡胶挤出机已经投产使用，其实际应用价值 很高。所以本课题是橡胶机械传统设计理论指导实践，实践检验理论的最好明证， 具有非常重要的意义。 螺旋啮合冷喂料挤出机模块化设计系统的开发： 在传统设计的基础上开