（机械设计及理论专业论文）双螺杆塑料挤出机螺杆参数化cad的研究.pdf

双螺杆塑料挤出机螺杆参数化c a d 的研究中文摘要 由寺墒亘 1 1 j l q x 随着塑料制品的应用和产量迅猛增长，塑料机械的需求量也越来越大。近几 年来，年均增长率3 0 左右，是增长最快的行业之一。据有关资料统计，有6 0 以上的塑料制品是采用挤出法加工出来的，挤出成型已经成为高分子材料最主要 的加工方法。在挤出成型中，单螺杆挤出机最旱使用，技术最成熟，但其性能提 升空间有限。今后主机的重点在于发展平行轴双螺杆挤出机，双螺杆挤出机是目 静国内外重点研究对象。螺杆是挤出机最重要的部件，是挤出成型的核心部件， 大量生产实际例子表明，螺杆设计的好坏对挤出制品的产量和质量有极大的影响。 虽然国内外的许多专家学者对双螺杆进行了研究，但还没有入对双螺杆的结 构参数进行系统的讨论并提出螺杆参数化设计。本论文对双螺杆塑料挤出机螺杆 参数化c a d 的研究具有其新颖性，能够提高塑料挤出机的设计质量、缩短生产周 期，对推动我国塑料机械产业的发展，提高我国塑料机械的竞争力都有着非常积 极的现实意义。 本论文在进行双螺杆参数化c a d 的研究中，主要做了如下工作： 1 从啮合原理、端面曲线、体积参数、中心距等方面对平行轴全啮合同向双 螺杆进行了详细的研究，导出了中心距、螺槽深度、螺距等主要螺杆参数的数学 模型，为参数化设计提供了计算依据。 2 对平行轴紧密啮合异向双螺杆的啮合原理、端面曲线方程、c 型腔室体积 参数、主要结构参数等进行了详细的探讨，分析了啮合异向双螺杆压延效应对螺 杆设计的影响，并导出了螺杆直径、螺杆转速与挤出量的数学关系。 3 对平行轴全啮合同向双螺杆和平行轴紧密啮合异向双螺杆的主要应用场 合进行归纳，选择各自最常用的应用情况作为参数化c a d 的设计条件。 4 采用v i s u a lb a s i c 程序设计语言，利用其本身的基本图形程序设计方法和 丰富的应用程序接口( a p i ) ，独立开发了双螺杆参数化c a d 软件。参数化c a d 软 件能够根据设计要求计算双螺杆的结构参数，并自动绘出螺杆结构的二维图形。 5 采用实际生产中一些已经证实可行的螺杆参数来测试参数化c a d 软件， 在有较大出入的地方，对数学模型进行必要的修正。 中文摘鉴 双螂杆塑料挤出机螺杆参数化c a d 的研究 关键词：塑料挤出机双螺杆参数化设计v i s u a lb a s i c i i 作者：张扬 指导教师：陈再良 双螺杆塑料挤 | 机螺杆参数化c a d 的研究 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o n so fp l a s t i cg e t t i n gm o r ee x t e n s i v e ，t h ed e m a n do fp l a s t i c m a c h i n eg e t sm o r e ，t o o i nr e c e n ty e a r s ，i t so n eo ft h ef a s t e s tg r o w i n gt r a d e sw i t ht h e i n c r e a s er a t i oa b o u t3 0p e r c e n t t h er e l a t e ds t a t i s t i cd a t as h o wt h a tm o r et h a n6 0p e r c e n t p l a s t i cp r o d u c t sa r ep r o c e s s e db ye x t r u d i n g ，s o t h ee x t r u s i o nm o l d i n gh a sb e e n b e c o m i n gt h em a i np r o c e s s i n gm e t h o do fp o l y m e r i cm a t e r i a l s t h ep l a s t i ce x t r u d e r si n c h i n aa l em a i n l ys i n g l es c r e we x t r u d e r sw i t hr e l a t i v e l ym a t u r et e c h n o l o g y , b u tt h e l i m i t e ds p a c et oe n h a n c ec a p a b i l i t i e sl i m i t si t sd e v e l o p m e n t f o rt h ef u t u r e ，p a r a l l e la x i s t w i n - s c r e we x t r u d e ri st h em a i nd e v e l o p i n ga s p e c ti nc h i n aa n da b r o a d t h es c r e wi s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe x t r u d e r , a sw e l la st h ek e yc o m p o n e n to fe x t r u s i o nm o l d i n g ， a m a s s o f p r a c t i c a le x a m p l e ss h o w t h a t t h e l e v e lo f s c r e w d e s i g n i m p a c t s t h eo u t p u ta n d q u a l i t yo f e x t r u s i o np r o d u c tg r e a t l y m a n yr e s e a r c h e r sh a v eb e e ns t u d y i n go nt w i n s c r e w , b u tn 0o n e h a sd i s c u s s e dt h e m a c h i n e r y 。s t r u c t u r eo ft w i n - s c r e ws y s t e m a t i c a l l ya n db r o u g h tf o r w a r dt h ei d e a ro f p a r a m e t r i cd e s i g n t h i sp a p e ri sn o v e la n dh a si t sp r a c t i c a lm e a n i n gt oi n c r e a s ed e s i g n l e v e lo fp l a s t i ce x t r u d e r s ，s h o r t e np r o d u c ep e r i o d ，i m p e lp l a s t i cm a c h i n e sd e v e l o p m e n t a n du p g r a d ep l a s t i cm a c h i n e sc o m p e t i t i v ea b i l i t yo f o u rc o u n t r y i nt h i sp a p e ra b o u tt w i n s c r e wp a r a m e t r i cc a d ，t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w ： 1 d or e s e a r c ho nt h ec o r o t a t i n gp a r a l l e la x i sf u l l yi n t e r m e s h i n gt w i n - s c r e wf r o m i n t e r m e s h i n gp r i n c i p l e ，c r o s ss e c t i o nc u r v e s ，v o l u m ep a r a m e t e r s ，c e n t e rd i s t a n c ea n ds o o n 一t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc e m e rd i s t a n c e ，g r o o v ed e p t h ，p i t c ha n do t h e rm a i n d e s i g np a r a t n e t e r so f t w i n s c r e wi se d u c e dt om a k er e a d yf o rt h ep a r a m e t r i cd e s i g n 2 t h ec o u n t e r - r o t a t i n gc o m p a c ti n t e r m e s h i n gt w i n - s c r e wi sr e s e a r c h e dd e t a i l e d l y f r o mi n t e r m e s h i n gp r i n c i p l e ，f o r m u l ao fc r o s ss e c t i o nc u r v e s ，cm o u l dc a v i t yv o l u m e p a r a m e m ra n dm a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h e nt h ei n f e c t i o no fc a l e n d e r i n ge f f e c to n s c r e wd e s i g ni sa n a l y s e da n dt h em a t h e m a t i c a lr e l 砒i o n so fs c r e wd i a m e t e r , r o t a t es p e e d a n de x t r u d i n gq u a n t i t yi se d u c e d 3 t oc o n c l u d et h em a i na p p l i c a t i o na r e a so fc o - r o t a t i n gp a r a l l e la x i sf u l l y i m e r m e s h i n ga n dc o t m t e r - r o t a t i n gc o m p a c ti n t e r m e s h i n gt w i n - s c r e w , t h e nc h o o s et h e m o s tc o n l m o nr i s e sa st h ed e s i g no b j e c t i v eo f p a r a m e t r i cc a d a b s t r a c t双螭| 杆塑料挤出机螺杆参数化c a d 的研究 4 a d o p t i n gv i s u a lb a s i cp r o g r a ml a n g u a g ea l o n gw i t hi t sb a s i cg r a p h i c sp r o g r a m d e s i g nm e t h o da n da b u n d a n ta p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) t oe x p l o i ta t w i n - s c r e wp a m m e t r i cc a d i n d e p e n d e n t l y t h ep a r a m e t r i cc a ds o f tc a nc a l c u l a t et h e m a c h i n e r yp a r a m e t e r so f t w i n - s c r e wa n dd r a wt h ep l a n e rg r a p h sa u t o m a t i c a l l y 5 r e s t i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h es o f t w a r eb ys o m ep r a c t i c a ld a t aa n dm o d i e y i n gt h e m a m e m a t i c a lm o d e l i fn e c e s s a r y k e y w o r d s ：p l a s t i ce x t r u d e r ；t w i n - s c r e w ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；v i s u a lb a s i c w r i t t e nb yz h a n gy a n g s u p e i db yc h e nz a i l i a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不台其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学 位证书而使用过的材料。对本文的研究作也重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： 逸垄丕日期：2 名：芷：星 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作都、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内留r 保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 苏州大学学位办办理。 研究生签名；壹嶂 导师签名：薄苒墓 日期；趔：星 日期：盘型；土堡 投螺杆型料挤机螺杆参数化c a d 的研究第蒂序矗 第一章序言 塑料已经成为当今世界四大材料( 金属、木材、硅酸盐、塑料) 之，随着 塑料制品的应用和产量迅猛增长，塑料机械的需求量也越来越大。近几年来，年 均增长率3 0 左右，是增长最快的行业之一“1 。据有关资料统计，有6 0 以上的 塑料制品是采用挤出法加工出来的“1 ，挤出成型已经成为高分子材料最主要的加 工方法。国产塑料挤出机主机现时基本以单螺杆挤出机为主，技术较成熟，市场 销量亦最大，但这类产品的通用规格已供大于求，只能维持市场顶峰期的5 0 6 0 左右。随着聚合物加工业的发展，作为聚合物主要加工设备之一的双螺杆挤出机 得到了飞速的发展，并且以其优异的 j 口- r 性能得到了越来越广泛的应用。主机今 后的重点在于发展双螺杆挤出机，适用于大挤出量的成型挤出。 螺杆是挤出机最重要的部件，大量生产实际例子表明，螺卡t 设计的好坏对挤 出制品的产量和质量有极大的影响。在我国的中小型企业，特别是民营和乡镇企 业中，由于缺少相关的技术和理论做指导，挤出机螺杆的设计主要依据经验，报 废率极高。”。如果能够设计出螺析c a d 软件，就可以为相关技术人员进行螺杆设 计时提供一定的参考，进而减少报废率，增加盈利，提高企业的竞争力。因此， 对双螺杆塑料挤出机的核心部件一螺杆进行设计理论的研究，并根据这些理论进 行计算机辅助设计，能够提高塑料挤出机的设计质量、缩短生产周期，使螺杆设 计和制造更加科学合理。进步浼，这对推动我国塑料机械产业的发展，提高我 国塑料机械的竞争力都有着非常积极的现实意义。双螺杆挤出机螺杆参数化c a d 正是本课题要研究的内容。 关于双螺杆的问世及早期发展，有关专论不多。国外双螺杆挤出机从3 0 年代 开始进行研制，并且首先在意大利研制成功。第二次世界大战前后，双螺杆挤出 机发展较快。到5 0 年代，难以加工的物料与其加工设备之间的矛盾更加突出，特 别是p v c 加工业的发展，大大促进了双螺杼挤出机的开拓和发展，可以说双螺杆 挤出机是随着聚合物加工业及食品加工业的发展而出现并发展的。现代双螺杆挤 出机的发展始于2 0 世纪6 0 年代术”1 。从上世纪7 0 年代以来，国外诸多研究机构 双螺杆塑料挤i l i 机螺杆参数化c a d 的研究 和院校对双螺杆挤压设备进行了大量的研究和开发工作，并在挤出理论、双螺杆 的几何设计、停留时间分布等方面取得了大量研究成果”1 。与发达国家相比，我国 在双螺杆挤出机的设计制造及应用方面存在很大的差距。国内双螺杆挤出机开发 及研究工作起步较晚，因此产品档次较低，系列化程度低，多数产品的技术水平、 螺杆、机筒的精度、整机性能和质量与目前发达国家的发展水平有一定差距。主 要研究有：华南理工大学对挤出机螺杆加热段几何参数的优化设计进行了研究”3 ； 陕西科技大学对异向旋转双螺杆机构进行了研究”1 ：江南大学对同向旋转双螺杆挤 出机螺秆进行了计算机辅助设计。北京化工大学、武汉理工大学、中国石油大学、 山东理工大学等高校也对挤出机双螺杆进行了相关的研究。目前，我国生产的异 向旋转双螺杆挤出机多为锥形双螺秆挤出机，平行异向双螺杆挤出机较少，并且 多为中、小型机，国内所需的大型异向双螺杆挤出机几乎全部依赖进口。在双螺 杆挤出机的设计、计算以及制造技术方面仍有不少难点需要克服，这些都制约了 我国双螺杆挤出技术与装备的发展。由于近年来，新型高分子材料的研究与应用 十分活跃，导致对双螺杆挤出机需求量快速增长。有许多大学及其研究机构开展 了关于双螺杆几何设计、优化、螺纹曲线形状和啮合、挤出理论及应用等方面的 研究工作。今后，我国双螺杆挤出机的研究将向高性能方向发展，以适应挤出技 术高速、高效、大挤出量、大长径比和精密的发展要求。 本课题对双螺杆塑料挤出机的螺杆参数化c a d 进行研究，其主要研究内容有： 1 从啮合原理、端面曲线、体积参数、中心距等方面对平行轴全啮合同向双 螺杆进行了详细的研究，导出了中心距、螺槽深度、螺距、螺棱宽度等主要螺杆 参数的数学模型，为参数化设计提供了计算依据。 2 对平行轴紧密啮合异向双螺杆的啮合原理、端面曲线方程、c 型腔室体积 参数、主要结构参数等进行了详细的探讨，分析了啮合异向双螺杆压延效应对螺 杆设计的影响，并导出了螺杼直径、螺杆转速与挤出量的数学关系。 3 对平行轴全啮合同向双螺杆和平行轴紧密啮合异向双螺杆的主要应用场 合进行归纳，选择各自最常用的应用情况作为参数化c a d 的设计条件。 4 采用v i s u a lb a s i c 程序设计语言，利用其本身的基本图形程序设计方法和 丰富的应用程序接口( a p i ) ，独立开发了双螺杆参数化c a d 软件。参数化c a d 软 投螺杆塑料挤机蝶杆参数化c a d 的研究 件能够根据设计要求计算双螺杆的结构参数，并自动绘出螺杆结构的= 维图形。 为完成以上工作，课题进行的步骤如下： 1 通过查阅大量的理论资料，熟悉双螺杆挤出机螺杆的主要参数( 螺杆直径、 长径比、中心距、功率消耗、转速范围等) 以及这些参数对挤出制品的产量、质 量、挤出压力等因素的影响情况。弄清哪些参数是主要影响因素，略去些次要 因素，简化螺杆设计参数的数学模型。 2 从啮合原理、端面曲线、体积参数等方面对平行轴全啮合同向双螺杆、平 行轴紧密啮合异向双螺杆分别进行讨论和研究，分析各自的优缺点、应用场合以 及结构参数的确定方法。 3 了解实际中最常用的几种塑料材料( p e 、p v c 、p p ) 本身的性能和配方原 则，熟悉双螺杆塑料挤出机在这些材料成型加工中的应用。 4 根据已经建立的双螺杆参数的数学模型，通过计算机编程( 初步决定用 v b 程序设计浯占) 来进行螺杆参数化c a d 设计。这种螺杆c a d 软件应具有良好 的人机对话界面；能够根据设计要求，输出相应螺杆结构的二维图形；能够修改 参数，实现参数化 设计和绘图。 塑料挤出过程是一个复杂的过程，牵涉到固体力学、流体力学、传热学、赢 分子物理、工程力学和流变学等等各方面的问题，而人们比较清楚的了解螺杆一 特别是双螺杆挤出的物理过程只是最近十来年的事情，理论的研究还不成熟。同 时，双螺孝下挤出机类型繁多，无论在结构设计，机械制造还是装配上都比单螺杆 复杂。因此在论文的进行中可能会遇到一些设计理论与实际情况不太吻合的情况， 这必然影响螺丰下c a d 软件的可靠性。为解决这些问题，论文中将采用实际生产中 一些已经证实可行的螺秆参数来验证c a d 软件，如果有较大出入，则对理论公式 进行必要的修正，以提高软件的精确性。 3 第幸双螺杆挤小机概论双螺杆塑料挤机螺杆参数化c a d 的删f 究 第二章双螺杆挤出机概论 2 1 双螺杆挤出机的发展 双螺杆挤出机是随着聚合物加工业和食品加工业的发展而发展起来的，具体 的浣，啮合同向双螺杆挤出机是聚合物改性发展的结果，啮合异向双螺杆挤出机 是随r p v c 加工业的发展而兴起。 关于双螺杆挤出机的问世及早期发展史，尚无定论，但比较统一的认识是在 2 0 世纪3 0 年代，第一台应用于聚合物加工中的双螺秆挤出机在意大利研制成功。 之后，国外诸多研究机构和院校在挤出理论、双螺秆几何设计、停留时间分布等 方面取得了大量的研究成果。双螺杆挤出机无论在结构方面，啮合原理方面，实 验方面，还是在应用方面都得到了飞速的发展。双螺杆挤出机国外主要有以下几 种类型：美国w e n g e r 公司的t x 型、瑞士b u h l e r 公司的b i e x 型、法国c r c u s t l o i v e 公司的c l e x t r a l b c 型、德国w e m e r & p f l e r d e r 公司的z s k 型、日本k o w a k o g y o 公 司的k e i 型等“o 】【“。 双螺杆挤出机在我国开始应用较晚，只是到了2 0 世纪8 0 年代初爿开始较多 的从国外引进，对双螺杆挤出机挤出理论的研究也从此开始。在我国原轻工业部 科技司的主持下，北京化工大学朱复华教授和华南理工大学彭玉成教授领导的两 个科研组于8 0 年代初开始对挤出理论及应用、聚合物加工可视化技术等方面做了 大量的研究。到2 0 世纪9 0 年代初，我国双螺杆挤出机的设计制造发展很快，形 成了双螺杆挤出机制造热，但研究单位、研究人员太少，投入不够。就双螺杆挤 出机的设计、制造水平和整机的性能而言，与国外先进国家生产的双螺杆挤出机 还有不少差距。 2 2 双螺杆挤出机的组成 无论是双螺杆挤出机，还是单螺杼挤出机，其基本组成大致一样。图2 一l 是 浙江舟山吉达塑料机械有限公司2 0 0 4 年推出的双螺杆挤出机的主机图，由图可以 看出双螺杆挤出机主机主要由加料装置、螺杆料筒、加热冷却装露、控制系统、 速度分配系统、电机以及机座等其它部件组成。 双螺杆塑料挤j l j 机燥杆参数化c a d 的宄笫一章双螺杆挤舸l 概沦 i 加料装1 西=2 蝶杆料筒3 加热冷却毅i 冒= 4 控制系统5 速度分龇系统 6u _ j 9 l 幽2 - i 舣螺杆挤出机士机编成 1 加料装置 加料装置的作用是给挤出机供料，它一般由料斗部分和上料部分组成。料斗 最好用轻便、耐腐蚀、易加：亡的材料( 如铝板和不锈钢) 做成，一般做成对称形， 常见的有圆柱形、圆锥形、圆柱一圆锥形等。常见的加料方式有计量加料、溢流 加料和强制加料。 计量加料是指加料装置给挤压系统加入多少物料，挤压系统就挤出多少物料。 加料量是挤出过程的一个独立操作变量，与螺杆转数无关。计量加料的计量方式 有体积计量、失重计量和称重计量。 溢流加量又称为重力加料，物料依靠自身的重量进入机简。由于物料的高度 是连续变化的，于是螺杆加料端的压力产生轻微的变化，这会导致进料的不均甚 至因“架桥”而中断，影响挤出过程的进行，最终影响产品质量。因此在采用溢 流加料时，尽量控制料位的高度在一个较小的范围内变动。 第卓权螺杆挤小帆概论 双螺扦塑料挤 l j 机螺杆参数化c a d 的研究 强制加料是指在料斗中设置了搅拌器等螺旋装最，用以克服“架桥”，对物料 有压填作用，能够保证加料均匀。加料量的多少可以通过螺旋装罱的转数来控制。 2 螺杆料筒 螺杆是螺杆挤出机的核心部件。从进料口流入的物料在螺杆和料筒组成的腔 室中完成混合、塑化、均化和熔融，最终由口模挤出。从某种程度上说，螺秆的 设计水平是衡量挤出机设计水平的重要标志。本论文主要就是对双螺杆挤出机螺 杆的参数化设计问题进行研究。 3 加热冷却装置 双螺杆挤出过程是一个复杂的热过程，光靠螺杆与物料，机筒与物料之间的 摩擦热、剪切热往往不足以使物料由固态变成粘流态，在料筒的各段设置合适的 加热装置就是为了弥补这种不足。目j j 用于双螺朴挤出机的加热装置主要是电阻 加热和电感加热。挤出机设置冷却系统是为了保证塑料在工艺要求的温度条件下 完成挤出成型过程，可以采用机筒冷却和螺杆冷却，冷却的方式主要有风冷、水 冷和油冷。 4 控制系统 控制柜上是一些控制整个双螺杆挤出机组运行的丌关，加热器温度、系统压 力等的指示仪表以及温度和压力的调节旋钮等，可以通过控制柜知道整个机体的 运行情况，因此控制柜是整个挤出机的指挥中心。控制柜呈现给我们的仅仅是 个町操作调节的面板，它与被控对象间是通过具体的控制策略来实现控制功能。 5 速度分配系统 减速箱是挤出机传动系统的重要组成部分，要使螺杆按照必须的扭矩和转数均 匀的回转，必须设计合理的减速箱。双螺杆挤出机的减速箱出减速部分和扭矩分 配部分组成，双螺杆中心距是减速箱设计的一个重要参数。在挤出过程中，螺杆 还受到个附加轴向力，它是由螺杆在挤出物料时动载产生的附加压力和克服摩 擦阻力产生的，这种轴向力很大，需要止推轴承来承受“，因此对双螺杆挤出机 减速箱设计时还要合理选择和布置止推轴承。 6 电机 电机是整个螺杆挤出机系统的动力源，要根据生产实际选择合理的电机型号， 双螺杆塑料挤机蝶杆参数化c a d 的研究 第一章双螺杆挤；l j 机概论 避免 = 巳机过载和功率浪费= 2 3 双螺杆挤出机的分类 随着双螺杆挤出机的应用越来越广泛，双螺杆挤出机的类型也越来越多，不 同类型的双螺杆挤出机性能各异，于是很多专家学者对双螺杆提出了分类方法。 比较流行的是e r d m e n g e r 分类法，f a r r i z om a r t e l l i 分类法“。这些分类方法互有差 异，为了研究的方便，本论文通过归纳把双螺杆挤出机分成以下几类： 1 平行轴同向双螺杆挤出机 平行轴指的是两根螺杆的轴线相互平行，同向指的是两根螺杆在旋转时方向 相同。平行轴同向双螺秆挤出机按照螺杆啮合方式又可分为全啮合、部分啮合和 非啮合三种形式，分别如图2 2 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。啮合取决于一根螺杆的螺棱 进入到另一根螺杆螺槽中多深。如果设螺杆外圆半径为足，螺杆根圆半径为皿， 螺杆中心距为c ，对全啮合双螺杆，有c 。= r 。+ r ，：对部分啮合双螺市r ，有 r 。+ r r c l 2 r 。；对非啮合双螺杆，有c l 2 r 。 ( a ) 全啮合( c l _ r i + r f ) b ) 部分啮合( r 。+ r e c l 2 r 。) 幽2 - 2 平行轴同向般螺杆 ( c 产r i 十r d 幽2 - 3 全啮合平行轴异向双螺杆 2 平行轴异向双螺杆挤出机 异向指的是两根螺杆在旋转时方向相反。平行轴异向双螺杆挤出机按照螺杆 啮合方式也可分为全啮合、部分啮合和非啮合三种形式，图2 3 所示为全啮合平 行轴异向双螺杆。 3 锥形双螺杆挤出机 锥形双螺杆挤出机的两根螺杆轴线呈一交角，一般情况下，锥形双螺杆为异 向旋转。锥形双螺杆有大端和小端之分，如图2 4 所示，通常所说的锥形双螺秆 的直径指的是小端直径三 m 。 e e 幽2 4 锥形舣螺杆 e 七 投螺什嗵料挤机螺杆参数化c a d 的研究第茕烈螺轩挤机概论 平行轴啮合同向双螺杆挤出机是双螺杆挤出机的一大类，主要用于聚合物的 改性，如造粒、共混、填充、增强及反应挤出等操作，但较少用于直接挤出制品。 平行轴啮合异向双螺杆挤出机是双螺杼挤出机的另大类，这种双螺杼挤出机的 特点是：正位移输送能力比同向啮合双螺杆强，压力建立能力较高，多用来直接 挤出制品，主要用来加工r p v c ，造粒或挤出型材。本论文就是针对这两种双螺杆 挤出机的螺杆来进行参数化c a d 的研究。 2 4 双螺杆挤出机主要技术参数 双螺杆挤出机主要有以下技术参数。 1 螺杆直径 螺杆直径指的是螺杆外径，用d 表示，它是双螺杆挤出机重要的技术参数， 是其生产能力的重要度量。对于平行双螺杆挤出机，两根螺杆的直径相同。对于 锥形双螺杆挤出机，螺杆直径由大端到小端是均匀变化的，现在通用的说法是锥 形双螺杆挤出机的螺杆直径指的是小端直径。 2 螺杆中心距 螺杆中心距就是指两螺杆啮合时中心线之问的距离，用c ，表示，螺杼中心距 是多螺杆特有的参数。对于全啮合双螺杆而言，螺杆设计完成后，其中心距就确 定下来；对于部分啮合双螺杆，其中心距是一个变化的参数。螺杆中心距是双螺 杆挤出机减速装胃设计的重要依据。 3 螺杆长径比 螺杆长径比指螺杆上有螺纹的长度与螺杆直径之比，用工d 表示，其中即 为螺杆上有螺纹的长度，又称螺杆的有效长度，d 表示螺杆直径。双螺秆挤出机 螺杆长径比是代表挤出机性能的一个主要参数，在一定意义上它表示双螺杆挤出 机能完成特定生产任务和功能的能力。对于锥形双螺杆挤出机，这里螺杆直径d 规 定为螺杆的平均直径，即螺杆大端直径和小端直径的平均值。 4 螺杆转速范围 目的的双螺杆挤出机一般都能够实现无级变速，其转速范围用n 。n 。表 示。其中”。表示最低转速，月表示最高转速。 9 弟。幸双蝶杆挤机概论双螺扦塑料挤机螺杆参数化c a d 的研究 5 驱动电机功率 驱动电机功率是指驱动主传动箱的电机额定功率，用p 表示，单位是k w 。 6 双螺杆挤出机产量 双螺杆挤出机的产量指的是单位时间内的最大挤出量，又叫生产能力，用q 表 示，单位埏h 。对双螺杆挤出机而言，其生产能力更多的取决于螺杆直径、螺杆 长径比、螺秆转速、螺杆构型、加料量、机头形式以及挤出制品的种类。 双螺杆挤出枫除了上述主要技术参数以外，还有其它参数，如机筒加热功率 和加热段数，螺杆所能承受的最大扭矩，螺槽深度，减速箱止推轴承所受最大轴 向力和使用寿命，整机的中心高和外形尺寸等。 2 5 本章小结 作为双螺杆挤出机的概论部分，本章从双螺杆挤出机的发展历史、组成、分 类和主要技术参数方面概括地介绍了双螺杆挤出机的基本知识。由双螺杆挤出机 的分类可以看出，双螺杆挤出机的主要类型有平行轴啮合同向双螺杆挤出机、平 行轴啮合异向双螺杆挤出机和锥形双螺秆挤出机。由于前两种双螺杆挤出机应用 最为广泛，再加上时间所限，论文只对前两种双螺杆挤出机的螺杆设计进行研究， 详细内容将在接下来的两章中给出。 0 般螺杆塑料挤帆螺杆参数化c a d 的研究 第三常卜行轴夸瞄合州向烈螺杆哎汁 第三章平行轴全啮合同向双螺杆设计 3 1 概述 平行轴全啮合同向双螺杆挤出机是双螺杆挤出机的一大类。根据其结构特性 和输送机理的研究，证明它具有分红混合及分散混合效果良好、自洁作用较强、 可实现高速运转、产量高等特点。与单螺杆挤出机相比，物料在双螺杆挤出机中 停留时间短，适于那些停留时间较长就会固化或分解的物料的着色和混料。根据 同向旋转双螺杆挤出机的特点，这种双螺秆挤出机主要用于聚合物的改性，如造 粒、共混、填充、增强及反应挤出等操作，但较少用于直接挤出制品。 在双螺杆诞生以| j i f ，为聚合化工厂配套的造粒生产线多由单螺杆挤出机组成。 单螺杆挤出机的产量很有限，如果将其产量提高到1 0 t h ，螺杆直径要达到5 0 0 m m ， 这么大直径的螺杆不但加工困难，而且功耗很大。目前聚合化工厂连续造粒机以 啮合同向双螺秆挤出机居多，将粉料造成粒子的挤出过程，包括固体输送、熔融、 熔体输送和混合，最后由机头挤出造粒，挤出过程的能量消耗在固体输送、熔融、 熔体输送和建立压力上。如果仅用啮合同向双螺杆挤出机完成造粒，在要求较大 挤出量时，会出现因克服排气段阻力所消耗的压力能大大增加的问题。也就是蜕 随着螺杆转速的增加，会产生过高的熔体温度，这严重影响了造粒的质量。为解 决这个问题，现在采用最多的是啮合同向双螺杆挤出机加上齿轮泵组成的双阶挤 出机。齿轮泵有良好的建压能力，即使在入口压力有相当的波动时，也能保持相 对稳定的出口压力。采用同向双螺杆挤出机加齿轮泵的双阶挤出机，需要两台驱 动电机，在相同挤出产量下，这两台电机消耗的总功率比只用双螺杆挤出机所消 耗的功率要小。这就是现代聚合化工厂所使用的大型造粒生产线，都采用啮合同 向双螺杆挤出机加齿轮泵的双阶挤出机，以满足高挤出量的需要。 聚合物共混物就是将两种或两种以上的聚合物混合在一起得到的新的混合 物，这个混合过程可在啮合同向双螺杆挤出机上完成。在聚合物共混物的制备过 程中，熔融和混合是同时发生的。啮合同向双螺杆的熔融段在决定聚合物共混体 系的微观结构中起了非常重要的作用，因而熔融和混合区段的螺杆构型设计最为 重要。在聚合物共混物的制备中，加料口的布置也非常重要。如果只设计一个加 第二- 节t 轴伞啮合州向双蝶杆i 5 汁 双螺杆塑料挤机螺杆参数化c a d 的研究 料口，螺杆的熔融混合段町以采用一个或两个中等厚度的啮合盘组成的正向啮合 块，其后跟由厚啮合盘组成的中性啮合块，最后再加上一个或两个反向啮合块； 如果设计两个加料e 1 分开加料，第一混合段提供分散混合，用于将加入的基体树 脂熔融，第二混合段提供分布混合，以期得到均匀的制品，两个区段的相对长度 和混合强度取决于所加工的聚合物体系瞬”“”。在螺杆构型中采用反向啮合块的作 用是提高物料的充满度，增长物料的停留时间，如果设计的反向啮合块过多，会 导致过高的能量输入而使聚合物共混物过热，因此要合理设计反向啮合块的数目。 平行轴同向双螺杆挤出机是应用最早的双螺杆挤出机，是双螺杆挤出机的重 要部分。在平行轴同向双螺杆挤出机中，应用最多的是全啮合双螺杆，本章仅对 i f 行轴全啮合同向双螺杆挤出机螺杆的设计进行了详细的讨论。首先从平行轴全 啮合同向双螺杆的几何学分析入手，推导出啮合同向全啮合同向双螺杆的端面曲 线族方程，并推导出了螺杆横截面积、体积参数和螺杆螺槽深度的计算公式。在 对双螺杆各有关几何面积和体积计算和讨论的基础上，展_ 丌了对平行轴全啮合同 向双螺杆的螺杆外径、中心距、挤出产量和功率消耗等主要几何参数设计的讨论， 以上所进行的工作都是为螺杆参数化设计做理论准备。 3 2 全啮合同向双螺杆几何学 3 2 1 啮合原理 图3 - t 表示了全啮合同向双螺杆的啮合过程“1 。设圆盘1 不动，圆盘2 绕圆 盘l 平动而自身不产生转动。根据相对运动原理，盘2 的中心0 z 的运动轨迹为一 个中心在o t ，半径为0 1 0 2 的圆。盘2 上的其它点同样也以相同的半径描绘出一条 圆形轨迹。如果在圆盘2 圆周上圆弧片只是螺纹顶，则在该弧上的点将描绘出从盘 1 上切去半月状表面积的弧线族“3 1 。两盘相对运动的结果会将盘l 切成一个特定形 状的盘，如果将这个特定形状的盘沿0 t 的轴线作轴向运动和旋转运动，就形成了 螺杆元件，其螺旋表面上每一个点相对于另外一根螺杆以恒定的速度由切向扫过， 这就是两根平行轴同向旋转的螺杆啮合的基本原理。 积螺杆塑料挤f f 帆螺杆参数化c a d 的州究旃三带、卜行轴余啮台川向设煤杆改| 十 小动盘l 作、卜 时0 2 的运动 幽3 - i 同向旋转烈螺料运动原理幽 3 2 2 端面曲线族的形成 螺杆的端面曲线，也就是垂直于螺杼轴线截面的形状。如图3 2 所示，没螺 杆外圆半径为胄。，根圆半径为耳，两螺杆以相同角速度出绕各自中心轴顺时针旋 转。出于两螺杆是全啮合，两螺杼中心距为c 。= r 。+ 耳。p 、q 为圆盘上相异的 两点，考查p 点相对于圆盘o 一的运动情况。先建立一个动坐标系随圆盘o t 以角速 度逆时针旋转，根据相对运动原理，圆盘o ：相对于这个动坐标系作圆平动，圆 平动的特点是圆盘上任意一点的相对运动轨迹为一个圆“3 “。所以由圆平动的特点 知，点p 的相对运动轨迹的圆心就是过p 作圆心o ，0 2 连线的平行线与盘0 ，的交点 m p ，其半径i m ，p i = c l 。p 点运动轨迹与圆盘o l 交于j p 、j ，2 ，与螺杆1 的根圆切 于c ，点。 设p q 是圆盘o ：上夹角为口的弧段，则介于p 、q 间的每一点的轨迹都是一条 中心在0 t 圆盘上的圆弧m - m n 间，半径为c l 的圆弧。点q 的相对运动轨迹与圆盘 o t 交于j q 、j q 2 ，与螺杆i 的根圆切于c 0 点。根据全啮合不干涉原理，螺杆i 的 端面曲线应是螺杆2 上所有点相对运动轨迹的包络线。如果p 、q 刚好是螺杆2 端面上螺棱的两个端面，则整个螺棱p q 所扫过圆盘o ，上的区域是一个月牙形，其 包络线由j p ，c ，、c c q 、c j 啦三段圆弧组成，构成了同向啮合双螺杆端面曲线的一 第一：辛r 轴令啮台| f f j 向双螺杆驶i 十双蝶杆塑料挤m 科l 螺杆参数化c a d 的研究 部分。整个螺杆的端面曲线除了上述三段圆弧外，还包括外圆上的k m ，m q j p i o 由 啮合原理知：z p 0 2 q = z c p o i c a ，即圆盘0 2 棱上p q 圆弧所对中心角掰和它们对 应轨迹在包络线上的交角口相等。 螺杆i螺杆2 图3 - 2 同向旋转舣螺杆端面曲线形成过科 3 2 3 端面曲线族方程 平行轴全啮合同向旋转的双螺杆端面轮廓曲线由三部分组成，即螺槽底部的 圆弧、螺项部分所对的圆弧和螺纹侧面的圆弧，如图3 - 3 所示。设这三部分圆弧 所对的圆心角分别为口、和2 伊，对单头螺纹，有a + f l + 2 o = 2 e r ；对多头螺纹， 有出+ + 2 功= 2 x ，其中m 为螺纹头数。 根据啮合原理，一根螺杆的螺顶角应等于与它啮合的另一根螺杆的螺槽底角。 对于两根啮合的螺杆，一般具有相同的螺杆端面，所以两根螺杆的螺底角、螺顶 角均相同，即口= 口。故有： m ( 2 口+ 4 妒) = 2 x ( 3 - 1 ) 口= x m 一2 口( 3 2 ) 由上面对螺杆端面曲线形成的讨论知道，, 弧p i p 2 ，p i q i ，q , q 2 构成了螺杆端 面曲线的一部分。那i , p t q , 中心为0 t ，半径为尽；弧随，酉石的中心分别为m ， m u ，半径分别为l m ；p 1 i ，l m n q ，i 。且对于全啮合双螺杆，有： 投螺杆坦料挤川机蝶杆参数化c a d 的蝌究 第二尊、卜行轴伞啮台川向娌螺杆址h 幽3 3 螺杆端面轮廓曲线幽3 4 全啮合同向单头舣螺杆端面曲线 x 1 x 2 i m p p ，l - - t m - q ，l = c 。 ( 3 3 ) 由于m n q 2 n 构成了直角三角形，所以： c o s 6 p = - - m q q 2 1 i m q n j _ c 。2 r , ( 3 4 ) p = c o s 。( c l 2 咒) ( ：；- 5 ) 由予啮合同向双螺杆最常用的螺纹头数为单头、双头和三头，下面对其螺杆 端面曲线的数学模型分别讨论。 1 单头螺纹( m = 1 ) 图3 4 所示即为全啮合同向单头双螺杆的端面曲线。图中只给出了左边螺杆 的端面曲线，右边螺杆的端面曲线跟左边的完全相同，在两螺杆同向旋转的过程 中，两螺杆端面曲线总是相互啮合。图中的端面曲线由a b ，b c ，c d ，d a l r t t s 强 弧构成。为了研究的方便，端面曲线的方程用极坐标表示，极点在or ，极轴与o ，x 。 重合，用p 表不- - 假千径z ，臼表示极角。对于丽段，有： p ( 毋) 2 肆 ( 一曼2 护兰2 ) ( 3 6 ) 对于西弧段，任耿其上一动点m ，m o 交外圆与p ，a l 上m p ，则动点m 的 极半径户( 护) = m o t = m l - l or l l ，而 m l i = l a m 2 一l a l l 2 ( 3 7 ) 第二常卜仃轴牟：啮合川阳双螺杼改汁 双蝶杆塑料挤出机螺杆参数化c a d 的4 0 d t l a m l - c l ( 3 - 8 ) i a l i 书t a s i n l a o e l 咄s h ( 口一詈) 净。， i o , l 地i a f c 。s 以吡都。s ( 口一詈 ( 3 - 1 0 ) 故有 p ( 护) = q 2 一r 2s ；n 2 ( 口一詈) 一rc 。s ( 9 一詈) c s 一，z ， 对于单头螺纹，由式( 3 2 ) ，( 3 5 ) 知口= z - 2 p ，缈= c o s 1 ( c l 2 r ) 。按照 j 二面的方法同样可以分析出6 x ，a b 弧段的数学模型。全啮合同向单头双螺杆的 端而曲缝的窨昭嘉示如下： p ( o ) = 咒； 一詈s 口詈 一rc 。s ( 目一詈 ； 詈 口 詈+ z 妒 詈伽姚争2 妒 1 2 一咒c 。s ( 4 伊+ t 3 a 一口 ； 争却 护 t 3 c t 坳 式中：b 一螺秆根径； r 一螺杆外径： c 。一螺杆中心距，c 。= 足+ 肆； o i