单螺杆食品挤出机设计-改格式【6张CAD高清图纸及说明书】
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常州工学院毕业设计 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书题目题目： 单螺杆食品挤出机设计 二级学院（直属学部）： 无锡技师学院 专业： 数控车 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2013 年 9 月常州工学院毕业设计 1摘摘 要要针对设计要求，对单螺杆食品挤出机进行了设计。主要包括传动系统、挤出系统、加料系统、冷却和加热系统的设计。此单螺杆挤出机是通过电机将动力传给带轮，经减速传给螺杆，为了满足变速范围的要求，采用普通电机加变频器进行无级调速。为了便于安装和拆卸，机筒采用的是左右剖分式结构，分三段进行加热和冷却。通过电磁阀和传感器进行温度的控制和冷却水的进出，保证温度在所允许的范围内。关键词：关键词：单螺杆 挤出机 剖分式 冷却单螺杆食品挤出机设计2AbstractAccording to the design requirement, the single screw food extruder is designed. Mainly comprises a transmission system, extrusion system, feeding system, the cooling and heating system design. The single screw extruder is through the motor transmits power to the belt wheel through a speed reducer, transmitted to a screw, in order to meet the requirements of speed range, the common motor with frequency converter for stepless speed regulation. In order to facilitate the installation and disassembly, barrel is based around a split structure, is divided into three parts for heating and cooling. Through an electromagnetic valve and a sensor for temperature control and cooling water import, ensure the temperature in the allowed range.Keywords: single-screw extruder split cold常州工学院毕业设计 3目目 录录摘摘 要要.1ABSTRACT .2目目 录录.31 绪绪 论论.51.1 研究的意义.51.2 挤压技术的发展.51.3 国内外发展的现状.61.4 挤压加工的原理.62 方案设计方案设计.82.1 设计的要求 .82.2 方案设计部分.82.2.1 方案的整体确定.82.2.2 机筒与螺杆材料的选择.93 设计计算设计计算.103.1 传动系统设计.103.1.1 电机的选择.103.1.2 传动比的分配.103.2 螺杆的设计.123.3 齿轮的设计.153.3.1 输入轴上齿轮的设计.153.3.2 轴轴上一对齿轮的设计.183.3.3 计算输出轴上的小齿轮.223.4 轴的计算.253.5 带轮计算.263.5.1 确定计算功率caP.263.5.2 选窄V带带型.263.5.3 确定带轮的基准直径.263.5.4 确定窄V带的基准长度和中心距.263.5.5 包角.273.5.6 计算根数.273.6 轴的校核.274 冷却装置冷却装置.31单螺杆食品挤出机设计44.1 水冷.314.2 风冷.315 设计总结设计总结.326 致致 谢谢.337 参考文献参考文献.34常州工学院毕业设计 51 绪绪 论论1.1 研究的意义研究的意义单螺杆挤出机由于结构简单，造价便宜，因此广泛的应用于食品、塑料、饲料等各个领域。在塑料加工行业，挤出成型作为聚合物加工工业中的一项重要技术，在聚合物树脂应用工程技术、挤出生产设备研制技术两方面互相促进。各种结构与功能的挤出机如混炼型螺杆挤出机，排气式挤出机，双螺杆、多螺杆挤出机，反应式挤出机，组合式挤出机，适应高分子材料物理与化学特性而建造的成型装置，具有各种制品所需要的专门功能，能够实施成型步骤的挤出生产线辅机，以追求操作简便、控制精确、节能高效，清洁生产的目标而不断改进的新兴设备。在食品加工行业不仅用于谷物食品加工，而且也越来越多地用于糖果糕点类产品乃至香料等产品的加工，涉及主餐类，早餐类，儿童营养食品、中老年食品、健康功能性和休闲小食品等领域。逐渐应用在水产品、仿生制品、调味品、方便面、速溶饮料、变性淀粉和加湿宠物食粮等方面。通过挤压技术生产的食品具有松脆可口，有助于消化的特点。在饲料加工方面我国现有的饲料加工仍以单螺杆膨化挤出机为主。当今挤压技术已经渗透到人们生活的各个方面，因此有必要不断改进挤压设备，降低产品的成本1-5。在我国挤出设备的总体技术水平相当于先进国家的八十年代水平。当然也不乏一批具备九十年代乃至当今国际领先水平的产品，但一些专用性强的高新技术产品还需依赖进口。据海关统计，近年来我国挤出机的进口量呈现出逐年递减之势，2000 年比1999 年进口台数减少了 5.3%，外汇支出减少 32.7%，而出口台数减少了 73%，创汇却增加了 12.3%，这说明国产挤出机技术含量有一定的提高，出口的价格也相对的上涨。而国外的挤压技术已经有上百年历史，设备更新的较快，功能越来越完备，因此有必要加强我国挤压机技术的发展，使生产出来的产品在国际市场上占有一席之地2。1.2 挤压技术的发展挤压技术的发展挤出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。谷物食品的传统加工工艺一般需经过粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、杀菌、干燥等生产工序，每道工序都需配备相应的设备，生产流水线长、占地面积大、劳动强度高、设备种类多3。采用挤压技术来加工谷物食品，在原料经过初步粉碎和混合后既可用一台挤压机一步完成混炼、熟化、破碎、杀菌、预干燥、成型等工艺，制成膨化，组织化产品或制成不膨化的产品，这些产品在经油炸、烘干、调味后即可上市销售，只要简单的更换挤压模具，便可以很方便的改变产品的造型。与传统生产工艺相比，挤压加工极大的改善了谷物食品的加工工艺，缩短了工艺过程，丰富了谷物食品的花色品种，降低了产品的生产费用，减少了占地面积，大大的降低了劳动强度，同时也改善了产品的组织状态和口感，提高了产品的质量4。早期的食品挤压机采用的是活塞式或注塞式灌肠机。现在使用的挤压机是集混合、混炼、熟化、挤出成型于一体的加工设备，它的许多优点在挤压灌肠机中是得不到体现的。20 世纪 30 年代末期，首次将挤压机应用于方便食品谷物的生产中，1936 年第一台应用于谷物加工的单螺杆挤压蒸煮机问世，并在该行业取得成功。目前，美国生产的大型挤压机生产能力已达到每小时几吨至十几吨。近年来，国外挤压食品已经成单螺杆食品挤出机设计6为单独一大类方便食品，有主食类、早点类、儿童食品、各种小食品等方便食品。膨化大米可做主食面包、点心面包、蒸制品、炸制品等，将玉米挤压膨化后粉碎，加入面包中，使面包具有特殊的口感和香味。1980 年，美国学者研究了挤压快餐食品的风味与色泽。在挤压食品中使用部分色素及风味剂，使挤压食品更具有吸引力。挤压技术不仅在食品工业中应用广泛，而且在其他工业中具有广阔的前景。如发酵工业，尤其是塑料工业中3-5。1.3 国内外发展的现状国内外发展的现状中国双螺杆挤出机产品系列不全，规格较少。中国很多塑料支配企业仍采用进口的双螺杆挤出机。20 世纪 90 年代初。华南理工大学发明了电磁动态塑化挤出机，新的理论与概念引人注目。近几年中国塑料机械成套性已有很大进展。如塑料造粒机组从主机、供料计量、机头、造粒和回收系统，到加热、冷却、电控、温控系统都达到了相当完善的程度。薄壁管、厚壁管、缠绕管、波纹管（单、双壁） 、复合管等各种管材机组的规格日趋齐全，产品水平、质量不断提高。为适应多层复合膜的需要，符合共挤技术及其成型机组（吹膜机组）也发展迅速。如青岛德意利集团最近研制的中空壁缠绕管生产线，生产的直管管径可达 300mm。又如广东金明塑胶设备有限公司吸收、引进德国莱芬豪塞公司关键技术制造的大型多层共挤复合膜机组，吹制膜的单幅宽可达 20m。该机组可吹制棚膜、农膜和土工膜，是一机两用设备，使用于线性低密度聚乙烯、茂金属线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、 （乙烯/乙酸/乙烯酯）共聚物等多种原料。机组中除采用了内冷技术及超声波监控技术外，还同时采用了机、电、气动和液压等多种技术，并有多项技术申请了技术专利6。20 世纪 50 年代，石油化工的发展使高分子工业迅速成熟；60 年代，塑料、橡胶、化纤三大合成材料的生产向规模化转变；70 年代，世界合成高分子材料在总体积上已经超过了金属材料。聚合物只有通过成型加工才能成为有使用价值的制品。成型加工是高分子材料不可缺少的生产环节。挤出成型作为聚合物加工工业中的一项重要技术，是在聚合物树脂应用工程技术、挤出生产设备研制技术两方面互相促进，又互相依存而发展起来的。形形色色的挤出产品；早期的硬 PVC 型材，交联 PE、铝塑复合、PP-R 管材，双向拉伸聚丙烯薄膜，多层共挤复合膜，具有高阻隔性、透气性、自黏性，热收缩性、自消性等特殊性能的薄膜，功能母粒与色母粒，发泡制品。运用挤出加工手段制备改性聚合材料，共混增强、增契技术，辐射核性技术，纳米复合技术，以及其他的一些新型改性技术。各种结构与功能的挤出机如混炼型螺杆挤出机，排气式挤出机，双螺杆、多螺杆式挤出机，反应式挤出机、组合式挤出机，适应高分子材料物理与化学特性而建立的成型装置，具有各种制品所需要的专门功能，能够实施成型步骤的挤出生产线辅机，以追求操作简便、控制精确、节能高效、清洁生产的目标而不断改进的新型设备7。1.4 挤压加工的原理挤压加工的原理食品的挤压概括的说就是将食品物料置于挤压机的高温高压状态下，然后突然释放至常温常压，使物料内部结构和性质发生变化的过程。这些物料通常是以谷物原料常州工学院毕业设计 7如大米、糯米、小麦、豆类、玉米、高粱、等为主体，添加水、脂肪、蛋白质、微量元素等配料混合而成。挤压加工方法是借助挤压机螺杆的推动力，将物料向前挤压，物料受到混合、搅拌和摩擦以及高剪切力作用，使得淀粉粒解体，同时机腔内温度压力升高（可达到 150-200。C，压力可达 1MPa 以上） ，然后从一定形状的模孔瞬间挤出，由高温高压突然降至常温常压，其中游离水分在此压差下急骤汽化，水的体积可膨胀大约 2000 倍。膨化的瞬间，谷物的结构发生了变化，他使生淀粉转化成熟淀粉，同时变成层状疏松的海绵体，谷物体积膨大到几倍到几十倍。如图所示，当疏松的食品原料从加料斗进入机筒内时，随着螺杆的转动，沿着螺槽方向向前输送，称为加料段，与此同时，由于受到机头的阻力作用，固体物料逐渐压实，又由于物料受到来自于机筒的外部加热以及物料在螺杆与机筒的强烈搅拌、混合、剪切等作用，温度升高、开始熔融，直至全部熔融，称为压缩熔融段。由于螺槽逐渐变浅，继续升温升压，食品物料得到蒸煮，出现淀粉糊化，脂肪、蛋白质变性等一系列复杂的生化反应，组织进一步均化，最后定量、定压地由机头模口均匀挤出，称为计量均化段8。上述即为食品挤压加工的三段过程。1-物料 2-料斗 3-水槽 4-螺钉 5-加热板 6-料槽 7-模头 8-螺杆9-模口 10-连头 11-密封圈 12-螺筒 13-轴 14-连轴图 1-1 挤压加工过程示意图单螺杆食品挤出机设计82 方案设计方案设计2.1 设计的要求设计的要求单螺杆挤出机的直径为 35mm，长径比为 16，采用变频无级调速，转速范围为15r/min-150r/min，公比。1.412.2 方案设计部分方案设计部分2.2.1 方案的整体确定方案的整体确定螺杆挤出机的设计应是一个整体的设计，包括传动系统，加料系统，加热冷却系统，控制系统的设计。传动系统包括电机的选择，为了满足转速范围在 15r/min-150r/min，变频无级调速的要求，可直接使用变频电机还是采用普通电机加变频器两种方案。为了达到减少成本的目的，采用普通电机加变频器的方式，在普通电机中还有型号选择的问题，因为转速越低，成本越高，采用何种电机，也影响到以后的总传动比，电机转速越高，总传动比就越大，从而使变速箱过于庞大，综合以上因素，采用的是同步转速 1500r/min的 Y112-4 的电机配合变频范围在 25Hz-50Hz 的变频器，这样只需要采用二级减速器就可以达到要求的转速范围。由于输出轴的最终转速是在一定范围内的，因此必须采用多联滑块，是采用二联还是三联，另外采用了多联滑块，变速比多大也是一个必须讨论的问题，过大则导致最小转速与最大转速的比值过小，而使用的只是 15r/min-150r/min 的转速范围，造成了浪费。升速比与降速比的选择也影响到重合的速度范围，重合过多也造成了极大的浪费。因此在确定升降比的时候采用由后往前的推力方式，采用的是双联滑块。此时有两种方案，方案一升 2.5 降 2，方案二升 2 降 2.5，他们的转速重合范围都是 35-75r/min，采用不同的方案对减速部分的减速比有很大的影响。方案一中的减速比为 24，方案二中的减速比为 19.7，一中减速比过大，使得减速部分较大，因此采用的是方案二。在单螺杆挤出机传动系统的设计中，另一个重要的问题是输出轴上止推轴承的位置问题，选择不同的位置会影响到齿轮的位置，拆装的方便等8。机筒的设计采用剖分式还是整体式是整个设计中的一个关键，整体式中的输出轴必须设计成空心轴，以便于螺杆的拆卸。并且要想了解挤出过程中物料沿螺杆的输送、混合、反应情况，只有停转将机筒通水冷却，然后把螺杆抽出才能看清。这样很不方便，有时还会破坏过程的原貌。为了克服上述缺点及操作方便，机筒做成剖分式。剖分式包括上下开合和左右开合，由于加料口在机筒的上部，因此采用的是左右开合式。设计成剖分式必须考虑合页的设计，考虑合页的开合角度是否能够使螺杆充分露出，保证拆卸的方便。由于机筒体积较大，因此在剖分式机筒的两边各设计一个支撑轴用以分担合页所承受的压力，支撑轴下带有滚轮，以便于机筒的开合9。冷却系统中采用的是水冷方式，因为水冷的速度较快，时间较短，并且采用水冷与风冷相比，所占的空间较小。水冷采用的是水套，水套属于铸铝加热器的一部分，在加热丝的外圈，这样可以使冷却的速度加快。水冷采用的是软管接头。加热系统采用的是铸铝加热器，因为此种加热器具有外形尺寸小、质量轻、拆装方便等优点。机筒径向温度均匀，预热时间短；调节温度时反应灵敏，温度稳定性好；热损失少，节常州工学院毕业设计 9能。其缺点：径向尺寸大、拆装不便、成本较高。一般不用于大型挤出机或形状复杂的机头上9。普通螺杆的设计都分为三段，加料段、压缩段和计量段，螺杆的主要参数包括直径 D，长径比 L/D，螺杆三段的长度，加料段和计量段槽深度 H1，H3，螺纹升角，以及其他一些次要的参数。因为螺杆是向前输送物料，因此由加料段到计量段的槽深是越来越浅的。此外螺纹断面，螺纹头数，螺距的设计是很重要的。2.2.2 机筒与螺杆材料的选择机筒与螺杆材料的选择由于机筒和料筒是在高温、一定腐蚀、强烈磨损、大扭矩下工作的，因此，机筒和料筒必须由耐高温、耐磨损、高强度的优质材料作成，故选用 38CrMoAl，制成螺杆后经氮化处理，或选用氮化钢，氮化层厚度一般为 0.3-0.5mm，经表面处理后硬度不得小于 950HV，工作表面粗糙度 Ra 为 1.6m，并要求机筒内表面的硬度应比螺杆元件高 30-60HV。由于机筒和螺杆在相同的条件下工作，故其选材原则与螺杆相通。用于共混、填充改性的机筒元件可用氮化钢 38CrMoALA 制成。这种材料具有一定的耐磨性，但耐腐蚀性较差。用于磨损大的填充、增强改性物料生产线的机筒，可采用金属机筒。即机筒元件不是由整块相通材料构成，而是有两种材料构成，与物料接触部分采用耐磨（蚀）的材料，而不与物料接触部分则用廉价的一般碳素钢。这样可以节省材料，把耐磨材料用到刀刃上。单螺杆食品挤出机设计103 设计计算设计计算3.1 传动系统设计传动系统设计3.1.1 电机的选择电机的选择根据要求的螺杆转速范围 15r/min-150r/min，采用普通电机加变频器调速方式，选用的电机型号为 Y112-4，同步转速为 1500r/min，额定功率为 4kW，转速 1440r/min，电流 8.77A，效率 84.5%，变频器范围 25Hz-50Hz。由得变频器的转60(2)fnpp速范围 max60 501500r / min2nmin60 25750r / min2nmax1440r / minn实 min1440750720r / min1500n实3.1.2 传动比的分配传动比的分配欲使螺杆达到 15-150r/min 的转速，由后往前推设升 a 降 b2xa=150Xb=15得 a=5b取 a=2.5，b=0.5，得 x=30（方案一）或 a=2，b=0.4，得 x=37.5（方案二）两方案的转速重合范围都为 30-75r/min。采用二级减速器，设带轮减速比为 ，依次为，。1i2i3i方案一中 =1i2i3i7202430方案二中 =1i2i3i72019.237.5方案一中减速比过大，取方案二减速比分配为 =3.072，=2.51i2i3i得：常州工学院毕业设计 11当 n=720r/min 时 当 n=1440r/min 14 0.963.84kWP 1440468.8r/min3.072n带 234.493.75r/min2.5n 2468.8187.5r/min2.5n 2 93.7537.5r/min2.5n 3187.575r/min2.5n 3 37.515r/min2.5n 47530r/min2.5n 4拟定的转速图如图 3-1 所示。图 3-1 转速图传动系统图如图 3-2 所示。单螺杆食品挤出机设计12图 3-2 传动系统结构图3.2 螺杆的设计螺杆的设计已知螺杆的参数有直径为 D=35mm，长径比为 16。升角取 17 度，采用等矩变深螺杆，单头螺纹。在螺杆直径、螺槽深度和螺纹升程相同的条件下，多头；螺纹与单头螺纹相比，多头螺纹对物料的正推力较大、攫取物料的能力较强并可降低熔料的倒流现象。但是整条螺杆都是多头螺纹时，物料分别从螺杆漏斗区几条螺槽通道进入达到螺杆头部。在漏斗区，往往由于几条螺槽的进料不均匀和各条螺槽的熔融和均化或对熔料输送能力不一致，容易引起生产能力的波动、压力波动。其结果是制品质量下降。综合以上因素，本设计采用单头螺纹螺杆9。螺距mintan173.14 35 tan1733.62mm1.411440750720r / min1500sDn实得 法向宽度 e=0.1D=3.5mm常州工学院毕业设计 13 轴向宽度3.66mmcos17eb 取 30.060.06 352.1mmHD120%112mmLL260%336mmLL320%112mmLL （3-1）21330.54()HDDiHDH初选17.553,7.55,3.62.1iHi得得螺杆轴向力的确定：PZ螺杆轴向推力，NP1物料作用在螺杆端面上的总压力，NP2挤压时由于动载荷产生的附加压力的轴向分量，N （3-2）214SPD P式中 螺杆外径， m SD P螺杆端部的物料压力， Pa2612110.03520 1019242.25519.3kW4110.125 0.2519.30.125 0.252.4125 4.825kW84PPPP故 1219.34.82524.125kWzPPP1.由轴向力产生的压缩应力zPc （3-3）22maxmax2222001.15 1.2541.15 1.254SScSSPDDPdddd单螺杆食品挤出机设计14DS=35mm，冷却水孔径 DO=9mm2777220.0351.15 1.252 106.492 10 7.056 10 Pa0.0230.009c 2.由扭矩产生的应力tM53max118tmax33sN95.5 1010Mn3.46 101.422 10 PaW0.2d0.2 23 3.由螺杆自重 G 产生的弯曲应力b取337.85 10 kg/m 223ssbsLDdd22336a0.8750.0350.0237.85 100.02310662 10 P故767cb7.056 101.662 107.222 10 Pa 4.螺杆的合成应力r根据材料力学可知，塑性材料合成应力用第三强度理论计算，其强度条件为： （3-4） 24r 式中cb267.2224 142.2 10293MPa800MPar 故满足要求。螺纹形状采用矩形端面。常见的螺纹断面形状有矩形面螺纹、锯齿形端面螺纹、梯形端面螺纹和半圆形端面螺纹。在本设计中采用矩形端面螺纹。螺纹根径表面与螺棱推进面成 90 度夹角，用小圆弧过度。圆弧半径 r=1mm，螺纹后角 a=10 度。根据经验，螺棱顶面宽度一般取 e=（0.080.12）D。在保证螺棱强度的条件下，e 的取值小一些。因为比较大的 e 值不但占据一部分螺槽容积，而且增加螺杆的功率损耗，又容易引起物料的局部过。E 值也不能过小，否则会削弱螺棱强度，增大漏流物量，从而降低生产能力。因此本设计中取 e=3.5。熔料在螺槽中的螺旋运动至进入口时的直线运动中，有一个急剧的改变过程。料流在螺杆头部前面的机筒中，料流速度在机筒中心点最快，而在机筒壁处为最慢。因而应选择合理的螺杆头部形状才能使料流平稳地进入口模，并可避免生产滞流和防止物料的局部过热分解。常州工学院毕业设计 15 常见的模头形式有球形、大圆锥形、扇形、带螺纹的锥体等，从工艺方面考虑，本设计中采用大圆锥形模头。3.3 齿轮的设计齿轮的设计3.3.1 输入轴上齿轮的设计输入轴上齿轮的设计已知输入功率为，小齿轮转速为 468.8r/min，齿数比为 2.5，14 0.963.84kWP 由电机驱动，工作寿命为 15 年（设每年工作 300 天） ，两班制，工作平稳，转向不变。（1）选定齿轮的类型，精度等级，材料及齿数为直齿圆柱齿轮选七级精度选小齿轮的材料为 40Cr（调质）硬度为 280HBS，大齿轮为 45#钢（调质）硬度为 240HBS，二者的硬度差为 40HBS。选小齿轮的齿数为，大齿轮齿数为120Z 212.5 2050ZUZ（2）按齿面接触强度设计23312.32tEdHkTZudu （3-5）确定各值a.试选载荷系数 Kt=1.3b.计算小齿轮传递转矩 55414595.5 10/=95.5 103.84/468.8N mm=7.8 10 N mmTpnc. 由机械设计10表 10-7 选取齿宽系数 1dd.由机械设计10表 10-6 查得材料的弹性影响系数12189.8MPaEZ e.由机械设计10图 10-21 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳极限，大齿轮 lim1600MPaHlim2550MPaHf.由机械设计10 式 10-13 计算应力循环次数9119826060 468.8 12 8 300 152.02 102.02 10 /1.418.1 10hNn jLN g.由机械设计10图 10-19 查得接触疲劳寿命系数120.94;0.93.HNHNKKh.计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计10式（10-12）得11220.94 600MPa=564MPa0.95 550MPa=522.5MPaHNHHNHKSKS单螺杆食品挤出机设计16计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值1tdHa.分度圆直径1td2243331d11.3 7.8 102.5 1 312.5522.556.45mmEtHkTZudu b.计算圆周速度 V1 1 56.45 468.8=1.39m/s60 100060 1000d nVc.计算齿宽 b111 56.4556.45mmdtbd Ad.计算齿宽与齿高之比 b/h模数 11/56.45/202.82mmttmdz齿高 2.252.25 2.826.35mmthm/56.45/6.358.89bh e.计算载荷系数根据，7 级精度，由机械设计10图 10-8 查得动载荷系数；1.39m/sv 1.05vK 直齿轮，假设。由机械设计10书中表 10-3 查得Ak/100N mtF b ；1.2HFKK由机械设计10表 10-2 查得使用系数；1AK 由机械设计10表 10-4 查得 7 级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，； (3-6)2231.120.18 1 0.60.23 10HddKb将数据代入后得：；2231.120.18 1 0.6 1 10.23 1056.451.54HK由，查机械设计10图 10-13 得；/8.89bh 1.54HK1.43FK常州工学院毕业设计 17故载荷系数1 1.15 1.2 1.542.125AVHHKK K KK f.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由机械设计10式（10-10a）得 331/56.452.125/1.366.5mmttdK K g.计算模数 m/66.5/203.325mdz按齿根弯曲强度设计由机械设计10式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (3-7)13212FSdFY YKTmz确定公式内的各计算数值a.由机械设计10图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大1500MPaFE齿轮的弯曲疲劳强度极限；2380MPaFEb.由机械设计10图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数：120.92,0.95;FNFNKKc.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由机械设计10式（10-2）得1112220.92 500328.6Mpa1.40.95 380257.86Mpa1.4FNFEFFNFEFKSKSd.计算载荷系数 K1 1.15 1.2 1.431.97AVFFKK K KK e.查取齿形系数由机械设计10表 10-4 查得。122.80,2.32FFYYf.查取应力校正系数由机械设计10表 10-5 可查得。121.55,1.70SSYY单螺杆食品挤出机设计18g.计算大、小齿轮的，并加以比较FSFY Y1152252.80 1.550.013207317.8572.32 1.700.015295257.86FSFFSFYYYY大齿轮的数值大。h.设计计算（圆整为 2.5）4322 1.97 7.8 100.015292.271 20m12111221256.4522.58(23)2.523 2.557.5(58)23 2.557.558 2.5145101.252zzuzdmzdmzdda取取小齿轮齿宽为 30，大齿轮选 25。3.3.2 轴轴轴上一对齿轮的设计轴上一对齿轮的设计已知输入功率为，小齿轮转速为 187.5r/min，齿数比为13.84 0.973.72kWp 2.5，由电机驱动，工作寿命为 15 年（设每年工作 300 天） ，两班制，工作平稳，转向不变。（1）选定齿轮的类型，精度等级，材料及齿数为直齿圆柱齿轮选七级精度选小齿轮的材料为 40Cr（调质）硬度为 280HBS，大齿轮为 45#钢（调质）硬度为 240HBS，二者的硬度差为 40HBS。选小齿轮的齿数为，大齿轮齿数为324Z 432.5 2460ZUZ（2）按齿面接触强度设计233112.32tEtdHkTZudu (3-8)定各值a.试选载荷系数 Kt=1.3b.计算小齿轮传递转矩 常州工学院毕业设计 1955514595.5 10/95.5 103.72/187.5N mm=1.895 10 N mmTPnc. 由机械设计10表 10-7 选取齿宽系数 1dd.由机械设计10表 10-6 查得材料的弹性影响系数12189.8MPaEZ e.由机械设计10图 10-21 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳极限，大齿轮 lim1600MPaHlim2550MPaHf.由机械设计10 式 10-13 计算应力循环次数8118826060 187.5 12 8 300 159.1 109.1 10 /2.53.24 10hNn jLN g.由机械设计10图 10-19 查得接触疲劳寿命系数120.95;0.97.HNHNKKh.计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计10式（10-12）得11220.95 600MPa=570MPa0.97 550MPa=533.5MPaHNHHNHKSKS计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值1tdHa. 小齿轮分度圆直径 b.计算圆周25333111.3 1.895 102.5 1 312.5533.581.69mmEtdHkTzudu 速度 V1 1 81.69 187.50.8m/s60 100060 1000d nVc.计算齿宽 b111 81.69mm=81.69mmdtbd d.计算齿宽与齿高之比 b/h模数 11/81.69/243.4mmttmdz单螺杆食品挤出机设计20齿高 2.252.25 3.47.66mmthm/81.69/7.6610.66bh e.计算载荷系数根据，7 级精度，由机械设计10图 10-8 查得动载荷系数；0.8m/sv 1.05vK 直齿轮，假设。由机械设计10书中表 10-3 查得/100N mAtk F b ；1.2HFKK由机械设计10表 10-2 查得使用系数；1AK 由机械设计10表 10-4 查得 7 级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，； (3-9)2231.120.18 1 0.60.23 10HddKb将数据代入后得：；2231.120.18 1 0.6 1 10.23 1081.691.427HK由，查机械设计10图 10-13 得；/10.66bh 1.54HK1.35FK故载荷系数1 1.12 1.2 1.4271.92AVHHKK K KK f.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由机械设计10式（10-10a）得 331/81.691.92/1.393mmttdk k g.计算模数 m/93/243.88mdz（3）按齿根弯曲强度设计 由机械设计10式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (3-10)13212FSdFY YKTmz确定公式内的各计算数值a.由机械设计10图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大1500MPaFE常州工学院毕业设计 21齿轮的弯曲疲劳强度极限；2380MPaFEb.由机械设计10图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数：120.92,0.94;FNFNKKc.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由机械设计10式（10-2）得1212220.92 500328.6MPa1.40.94 380255.14MPa1.4FNFEFFNFEFkSkSd.计算载荷系数 K1 1.15 1.2 1.351.8114AVFFKK K KK e.查取齿形系数由机械设计10表 10-4 查得。122.65,2.28FFYYf.查取应力校正系数由机械设计10表 10-5 可查得。121.58,1.73SSYYg.计算大、小齿轮的，并加以比较FSFY Y1152252.65 1.580.012743328.572.28 1.730.015459255.14FSFFSFYYYY大齿轮的数值大。h.设计计算（圆整为 3）5322 1.97 1.895 100.0154592.691 24m单螺杆食品挤出机设计2212111221281.6927.23(28)328 2.570(70)28 38470 32101472zzuzdmzdmzdda 取取小齿轮齿宽为 36，大齿轮选 36。3.3.3 计算输出轴上的小齿轮计算输出轴上的小齿轮已知输入功率为，小齿轮转速为 150r/min，齿数比为 2，13.72 0.973.5kWp 由电机驱动，工作寿命为 15 年（设每年工作 300 天） ，两班制，工作平稳，转向不变。（1）选定齿轮的类型，精度等级，材料及齿数为直齿圆柱齿轮选七级精度选小齿轮的材料为 40Cr（调质）硬度为 280HBS，大齿轮为 45#钢（调质）硬度为 240HBS，二者的硬度差为 40HBS。选小齿轮的齿数为，大齿轮齿数为326Z 432 2652ZUZ（2）按齿面接触强度设计233112.32tEtdHkTZudu ( 3-11)确定各值a.试选载荷系数 Kt=1.3b.计算小齿轮传递转矩 555145T95.5 10/95.5 103.5/150N mm=2.23 10 N mmpnc. 由机械设计10表 10-7 选取齿宽系数 1dd.由机械设计10表 10-6 查得材料的弹性影响系数12189.8MPaEZ e.由机械设计10图 10-21 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳极限，大齿轮lim1600MPaHlim2550MPaH常州工学院毕业设计 23f.由机械设计10 式 10-13 计算应力循环次数8118826060 150 12 8 300 156.48 106.48 10 /23.24 10hNn jLN g.由机械设计10图 10-19 查得接触疲劳寿命系数120.95;0.96.HNHNKKh.计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计10式（10-12）得1H12H20.95 600MPa=570MPa0.96 550MPa=528MPaHNHNKSKS计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值1tdHa. 小齿轮分度圆直径 225333111.3 1.895 102 1 31252885.4mmEtdHkTzudu b.计算圆周速度 V1 1 85.4 150=m/s=0.67m/s60 100060 1000d nVc.计算齿宽 b111 85.4mm=85.4mmdtbd Ad.计算齿宽与齿高之比 b/h模数 11/85.4/263.28ttmdz齿高 2.252.25 3.28mm=7.39mmthm/85.4/7.3911.56bh e.计算载荷系数根据，7 级精度，由机械设计10图 10-8 查得动载荷系数；0.8m/sv 1.18vK 单螺杆食品挤出机设计24直齿轮，假设。由机械设计10书中表 10-3 查得/100N mAtk F b ；1.2HFKK由机械设计10表 10-2 查得使用系数；1AK 由机械设计10表 10-4 查得 7 级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，；2231.120.18 1 0.60.23 10HddKb将数据代入后得：； (3-12)2231.120.18 1 0.6 1 10.23 1085.41.428HK由，查机械设计10图 10-13 得；/11.56bh 1.54HK1.65FK故载荷系数1 1.12 1.2 1.4281.92AVHHKK K KK f.按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由机械设计10式（10-10a）得 331/85.41.92/1.397.25mmttdk k g.计算模数 m/97.25/263.74mdz（3）按齿根弯曲强度设计由机械设计10式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： (3-13)13212FSdFY YKTmz确定公式内的各计算数值a 由机械设计10图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大1500MPaFE齿轮的弯曲疲劳强度极限；2380MPaFEb 由机械设计10图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数：120.93,0.95;FNFNKKc 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由机械设计10式（10-2）得常州工学院毕业设计 251212220.93 500332.14MPa1.40.95 380257.86MPa1.4FNFEFFNFEFkSkSd 计算载荷系数 K1 1.12 1.2 1.652.22AVFFKK K KK e 查取齿形系数由机械设计10表 10-4 查得。122.60,2.31FFYYf.查取应力校正系数由机械设计10表 10-5 可查得。121.595,1.71SSYYg.计算大、小齿轮的，并加以比较FSFY Y1152252.60 1.5950.012439332.142.31 1.710.01532257.86FSFFSFYYYY大齿轮的数值大。h.设计计算（圆整为 3）5322 2.22 2.23 100.015322.821 26m12111221297.2532.41(33)333 266(66)33 39966 3198148.52zzuzdmzdmzdda 取取小齿轮齿宽为 36，大齿轮选 36。另一对小齿轮齿数为 28，大齿轮齿数为 71，模数为 3。3.4 轴的计算轴的计算轴材料为 45#钢，调质处理，由表 15-3，取0112A 单螺杆食品挤出机设计26轴3.84kWP 4133min017.8 10 N mm3.8411222.57(25)468.8TpdAn圆整取轴500-12421.2 44.83.72 0.97kW=3.61kW,75r/min1.6kW0.23kW105187.4(0.6 7.8 10 )50.27MPa2290.2caAcapkpnpp33min023.7211230.3(30)187.5PdAn圆整取轴353.72 0.97kW=3.61kW,75r/minpn33min023.6111240.7(45)75PdAn圆整取轴由于轴是输出轴，理论上应该小于轴的直径，但实际中应至少不小轴的直径，所以也取最小直径为 45mm.3.5 带轮计算带轮计算已知电机的型号为 Y112-M，额定功率 P=4Kw，转速为 1440r/min，传动比为i=3.072，一天工作时间小于 10h。3.5.1 确定计算功率确定计算功率caP由机械设计10表 8-6 查得工作情况系数 1.2AK 1.2 44.8kWcaApkp3.5.2 选窄选窄 V 带带型带带型根据，n，由机械设计10图 8-9 选用 SPZ 型caP3.5.3 确定带轮的基准直径确定带轮的基准直径由机械设计10表 8-3 和表 8-7 取主动轮的基准直径180mmdd从动轮直径213.072 80mm=245.76mmdddi dA由表 8-7 取2250mmdd常州工学院毕业设计 27验算带的速度1 80 1440=m/s=6.032m/s35m/s60 100060 1000ddd nV3.5.4 确定窄确定窄 V 带的基准长度和中心距带的基准长度和中心距根据初步确定中心距121200.7()2()ddddddadd0a400mm1212200()2()24dddddddLadda21702 4033024 4001336.4mm 选取基准长度1300mmdL 计算实际中心距01300 1336400382mm22ddLLaa3.5.5 包角包角2112508018057.518057.5154.4120382ddddaa包角合适。 3.5.6 计算根数计算根数00()caaLPZPPKK由 n=1440r/min, ,由机械设计10表和得180mm,3.072ddi85c85d001.6kW0.23kWpp由机械设计10表 8-8 得，由机械设计10表 8-2 得0.93aK 0.96LK 4.82.938(3)(1.60.23) 0.93 0.96Z 圆整为Z=3 根3.6 轴的校核轴的校核校核的轴，直径为 30mm，上面有一个减速齿轮，采用平键联结。单螺杆食品挤出机设计28图 3-3轴上各点位置分析由上可知轴传给轴的转矩， （图 3-4g）47.8 10 N mmT 得 xz 平面内的弯矩（图 3-4e）max987 42 27535967N mm317ryF abMl Xy 平面内的弯矩（图 3-4c）max2713 42 27598849N mm317zFabMl根据弯曲公式，采用矢量合成方法，合成弯矩 M 为：（图 3-4f）2222maxmax3596298849105187.4N mmyzMMM（a）常州工学院毕业设计 29（b）（c）（d）（e）单螺杆食品挤出机设计30（f）（g）图 3-4 轴的载荷分析图由轴的弯扭合成强度条件得： (3-15)2222()()4()12caMTMTWWW式中轴的计算应力，单位 MPa；caM轴所受的弯矩， N.mm；T轴所受的扭矩， N.mm；W轴的抗弯截面系数， ；3mm对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。-1抗弯截面系数的计算 (截面如图 3-5 所示)。常州工学院毕业设计 31图 3-5轴截面图由公式32()322dbt dtWd得抗弯截面系数2338 4 84 302290.2mm322Wd取 0.6，得轴的计算应力为242105187.4(0.6 7.8 10 )50.27MPa2290.2ca已知轴为 45#钢，调质处理，由机械设计10表 5-1 查得=601MPa得，所以安全。ca-14 冷却装置冷却装置物料在挤压过程中得到的热量来源有两个：一个是机筒外部加热器供给的热量；另一个是物料与机筒内壁，物料与螺杆之间相对运动所产生的摩擦剪切热。前一部分热量由加热器的电能转化而来，后一部分热量由电动机输给螺杆的机械能转化而来。这两部分热量所占比例的大小与螺杆、机筒的结构形式、工艺条件、物料性质等有关，也与挤压过程的阶段（如启动阶段，稳定运转阶段）有关。另外，这两部分热量所占比例在挤压过程的不同区段也是不同的。单螺杆食品挤出机设计32在挤出机开车前，机筒的各段部位都需要加热来提高各段温度，达到生产工艺温度要求。但是，当挤出机工作一段时间后，由于有了机筒内物料被挤压、剪切和摩擦产生的热，这时机筒的外部热源就应降低一些。当为了提高产量提高螺杆转速时，则物料挤压、摩擦热量使机筒升温。当温度超过工艺限定的温度后，这时不仅要切断机筒外部供热电源，而且还要用导热介质带走一部分热量，及冷却，才能控制工艺温度的稳定，保证生产正常进行。需要冷却的部分有机筒、螺杆和加料斗机座。冷却的方法有风冷和水冷。风冷就是用风机吹机筒需要冷却的部分，通过空气带走这段机筒的热量。这种冷却方式对机筒的热冲击小，结构又简单，造价也不高，维护方便，目前应用的比较多。不足之处时冷却的速度慢一些。4.1 水冷水冷机筒用水冷却时，一般是在机筒的外圆缠紫铜管或在机筒外圆附有水套，然后通水冷却。这种冷却方法结构简单，冷却效果好。组成：一套水冷散热系统是由 散热器、水管及一个水泵组成 。原理：水冷散热器有一个进水口及出水口，散热器内部有多条水道，这样可以充分发挥水冷的优势，能带走更多的热量。这就是水冷散热器的基本原理。4.2 风冷风冷风冷就是用风机吹机筒需要冷却的部分，通过空气带走这段机筒的热量。这种冷却方式对机筒的热冲击小，结构又简单，造价也不高，维护方便，目前应用的比较多。 水冷散热与风冷散热其本质是相同的，只是液冷中利用循环液将CPU 的热量从水冷块中搬运到换热器上再散发出去，由于换热器的散热面积和散热环境远远要好于一般的风冷散热器，所以液冷的降温效果非常明显。本设计采用水冷。水冷有结构简单，冷却效果好等优点。5 设计总结设计总结本次毕业设计完成的是食品单螺杆挤出机的设计，从传动系统、挤出系统、加料系统、冷却和加热进行研究。此单螺杆挤出机是通过电机将动力传给带轮，经减速传给螺杆，为了满足变速范围的要求，采用的是普通电机进行变频无级调速，为了便于安装和拆卸，机筒才采用的是左右剖分式结构，分三段进行加热和冷却。通过电磁阀和传感器进行温度的控制和冷却水的进出，保证温度在所允许的范围内。得出的主要常州工学院毕业设计 33结论如下：（1）采用机械调速与变频调速相结合的
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