双螺杆挤出机挤压系统设计.doc

成都理工大学毕业设计 论文 1 双螺杆挤出机挤压系统设计 作者姓名 杨镜平 专业班级 2007060403 指导老师 付 维 摘要 挤出成型是塑料制件的重要成型方法之一 在塑料的成型生产中占有重要 的地位 大部分热塑性塑料都能用以挤出成型 管材 棒材 板材 薄膜 电 线电缆和异型材等均能采用挤出成型方法成型 随着聚合物加工业的发展 对 高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求 单螺杆挤出机 在某些方面就不能满足这些要求 例如 用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻 璃纤维增强改性等 混合分散效果就不理想 另外 单螺杆挤出机尤其不适合 粉状物料的加工 为了适应聚合物加工中混合工艺的要求 特别是硬聚氯乙烯 粉料的加工 双螺杆挤出机自 世纪 年代后期在意大利开发出来以后 经过半个多世纪的不断改进和完善 得到了很大的发展 在国外 目前双螺杆 挤出机已广泛应用于聚合物加工领域 已占全部挤出机总数的 硬聚氯 乙烯粒料 管材 异型材 板材几乎都是采用双螺杆挤出机加工成型的 作为 连续混合机 双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混 填充和增强改性 也 有用来进行反应挤出 近 年来 高分子材料共混和反应挤出技术的发展进 一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加 本文以啮合型平行异向旋转双螺 杆挤出机挤压系统为研究对象 通过对挤压系统的研究来进一步更深入的了解 挤出机挤压系统的构造及工作原理 关键词 双螺杆挤出机 挤压系统 螺杆 研究 设计 成都理工大学毕业设计 论文 2 Design of twin screw extruder Extrusion system Abstract Plastic extrusion parts one of the important forming methods in the plastic molding production occupies an important position Most thermoplastics can be used for extrusion tubing bars sheets film wire and cable and can be used such as profile extrusion molding method Along with the polymer processing industry s development proposed to the high polymer material formation and the mixing techniques are getting more and more and more and more high request the single screw rod extruding machine cannot satisfy these requests in certain aspects For example Carries on the packing modification with the single screw rod extruding machine and adds the absafil modifiedly and so on the mix dispersion effect is not ideal Moreover the single screw rod extruding machine does not suit the powdery material especially the processing In order to adapt in the polymer processing the mixing techniques request specially the hard polyvinyl chloride powder lot s processing the double screw rod extruding machine from the late 1930s developed after Italy passes through more than a half centuries unceasingly to improve and to consummate obtained the very big development In overseas at present the double screw rod extruding machine has widely applied in the polymer processing domain has accounted for the complete extruding machine total 40 The hard polyvinyl chloride aggregate the tubing the different molding the plate nearly use the double screw rod to squeeze out the machining formation As the continuous mixer the double screw rod extruding machine has widely used for to carry on the polymer blending the packing and the enhancement modification also useful carries on the response to squeeze out In the recent 20 years the high polymer material blending and the response squeezed out technical the development to further promote the double screw rod extruding machine quantity and type increase In this paper different mesh type parallel to the rotating twin screw extruder extrusion system for the study through systematic study of extrusion to further a better understanding of Extruder Extrusion System Construction and working principle Key words twin screw extruder extrusion system Screw research design 成都理工大学毕业设计 论文 3 目 录 第 1 章 引 言 4 1 1 双螺杆挤出机的发展 4 1 3 1 异向旋转平行双螺杆挤出机 6 1 3 2 异向旋转锥形双螺杆挤出机 7 第 2 章 设计相关理论及设计方案 9 2 1 双螺杆挤出机的相关理论 9 2 1 1 双螺杆挤出机的基本结构 9 2 1 2 双螺杆挤出机挤压系统的工作原理 10 2 1 3 双螺杆挤出机的分类 11 2 1 5 双螺杆挤出机的适用范围 13 2 2 啮合异向双螺杆几何学 15 2 2 1 啮合原理及端面曲线的形成 15 2 2 3 C 形腔室及其体积计算 20 2 3 双螺杆挤出机的类型和整体方案的选择 23 2 3 1 双螺杆挤出机的类型的选择 23 2 3 2 双螺杆挤出机整体方案的选择 24 第 3 章 双螺杆挤出机挤压系统零部件设计 25 3 1 螺杆设计 25 3 1 1 螺杆主要技术参数的确定 25 3 1 2 螺杆的分段 32 3 1 3 螺杆头部形状 33 3 1 4 整根螺杆的设计 34 3 1 5 螺杆材质的选择及日常维护 34 3 2 机筒设计 36 3 2 1 机筒的结构 36 3 2 2 机筒主要尺寸的确定 39 3 2 3 机筒的质量要求 39 第四章 螺杆强度校核 40 4 1 剪应力计算 41 4 2 压应力计算 43 4 3 合应力计算 44 结论 45 致谢 46 参考文献 47 成都理工大学毕业设计 论文 4 第第 1 1 章章 引引 言言 1 11 1 双螺杆挤出机的发展双螺杆挤出机的发展 随着聚合物加工业的发展 对高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多 和越来越高的要求 单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求 例如 用 单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等 混合分散效果就不理想 另外 单螺杆挤出机尤其不适合粉状物料的加工 为了适应聚合物加工中混合 工艺的要求 特别是硬聚氯乙烯粉料的加工 双螺杆挤出机自 世纪 年 代后期在意大利开发出来以后 经过半个多世纪的不断改进和完善 得到了很 大的发展 在国外 目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域 已占全 部挤出机总数的 硬聚氯乙烯粒料 管材 异型材 板材几乎都是采用 双螺杆挤出机加工成型的 作为连续混合机 双螺杆挤出机已广泛用来进行聚 合物共混 填充和增强改性 也有用来进行反应挤出 近 年来 高分子材 料共混和反应挤出技术的发展进一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加 近年来 随着工程塑料向高品质化 高性能化 低成本化方向发展 在世 界范围内出现了塑料制品的多样化 复合化 与之相对应的是需要开发具有适 宜的停留时间和高剪切力的高性能双螺杆挤出机 以适应多品种小批量塑料材 料改性等要求 并使制造工程合理化 实现小型机大容量生产的需要 双螺杆挤出机发展至今 已在聚合加工中居重要地位 而且大有应用越来越 广泛之势 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和发 展的 而在聚合物加工中真正应用的双螺杆挤出机是在 20 世纪 30 年代 首先 在意大利研制成功 Roberto colombo 研制成功了同向双螺杆挤出机 Pasquetti 研制成功了异向双螺杆挤出机 第二次世界大战前后 双螺杆挤出 机发展较快 现代双螺杆挤出机是在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初发展起来的 更准确地说 现代啮合异向双螺杆挤出机是随 RPVC 制品的发展而发展的 啮合 同向双螺杆挤出机则是在聚合物改性的推动下发展的 在双螺杆挤出机发展过程中 与单螺杆挤出机相比 遇到的一个问题就是 成都理工大学毕业设计 论文 2 对其输送机理和物料在螺杆中的输送 熔融 混合等的研究中遇到问题的复杂 性及困难 综观双螺杆挤出过程的研究 可以从总体上分为三部分内容 第一部分 也是最重要 最基本的 就是首先弄清单一中聚合物在挤出过程中物态的变化 规律 包括输送机理 固体输送 熔融 熔体输送 排气等的真实现象和规律 建立起物理模型和数学模型 用来知道双螺杆挤出机的设计和双螺杆挤出过程 的优化 第二部分 就是弄清两种或多种物料在双螺杆挤出过程中物态变化的 真实情况 以及混合过程中形态结构的变化 混合过程与最终得到的混合物混 合状态及各种性能的关系 这是发展改性聚合物所需要的 很明显 这后一部 分的研究内容是在第一部分研究内容的基础上进行的 第三部分是为适应将双 螺杆挤出机作为一种化学过程反应器的使用要求而提出的 就是要弄清楚在挤 出过程中要进行反应的各种组分 配方 的反应过程 最终生成物的反映程度 性能与螺杆构型和操作条件的内在联系 建立起物理模型 数学模型 用来指 导反应挤出 这一部分内容的研究 是在前两部分研究内容的基础上进行的 国内外双螺杆挤出过程的研究都涉及到上述三部分内容 尽管人们在研究中并 不一定意识到上述三部分内容间的关系 在啮合同向双螺杆挤出机的研究中 花了更多精力于挤出过程中的熔体输 送和混合 之所以把混合作研究重点 这是因为这种挤出机主要用于聚合物的 改性 在混合研究中 主要是实验研究 自然也把熔体输送段和熔融段结合在 一起 进行一些理论研究 至于挤出过程中的化学反应 即双螺杆反应挤出过程 目前已逐渐成为人 们关注的热点 这是因为 把双螺杆挤出机作为一种连续化学反应器 可以把对 材料的改性或合成与对聚合物的加工 成型为最终制品这些在传统上分开的操作 联合起来 因而具有很多优点 但这方面的研究也只是刚刚开始 正是双螺杆挤出理论研究的这一现状 不但影响了双螺杆挤出机的更快发 展 也限制了其应用水平的提高和应用范围的扩大 基于以上所述 人们已认识到加大对双螺杆挤出过程的实验 理论研究力 度的重要性 目前关于双螺杆挤出过程的研究在世界范围内已逐渐形成热点 各种可视化技术 在线检测 控制技术 离线检测技术不断出现 这必将对双 成都理工大学毕业设计 论文 3 螺杆挤出机的实验 理论的研究起到更大的推动作用 更精确的计算方法 先 进方便的计算机软件的出现 也会加快这一进程 另外 随着对啮合同向双螺杆挤出机要求的提高 已出现新一代高速大扭 矩双螺杆挤出机 螺杆转数高达 600 1200r min 这将大大促进新型螺杆元件 的研制和更优螺杆构型的出现 也会对传统系统 控制系统 螺杆 机筒的材 质提出更高的要求 更会促进挤出理论的发展 1 1 2 2 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别 物料的传送方式 在单螺杆挤出机中 物料传送是拖曳型的 固体输送段中为摩擦拖曳 熔 体输送段中为粘性拖曳 固体物料的摩擦性能和熔融物料的粘性决定了输送行 为 如有些物料摩擦性能不良 如果不解决喂料问题 则较难将物料喂入单螺 杆挤出机 所以颗粒状的原料适合单螺杆挤出机进料 而在双螺杆挤出机中 特别是啮合型双螺杆挤出机 物料的传送在某种程 度上是正向位移传送 正向位移的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的 相对螺槽的接近程度 紧密啮合异向旋转挤出机的螺杆几何形状能得到高度的 正向位移输送特性 形成了强制进料 粉末状的物料有利于挤压进料 研究人员对物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布已描述得相当明确 而 在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布情况相当复杂且难以描述 许多研究人 员只是不考虑啮合区的物料流动情况来分析物料的流动速度场 但这些分析结 果与实际情况相差很大 因为双螺杆挤出机的混合特性和总体行为主要取决于 发生在啮合区的漏流 然而啮合区中的流动情况相当复杂 双螺杆挤出机中物 料的复杂流谱 宏观上表现出单螺杆挤出机无法媲美的优点 例如 混合充分 热传递良好 熔融能力大 排气能力强及对物料温度控制良好等 生产工艺控制的差别 由于单螺杆挤出机与双螺杆挤出机在结构和工作原理上的差别 在 型材生产工艺控制上也有很大的差别 具体表现在 温度控制 单螺杆挤出机一般采用温度逐步升高的控制方法 物料在加料段应处于未 成都理工大学毕业设计 论文 4 熔化的固体状态以利于达到固体输送的能力 如果物料过早熔化会抱在加料段 的螺杆上与螺杆同步转动 阻止物料向前移动 形不成固体塞的输送能力 使 挤出机挤不出料 长时间会造成 的分解 从加料口到机头的温度分布如 表 所示 加料段 熔化段 均化段 机头体 口模 140 150 160 170 170 180 180 185 180 185 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机输送物料的机理不同 它是采用强制进料的 方法 物料一进入挤出机中便在通过两螺杆之间的径向间隙时 受到强 烈的剪切 搅拌和压延作用 很快塑化后 进入排气段排气 如果 物料 得不到很好的塑化 不但加大螺杆挤压的负荷 同时进入排气段时 粉状的 物料还会随空气一同排除 因此双螺杆挤出机的温度控制应为表 所示 螺杆转速控制 单螺杆挤出机 挤出速度和挤出机的螺杆转速有直接关系 螺杆转速提高 挤出速度加快 当然温度 模具的阻力 螺杆的塑化能力对挤出速度都有影响 单螺杆挤出机 挤出 型材的螺杆转速应在 因物料是直接通过料 斗加入到螺杆和料筒之间的 进料速度与螺杆的转速有直接关系 同时也与原 料形状 密度 表面物理性质有关 粉状的物料 密度小的物料 物料不光滑 流动阻力大的物料都会使进料速度变慢 有时还容易产生 架桥 阻止进料 单螺杆挤出机螺杆的转速直接影响挤出的压力 物料的塑化程度和转动螺杆电 机的负荷 综上所述 单螺杆挤出机的螺杆转速的确定 是根据物料的进料能力 塑 化能力 机头的阻力和电机的负荷来决定的 双螺杆挤出机 双螺杆挤出机进料方式是依靠两根螺杆的间隙挤压的强制进料方式 尤其 是常用于 型材挤出的锥型双螺杆挤出机 它与单螺杆挤出机的摩擦拖曳 成都理工大学毕业设计 论文 5 的固体输送有很大的区别 在双螺杆挤出机中往往采用限制或是定量加料的方 式 在进料口上方设有加料器 由加料器中的加料螺杆转速来控制物料进入挤 出机的量 实际上也控制了挤出型材的速度 而螺杆的转速更多的体现在塑化 能力的变化 速度加快 螺杆的塑化能力提高 但二者有密切的关系 加料速 度应与挤出机螺杆的转速相匹配 达到最好的塑化质量和形成适当的机头压力 用于 型材生产的锥型双螺杆挤出机螺杆的转速一般应控制在 转 分钟 加料器的螺杆转速应控制在使挤出机负荷在满负荷的 加料速度过快会造成电机负荷过大 对螺杆 电机都是损坏 加料速度过慢 使机头压力过低 不利于熔体的合模压实 产量也会相应降低 在双螺杆挤出机挤出 型材生产中 粉料容易挤压 塑化快 被经 常使用 而 颗粒料体积大 挤压困难 塑化慢并容易造成设备损害 需 要磨细后使用 配方要求的差异 由于单螺杆挤出机与双螺杆挤出机物料流动状态不同 物料在螺杆中所受 的剪切力不同 所经历的塑化时间 历程不同 因此对 体系的配方组成 要求也有所不同 物料在双螺杆挤出机中所受的剪切力远远大于在单螺杆挤出 机所受的剪切力 对 体系的内润滑要求高些 但在双螺杆挤出机中物料 的塑化时间短 塑化历程短 对 体系的热稳定性要求没有单螺杆挤出机 挤出塑化时间长 对热稳定剂稳定时间要求长 此外双螺杆挤出机塑化能力 物料塑化均匀度都远远大于单螺杆挤出机 双螺杆挤出机挤出制品的质量也比 单螺杆挤出机要高 主要表现在材料的拉伸强度 抗冲击强度以及焊角强度上 具体表现在单螺杆挤出机挤出 型材配方中所使用的热稳定剂 加工助剂 改性剂均比双螺杆挤出机 型材配方中所使用的要多些 1 1 3 3 双螺杆挤出机的结构与分类双螺杆挤出机的结构与分类 双螺杆挤出机由传动装置 加料装置 料筒和螺杆等几个部分组成 各部 件的作用与单螺杆挤出机相似 与单螺杆挤出机区别之处在于双螺杆挤出机中 有两根平行的螺杆置于同一的料筒中 双螺杆挤出机有许多种不同的形式 主要差别在于螺杆结构的不同 双螺 成都理工大学毕业设计 论文 6 杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多 这是因为双螺杆挤出机的螺 杆还有诸如旋转方向 啮合程度等等问题 常用于 型材挤出的双螺杆挤出机通常是紧密啮合且异向旋转的螺杆 少数也有使用同向旋转式双螺杆挤出的 但一般只能在低速下操作 约在 范围内 而高速啮合同向旋转式双螺杆挤出机用于混炼 排气 造粒或作为连续化学反应器使用 这类挤出机最大螺杆速度范围在 非啮合型挤出机与啮合型挤出机的输送机理大不 相同 比较接近于单螺杆挤出机的输送机理 二者有本质上的差别 1 3 11 3 1 异向旋转平行双螺杆挤出机异向旋转平行双螺杆挤出机 异向旋转双螺杆挤出机有许多种类型 可分为平行和锥形两大类 前者两 根螺杆的轴线互相平行 后者两根螺杆的轴线相交成一角度 目前流行的平行 异向双螺杆挤出机多为在啮合区纵横向都封闭 即共轭型的 锥形双螺杆挤出 机与啮合型平行异向双螺杆挤出机的工作机理基本相同 如果将其设计成啮合 区螺槽纵横向皆封闭的 则其输送能力和建压能力都很强 因其加料端两螺杆 轴线间有较大的空间 可以采用大的止推轴承和扭矩分配齿轮 从而能承受高 扭矩和高推力负荷 很适合硬聚氯乙烯类制品的挤出成型 鉴此 目前国内 PVC 制品挤出成型加工中大多采用锥形双螺轩挤出机 但当螺杆直径大到一定 程度时 锥形双螺杆挤出机需要大尺寸的止推轴承和扭矩分配齿轮 使得机器 结构过于庞火 因此大型设备多采用平行异向双螺杆挤出机 目前串联式轴承 的设计制造已不成为问题 因而锥形和平行双螺杆挤出机两者传动系统制造难 易的差异正在缩小 较突出的问题是锥形双螺轩机螺杆及机筒的加工制造难度 较大 且磨损较大 制造成本比平行机要高 因此目前螺杆直径在 55 80mm 范围内的异向双螺杆挤出机多采用锥形双螺杆机 而直径 80 以上者多采用平 行异向双螺杆机 直径 30 左右的平行异向双螺杆机 多用于实验室等场合 与单螺杆挤出机相比异向双螺杆挤出机具有很多优点 加料容易 由于双 螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料 因此可以加入粘度很高或很低的物料以 及带状料 糊状料 粉料等 物料在双螺杆挤出机中停留时间短 滞留时间 分布窄 因此双螺杆挤出机适于加工热敏性物料 优异的排气性能 这是啮 合型双螺轩的自洁功能使得物料在排气段获得完全的表面更新所致 优异的 成都理工大学毕业设计 论文 7 混合 塑化效果 低的比功耗 双螺杆挤出机的比功耗比单螺杆挤出机低百 分之三十左右 这使得双螺轩挤出机在节能 降耗方面具有明显的优势 在啮合型平行异向旋转双螺杆挤出机中 物料被封闭在绕每根螺杆的 C 型 小室中 作类似于齿轮泵中的正位移输送 异向双螺杆挤出机转速较低 物料 剪切发热量小 因此它对物料的热稳定性要求不高 可以在物料成刚满度范围 的下限进行操作 因此物料不容易分解 特别适用于热敏性物料 PVC 的成塑加 工 与同向双螺轩挤出机相比 异向双螺杆挤出机输送效率高 排气效果及熔 融效果好 对物料的分散混合效果较差 但建压能力强 因而可用来直接挤出 制品 另外异向双螺杆挤出机特别适于加工 PVC 粉料 可直接加入粉料而省去 造粒工序 使制品成本下降百分之二十左右 异向旋转双螺轩挤出机主要用于 挤出 PVC 管材 型材 板材和造粒 在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中 两根螺杆是对称的 由于回转方向不 同 一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵 不能形成 字型运动 在固体输送部分 物料是以近似的密闭 形小室的形态 向前输送 但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之 间留有一定的间隙量 以便使物料能够通过 物料通过两螺杆之间的径向间隙 时 受到强烈的剪切 搅拌和压延作用 因此 物料的塑化比较好 多用于加 工制品 由于两螺杆的径向间隙比较小 因此 有一定的自洁性能 但自洁性 比同向旋转的双螺杆要差 近几年来 异向旋转双螺杆挤出机在国内外得到了突飞猛进的发展 现在 国外异向双螺杆挤出机的研究重点为扩大其应用范围 提高其技术性能指标 提高整个机组的配套性和应用先进的测控系统 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 国内观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 目前 我国生产的异向旋转双螺轩挤出机多 为锥形双螺杆挤出机 平行异向双螺杆挤出机很少 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 成都理工大学毕业设计 论文 8 技术与装备的发展 1 3 21 3 2 异向旋转锥形双螺杆挤出机异向旋转锥形双螺杆挤出机 锥形双螺杆挤出机自 1967 年问世以来己经三十多年了 其螺杆基本结构先 后经历了三种形式 普通型 双锥型 高效双锥型 无论是哪一种形式的螺杆 在国内外螺杆设计皆处于经验设计阶段 由于 锥形双螺杆的锥度很小 在很短的螺杆长度上可以近似地认为异向平行双螺杆 故可利用平行双螺杆挤出机的计算公式近似计算 对于螺轩各段参数设计 也 仅给出经验设计取值范围 对于防止螺杆咬合 也只给出了定性的方案 增大两 螺杆间的侧隙 纵观国内生产锥形双螺杆挤出机不难发现这样一个事实 绝大 多数制造厂家的产品主要靠测绘国外样机 就国内锥形双螺杆挤出机整体水平而言 技术水平仍然比较低 挤出量低 塑化不充分 能耗大 故障率较高 一些企业已经开始对原有相对较为落后的 机型进行技术改造 将普通型锥形式双螺杆更新为高效双锥型 在锥形双螺杆 挤出机的应用领域研究方面也有所突破 北京化工大学己成功地将它用于炸药 电炭 电极材料的挤出成型 本文看到我国在异向旋转平行双螺杆挤出机发展的不足 故以其为研究对 象 通过对挤压系统的设计来进一步更深入的了解挤出机挤压系统的构造及工 作原理 成都理工大学毕业设计 论文 9 第第 2 2 章章 设计相关理论及设计方案设计相关理论及设计方案 2 12 1 双螺杆挤出机的相关理论双螺杆挤出机的相关理论 2 1 12 1 1 双螺杆挤出机的基本结构双螺杆挤出机的基本结构 在实际应用中 双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务 这就是所谓的双螺杆挤出机组 双螺杆挤出机在机组中称为主机 它是双螺杆 挤出机组的核心组成部分 从总体组成上看 双螺杆挤出机和单螺杆挤出机差 不多 由传动系统 挤压系统 加热冷却系统 控制系统等组成 如图 2 1 为 啮合异向双螺杆挤出机结构 1 压力传感器 2 多级 可控温及无级调速的双螺杆 3 排气装置 4 保护螺筒的不锈钢 夹套 5 安全装置 6 加料料斗的电子料位控制装置 7 不锈钢加料料斗 8 蜗杆计量装置 9 多驱动传动系统 10 止推轴承的 2 级报警装置 11 异步电机 12 螺筒温控装置 13 用于排 气的双重不锈钢过滤器 14 排气真空泵 15 螺杆温度控制装置 16 可承受高负荷的止推轴 承 17 带有过滤器和热交换器的油循环泵 18 控制柜 图 2 1 啮合异向双螺杆挤出机 1 挤出系统 主要由螺杆和料筒组成 是挤出机的心脏 完成对塑料的 塑化和挤出工作 塑料经过挤出系统塑化成均匀的熔体 并在挤出过程中所建 立的压力下 连续 定量 定压 定温通过挤出机头 2 传动系统 传动系统的作用是驱动螺杆旋转 保证螺杆在工作过程中 成都理工大学毕业设计 论文 10 所需要的扭矩和转速 它由各种大小齿轮 传动轴 轴承及电动机组成 3 加热冷却系统 其作用是对料筒 或螺杆 进行加热和冷却 以保证 成型过程在工艺要求的温度范围内进行 4 控制系统 它主要由电器 仪表和执行机构组成 其作用是调节控制 螺杆的转速 机筒温度 机头压力等 2 1 22 1 2 双螺杆挤出机挤压系统的工作原理双螺杆挤出机挤压系统的工作原理 塑料挤出成型是在挤出机中通过加热 加压而使塑料以及熔融流动状态连 续通过口模成型的方法 或简称为挤塑 挤出成型是聚合物加工中出现较早的 一门技术 在 19 世纪初已有使用 其挤出成型过程为 将颗粒状或粉状的固体物 料加入到挤出机的料斗中 挤出机的料筒外面有加热器 通过热传导将加热器产 生的热量传给料筒内的物料 温度上升 达到熔融温度 机器运转 料筒内的螺杆 转动 将物料向前输送 物料在运动过程中与料筒 螺杆以及物料与物料之间相 互摩擦 剪切 产生大量的热 与热传导共同作用使加入的物料不断熔融 熔融的 物料被连续 稳定地输送到具有一定形状的机头 或称口模 中 通过口模后 处 于流动状态的物料取近似口型的形状 再进入冷却定型装置 使物料一面固化 一 面保持既定的形状 在牵引装置的作用下 使制品连续地前进 并获得最终的制品 尺寸 最后永切割的方法截断制品 以便储存和运输 2 双螺杆挤出机的挤压系统是由两根啮合或非啮合 整体式或组合式 同向 回转或异向旋转的螺杆和整体式或组合式的料筒所组成 物料进入加料斗 经 过螺杆到达口模 在此过程中 物料的运动情况 受到的混炼情况与螺杆是否 啮合 是同向回转还是异向旋转 螺杆区段的形状和尺寸等因素关系密切 异向旋转啮合型双螺杆中 两根螺杆是对称的 由于两根螺杆回转方向不 同 物料不能形成螺旋 运动 而是在螺纹推动下通过各部分的间隙做圆周运 动 同时朝口模方向运动 物料通过两根螺杆之间的径向间隙时所受的剪切搅 拌作用最强 另外在螺纹外径和料筒壁形成的间隙中以及两根螺杆螺棱的侧隙 间都有漏流发生 反向回转的双螺杆在一根螺杆的外径和另一根螺杆的根径之 间必须留出一定的间隙 而不能完全靠公差来保证 以便让物料通过 这种双 螺杆的自洁性能较差 但剪切强烈 塑化好 因此较多用于加工制品 成都理工大学毕业设计 论文 11 2 1 32 1 3 双螺杆挤出机的分类双螺杆挤出机的分类 双螺杆挤出机的分类方法很多 如 Erdmenger Farrizo Martelli 及 Chris Rauwendaal 等人都提出了自己的分类方法 这些分类方法各有异同 归 纳起来 通常可按以下方法分类 1 啮合与非啮合型双螺杆挤出机 非啮合双螺杆挤出机的几何特点是其两根螺杆轴线分开的距离 I 至少等于 两根螺杆外半径之和 即 I R1 R2 又叫外径接触式或相切式双螺杆挤出机 根据啮合程度的不同 又分为全啮合型和部分啮合型 或不完全啮合型 所谓全啮合型是指在一根螺杆的螺棱顶部与另一根螺杆螺槽根部之间不留任何 间隙 所谓部分啮合 是指一根螺杆的螺棱顶部与另一根螺杆螺槽根部之间在 几何上留有间隙 2 按啮合区是开放还是封闭分 开放和封闭是指在啮合区的螺槽中 物料是否有沿着螺槽或横过螺槽的可 能通道 据此可分纵向开放或封闭 横向开放或封闭等几种情况 如果物料自加料区到螺杆末端有输送通道 物料可由一根螺杆流到另一根 螺杆 即沿着螺槽有流动 则叫纵向开放 图 2 2 反之则叫纵向封闭 纵 向封闭意味着两根螺杆上各自形成若干个相互不通的腔室 一根螺杆的螺槽完 全被另一根螺杆的螺棱所堵死 两根螺杆间无物料交换 图 2 3 图 2 2 纵横向开放 成都理工大学毕业设计 论文 12 图 2 3 纵横向封闭 在两根螺杆的啮合区 若横过螺棱物料有通道 即物料可以从同一根螺杆 的一个螺槽流向相邻的另一个螺槽 或一根螺杆一个螺槽中的物料可流到另一 根螺杆的相邻两个螺槽中 叫横向开放 图 2 2 否则叫横向封闭 图 2 3 3 按两螺杆的旋转方向分 据此可分为同向旋转和异向旋转双螺杆挤出机 前者旋转方向相同 后者 旋转方向相反 4 按两螺杆轴线相交还是平行分 若两螺杆轴线平行 叫平行双螺杆 亦叫圆柱形双螺杆 若两螺杆的轴线 相交 叫锥形双螺杆 常用的双螺杆挤出机既有啮合的 也有非啮合的 有异向旋转的 也有同 向旋转的 有平行双螺杆 也有锥形双螺杆 2 1 4双螺杆挤出机的主要参数双螺杆挤出机的主要参数 双螺杆挤出机的主要技术参数是用以表征双螺杆挤出机主要技术特征的定 量化指标 像单螺杆挤出机一样 它包括螺杆直径 螺杆长径比 螺杆转数范 围 产量 挤出机的驱动功率和加热功率等 不同于单螺杆挤出机的是 有的 双螺杆挤出机还要标明每根螺杆可承受的最大扭矩 设计机头压力和推力轴承 的寿命等 下面将逐个进行讨论 成都理工大学毕业设计 论文 13 螺杆公称直径 螺杆公称直径是指螺杆外径 单位为 对于变直 径 或锥形 螺杆而言 螺杆直径是一个变值 一般用最小直径和最大直径表 示如 双螺杆的直径越大 表征机器的加工能力越大 螺杆的长径比 螺杆的长径比是指螺杆的有效长度与外径之比 一般 整体式双螺杆挤出机的长径比是在 之间 对于组合式双螺杆挤出机 长径比是可变的 从发展看 长径比有逐步加大的趋势 螺杆的转向 螺杆的转向有同向和异向之分 一般同向旋转的双螺杆 挤出机多用于混料 异向旋转的挤出机多用于挤出制品 螺杆的转速范围 螺杆的转速范围是指螺杆的最低转速到最高转速 允许值 间的范围 同向旋转的双螺杆挤出机可以高速旋转 异向旋转的挤 出机一般转速仅在 驱动功率 驱动功率是指驱动螺杆的电动机功率 单位为 产量 产量指每小时物料的挤出量 单位为 2 1 52 1 5 双螺杆挤出机的适用范围双螺杆挤出机的适用范围 1 啮合同向旋转双螺杆挤出机 啮合同向旋转双螺杆挤出机是双螺杆挤出机的一大类 从几何上 在啮合 区螺槽在横向是封闭的 也可以是开放的 但纵向不能封闭 否则会发生干涉 即必须将螺槽宽度设计得大于螺棱宽度 以保证纵向开放 目前国内外 尤其是国内 广泛使用的啮合同向双螺杆挤出机 其螺纹形 状多是根据相对运动原理指导出来的 这种螺杆的螺棱比螺槽窄很多 横向封 密 纵向开放 有大的通道 一根螺杆中的物料可以顺畅地流到另一根螺杆中 而沿螺旋 形流道向前输送 它属全啮合 但非共轭 螺棱对螺槽的密封性很 成都理工大学毕业设计 论文 14 差 很容易发生物料回流 从输送机理上看 它兼有摩擦拖曳输送和正位移输 送 纵向开放得越大 正位移输送能力丧失越多 摩擦拖曳和粘性拖曳的作用 越大 目前流行的同向双螺杆挤出机主要用于聚合物的改性 如共混 填充 增 强和反应挤出等混合作业 而不能用于挤出制品 但是 如果将两螺杆的螺纹 形状设计成共轭的 但螺棱比螺槽窄 则其输送能力较好 但只能在低速 10 20r min 工作 因其啮合区会产生高的压力 该压力随转数提高而增大 会导致螺杆机筒磨损 这种双螺杆挤出机叫低速双螺杆挤出机 目前我国生 产不多 2 啮合异向旋转双螺杆挤出机 这是双螺杆挤出机的另一大类 它包括平行的和锥形的两种 前者从几何上看它又可以设计成两种 低速运转型和高速运转型 低速运 转型主要用来加工 RPVC 造粒或挤出型材 其只能在低速 10 50r min 运 转 高速运转型主要用于混合 制备高填充物料 高分子合金 反应挤出等 起工作转数可达 200 300r min 我国已引进若干台这种挤出机来生产色母料 锥形双螺杆挤出机的工作机理与啮合平行异向双螺杆挤出机基本相同 如 果将其设计成啮合区螺槽纵横向皆封闭 其为正位移输送 输送能力和压力建 立能力皆很强 主要用于 RPVC 制品如管 板以及异型材的加工 如果将径向间 隙和侧间隙取得较大 则会丧失一部分正位移输送能力 但会加大混合作用 可用于混合造粒 3 非啮合双螺杆挤出机 非啮合双螺杆挤出机是双螺杆挤出机的另一大类 这类双螺杆挤出机不是 靠正位移输送物料 其输送机理类似于单螺杆挤出机 物料对金属的摩擦系数 和粘性力是控制输送量的主要因素 它的混合能力优于单螺杆挤出机 后者的 混合速率是线性的 而这种双螺杆挤出机的混合速率是指数性的 它有良好的 分布混合能力 但其分散混合能力有限 它有良好的加料能力 但由于在两螺 杆相切处的机筒纵向有一开口 故影响其压力建立能力 它有优异的脱挥发份 能力 成都理工大学毕业设计 论文 15 这种挤出机主要用于混合作业 进行共混 填充和玻纤增强 玻纤不会破 碎得太厉害 因其分布混合性能好 且螺杆长径比可作得很大 故可延长物料 在螺杆中的停留时间 进行反应的自由体积大 因而可用于反应挤出 但由于 其压力建立能力低 不能用来挤出制品 3 2 22 2 啮合异向双螺杆几何学啮合异向双螺杆几何学 2 2 12 2 1 啮合原理及端面曲线的形成啮合原理及端面曲线的形成 图 2 4 啮合异向双螺杆运动原理 常规全啮合异向双螺杆由两根几何结构完全相同 并以相同转速异向旋转 的 螺杆构成 从运动原理上看 同向旋转双螺杆与异向旋转双螺杆是不同的 图 2 4 表示异向旋转双螺杆的运动原理 设正常啮合时两螺杆旋转速度为 左 螺杆逆时针旋转 右螺杆顺时针旋转 圆盘 1 表示左螺杆的轴截面 圆盘 2 为 右螺杆的轴截面 为研究螺杆端面曲线的形成过程 现设圆盘 1 固定 另一半 径为的圆盘 2 绕半径为 AM1 的基圆滚过 由相对运动原理可知 圆盘 2 绕 2 AM M1 以逆时针旋转并绕 M2 以 2自转 如果圆盘 2 上弧为螺纹顶 则 4321 PPPP 这段弧上的点就描绘出从盘 1 切去表面积 F 后的摆线族 切去表面积的形状与 垂直于回转轴线的螺槽横切面积一样 令这种切去一块表面积的薄圆盘沿轴线 成都理工大学毕业设计 论文 16 方向作向前向后转动 就产生出正导程和负导程的螺旋 其螺旋侧面是由摆线 族切出的一系列横切面形成的 螺旋侧面上的每一点将被另一根螺杆扫过 两 根螺杆类似于一对啮合的齿轮而相互滚过 2 2 2 端面曲线方程 图 2 5 啮合异向双螺杆端面曲线的形成过程 图 2 5 为啮合异向双螺杆端面曲线的形成过程示意图 螺杆 A B 外半径 为 RS 螺杆中心距为 OO1 CL 螺杆 A 做逆时针匀速转动 螺杆 B 做顺时针匀速转 动 角速度为 PQ 为外径 RS上的螺棱 为螺杆螺棱顶角 设螺杆 A 静止 由相对运动原理可知 螺杆 B 将绕 O 以 旋转且绕 O1以 2自转 于是 P Q 两点的轨迹方程可由下式描述 式中 t 为时间参量 2 1 2 1 2coscostRtCx SLp 2 2 2 1 2sinsintRtCy SLp 2 3 2 1 2coscostRtCx SLQ 2 4 2 1 2sinsintRtCy SLQ 式中 螺杆中心距 L C bSL RRC 螺杆转速 螺杆外径 S R 成都理工大学毕业设计 论文 17 螺杆螺棱顶角 上式描述的是 P Q 两点的轨迹是两条摆线 P1 Q1为他们与 A 内圆的交点 P2 Q2为它们与 A 外圆的交点 P2P1Q1Q2是弧在 A 上的啮合区 P2 P1 O 三 PQ 点在同一直线上 Q2 Q1 O 三点在另一直线上 且 2 5 QPOOOP 122 由啮合原理知 螺棱底面和顶面仍由圆弧组成 而螺棱侧面曲线是由摆线 组成 且螺棱侧面角为零 设螺杆螺纹头数为 m 螺杆 A 的螺纹顶角为 则 有 2 6 2 mm 为使两螺杆有相同结构 应使 所以 这反映了紧密啮合 m 型异向双螺杆顶角与螺纹头数 m 之间的关系 这和同向双螺杆不同 和 m 与中心距 CL 无关 这给啮合异向双螺杆挤出机螺杆设计以很大的选择空间 有了上面的讨论 可以由式 4 导出不同螺纹头数的螺杆端面曲线的数学模 型 下面就分别给出螺纹头数为 1 2 和 3 时的螺杆理论端面曲线的形状及其方 程 1 单头螺纹 m 1 啮合异向双螺杆在螺纹头数 m 1 时的理论端面曲线形状如图 4 一 3 所示 螺杆 端面曲线由半圆 AB 段 摆线 BC 段 半圆 CD 段以及摆线 DA 段组成 建立 如图 2 5 所示的坐标系 可得其曲线方程为 AB 段 2 7 2 2 sin cos t tRy tRx b b BC 段 2 8 sL sL sL RCt tRtCy tRtCx 2 arccos2 2 2 2sin sin 2 2cos cos CD 段 2 9 2 3 2 sin cos t tRy tRx s s 成都理工大学毕业设计 论文 18 DA 段 2 10 2 3 2 arccos2 3 2 32sin sin 2 32cos cos sL sL sL RCt tRtCy tRtCx 式中 CL 螺杆中心距 CL RS Rb 螺杆转速 RS 螺杆外径 Rb 螺杆内径 t 相对运动时的时间参数 图 2 6 单头啮合异向双螺杆理论端面曲线 2 双头螺纹 m 2 啮合异向双螺杆在螺纹头数 m 2 时的理论端面曲线形状如图 4 4 所示 螺 棱头角 螺杆端面曲线由八段圆弧组成 建立如图 2 6 所示的坐标系 2 可得八段圆弧的方程为 第 1 5 段 2 11 4 5 4 3 4 4 sin cos tt tRy tRx b b 第 3 7 段 2 12 4 7 4 5 4 3 4 sin cos tt tRy tRx s s 第 2 段 2 13 sL sL sL RCt tRtCy tRtCx 2 arccos4 7 4 7 4 72sin sin 4 72cos cos 成都理工大学毕业设计 论文 19 第 4 段 2 14 4 5 2 arccos4 5 4 52sin sin 4 52cos cos sL sL sL RCt tRtCy tRtCx 第 6 段 2 15 sL sL sL RCt tRtCy tRtCx 2 arccos4 3 4 3 4 32sin sin 4 32cos cos 第 8 段 2 16 4 2 arccos4 4 2sin sin 4 2cos cos sL sL sL RCt tRtCy tRtCx 图 2 7 双头啮合异向双螺杆理论端面曲线 3 三头螺纹 m 3 图 2 8 三头啮合异向双螺杆理论端面曲线 在啮合同向双螺杆螺纹头数为 3 时 螺槽深度变得相对较小 使得螺槽体 积也相对较小 三头螺纹的输送量受到了限制 对于啮合异向旋转双螺杆 其 成都理工大学毕业设计 论文 20 螺纹顶角不受中心距的限制 使得三头螺纹元件的使用较为普遍 图 2 8 给出 了啮合异向双螺杆在 m 3 时的理论端面曲线 端面曲线由 12 段曲线弧构成 包 括 6 条圆弧和 6 条摆线 在螺杆同速异向旋转的过程中 两根螺杆相互啮合的转过 一根螺杆上的 一点跟另一根螺杆上的一点接触 物料被强制的向前推进 物料的停留时间较 短 有了啮合异向双螺杆端面曲线 的数学模型 可以通过计算机编程自动绘出 螺杆端面曲线 通过动态观察两根螺杆的啮合情况 可以检查螺杆啮合过程中 有无干涉 另一方面 螺杆加工刀具的选择是依照螺杆端面形状 法线和轴线 截面形状来确定 将螺杆端面曲线做螺旋运动就可以得到螺旋面方程 设螺纹 导程为 T 为端面曲线上点 x y 绕 z 轴 与螺杆中心线同向 的螺旋角 则得 到螺杆的三维旋转面 u v z 方程为 2 17 2 cossin sincos T z yxv yxu 由端面曲线的数学模型和上式即可得到整个螺杆的三维立体模型 2 2 32 2 3 C C 形腔室及其体积计算形腔室及其体积计算 对于紧密啮合纵横向皆封闭的啮合异向双螺杆 其螺棱宽等于螺槽宽 一 根螺杆的螺棱将另一根螺杆的螺槽分割成多个独立封闭的 C 型腔室 见图 2 9 螺杆每转一周 这些 C 型腔室向前移动一个导程 T 这种双螺杆有很强的正 位移输送能力 输送机理类似于螺杆泵 在分析平行轴全啮合异向双螺杆的输 送过程时 C 型腔室的体积计算非常重要 下面就推导其体积计算公式 成都理工大学毕业设计 论文 21 图 2 9 C 形小室 一个导程 T 上有 m 个 C 型腔室 这 m 个 C 型腔室的体积就是这段导程上空 料筒的体积减去这段导程上螺杆的体积 螺杆的体积就是螺杆根径所构成的圆 柱体的体积加上螺棱的体积 为了计算的方便 这里引入啮合区角 2 即啮合 区对应的中心角 如图 2 10 所示 半个空料筒在垂直螺杆轴线的截面内的面 积 S1等于扇形的面积 S2加上的面积 S3 由图知 AOB 图 2 10 啮合区角 2 2 22 3 HRHRROCACS SSS 2 18 4 2 2 H HRHR SS 故 2 19 4 2 2 2 1 H HRHRRS SSS 一个导程 T 上半个料筒的体积为 2 20 T H HRHRRTSV SSS 4 2 2 2 11 式中 啮合区半角 螺杆外径 S R H 螺杆螺槽深度 T 螺杆导程 对于啮合区角 由知 即 AOC 2 4 tan 2 HR HHR OC AC S S 成都理工大学毕业设计 论文 22 2 21 2 4 ta