反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计

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 反向旋转型双螺杆挤压机反向旋转型双螺杆挤压机 及传动系统的设计及传动系统的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号 0923184 学生姓名 徐志强 指导教师 戴宁 职称 副教授 职称 II 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 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 反向旋转型 双螺杆挤压机及传动系统的设计 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 0923184 作者姓名 2013 年 5 月 25 日 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 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 2 专题 二 课题来源及选题依据二 课题来源及选题依据 双螺杆挤压机是为解决单螺杆挤压机的局限性而发展起来的 与单螺杆挤压机相比 双螺杆挤压机更容易加入带状料 分料及玻 璃纤维等物料 物料在机筒内停留时间短 塑化混合效果优良 双 螺杆挤压机在我国的使用非常普遍 因此对双螺杆挤压机的进一步 研究对我国的经济发展有着极其重要的意义 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 熟悉反向旋转型双螺杆挤压机的发展历程 特别是近十几年来的 发展 熟悉掌握反向旋转型双螺杆挤压机的工作原理 熟练反向旋转型双螺杆挤压机传动箱的设计方法 熟练绘制挤压机及传动系统总装图 部件图和零件图 能够熟练使用 AUTO CAD II 四 接受任务学生 四 接受任务学生 机械 94 班班 姓名姓名 徐志强 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 本文先分析了挤压机的市场需求和生产现状 并初步探讨了挤压机生产食品的工艺 可行性 提出了用双螺杆挤压机生产食品的工艺流程 在现有挤压机的基础上 并参考 了国内外比较成熟的挤压机设计方法 根据各种食品的特性和生产食品的特殊工艺要求 对挤压机的关键部位进行了相应的设计 本文详细的介绍了挤压机的主要零部件传动箱 传动系统 机筒等的结构设计 并进行了相应的校核计算 对主要传动零部件如传动箱 大小齿轮 带轮 从动轴 键等进行了设计和强度校核 并对轴承承载能力进行了校核 计算 本文还涉及了挤压机一些辅助元件如加料系统 加热冷却装置 模头的选择要求 并 进行了简单的设计 最后 本文介绍了一些关于挤压机的安装 操作 控制和维护等方 面的内容 关键词关键词 传动系统 挤压混炼 反向旋转双螺杆挤压机 IV V Abstract In this page the market need of the extrusion press and the condition of the production is analyzed first And from theoretically we studied the technique possibility to produce the foods We expounded the specialty and working elements of the twin screw extruder and pointed working flow to produce the foods with twin screw extruder In the base of the extruders in existence we referenced the mature means of extruder design in our country and abroad and based the characteristic of foods and the special working craftwork requires then we designed the key structure of extruder In this text we introduced the structure design of extruder in detail particular to the major parts assignment tank screw barrel and systems analysis and calculating To those important transmission parts the big gear and the small gears in assignment tank strip wheel driving spindle key we made a design and check the intensity And we calculate and check the carrying capacity of the bearing particularly We also refer to the choosing requirements of the accessories heating and cooling system die knife equipment and made a simple design In the end of the text the installing operation controlling and repairing of the extruder were also introduced Key words The transmission system extrusion mixing and shaping Counter rotation twin screw extruder V 目目 录录 摘 要 III ABSTRACT IV 目 录 V 1 绪论 1 1 1 挤压机技术应用及分析 1 1 2 国内外生产现状 1 1 2 1 国内发展 1 1 2 2 国际上主要有以下方面 1 1 3 挤压机生产食品的可行性分析 2 1 4 挤压技术在口香糖加工中的应用 2 1 4 1 口香糖的市场需求 2 1 4 2 口香糖的加工工艺 2 1 4 3 挤压机生产口香糖的可行性 4 2 食品挤压机挤压设备简介 6 2 1 双螺杆挤压机的工作原理 6 2 1 1 挤压原理 6 2 1 2 挤压加工系统 7 2 2 总体结构设计 7 3 双螺杆挤压机挤压设备设计 8 3 1 传动系统的设计及计算 8 3 1 1 传动系统设计 8 3 1 2 电动机的选用 8 3 1 3 传动比分配 8 3 1 4 主要传动零部件设计计算和校核 9 3 2 辅助零部件设计计算 20 3 2 1 加料系统设计计算 20 3 2 2 加热与冷却系统的设计 22 3 2 3 润滑油的选用 24 4 挤压加工系统的安装 操作与维护 25 4 1 挤压加工系统的安装 25 4 1 1 挤压机的安装基础 25 4 1 2 调整挤压机水平 25 4 1 3 机筒的安装 25 4 1 4 螺秆的装拆 25 4 1 5 模头的安装 25 4 2 挤压加工系统的操作 25 4 2 1 挤压机的开车 25 VI 4 2 2 开车操作注意事项 25 4 3 挤压机的维护保养 25 4 3 1 螺杆的保养 25 4 3 2 机筒的保养 25 4 3 3 挤压机其它部分的保养 26 4 4 设计中的几个问题 26 5 总结与展望 27 5 1 总结 27 5 2 展望 27 致 谢 28 参考文献 29 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 1 1 1 绪论绪论 1 1 挤压机技术应用及分析挤压机技术应用及分析 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 谷物食品的传统加工工艺一般需经粉碎 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 采用挤压技术来加工谷物食品 在原料经初步粉碎和混合后 即可 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 这些产品再经油炸 也可不经油炸 烘干 调味后即可 上市销售 只要简单地更换挤压模具 便可以很方便地改变产品的造型 与传统生产工 艺相比 挤压加工极大地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 提高了产品质量 1 2 国内外生产现状国内外生产现状 1 2 1 国内发展国内发展 从主机及其塑料制品区分 中国可以制造的挤出机包括单螺杆挤出机 适合于加工各 种材料及各种结构的板 片 膜 丝 棒等产品 平行异向旋转双螺杆挤出机和锥形异 向旋转双螺杆挤出机 适于加工温度敏感性材料 如 PVC 板 管 异型材等 平行同向 旋转双螺杆挤出机 适于原料共混 填充 脱挥 改性 造料 增加一定装置如熔体泵 可用于直接成型 适于高填充料生产的磨盘挤出机 往复螺杆挤出机等 在我国的塑料加工中 几乎一半的塑料都是由挤出成型来完成的 在常规但螺旋挤出 机组的性能方面 我国已能生产螺杆直径为 12 250 的多种规格 门类齐全的挤出机组长 径比大多为 25 30 在特种挤出机的研究领域 经我国广大科技工作者的努力已经研制 出排气挤出机 电磁动态塑化挤出机 串联式磨盘动态挤出机 等多种型号 目前已进 入系列的研发阶段 1 2 2 国际上主要有以下方面国际上主要有以下方面 新型挤出混炼技术与设备的开发 大口径管材挤出的导向平行双螺杆机出组 钢塑复合管挤出机组和大型双壁波 纹管挤出成型机组的开发研究 符合挤出成型和设备的开发研究 CAD CAM CAE 技术在塑料工业中的研究 在线检测机自动控制技术应用 可以预测 未来挤出成型技术的发展方向是 高速 高产化 大型化和精 密化 实现挤出成型设备的大型化可以降低生产成本 模块化和专业化 模 块化生产可以缩短新产品的研发周期 争取更大的市场份额 而专业化生产对 保证整期质量 降低成本 加速资金周转都非常有利 智能化和网络化 发 达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术 这对保证工艺条件的 稳定 提高产品的精度都极为有利 高效 多功能化 塑料挤出机的高效主 要体现在高产出 低能耗 低制造成本方面 无锡太湖学院学士学位论文 2 1 3 挤压机生产食品的可行性分析挤压机生产食品的可行性分析 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 挤压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 使胶基和各种调味料 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 生产出的食品 的口感 香味的持久力都比传统的加工方法好 总的来说 用挤压法生产是现今的发展趋势 并且 传统的加工方法很快也会被挤压法所取代 1 4 挤压技术在口香糖加工中的应用挤压技术在口香糖加工中的应用 1 4 1 口香糖的市场需求口香糖的市场需求 口香糖是一种胶基糖 Chewing gum 以白沙糖为主料 配以可食用的天蓝树胶和热 塑性树脂等胶基制成的可咀嚼的休闲糖果 口香糖是一种目前国际上流行的低热值食品 被人们誉为 美容糖果 通过不断的咀嚼 可消除口臭 加快口腔内血液流动 预防口腔 感染 使面部肌肉增加弹性 不易产生皱纹等效用 因此很受人们的青睐 研究显示 中国糖果市场正向品味多样化方向发展 糖果的功能的多样化也是影响 商家经营运作的关键所在 糖果正在改变着只提供热量的单一功能 朝着具有营养保健 作用的方向发展 口香糖也是如此 而且当前国内市场空白点还有很多 尤其是无糖领 域 需求量日益扩大 利润空间广阔 由于我国人口众多 同时随着人民生活水平和生 产质量日益提高 人们的消费水平也得到了极大的提高 所以口香糖的发展正朝着多功 能的方向发展 目前市场出现的无糖木糖醇口香糖需求量正在不断的加大 近年来 中国的口香糖市场以每年百分之十的速度增长 目前的市场规模已超过二 十亿元 在乐天进入中国之前 市场上只有口味型口香糖 但我们把功能型口香糖引入 中国 事实证明随着生活水平的提高 人们对于口香糖的要求也在逐渐变化 消费者把 注意力从追求口味的多样化转移到了健齿防蛀等附加功能上来 促成了口香糖由 口味型 向 功能型 的转变 这主要归功于木糖醇的功能应用 在上世纪 80 年代 国外的木糖醇主要用于生产无糖口香糖 上世纪 90 年代后 国 际市场上的木糖醇需求逐年增加 人们越来越注重保健 我国的无锡利夫糖果有限公司 最早将木糖醇用于口香糖中 生产 魄力 无糖口香糖 到目前为止 国内已有广东的 益 达 深圳的 华艾康 等品牌 另外 在国内近几年许多含有木糖醇的保健品 如口服液 保龄参咀嚼片 糕点 饼干也大量投放市场 由于木糖醇的防龋齿作用 在牙膏行业也 有一定的市场 总之 口香糖已成为人们生活中必不可少的一种休闲食品 且我国人口多 发展空 间极大 口香糖的市场需求量会不断的提高 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 3 1 4 2 口香糖的加工工艺口香糖的加工工艺 口香糖主要是由口香糖胶姆基 精幼砂糖或其他添加剂 乳化剂和香料等原料加工 而成 将各种原料在约 120 温度下加以混合 混合时依一定的次序 先投入已加热溶解 的基质 再投入砂糖 葡萄糖 饴糖 香料等 切必须均匀的加以搅拌 混合后的原料 其水分应保持在 3 以下 成型后在温度为 21 24 相对湿度为 45 50 的调温室中 保持 6 8h 以后才可包装 现在主要是用挤压加工法代替传统的加工方法 事实证明 用挤压加工的口香糖 其清新的薄荷香味在咀嚼中可比原来多保留 50 的时间 而由于加工的连续化并且通过 强大的功率将调料柔和进糖和胶基内 加工时间大大缩短 获得较短的生产周期和减少 停工时间 挤压后的口香糖更有弹性并在挤出是其变性和粘性很小 在口香糖的挤压加 工中 调料必须在开始段加入 这与生产其他食品不同 这样可保证其均匀地被吸收并 完全与胶基相结合 以获得最长的持续效果 另外 一些其他的活性成分 如高强度甜 味剂 药物成分 尼古丁 尿素 增香剂 可可 咖啡 果酸等 也应该在开始段加入 但柠檬酸会在挤压加工中发生变性并酸性挥发 可用酒石酸代替使用 由于胶基在蒸煮 挤压加工中会变脆或变粘 就应该选择合适的增塑调料溶剂加入 为捕集口香糖内的活 性成分 可加入一些特别的结合剂 如将钙盐和麦芽糊精与水想调和进行真空加热 然 后在 10 的温度下进行挤压成形成异丙醇 使用这种方法可使挤压物固化并能被进一步 加工 如图 1 1 为口香糖加工工艺流程图 口香糖的基本组分比为 胶基 18 20 糖 60 左右 葡萄糖浆 20 左右 甘油 0 3 0 5 图 1 1 口香糖加工工艺流程图 工艺及操作说明 香口胶生产中多选用商品胶基 在使用时应注意酸性胶基和非酸性胶基应用范围 的异 胶基启用时先置于 75 80 下软化 约需 2h 再生胶质料为生产过程中的边角 余料 加入量为 5 左右 将混和机加热至 45 55 并在铲刀上加一些糖粉 加糖粉是为了避免粘连 故仅 在第一道混合作业时采用 混和 1 工序和混和 2 工序各需 5min 混和 l 工序约需 3min 混和 5 工序约需 2min 过分温和会影响产品质量与贮存寿命 混和工序保持在 45 50 之间操作 若混和机连续 使用则毋须每次加热 因为连续操作的摩擦热会使混和机温度升高 无锡太湖学院学士学位论文 4 混和时加入的糖应为微细的糖粉 以消除口糙感 糖粉粒度要求在 0 01mm 0 05mm 之间 切割混和好的胶团 每块 4kg 并在 30min 60min 内使其冷却 若成品要求为粒状 则进入造粒工序 若成品要求为片状 则进入压延切片工序 涂层 有关软涂料的一些基本方法 在盘内滚动的胶基中 芯上加上足够的粘性糖浆 确保所有部位均被糖浆所覆盖 并 滚动直到均匀为止 加进足够的糖粉以吸干表层的水分 要避免糖粉放得过量 因为多 余糖粉会与下批加入的粘性糖浆混和结块 糖粉粘度大小要求在 0 2 0 4mm 当达到要求 厚度后 制品必须在盘内放置 12h 粘性糖浆配方 a 葡萄糖基粘性糖浆 将 10kg 糖溶于 4kg 水中煮沸到 107 5 然后加 10kg80 的 葡萄糖浆 右旋 不需加热 只需混和 b 阿拉伯树胶基粘性糖浆 将 7kg 的阿拉伯树胶溶于 20kg 水中 浸泡 24h 后再进行进 滤 将 20kg 的葡萄糖浆溶于 7kg 的水中煮沸到 107 5 将 10kg 的阿拉伯树胶溶液倒入 15kg 的糖浆之中 一般广泛应用葡萄糖基粘性糖浆 为了使工作方便且缩短时间 气源必须进行严格的控制 使用的空气越冷越干焊 则涂层越方便 要在抛光之前获得更加光滑的表面 在最后一阶段可使用稀释的糖浆 抛光 在准备抛光盘时要在其内表面粘贴一层帆布并且在其上覆上一层蜡基混和物 配方如下 蜂蜡 73 滑石 9 巴西蜡或鲸脑油脂 18 1 4 3 挤压机生产口香糖的可行性挤压机生产口香糖的可行性 80 年代 研究人员开始把挤压机与生物 化学反应联系起来作为生化反应器研究 现已成为挤压技术进行工业应用的发展最新方向之一 挤压机作为生化反应器具有如下 优点 在生化反应中 可以使用少量的水分进行干法反应 反应后不必进行物料与水分 的分离 同时反应过程中使用了少量的水分 因此可以节省大量的能源 减少了对环境 的污染 挤压机可以作为一台输送高粘度介质的稳压泵 保证反应过程的连续性 获得恒 定的产量 与其他反映器相比 挤压机的热交换面积相对较大 其作用相当于一台刮板式热 交换器 反应物在挤压机的停留时间分布窄 有利于获得反应均匀的产品 可以根据反映的要求 通过改变挤压机结构参数和操作参数调整反映的程度 挤压机作生化反应器具有如下不足 挤压机的容量有限 因此要求生化反应的时间要短 反应速度要快 才能获得经 济 可行的反应过程 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 5 挤压机作生化反应器受反应物的粘度限制 反应产物的粘度要求也要足够高 以 保证物料的有效输送以经济的利用挤压机 通过对前人研究成果的分析 本课题用双螺杆挤压机作为生化反应器进行口香糖的 研究 其间可能会产生及需解决的问题有 挤压机内变化过程中以停留时间 温度 剪切率为主要系统参数进行研究分析 可不可行 挤压机生产出来的口香糖用常温还是风机或其他办法冷却 生产过程中的废气用何种方法解决 是否有污染问题 口香糖在一定温度下将有粘壁现象 用何种方法解决 物料在机筒中输送时会对机筒产生磨擦 能否避免或者减少其摩擦 总之 本课题采用反向旋转型双螺杆挤压机生产口香糖的工艺是切实可行的 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 食品挤压机挤压设备简介食品挤压机挤压设备简介 食品混炼成形的挤压机一般采用双螺杆挤压机 双螺杆挤压机的特征是两根平行的 螺杆装置在具有 8 字形孔的机筒内 螺杆旋转 机筒加热 完成对物料的加工挤出 2 1 双螺杆挤压机的工作原理双螺杆挤压机的工作原理 2 1 1 挤压原理挤压原理 强制输送 双螺杆挤压机按螺杆旋转的方向不同 可分为同向旋转和反向旋转两大类 反向旋 转的双螺杆挤压机又可分为向内和向外的两种 根据双螺杆的旋转方向 啮合程度和螺 纹参数的不同 双螺杆的啮合部分可构成在横向和长度方向是全开的全闭的 或半开半 闭 因而形成的 C 形小室可以是相互连通的 也可以是完全封闭的 理想的全啮合反向 旋转的双螺杆的 C 形小室是完全封闭的 小室中的物料跟着小室一起前移 输送过程中 不会产生倒流或滞流 因此具有最大的强力输送 为了减少物料和螺杆 机筒的摩擦力 使物料更容易螺旋输送 本设计采用向外反向旋转式双螺杆 混合作用 图 2 1 反向旋转 物料在双螺杆螺槽中的流动情况 由于反向旋转双螺杆在啮合处螺棱和螺槽的速度方向相同 但存在速度差 因此被 螺纹带入啮合间隙的无聊将受到螺棱和螺槽间的挤压和研磨 使物料得到混合和混炼 自洁性能 反向旋转的双螺杆 在啮合处螺纹和螺槽间 存在速度差 在相互擦离的过程中 相互剥离粘附在螺杆上的无聊 使螺杆得到自洁 压延效应 向外反向旋转的螺杆挤压机 由于有使物料向上运动的趋势 因此没有明显的压延效 应 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 7 2 1 2 挤压加工系统挤压加工系统 机筒挤压 加热与冷却 成型 XXIN G 图 2 2 典型食品挤压加工系统链图 如图 2 2 所示 典型的挤压加工系统支链图 其中包括喂料装置 预调质装置 传动 挤压 加热与冷却 成型 切割 控制等部分组成 2 2 总体结构设计总体结构设计 螺杆挤压机总体结构对整机的性能有很大的影响 总体结构包括挤压系统 传动系 统和驱动源的相互位置关系 由于这些关系的不同 构成了种种不同差别 见表 2 1 表 2 1 总体结构设计分析表 总体类型不同类型优点缺点 卧式螺杆挤压机螺杆在空间呈水平放置 尺 寸大小影响占地面积 对空 间高度影响不大 计量部分的螺杆和机筒 易于磨损 外观形式 立式螺杆挤压机螺杆在空间呈竖直减速箱选型和结构设计 受限制 空间高度要求 高 整体式螺杆挤压机结构紧凑不便于加工和装拆 维 修联接形式 分段式螺杆挤压机能够采用标准减速器 易于 装拆 维修 需专门设置螺杆轴承座 及相应的润滑系统 电机置于机器旁侧便于电机及机器维修占地面积大动力源和传动装 置位置 电机置于减速箱前部 挤压系统下部 机器结构紧凑 外观整齐要求设计带等传动系统 传动效率低 结论 通过以上分析 结合本课题的实际情况 拟采用卧式分段式结构形式 动力源 和传动装置位置选用电机置于减速箱前部 挤压系统下部 料仓 喂料装置 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 双螺杆挤压机挤压设备设计双螺杆挤压机挤压设备设计 3 1 传动系统的设计及计算传动系统的设计及计算 传动系统是挤压机的主要组成部分之一 它的作用是驱动螺杆 并使螺杆能在选 定的工艺条件下 如温度 压力和转速下 获得所必须的扭矩且能均匀地旋转 以完成 对物料的塑化和输送 3 1 13 1 1 传动系统设计传动系统设计 如图 3 1 所示初步确定挤压机传动路线 3 1 2 电动机的选用电动机的选用 螺杆转速的调节是生产食品的一个关键性操作参数 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 2 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 cos 0 6 0 96 50 60 且启动性能好 运行稳定 可得到较合理的使用 为使 螺杆获得足够的转矩 电机调速不应太低 控制在 1000r 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 由前面电机选用 YCT315 4A 电磁调速电机 3 1 3 传动比分配传动比分配 1 总传动比 实验研究表明 挤压机在螺杆转速 40r min 左右时 为满足一定的螺杆输入转矩 初取电机工作转速 n电机 900r min 挤压机工作转速 n 40r min 则 总传动比 i总 n电机 n 900 40 22 5 2 带轮传动比 由于设计中选用减速机 而分配箱内齿轮又受螺杆中心距限制 传动比不大 因而 减速机将承担大部分的传动比 因此带轮传动比可取较小值 同时 这样也可减小机器 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 9 尺寸和重量 便于安装 在设计中 我们初取带轮传动比 iV 2 3 减速机选用 参考 13 按强度选用减速机 计算功率 Pc KAP PP1 kW 工况系数 KA按轻微冲击查表 18 40 得 KA 1 减速机传递功率 P T电 n电 max 9550 V 232 1320 9550 0 96 33 403kW 则计算计算功率 Pc 1 18 179 33 403kW 选用 ZLY140 型电机 7 其许用输入功率 PP1 35kW 传动比 i减 10 4 传动箱传动比 根据上面的分配情况 i分配箱 i总 iV i减 22 5 2 10 1 125 即传动箱设计为减 速器 设计成这一形式 一方面主要是受双螺杆中心距限制和出于水平平行布置时应避 免齿轮与轴发生干涉的考虑 另一方面也是为了在有限的径向距离内增加齿轮的模数以 提高其强度 3 1 4 主要传动零部件设计计算和校核主要传动零部件设计计算和校核 3 1 4 1 V 带传动设计计算带传动设计计算 以下设计计算参考 14 已知 电机输出功率 P 232 900 9550 21 864kW 小带轮转速 n1 n电 900r min 初 定传动比 iV 2 载荷变动小 每天工作 8h 要求中心距不超过 800mm 表 3 1 v 带传动设计计算 计算项目 计算内容 计算结果 定 V 带 轮 型 号 和 带 轮 直 径 工作情况系数 由表 11 5 KA 1 1 计算功率 Pc KAP 1 1 21 864 Pc 24 0504kW 选带型号 由图 11 15 选 C 型 小带轮直径 由表 11 6 D1 250mm 大带轮直径 D2 1 D1 iV 1 0 02 250 2 490mm 设 2 式 11 15 取 D2 490mm 大带轮转速 n2 1 D1 n1 D2 1 0 02 250 900 490 n2 490r min 计 算 带 长 求 Dm Dm D1 D2 2 250 490 2 Dm 370 求 D2 D1 2 490 250 2 120 初取中心距 750mm 带长 L0 Dm 2a 2 a 式 11 2 370 2 750 1202 750 L0 2681 6mm 基准长度 由图 11 4 Ld 2800mm 求 中 心 距 和 包 角 中心距 a a0 Ld L0 2 式 11 3 750 2800 2681 6 2 无锡太湖学院学士学位论文 10 续表 3 1 809 20mm 取 a 800mm 小轮包角 1 180 D2 D1 60 a 式 11 4 180 490 250 57 3 800 1 162 81 120 求 带 根 数 带速 v D1n1 60 1000 250 1320 60 1000 v 17 278m s 传动比 iV 1 D2 D1 1 0 02 490 250 1 9208 带根数 由表 13 3 P0 6 635kW 由表 13 5 ka 0 96 由表 13 2 kL 0 95 由表 13 4 P0 0 96kW z Pc P0 P0 k kL 式 11 22 24 0504 6 635 0 69 0 96 0 95 3 6 取 z 4 根 求 轴 上 载 荷 张紧力 F0 500Pc 2 5 Ka vz Ka qv2 500 24 0504 2 5 0 96 17 278 4 0 96 0 17 17 2782 F0 329 87N 轴上载荷 FQ 2zF0sin 2 2 4 329 87 sin 162 81 2 FQ 2609 323N 材 料 与 结 构 带轮结构 小带轮采用实体式 大带轮设计成轮辐式 具体外形结构略 带轮材料 大 小带轮均采用 HT200 铸造 3 1 4 2 传动箱斜齿圆柱轮传动设计计算传动箱斜齿圆柱轮传动设计计算 传动箱的传动形式如上图所示 大齿轮带动一小齿轮 小齿轮再带动另一小齿轮 因 大 小齿轮传动尺寸受限制 为提高齿轮强度 大小齿轮设计成齿轮轴形式 且大 小 齿轮均采用合金钢 20Cr 渗碳淬火 低温回火 硬度 56 62HRC 取 60 HRC 本设计中采用硬齿面斜齿轮啮合闭式传动 其主要失效形式为齿面的疲劳断裂和磨 损 因此其计算原则是 先进行接触疲劳强度计算 然后再按弯曲疲劳强度进行校核 以下 我们参考 14 进行齿轮传动的设计计算与强度校核 已知 单个小齿轮输入功率 P 21 864 V 减速机 轴承 齿轮 21 864 0 96 0 95 0 99 0 98 19 3457kW 转速 n2 40r min 传动比 i i总 iV i减 22 5 1 9208 10 1 1713 单向转动 载荷变化小 转动较平稳 工作时间 8 小时 天 该机器预计寿命 5 年 齿轮非对称分布 精度 6 级 表 3 2 齿轮传动的设计计算与校核 计算项目 计算内容 计算结果 确 定主 要 几 何 尺 寸 1 初步估算大齿轮直径 d2 由于双螺杆中心距为 80mm 两大齿轮设计成一样 所以大齿轮分度圆直径为 d2 80mm 模数 mn 由于是硬齿面传动 为提高齿轮强度 取法向模数 mn 3 大齿轮齿数 z2 初估螺旋角 15 则大齿轮齿数 z2 d2 cos mn 80 cos15 25 929 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 11 续表 3 2 圆整取 z2 26 小齿轮齿数 z1 z1 z2 i 26 1 1713 22 19 圆整取 z1 22 中心距 a mn z1 z2 2cos 3 22 26 2 cos15 73 8mm 圆整取 a 75mm 校核螺旋角 arccos mn z1 z2 2a arccos 3 22 26 2 75 18 066 符合 法向啮合角 n 取 n 20 分度圆直径 d1 d2 d1 mn z1 cos 3 22 cos118 066 d1 68 75mm d2 mn z2 cos 3 26 cos15 359 d2 81 25mm 所以双螺杆中心距为 A d2 81 25mm A 81 25mm 齿宽 b 为提高配比齿轮的承载能力 取 b 20 mn 20 3 60 为提高齿轮的承载能力取 b 70mm 所以取 b1 72mm b2 70m 传动比 i i z2 z1 26 22 i 1 1818 大齿轮转速 n2 450 10 1 1818 n2 38 0775r min 圆周速度 v d2n2 60 1000 3 142 81 25 38 0775 60 1000 v 0 162m s 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 校 核 使用系数 KA 由表 32 1 32 KA 1 35 动载系数 KV 由于 KV K b KA K2 Z1 V 100 U2 U2 1 1 2 其中 K1 K2 由表 32 1 33 K1 13 3 K2 0 0087 Ft 2T2 d2 2 461880 81 25 11369 35N KA Ft b 1 35 11369 35 70 219 27N mm 100 N mm 所以 KV 1 13 3 219 27 0 0087 26 0 162 100 1 17132 1 17132 1 1 2 1 222 KV 1 05 齿间载荷分配系数 KH 由表 32 1 36 KH 1 1 齿向载荷分配系数 KH 由表 32 1 34 KH 1 11 0 18 d2 12 10 4 b 1 11 0 18 70 81 25 2 12 10 4 70 1 541 弹性系数 ZE 由表 32 1 37 ZE 189 8MPa1 2 节点区域系数 ZH 由图 32 1 13 ZH 2 23 重合度系数 Z 由图 32 1 14 1 88 3 2 1 z1 1 z2 cos 1 88 3 2 1 22 1 26 cos18 066 1 547 bsin mn 70 sin18 066 3 142 3 2 079 1 故取 1 所以 Z 4 1 1 2 式 12 31 1 1 2 1 1 547 1 2 0 804 Z 0 804 螺旋角系数 Z Z cos 1 2 cos18 066 1 2 式 12 32 Z 0 98 接触最小安全系数 SHmin 由表 32 1 40 SHmin 1 0 总工作时间 th th 5 300 8 0 2 th 2400h 应力循环次数 NL NL2 60 n2 th 60 1 38 0775 2400 NL2 5 48316 106 无锡太湖学院学士学位论文 12 续表 3 2 NL1 NL2 i 5 48316 106 1 1713 NL1 6 4224 106 接触寿命系数 ZN 由图 32 1 30 ZN1 ZN2 1 13 许用接触应力 H H1 H2 Hlim ZN SHmin 式 12 11 1500 1 13 1 0 H1 H2 1695MPa 验算 H ZEZHZ Z 2 KAKVKF KF Ft bd2 u 1 u 1 2 式 12 29 189 8 2 23 0 804 0 980 2 1 35 1 22 1 3276 1 1 11369 35 70 81 25 1 1713 1 1 1713 1 2 996 43MPa H1 1695Mpa 满足接触疲劳强度要求 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度 校 核 齿形系数 YFS ZV1 Z1 cos3 22 cos318 066 25 ZV2 Z2 cos3 26 cos318 066 30 由图 32 1 16 YFS1 3 82 YFS2 3 85 应力修正系数 YST YST1 YST2 2 重合度系数 Y av 1 88 3 2 1 ZV1 1 ZV2 cos 1 88 3 2 1 25 1 30 cos18 066 1 5795 Y 0 25 0 75 av 式 12 18 0 25 0 75 1 5795 Y 0 7248 螺旋角系数 Y Y min 1 0 25 式 12 36 1 0 25 1 0 75 1 967 1 按 1 计算 Y 1 120 1 18 066 120 0 849 Y min Y 0 849 齿间载荷分配系数 KF KF KH 1 1 齿向载荷分配系数 KF KF KH 1 45 弯曲疲劳极限 Flim 由图 32 1 29 Flim1 Flim2 600MPa 弯曲最小安全系数 SFlim SFlim 1 25 弯曲寿命系数 YNT 由图 32 1 31 YNT1 YNT2 1 0 尺寸系数 YX 由图 32 1 34 YX 1 0 应力修正系数 YST 取 YST 2 相对齿根圆角表面状况系数 YRreiT 由图 32 1 35 取 YRreiT 1 04 相对齿根圆角敏感系数 Y reiT 由图 32 1 39 取 Y reiT 1 0 许用弯曲应力 F F FlimYSTYNT YX YRreiT Y reiT SFmin 式 12 19 600 2 1 1 04 1 0 1 0 1 25 F1 F2 998 4MPa 验算 F2 KAKV KF KF Ft YFs2 YNT2 Y Y bmn 式 12 33 1 35 1 222 1 3276 1 1 11369 35 3 85 0 7248 0 849 70 3 F2 102 98MPa F1 F1 F2YFs1YNT1 YFs2YNT2 102 98 3 82 1 0 3 851 0 102 17 MPa F1 102 17MPa F2 弯曲疲劳强度足够 将上述计算得到的大 小齿轮几何尺寸列于表中 如表 3 3 所示 供设计使用 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 13 表 3 3 分配箱齿轮传动几何参数表 mn n d mm da mm df mm a mm b 大齿轮81 2587 2573 75 小齿轮 3mm20 18 7 68 7574 7561 80 70 72 3 1 4 3 轴强度校核计算轴强度校核计算 由于受到中心距限制 设计得到的从动轴 即齿轮轴 与主动轴相比轴径较小 而齿轮 大小接近 可认为啮合时受力相近 相比之下从动轴的强度很有进行校核 另外由于螺 杆旋转 使物料向前输送的同时 螺杆相应受到向后的巨大推力 传至从动轴 因此 相比之下从动轴受力较复杂 更有进行强度校核的必要 从动轴主要结构形式如图 15a 所示 为简化计算 在校核时我们暂且忽略螺杆对从动 轴的轴向压力 不考虑其对轴强度校核计算的影响 由于设计成齿轮轴形式 因此轴材料亦为 20Cr 热处理方法采用渗碳淬火 低温回 火 查 12 得 B 835MPa S 540MPa 表 3 4 以下是参考 14 进行从动轴强度校核的具体计算过程 计算项目 计算内容 计算结果 按 许 用 弯 曲 应 力 校 核 计 算 齿 轮 受 力 圆周力 Ft 2T2 d2 2 461880 81 25 Ft 11369 35N 径向力 Fr Fttan n cos 11369 35 tan20 cos18 066 Fr 4353 152N 轴向力 Fa Fttan 11369 35 tan18 066 Fa 3708 61N 作齿轮轴受力图 见图 15b 计 算 支 座 反 力 水平面 yz 反力 由 MBx 0 得 FAy 4353 152 66 3708 61 81 25 2 132 FAy 1035 19N 其中负号表示与图中所示方向相反 以下若无特别说明 等同 由 MAx 0 得 FBy 4353 152 66 3708 61 81 25 2 132 FBy 3317 957N 垂直面 xz 反力 由 MBy 0 得 FAx FBx Ft 2 5684 675N 作水平面 yz 受力图 见图 12c 作垂直面 xz 受力图 见图 12e 计 算 各 平 面 弯 矩 水平面 yz 弯矩 MCx 左 1035 19 66 MCx 左 68322 54N mm 这里 弯矩前的负号表示与图上对应的纵坐标正向相反 以下同 MCx 右 3317 957 66 MCx 右 218985 162N mm 垂直面 xz 弯矩 MCy 5684 675 66 MCy 375188 55 N mm 作水平面 yz 弯矩图 见图 12d 作垂直面 xz 弯矩图 见图 12f 合成弯矩 MC 左 MCx 左2 MCy2 1 2 无锡太湖学院学士学位论文 14 续表 3 4 68322 542 375188 552 1 2 MC 左 394124 21N mm MC 右 MCx 右2 MCy2 1 2 218985 1622 375188 552 1 2 MC 右 455664 347N mm 作合成弯矩图 见图 12g 作转矩图 见图 12h 计 算 当 量 弯 矩 许用应力 用插值法由表 16 3 查得 0b 133 5MPa 1b 77 625MPa 应力校正系数 1b 0b 77 625 133 5 0 581 当量弯矩 M C 左 MC 左 2 T2 2 1 2 394124 212 0 581 461880 2 1 2 M C 左 476809 017 N mm M C 右 MC 右 2 T2 2 1 2 1089365 049N mm M C 右 528812 77 N mm M A 右 T2 0 581 461880 268352 28N mm 作当量弯矩图 见图 3 2 校 核 轴 径 C 处轴径 dC M C 右 0 1 1b 1 3 528812 77 0 1 77 625 1 3 40 84mm 81 25mm 强度足够 安全 表 3 5 安全系数校核 判 断 危 险 截 面 初步分析 四个截面都有较大的应力和应力集中 但相比之下 两处的应力较大 且应力集中较明显 又由当量弯矩图可知 弯矩 故以截面 为例进行安全系数的校核 轴材 料为 20Cr 渗碳处理 由表 3 2 所列公式计算疲劳极限 对称循环疲劳极限 1b 0 41 B 0 41 835 1b 342 35MPa 1 0 30 B 0 30 835 1 250 5MPa 脉动循环疲劳极限 0b 1 7 1b 1 7 342 35 0b 581 995 MPa 0 1 4 1 1 4 250 5 0 350 7 MPa 等效系数 2 1b 0b 1 2 1 7 1 0 176 2 1 0 1 2 1 4 1 0 429 截 面 上 的 应 力 弯矩 M FAx2 FAy2 442 1 2 5684 6752 3317 9572 312 1 2 M 204045 87N mm 弯曲应力幅 a M W 289613 4966 0 1 503 a 23 169MPa 弯曲平均应力 m 0 m 0 扭转切应力 T2 WT 461880 0 2 503 18 4752 MPa 扭转切应力幅和平均切应力 a m 2 18 4752 2 a m 9 2376 MPa 应 力 集 中 系 数 有效应力集中系数 在此截面处 有轴径变化 过渡圆角 r 5mm 由 D d 73 75 50 1 515 r 50 5 50 0 1 反向旋转型双螺杆挤压机及传动系统的设计 15 续表 3 5 和 B 835MPa 从附录表 1 中查出 k 1 62 k 1 295 表面状态系数 从附录表 5 中查得 0 663 Ra 6 3 B 835MPa 尺寸系数 从附录表 6 中查得 0 73 0 78 按靠近应力集中 处最小直径 42mm 查得 安 全 系 数 弯曲安全系数 设为无限寿命 kN 1 由式 16 5 得 S kN 1b k a m 1 342 35 1 62 23 169 0 663 0 73 S 4 414 扭转安全系数 S kN 1 k a m 1 250 5 1 295 9 2376 0 663 0 78 0 429 9 2376 S 9 245 复合安全系数 S S S S 2 S 2 1 2 4 414 9 245 4 4142 9 2452 1 2 3 984 S 1 3 1 5 截面 强度足够 安全 无锡太湖学院学士学位论文 16 FAx FAy FBx FByFa Ft Fr FBx 5684 67N Ft 11369 35N F Ax 5684 67N FBy 3317 957N F Ay 1035 19N Fa 3708 36N Fr 4353 125N 图 3 2 齿轮从动轴