油料挤压机设备设计

I 题题 目 目 10t d10t d 油料挤压机设备设计油料挤压机设备设计 学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 学 号 指导教师 毕业设计 论文 时间 二 O一 一年三月 六月 共17周 摘要 I 摘 要 该论文为 10t d 油料挤压设备的设计 属于食品机械设计的领域 本设计 主要是在申德超教授原有挤压机实验台基础上进行的设计 主要内容包括螺杆 设计 组合式套筒的设计 驱动系统的设计 电机的选择 传动系统的设 计 实现了挤压系统 传动系统的合理 结构紧凑 并实现了加热冷却系统的 优化 达到可靠性 适用性 先进性 经济性的统一 研究方法是采用设计与 实践结合 吸取已有经验 借鉴现有机型的优点 设计出符合本课题要求的油 料挤压设备 关键词 挤压膨化 单螺杆挤压膨化机 组合式套筒 电机 Abstrct II Abstract The paper is 12t d of raw materials at low temperature extrusion equipment design which belong to the field of food machinery design Mainly in the design of the original De Chao Shen Professor of small extruder Includes screw design the modular sleeve design drive system design the choice of motor The realization of the extrusion system a reasonable drive system compact structure and to achieve the optimization of heating and cooling system Achieve reliability the applicability of the advanced nature of the unity of economics The study design and practice lessons have been the experience of the advantages of drawing on existing models designed in line with the requirements of this new type of starch subject of quality raw materials at low temperature extrusion equipment Key words extrusion single screw extrusion machine modular sleeve high power motor 目录 III 目 录 摘 要 Abstract 第一章 绪 论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 挤压技术的现状 2 1 3 挤压技术的发展趋势与前景 1 4 课题研究的主要内容 4 第二章 挤压机的工作原理及结构 5 2 1 挤压机的工作原理 5 2 2 挤压机的结构 5 2 2 1 控制装置 6 2 2 2 驱动装置 6 2 2 3 传动装置 7 2 2 4 调质系统 7 2 2 5 喂料装置 7 2 2 6 挤压装置 7 2 2 6 1 螺杆 7 2 2 6 2 机筒 9 2 2 7 加热与冷却装置 9 2 2 8 成型装置 9 第三章 电机的选取和轴 键的计算 11 3 1 驱动电机的选取 11 3 2 轴的压杆稳定校核 3 3 键的强度校核 13 第四章 挤压部件的设计与校核 16 4 1 螺杆与机筒的基本参数 16 4 2 螺杆与机筒的强度计算 20 4 2 1 受力分析与确定 20 4 2 2 螺杆的强度计算 21 4 2 3 机筒的强度计算 23 4 2 4 安全系数的确定 26 第五章 冷却加热装置和成型装置的设计 27 5 1 冷却加热装置的设计 27 5 2 成型装置的设计 28 第六章 结论 29 参考文献 30 致 谢 31 绪论 1 第一章 绪 论 1 1 课题的背景和意义 挤压膨化是通过水分 热量 机械能 压力等的综合作用形成的 为高温 短时 HTST 的加工过程 根据处理原料水分的高低 可分为干法膨化和湿法膨 化 干法膨化是利用摩擦产生的热量使物料升温 在挤压螺旋的作用下强迫物 料通过模孔 同时获得一定的压力 物料挤出模孔后 压力急剧下降 水分蒸 发 物料内部形成多孔结构 体积增大 从而达到膨化的目的 干法膨化的水 分一般为 15 20 湿法膨化原理与干法膨化大体相同 但湿法膨化的物料水分常高 于 20 甚至达 30 以上 此外 物料升温部分是靠加入蒸汽达到的 挤压机是挤压加工技术的关键 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 并得到迅速发展 挤压加工主要由一台挤压机一步 完成原料的混炼 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 1 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 世界上第一台螺杆挤压机的专利是由英国 Gray 于 1879 年获得的 主要用于橡塑工业 到本世纪 30 年代 第一台用于谷物加工的单螺杆挤压机问 世 它开始用于生产膨化玉米 二战期间 日本人用于生产压缩军粮 60 年代 又开始出现了双螺杆挤压机 并用于食品加工领域 我国从 70 年代开始研究食 品挤压技术和挤压加工机械 1980 年 3 月 北京食品研究所仿制出第一台自 热式 PJ 1 型谷物膨化挤压机 1982 年无锡轻工业大学从法国 Clext ral 公 司引进一台 BC 45 型双螺杆挤压机 开始了对挤压加工技术的研究 与此同 时 国内许多生产厂家也先后从世界各大公司引进了先进的挤压设备 国际上有 代表性的挤压机生产企业除法国 Clext ral 公司外 还有美国 Wenger 公司 德 国的 WP 公司 意大利 MAP 公司 日本的恩奴比食品有限公司 瑞士的 Buchcler 公司等 在引进国外设备的同时 国内的许多厂家也先后生产了不同类型的挤压 设备 其中以单螺杆设备居多 螺杆挤压机用于食品生产具有工艺简单 一机多 能 生产连续化 效率高 能耗低 投资少 收效快的特点 生产出来的食品 口感细腻 易消化吸收 营养成份损失少 贮藏时间长 不易产生 回生 现 象 食用方便 目前 挤压技术已经发展成为最常用的膨化食品生产技术之一 挤压机的研究与开发也势在必行 绪论 2 食品挤压加工技术 特指利用螺杆挤压方式 通过压力 剪切力 摩擦力 加温等作用所形成的对于固体食品原料的破碎 捏合 混炼 熟化 杀菌 预 干燥 成型等加工处理 完成高温高压的物理变化及生化反应 最后食品物料 在机械作用下强制通过一个专门设计的孔口 模具 便制得一定形状和组织状 态的产品 这种技术可以生产膨化 组织化或不膨化的产品 近年来 挤压膨 化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 并得到了迅速的 发展 挤压膨化技术由于其自身特点 具有许多其他加工方法所不具备的优势 它是一项经济实用的新型加工方法 它具有工艺简单 原料利用率高 占地面 积小 生产能力高等特点 现已在食品工业中广泛应用 我国的应用现代膨化技术生产膨化食品还处在成长阶段 主要表现在膨化 设备水平较低 生产能力有限 设备种类少 膨化食品的品种少等几个方面 中国作为一个粮食生产大国的地位和当今挤压膨化技术的落后是不相符的 因 此 应用现代膨化技术设计制造大型高效的挤压膨化机是相当有必要的 无论 从经济效益还是社会效益来说 都将拥有广阔的前景 1 2 挤压技术的现状 我国应用现代膨化技术是在八十年代初开始的 一九八零年北京食品研究 所在国内率先研制成功挤压膨化机 并将其投放市场 而后又有一批高校和科 研单位院所进行了食品挤压技术及其装备的研究 诸如沈阳农业大学 北京农 业工程大学 江苏理工大学 黑龙江商学院 无锡轻工学院及北京食品研究所 等科研单位在这方面研究比较多 他们在食品风味 谷物膨化机理 工况参数 等方面进行了较多的实验研究 也取得了很多的科研成果 但与国外相比尚有 较大的差距 自从我国应用现代膨化技术以来我国膨化技术的发展较快 但是 随着社会的进步 人们生活水平的提高 对膨化食品的要求越来越高 人们对 膨化产品资源及膨化食品品种的开发要求也越来越高 为满足人们对膨化食品 的需求 国内成立了专门从事膨化技术研究的科研机构 且具有较大规模的专 业生产膨化设备的企业也应运而生 膨化技术的应用也从膨化食品发展到强化 食品 如强化可可粉 干海带颗粒等 同时膨化物料不仅用于食品行业 也开始 在饲料 酿造 医药 建筑 筑造等行业应用 取得了较好的效果 我国膨化 技术的发展较快 但是随着社会的进步 人们生活水平的提高 对膨化食品的 要求越来越高 人们对膨化产品资源及膨化食品品种的开发要求也越来越高 为满足人们对膨化食品的需求 国内成立了专门从事膨化技术研究的科研机构 且具有较大规模的专业生产膨化设备的企业也应运而生 膨化技术的应用也从 绪论 3 膨化食品发展到强化食品 如强化可可粉 干海带颗粒等 同时膨化物料不仅用 于食品行业 也开始在饲料 酿造 医药 建筑 筑造等行业应用 取得了较 好的效果 但是和国外相比还有较大差距 因此 大力发展膨化技术并加快它 在食品生产中的应用步伐 以促进我国食品工业的发展是目前食品科学工作者 需着重考虑的一个课题 在国外 膨化技术作为一种新型食品加工技术发展很快 现在己经非常普 遍地使用膨化谷物制作面包 点心 蒸制品 炸制品等 据资料报道 日本 1979 年生产的膨化食品有 300 多种 年产量达 14 6 吨 此外 挤压膨化技术 还应用到原料处理方面 如制作淀粉 处理谷物 大豆等 用膨化原料酿造酱油 蛋白质利用率可达 90 大大提高了酱油的质量和产量 膨化原料在制油 酿 酒方面亦有应用 美国膨化制品的年产值已达十几亿美元 目前一些发达国家 生产膨化食品已有成熟的工艺和先进的设备 形成了生产线 由于设备先进 食品的外形精巧 多样化 还采用双挤压法 可生产夹馅产品 这种挤出机有 两个同心的挤压头装在一个压模上 因此 在挤出外层环状面团的同时 中间 装填了被挤压的馅料 现在 国外的食品膨化设备种类繁多 既有适用于超市 广场等公共场所使用的小型食品膨化机 也有适合家庭使用的轻便式膨化机 不 仅有大型连续式膨化设备 也有了自动化膨化设备 近年来 美国的 Frito Lay 公司 日本的 Calbee 公司以及欧洲和东南亚很多著名的膨化食品生产企业 纷纷在中国投资设厂 生产各种膨化食品 美国的 Frito Lay 公司在广州的合 资公司广州百事公司 1994 年投产后 仅日氏牛排和海鲜栗米脆年销售额就达 一亿元人民币 当今世界 对挤压蒸煮机已具有新的认识 是一个独特的 可以高温瞬时 多工序循序完成的特殊生物化学反应器 为创制多品质 多风味的工程食品提 供了良好的装备 正在作较为深入系统的研究 具有广阔前景 学术方面 国 外在食品挤压技术方面也进行了多项研究 如物料的粘度模型 表现粘度和模 型 弹性元件一 M txwell 模型的组合 也对压力 温度 机筒内的滞留时间与 产品质量 淀粉的 化程度进行试验研究 也有人导出流率与能耗的估算公式 还有从量纲分析研究建立功率与无量纲项间的关系 但都还处在发展之中 1985 年美国新泽西州 New Jersey 州立大学食品科学系 化工系 机械系与新 泽西州通用食品公司等合作 研制了外壳和螺杆都是透明的试验用双螺杆挤压 机 内部充满液体油料替代物料 并加入示踪物 以双光杆轴替代螺纹杆 利 用二维激光多普勒流速仪 测定双螺杆啮台区内的多相流 湍流和涡流 还应 绪论 4 用有限元法对物料微粒的流速进行分析 试图对食品挤压机内物料的受力 运 动 速度与加速度 和流变特性作较深入的研究 已取得一批成果 1990 年 8 月 初在美新泽西州 由 CAFT 食品科学与加工工艺中心 新泽西州农业试验站和 Rutgers 大学的烹饪学院联合举办食品挤压与流变学国际学术讨论会 其主题 即将挤压蒸煮机视为 生物化学反应器 从工程 挤压中的质量 流变 物理 化学变化等方面进行专题交流 发表论文 47 篇 除美国 还有西德 英国 日 本 中国 韩国等代表出席 1 31 3挤压技术的发展趋势与前景 1 大型化 随着大型浸出油厂的发展 挤压膨化机的发展也趋向于大型化 以满足大型 生产线的需求 目前美国 Aderson 公司开发研制成功世界上最大的油脂膨化机 其日加工能力可达到 1700t 大豆 国内近几年在挤压膨化机大型化方面研究也 取得了较大的进展 由中国农机院油脂装备设计研究所新近推出的大型油料挤 压膨化机 其单产可达 1 500t 天 是目前国内生产能力最大的油料挤压膨化 机 据悉 该机日前已在福建金石油粕有限公司调试成功并投入使用 运行正 常 2 多功能化 未来的油料挤压膨化机要向着多功能 多用途的方向发展 不仅能用于低含 油料作物的预处理 而且可以加工油菜籽 油葵 红花籽等高含油料 在此方 面国内外企业都进行了大胆的探索 中国农机院在挤压膨化机的应用拓展研究 方面走在了行业的前列 将 YJ P 系列膨化机成功地应用于湿玉米胚芽 米糠 菜籽 棉籽等物料的膨化预处理 但从目前的应用范围来看 挤压膨化机仍有 一些局限性 如蓖麻籽等一些油料还不能直接膨化 因此 还应进一步加大挤 压膨化机多功能 多用途方面的研究 使其应用范围不断扩大 最近 美国 Aderson 公司正在研制一种 三位一体 的油料挤压膨化机 即单台膨化机可 加工 3 000t 大豆 3 000t 棉籽及 2 000t 菜籽 相信这种膨化机推向市场后 将能满足更多用户的需求 1 4 课题研究的主要内容 在现有挤压机实验台的基础上 设计螺杆 组合式套筒 驱动系统 包括选 择电机 传动系统 成型装置 设计得到 10 t d 油料挤压设备 第二章 挤压机的工作原理及结构 5 第二章 挤压机的工作原理及结构 2 1 挤压膨化机的工作原理 随着挤压技术的应用日益广泛 国内外科技工作者逐渐开始对食品挤压机 理有了一定研究和了解 挤压研究内容包括原料经挤压后微观结构及物理化学 性质的变化 挤压机性能及原料本身特性对产品质量的影响等 为挤压技术在 新领域的开发应用奠定了基础 食品挤压加工概括地说就是 将食品物料置于挤压机高温高压状态下 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 3 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 含有一定水 分的物料在挤压机套筒内受到螺杆的推动作用和卸料模具或套筒内节流装置 阻 流环 的反向阻滞作用 另外还受到来自于外部的加热和物料与螺杆和套筒的 内部摩擦热的加热作用以及物料受到混合 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 温度可达 150 200 压力可达到 1MPa 以上 如此高的压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压 所以在挤出机套筒 内物料中的水分不会沸腾蒸发 在如此的高温下物料呈现出熔融状态 然后从一 定形状的模孔瞬间挤出 有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 谷物结构发生了变 化 它使生淀粉 淀粉 转化成熟淀粉 淀粉 同时变成层状疏松的海 绵体 谷物体积膨大几倍到十几倍 从而形成具有一定形状的多孔结构的膨胀 食品 4 2 2 挤压机的结构 图 2 1 所示为一典型挤压加工系统示意图 该系统由 控制 驱动 传动 调质系统 喂料 挤压 加热与冷却 成型 切割等九部分组成 第二章 挤压机的工作原理及结构 6 图 2 1 挤压膨化设备总体示意图 1 控制装置 2 驱动装置 3 传动装置 4 调制系统 5 喂料装置 6 挤压装置 7 加热与冷却装置 8 成型装置 9 切割装置 2 2 1 控制装置 挤压加工系统控制装置主要有微电脑 变频器 传感器 显示器 仪表和 执行机构等组成 其主要作用是 控制电机 使其满足工艺所要求的转速 并 保证各部分协调的运行 控制温度 压力 位置和产品质量 实现整个挤压加 工系统的自动控制 2 2 2 驱动装置 它的作用是驱动螺杆 保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速 电动 机是传动装置的动力源 其大小取决于挤压机的生产能力 可选用可控硅整流 的直流电机 变频调速器控制的交流电机 液压马达 机械式变速器等方法来 控制传动装置输出轴的转速 以达到控制螺杆转速的目的 详细的电机选择请 见第三章 2 2 4 调质系统 配料在调质系统中与水和一些催化酶充分均匀的混合 以提高物料的含水 第二章 挤压机的工作原理及结构 7 量和温度 调质器有常压和加压之分 当在加压条件下操作时 必须要用旋转 阀等来保持调质器内部与周围环境之压差 调质器中心轴上装有扁平的搅拌桨 在混合物料之组分均匀 受热均匀的同时 把物料输送到挤压装置的进口处 2 2 5 喂料装置 该装置把贮存于料仓的各种易粘结 不能自由流动的混合配料均匀而连续 地喂入机器之中 确保挤压机稳定地操作 常用的喂料装置有 震动喂料器 螺旋输送器 角笼 和液体计量泵 其中 螺旋喂料器是具有一根螺旋可以用 来输送流动性较好的物料 控制螺旋的转速 即可对物料进行容量计量 2 2 6 挤压装置 挤压装置由主轴 螺杆 衬套和机筒组成 它是整个挤压加工系统的心脏 螺杆挤压机按螺杆的根数分类可分为单螺杆 双螺杆和多螺杆挤压机 其中 多 螺杆挤压机由于制造加工困难 对传动系统要求高 因而在食品加工行业中极少使 用 本挤压机为单螺杆挤压机 采用分段式螺杆及轴向对开式组合套筒套筒 下面简单介绍一下挤压机的构造 5 2 2 6 1 螺杆 该螺杆多为三段式全螺旋普通螺杆 根据物料挤出全过程 螺杆全长分三 段 即喂料段 压缩段和均化段 喂料段喂料段 喂料段的作用在于实现均匀稳定的输送 在机筒内形成连续的 逐渐被压 实的料流 因此该区段的螺旋要有一定的压缩比 其值应接近于物料的压缩比 松散状态与压实状态比容之比 可根据所处理的物料实测 被压实的物料可 起到阻塞作用 阻止压缩段蒸汽的反冲 蒸汽的热量和水分如回流到喂料段 物料变得粘滞 松散的生料便不易从料口喂入 输送效果即受到影响 所以喂 料段的压缩比是个不可忽视的参数 6 压缩段 物料进入压缩段 进一步受到搅拌 挤压 剪切和捏和 随着温度和压力 的升高 逐渐由固态变为粘流态 物料经历一个高温高压的蒸煮过程 在此区 第二章 挤压机的工作原理及结构 8 段 仅有普通螺旋是不够的 为了加强对物料的搅拌 剪切作用 可在螺杆轴 上每隔一定轴向距离装置一个压力环 在机筒上 每隔一定轴向距离埋设一个销 钉 销钉不仅可以加强搅拌 剪切作用 而且对提高螺旋的输送能力也是有效的 有些螺杆在压缩段装一节轴向开槽的反向螺旋 这种作法固然可增强搅拌 剪 切效果 但同时也破坏了螺杆定向输送的连续性 尤其当料流中尚有少量生料 存在时 反向螺旋对料流连续流动的破坏作用会更突出 6 均化段 均化段又称排料段 定量段 物料进入排料段 进一步受到加热 挤压剪 切和均匀化的作用 并在稳定的压力 温度条件下均匀地排出 在此区段 温 度 压力达最高值 螺杆和机筒的径向间隙古最小 所以零件的工作条件最差 机械磨损最严重 尤其用普通钢材制造而又未经特殊热处理的零件 磨损更快 间隙占值直接关系着物料在该区段进一步受到挤压剪切和均化作用的程度 直 接影响到挤出流量的稳定性 为使该值保持在一定范围 应定期更换零件 该 区段温度 包括模套温度 的稳定则是该区段稳定工作的另一重要条件 所以不 仅应配有一定功率的加热器 并且最好能配装冷却系统 使温度保持可调可控 状态 6 压模流道 料流脱离螺杆后 经压模流道进入压模排料孔 以稳定的流量排出 物料 进入压模流道 温度和压力继续上升 物料各项参数达最佳值 压模流道的设 计应保证料流流畅而没有积料的死角 螺杆与料模之间的间隙不宜太大 如此 间隙太大 物料在此滞留的时间太长 将引起物料过热和焦化 影响物料的稳 定排出 6 2 2 6 2 机筒 为便于装拆 清洗和更换内孔严重磨损的区段 宜采用组合式机筒 即分 段组合 并内装衬套 本挤压机采用轴向剖分式机筒 其主要优点是可以对物料的挤出过程进行 分析 观察 同时也便于机筒内腔和螺杆的清理 机筒内壁对物料的摩擦力 是螺杆推动物料作轴向移动的一个重要条件 增加这个摩擦力 不仅可以提高输送能力 而且增加了对物料的剪切 搅拌作 第二章 挤压机的工作原理及结构 9 用 为此 如前所述 在机筒装销钉是一个有效的办法 其次是在机筒内壁加 工若干条浅的沟槽 沟槽的型式有两种 即直槽和螺旋槽 螺旋槽的螺旋方向 与螺杆的螺旋方向相反 如此 轴向的剪切效果会更好 而且螺旋型浅槽的加 工也较直槽的加工简便 同时物料的漏流也较少 机筒的厚度 除满足强度条件外 还要考虑温度的稳定性 即要求机筒远 大于根据强度条件计算的厚度 加大其热容量 以减少工作过程中温度的波动 7 2 2 7 加热与冷却装置 加热与冷却是挤压加工过程顺利进行的必要条件 随着螺杆的转速 挤出 压力 外加热功率以及挤压系统周围介质的温度变化 机筒中物料的温度也会 相应发生变化 为使食品物料始终能在其加工工艺所要求的温度范围挤压 通 常采用电阻或电感应加热和水冷却装置来不断调节机筒的温度 物料在挤压加工过程中所需要的热量主要来自加热器 在开车之前 必须 利用装在机筒上的加热器将机筒的均化段以及出料模升温到设定的温度 加热 器分装在机筒的均化段和出料模的壳体上 模体加热器应配有足够大的功率 在进行模体设计时 应同时考虑有足够大的空间装料模加热器 冷却的目的是防止物料喂入后过早的受热和吸水 以致输送性能降低 出 料模也应考虑冷却系统 防止因料模温度过高而使物料焦化 以致堵塞出料通 道 同时防止机筒过热 2 2 8 成型装置 成型装置又称挤压成型模板 它具有一些使物料从挤压机流出时成型的小 孔 模板的形状可根据产品形状要求和挤压原料的不同而改变 最简单的是一 个孔眼 环形孔 十字孔 窄槽孔也经常使用 为了改进所挤压产品的均匀性 常把模板进料端做成流线型开口 2 2 9 切割装置 挤压加工系统中常用的切割装置为断面切割器 切割刀具旋转平面与模板 端面平行 通过调整切割刀具的旋转速度和挤压产品的线速度来获得所需挤压 第二章 挤压机的工作原理及结构 10 产品的长度 根据切割器驱动电机位置和割刀长度不同 可分为飞速和中心两 种切割器 飞速切割器的电机装在模版中心轴外面 割刀臂较长 以很高的速 度旋转 中心切割器的刀片较短 并绕模板装置的中心轴旋转 第三章电机的选择和轴键的计算 27 第三章电机的选择和轴键的计算 3 1 电机的选取 电动机作为驱动系统有着十分重要的作用 它是传动装置的动力源 因此合 理选择电动机就成了十分必要的一个环节 对于电机的选择一般有以下几要点 1 根据机械的负载性质和生产工艺 对电动机的起动 制动 反转 调速等 要求 合理选择电机的类型 2 根据负载转矩 转速变化范围和起动频繁程度等要求 考虑电动机的温升 限制 过载能力和起动转矩 合理选 择电动机的功率 使功率匹配合理 力求安全 可靠 经济 3 根据使用场所的环境条件 如温度 湿度 灰尘 雨水 瓦斯 腐蚀及易 爆气体含量等 选择电动机的防护结构型式 4 根据企业电网电压标准和对功率因数的要求 确定电动机的电压等级 5 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的要求 以及机械减速的 复杂程度 选择电动机的电压等级 6 选择电机时 要考虑产品的价格 建设费用和运行费用 力求综合经济效 益最好 7 选择电机时 要考虑影响安装 运行和维护的因数 力求安装和检修方便 运行可靠 8 9 10 考虑到电机的发热 过载能力 实际工作要求经常启动 制动 负载转矩 较大 具有一定调速能力 工作环境良好 综上考虑选用防护式线绕式异步电 动机 经测定现有挤压机的单位功耗为 q 0 0548kwh kg 本课题的挤压机的生产 率为 10t d 由公式 P 0 0548 416 7 23kw 结合以上要点和实际生产的需要 本课题所选电机为 第三章电机的选择和轴键的计算 28 三相异步电动机 YR450 4 9 主要技术指标为 功率 37KW 电流 72A 电压 380V 效率 95 8 功率因数 0 87 重量 1780Kg 额定转速 980r min 堵转电流倍数 6 9 堵转转距倍数 1 4 最小转矩倍数 0 7 根据扭矩公式 T 9550 P n 得 T 9550 37 980 360 56kn m TL 满足要求 3 2 主轴的压杆稳定校核 主轴的材料为 45 钢 查表得 长度350 280a 210a SP MPaMPEGP L 1229mm 直径 d 73mm 由公式求出 292 1 6 210 10 86 280 10 P E 主轴可以简化成一端固定 一端自由的悬臂梁 u 2 截面为圆形 柔度为 4 Id i A 134 7 4 ulul d i 1 所以可以用欧拉公式计算临界压力 294 2 22 210 10 73 64 21440 5 2 1229 cr EI FN ul 主轴的轴向力为 22 6 0 073 7 10 7324 5 44 d FPSPN 所以安全系数为 7324 5 3 1 21440 5 st cr F n F 所以选用的主轴压杆稳定 第三章电机的选择和轴键的计算 29 3 3 键的强度校核 键的选择 键一般采用抗拉强度极限 ss 600 MPa 的碳钢制造 通常用 45 钢 类型选择 键的类型应根据键联接的结构 使用特性及工作条件来选择 选择时应考虑以下各方面的情况 需要传递转矩的大小 联接于轴上的零件是 否需要沿轴滑动及滑动距离的长短 对于联接的对中性要求 键是否需要具有 轴向固定的作用 以及键在轴上的位置 在轴的中部还是端部 等 尺寸选择 键的剖面尺寸 b h 按轴的直径 d 由标准中选定 键的长度 L 一 般按轮毂宽度定 要求键长比轮毂略短 5 10 mm 且符合长度系列值 2 平键联接的强度校核 平键联接的主要失效形式是工作面的压溃和磨损 对于动联接 除非有严重过 载 一般不会出现键的剪断 如图所示 沿 a a 面剪断 设载荷为均匀分布 由图可得平键联接的挤压强度条件 44 360 56 1000 96 8 73 12 170 T dhl 故所选用的键符合要求 式中 T 为转矩 N mm d 为轴径 mm h 为键的高度 mm l 为键的工作长度 mm p 为许用挤压应力 MPa 第三章电机的选择和轴键的计算 30 第四章 挤压部件的校核 4 1 螺杆与机筒的基本参数 螺杆与机筒的基本结构示意图 如图 4 1 所示 其基本参数为 图4 1 机筒与螺杆基本结构示意图 1 螺杆直径 名义上指与螺杆相配的机筒内径 用 D 来表示 考虑 s D 到螺杆与机筒之间具有间隙 螺杆的实际直径为 2 DDs 2 螺纹高度 名义上将机筒内表面和齿根之间的尺寸称为螺纹高度 s H H 螺杆实际螺纹高度为 HH s 3 齿根直径 螺杆齿根的直径 r D ssr HDHDD22 4 螺杆直径间隙 2 机筒内径和螺杆直径之差 第四章挤压部件的校核 28 s DD 2 5 导程 I 从一个螺纹的前沿到同一螺纹向前转一周后的前沿在它们的 外径处的轴向距离 6 螺旋角 螺纹和垂直于螺杆轴线的平面之间所形成的夹角 D I D I s 11 tantan 7 螺道的轴向宽度 B 从一个螺纹的前沿到同一螺纹旋转一周后的后沿 在螺杆直径处的轴向距离 8 螺道宽度 W 如上面那样测得的相邻两齿前沿和后沿之间的垂直距离 cosBW 9 螺道长度 Z 螺杆螺道在 z 向的长度 螺旋线旋转一周 其螺道长度 为 sin I Z 10 螺纹的轴向厚度 b 在螺杆直径处测得的轴向齿厚 b I B 11 螺纹厚度 e 垂直于螺纹面测得的螺纹厚度 cosbe 如下图 4 2 设小挤压机的螺杆直径为长度为 1 D 1 L 第四章挤压部件的校核 29 图4 2 挤压部件螺杆部分示意图 1 在如下图 4 3 设挤压机的螺槽宽度为螺槽高度为 1 W 1 H 图4 3 挤压部件螺杆部分示意图 2 第一节螺杆各段长度 1 L319mm 第二三节螺杆长度 23 249LLmm 第四节螺杆长度 4 131Lmm 第一节螺杆直径 1 104 s Dmm 第二 三节螺杆直径 23 97 ss DDmm 第一节螺杆齿高 1 22 2Hmm 第二 三节螺杆齿高 23 24 2HHmm 第一节螺杆导程 1 180Imm 第二 三节螺杆导程 23 69IImm 第一节螺杆螺纹轴向厚度 1 10bmm 第二节螺杆螺纹轴向厚度 2 12 6bmm 第三节螺杆螺纹轴向厚度 3 12 75bmm 第一节机筒长度 1 400lmm 第二 三节机筒长度 23 342llmm 第四章挤压部件的校核 30 第四节机筒长度 3 376lmm 第一节机筒内径 1 253dmm 第二 三节机筒内径 23 253ddmm 4 3 螺杆与机筒的强度计算 螺杆和机筒强度计算的原始参数主要有机头中物料的最大压力 螺杆 max p 的轴向作用力和作用在螺杆上的扭矩 而当计算结果不能满足强度要求 z p t M 时 则必须考虑修改某些参数 在进行螺杆和机筒强度计算之前 必须先确定强度计算的原始参数 4 3 1 受力分析与确定 1 压力分布状况 机头压力和轴向力是进行挤压机设计计算的基本参数 它们是螺杆的机筒 机头与机筒连接零件的作用力 轴承受力 机筒与料斗座 连接螺栓设计计算依据 同时 机头压力是使物料通过机头口模进行正常挤出 保证产品质量的重要参数之一 机头压力的产生是轴旋转的螺杆对物料所作的作用力而推动物料前进 同 时 由于螺槽容积的逐渐缩小和装设了机头 口模 分流板和滤网等而阻碍物 料的正向流动 使物料通道中产生了压力梯度 因而在机头区域产生了压力 即机头压力 一般都根据实测来确定机头压力 在不同的情况下 轴向压力的 分布是复杂的 因此 一般在试验中是用多点来测量物料在螺杆轴向位置上的 压力分布 不过 在挤压机设计计算时采用压力峰值作为机头的压力是偏于安 全的 2 螺杆轴向推力的确定螺杆轴向推力的大小受许多因素影响 例如机头 压力 物料的物理性能 螺杆结构及其转速和机筒温度等 其值主要包括两部 分 一是机头处的物料作用与螺杆端面上的总压力 另一是在挤压时由于动 1 P 载荷产生的附加压力 例如在螺杆全长上物料在向前运动时产生的剪切阻力 热弹态的摩擦阻力以及物料自重所产生的摩擦阻力等的轴向分量 由于影响 2 P 轴向推力的因素很多 因此其数值的计算是比较困难的 特别是确定值更为 2 P 困难 因此 一般轴向推力可根据下式进行计算 21 PPPz 第四章挤压部件的校核 31 式中 螺杆的轴向推力 N z P 物料作用在螺杆端面的总压力 N 1 P 在挤压时由于动载荷产生的附加压力的轴向分量 N 2 P pDP s 2 1 4 式中 螺杆外直径 m s D p 螺杆端部的物料压力 Pa 根据实验研究 112 25 0 125 0 4 1 8 1 PPP 有些实验得出 当机头压力时 Pap 7 104 05 3 5 5 5 3 2z PP 当 p 20MPa 时 25 5 12 2z PP 目前 多用下式计算轴向力 1121 25 0 125 0 PPPPPz 故得 pDP sz 2 4 1 25 125 1 从以上分析看出 螺杆的轴向力主要由机头压力产生 4 3 2 螺杆的强度计算 图 4 4 螺杆结构示意图 螺杆的连接形式按照螺杆与减速箱中的传动轴固定方式不同 一般可以分 为紧固和浮动两种 前者螺杆与传动轴是同一零件 或者配合的很紧密 后者 螺杆与传动轴为两个不同的零件 并以较松的配合连接 在挤压时其螺杆端部 在机筒内浮动 因而其自重引起的弯曲应力可忽略 所以 在实际计算时都可 近似地视为一端固定的悬臂梁 第四章挤压部件的校核 32 螺杆的受力状态如图 3 5 所示 在螺杆的全长上主要受物料的压力 p 克 服物料的阻力所需的扭矩和螺杆自重 G 的作用 由图可知 沿螺杆径向所受 t M 的压力 p 大小相等 方向相反而互相抵消 故计算时对 p 的影响只考虑轴向压 力 p 对螺杆的作用 即螺杆所受的轴向力 并且螺杆的纵向弯曲问题也可 z p 忽略 因此对螺杆强度计算 可归结为压 扭 弯联合作用下的复合计算 由 于在一般情况下螺杆根径处的承载能力最差 所以 对螺杆的强度计算 可进 一步归结为在上述复合应力作用下螺杆根径 特别是加料段 断面的强度计算 图4 5 螺杆的受力分析 1 由轴向力产生的压缩应力 z p c 可由下式求出 c Padd D p dd Dp os s os s c 22 2 max 22 2 max 25 1 15 1 4 4 25 1 15 1 式中 螺杆轴向最大压力 Pa max p 螺杆最小断面的根径 m s d 螺杆冷却水孔直径 m o d 2 由扭矩产生的剪切应力 t M 第四章挤压部件的校核 33 Pa Cdn N Cd n N W M s s s t 43 max max10 43 max max9 1 1096 4 1 16 107360 9 式中 抗扭断面模量 s W 3 m 挤压机主电机最大传动功率 kW max N 螺杆最高转速 r min max n C so dd 3 由螺杆自重 G 产生的弯应力 b Pa Cd dDL Cd L G W M s ss s b b b 43 2 2 43 1 1 32 2 或 Pa d dDL s ss 3 2 2 式中 螺杆自重产生的弯距 N m b M 抗弯断面模量 b W 3 m L 螺杆有效螺纹长度 m G 螺杆自重 kg LdDG ss 2 16 螺杆材料的密度 kg m 3 4 螺杆的合成应力 根据材料力学可知 对塑性材料合成应力用第三 r 强度理论计算 其强度条件为 Pa r 4 2 第四章挤压部件的校核 34 式中 Pa bc 螺杆的材料许用应力 Pany y 螺杆材料的屈服极限 Pa y 螺杆的安全系数 y n 实际上 由于螺杆自重引起的弯曲应力很小 故不论是紧固式还是浮 动式连接的螺杆 其自重引起的弯应力都可忽略不计 4 3 3 机筒的强度计算 图 4 6 机筒结构示意图 机机筒筒受受力力分分析析 在挤压机挤出过程中 机筒内壁有高压熔体 使筒壁上的任一点 都处于 三向应力状态 即切应力 径向应力和轴向应力 机筒的这一受力状 态 相当于外侧表面压力 只受内侧表面压力时 厚壁圆筒的受力 状态 因此 我们可以应用厚壁圆筒理论 分析和计算挤压机机筒的应力 见 下图 13 14 第四章挤压部件的校核 35 图 4 7 厚壁圆筒受力断面图 由于机筒外经与内径之比 因此可用厚壁圆筒理论进行 1 1 kDD bo 强度计算 根据厚壁圆筒理论 圆筒内壁受物料的压力 p 作用时 机筒壁上每一点处 于三向应力状态 即径向应力 切向应力和轴向应力 根据不同 r z 材料选用不同的强度理论 对机筒的壁厚进行设计计算或校核 本挤压机机筒 采用塑性材料制造 因此采用第四强度理论进行计算 因此按第四强度理论 最大变形能量理论进行计算 根据圆筒厚壁理论 PPa r R rR b b bb b r 2 2 22 2 max 1 Pr Pa rR rRP r R rR bb bb b b bb b 22 22 2 2 22 2 max 1 Pr 由轴向力引起的轴向拉应力在机筒全长上不变 即 Pa rRrR rP F P bb b bb bz z 22 2 22 2 Pr 其强度条件为 222 2 1 rzzrr 必须指出的是 决定机筒壁厚还必须同时考虑机筒结构的工艺性和必须的热容 量问题 以利于机筒的加工制造和热的稳定性 而按强度理论计算出的壁厚往 往使机筒的热惯性太小 因此 机筒壁厚的确定是一个比较复杂的问题 目前 第四章挤压部件的校核 36 多采用经验统计来决定壁厚 然后再按公式进行强度校合 4 3 4 安全系数的确定 当材料选定后 对挤压机的主要零部件进行设计计算时 正确的确定他们 的安全系数 对于保证挤压机安全持久地工作也是很重要的 一般的说 挤压 机螺杆 机筒 机头于机筒的联接螺栓 以及防止过载荷用的安全销都要进行 强度计算或强度校核 因而存在一个安全系数的确定问题 在这里 螺杆和机 筒的安全系数取 3 y n 第五章冷却加热装置和成型装置的设计 27 第五章 冷却加热装置和成型装置的设计 5 1 冷却加热装置的设计 加热与冷却是挤压加工过程顺利进行的必要条件 随着螺杆的转速 挤出 压力 外加热功率以及挤压系统周围介质的温度变化 机筒中物料的温度也会