PE外波纹管挤出机头结构尺寸设计

目录第一章绪论绪论1.1选题依据及课题意义PE外波纹管材是一种以热塑性材料聚乙烯为原料制成的塑料管材，因其外部是环形波纹状所以叫外波纹管。PE波纹管的内表面光滑、外表面是闭合的波纹型。它环形波纹状结构的外壁使得管材的环刚度大大增强，同时也使得管道的抗外压能力有所提高。广泛的用在住宅小区地下埋设排水排污、高速公路预埋管道、农田水利灌溉输水、排涝、化工、矿山用于流体输送等方面[1]。PE外波纹管一般是用挤出成型的方法制备的，一步成型波纹状外壁及光滑内部。而挤出机头是挤出成型过程中用到的最关键的部件之一，对管材能否获得理想的性能和满足要求的尺寸起着决定性的作用。近年来，在国家的支持和许多专家的努力下，我国塑料管道行业在许多方面都取得了很大的成效[2]，对于管材成型方面也有了更高的要求，因此实现PE外波管材的连续挤出成型具有很大的现实意义。图1-1为波纹管： 图1-1波纹管示意图 国内外研究综述热塑性塑料波纹管在其开发和发展的三十多年间，相关技术已经较为完善。尤其是PE双壁波纹管在国际上已经是应用最为成熟的塑料输水压力管道之一[3]。下面介绍几种挤出机头的类型：管材挤出成型机头的结构类型（1）直通式挤管机头如图1-2所示，它的机头轴线和挤出机的轴线能够比较容易的实现重合，还有着设计结构简单、制造难度小、性价比高的优点，但是不适合生产大口径管材，在生产过程中容易造成芯模加热困难的现象，从而在分流器支架接缝处引起管材强度降低，只能用于小口径管材的生产，例如PVC等塑料的成型。图1-2直通式管机头（2）直角式机头如图1-3所示，这种类型的机头分流器支架被舍去，只留有一条接缝线。能生产电线电缆类的塑料产品。芯模加热容易，有利于用内径定型法挤管。但是，它的结构复杂，不利于企业降低成本，获得较高的利润。适用于承受内压的管材成型，如PE、PP等塑料产品。图1-3直角机头（3）侧向机头挤出机流出的熔融的料流先从弯形流道流入，再进入到机头中，料流经过芯棒后沿着机头轴向流出。可以使挤出方向与挤出机成一个角度，也可以与挤出螺杆轴线相平行。适合大口径高速挤出，但是结构复杂，成本高[4]，如图1-4所示。图1-4侧向机头国外热塑性波纹管材挤出机头发展现状[5]如图1-5所示的是通过口模5或模芯6前进运动来调节厚度误差的波纹管挤出机头。相比于传统的波纹管挤出机头，它加长了口模5和模芯6的长度，这种类型有两个致命的缺点才导致了它的适用面狭窄，一是为了能够保证口模有足够的空间用于充塞，它的直径比较大，实际上充塞时口模直径近似于长度。第二个缺点是用这种方法调节厚度误差，还需要同时调节波纹管定型装置，这样才能保证它与口模的同心度能够满足要求，第二个缺点会导致其结构复杂化，因为波纹管定型装置还必须要设计一种装置能使其很快地保证其与插入的口模的同心度。图1-5用口模前进运动的方法调节厚度误差的机头第二种机头如图1-6所示，这种机头通过模芯6相对于固定口模5前进运动来实现管壁厚度的调节，当需要调节管壁厚度误差时，由于口模是固定的，所以在使用这种机头的情况下不需要由其他装置来保证调节波纹定型装置与口模来使得他们同心。但此时机头直径并没有因此减少，反而比原来更大。图1-6用模芯前进运动的方法调节厚度误差的机头图1-7所示的机头是由机头体1和固定座4以及模芯支架3组成。模芯支架3外表面是可在固定座4内旋转的球面。模芯6与模芯支架3，口模5与固定座4都是刚性连接，在模芯支架3上有两个销钉8(其中一个可作导入气体的喷嘴用)。可依靠调整螺钉7旋转模芯支架3来消除厚度方面的误差，调整螺钉7与销钉8相互顶着当妻子一个调整螺钉松开，那么另一个螺钉就会顶紧。当有情况需要时，也能提高在另一个平面上调整来解决问题。这种结构型式的机头经过重重测试之后，实验结果表明可以满足使用要求，由于完全消除了滞留区，它与现在使用的一些机头相比较具有体积小，节约材料，加热器的额定功率小，操作更加简便的优势。图1-7用模芯角式移动的方法调节厚度误差的机头国内管材挤出机头发展现状近年来，在国家的宏观调控下，我国的塑料行业也抓住了发展的机遇，尤其是在挤出机头方面进步很大。国内的改进技术如下：图1-8所示是陈俊在传统机头的基础上设置的二道阻流装置，当使物料通过双阻流芯棒时，物料将产生一定的阻力来增强管材的密实度，便于消除分流器支架产生的结合线，实现增强管材的抗爆破强度和表面光泽度。[6]张友新介绍了组合式芯棒在机头中的应用，由图1-9可以看出通过机头的优化设计，管材的复合外层采用直角式机头优化设计，机头内没有分流器支架，流道设计比较流畅，管材定径精度高，表面光泽度好，成本低。[7]图1-8二道阻流装置的应用图1-9组合式芯棒的应用冷却装置1.3.1定型装置物料从口模中刚刚挤出时，还基本上是熔融的状态，温度很高，所以要设计定型装置进行初步的冷却，以免熔融的管材胚料在重力的影响下变形，不能满足所需要的形状和尺寸。之后管材将进入冷却装置中进一步冷却。由此可见，定型装置在管材尺寸的的确定过程中起着决定性的作用。它的结构是由所采取的定径方法决定的，管材定径的方法分为外径定径和内径定径两种方法。1.3.2冷却装置当管材从定型装置出来时，其温度依然远远高于室温，由于在其壁厚的径向方向上温度并不一致，而是存在着一定的温度差，表层温度低而内部温度高，这样会使原来以及硬化的表层温度上升而软化，导致管材形状不满足要求，所以接下来还需要设计一种装置来进行冷却，降低温度。这个装置就是冷却装置。现在有两种管材的冷却方式，一种是适合中小型口径管材的浸浴式冷却法，另一种是用于大型口径的塑料管材的喷淋式(或喷雾式)冷却法。（1）浸浴式冷却水槽浸浴式冷却水槽分布着几个格挡的部分，以便于实现温度梯度的维持，调节冷却速度。硬管从冷却槽出来的温度，最好接近于室温。为了保证内应力比较小，避免水温变高和部分地方温度变化不均匀而破坏到管材的品质，冷却水必须满足两个条件，即保持合适的水位和保持水循环或者便于换水。冷却水槽两端装有中心打孔的泡沫塑料(或橡胶)圆片，这样管材既能通过又能满足水不溢出的要求。为了使水槽在地面上稳定的移动，将水槽四个合适的滚轮，这样不但可以便于调节水槽与定径套的间距，而且可以通过旋转螺丝撑杆调整冷却水槽的高度，满足水槽与定径套对中的需要。（2）喷淋式和喷雾式冷却水箱由于冷却水槽中水的随着水处于不同的水层而不同，导致管材温度在圆周上随着位置的变化而变化，引起管材的弯曲变形，越是大型的管材受到的影响就越大。同时大型管材在冷却水槽中受到浮力的影响更大，导致管材冷却程度随着位置的不同而变化，冷却效果不均匀从而导致管材弯曲产生内应力。采用喷淋水箱来代替冷却水槽，沿着管材圆周设计均匀分布的水头，采用喷淋的方式可减少管子的变形，得到更好的冷却效果。在挤出异形管材时，由于异型管材各部分的结构不均匀，所以其厚度也不相同，所以要根据壁厚来不止喷水头，加强对厚壁的冷却效果，减少对薄壁的冷却作用，这样使整个材料的冷却达到均匀状态。整体优化方案设计本章对PE外波纹管挤出机头进行了优化设计，提出了三种方案并且进行了优缺点的比较，选出了合适的方案。设计思路针对直通式外波纹管挤出机头存在的受熔接痕影响大的问题，对其芯棒进行优化设计。普通机头的芯棒整体比较光滑，不利于消除物料流经分流器时产生的熔接痕，造成了管材塑化性能较差，强度不高的缺点，通过本次优化设计可以提高管材的塑化性能和强度。优化总体方案芯棒优化方案方案一：采用方案三：将二道阻流装置迁移到波纹管挤出机头的设计之中，物料在经过阻流芯棒时会受到压缩，实现了消除熔接痕的目的，从而可以提高波纹管材的性能和强度。本方案采用的是带有阻流装置的芯棒，减少了熔接痕的影响，芯棒有两部分组成，一是阻流芯棒，二是缓冲芯棒。将两者介绍如下：阻流芯棒是成型管材内表面的关键部件，同时也增强了管材的强度。当物料经过芯棒的二道阻流装置的时候，物料受到压缩，增强了管材的密实度，提高了管材的塑化性能分流器支架造成的熔接线的得到了消除，因此管材的强度被提高。芯棒二道阻流装置的凸起部分与平直部分之间用适当的半径相连接，连接处没死角，避免了物料在流道中停滞分解，二道突起半径的大小要合理，阻流半径过大塑料流动阻力增加，容易造成物料分解，过小则不利于消除熔接线。将一段阻流芯棒设计在了阻流芯棒的前端，物料的性能被显著提高，物料流经缓冲槽之后，物料可以得到更为理想的稳压稳流速度，同时只要将缓冲芯棒卸下换另一种不同直径的芯棒，就可以实现生产不同直径的管材的目的。为生产节省了时间和成本。所以采用方案三。图2-3采用阻流芯棒的PE外波纹管挤出机头本章小结通过比较以上三种方案的优缺点，确定采用方案三，通过将阻流芯棒应用在PE外波纹管挤出机头来消除熔接痕的影响。机头结构尺寸计算本章对机头进行了详细的计算，通过对口模、芯棒、分流锥、分流器支架的设计确定了机头的基本尺寸和结构。基本条件根据下表选用PE管材：表3-1PE管材规格及尺寸公差SG80-75mm外径外径公差壁厚公差5±0.10.5±0.26±0.10.5±0.28±0.21.0±0.310±0.21.0±0.312±0.31.5±0.316±0.32.0±0.420±0.42.0±0.425±0.42.0±0.532±0.52.5±0.540±0.53.0±0.650±0.54.0±0.863±0.85.0±0.8根据上表选用外径为20mm，壁厚为2mm的管材。其他已知条件采用SJ-45/25D.C塑料挤出机，螺杆直径为45mm，机筒出口与口模连接处尺寸为45mm的圆孔。挤出机压力差∆p=22MPa，成型段到出口的压力差∆p本设计机头采用主要40Cr钢制造，根据《机械工程师手册》，40Cr钢的抗拉强度为980MPa屈服强度为785MPa，弹性模量为E=200GPa，阻流板采用45钢，45钢的抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa，弹性模量206GPa，泊松比为0.3。PE外波纹管挤出机头结构尺寸设计计算本节对口模、芯棒、分流器、分流器支架进行详细的计算和校核，设计出了它们的结构和尺寸。3.2.1口模口模是用来使管材表面成型的零件，需要确定其定型段长度、和口模的内径。计算如下：口模定型段长度L1的数值与管子外径D、管壁厚度h，挤出速度和塑料性能等都有直接关系，所以L1可以用熔体流动理论导出的近似公式求出，但是在实践中常按照如下经验公式求出：L1=ct式中，L1是口模定型段长度（mm）;t是管材的壁厚（mm）;c是系数，与塑料品种有关，见下表：表3-2口模定性段长度与壁厚关系系数物料HPVCSPVCPAPEPPL1（18~33）t(15~25)t（13~23）t（14~22）t（14~22）t口模的内径d。在实践中发现：当管材与口模分离开之后，在压力降低的影响下，塑料会出现因弹性回复而膨胀的现象，管材的截面积增大，而另一方面，由于牵引和冷却收缩的关系，管材截面积也会有缩小的现象。这种现象在理论上难于计算。经常采用如下经验公式计算:d=Da式中，d为口模内径；D为管材外径公称尺寸；a为系数，取1.04~1.08。根据上述公式求得口模尺寸如下所示:取t=5mm，c=18;取a=1.04，DS=63mm得：口模内径d=60.58mm定径段长度L1=90mm芯棒芯棒是用来成型管材内壁的零部件，通过螺纹和分流器连接起来，用分流器支架固定于机头内部。它的结构应设计得有助于物料流动和容易制造出来。收缩角β要比扩张角α小，这样会适合料流的流动。它的中心有孔，用来通入压缩空气，使得管材产生内压，从而实现外径定径。主要设计的尺寸包括芯棒外径d1、成型区长度L2、压缩段长度L3以及压缩角β。芯棒外径芯棒外径决定了管材的内径，但是因为离模膨胀和冷却收缩的影响，芯棒外径尺寸和管材的内径并不相等，可由如下的经验公式确定：d1=d-2δ式中，d1是芯棒的外径（mm）；d是口模的内径（mm）；δ是口模与芯棒的单边间隙（mm）;t是管材的壁厚(mm)；K1是经验系数，取1.16~1.20。芯棒长度和压缩角芯棒的长度包括成型区长度L2和压缩段长度L3，L2可取与L1相等。L2与L1共同构成管材的成型区。即:L2压缩段L3与口模中相应的锥面构成压缩区，使进入定型区之前的熔接痕被消除。L3用如下经验公式计算：L3式中，D0是在过滤板出口处熔体的流道直径(mm)。压缩角β对于低粘度塑料取45°~60°，高粘度塑料取30根据上述公式可以求得芯棒的尺寸如下：芯棒外径d1取成型段长度L2=90mm取压缩段长度L3=60mm压缩角β=45°3.2.3拉伸比和压缩比拉伸比和压缩比都是与口模和芯棒尺寸相关的工艺参数。拉伸比指的是口模与芯棒在成型区的环隙截面积比上挤出管材截面积，反映了在牵引力作用下管材从高温的胚料到冷却成型之后的截面的变形情况。也反映了纵向取向程度和拉伸强度。它受到很多种因素的影响，经常是通过实验方法确定。具体值见如下表格：表3-3常用塑料挤出所允许的拉伸比塑料HPVCSPVCLDPEHDPEPAPCABS拉伸比1.00~1.081.10~1.351.20~1.501.10~1.201.40~3.000.90~1.051.00~1.10下面是拉伸比公式：I=d2式中，I是拉伸比；DS、ds是塑料管材的外径和内径（单位：mm）；d、d1是分别为口模内径、芯棒外径（单位：mm）。由上式可知，在口模内径确定之后，利用允许的拉伸比以及管材内外径尺寸就可以确定出d1。压缩比指的是机头和多孔板相接处最大料流截面积与口模和芯棒在成型区的环形间隙面积之比，反映了挤出成型中塑料熔体的压实程度。低粘度的塑料的压缩比ε=4~10，高粘度的塑料的压缩比取ε在口模内径确定好以后，利用拉伸比公式可得I和ε如下：取DS=63mm，ds=58mm拉伸比I=1.20压缩比ε=5分流锥和分流锥支架的设计分流锥的设计分流锥也可以称为分流器。塑料通过分流器变成薄环状，以便于进一步的加热和塑化。一些大型的挤出机分流器里面会有加热装置。分流器和多孔板之间有一段空腔，可以使得料流汇聚起来，而且也有益于补充塑化。所以分流器的顶尖与多孔板端面之间的距离要设计的合理，过小的话会导致出管不均匀，太大的话物料的停留时间会过长导致物料分解。一般可以根据经验将距离设计成10~20mm之间，或者是稍微小于0.1Ds扩张角α也不能太大，不然料流阻力会过大，甚至于会导致物料不流动而分解。但是α过小会是料层太厚而不利于加热。对低粘度物料α取30到80度，高粘度物料α取30到60度。分流锥上的分流锥面长度按照下式计算:L4=(1~1.5)D0，或者是（0.6~1.5）Ds分流锥表面粗糙度Ra应该小于0.4。分流锥安装时，要保证与机头体的同轴度在0.02mm之内。分流器头部圆角半径R=0.5~2mm，R太大将不利于物料流动。由上述资料和相关资料设计如下：分流锥的角度α取分流锥的角度α分流锥的长度LL4分流锥锥顶和阻流板之间的距离L取L分流器支架的设计分流器支架主要作用是支撑分流器以及芯棒。同时也使料流分束，起到均匀搅拌的作用。小型机的分流器支架可以和分流器设计成一个整体。为了及时消除熔接线，分流器上的分流筋应做成流线型，在强度足够的情况下，其宽度和长度要尽量小。其出料端的角度要比进料段的角度小。分流筋的数量也要尽量小，常常取4~8根。分流器支架拥有进气孔和导线孔，用来通入压缩空气和内部装置电加热器时通入导线。本次设计为小型机头故分流筋取3根。分流筋所受到的剪切应力的校核若机头压力为P=22MPa，分流筋数量n为3，截面尺寸如下图所示，现对其进行校核:分流锥在物料流动方向的面积：F=3.14×4022=1256mm2分流筋纵向截面积：f=10×202+10×72=135mm2由剪切强度计算公式τ=剪切力为:τ=22×12563×135=68.2MPa（采用45号钢所以σs=335因此许用剪切力为：[σ]=σsns=355[τ]=0.6~0.8由上述可知：τ≤[τ]所以经校核分流筋强度足够。分流器两侧压力降选择三根分流筋，则有三个流腔，可以等效的看作是三个完全相同的矩形截面流腔，下面进行其尺寸的计算：矩形宽度a与通过流腔中心线的圆弧的长度相等。它的值近似计算公式如下：a=πD0+式中，D0，D1分流器支架流腔外径和内径（m）；n是分流筋数量；a=3.14×0.06+0.032×3矩形截面高度B计算如下:B=D0-D12流经分流支架流量Q0因为流腔分为三部分，所以所采用的Q0取总流量的三分之一，总流量Q公式如下Q=W3600ρ（式中W为产量（kg/h）；ρ为熔体的密度（kg/m3）Q0=13×由矩形截面流道压力降公式得：∆=-=5.49×104Pa（分流筋截面中性轴根据材料力学和理论力学相关知识建立如下坐标系:根据坐标系可知分流筋形心x坐标为x=0形心y坐标为:y=AiyiAi=1210×20×20所以分流筋中性轴通过点（0，5.54）且平行于z轴。分流筋截面对中性轴的惯性矩由材料力学相关知识可知，计算过程如下：设y轴右侧三角形面积为S1，那么其两斜边的直线方程如下：上：y20+x5Iz=2A1y2dA=2057x则分流筋截面关于中性轴的惯性矩Iz0=IZ-Sb2=8.5×10-10-分流筋弯矩校核计算由于分流筋两端的压力差的存在，分流筋受到弯矩的作用，将分流筋看作是悬臂梁，则其弯矩M∆p=∆式中，∆p是分流器两侧的压力差，b为分流筋的宽度，B由上式得：M∆p=5.49×104×0.01×最大弯曲应力σσbmax=ymax∙分流筋强度分流筋同时受到剪切应力和弯曲应力，计算其当量应力满足σeq=σσp=σsn=3551.3=273MPa由上式得：σ分流筋强度校核通过。冷却装置设计当管材从机头挤出时，刚刚成型为波纹管材，但是它的温度依然很高，如果不进行冷却，会导致管材发生弯曲变形，产生内应力，不仅降低了管材的强度，还使管材不能满足所需要的尺寸要求，因此必须进行冷却装置的设计。定型装置由于我国规定的硬管标准是外径带公差且外径定径法适合中小口径管材，所以采用外径定径法中的内压法。内压定径套长度近似等于10倍管材外径，D定径套内径d冷却装置由于本次设计的为小口径管材，所以采用冷却水槽作为冷却装置。我国的塑料硬管挤出辅机的冷却方式，冷却水槽长度见下表：表3-4塑料硬管挤出辅机冷却水槽长度辅机规格4590150管材外径（mm）10~4025~6340~11063~160120~200160~280200~400冷却方式浸浴式浸浴式喷淋式冷却槽长度（mm）150030004000根据上表本次的设计选用浸浴式冷却，冷却槽长度为1500mm。本章小结本章通过计算确定了口模、芯棒、分流锥、分流锥支架的尺寸和结构，设计了定型装置的结构，确定了浸浴式水槽作为冷却装置，因为浸浴式水槽结构简单对于小口径管材具有很好的冷却效果。。强度计算与校核除了上述的口模等关键部件，还有一个零件虽然小，但是对波纹管成型的强度也有着重大的影响，它就是阻流板，本章对其进行结构尺寸的设计计算。4.1阻流板的设计和校核阻流板是挤出机机筒与挤出模入口之间的一个装置，负责进一步塑化流经其中的塑料熔体，也能阻挡住没有变成熔融状态的塑料，避免未经熔融的塑料阻塞机头。4.1.1阻流板的结构设计阻流板上应设计有几圈通孔，他们对称分布，这样，料流经过时就可以被塑化，熔体由挤出机机筒经过阻流板进入机头内部时要经过小段圆管形进行过度，同一截面上熔体中心的流速比其他地方的流速要更快，所以设计时靠近中心的通孔的直径要小于其他地方的直径，这样的话，熔体流经阻流板后就会有比较均匀的流速，通孔间的间距不能过大，过大会导致增大压力损失，过小会导致机械加工困难，同时降低材料抵抗剪切变形的能力。因此设计在料流入口有母线成5度的锥形小孔，孔间距约为6mm，板厚为6mm。4.1.2阻流板强度的校核（1）阻流板孔间距校核阻流版最薄弱部分是最外边的通孔那部分，该部分的宽度为1.45mm。剪切强度的公式如下：τ=PSnf≤[τ]式中，[τ]为许用剪切应力，MPa，τ为材料的剪切应力，MPa，S为受剪切的材料的受力面积，f为材料的截面积，P为所受压力，n为受剪切的具有相同截面的材料的数量。[σ]=σsns，ns=1.2~1.5，选用45号钢为原材料，[τ]=0.6~0.8σ=0.7×安全起见，不考虑其他孔的面积，考虑机头压力都施加在该处，可得：τ=PSnf=22×π×19216×1.45×6=179.24MPa≤[τ]校核通过。（2）板厚的校核采用平板式阻流版，阻流板两侧的压力差为：∆η为熔体的粘度，单位为Pa∙s，Cn为系数，经查得Cn=1，F为线性速度流动因数F=WD2ρn，W为产量，B为阻流板因数，B=Zb2D2Nbdb3n，db是阻流板孔的直径，m；由上述公式可得：熔体通过阻流板产生的压力降为：F=WD2ρn=250.045B=Zb2D2N∆p=CnηFB=1因为ht=1，满足条件0.3≤α=1-2RLt由于阻流板与孔的配合为过渡配合，所以选择阻流板支撑条件系数Bp=0.321下面计算最大许用弯曲应力σp和安全系数因为45号钢延伸率大于5%，所以为塑性材料，屈服应力可以作为极限应力。在一般的计算过程中，塑性材料的安全系数S=n=1.5~2.0。在挤出机处于稳定工作状态时，阻流板所受到的压力也是稳定的，