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中國地質大學長城學院2012畢業(yè)設計
小型塑料擠出機設計
摘 要
單螺桿擠出機是一種嚙合型擠出設備，以其優(yōu)異的加工性能得到了越來越廣泛的應用，并成為市場發(fā)展的主要趨勢。通過參閱了許多文獻，分析了現(xiàn)有常規(guī)單螺桿擠出機和加料段機筒開直槽單螺桿擠出機（IKV單螺桿擠出機）的固體輸送段存在的物料輸送問題，設計了一種加料段機筒配置螺旋溝槽襯套的單螺桿擠出機。通過合理的溝槽設計，克服了現(xiàn)有加料襯套采用直槽產生的襯套剪切力大、溫升高，導致擠出機強制輸送能力下降的缺陷，提高了擠出機的產量。
本文的工作對于單螺桿擠出機的研究、設計和應用具有很好的參考價值。
關鍵詞： 單螺桿擠出機； 機筒； 設計。
ABSTRACT
As a kind of engaged device，single screw extrude has been gained widespread availability，for its extremely excellent attribute for processing，and single screw extruder has became the main tendency of market development.By referring to a lot of literature available and analysis the conveying problems existing in the solid conveying zone of the conventional single screw extruders and the single screw extruders that use the IKV system, a kind of single extruder whose feed section was comprising of a feed bushing that has several helical grooves in its inner surface was designed. Its conveying theory was also studied. It can realize positive conveying in the solid conveying zone. Besides, it can also overcome the defects that the existing feed bushings have, such as high shearing force, high melt temperatures, which can decrease the solid conveying capacity of the extruder. So it can highly increase the output of the extruder.
The works of the paper will play a positive role for designs，studies and applications of single screw extruder.
Key words: Single Screw Extrude; Barrel； Design
目 錄
1.緒論 1
1.1課題背景 1
1.1.1普通單螺桿擠出機 1
1.1.2加料段機筒開軸向溝槽的單螺桿擠出機 1
1.2 研究目標及內容 4
2.主要機構及零部件的方案對比、選擇 5
2.1單螺桿擠出機的結構 5
2.1.1單螺桿擠出機組成 5
2.2傳動方案的設計和選擇 5
2.2.1擠出機驅動功率的確定 5
2.2.2擠出機的轉速要求及調速范圍 5
2.2.3擠出機的傳動系統(tǒng)的組成 6
2.3 螺桿的結構及材料 7
2.3.1螺桿的材料的選擇 7
2.3.2螺桿結構形式 7
2.3.3螺桿的表面處理 8
2.4機筒的結構及材料 8
2.4.1機筒材料的選擇 8
2.4.2機筒的表面處理 8
2.4.3機筒的結構形式 8
2.4.4機筒與機頭的連接形式 9
2.5加熱冷卻方案的對比和選擇 9
2.5.1加熱功率的確定 9
2.5.2擠出機的加熱方法 10
2.5.3擠出機的冷卻裝置 11
2.6機筒與支架間的連接 12
2.7擠出機加料系統(tǒng)的設計 12
3.重要結構的設計及校核 13
3.1傳動系統(tǒng)的設計及校核 13
3.1.1皮帶傳動設計 13
3.1.2 V帶輪的結構尺寸 15
3.2 加料套的設計 17
3.3 螺桿的設計及校核 20
3.3.1螺桿的設計 20
3.3.2螺桿的強度計算及校核 23
3.4 機筒的設計及強度校核 24
3.4.1機筒壁厚的選擇 24
3.4.2機筒的強度校核 24
3.5 螺桿尾部平鍵的強度計算 25
結 論 26
參考文獻 27
致 謝 28
1.緒論
1.1課題背景
擠出成型具有生產率高、適應性強、用途廣泛等優(yōu)點，幾乎適合于所有高分子材料的加工。螺桿擠出機是聚合物加工最基本的裝備之一。迄今為止, 對單螺桿擠出機的研究已有近90年的歷史。過去人們對單螺桿擠出機的研究僅僅是停留在普通擠出機的理論研究和結構完善上，這只能適當提高產量、改善制品性能。
1.1.1普通單螺桿擠出機
普通單螺桿擠出機的機筒的內表面都是光滑的圓柱面，機筒中的物料向前輸送的動力來源于物料與加料段機筒之間的摩擦力fb。由固體輸送理論可知，通過提高fb，可以增大輸送角?，進而獲得較高的生產率Qs。但是對于普通單螺桿擠出機來說，fb一般較小，擠壓系統(tǒng)的固體輸送率Qs很低，進而影響到擠出機的產量。
此外，加料段的冷卻一般只限于機筒的加料口附近，再加上該段與前面的熱機筒沒有隔熱措施，熱機筒的熱量就會傳導至該段，因此冷卻不充分，不但未能增大物料與機筒之間的摩擦系數(shù)fb，反而有可能在一定的條件下，雖然機筒表面溫度未達到物料的熔點，但物料在摩擦熱作用下便已經融化了，固體輸送率會更低。
1.1.2加料段機筒開軸向溝槽的單螺桿擠出機
在70年代以前，設計螺桿時，螺桿的擠出量是按計量段的熔體輸送理論公式來考慮的。這時，擠出量受機頭壓力影響較大，而與粘度有關。螺桿的幾個功能段（輸送、壓縮、熔融和均化）在螺桿的三段上是相互重疊的。由于種種原因它們相互影響。例如，如果料斗中存在架橋現(xiàn)象或加料口幾何形狀設計不合理，這些因素往往導致加料段充滿狀態(tài)的不穩(wěn)定，塑料的壓縮狀態(tài)也不穩(wěn)定，達到一定壓力的壓縮點的位置一會兒超前，一會兒延后。此外，由于塑料在螺桿上熔融起始點的位置不僅決定于機筒的熱傳導情況、剪切熱產生的情況和塑料的熱性能，而且還直接決定于塑料的壓縮狀態(tài)，即決定于壓縮點達到位置和壓力升高的狀況。為此，如果壓縮點在螺桿上變化，勢必會導致熔融起始點也在螺桿上變化。由此壓力、溫度和產量都會產生波動，當轉速提高后這個現(xiàn)象更為嚴重。
采取一些措施后雖然會對上述不足有所改進，例如，通過強制計量加料可以改善加料的穩(wěn)定性，采用混合元件和加長計量段，會減少熔料的各種波動。但另外一個問題仍未很好地解決。例如：塑料在螺桿上壓實不足，壓力形成緩慢，塑料在螺桿上除了有軸向移動外，還存在相當大的徑向滑動，因此輸送率很低，一般只有0.3～0.5，擠出量受機頭壓力影響較大。
從20世紀70年代開始，德國亞琛工業(yè)大學塑料加工研究所（IKV）和巴登苯胺蘇打廠（BASF）的一些研究工作者對如何提高固體輸送生產率進行了一系列研究，設計并生產了性能優(yōu)越的擠出機。這種機器的主要特征是，在螺桿加料段依靠強制加料來提高螺桿的輸送效率，依靠設置于熔融段和計量段上的混煉元件來保證輸送能力提高后的擠出質量。螺桿的三個主要功能，輸送、塑化和均化，分別在螺桿上獨立地完成，它克服了普通螺桿幾個功能段相互重疊并由此帶來的不穩(wěn)定和波動現(xiàn)象。
1—機筒；2—加料座；3—料斗；4—溝槽
5—加料套；6—冷卻水通道；7—隔熱墊
圖1-1 IKV系統(tǒng)的基本結構
IKV螺桿的強制輸送作用主要依靠機筒在加料段處的特殊結構來完成的。它的基本結構是這樣的：在機筒的加料段上設置一段帶有內錐孔的套筒，錐孔內壁沿周圍開出若干條軸向溝槽，套筒的外表面開有冷卻循環(huán)水或者其他冷卻介質的螺旋溝槽，料斗座與機筒間設有隔熱層，防止高溫機筒向后傳熱。
a—粉料的楔形結構 b—粒料的楔形結構
1—螺桿；2—加料套；3—粉料；4—粒料
圖1-2 物料的楔形結構斷面圖
它的工作原理如下：
物料隨螺桿轉動的趨勢受溝槽側面的阻擋；
物料形成“架橋”或者“楔形”，使fi≈5fb的特性得到充分利用；
物料如同帶翅的螺母套在螺桿上，螺桿轉動，物料“螺母”軸向轉動，其效果相當于提高了fb，而減小了打滑和回流，進而提高了固體輸送率；
錐孔的內孔、溝槽的斜度，使物料盡快壓實，盡早建立壓力；
隔熱層可以防止高溫往后傳；
冷卻系統(tǒng)將高壓、高摩擦產生的熱量帶走，防止過早出現(xiàn)熔膜而破壞固體輸送機理；
此外, 普通擠出機在加料段建立的壓力是極小的, 其產量在很大程度上要依賴于背壓，而在開槽襯套擠出機中, 物料能在加料段末端建立起比背壓高的壓力, 這樣, 其產量受背壓的影響很小甚至沒有影響, 在加料段就完成了輸送物料的任務?？偟膩碚f，加料段機筒開槽，可提高物料的輸送率，進而提高擠出機的產量，此外，擠出機的性能更加穩(wěn)定。
但是它也有缺陷如下：
由于摩擦力正比于正壓力和摩擦系數(shù)，螺桿和機筒的壽命又直接與摩擦副的相對運動速度有關，而IKV系統(tǒng)的加料區(qū)正好具備高壓高摩擦和高速工作的條件，因此，IKV系統(tǒng)的螺桿和機筒磨損比較嚴重，需要采用耐磨性較高的螺桿材料和機筒材料；
由于高壓高摩擦和高速的工作條件，加料區(qū)產生了大量的熱量。為了保證高的輸送率和擠出質量，必須對加料區(qū)進行強制冷卻。物料出襯套后，需要對物料進行重新加熱，冷卻又加熱，浪費了能源；
冷卻水結垢后，使冷卻效率降低，甚至堵塞；
冷卻水壓、水溫變化使冷卻效果不一，使輸送效率產生波動；
冷卻水耗量大；
螺桿承受扭矩大，功耗大，需要提高螺桿的強度，增加了成本；
在加料段末端可能產生極高的壓力，有損壞帶有溝槽的薄壁機筒危險；
IKV系統(tǒng)是建立在固體摩擦理論基礎上的，因此這種系統(tǒng)顯然不適于熔料擠出機，如造粒出機中的后處理擠出機和一些混煉機；
在機筒需要排氣的場合，使用IKV系統(tǒng)時比較困難的。這時第二計量段的生產率得不得不由機頭壓力來確定，而第一計量段生產率過大將造成排氣口的冒料。IKV系統(tǒng)加大了第一階螺桿的生產率，為此排氣式擠出機使用IKV系統(tǒng)時困難的。
為了解決加料段機筒開槽擠出機的這些問題，美國發(fā)明專利（專利號5909958）披露了一種新技術，與常規(guī)開槽機筒不同，機筒溝槽上設置有鍵，鍵的徑向高度小于溝槽的徑向深度，用獨立的控制機構來調節(jié)鍵在溝槽中的徑向高度位置，槽深可從零變?yōu)槿疃?。這樣就能夠依據(jù)塑料顆粒的形狀、大小來精確調節(jié)溝槽的深度，形成適宜的摩擦，獲得最佳的輸送效率。槽深可獨立調節(jié)的加料段開槽擠出機的優(yōu)點有：較高的產量，加工過程更加穩(wěn)定，可以加工高分子量聚乙烯，比如HDPE。此外，開槽部分的輸送效率可以和聚合物及螺桿的特性相匹配。由于槽和鍵的這種組合式溝槽流道，當更換物料時，可以輕易地清洗料筒，單有溝槽的加料段機筒不具備這種特性。在實際的工藝條件下，可以通過調節(jié)溝槽的深度使得加工過程得到優(yōu)化。此外，通過機頭壓力波動的反饋機制，可以對溝槽深度進行自動優(yōu)化。溝槽深度可調節(jié)的加料段機筒開槽擠出機的主要優(yōu)勢在于能夠更加精確的控制擠出系統(tǒng)的輸送效率、壓力、溫度等，從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定擠出。
1—螺桿；2—機筒；3—鍵；4—控制機構
圖1-3 槽深可獨立改變的加料段結構
美國的這一發(fā)明技術的另一種結構形式是：溝槽傾斜，即槽深全長不等，而鍵的全長厚度相同；或者溝槽全長深度一致，而鍵全長厚度不等，上游端薄，下游端厚（下游端厚度略小于溝槽深度），放在溝槽里形成了上游槽深，下游槽淺。兩種形式都構成了漸變形槽深。每一條溝槽上也設置有執(zhí)行機構來與鍵連接，用來調節(jié)溝槽中鍵的徑向深度，這樣就能夠控制所形成的溝槽的深度和機筒的中心孔的尺寸。通過監(jiān)測工藝參數(shù)，比如用傳感器來監(jiān)測機筒壓力，形成控制環(huán)。將這些數(shù)據(jù)傳送給加工控制器，然后控制器調節(jié)執(zhí)行機構獨立控制溝槽的槽深，同時也就能夠控制工藝參數(shù)。
綜上所述，為了提高加料段的固體輸送效率，通常的做法是在加料機筒內設置開槽襯套，槽的形式主要是直槽式，但是正如前面所述，這種形式的擠出機的輸送效率還是不夠高，且存在諸如剪切熱過大的問題。因此，這一課題的目的是通過研究單螺桿擠出機的固體輸送理論，設計一種可以實現(xiàn)類似于雙螺桿擠出機的正位移輸送的單螺桿擠出機，這種擠出機的加料段的襯套是螺旋型的，而不是直槽型的，可以通過設計螺旋溝槽式襯套，使其與擠出機螺桿有一定的幾何參數(shù)的相匹配關系，從而提高固體輸送效率，提高擠出機的產量。
1.2 研究目標及內容
研究高產量的單螺桿擠出機是當前擠出機發(fā)展的主要方向，它能很大程度地提高企業(yè)的生產效率，進而有助于提高企業(yè)效益。本文的目標就是在總結借鑒前人研究的基礎上，通過研究高產量擠出機的機理，試圖設計單螺桿擠出機的傳動系統(tǒng)，加料系統(tǒng)和擠壓系統(tǒng)的設計，使其能夠完成較高的產量擠出機的工作。
2.主要機構及零部件的方案對比、選擇
2.1單螺桿擠出機的結構
2.1.1單螺桿擠出機組成
（1） 傳動系統(tǒng)：由驅動電機、減速器、止推軸承等構成，作用是驅動螺桿旋轉，提供螺桿轉動所需的扭矩和轉速，并承受螺桿的軸向力；
（2） 加料系統(tǒng)：由料斗、料斗座等組成，料斗座的作用是儲料，料斗由料斗座支撐，機筒和減速器通過加料座連接；
（3） 擠壓系統(tǒng)：由螺桿、機筒等組成，它是擠出機的“心臟”，對塑料進行連續(xù)輸送、塑化、均化、定壓定量地擠出；
（4） 加熱冷卻系統(tǒng)：由加熱器、冷卻器、冷卻通道等組成，保證擠出機工藝溫度要求；
（5）控制系統(tǒng)：有電控柜、檢測元件、儀表、電氣元件等組成，作用是對擠出機的運轉及工藝條件進行控制。
2.2傳動方案的設計和選擇
傳動系統(tǒng)是擠出機的主要組成部分之一，它的作用是驅動螺桿，并使螺桿能在選定的工藝條件下（如壓力、溫度和轉速）獲得所必須的扭矩且能均勻地旋轉，以完成對物料的輸送和塑化。
2.2.1擠出機驅動功率的確定
影響擠出機驅動功率的因素是很多的，雖然沒有精確有效地方法來確定擠出機的驅動功率，但是可以利用經驗公式來估算，然后再進行確定。
N=KD2n （2-1）
式中 N——擠出機的驅動功率，kw
D——螺桿的直徑，cm
n——螺桿的轉速，r/min
K——系數(shù)，它根據(jù)實驗和統(tǒng)計分析進行確定。根據(jù)我國生產的擠出機進行統(tǒng)計，對D≤90mm擠出機，一般K≈0.0354；對于D>90mm的擠出機，K≈0.008
N=KD2n=0.00354×4.52×50=3.58kw
2.2.2擠出機的轉速要求及調速范圍
對擠出機的速度要求有兩方面，一方面是能無級調速，另外就是應該有一定的調速范圍，前者是為了控制擠出質量及于輔機的配合一致；后者針對擠出機應具有適應各種加工而提出來的。所謂擠出機的調速范圍，就是指螺桿的最高轉速與最低轉速的比值（nmaxnmin）。轉速范圍的確定很重要，因為它直接影響到所能加工物料和制品的范圍、機器的生產率、功率消耗、制品的質量、設備的成本和操作是否方便等。
在本設計中取擠出機的最大轉速為nmax=50rmin。對大多數(shù)擠出機來說，其調速范圍在1:10內，因此在這里取擠出機的最低轉速為nmin=5rmin。
2.2.3擠出機的傳動系統(tǒng)的組成
擠出機的傳動系統(tǒng)通常由原動機（如電動機等）、調速裝置和減速裝置組成。 本設計中傳動系統(tǒng)由電機、皮帶和減速箱組成。
傳動鏈組成形式：電動機皮帶減速箱雙鍵螺桿
（1）電機的選擇
由于IKV擠出機所需的電機功率比普通的擠出機大，由前面的計算的擠出機的驅動功率，初步選定電機功率為7.5kW。電機選用三相異步電動機，型號為Y132-M-4-B3。
表2-1 Y132-M-4-B3電機的主要技術參數(shù) JB/T 96161—999
電機型號
額定功率
滿載轉速
滿載電流A
功率
因素
重量
Y132-M-4-B35
7.5
1440
15.4
0.85
81
（2）減速器的選擇
從電機到螺桿的總傳動比為
i總=n電機額定轉速nmax=144050=28.8
可選減速箱傳動比為i減速箱=20，則皮帶輪的傳動比為i=1.44
根據(jù)電機的功率和螺桿的轉速，減速箱選用ZLYJ系列減速箱。ZLYJ系列減速箱是為塑料螺桿擠出機配套設計的高精度硬齒面帶推力座的傳動部件。產品設計采用了JB/T8853-2001所規(guī)定的各項技術規(guī)范。其特點是齒輪和軸類零件采用了高強度合金鋼。齒輪經滲碳、淬火、磨齒工藝加工。齒輪精度為GB10095-88.6級。齒面硬度HRC54-62。在空心輸出軸前端配置有超規(guī)格的推力軸承，承受螺桿的工作軸向力。軸承和油封等主要標準件皆采用國內優(yōu)質產品。整機具有體積小、承載能力高、傳動平穩(wěn)、噪聲低、效率高等特點。產品性能已達到國際先進水平，可替代同類型進口產品使用。
本設計選用的減速箱為：ZLYJ 146-20。
減速箱的裝配形式有以下幾種：
圖2-1 減速箱的裝配形式
根據(jù)擠出機的安裝要求，在這里選擇第一種裝配形式。
螺桿的軸向推力為Pz=99KN<153KN，ZLYJ 146-20能承受此軸向推力。
潤滑方式采用飛濺潤滑，冷卻方式采用自然冷卻。
表2-2 ZLYJ 146-20-Ⅰ減速器的主要技術參數(shù)
產品型號
公稱傳動比
公稱轉速
許用輸入功率
輸出扭矩
輸入
輸出
ZLYJ 146-20-Ⅰ
20
1000
50
8.11
1549
2.3 螺桿的結構及材料
2.3.1螺桿的材料的選擇
對螺桿材料的性能有以下要求：
（1） 加工性良好，也即切削性能良好和拋光性能良好，前者是為了減少螺桿加工工時，后者是為了增加螺桿表面光潔度；
（2） 熱處理性能良好，主要是指熱處理時變形要小，這是保證螺桿正常工作的必要條件；
（3） 耐磨性和耐腐蝕性良好，這是保證螺桿壽命的基本要求；
（4） 有足夠的芯部強度；
（5） 附著性好良好，例如，在鍍鉻，噴涂，堆焊等工序中必須保證螺桿基本金屬和附加物的附著性；
（6） 成本盡可能低廉。
基于以上要求的考慮，選擇螺桿的常用材料：38CrMoAlA。
2.3.2螺桿結構形式
由于擠出機主要用于加工聚烯烴，尤其是LDPE，其結晶度較低，屬于無定形物料，因此螺桿結構形式采用漸變式，加料段等距等深，熔融段等距變深，計量段等距等深。螺桿加工制造容易，成本低，由于螺紋升程相等，物料與機筒的接觸面積大，從外加熱的機筒上吸收的熱量多，有利于固體塑料的熔融和均勻壓縮,塑化物料；加料段的第一個螺槽深度大，有利于進料。關于螺桿的具體結構設計在下一章進行介紹。
2.3.3螺桿的表面處理
（7） 氮化深度0.3-0.6mm，硬度HV=700~900，脆性：≤2，調質: HB=260~290
2.4機筒的結構及材料
2.4.1機筒材料的選擇
與螺桿的相似，38GrMoAlA的綜合性能較好，故選用它作為機筒的材料。
2.4.2機筒的表面處理
氮化深度0.4-0.7mm，硬度HV>940，脆性≤2 級。
2.4.3機筒的結構形式
a b
c d
a—整體式；b—分段式；c—襯套式；d—雙金屬式
圖2-2 常見的機筒結構形式
由于本設計在加料段設置了加料套，因此機筒采用分段組合式b。關于機筒的具體結構設計在下一章進行介紹。
2.4.4機筒與機頭的連接形式
a—鉸狀連接；b—螺釘連接；c—剖分連接；d—冕狀螺母連接
圖2-3 幾種常見的機筒與機頭的形式
鉸狀螺釘連接拆裝機頭快速，方便，故本設計采用這種連接方式。
2.5加熱冷卻方案的對比和選擇
加熱與冷卻是塑料擠出成型過程能夠進行的必要條件。隨著螺桿的轉速、擠出壓力、外加熱功率以及擠出機周圍介質的溫度變化，機筒中物料的溫度也會相應地發(fā)生變化。因此，為了使塑料始終能在其加工工藝所要求的溫度范圍內擠出，一般是通過加熱或冷卻的方式不斷地調節(jié)機筒內塑料的溫度來實現(xiàn)的。
2.5.1加熱功率的確定
按機筒內表面積計算
H=11000πDb2LDA （2-2）
式中：Db——機筒的直徑（cm）
LD——螺桿的長徑比
A——單位面積的加熱功率（Wcm2）,一般取A=3~4Wcm2
在這里，取A=3.8Wcm2，則
H=11000πDb2LDA=11000×π×4.52×25×3.8=6.04kw
根據(jù)擠出機機筒的長度和所計算得到的加熱功率，可以將機筒分為3段加熱，每段的加熱功率為2kW，也即加熱段數(shù)。
2.5.2擠出機的加熱方法
目前擠出機的加熱方法有：載體加熱、電阻加熱和電感應加熱等。
（1）熱載體加熱
利用熱載體作為加熱介質的加熱方法稱為熱載體加熱。這種方法加熱均勻，但需要配置一套專門設備，故較少應用。
（2）電阻加熱
電阻加熱是用得最廣泛的加熱方式，其裝置具有尺寸小、重量輕、安裝方便等優(yōu)點。
由于電阻加熱器是采用電阻絲加熱機簡后再把熱傳到塑料上，而機筒又是一個具有一定厚寬的筒體，因此在機筒的徑向方向上便形成較大的溫度梯度。另外，用它來加熱也而要較長的時間。同時，使用云母片作絕緣材料的電阻加熱器其電阻絲易氧化受潮等，也會使其壽命縮短。由于要使用大量的云母片作絕緣材料，加熱器的成本也較高。
近年來，在許多擠出機上采用了鑄鋁加熱器。它是將電阻絲裝于金屬管中，并填進氧化鎂粉之類的絕緣材料，然后將此金屬管鑄于鋁合金中。實際上它是一種改進了的電阻加熱器。它與舊式的電阻加熱器相比較，既保持了原來電阻加熱器的體積小、裝設方便及加熱溫度較高的優(yōu)點。而由于省去了云母片，便降低了加熱器的成本。此外，由于電阻絲是裝于加熱金屬管的密實的氧化鎂粉中，就使得它有防氧化、防潮、防震和防爆等性能，因而提高了加熱器的使用壽命，傳熱效果也比舊式加熱器好。
鑄鋁加熱器的最大加熱溫度一股力350~370℃，如要求有更高的加熱溫度，則可采用鑄鐵或鑄銅加熱器，以提高加熱裝置的耐久性。
（3）電感應加熱
電感應加熱時通過電磁感應在機筒內產生電的渦流而使機筒發(fā)熱，從而達到加熱機筒中物料的作用。
電感應加熱與電阻絲加熱相比具有如下幾個特點：
①它是由機筒直接加熱塑料的，因此預熱外觀的時間較短(大約7分鐘左右)。在機筒的徑向方向上的溫度梯度較小。
②由于以上特點，采用此加熱器時對溫度調節(jié)的反應較電阻加熱的靈敏，從而有較大的溫度穩(wěn)定性，對制品的質量很有利。
③由于感應線圈的溫度不會超過機筒的溫度等原因，它比電阻加熱器可節(jié)省電能；
④在正確的冷卻和使用的情況下，感應加熱器的壽命比較長。
感應加熱器也有其不足之處，如加熱溫度會受感應線包絕緣性能的限制，這對成型加工溫度要求比較高的塑料尤其是一些工程塑料是不適合的。其次是它的徑向尺寸大，用在大型擠出機上必然會使機器的體積龐大，而且需要大量的矽鋼片等材料。另外，它在形狀復雜的機頭上裝設也不方便。當同一臺機器上其機頭不得不用電阻絲加熱時，因機頭升溫時間較長，則機筒采用感應加熱也就顯不出其預熱升溫快的優(yōu)點。同時，它在裝拆方面也不很方便。
綜上所述，本設計采用鑄鋁加熱器對擠出機進行分段加熱。
2.5.3擠出機的冷卻裝置
在設計風冷裝置時，每一個加熱段都單獨配有冷卻用鼓風機，而且在機筒表面都有一定通道，防止空氣無規(guī)則地流動，而出現(xiàn)冷卻不均勻現(xiàn)象。采用鼓風機進行冷卻，其結構形式如圖：
1—鑄鋁加熱器；2—機筒；3—螺桿；4—鼓風機
圖2-4 風冷加熱
表2-3 DF-3型風機的參數(shù)性能
型號
流量
（）
全壓
（Pa）
轉速
（r/min）
噪音
（dB）
電動機
電機重量
功率（kW）
電壓
(V)
三相
DF-3
405
450
2840
75
0.18
380或220
5.3
2.6機筒與支架間的連接
1—調整螺釘；2—機筒；3—螺桿；4—支架
圖2-5 機筒與支架間的連接結構
為了調節(jié)機筒的中心以及防止軸向竄動，支架上有3個調節(jié)螺釘。
2.7擠出機加料系統(tǒng)的設計
加料裝置的作用是給擠出機提供物料。它一般由料斗部分和上料部分組成，料斗裝于擠出機的加料座上，將物料不斷地提供給擠出機。上料部分主要是將物料輸送到料斗上，不斷向料斗提供物料。
料斗的形狀一般做成對稱的，常見的有圓錐形、矩形和正方形等。料斗的側面開有視鏡孔．以便觀察料位變化情況。料斗底部設開合門，用以停止和調節(jié)加料量。料斗上方安有蓋子，以免灰塵和雜物進入。
本設計用的料斗如下圖所示。
1—料斗蓋；2—料斗；3—視鏡；4—開合門
圖2-6 加料斗
3.重要結構的設計及校核
3.1傳動系統(tǒng)的設計及校核
3.1.1皮帶傳動設計
現(xiàn)在已知電機功率P=7.5kw，轉速n1=1440rmin，皮帶傳動比i=1.44
（1） 確定計算功率Pc
取工作情況系數(shù)KA=1.3，故
Pc=KAP=1.3×7.5=9.75kw （3-3）
（2） 選擇V帶的帶型
根據(jù)Pc和n1，選用基準寬度制SPZ型窄V型帶
（3）確定帶輪的基準直徑dd，并驗算帶速v
初選小帶輪的基準直徑dd1=112mm
驗算帶速v
v=πdd1n160×1000=π×112×144060×1000=8.44ms （3-4）
因為5ms
0.7dd1+dd2=0.7×112+160=190.4mm （3-7）
a0<2dd1+dd2=2×112+160=544mm （3-8）
初定中心距a0=540mm
（6）確定帶基準長度
Ld0=2a0+π2dd1+dd2+dd2-dd124a0
=2×540+π2112+160+160-11224×540=1508.07mm （3-9）
取 Ld=1600mm
（7）實際中心距a
a≈a0+Ld-Ld02=540+1600-1508.072=585.97mm （3-10）
安裝時所需最小軸間距
amin=a-0.015Ld=585.97-0.015×1600=562mm （3-11）
張緊或者補償伸長所需最大軸間距
amax=a+0.03Ld=585.97+0.03×1600=633.97mm （3-12）
（8）小帶輪包角
α1≈180°-dd2-dd157.3°a=175.31° （3-13）
（9） 單根帶所能傳遞的額定功率P0
根據(jù)帶型、dd1和n1，查的P0=2.77kw
（10） 考慮傳動比的影響，額定功率的增量?P1=0.15
（11） V帶的根數(shù)Z
Z=PcP0+?P1KαKL=9.752.77+0.15×0.99×1.01=3.34 （3-14）
Kα--包角修正系數(shù)，取Kα=0.99
KL--帶長修正系數(shù)，取KL=1.01
取Z=4，需要4根帶
（12）單根V帶的初拉力F0
F0=5002.5Kα-1PcZv+mv2
=500×2.50.99-19.754×8.44+0.07×8.442=220.6N （3-15）
--V帶單位長度質量，取m=0.07kgm
（13）有效圓周力
Ft=1000Pcv=1000×9.758.44=1155.2N (3-16)
作用在軸上的力
FQ=2F0Zsinα12=2×220.64×4×sin175.31°2=1763.3N （3-17）
Fmax=1.5F0=1.5×1763.3=2664.95N （3-18）
Fmax——考慮到新帶的初拉力為正常拉力的1.5倍
綜上所述，選用的V帶型號為SPZ-1600-GB/T 11544-1997
3.1.2 V帶輪的結構尺寸
（1） 帶輪的材料
因帶輪的線速度較小，故可以采用HT200。
（2） 小帶輪的結構形式:
根據(jù)帶型SPZ和小帶輪基準直徑dd1,由機械設計手冊選小帶輪的結構形式為實心式
小帶輪孔徑及其直徑偏差
d0=38H7=380+0.025mm （3-19）
小帶輪輪轂直徑d1
d1=1.8~2d=2×38=76mm （3-20）
因電機的伸出軸長度為80mm,故取小帶輪長L=80mm
小帶輪輪槽截面尺寸：
基準寬度bd=8.5mm
基準線上槽深hamin=2mm
基準線下槽深hfmin=9mm
槽間距e=12±0.3mm
第一槽對稱面至端面的最小距離fmin=7mm
輪槽角φ=38°±1°
最小輪緣厚度δmin=5.5mm
小帶輪輪寬B=Z-1e+2f=4-1×12+2×7=50mm
小帶輪外徑da=dd1+2ha=112+2×2=116mm
圖3-1 小帶輪的結構圖
（3） 大帶輪的結構形式:
減速箱的輸入軸直徑為d'=32mm
則大帶輪孔徑及其偏差d0'=32H7=320+0.025mm
根據(jù)帶型SPZ和小帶輪基準直徑dd1，由機械設計手冊選用大帶輪的結構形式為腹板式，腹板厚度S=12mm
大帶輪輪轂直徑d1'=1.5~2d'=2×32=64mm
因減速箱的輸入軸的伸出長度為80mm,故取大帶輪長度L'=80mm
大帶輪輪槽截面尺寸：
基準寬度bd'=8.5mm
基準線上槽深 hamin'=2mm
基準線下槽深hfmin'=9mm
槽間距e'=12±0.3mm
第一槽對稱面至端面的最小距離fmin=7mm
輪槽角φ=38°±1°
最小輪緣厚度δmin=5.5mm
大帶輪輪寬B'=Z-1e'+2f'=4-1×12+2×7=50mm
大帶輪外徑da'=dd2+2ha=160+2×2=164mm
圖3-2 大帶輪結構圖
帶輪的技術要求：
輪槽工作面不應有砂眼、氣孔；各輪槽間距的累積誤差不得超過±0.6mm，任意兩槽的基準直徑差不得大于0.4mm。
3.2加料套的設計
3.2.1擠出機加料套的設計
⑴ 加料套結構參數(shù)的確定
依據(jù)雙螺棱推動理論可知，設計的機筒加料套的結構特征為：機筒加料套為螺旋溝槽，槽寬且槽淺棱窄，螺槽深度小于粒料的粒徑，目的是避免剪切；為保證質量流率恒定，加料套螺旋角是漸變的。
①加料套的長度L
加料套的長度指的是加料口到襯套出口的距離L。通常L=3~5D，本設計中取加料套的長度L=5D=225mm。加料套的螺旋角是漸變的，而螺旋角為30°~50°時效果最佳，因此，本設計中取加料套的導程由144mm漸變?yōu)?0mm。
②加料套溝槽的形狀
由于本設計中的加料套溝槽是螺旋形的，而螺旋形溝槽的形狀一般有矩形和鋸齒形兩種，在本設計中，取矩形螺旋溝槽，這種形式溝槽的效果最佳。
③加料套螺紋頭數(shù)M2的確定
對于大型的擠出機來說，溝槽的數(shù)目大約是螺桿直徑的110，但是對于小型擠出機來說，溝槽的數(shù)目大約是螺桿直徑的15，因此，設計加料套的螺紋頭數(shù)M2=8。
④加料套的溝槽深度H
加料套的溝槽深度指的是螺槽底至螺棱頂面的距離。為了避免剪切，該距離不應大于物料顆粒的最大尺寸。由于物料在溝槽中運動，因此螺槽的深度還將影響到物料與摩擦力的大小。由TGL理論的受力分析可知，溝槽中的物料與溝槽三面接觸，也即螺槽底面和螺槽兩側面，而物料在螺槽中運動時受到的外摩擦來源于這三個地方，如果螺槽深度太大，則螺槽兩側面的面積就會增大，使得物料受到的摩擦力也將增大，而擠出機實現(xiàn)正位移輸送的邊界條件是弧板嵌入螺桿螺槽的部分與嵌入加料套螺槽的部分的分界面上的剪切力τ不能大于分界面上的摩擦力。因此螺槽的深度不宜太深。此外，由TGL理論的固體輸送率方程可知，螺槽深度的減小也有利于固體輸送率的提高。
因此，根據(jù)物料顆粒的大小以及經驗，確定加料套的溝槽深度H2=2.5mm。
⑤加料套的螺槽寬度b
加料套的螺槽寬度應大于物料顆粒的大小，還與螺桿的直徑有關。由TGL理論的固體輸送率公式知道，加料套螺棱寬度e2的大小也將影響到固體輸送率，因此螺槽的寬度不應太小，否則螺棱的寬度e2就會太大。此外，由弧板模型的受力分析知道，螺槽的寬度也會影響固體塞與螺槽底面的摩擦力，進而影響到正位移的實現(xiàn)，因此螺槽寬度應當適宜。
本設計中螺槽較寬而螺棱較窄，根據(jù)經驗加料套總的螺槽寬度應該在D到0.5πD之間，也即45mm到70mm之間，取螺槽寬度b=6.5mm，則總螺槽寬度為52mm，滿足這一條件，故合適。
根據(jù)這些參數(shù)設計出的加料套的結構形式如下圖所示。
圖3-9 基于TGL理論的加料套結構圖
⑵ 加料套的基本特點：
①加料套的內表面開設了8條螺旋溝槽，溝槽的旋向與螺桿螺槽的旋向相反；
②為了對加料段進行冷卻，在加料套溝槽外圓開設有螺旋水槽；
③加料套與內襯焊接后精加工至最后尺寸；
④內襯上開有鍵槽，通過平鍵與加料座相連接，防止加料套發(fā)生旋轉。
3.3 螺桿的設計及校核
3.3.1螺桿的設計
⑴ 螺桿各段的長度
螺桿各段的長度主要與物料性能和工藝條件相關。由于本設計的擠出機的加料段配置了螺旋式加料套，加料套的長度L=5D=225mm，因此，根據(jù)加料套的長度取加料段長度為L1=3D=315mm。
無定形物料隨著溫度的升高，物料會逐漸軟化，當溫度超過粘流溫度后，物料變成粘流態(tài)，這個過程是在一個相當大的范圍內完成的，在此過程中，物料的密度變化平緩，因此壓縮段開始要早，長度要長，根據(jù)經驗，取壓縮段長度為L2=10D=450mm。
由于IKV擠出機的固體輸送率較大，導致物料停留的時間變短，因此就需要考慮物料的塑化均勻度問題，為了使物料能在計量段中更好地均勻化，計量段的長度應取長些，甚至需要在計量段設置混煉段，因此本設計取螺桿的計量段長度為L3=8D=360mm。
則螺桿的長度為L=L1+L2+L3=315+450+360=1125mm。
⑵螺槽深度及壓縮比
①對于IKV擠出機來說，其壓縮比較小，因此計量段的螺槽深度要比普通擠出機的小，而當計量段的螺槽深度較淺時，壓力波動和溫度波動都較小。
H3=KD=0.0445=1.8mm，
取K=0.04。
②加料段的螺槽深度
由于加料段有開螺旋溝槽的加料套，因此與常規(guī)的螺桿相比，螺桿加料段的螺槽深度要小些，雖然表面上螺桿的壓縮比因此而變小了，但是由于有螺旋溝槽的存在，其實際壓縮比還是比較大的。本設計取幾何壓縮比ε=2，則加料段的螺槽深度為
H1=εH3=2×1.8=3.6mm
⑶ 螺旋角θ和螺距S
為了設計和方便加工，取S=D=45mm
螺旋角θ=17°40'
⑷ 螺桿螺棱法向寬度e1和軸向寬度b
由TGL理論知道，螺桿的螺棱寬度影響固體輸送率，其值過大，則固體輸送率就會降低，因此我們希望螺桿螺棱的寬度小些，根據(jù)經驗，計算其大小
e=0.1D=0.1×45=4.5mm
b=ecosθ=4.517°40'=4.72mm
⑸ 螺紋頭數(shù)M=1，單頭螺紋
⑹ 螺紋的斷面形狀
常見螺桿螺紋的斷面形狀有兩種，一種是矩形，另一種是鋸齒形，如圖3-11所示。前者在螺槽根部有一個很小的圓角半徑，它有最大的裝填體積，而且機械加工比較容易，適用于加料段；后者能改善塑料流動情況，有利于攪拌塑化，也避免了物料的滯留．適用于壓縮段和均化段。
a—矩形斷面；b—鋸齒形斷面
圖3-11 常見螺紋斷面形狀
本設計采用矩形螺紋，螺紋根徑表面與螺棱推進面成90°夾角，用小圓弧過渡，螺槽的容積較大。
⑺ 螺紋根徑處的圓角半徑：推力面R1<背面R2
R1=12H3=12×1.8=0.9mm
R2=2R1=2×0.9=1.8mm
圖3-12 螺紋斷面形狀
⑻ 螺桿的頭部形狀
當塑料熔體從螺旋槽進入機頭流道時，其料流形態(tài)急劇改變。即由螺旋帶狀(其實物料流動很復雜)的流動變?yōu)橹本€運動。為了得到較好的擠出質量，要求物料盡可能平穩(wěn)地從螺桿進入機頭，使其改變流動形態(tài)，同時要避免物料局部受熱時間長而產生熱分解等現(xiàn)象(也稱滯料現(xiàn)象)。這與螺桿頭部形狀、螺桿末端螺紋形狀以及機頭體中的流道和分流的流道和分流板的設計有關。目前國內外常用的螺桿頭部結構形式如圖3-13所示。
圖3-13 常見螺桿頭部的結構
本設計采用圓頭形螺桿頭a，螺桿頭的球半徑為R=20mm,結構如圖
圖3-14 螺桿頭部結構
⑼ 螺桿尾部的密封結構
目的：為了防止從料斗加入的物往螺桿尾部即傳動方向漏出，在螺桿尾部的無螺紋部分往往設計有密封部分。
措施：采用與螺桿螺紋旋向相同的螺紋進行密封，由于旋向相同，這種結構不僅能起密封作用，而且還能將已漏入密封內的物料推回到螺桿的工作部分。
圖3-15 螺紋尾部密封結構
⑽ 螺桿整體結構
圖3-16 螺桿的整體結構圖
3.3.2螺桿的強度計算及校核
（1） 與常規(guī)的擠出機的機頭壓力不同，IKV擠出機的壓力峰值一般出現(xiàn)在加料段末端，而且該壓力數(shù)值較大，因此校核時所取的壓力也應該是加料段處的壓力，根據(jù)經驗取螺桿的受到的壓力P=50MPa
圖3-17 螺桿受力分析圖
（2） 螺桿的軸向力Pz
Pz=0.98D2P≈D2P=0.0452×50×106=99KN （3-21）
（3）螺桿的強度計算
螺桿與主軸的連接方式：浮動式連接，配合較松，擠出時螺桿可被物料浮起，可以近似為一端固定的懸臂梁，危險斷面在加料段螺桿的根徑處。
①軸向力Pz產生的壓應力σc
σc=PzA=1.25π4D2Ds2-d02=PD2Ds2=50×106×45237.82=69.3Mpa （3-22）
螺桿無冷卻孔，故d0=0
其中Ds為螺桿最小斷面的根徑，Ds=37.8mm
②重力G產生的彎應力σb
σb=L2D+ds2γds3=4.5×2524.5+3.782×7.85×10-437.83=12.6MPa （3-23）
γ——螺桿的材料比重，鋼材取γ=7.85×10-4MPacm
③扭矩Mn產生的剪應力
τ=MnWn=9550Nnmaxηπ161-d0Ds4=9550×7.550×0.9π16×0.03782=121.6Mpa （3-24）④合成應力
σ=σc2+4τ2=69.3+12.62+4×121.62=256MPa （3-25）
材料屈服極限σs=850MPa
安全系數(shù)ns=2.8
許用應力
σ=σsns=8502.8=303.61MPa
因為σ<σ，故螺桿強度足夠。
（4）螺桿推力面上的擠壓應力σF
螺桿推力面上承受全部軸向力，故需校核其擠壓力
σF=PzF=4PzπD2-d2=4×99×103π0.0452-0.0382=217Mpa （3-26）
許用擠壓壓力
σ=0.3σs=0.3×850=255MPa
因為σF<σ，故安全。
3.4 機筒的設計及強度校核
3.4.1機筒壁厚的選擇
表3-1 我國某些擠出機的機筒壁厚 mm
螺桿直徑
30
45
65
90
120
150
200
機筒壁厚
20～25
20～25
30～45
40～45
40～45
40～45
50～60
選擇機筒的壁厚?=20mm，
機筒的內徑Db=45mm，
機筒的外徑D0=85mm
螺桿與機筒的配合間隙δ=0.2mm
表3-2 螺桿與機筒之間的間隙值(mm)（JB/T 8061-1996）
螺桿直徑
20
25
30
35
40
45
50
55
60
偏差
上
+0.18
+0.20
+0.22
+0.24
+0.27
+0.30
+0.30
+0.32
+0.32
下
+0.08
+0.09
+0.10
+0.11
+0.13
+0.15
+0.15
+0.16
+0.16
螺桿直徑
65
70
80
90
100
120
150
200
偏差
上
+0.35
+0.35
+0.38
+0.40
+0.40
+0.43
+0.46
+0.54
下
+0.18
+0.18
+0.20
+0.22
+0.22
+0.25
+0.26
+0.29
3.4.2機筒的強度校核
由于機筒外徑與內徑之比D0Db=k>1.1，因此可用厚壁圓筒理論進行強度計算。
根據(jù)厚壁圓筒理論，機筒內壁受物料的壓力P作用時，機筒壁上每一點都處于三向應力狀態(tài)，即徑向應力σγ?max、切向應力στ?max和軸向應力σz。
徑向應力
σγ?max=-p=-50MPa （3-27）
切向應力
στ?max=pR02+rb2R02-rb2=50×42.52+22.5242.52-22.52=89MP （3-28）
軸向應力
Σz=prb2R02-rb2=50×22.5242.52-22.52=19.5MPa （3-29）
按第四強度理論——最大變形能量理論計算，其強度條件為
σ=12σr-στ2+στ-σz2+σz-σr2
=12-50-892+89-19.52+19.5+502=120MPa （3-30）
σp=2Mn×102kld=2×1289.25×1034×90×38=188.5Mpa
因為許用應力 σ<σp，故安全。
3.5 螺桿尾部平鍵的強度計算
螺桿尾部與減速箱通過平鍵連接，平鍵的載荷性質屬于輕微沖擊，其許用擠壓應力為[σp]=100～120Mpa。
平鍵傳遞的扭矩
Mn=9550Nηnmax=9550×7.5×0.950=1289.25N?m （3-31）
選擇A型平鍵
鍵的寬度b=10mm
鍵的高度h=8mm
鍵的長度L=100mm
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=4mm
鍵的工作長度l=L-b=90mm
螺桿尾部軸的直徑d=38mm
σ=σsns=8502.8=303.6Mpa>σp （3-32）
由此可知，單個平鍵的擠壓強度不夠，考慮到相差較大，故采用雙鍵，兩個平鍵布置在沿周向180°的方向上。
雙鍵的工作長度l=1.5L=150mm
σp=2Mn×1034×150×38=113.1Mpa<σp，因此合適。
所選用的平鍵為：鍵10×100 GB/T 1096—2000
表3-3 鍵連接的許用擠壓應力、許用壓力 Mpa
許用擠壓應力、許用壓力
連接工作方式
鍵或轂、軸的材料
載荷性質
靜載荷
輕微沖擊
沖擊
靜連接
鋼
120～150
100～120
60～90
鑄鐵
70～80
50～60
20～45
動連接
鋼
50
40
30
結 論
本設計完成了單螺桿擠出機的主要構件的設計，這些構件與常規(guī)的IKV擠出：它的加料套開設的是螺旋溝槽，而傳統(tǒng)的IKV擠出機的加料套開設的是軸向溝槽，螺旋溝槽的優(yōu)勢在于能夠克服軸向溝槽剪切力大而導致物料溫升高進而影響擠出機的產量的問題。通過一系列的分析和計算，提高了加料段的固體輸送率，擠出機的產量得到大幅度的提高。本設計只是對擠出機主要構件做了理論上的分析和計算，實際生產中該擠出機的這些構件能否實現(xiàn)，還需要做進一步的實驗驗證。
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