小型塑料擠出機(jī)設(shè)計【含CAD圖紙】

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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計中期檢查表 學(xué)生姓名 李江 學(xué)號 05208307 班 級 08機(jī)制三班 指導(dǎo)教師 于建波 職稱 高級工程師 單 位 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計題目 小型塑料擠出機(jī)設(shè)計 已完成工作、存在的問題及下一步的打算 就目前我書寫的畢業(yè)設(shè)計情況來看，開題報告、外文翻譯、任務(wù)書、文獻(xiàn)綜述等已經(jīng)完成就緒；在單螺桿塑料擠出機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計方面，針對于傳動系統(tǒng)中最重要最復(fù)雜的齒輪零件，根據(jù)設(shè)計要求，我進(jìn)行了深入的數(shù)據(jù)分析計算，根據(jù)載荷的強(qiáng)度要求對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，并且從理論上對該部分零件的性能進(jìn)行分析；基本完成了主要零件的設(shè)計與校核。接下來，我的工作主要方面在于各張零件圖還認(rèn)真須要修改；總裝配圖還要認(rèn)真完善；設(shè)計說明書格式還要認(rèn)真修改。還有對我的畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行潤色，規(guī)范字體，修飾文字等收尾工作將要進(jìn)行。 學(xué)生簽名： 年 月 日 檢查意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名 李 江 學(xué)號 05208307 班 級 機(jī)制3班 指導(dǎo)教師 于建波 職稱 高級工程師 單 位 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計題目 小型塑料擠出機(jī)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： 根據(jù)目前塑料成型應(yīng)用的廣泛性，技術(shù)成熟性以及穩(wěn)定性方面考慮，進(jìn)行最優(yōu)的小型塑料擠出機(jī)設(shè)計。 ⒈設(shè)計單螺桿擠出機(jī)件的傳動系統(tǒng) ⒉設(shè)計單螺桿擠出機(jī)件的加料系統(tǒng) ⒊設(shè)計單螺桿擠出機(jī)件的擠壓系統(tǒng) ⒋基本實現(xiàn)單螺桿擠出機(jī)的功能 畢業(yè)設(shè)計主要參考資料： [1]濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計.第8版.北京:高等教育出版社. 2006.5 [2]郭克希，王建國.機(jī)械制圖.第7版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8. [3]左健民.液壓與氣壓傳動.第4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.5. [4]王伯平主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.12. [5]劉鴻文主編.材料力學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,2004. [6] 孫恒，陳作模，葛文杰主編．機(jī)械原理．第7版．北京：高等教育出版社，2006.5 [7] 王先逵主編．機(jī)械制造工藝學(xué)．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1 [8]熊詩波，黃長藝主編．機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)．第3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.5 畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的主要工作： ⒈分析各構(gòu)件最優(yōu)選擇方案 ⒉進(jìn)行單螺桿擠出機(jī)件主要構(gòu)件的設(shè)計及其校核 ⒊繪制零件圖、裝配圖 ⒋撰寫設(shè)計說明書，不少于6000字 畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度安排： 序號 畢業(yè)設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容 時間安排 備注 1 選定畢業(yè)設(shè)計題目，查閱并收集整理相關(guān)資料 2011.11.-2011.12 2 調(diào)查研究提綱，分析處理數(shù)據(jù)，并撰寫畢業(yè)設(shè)計開題報告 2011.12 3 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題進(jìn)行外文資料閱讀，并翻譯外文資料，并撰寫文獻(xiàn)綜述 2012.1-2012.2 4 構(gòu)思并豐富論文內(nèi)容，完成論文初稿的撰寫， 2012.3.-2012.4 5 論文修改潤色，完成論文終稿 2012.4.-2012.5 6 評審并進(jìn)行答辯 2012.5 課題信息： 課題性質(zhì)： 設(shè)計√ 論文□ 課題來源： 教學(xué)□ 科研□ 生產(chǎn)√ 其它□ 發(fā)出任務(wù)書日期： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室意見： 教研室主任簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯 系 別： 工程技術(shù)系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： 李 江 學(xué) 號： 05208307 2012 年 4 月 20 日 外文資料翻譯譯文 塑料工業(yè)是與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會文明建設(shè)息息相關(guān)的重要產(chǎn)業(yè)。塑料工業(yè)的機(jī)械和裝備的水平對該工業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。比起傳統(tǒng)的塑料擠出機(jī)，單螺桿塑料擠出機(jī)有他積極的優(yōu)勢，通常他能加工出高分子量、高粘度熱塑性好的塑料。其中有高生產(chǎn)率低熔點(diǎn)、高熔體強(qiáng)壓力的塑料有利于化學(xué)降解，產(chǎn)品質(zhì)量高，品，因此是最佳的塑料生產(chǎn)這使得單螺桿塑料擠出機(jī)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)，特別適用于穩(wěn)定的擠壓。 螺桿的回轉(zhuǎn)航程和固定筒壁的相互作用是擠出機(jī)的泵出過程中必要的參數(shù)。為了運(yùn)輸塑料材料，其摩擦在螺桿的表面要低，但在固定的筒壁要高。如果達(dá)不到這個基本標(biāo)準(zhǔn)，塑料可能會隨著螺桿旋轉(zhuǎn)，而不是在軸向/輸出方向上移動。在輸出區(qū)域，螺桿和機(jī)筒的表面通常都覆蓋著的溶解物以及來自溶解物和螺桿通道之間的外力，而其除了 處理有極高粘性的材料時都是無效的，如硬質(zhì) PVC 材料和有超高分子量的聚乙烯。溶解物流在輸出部分是 受內(nèi)摩擦系數(shù)（粘度）影響，尤其是當(dāng)模具提供了一個高阻力的熔體流時。 常見且更多使用的單螺桿型使用的是傳統(tǒng)設(shè)計，即機(jī)筒和螺桿保持基本一致的直徑，包括具有例如減小螺 桿通道體積，有連續(xù)可變速度、壓力控制，和通風(fēng)（揮發(fā)）系統(tǒng)的擠出機(jī)。一些特殊的設(shè)計使用了圓錐或 拋物線外形的螺桿，用以達(dá)到特殊的混合和捏合效果。它們可以包含偏心的核心，根據(jù)不同坡度變化的動 程，揉捏轉(zhuǎn)子，適應(yīng)性的核心環(huán)，和間歇的軸向運(yùn)動。桶內(nèi)可能有螺紋，可伸縮的螺桿形狀以及進(jìn)料設(shè)備。 一個成功的擠出操作需要密切注意很多細(xì)節(jié)，如（1）進(jìn)給材料的質(zhì)量和在適當(dāng)溫度下的物質(zhì)流，（2）足以 融化、但不會分解聚合物的溫度曲線，以及（3）不會分解塑料的啟動和關(guān)機(jī)。 應(yīng)采取措施，防止促進(jìn)塑料表面上水分的膠合和濕氣的吸收凝結(jié)，如顏料濃縮物中的色素。表面凝結(jié)，可 通過儲存于密封的塑料容器（吸濕性塑料）中在使用前約 24 小時與工作區(qū)域保持同溫來避免。如果懷疑顏 色母料有吸濕，可以在 250 至 300 ℉（ 120 -150 ℃）加熱 8 至 16 小時，烘箱應(yīng)充分干燥。料斗干燥機(jī)已被 證明在干燥塑料中非常有用。它們還可以在操作中提高擠出機(jī)受加熱和熔解能力限制的輸出的能力。圖 顯示了與加熱輸入擠出機(jī)所需的熔化塑料，有或沒有料斗干燥機(jī)作為預(yù)熱器時相關(guān)的不同。擠出機(jī)使塑料 熔體均勻熔化，并使之通過與產(chǎn)品的橫截面形狀關(guān)聯(lián)的模具口。所形成的 TP 的熔體（擠出的）是冷了卻的，或是加熱的TS熔體，因為它是向下放置的進(jìn)而得以遠(yuǎn)離模具出口或是通過下游設(shè)備拔出。 外文原文 Plastic industry is an industry relation to national economy development and social civilization.The level of working equipment plays a pivotal role in the development of the plastic industry.The processing of very high-molecular-weight and high-viscosity thermoplastics in single-screw extruders today is usually done only in extruders with a positive-advantages over conventional extrusion. Among these are high output at low melting temperatures and high melt pressures; reduced shear of the plastics, which makes this system energy-saving and very economical; gentle plastic of the plastics; on thermal or chemical degradation, hence optimum product quality; and particularly stable extrusion so that output, pressure and melting temperature surges are prevented. The essential parameter in the extruder’s pumping process is the interaction between the rotating fights of the screw and the stationary barrel wall. For the plastic material to be conveyed, its friction must be low at the screw surface but high at the barrel wall. If this basic criterion is not met, the plastic will probably rotate with the screw and not move in the axial/output direction. In the output zone, both screw and barrel surfaces are usually covered with the melt, and external forces between the melt and the screw channel walls have no effect except when processing extremely high viscosity materials such as rigid PVC and ultrahigh molecular weight PE. The flow of the melt in the output section is affected by the coefficient of internal friction (viscosity), particularly when the die offers a high resistance to the flow of the melt. The usual and more popular single screw types use conventional designs with basically uniform diameters of the screw and barrel. Examples include extruders that have decreasing screw channel volume, continuous variable speed, pressure control, and a venting (devolatilization) system. Special designs use conical or parabolic screws for special mixing and kneading effects. They can include eccentric cores, variable pitch superimposed flights of different pitch, kneading rotors, fitted core rings, and periodic axial movement. Barrels may have internal threads,telescopic screw shapes, and feeding devices. A successful extrusion operation requires close attention to many details, such as (1) the quality and flow of feed material at the proper temperature, (2) a temperature profile adequate to melt but not degrade the polymer, and (3) a startup and shutdown that will not degrade the plastic. Care should be used to prevent conditions that promote surface condensation of moisture on the plastic and moisture absorption such as by the pigments in the color concentrates. Surface condensation can be avoided by storing the sealed plastic container (for hygroscopic plastics) in an area at least as warm as the operating area for about 24 h before use. If color concentrate moisture absorption is suspected, heating for 8 to16h in a 250 to 300 ℉(120 to 150 ℃) oven should permit sufficient drying. Hopper dryers have proven very useful in drying plastics. They can also enhance extruder capacity in operations where the output is limited by the heating and melting capacity of the extruder. The relative difference in heat input required from the extruder to melt the plastic, with and without the hopper dryer used as a preheater. The extruders form a homogeneous plastic melt and force it through a die orifice that is related to the shape of the product’s cross section. The formed TP melt (extrudate) is cooled or the TS melt heated as it is being dropped downward away from the die exit or drawn through downstream equipment. 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目：小型塑料擠出機(jī)設(shè)計 系 別 工程技術(shù)系 專 業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 李 江 學(xué) 號 05208307 指導(dǎo)教師 于建波 職 稱 高級工程師 2012年5月 7日 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué)生姓名 李 江 學(xué) 號 05208307 專業(yè)班級 08級機(jī)制3班 指導(dǎo)教師 于建波 職 稱 高級工程師 單 位 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 課題性質(zhì) 設(shè)計√ 論文□ 課題來源 科研□ 教學(xué)□ 生產(chǎn)√ 其它□ 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 小型塑料擠出機(jī)設(shè)計 一、課題研究的背景 在我國的塑料加工行業(yè)中，有1/3~1/2的塑料制品是通過擠出成型來完成的。作為塑料機(jī)械的第二大類產(chǎn)品，擠出成型及其機(jī)組的產(chǎn)量和銷售額占塑料機(jī)械的20%~25%，其生產(chǎn)廠家分布在機(jī)械、輕工、石化、輕工、化工、建材、軍工等行業(yè)。擠出機(jī)的品種占塑料機(jī)械品種的30%，這個比例還有逐年上升的趨勢。因此，擠出機(jī)有著很大的發(fā)展前景。 在常規(guī)螺桿擠出機(jī)組的性能方面，我國已能生產(chǎn)螺桿直徑為12~250mm的多種規(guī)格、門類齊全的擠出機(jī)組，長徑比大多為25~30mm，一些新型的混煉元件如分離型、屏障型、分流型、變道型以及結(jié)束位置變換型等得到了廣泛的發(fā)展。 在特種擠出機(jī)的研究領(lǐng)域，經(jīng)我國廣大科技工作者的努力，已研究出如排氣擠出機(jī)，電磁動態(tài)塑化擠出機(jī)，串聯(lián)式多階段擠出機(jī)，行星螺桿擠出機(jī)等多種機(jī)型，目前已進(jìn)入系列化的研究階段。 總的來說，由于我國塑料工藝與發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，因此在經(jīng)濟(jì)規(guī)模上，尤其是在控制水平、效率、精度、可靠性和成套性等方面與發(fā)達(dá)國家相比還存在一定程度上的差距。 二、課題研究現(xiàn)狀 在塑料擠出成型設(shè)備中，塑料擠出機(jī)通常稱之為主機(jī)，而與其配套的后續(xù)設(shè)備塑料擠出成型機(jī)則稱為輔機(jī)。塑料擠出機(jī)的主機(jī)是擠塑機(jī)，它由擠壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)組成。塑料擠出機(jī)按其螺桿數(shù)量可以分為單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)。不同的塑料擠出企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)能力、成本高低、生產(chǎn)場地大小以及所應(yīng)用場所的不同，對塑料擠出機(jī)的需求也不盡相同。具體情況如下表所示： 各種塑料擠出機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍 塑料擠出機(jī)類型 優(yōu)缺點(diǎn) 適用范圍 單螺桿塑料擠出機(jī) 產(chǎn)量高，能耗低，高效能、低噪音及較長的使用壽命，且操作便捷、維護(hù)簡單、成本低 各種熱塑性塑料擠出成型、擠出造粒 雙螺桿塑料擠出機(jī) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，具有較好的混煉塑化能力，物料在擠出機(jī)中停留時間短，產(chǎn)量大，擠出速度快，單位產(chǎn)量耗能低。 粉料加工 多螺桿塑料擠出機(jī) 能耗低、產(chǎn)量高、混合分散質(zhì)量好，精密度高，易受到溫度波動、轉(zhuǎn)速波動及壓力波動的影響，不容易維護(hù) 特種高品質(zhì)塑料制品加工 螺桿擠出機(jī)是塑料成型加工最主要的設(shè)備之一，它通過外部動力傳遞和外部加熱元件的傳熱進(jìn)行塑料的固體輸送、壓實、熔融、剪切混煉擠出成型。盡管螺桿擠出機(jī)種類繁多，但就擠出機(jī)理而言，基本是相同的。傳統(tǒng)螺桿擠出機(jī)擠出過程，是依靠機(jī)筒外加熱、固體物料與機(jī)筒、螺桿摩擦力及熔體剪切力來實現(xiàn)的。“摩擦系數(shù)”和“摩擦力”，“粘度”和“剪應(yīng)力”是影響傳統(tǒng)螺桿擠出機(jī)工作性能的主要因素，由于影響“摩擦”和“粘度”的因素十分復(fù)雜，因此，傳統(tǒng)螺桿擠出機(jī)擠出過程是一個非穩(wěn)定狀態(tài)，難以控制，對某些熱穩(wěn)定性差、粘度高的熱敏性塑料尤為突出。 螺桿擠出機(jī)由于突出的成本、效率比和多功能性，主要用于連續(xù)塑料的生產(chǎn)。雙螺桿擠出機(jī)主要有輸送，塑化和均化材料的功能。其尺寸確定和技術(shù)的設(shè)計，必須滿足以下要求：高扭矩和高產(chǎn)量，較高的熔體生產(chǎn)能力，低螺桿轉(zhuǎn)速下有較高的生產(chǎn)率，即避免降解或交聯(lián)，使材料產(chǎn)量的變化量最小，最適宜的熔體溫度，很寬的溫度范圍，減少磨損等，而熔體和制品質(zhì)量的提高以及效率提高等目標(biāo)決定著單螺桿擠出機(jī)的發(fā)展。 結(jié)論：選擇小型單螺桿塑料擠出機(jī)設(shè)計。 三、課題研究的內(nèi)容 ⒈ 設(shè)計方案的擬定； ⒉ 參數(shù)的擬定； ⒊ 傳動系統(tǒng)的設(shè)計； ⒋ 加料系統(tǒng)設(shè)計； ⒌ 擠壓系統(tǒng)設(shè)計； ⒍ 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 四、研究方案 1.利用中國知網(wǎng)、維普、萬方等數(shù)據(jù)庫完成與畢業(yè)論文相關(guān)內(nèi)容的論文的檢索；利用圖書館的圖書資源查閱相關(guān)的理論內(nèi)容；充分的利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行資料的檢索收集。 2.為了適應(yīng)擠出機(jī)設(shè)計制造的發(fā)展，擠出機(jī)也從早期結(jié)構(gòu)單一的傳統(tǒng)式向多樣化發(fā)展。經(jīng)過調(diào)研了解到國內(nèi)市場對于單螺桿擠出機(jī)的需求量比較大，考慮到國內(nèi)的特點(diǎn)，從實用角度出發(fā)，確定如下方案： (1)?對各種不同擠出機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析； (2)?根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計擠出機(jī)的整體結(jié)構(gòu)； (3)?運(yùn)用AutoCAD繪制零件圖和擠出機(jī)總體結(jié)構(gòu)裝配圖； 本課題運(yùn)用AutoCAD技術(shù)進(jìn)行擠出機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力； (4)在滿足以上要求的同時，盡量結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用范圍廣。 五、進(jìn)度安排 1.第一階段：2011年11月到2011年12月，確定畢業(yè)設(shè)計題目，查閱并收集整理相關(guān)資料； 2.第二階段：2011年12月，調(diào)查研究提綱，分析處理數(shù)據(jù)，并撰寫畢業(yè)設(shè)計開題報告； 3.第三階段：2012年1月到2012年2月，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題進(jìn)行外文資料閱讀，并翻譯外文資料，并撰寫文獻(xiàn)綜述； 4.第四階段：2012年3月到2012年4月，構(gòu)思并豐富論文內(nèi)容，完成論文初稿的撰寫； 5.第五階段：2012年4月到2012年5月，論文修改潤色，完成論文終稿； 6.第六階段：2012年5月，評審并進(jìn)行答辯。 六、預(yù)期結(jié)果 設(shè)計出的單螺桿擠出機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)有的特點(diǎn)并能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，振動小，噪音低。由于設(shè)計者能力有限，本次研究可能還有需要完善的地方。本次開題報告只是初步的設(shè)計構(gòu)思，但理論上仍具有可行性，實踐還有待進(jìn)一步證明。 七、參考文獻(xiàn) [1]濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計.第8版.北京:高等教育出版社. 2006.5 [2]郭克希，王建國.機(jī)械制圖.第7版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8. [3]左健民.液壓與氣壓傳動.第4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.5. [4]王伯平主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.12. [5]劉鴻文主編.材料力學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,2004. [6] 孫恒，陳作模，葛文杰主編．機(jī)械原理．第7版．北京：高等教育出版社，2006.5 [7] 王先逵主編．機(jī)械制造工藝學(xué)．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1 [8]熊詩波，黃長藝主編．機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)．第3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.5 [9] 毛謙德，李振清. 袖珍機(jī)械設(shè)計師手冊. 機(jī)械工業(yè)出版社，1994. 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室意見： 審查結(jié)果： 同 意□ 不 同 意□ 教研室主任簽名： 年 月 日 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)綜述 系 別： 工程技術(shù)系 專 　業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： 李 江 學(xué) 號： 05208307 　 2012 年4月20日 小型塑料擠出機(jī)設(shè)計文獻(xiàn)綜述 1、前言 擠出成型具有生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，幾乎適合于所有高分子材料的加工。螺桿擠出機(jī)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(jī)的研究已有近 90年的歷史。過去人們對單螺桿擠出機(jī)的研究僅僅是停留在普通擠出機(jī)的理論研究和結(jié)構(gòu)完善上， 這只能適當(dāng)提高產(chǎn)量、改善制品性能。 2、正文 2.1普通單螺桿擠出機(jī) 普通單螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒的內(nèi)表面都是光滑的圓柱面，機(jī)筒中的物料向前輸送的動力來源于物料與加料段機(jī)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(jìn)而獲得較高的生產(chǎn)率Qs。但是對于普通單螺桿擠出機(jī)來說，一般較小，擠壓系統(tǒng)的固體輸送率Qs很低，進(jìn)而影響到擠出機(jī)的產(chǎn)量。 此外，加料段的冷卻一般只限于機(jī)筒的加料口附近，再加上該段與前面的熱機(jī)筒沒有隔熱措施，熱機(jī)筒的熱量就會傳導(dǎo)至該段，因此冷卻不充分，不但未能增大物料與機(jī)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(jī)筒表面溫度未達(dá)到物料的熔點(diǎn)，但物料在摩擦熱作用下便已經(jīng)融化了，固體輸送率會更低。 2.2發(fā)展情況 目前, 隨著人們對高能效比和高產(chǎn)量的追求, 高速化已成為塑料擠出加工技術(shù)的發(fā)展方向之一, 同時也是衡量塑料成型設(shè)備技術(shù)水平的最重要指標(biāo)之一。高速擠出最早興起于歐洲和美國。 在歐洲, Thyssen 塑料機(jī)械制造公司于20世紀(jì)70年代就為德國的Bellaplast公司制造了直徑90m m的擠出機(jī), 并以螺桿轉(zhuǎn)速達(dá) 450r/min的速度生產(chǎn)聚苯乙烯( PS) 片材, 產(chǎn)量高達(dá)1180 kg/ h。1980年, Thyssen公司被德國Battenfeld擠出技術(shù)公司( BEX) 收購, 其高速擠出機(jī)研發(fā)工作停止。后來BEX公司也開始生產(chǎn)小型高速擠出機(jī)。 而在美國, 高速單螺桿擠出機(jī)的研發(fā)走的是一條不同的路——生產(chǎn)色母料而不是熱成型片材, 目的是快速混合和顏色變換, 而不是追求高產(chǎn)量。20世紀(jì)60年代, 美國Prodex公司制造了兩臺直徑50mm的擠出機(jī), 轉(zhuǎn)速可達(dá)1000r/min,用于生產(chǎn)聚丙烯( PP) 色母料。Prodex 后來發(fā)展成為HPM公司。在 20世紀(jì)90 年代中期, HPM公司開始生產(chǎn)直徑50~ 115 mm、長徑比50：1的擠出機(jī), 用于生產(chǎn)色母料。這些采用了HPM專利技術(shù)的Triple Wave螺桿的轉(zhuǎn)速可達(dá)800~ 1 000r/min。直徑65mm的擠出機(jī)以850r/min的速度加工PEHD時,產(chǎn)量可達(dá)1090kg/h。HPM公司 直徑90mm的擠出機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)500r/min。 近10年來, 人們又對高速擠出技術(shù)進(jìn)行了大量研究,在理論和結(jié)構(gòu)方面有了很多創(chuàng)新。現(xiàn)在高速擠出機(jī)發(fā)展非常迅速, 已難以對高速進(jìn)行定義了。傳統(tǒng)上認(rèn)為,螺桿圓周線速度大于1m/s就算是高速, 而現(xiàn)在最高的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3m/s、4m/s甚至5m/s。 就單螺桿擠出機(jī)而言, 擠出量隨著螺桿轉(zhuǎn)速和螺桿長徑比的增加而增加,高速擠出機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)必將不同于傳統(tǒng)的現(xiàn)有擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)。國產(chǎn)擠出機(jī)現(xiàn)在基本上以單螺桿擠出機(jī)為主，技術(shù)較成熟，市場銷量和應(yīng)用也最廣，能維持市場頂峰期的50%-60%左右。 2.3研究目的及內(nèi)容 研究高產(chǎn)量的單螺桿擠出機(jī)是當(dāng)前擠出機(jī)發(fā)展的主要方向，它能很大程度地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而有助于提高企業(yè)效益。本文的目標(biāo)就是在總結(jié)借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，通過研究高產(chǎn)量擠出機(jī)的機(jī)理，試圖設(shè)計單螺桿擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)，加料系統(tǒng)和擠壓系統(tǒng)的設(shè)計，使其能夠完成較高的產(chǎn)量擠出機(jī)的工作。 3、部分參考文獻(xiàn)簡介 [1]濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計.第8版.北京:高等教育出版社. 2006.5 該文獻(xiàn)主要講解了傳動軸、齒輪等零件的設(shè)計。書中涵蓋了傳動軸、齒輪的設(shè)計思路、設(shè)計方案、設(shè)計計算、具體設(shè)計方法，還包括軸承選擇、零件選擇，結(jié)構(gòu)的潤滑，圖紙的繪畫及設(shè)計說明書的編寫，還包括大量的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，供參考與查詢的表與圖。 [9]鄧淮鈴，陳松星．螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)的技術(shù)改造［J］．廣東化纖，1999.4 該文獻(xiàn)提出用變頻控制技術(shù)改造螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)的必要性，改造方法和效果。 [10]魯?shù)希穸酄柣舴颍X輪傳動機(jī)構(gòu)中國專利［P］：96106518．8，1991—06．26 該文獻(xiàn)對提出一種帶有兩個以同方向轉(zhuǎn)動的軸線平行的輸出軸的齒輪傳動機(jī)構(gòu)，特別用于傳動雙螺桿擠壓機(jī)，該機(jī)構(gòu)具有帶齒的大小相等的主動和從動小齒輪，小齒輪的齒與一個作為中心小齒輪的較大中間齒輪和一個回轉(zhuǎn)內(nèi)齒圈相嚙合。 4、總結(jié)及心得 通過對本次畢業(yè)設(shè)計所涉及文獻(xiàn)的閱讀、分析和總結(jié)，得到以下結(jié)論： 目前，國內(nèi)外對單螺桿擠出機(jī)的布局結(jié)構(gòu)設(shè)計研究己經(jīng)達(dá)到一定的水平，分別就傳動方式以及各種傳動方式的基本類型、傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局分析、止推軸承的組合設(shè)計及布置、傳動系統(tǒng)的外部聯(lián)接等進(jìn)行了一定的研究。在傳動系統(tǒng)的設(shè)計工作主要集中在結(jié)構(gòu)布局的分析和設(shè)計上。塑料擠出機(jī)的安全、可靠、有效高速運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。所以在以后的設(shè)計中，要特別注重以下幾項工作： 1、掌握設(shè)計的流程及要求，為日后的設(shè)計、工作打下基礎(chǔ)； 2、通過熟悉小型塑料擠出機(jī)，在設(shè)計方面盡可能做出創(chuàng)新； 3、練習(xí)并熟練掌握CAD制圖，學(xué)習(xí)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及資料施用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及其他技術(shù)資料； 4、在設(shè)計中學(xué)會分析解決設(shè)計中遇到的各種疑難問題的能力。 5、參考文獻(xiàn) [1]濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計.第8版.北京:高等教育出版社. 2006.5 [2]郭克希，王建國.機(jī)械制圖.第7版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8. [3]左健民.液壓與氣壓傳動.第4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.5. [4]王伯平主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.12. [5]劉鴻文主編.材料力學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,2004. [6] 孫恒，陳作模，葛文杰主編．機(jī)械原理．第7版．北京：高等教育出版社，2006.5 [7] 王先逵主編．機(jī)械制造工藝學(xué)．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1 [8]熊詩波，黃長藝主編．機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)．第3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.5 [9]鄧淮鈴，陳松星．螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)的技術(shù)改造［J］．廣東化纖，1999.4 [10]魯?shù)希穸酄柣舴颍X輪傳動機(jī)構(gòu)中國專利［P］：96106518．8，1991—06．26 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院2012畢業(yè)設(shè)計 小型塑料擠出機(jī)設(shè)計 摘 要 單螺桿擠出機(jī)是一種嚙合型擠出設(shè)備，以其優(yōu)異的加工性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并成為市場發(fā)展的主要趨勢。通過參閱了許多文獻(xiàn)，分析了現(xiàn)有常規(guī)單螺桿擠出機(jī)和加料段機(jī)筒開直槽單螺桿擠出機(jī)（IKV單螺桿擠出機(jī)）的固體輸送段存在的物料輸送問題，設(shè)計了一種加料段機(jī)筒配置螺旋溝槽襯套的單螺桿擠出機(jī)。通過合理的溝槽設(shè)計，克服了現(xiàn)有加料襯套采用直槽產(chǎn)生的襯套剪切力大、溫升高，導(dǎo)致擠出機(jī)強(qiáng)制輸送能力下降的缺陷，提高了擠出機(jī)的產(chǎn)量。 本文的工作對于單螺桿擠出機(jī)的研究、設(shè)計和應(yīng)用具有很好的參考價值。 關(guān)鍵詞： 單螺桿擠出機(jī)； 機(jī)筒； 設(shè)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(jī) 1 1.1.2加料段機(jī)筒開軸向溝槽的單螺桿擠出機(jī) 1 1.2 研究目標(biāo)及內(nèi)容 4 2.主要機(jī)構(gòu)及零部件的方案對比、選擇 5 2.1單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu) 5 2.1.1單螺桿擠出機(jī)組成 5 2.2傳動方案的設(shè)計和選擇 5 2.2.1擠出機(jī)驅(qū)動功率的確定 5 2.2.2擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速要求及調(diào)速范圍 5 2.2.3擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)的組成 6 2.3 螺桿的結(jié)構(gòu)及材料 7 2.3.1螺桿的材料的選擇 7 2.3.2螺桿結(jié)構(gòu)形式 7 2.3.3螺桿的表面處理 8 2.4機(jī)筒的結(jié)構(gòu)及材料 8 2.4.1機(jī)筒材料的選擇 8 2.4.2機(jī)筒的表面處理 8 2.4.3機(jī)筒的結(jié)構(gòu)形式 8 2.4.4機(jī)筒與機(jī)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(jī)的加熱方法 10 2.5.3擠出機(jī)的冷卻裝置 11 2.6機(jī)筒與支架間的連接 12 2.7擠出機(jī)加料系統(tǒng)的設(shè)計 12 3.重要結(jié)構(gòu)的設(shè)計及校核 13 3.1傳動系統(tǒng)的設(shè)計及校核 13 3.1.1皮帶傳動設(shè)計 13 3.1.2 V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 15 3.2 加料套的設(shè)計 17 3.3 螺桿的設(shè)計及校核 20 3.3.1螺桿的設(shè)計 20 3.3.2螺桿的強(qiáng)度計算及校核 23 3.4 機(jī)筒的設(shè)計及強(qiáng)度校核 24 3.4.1機(jī)筒壁厚的選擇 24 3.4.2機(jī)筒的強(qiáng)度校核 24 3.5 螺桿尾部平鍵的強(qiáng)度計算 25 結(jié) 論 26 參考文獻(xiàn) 27 致 謝 28 1.緒論 1.1課題背景 擠出成型具有生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，幾乎適合于所有高分子材料的加工。螺桿擠出機(jī)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(jī)的研究已有近90年的歷史。過去人們對單螺桿擠出機(jī)的研究僅僅是停留在普通擠出機(jī)的理論研究和結(jié)構(gòu)完善上，這只能適當(dāng)提高產(chǎn)量、改善制品性能。 1.1.1普通單螺桿擠出機(jī) 普通單螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒的內(nèi)表面都是光滑的圓柱面，機(jī)筒中的物料向前輸送的動力來源于物料與加料段機(jī)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(jìn)而獲得較高的生產(chǎn)率Qs。但是對于普通單螺桿擠出機(jī)來說，fb一般較小，擠壓系統(tǒng)的固體輸送率Qs很低，進(jìn)而影響到擠出機(jī)的產(chǎn)量。 此外，加料段的冷卻一般只限于機(jī)筒的加料口附近，再加上該段與前面的熱機(jī)筒沒有隔熱措施，熱機(jī)筒的熱量就會傳導(dǎo)至該段，因此冷卻不充分，不但未能增大物料與機(jī)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(jī)筒表面溫度未達(dá)到物料的熔點(diǎn)，但物料在摩擦熱作用下便已經(jīng)融化了，固體輸送率會更低。 1.1.2加料段機(jī)筒開軸向溝槽的單螺桿擠出機(jī) 在70年代以前，設(shè)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(jī)頭壓力影響較大，而與粘度有關(guān)。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(shè)計不合理，這些因素往往導(dǎo)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(dá)到一定壓力的壓縮點(diǎn)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(diǎn)的位置不僅決定于機(jī)筒的熱傳導(dǎo)情況、剪切熱產(chǎn)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(diǎn)達(dá)到位置和壓力升高的狀況。為此，如果壓縮點(diǎn)在螺桿上變化，勢必會導(dǎo)致熔融起始點(diǎn)也在螺桿上變化。由此壓力、溫度和產(chǎn)量都會產(chǎn)生波動，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高后這個現(xiàn)象更為嚴(yán)重。 采取一些措施后雖然會對上述不足有所改進(jìn)，例如，通過強(qiáng)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(dāng)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(jī)頭壓力影響較大。 從20世紀(jì)70年代開始，德國亞琛工業(yè)大學(xué)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(chǎn)率進(jìn)行了一系列研究，設(shè)計并生產(chǎn)了性能優(yōu)越的擠出機(jī)。這種機(jī)器的主要特征是，在螺桿加料段依靠強(qiáng)制加料來提高螺桿的輸送效率，依靠設(shè)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(zhì)量。螺桿的三個主要功能，輸送、塑化和均化，分別在螺桿上獨(dú)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(jī)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(jié)構(gòu) IKV螺桿的強(qiáng)制輸送作用主要依靠機(jī)筒在加料段處的特殊結(jié)構(gòu)來完成的。它的基本結(jié)構(gòu)是這樣的：在機(jī)筒的加料段上設(shè)置一段帶有內(nèi)錐孔的套筒，錐孔內(nèi)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(zhì)的螺旋溝槽，料斗座與機(jī)筒間設(shè)有隔熱層，防止高溫機(jī)筒向后傳熱。 a—粉料的楔形結(jié)構(gòu) b—粒料的楔形結(jié)構(gòu) 1—螺桿；2—加料套；3—粉料；4—粒料 圖1-2 物料的楔形結(jié)構(gòu)斷面圖 它的工作原理如下： 物料隨螺桿轉(zhuǎn)動的趨勢受溝槽側(cè)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(zhuǎn)動，物料“螺母”軸向轉(zhuǎn)動，其效果相當(dāng)于提高了fb，而減小了打滑和回流，進(jìn)而提高了固體輸送率； 錐孔的內(nèi)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(chǎn)生的熱量帶走，防止過早出現(xiàn)熔膜而破壞固體輸送機(jī)理； 此外, 普通擠出機(jī)在加料段建立的壓力是極小的, 其產(chǎn)量在很大程度上要依賴于背壓，而在開槽襯套擠出機(jī)中, 物料能在加料段末端建立起比背壓高的壓力, 這樣, 其產(chǎn)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(wù)。總的來說，加料段機(jī)筒開槽，可提高物料的輸送率，進(jìn)而提高擠出機(jī)的產(chǎn)量，此外，擠出機(jī)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(jī)筒的壽命又直接與摩擦副的相對運(yùn)動速度有關(guān)，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(jī)筒磨損比較嚴(yán)重，需要采用耐磨性較高的螺桿材料和機(jī)筒材料； 由于高壓高摩擦和高速的工作條件，加料區(qū)產(chǎn)生了大量的熱量。為了保證高的輸送率和擠出質(zhì)量，必須對加料區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。物料出襯套后，需要對物料進(jìn)行重新加熱，冷卻又加熱，浪費(fèi)了能源； 冷卻水結(jié)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(chǎn)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(qiáng)度，增加了成本； 在加料段末端可能產(chǎn)生極高的壓力，有損壞帶有溝槽的薄壁機(jī)筒危險； IKV系統(tǒng)是建立在固體摩擦理論基礎(chǔ)上的，因此這種系統(tǒng)顯然不適于熔料擠出機(jī)，如造粒出機(jī)中的后處理擠出機(jī)和一些混煉機(jī)； 在機(jī)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(chǎn)率得不得不由機(jī)頭壓力來確定，而第一計量段生產(chǎn)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(chǎn)率，為此排氣式擠出機(jī)使用IKV系統(tǒng)時困難的。 為了解決加料段機(jī)筒開槽擠出機(jī)的這些問題，美國發(fā)明專利（專利號5909958）披露了一種新技術(shù)，與常規(guī)開槽機(jī)筒不同，機(jī)筒溝槽上設(shè)置有鍵，鍵的徑向高度小于溝槽的徑向深度，用獨(dú)立的控制機(jī)構(gòu)來調(diào)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(diào)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(dú)立調(diào)節(jié)的加料段開槽擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：較高的產(chǎn)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(dāng)更換物料時，可以輕易地清洗料筒，單有溝槽的加料段機(jī)筒不具備這種特性。在實際的工藝條件下，可以通過調(diào)節(jié)溝槽的深度使得加工過程得到優(yōu)化。此外，通過機(jī)頭壓力波動的反饋機(jī)制，可以對溝槽深度進(jìn)行自動優(yōu)化。溝槽深度可調(diào)節(jié)的加料段機(jī)筒開槽擠出機(jī)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(jī)筒；3—鍵；4—控制機(jī)構(gòu) 圖1-3 槽深可獨(dú)立改變的加料段結(jié)構(gòu) 美國的這一發(fā)明技術(shù)的另一種結(jié)構(gòu)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(gòu)成了漸變形槽深。每一條溝槽上也設(shè)置有執(zhí)行機(jī)構(gòu)來與鍵連接，用來調(diào)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(jī)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(jī)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(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獨(dú)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(jī)筒內(nèi)設(shè)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(jī)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(jī)的固體輸送理論，設(shè)計一種可以實現(xiàn)類似于雙螺桿擠出機(jī)的正位移輸送的單螺桿擠出機(jī)，這種擠出機(jī)的加料段的襯套是螺旋型的，而不是直槽型的，可以通過設(shè)計螺旋溝槽式襯套，使其與擠出機(jī)螺桿有一定的幾何參數(shù)的相匹配關(guān)系，從而提高固體輸送效率，提高擠出機(jī)的產(chǎn)量。 1.2 研究目標(biāo)及內(nèi)容 研究高產(chǎn)量的單螺桿擠出機(jī)是當(dāng)前擠出機(jī)發(fā)展的主要方向，它能很大程度地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而有助于提高企業(yè)效益。本文的目標(biāo)就是在總結(jié)借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，通過研究高產(chǎn)量擠出機(jī)的機(jī)理，試圖設(shè)計單螺桿擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)，加料系統(tǒng)和擠壓系統(tǒng)的設(shè)計，使其能夠完成較高的產(chǎn)量擠出機(jī)的工作。 2.主要機(jī)構(gòu)及零部件的方案對比、選擇 2.1單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu) 2.1.1單螺桿擠出機(jī)組成 （1） 傳動系統(tǒng)：由驅(qū)動電機(jī)、減速器、止推軸承等構(gòu)成，作用是驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，提供螺桿轉(zhuǎn)動所需的扭矩和轉(zhuǎn)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(jī)筒和減速器通過加料座連接； （3） 擠壓系統(tǒng)：由螺桿、機(jī)筒等組成，它是擠出機(jī)的“心臟”，對塑料進(jìn)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(jī)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(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)及工藝條件進(jìn)行控制。 2.2傳動方案的設(shè)計和選擇 傳動系統(tǒng)是擠出機(jī)的主要組成部分之一，它的作用是驅(qū)動螺桿，并使螺桿能在選定的工藝條件下（如壓力、溫度和轉(zhuǎn)速）獲得所必須的扭矩且能均勻地旋轉(zhuǎn)，以完成對物料的輸送和塑化。 2.2.1擠出機(jī)驅(qū)動功率的確定 影響擠出機(jī)驅(qū)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(jī)的驅(qū)動功率，但是可以利用經(jīng)驗公式來估算，然后再進(jìn)行確定。 N=KD2n （2-1） 式中 N——擠出機(jī)的驅(qū)動功率，kw D——螺桿的直徑，cm n——螺桿的轉(zhuǎn)速，r/min K——系數(shù)，它根據(jù)實驗和統(tǒng)計分析進(jìn)行確定。根據(jù)我國生產(chǎn)的擠出機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計，對D≤90mm擠出機(jī)，一般K≈0.0354；對于D>90mm的擠出機(jī)，K≈0.008 N=KD2n=0.00354×4.52×50=3.58kw 2.2.2擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速要求及調(diào)速范圍 對擠出機(jī)的速度要求有兩方面，一方面是能無級調(diào)速，另外就是應(yīng)該有一定的調(diào)速范圍，前者是為了控制擠出質(zhì)量及于輔機(jī)的配合一致；后者針對擠出機(jī)應(yīng)具有適應(yīng)各種加工而提出來的。所謂擠出機(jī)的調(diào)速范圍，就是指螺桿的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值（nmaxnmin）。轉(zhuǎn)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(jī)器的生產(chǎn)率、功率消耗、制品的質(zhì)量、設(shè)備的成本和操作是否方便等。 在本設(shè)計中取擠出機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為nmax=50rmin。對大多數(shù)擠出機(jī)來說，其調(diào)速范圍在1:10內(nèi)，因此在這里取擠出機(jī)的最低轉(zhuǎn)速為nmin=5rmin。 2.2.3擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)的組成 擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)通常由原動機(jī)（如電動機(jī)等）、調(diào)速裝置和減速裝置組成。 本設(shè)計中傳動系統(tǒng)由電機(jī)、皮帶和減速箱組成。 傳動鏈組成形式：電動機(jī)皮帶減速箱雙鍵螺桿 （1）電機(jī)的選擇 由于IKV擠出機(jī)所需的電機(jī)功率比普通的擠出機(jī)大，由前面的計算的擠出機(jī)的驅(qū)動功率，初步選定電機(jī)功率為7.5kW。電機(jī)選用三相異步電動機(jī)，型號為Y132-M-4-B3。 表2-1 Y132-M-4-B3電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) JB/T 96161—999 電機(jī)型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)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(jī)到螺桿的總傳動比為 i總=n電機(jī)額定轉(zhuǎn)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(jī)的功率和螺桿的轉(zhuǎn)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(jī)配套設(shè)計的高精度硬齒面帶推力座的傳動部件。產(chǎn)品設(shè)計采用了JB/T8853-2001所規(guī)定的各項技術(shù)規(guī)范。其特點(diǎn)是齒輪和軸類零件采用了高強(qiáng)度合金鋼。齒輪經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)件皆采用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。整機(jī)具有體積小、承載能力高、傳動平穩(wěn)、噪聲低、效率高等特點(diǎn)。產(chǎn)品性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，可替代同類型進(jìn)口產(chǎn)品使用。 本設(shè)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(jī)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(shù)參數(shù) 產(chǎn)品型號 公稱傳動比 公稱轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)構(gòu)形式 由于擠出機(jī)主要用于加工聚烯烴，尤其是LDPE，其結(jié)晶度較低，屬于無定形物料，因此螺桿結(jié)構(gòu)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(jī)筒的接觸面積大，從外加熱的機(jī)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(jìn)料。關(guān)于螺桿的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計在下一章進(jìn)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(diào)質(zhì): HB=260~290 2.4機(jī)筒的結(jié)構(gòu)及材料 2.4.1機(jī)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(jī)筒的材料。 2.4.2機(jī)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(jī)筒的結(jié)構(gòu)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(jī)筒結(jié)構(gòu)形式 由于本設(shè)計在加料段設(shè)置了加料套，因此機(jī)筒采用分段組合式b。關(guān)于機(jī)筒的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計在下一章進(jìn)行介紹。 2.4.4機(jī)筒與機(jī)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(jī)筒與機(jī)頭的形式 鉸狀螺釘連接拆裝機(jī)頭快速，方便，故本設(shè)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(jìn)行的必要條件。隨著螺桿的轉(zhuǎn)速、擠出壓力、外加熱功率以及擠出機(jī)周圍介質(zhì)的溫度變化，機(jī)筒中物料的溫度也會相應(yīng)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(nèi)擠出，一般是通過加熱或冷卻的方式不斷地調(diào)節(jié)機(jī)筒內(nèi)塑料的溫度來實現(xiàn)的。 2.5.1加熱功率的確定 按機(jī)筒內(nèi)表面積計算 H=11000πDb2LDA （2-2） 式中：Db——機(jī)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(jī)機(jī)筒的長度和所計算得到的加熱功率，可以將機(jī)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(jī)的加熱方法 目前擠出機(jī)的加熱方法有：載體加熱、電阻加熱和電感應(yīng)加熱等。 （1）熱載體加熱 利用熱載體作為加熱介質(zhì)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(shè)備，故較少應(yīng)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(diǎn)。 由于電阻加熱器是采用電阻絲加熱機(jī)簡后再把熱傳到塑料上，而機(jī)筒又是一個具有一定厚寬的筒體，因此在機(jī)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(jī)上采用了鑄鋁加熱器。它是將電阻絲裝于金屬管中，并填進(jìn)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(jìn)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(shè)方便及加熱溫度較高的優(yōu)點(diǎn)。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(yīng)加熱 電感應(yīng)加熱時通過電磁感應(yīng)在機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生電的渦流而使機(jī)筒發(fā)熱，從而達(dá)到加熱機(jī)筒中物料的作用。 電感應(yīng)加熱與電阻絲加熱相比具有如下幾個特點(diǎn)： ①它是由機(jī)筒直接加熱塑料的，因此預(yù)熱外觀的時間較短(大約7分鐘左右)。在機(jī)筒的徑向方向上的溫度梯度較小。 ②由于以上特點(diǎn)，采用此加熱器時對溫度調(diào)節(jié)的反應(yīng)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(zhì)量很有利。 ③由于感應(yīng)線圈的溫度不會超過機(jī)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(yīng)加熱器的壽命比較長。 感應(yīng)加熱器也有其不足之處，如加熱溫度會受感應(yīng)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(jī)上必然會使機(jī)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(fù)雜的機(jī)頭上裝設(shè)也不方便。當(dāng)同一臺機(jī)器上其機(jī)頭不得不用電阻絲加熱時，因機(jī)頭升溫時間較長，則機(jī)筒采用感應(yīng)加熱也就顯不出其預(yù)熱升溫快的優(yōu)點(diǎn)。同時，它在裝拆方面也不很方便。 綜上所述，本設(shè)計采用鑄鋁加熱器對擠出機(jī)進(jìn)行分段加熱。 2.5.3擠出機(jī)的冷卻裝置 在設(shè)計風(fēng)冷裝置時，每一個加熱段都單獨(dú)配有冷卻用鼓風(fēng)機(jī)，而且在機(jī)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(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，其結(jié)構(gòu)形式如圖： 1—鑄鋁加熱器；2—機(jī)筒；3—螺桿；4—鼓風(fēng)機(jī) 圖2-4 風(fēng)冷加熱 表2-3 DF-3型風(fēng)機(jī)的參數(shù)性能 型號 流量 （） 全壓 （Pa） 轉(zhuǎn)速 （r/min） 噪音 （dB） 電動機(jī) 電機(jī)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(jī)筒與支架間的連接 1—調(diào)整螺釘；2—機(jī)筒；3—螺桿；4—支架 圖2-5 機(jī)筒與支架間的連接結(jié)構(gòu) 為了調(diào)節(jié)機(jī)筒的中心以及防止軸向竄動，支架上有3個調(diào)節(jié)螺釘。 2.7擠出機(jī)加料系統(tǒng)的設(shè)計 加料裝置的作用是給擠出機(jī)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(jī)的加料座上，將物料不斷地提供給擠出機(jī)。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(cè)面開有視鏡孔．以便觀察料位變化情況。料斗底部設(shè)開合門，用以停止和調(diào)節(jié)加料量。料斗上方安有蓋子，以免灰塵和雜物進(jìn)入。 本設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計及校核 3.1傳動系統(tǒng)的設(shè)計及校核 3.1.1皮帶傳動設(shè)計 現(xiàn)在已知電機(jī)功率P=7.5kw，轉(zhuǎn)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(zhǔn)寬度制SPZ型窄V型帶 （3）確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd，并驗算帶速v 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1=112mm 驗算帶速v v=πdd1n160×1000=π×112×144060×1000=8.44ms （3-4） 因為5ms0.7dd1+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(zhǔn)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(bǔ)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式: 根據(jù)帶型SPZ和小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1,由機(jī)械設(shè)計手冊選小帶輪的結(jié)構(gòu)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(jī)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(zhǔn)寬度bd=8.5mm 基準(zhǔn)線上槽深hamin=2mm 基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)圖 （3） 大帶輪的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)直徑dd1，由機(jī)械設(shè)計手冊選用大帶輪的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)寬度bd'=8.5mm 基準(zhǔn)線上槽深 hamin'=2mm 基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)圖 帶輪的技術(shù)要求： 輪槽工作面不應(yīng)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(zhǔn)直徑差不得大于0.4mm。 3.2加料套的設(shè)計 3.2.1擠出機(jī)加料套的設(shè)計 ⑴ 加料套結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 依據(jù)雙螺棱推動理論可知，設(shè)計的機(jī)筒加料套的結(jié)構(gòu)特征為：機(jī)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(zhì)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(shè)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(shè)計中取加料套的導(dǎo)程由144mm漸變?yōu)?0mm。 ②加料套溝槽的形狀 由于本設(shè)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(shè)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(jī)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(jī)來說，溝槽的數(shù)目大約是螺桿直徑的15，因此，設(shè)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(yīng)大于物料顆粒的最大尺寸。由于物料在溝槽中運(yùn)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(cè)面，而物料在螺槽中運(yùn)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(cè)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(jī)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(jīng)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(yīng)大于物料顆粒的大小，還與螺桿的直徑有關(guān)。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(yīng)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(jìn)而影響到正位移的實現(xiàn)，因此螺槽寬度應(yīng)當(dāng)適宜。 本設(shè)計中螺槽較寬而螺棱較窄，根據(jù)經(jīng)驗加料套總的螺槽寬度應(yīng)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(shè)計出的加料套的結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。 圖3-9 基于TGL理論的加料套結(jié)構(gòu)圖 ⑵ 加料套的基本特點(diǎn)： ①加料套的內(nèi)表面開設(shè)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(jìn)行冷卻，在加料套溝槽外圓開設(shè)有螺旋水槽； ③加料套與內(nèi)襯焊接后精加工至最后尺寸； ④內(nèi)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(zhuǎn)。 3.3 螺桿的設(shè)計及校核 3.3.1螺桿的設(shè)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(guān)。由于本設(shè)計的擠出機(jī)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(dāng)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(dāng)大的范圍內(nèi)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(jīng)驗，取壓縮段長度為L2=10D=450mm。 由于IKV擠出機(jī)的固體輸送率較大，導(dǎo)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(yīng)取長些，甚至需要在計量段設(shè)置混煉段，因此本設(shè)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(jī)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(jī)的小，而當(dāng)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(shè)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(shè)計和方便加工，取S=D=45mm 螺旋角θ=17°40' ⑷ 螺桿螺棱法向?qū)挾萫1和軸向?qū)挾萣 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(jīng)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(jī)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(shè)計采用矩形螺紋，螺紋根徑表面與螺棱推進(jìn)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(dāng)塑料熔體從螺旋槽進(jìn)入機(jī)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(fù)雜)的流動變?yōu)橹本€運(yùn)動。為了得到較好的擠出質(zhì)量，要求物料盡可能平穩(wěn)地從螺桿進(jìn)入機(jī)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(chǎn)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(jī)頭體中的流道和分流的流道和分流板的設(shè)計有關(guān)。目前國內(nèi)外常用的螺桿頭部結(jié)構(gòu)形式如圖3-13所示。 圖3-13 常見螺桿頭部的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計采用圓頭形螺桿頭a，螺桿頭的球半徑為R=20mm,結(jié)構(gòu)如圖 圖3-14 螺桿頭部結(jié)構(gòu) ⑼ 螺桿尾部的密封結(jié)構(gòu) 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(shè)計有密封部分。 措施：采用與螺桿螺紋旋向相同的螺紋進(jìn)行密封，由于旋向相同，這種結(jié)構(gòu)不僅能起密封作用，而且還能將已漏入密封內(nèi)的物料推回到螺桿的工作部分。 圖3-15 螺紋尾部密封結(jié)構(gòu) ⑽ 螺桿整體結(jié)構(gòu) 圖3-16 螺桿的整體結(jié)構(gòu)圖 3.3.2螺桿的強(qiáng)度計算及校核 （1） 與常規(guī)的擠出機(jī)的機(jī)頭壓力不同，IKV擠出機(jī)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(yīng)該是加料段處的壓力，根據(jù)經(jīng)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(qiáng)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(chǎn)生的壓應(yīng)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(chǎn)生的彎應(yīng)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(chǎn)生的剪應(yīng)力 τ=MnWn=9550Nnmaxηπ161-d0Ds4=9550×7.550×0.9π16×0.03782=121.6Mpa （3-24）④合成應(yīng)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(yīng)力 σ=σsns=8502.8=303.61MPa 因為σ<σ，故螺桿強(qiáng)度足夠。 （4）螺桿推力面上的擠壓應(yīng)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(jī)筒的設(shè)計及強(qiáng)度校核 3.4.1機(jī)筒壁厚的選擇 表3-1 我國某些擠出機(jī)的機(jī)筒壁厚 mm 螺桿直徑 30 45 65 90 120 150 200 機(jī)筒壁厚 20～25 20～25 30～45 40～45 40～45 40～45 50～60 選擇機(jī)筒的壁厚?=20mm， 機(jī)筒的內(nèi)徑Db=45mm， 機(jī)筒的外徑D0=85mm 螺桿與機(jī)筒的配合間隙δ=0.2mm 表3-2 螺桿與機(jī)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(jī)筒的強(qiáng)度校核 由于機(jī)筒外徑與內(nèi)徑之比D0Db=k>1.1，因此可用厚壁圓筒理論進(jìn)行強(qiáng)度計算。 根據(jù)厚壁圓筒理論，機(jī)筒內(nèi)壁受物料的壓力P作用時，機(jī)筒壁上每一點(diǎn)都處于三向應(yīng)力狀態(tài)，即徑向應(yīng)力σγ?max、切向應(yīng)力στ?max和軸向應(yīng)力σz。 徑向應(yīng)力 σγ?max=-p=-50MPa （3-27） 切向應(yīng)力 στ?max=pR02+rb2R02-rb2=50×42.52+22.5242.52-22.52=89MP （3-28） 軸向應(yīng)力 Σz=prb2R02-rb2=50×22.5242.52-22.52=19.5MPa （3-29） 按第四強(qiáng)度理論——最大變形能量理論計算，其強(qiáng)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(yīng)力 σ<σp，故安全。 3.5 螺桿尾部平鍵的強(qiáng)度計算 螺桿尾部與減速箱通過平鍵連接，平鍵的載荷性質(zhì)屬于輕微沖擊，其許用擠壓應(yīng)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(qiáng)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(yīng)力、許用壓力 Mpa 許用擠壓應(yīng)力、許用壓力 連接工作方式 鍵或轂、軸的材料 載荷性質(zhì) 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(jié) 論 本設(shè)計完成了單螺桿擠出機(jī)的主要構(gòu)件的設(shè)計，這些構(gòu)件與常規(guī)的IKV擠出：它的加料套開設(shè)的是螺旋溝槽，而傳統(tǒng)的IKV擠出機(jī)的加料套開設(shè)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(dǎo)致物料溫升高進(jìn)而影響擠出機(jī)的產(chǎn)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(jī)的產(chǎn)量得到大幅度的提高。本設(shè)計只是對擠出機(jī)主要構(gòu)件做了理論上的分析和計算，實際生產(chǎn)中該擠出機(jī)的這些構(gòu)件能否實現(xiàn)，還需要做進(jìn)一步的實驗驗證。 參考文獻(xiàn) [1] 濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計.第8版.北京:高等教育出版社. 2006.5 [2] 郭克希，王建國.機(jī)械制圖.第7版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8. 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