双螺杆挤出机加料装置的设计

1双螺杆挤出机设计概述1.1 双螺杆挤出机概述随着聚合物加工业的发展，对高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求，单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求。例如：用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等，混合分散效果就不理想。另外，单螺杆挤出机尤其不适合粉状物料的加工。为了适应聚合物加工中混合工艺的要求，特别是硬聚氯乙烯粉料的加工，双螺杆挤出机自20世纪30年代后期在意大利开发出来以后，经过半个多世纪的不断改进和完善，得到了很大的发展。在国外，目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域，已占全部挤出机总数的40。硬聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都是采用双螺杆挤出机加工成型的。作为连续混合机，双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性，也有用来进行反应挤出。近20年来，高分子材料共混和反应挤出技术的发展进一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加。1. 1. 1 双螺杆挤出机的结构与分类双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几个部分组成，各部件的作用与单螺杆挤出机相似。与单螺杆挤出机区别之处在于双螺杆挤出机中有两根平行的螺杆置于同一的料筒中。双螺杆挤出机有许多种不同的形式，主要差别在于螺杆结构的不同。双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多，这是因为双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向，啮合程度等问题。目前，双螺杆有许多种类型，其主要可以分为：.从螺杆轴线是否平行可分为平行式和锥形式双螺杆；前者两根螺杆的轴线互相平行，后者两螺杆的轴线相交成一角度。平行双螺杆挤出机相比较于锥形双螺杆挤出机的优点是：平行双螺杆挤出机具有压延长度较大，压延有强烈的塑化与均化能力的效果，而且螺杆平均直径小，转速较低，因此，平均剪切速率也较低，压延频率高，有效停留时间并不低于锥形螺杆。.从两根螺杆的相对位置又可以分为啮合型和非啮合型，啮合型又可以分为部分啮合型和全啮合型。非啮合型的一根螺杆的螺棱不伸到另一根螺杆的螺槽中去，而非啮合型则是两根螺杆的轴线分开的距离小于两根螺杆外半径之和，即一根螺杆的螺棱插到另一根螺杆的螺槽中去。根据啮合程度（即一根螺杆的螺棱插到另一根螺杆的螺槽中的深浅程度），啮合型又可以分为部分啮合和全啮合型。.从螺杆旋转方向的不同，可以分为同向旋转与反向旋转。顾名思义，同向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆的旋转方向相同，异向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆的旋转方向相反。它可以是向内旋转或向外旋转。1. 1. 2 双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但工作原理差异却很大。在双螺杆挤出机中，物料由加料装置（一般为定量加料）加入，经螺杆作用到达机头口模。在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同。、非啮合型双螺杆挤出系统物料在非啮合双螺杆挤出系统中，除了向机头方向的运动形式外，还有多种流动方式。由于两螺杆不啮合，它们之间的径向间隙很大，存在较大的漏流。主要流动方式：由于两螺杆的螺棱的相对位置是错开的，即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一螺杆拖带面的物料压力，从而产生了流动。物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的流动，同时随着螺杆的旋转，在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走、更新（不论两螺杆的转向如何），特别是在异向旋转过程中，物料在处受到阻碍，产生了流动。多种物料的流动形式（包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种流动）都增加了对物料的混炼和剪切。但这种双螺杆没有自清洁作用，一般仅用于混料，不适合PVC型材的生产。、啮合型同向旋转双螺杆挤出系统物料在同向旋转的双螺杆挤出系统的全螺纹段的流动情况。由于同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆要把物料从间隙中推出，结果使物料从一根螺杆转到另一个螺杆，呈形前进，这种速度的改变以及啮合区较大的相对速度，非常有利于物料混合和均化，由于啮合区间隙很小，啮合处螺纹和螺槽的速度相反，剪切速度高，有很好自洁作用，即能刮去粘附在螺杆上的任何积料，从而使物料的停留时间很短。这种挤出机主要用于混炼物料和造粒。但由于物料在啮合区间所受剪切力很大，所以也不适应PVC型材的生产。、啮合型异向旋转双螺杆挤出系统啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况。在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中，两根螺杆是对称的，由于回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵，不能形成“”字型运动。在固体输送部分，物料是以近似的密闭“”形小室的形态向前输送。但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量，以便使物料能够通过。物料通过两螺杆之间的径向间隙时，受到强烈的剪切、搅拌和压延作用，因此，物料的塑化比较好，多用于加工制品。由于两螺杆的径向间隙比较小，因此，有一定的自洁性能，但自洁性比同向旋转的双螺杆要差。1.2 挤出机整体方案设计近年来，双螺杆挤出机得到了迅速的发展，但由于双螺杆挤出机的复杂性和种类的多样性，以及双螺杆理论的不成熟，所以至今还没看到有关双螺杆挤出机参数设计和结构设计的比较系统的文献，因此对双螺杆挤出机的设计更多地只能停留在经验设计的水平上。当然，经验设计是必须服从挤出工程的基本规律的，所以由此所进行的有关双螺杆挤出机的设计是具有一定的科学性与理论性的。双螺杆挤出机的应用，都是以机组的的形式出现。挤出机组包括主机（即通常说的挤出机）、机头和辅机。因而就双螺杆挤出机的总体设计而言，它可以包括主机（螺杆挤出机）、机头和辅机的设计，也可以单指主机的设计。因此双螺杆挤出机的设计应当包括双螺杆挤出机类型的确定，整体方案的确定，主要技术参数的确定，挤压系统的设计，传动系统的设计，加料系统的设计，加热冷却系统的设计，控制系统的设计等。1.2.1 开式设计和闭式设计的选择所谓开式设计，一般指双螺杆挤出机的挤压系统、冷却加热系统都裸露在外面，这种设计的优点是各部分出现故障时，检查、维修及拆装比较方便，也一目了然。啮合同向双螺杆挤出机大多采用这种设计。所谓闭式设计，其挤压、冷却加热系统的外面都有罩子，其余各部分有时也封闭起来，本设计中采用开式设计。1.2.2 一阶机和二阶机的选择所谓一阶机，是指主机只有一个挤压系统，包括一套螺杆、机筒和传动箱；而二阶机是指主机有两个挤压系统，包括两套螺杆、机筒和传动箱，柔性串起来组成主机。就目前见到、用于成型制品的双螺杆挤出机组的主机多是一阶的，如啮合平行异向双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。用于配混料造粒的啮合同向双螺杆挤出机有的情况下设计成二阶的，其第一阶用来塑化、混合物料，第二阶用来建压、挤出造粒。本设计中以采用一阶式为宜。1.2.3 整体式和积木式的选择一般啮合异向旋转的双螺杆挤出机（也有例外）和锥形双螺杆挤出机都是整体式，即其各大组成部分（螺杆、机筒、减速箱）在使用中不再拆开并进行重新组合安装。国外流行的啮合同向双螺杆挤出机绝大多数都设计成积木式的，即其机筒、螺杆有若干组件组成，可根据使用需要进行重新组合安装。也有的厂家生产的双螺杆挤出机，除了其机筒、螺杆是组合式外，其扭距分配器和齿轮箱做成积木式，通过更换扭距分配器可以将双螺杆挤出机改变成异向旋转或同向旋转；去掉扭距分配器，其齿轮箱还可以与单螺杆挤压系统相接，组成单螺杆挤出机。本设计中采用整体式设计。1.2.4 封闭式机筒与剖分式机筒的选择双螺杆挤出机的机筒有的是整体式的，有的是由若干段组成，但机筒均不能打开分成两段，它们是封闭的。因此，要想了解挤出过程中物料沿螺杆的输送、混合、反应情况，只有停转将机筒通过水骤冷，然后把螺杆抽出来才能看清楚。这样很不方便，有时为了会破坏过程反应的原貌。为了克服上述缺点，人们把双螺杆挤出机的机筒做成剖分式，停车冷却后靠液压系统或手动机械打开，观察取样，进行研究。挤出机再工作前，再靠液压系统或手动机械合起来。本设计采用封闭式设计。1.2.5 挤压系统的选择对某些大型同向双螺杆挤出机造粒机组（有时是挤出片材挤出机组），为了高效、节能、精确地控制挤出机熔体的压力以保证制品的尺寸精度，在挤压系统末串接熔体齿轮泵，由双螺杆完成塑化、混炼，由齿轮泵建立、控制挤出压力。本设计中没有使用串接齿轮泵的设计。2加料装置2.1 加料系统的组成加料系统主要由加料斗和上料斗部分组成。加料斗装于挤出机的加料座上，将物料填入挤出机，而上料部分可以在外力作用下，将物料不断输入加料斗，补充料斗内的物料。加料斗：其结构形式多样，有圆锥形、圆柱圆锥形、矩形及正方形。图2.1.1给出了加料斗的最基本形式。 图2.1.1料斗结构图1.料斗盖 2.视窗 3.开合门 在加料斗上安有料斗盖，以防止灰尘等杂物进入。一般要在料斗的中部及下部开设视镜孔，用以观测存料及上料情况；在料斗底部设有开合门，或在底部设有一转轴以使料斗旋转，用以调节或截断进料量及换料。料斗的材料要轻便、耐腐，铝板及不锈钢是料斗的优选材料。料斗的容积一般设计为挤出机11.5h的挤出量。上料部分：上料方式有人工上料或自动上料。人工上料劳动强度大，主要用于小型机台。中型及大型机都采用自动上料。自动上料主要有弹簧上料、鼓风上料、真空吸料及运输带传送上料等形式。目前比较先进的上料方式有群控上料系统。2.2 加料装置形式现在着重研究一下双螺杆挤出机的加料装置。双螺杆挤出机一般情况下采用计量加料，但有的情况下，也采用溢流加料、强制加料。2.2.1 计量加料装置所谓计量加料，即加料装置给挤压系统加入多少物料，挤压系统就挤出多少物料，挤压系统的挤出量与螺杆转速无关。加料量是挤出过程的一个独立操作变量。既然是计量加料，因而加料装置的加料速度应能无级调节，且有一定的计量精度。加料速度的无极调节靠加料装置传动系统的电机转速的无级调节来实现。加料装置传动系统的调速电机转速可以采用直流电机，也可以采用变频调速电机。它们的调速范围应与加料速率范围相适应。计量加料的计量方式有体积计量、失重计量、称重计量。在双螺杆挤出机中用的最多的是前两种。（1）. 体积计量加料装置它是靠加料螺杆的旋转把物料加到挤压系统中的。由于螺杆容积一定，对于某种松密度不变的物料，加料螺杆每转一转，输送的物料量是一定的。加料量和螺杆转速基本成线性关系。图2.2.1.1.1所示为体积计量加料装置。该装置为立式，位于双螺杆挤出机挤压系统的上方，用的最普遍。这种加料装置有的在料斗下方还设有搅拌浆叶，增加混合，并防止物料架桥。图2.2.1.1.2所示为体积计量加料装置所用加料螺杆的各种形式。不同形式螺杆的加料性能不同，可适应于不同物料。 图2.2.1.1.1 体积计量加料装置 (a).外形 (b).(c).投影图双螺杆在加料过程中仍能对物料进行混合，除加入单螺杆可加入的物料（粉状料、颗粒料、纤维状料、片状料、部分流动性高的具有粘着性的物料），还可加入流动性、粘着性高的物料，也能加入吸湿性高的材料。其中图2.2.1.1.2(b)所示的双螺杆，是由螺旋状弹簧和中间轴组合而成，其弹簧和中间轴之间的间隙不固定，在物料阻挡下可适度变化，这样就不易塞住物料，因“漏流”较大，混合效果也好。而图2.2.1.1.2(c)(d)所示的加料螺杆无异于双螺杆挤出机的螺杆，只是在螺杆全长上螺槽的导程和体积不变，它们的输送计量性能较好。图2.2.1.1.2 计量加料装置所用加料螺杆的形式图2.2.1.1.3 侧加料装置还有一种计量加料装置叫侧加料装置，它水平安装于双螺杆挤出机的一侧，由水平方向将物料加到机筒侧面的加料口中。使用时应将其和主机刚性的联在一起，不使用时可借助其底部的滚轮与挤压系统脱开。它主要用于松密度低（如粒径很小的细粉）难以加入获需要分别在挤压系统轴向不同位置加入的物料。在主机侧加料口上游应开设排气口，以使物料中的挥发物和夹带的空气逃逸，不与加入的物料流相干涉，保证物料顺利加入。图2.2.1.1.3为WP公司生产的双螺杆挤出机上使用的侧加料装置。（2） .失重计量加料装置失重加料装置的工作原理是基于所控质量的损失原理。单位时间质量的损失dm/dt对应于实际的给料速率。经比较得出的实际给料速率和设定的给料速率的差值，可作为给料器控制加料机构驱动装置（通常为无级变速电机）回路的输出信号。称重料斗短时间加料时，给料器将转换为容积式给料状态，这时所用的输出控制信号是在重量式给料状态时储存的。 图2.2.1.2.1 失重加料装置1.失重加料器 2.搅拌浆液 3.大气排气口 4.双螺杆挤出机由于这种加料装置不但能计量出质量的绝对值，而且能得到质量的相对变化，故使用时不必进行归零调整。由于是全封闭结构，故可避免物料污染。亦可用于不想让其飞散的物料输送。对其物料的处理能力可由100g/h30000t/h。几乎能够处理所有类型的物料。但它的设计流量不能太大，否则加料系统的体积会随流量的增大而急剧增大。图2.2.1.2.1所示为Berstorff公司生产的双螺杆挤出机上采用的失重侧加料装置。由图可见，由失重加料器出来的物料落入带有搅拌器的料斗，后由加料螺杆将物料加入双螺杆挤出机的侧加料口。而在侧加料口的上游设有对空排气。由上可知，无论是计量加料，还是失重加料，最后都是靠加料螺杆将物料加入双螺杆挤出机的加料口的。如果是侧加料螺杆采用双螺杆，则双螺杆加料装置无异于一台小型双螺杆挤出机。（3） .称重给料器称重加料器的测量原理与皮带秤一样，但称重给料器多一套使给料数率恒定的控制系统。控制系统控制实际给料速率与所设定的给料速率之差值，由给定的控制算法进行处理。控制系统则对模拟马达的速度设值（大小为Y），使皮带驱动速度可变，通过变更皮带速度，就可获得所需的给料速率。称重给料器的给料速率约在50kg/h 2000 t/h的范围内，在满量程的10100的范围内，其精度可达设定值的0.5。质量流量计质量流量计是利用哥氏加速度来测量粉、粒料流量的，测量精度较高。它一般设计成防尘密封系统，并与旋转阀或螺旋输送器一起构成一个计量给料系统。整个系统得体积不会随加料能力加大而急剧加大。它特别适于大流量场合，范围从500100000kg/h，精度0.5。2.2.2 强制加料装置对于那些松密度较低的物料（如RPVC粉料），有时为了加大物料与螺杆和机筒的接触面积，以利于传热，提高挤出量，要采用强制加料装置。图2.2.2.1所示为强制加料装置示意图。图2.2.2.1 强制加料装置图2.2.2.1(a)所示为常见的加料装置，它在料斗中增加了旋转的螺旋，且螺旋在加料口上方垂直地对准双螺杆的上啮合区，靠螺旋的转动把物料强制地加入加料口内。由于螺旋转速可调，故其加料量可调。这种强制加料装置有防止架桥和物料在加料口沉积的作用，并有一定的建压能力，这有助于清理机筒加料口，推动已熔或已冷的物料结块回到挤出机中。但当加入细的粉状填料时，由于粉料易夹带空气并有流态化的趋势，这种立式强制加料器有一定限制，即可能产生热空气或挥发物形成的气流，而气流可能与填料流向干涉。图2.2.2.1(b)所示为Cincinnati Milacron公司制造的一种专用强制加料器，其特点是料斗中心线和螺旋中心线不重合，而是成一夹角，以致物料是在一定压力下加入机筒内的，这使得自由流动的干混料的加料量增加5，使流动性差的物料量增加25。3加料装置部件的初步设计3.1原料性能分析聚乙烯是世界上塑料品种中产量最大的的品种，应用广泛，约占世界塑料总产量的三分之一，目前聚乙烯的的产量已达到三千多吨，已有50多年的工业化历史，其中我国1998年的聚乙烯产量为2389千吨，其原料丰富，价格便宜，容易成型加工，性能优良。聚乙烯塑料的挤出产品有：各种工农业及包装用模，各种管材，塑料板及片材，塑料丝、网、袋、塑料容器及电线电缆线。低密度聚乙烯（LDPE）也叫高压聚乙烯。它是由浓度为99.95的乙烯单体经高压聚合而成的，聚合压力为100300MPa，聚合温度160270 oC。按游离基历程反应，所以易于发生链转移，产品中存在大量支链结构，分子结构缺泛规整性，因此LDPE的结晶度较小，为6575，半透明，密度较低，为0.940.95g/cm3 。3.2 加料装置部件参数的确定挤出机加料装置由加料螺杆、自带减速器的直流电动机、料斗、高度调节装置（支架）等组成。3.2.1 加料螺杆的设计加料螺杆是加料装置中最重要的部件，它的设计好坏关系到整个加料装置的设计是否能成功。通过利用加料螺杆的连续旋转，以及物料与加料机筒、螺槽的摩擦，它将物料源源不断的送往机筒。 . 螺杆的主要参数 图3.2.1.1.1 螺杆的几何参数如图3.2.1.1.1所示，加料螺杆的主要技术参数有：螺杆直径 指螺杆外圆直径，用Db表示，单位为毫米（mm）。螺槽深度 对加料螺杆来说，螺槽的深度用h表示，一般是个定值；螺槽深度用毫米作单位。螺纹螺距（导程） 两个相邻螺纹之间的距离，用S表示，一般取S（螺杆平均直径）。螺纹升角 螺旋线与螺杆中心线的垂线两者之间的的夹角，用表示，一般取10L30L。螺纹头数： 用i表示，一般情况下螺纹头数为1。螺棱轴向宽度：用e表示，一般指沿轴向螺棱顶部的宽度，单位为毫米（mm）。螺槽轴向宽度：用B表示，一般指沿轴向螺槽的宽度，单位为毫米（mm）。. 螺杆设计参数对固体输送率的影响螺杆参数是影响固体输送率的重要影响。在螺杆各参数中，螺杆螺旋角、加料段螺槽深度对固体输送率影响较大。 1.螺旋角值对固体输送率的影响。理论上，加料段的螺旋角在小于45L的范围内，固体输送率随 的增大而增加。当为45L时，输送率随的增大而增加。当为45L时，输送率为最大值。加料段螺旋角与输送角（这里主要指摩擦系数的影响）共同作用，影响固体输送率的大小。大多数塑料的摩擦系数在0.250.5范围内。在此条件下得到的螺旋角为17L20L最佳加料段的螺旋角增加，可以在短的距离内给出更大的物料输送量；减小，挤出同样多的物料，需要增加螺杆转数。确定后，螺杆的导程既确定。我们一般取17L41C。这是因为根据下面将要提到的式3.11得出的。在其他条件下相同的情况下，当最大时，固体输送率最大。假设fs=fb=f,压力无变化以及忽略螺纹的影响，可以推导出最佳螺旋角随摩擦因数的降低而增加。对大多数高聚物来说，fs在0.250.5范围内，因而最佳螺旋角正好在17L20L之间。一般设计总是使螺杆平均直径与螺距相等，这样有利于机械加工的方便，此时得到17L41C，恰好符合最佳螺旋角的要求。即根据：，而，因此有，解得：17L41C。2.螺槽深度h对固体输送率的影响。在加料螺杆中，我们应采用大容积的螺杆以增加输送量，因此螺槽深度应很大。同时螺槽应采用矩形螺槽，这是因为矩形螺槽有较大的装填体积，而且机械加工比较容易，适用于加料段。但螺槽深度受到螺杆根径所能承受的扭矩值的限制不能太大，尤其对于直径较小的螺杆，h太大，容易使螺杆断裂。3.螺槽及机筒的表面粗造度对固体输送率的影响。螺杆及机筒的表面粗糙度是与物料之间的摩擦系数相关而影响固体输送率的。根据固体输送理论，要求塑料与螺杆的摩擦系数应小于塑料与机筒的摩擦。要提高固体输送速率，应降低螺杆粗糙度以降低螺杆与塑料的摩擦系数。根据国家塑料机械标准（JB/T5312594）对螺杆产品质量等级要求，一等品螺杆表面粗糙度为Ra0.8。适当增加机筒内壁粗糙度，是提高固体输送率的另一个措施。但机筒表面粗糙度不可太大，因为挤出要求机筒与螺杆之间的很小，一般为0.10.5mm（一般随螺杆直径增大而取大值）。若机筒表面粗糙度过大，将会增加螺杆与机筒之间的磨损，反而会降低其挤出量。因此设计时一般机筒表面粗糙度稍低于螺杆表面粗糙度。4.螺杆与机筒的配合要求。螺杆与机筒的配合间隙 的大小涉及到挤出机的生产能力、功率消耗、使用寿命，机器加工成本等问题。取值过大，加工，装配容易，但生产能力则会降低，塑料在机筒内的停留时间难以控制，甚至造成热分解。取值过小，加工装配困难，功率消耗增大，且容易使螺杆磨损，降低机器使用寿命。螺杆与机筒的间隙的选择既要根据加工条件决定，又要考虑被加工物料的性能。一般粘度大的塑料，可取大值；粘度小的塑料，可取小值。一般取（0.0020.005）Db。5. 螺棱宽度太小会使漏流量增加，导致挤出机挤出产量降低。特别是像聚乙烯等低粘度熔体更是如此。螺棱宽度太大则会增加动力消耗，也有产生局部过热的危险。一般取e（0.080.12）Db。. 螺杆的材料选用螺杆工作时所受到的扭矩较大，且螺杆要与机筒配合工作，所以还要受到刮磨、机械摩擦磨损及塑料摩擦的作用，某些塑料还会有较强的化学腐蚀作用。在以上的工作状况下工作，螺杆将可能产生扭断、因磨损严重或腐蚀严重而与机筒间隙增大使产量降低等失效形式。螺杆常用材料：根据以上螺杆的工作状况，要保证螺杆在具有一定的条件下能正常工作，必须选择合适的材料。其材料性能要求为：机械性能好，耐腐蚀性能好，耐磨性好，加工性能好。螺杆的选择及提高性能的方法。对于普通螺杆可以采用45钢，虽然耐磨性强度和耐腐蚀性较差，但其成本低，容易取材。40Cr镀铬钢抗磨性能都较高，对镀层要求严格，过薄质地疏松，过厚容易脱落。38CrMoAl氮化钢的综合性能好，是挤出机螺杆应用最广的材料。实践和理论分析证明，要延长螺杆的寿命，就要强化螺杆的强度，可以经过热处理等加工工艺来满足其要求。. 加料螺杆的初步设计为了理论分析的需要，描述螺杆直径时，分别用Db表示螺杆外径（一般的螺杆直径D即指其外径）；Ds 表示螺杆根径；螺杆平均直径。由于螺旋线展开为直角三角形的斜边。 图3.2.1.4.1 螺纹的参数及展开图如图3.2.1.4.1所示，则螺旋升角为,导程S和螺杆直径D，当螺杆头数i1时，它们的关系为 ；若将螺杆展开如图3.2.1.4.1所示，可见，b对应于Db，s对应于Ds,而则对应于,但是导程S不变。图3.2.1.4.2 螺纹线展开图根据图3.2.1.4.2所示，当螺槽展开时，螺旋线展开长度为Z，则有：图3.2.1.4.3 不同螺纹直径所对应的螺纹升角当Z分别为外径、内径或平均直径上螺杆的展开线时，式中D、分别为Db、Ds、和b、s、。如图3.2.1.4.3所示：为螺槽的法向宽度根据图的几何关系，有：3.1式中e-螺棱的轴向宽度；-螺棱的法向宽度。螺杆的初步设计：螺杆材料选用45钢,调质处理。其材料性能为：抗拉强度，屈服极限弯曲极限剪切极限初步选定：螺杆的外径为Db为90mm, 螺槽深度h为20mm, 端面为矩形。螺纹螺距即导程S为65mm, 螺纹升角取17L41C。螺纹头数i为1。螺棱轴向宽度e为8毫米（mm）。螺槽轴向宽度B为57毫米（mm）。加料机筒间隙：0.3mm。. 加料螺杆挤出量的计算物料进入加料螺杆后，首先以固体状态向前输送，固体在旋转的螺杆和固定的机筒的作用下，向螺杆挤出方向运动，现分析其运动情况，如图3.2.1.5.1所示。我们在固体塞上取微元的运动分析，即可代表整体的情况。根据理论力学的速度合成定理绝对速度等于牵引速度与相对速度的矢量和。如果把绝对坐标系建立在机筒上，动坐标系设在螺杆上，则图3.2.1.5.1 固体塞运动分析螺杆外径，螺杆转速，螺棱的法向宽度；加料段螺槽深度，螺槽宽度，按外圆计算的螺纹升角，螺根直径螺杆转动的切线速度为牵引速度，而微元固体塞沿螺槽前进的速度为相对速度，因此绝对速度即为微元固体塞相对于机筒的运动速度，根据速度合成定理，作速度图，即可以得到。计算的目的是为了求固体沿螺杆轴向前输送的生产率，因而作为的轴向分量，则得固体输送率为：3.2式中可以通过数学推导获得3.3 3.4式中n螺杆转数；F垂直于的螺槽流道截面积。输送角（或叫前进角）。通过几何运算可得：3.5式中 螺纹头数；平均螺纹升角。将式（3.5）、（3.6）、（3.7）代入（3.4）得：3.63.73.9螺杆头数为1，将式（3.8a）、（3.8b）代入（3.8）得：3.10式中 平均螺槽法向宽度。若螺棱宽度很小，忽略不计，则括号里的值近似等于1，此时可以得出简化的计算式：图3.2.1.5.2 固体塞微元受力分析3.11从结果公式中可以看出，与n和成正比关系，而螺杆直径接近成平方关系，这种关系是与实验结果相近的。又从式(3.9b)可知，当螺杆参数一定时，输送角是影响生产率的重要因素。我们可以对螺槽中截取的固体塞微元进行受力分析，将输送过程视为匀速运动，通过力和力矩平衡求得角。固体塞微元的受力分析如图37所示。省略对角的求解过程，将结果表达式为： 式中：3.13为便于计算，将式3.11改写成：3.14式中为3.12式中等号右边后三项的总和。当输送角0时，0，说明固体的绝对速度沿螺杆圆周切线方向，它同螺杆一齐转动。因此为了提高固体输送率，就要尽量增大输送角。在极端的情况下，当螺杆参数一定时，如果不考虑压力的上升，并且同时假设fs0，则固体输送率可以达到最大，由此可以推导出：3.15其中fs为螺槽底面的摩擦系数。然而在实际过程中，由于存在着压力上升，且在螺槽底面和侧壁存在摩擦，因而生产中是达不到以上最大产量数值的。但在设计过程中，若挤出机在一般情况下的正常挤出量为350kg/h，我们就可以假设加料螺杆的最大挤出量为2，即700 kg/h。取低密度聚乙烯的密度为0.95kg/cm3 ，即为950 kg/m3 。所以有： m3/minDb=90mm, 即Db=0.09m；h20mm, 即h =0.02m； S=65mm, 即S =0.065m；17L41C；i1；e=8 mm,即e=0.008m；B57 mm。ecos8cos20L7.52mm0.00752m根据式3.1根据式 (3.9b) 而： m3/min因此有解得： r/min挤出机的实际挤出量为350kg/h ，因此得到正常情况下加料螺杆的转速为： r/min 3.2.2 加料装置传动装置的选用工作条件：由加料螺杆的工作状况可知，加料螺杆的工作功率小，要求能够实现无级调速，且调速平稳，同时加料螺杆的输入转速很低。因此，我们选用直流电动机。另一方面，在直流电动机与加料螺杆之间需要减速机来进行降速调节。综合考虑，选用适合于塑料挤出机械的减速电动机。其额定数据有：额定功率 为1500W，额定电压为220V，额定转速为1500 r/min，整机质量约为120kg。3.2.3 料斗高度调节装置的设计经分析可知，固定装置中螺栓的作用是调节整个加料装置的高度，使之能与机筒完全配合。在一般情况下，螺栓主要起调节作用，在调节加料装置高度的过程中起传递力的作用。常用于传递力的螺纹牙型有矩形、梯形、锯齿形、和三角形。锯齿形螺纹用于单面受力；矩形螺纹由于工艺性较差，强度较低等原因，应用较少。而三角形螺纹在受力不大的调整螺旋中被采用。因此，我们选用梯形螺纹，右旋。参照国家标准，初步选定螺栓和螺母的主要参数如下：螺栓材料选用选用45钢,调质处理。其材料性能为：抗拉强度，屈服极限弯曲极限剪切极限大径d46mm，小径d133mm，中径d240 mm，螺距P12 mm，牙型角即螺纹牙在轴向截面上量出的两直线侧边间的夹角，用表示，30L。线数n一般取1，即为单线螺纹。导程S即螺栓旋转一周，沿自身轴线相对于螺母所移动的距离。在单线螺纹中，螺距和导程是一致的。升角是螺纹中径圆柱面上的螺旋线的切线与垂直螺纹轴心线的平面的夹角。由几何关系可得：螺纹的接触高度h，对梯形螺纹而言，h0.5P，即h=6mm。 图3.2.3.1 螺栓参数查机械设计手册，知螺纹的牙顶系数0.5。得螺母的主要参数：大径47mm，小径33 mm，中径d240 mm，因为真正起作用的螺纹圈数只有56圈，因此螺母的螺纹圈数一般应小于10。 3.2.4 加料斗的设计料斗钢环厚度为10mm，料斗盖钢板厚度为10 mm；在料斗下部开设视窗口。视窗口的材料为有机玻璃，它通过螺钉铆接在料斗上。在料斗盖上开设进料口，直径为150mm。3.2.4 加料机筒的设计 加料机筒的内表面难以加工或者更换，因此对硬度的要求较高，机筒内表面的硬度应65HRC。 根据加料机筒的工作环境，我们初步选定它的材料为氮化钢，要求对其内孔进行氮化，深度为0.40.7mm，硬度在HV940以上，脆性不大于2级。同时其内孔的表面粗糙度Ra不大于1.6um。 4加料装置的校核4.1 加料螺杆的校核图4.1.1 螺杆受力示意图已知电动机的输出功率为1.5kW，螺杆的正常转速为25.6r/min，由此可以得知在正常工作条件下，螺杆的扭矩为：又由图所示，可以估算出螺杆所受的径向力和轴向力。解得：由，解得： 根据螺杆强度理论，其强度条件为：图4.1.2 螺棱受力示意图即：螺棱根径危险剖面处的剪切强度的条件式为：因此符合要求螺棱根径危险剖面处的弯曲强度的条件式为：其中为抗弯截面系数。如右图所示，将螺棱展开，可以近似的认为是一截面是高为h，宽为b矩形，则有：由图可知高为，即有h=7.52mm，宽度b=50， =7.5mm疲劳安全系数为1.82.5，取S2，有：因此符合要求挤压强度：因此符合要求4.2 螺栓的校核4.2.1 力和弯矩的计算在一般情况下，螺栓主要起调节加料斗高度的作用。但在极端的情况下，即在进料口过度装置悬空的情况下，螺栓受压力和弯矩的双重作用，可能脆裂或者折断，因此需要校核。先对加料装置质量估算一下，考虑其最大质量，即料斗里全部充满低密度聚乙烯。图4.2.1.1 料斗质量的估算1.料斗钢板体积的计算由图4.1.3可知，料斗主要由三块铁板所组成，其面积分别为：所以可以得到料斗的体积为：2搅拌杆体积的计算由图可知，搅拌杆主要由三块铁棒所组成，其体积为：3.螺杆体积的计算可以近似地认为螺杆的体积为：因此有：已知铁的密度为：，因此可以求得料斗和螺杆、搅拌杆三者的质量： 图4.2. 图4.2.1.3 加料机筒体积的估算4.加料机筒的质量计算如图4.2.1.3所示： 其质量为：再对料斗里的低密度聚乙烯的质量估算一下。料斗的体积可以近似地认为是：低密度聚乙烯的密度选取：，即由此可以得到低密度聚乙烯的质量：因此有：其中为减速电机的质量。因此，螺栓在危险情况下可以认为受到一个压力和一个弯矩的作用，其中：。如图4.2.1.4所示。图4.2.1.4 螺栓的受力示意图其中g为重力加速度值，取g10N/kg。而L345mm，即L0.345m。得到螺栓受到的弯矩：4.2.2 螺栓强度的计算，即对于直径为0.033m的圆柱，其抗弯截面系数为。应有：对于M30-60螺栓静联接时的安全系数为21.3，选用S=1.5因此有螺母材料的强度比螺杆的低，故只需对螺母螺纹进行强度校核，一般是验算牙根处的剪切和弯曲强度。如图4.2.2.1所示： 牙根危险剖面的剪切强度条件式为：牙根危险剖面的弯曲强度条件式为：图4.2.2.1 螺母受力示意图4.3 螺杆销的校核销的校核：其剪切应力为：其剪切应力为：材料为45钢，因此可知其符合要求。5双螺杆挤出机其余部分的设计5.1 螺杆部分的设计螺杆设计包括螺杆参数的确定，螺杆结构设计和螺杆材质选择等。螺杆设计的核心问题就是设计出的螺杆应具有优异的混合能力和其它的特定能力（如脱挥发分）。螺杆参数包括螺杆直径、螺杆长径比、螺杆导程（升角）、螺纹和螺槽的断面形状、螺棱厚度、四个间隙等。在本设计中，采用的螺杆形式为啮合异向平行双螺杆。5.2 机筒部分的设计机筒和螺杆共同组成了挤出机的挤压系统，完成对塑料的固体输送、熔融和定压定量输送作用。机筒的结构形式关系到热量传送的稳定性和均匀性。并且对于一些新型的挤压系统来说，机筒在加料段上的结构形式也影响到固体输送效率。机筒的机械加工和使用寿命也影响到整个挤压系统的工作性能。因此，机筒在挤压系统中是仅次于螺杆的重要零件。普通机筒的结构类型有整体式，分段式和双金属式。一般的异向旋转双螺杆挤出机采用的是整体式机筒。而本次设计中的螺杆采用的是整体式，因此机筒也相应的采用整体式机筒。5.3 传动部分的设计双螺杆挤出机的传动系统是双螺杆挤出机的重要组成部分。它的重要性表现在它所完成的功能在双螺杆挤出机中致关重要，也表现在其设计、制造难度和成本在整台机器中占的比重。 双螺杆挤出机传动系统的作用是在设定的工艺条件下，向两根螺杆提供合适的转速范围、稳定而均匀的速度、足够且均匀相等的扭矩（功率）。并能承受完成挤出过程所产生的巨大的螺杆轴向力。双螺杆挤出机的传动系统主要由驱动电机（联轴器）、齿轮箱（包括扭矩分配和减速部分）等组成。 主驱动电动机选型双螺杆挤出机中常用的电机有直流电机、交流变频调速电机、滑差电机、整流子电机等。其中以直流电机和交流变频调速电机用的最多。直流电机系统：可实现无级调速，且调速范围宽，启动较平稳。以国产Z2系列电机为例，当改变电枢电压时，其转速可自同步转速（1500r/min）往下调1：8；当改变激磁电压时，转速可往上调1：2，因此其最大调速范围可达1：16。图2.1所示为直流电机的外特性曲线。由图可以看出改变电枢电压时可以得到恒扭矩调速：改变激磁电压时可以得到恒功率调速，此时随着转速升高其功率不变，但扭矩相应地减少。但国产的Z2、Z3系列直流电机，在其转速低于（100200）r/min时，工作不稳定，而且这时电机冷却风扇冷却性能下降。20世纪80年代以后生产的Z4系列电机则比Z2、Z3系列直流电机性能好得多，其低速性能稳定，因而在双螺杆挤出机中得到广泛采用。图 直流电机外特性曲线根据上图可知，选用功率为55KW的直流电动机已可以满足需要，所以本设计中所采用的主驱动电动机型号为Z4-180-41，功率为55KW，额定电压为440V，转速为1510r/ min，并带有冷却鼓风机和热保护装置，采用三相全控桥双闭环无级调速，另外还带有测速发电机。 减速箱设计双螺杆挤出机的传动箱由两大部分即减速部分和扭矩分配部分组成。这两部分的功能虽有不同，但它们紧密联系，有时还相互制约。根据目前流行的结构看，其设计布置大致有两种方案，一种是将减速部分和扭矩分配部分很明显的分开，即所谓的分离式；另一种是将二者和在一起。在本设计中，选用分离式，因螺杆的转速范围为40400r/min ，而电动机的转速为1510 r/min，所以要求减速箱的总传动比为：1:1510/144 = 1:10.5。 根据所选电机的功率、转速、电机伸出端的直径和减速箱轴的直径选择联轴器的型号为，减速箱通过弹性柱销联轴器与直流电动机相连，采用三级斜齿传动,使总传动比与所要求的传动比吻合。另外，减速箱润滑油采用150号极压齿轮油，一次加油量为25升。为了防止油量过热，箱内悬有蛇形冷却管，冷却方式为水循环式。具体设计及校核略。 分配箱设计在设计过程中，实现规定的螺杆转速（范围）、扭矩均匀分配、轴承合理布置的前提下，通过传动方案的确定和结构设计，采取措施，降低齿轮载荷，抵消或减少传动齿轮的径向载荷，传递更大的功率和轴向力，提高轴承的寿命，装配维修方便。设计、加工的难点在于螺杆中心距限定的狭少的空间。因而必须调动一切可能的手段，寻找特殊的结构形式、材料和热处理工艺来实现上述的目标。与锥形双螺杆挤出机相比，平行双螺杆挤出机螺杆尾部空间比较小，不能平行地放下两根传动轴。 本设计中两螺杆异向旋转，为达到这一目的，大致设想如下：动力由减速箱输出轴齿轮输入到分配箱的一根轴上，这根轴的齿轮齿数与主轴相等，且与一根主轴外啮合同时与大齿轮内啮合，从而带动与此大齿轮内啮合的另一主轴转动。这样，两根主轴以相同的角速度异向旋转，同时也使得分配箱尾部空间增大。5.4 机头部分的设计机头设计又是一项极其复杂的工作,机头是挤出机成型制品的部件，它主要包括机头体、分流器（又称分流梭、 鱼雷体）、分流器支架、芯棒、口模（又称模唇、口型）、调节螺丝等。按习惯，机头一般可分为吹膜机头、挤管机头、挤板机头、挤异型材机头、造粒机头、吹塑中空制品机头、电缆机头、织网机头、以及多色制品和螺旋耐压挤出机头等。机头的主要作用是使熔融物料由旋转运动变为直线运动，产生必要的成型压力，使物料进一步塑化混合均匀。6.双螺杆挤出机辅助系统的设计6.1 定量给料系统定量给料系统由电动机、减速箱、送料螺杆和加料斗组成。送料螺杆实行无级调速，其螺杆速度视双螺杆转速而定。也就是说，随双螺杆转速的提高而提高。一旦建立了平衡，送料螺杆的送料量就等于挤出量，也就等于工作产量。送料螺杆与挤出螺杆可实现同步调速，且转速可直接从仪表上显示出来。在减速箱内要加入30号机油润滑。另外，在加料斗内附有CJ3型磁力架，可有效地防止钢制螺钉、铁屑导磁金属杂物随塑料原料混入挤出机螺杆内。保护螺杆不受损环。6.2 恒温系统恒温系统由油箱、电动机高温齿轮泵、电加热器和水冷却器组成，安装在机身内部。本部件可按设定温度值加油温，起到对螺杆进行加热或冷却的作用。在开冷车时，通入的高温油起加热螺杆作用。工作一段时间后，由于塑料受混炼及剪切作用，螺杆温度不断升高。为了不使螺杆过热，此时高温油起冷却螺杆作用。通过本装置可使塑化温度均匀，物料不易分解，从而提高了塑料制品的质量。本部件油温可实现自动控制和检测。其温度值可在仪表上显示出来。油箱油质采用250苯甲基硅油，并设有液位报警装置。6.3 冷却系统冷却系统由环形油箱、电动机和水冷却器组成，安装在机身内。本部件主要作用是冷却料筒，并与料筒上电加热圈配对使用，冷却油接通与断开由电磁阀控制。本部件设有二个电磁阀，分别控制料筒的二段（第二段和第三段）冷却。本部件实行热电偶自动控制。油箱油质采用250苯甲基硅油。6.4 真空排气系统真空排气系统由水环式真空泵、粉气分离器、电磁阀门和联接管道等组成。物料在挤出塑化过程中，往往夹带空气、吸附的水份以及在成型温度下所产生的挥发物。这些混合气体夹杂在物料中，如不及时排出，则会影响塑料制品的质量，使制品的表面和内部会出现孔隙、气泡、疤痕等现象。本系统的作用就是通过水环式真空泵将这些混合气体从料筒的排气口内吸出，排至室外，从而保证制品的质量。真空度可通过旋塞阀调节，一般可控制在负0.075MPa以下，或根据挤出工艺要求选定。本系统在真空泵进水管道上还设有电磁阀，其作用是在真空泵工作时才开启阀门，真空泵停止工作时，阀门则关闭，进水量大小可通过旋塞阀调节。6.5 电气控制系统电气控制部分由直流调速控制和加热控制系统两大部分组成，它们组装在机身一侧的电气控制箱内。 主螺杆电机和给料螺杆电机都有宽的调速范围，高的调速精度，两者既能单独调节各自的速度，又可两者同步运行，即按两者需要的速比实现两者同步升速和降速。加热系统通过温度指示调节仪实现加热部分温度的准确控制和在超温状态时进行超温报警和调节。 6.5.1 直流调速系统本次设计的锥形双螺杆挤出机的主螺杆电机和给料螺杆电机都采用了直流电机，主螺杆电机为Z4系列，15KW，440V，1510转/分，励磁电压为180V，并配备有ZYA1A直流测速发电机，电压为55V，转速为02000转/分。给料螺杆电机为稀土宽调速直流伺服测速机级组。0.75KW，1500转/分。 为了保证两者具有较宽的调速范围，良好的调速性能，高的调速精度和强的抗干扰能力，本机都采用了可控硅双闭环调速系统。通过改变加在电动机电枢两端电压的大小，便可实现直流电动机的转速调节。电动机的速度由给定电压决定，测速发电机产生的速度反馈电压与速度给定电压相比较，其差值输入到速度调节器，经速度调节器的PI（比例积分）调节后的输出电压作为电流小闭环的电流指定值。电流反馈信号取自互感器，经整流后与电流指定值相比较，其差值输入电流调节器，经电流调节器调节后的输出电压去控制触发器的移相角度，从而改变可控硅的输出电压，使电动机的速度和速度给定值相一致，实现了速度的自动调节。速度调节环扩大了调速范围，维持了工作速度的恒定，实现了转速的无差调节。电流调节环可把起动电流稳定在允许的最大值，达到最优控制。在过载或堵转时可获得理想的下垂特性。在电阀电压波动时，由于其的快速作用，保证了电机的转矩平衡，而不致产生自转速量的变化。 本调速系统采用了新一代的可控硅调速装置，相同于进口系统，主控制板采用紧凑板结构，调节器、触发器及保护环节集中在一快板上。主回路器件选用了可控硅模块，主机的控制装置集中在一个小型笼式箱体内，主控板与箱体的连接采用翻板方式，能旋转，具有结构紧凑，技术先进，性能可靠，使用维护方便等优点。主螺杆电机采用三相全控桥具有速度控制和电流控制的双闭环调速系统，其具有良好的动态性能和静态指标。6.5.2 加热控制系统本挤出机加热控制回路用小型断路开关代替了老式的熔断器，在过载和短路保护时，小型开关自动断开，在故障排除后，则可重新合上该开关，继续参加工作。 加热装置采用电阻加热器，其中料筒上的三段加热装置采用了先进的瓷块加热器，其热容量高，寿命长，安装使用方便，且安全可靠。本系统共设置了十二组加热段：螺杆油温加热段功率为 15KW 料筒第一段加热功率为 6KW 料筒第二段加热功率为 2.5KW 料筒第三段加热功率为 3KW 合流芯加热功率为 2KW在控制箱前端部设置了五组电加热器和热电偶的插接装置，供用户选择使用，每组最大输出功率不得超过7KW。加热器供电电压采用220V/380V三相四线制的供电方式，使装置在加热过程中电网三相负荷保持平衡。同时也可用于单相220V和线压380V的加热装置上。在控制箱的每个温度指示调节仪下方，设置了三只加热指示灯，当电加热圈加热时，指示灯发亮，当电加热圈中有一组加热元件损坏时，对应的指示器熄灭，及时反映出该组电热圈有否损坏，以便及时进行更换，保证加热要求。加热段的温度控制采用了国际DIN规格（9696）的时间比例式温度指示调节仪，配用热电偶实现现温度的检测指示，调节和自动控温。至此，整个双螺杆挤出机及加料装置的设计已基本完成。7设计总结随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。此次设计，我真的是获益颇多。在大学生涯的最后一个学期，我们进行的是直径为90mm啮合式平行双螺杆挤出机加料装置的设计。设计的重心是螺杆、机筒和加料装置、传动装置以及机头。双螺杆挤出机设计所涉及到的知识面较为广泛，加之双螺杆挤出机的理论还很不成熟，很多理论还停留在工程经验的基础上，并没有成套的现成理论可以参考，所以整个设计过程是一个不断学习和探索的过程。通过不断地查阅资料、请教老师，以及去工厂实地了解，对有关塑料机械的理论知识和设计有了较深程度的认识，增强了实际操作经验。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。尽管我们已经尽了最大的努力，但是，由于时间匆促，再加上受到知识和经验的限制，我们初步的设计还有很多需要完善的漏洞，希望能在以后的时间里不断地修正和改进。总之，在这次设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。8.致谢经过三年阶段的学习和研究，在毕业论文完成之际，我特向指导和帮助我的老师、同学、朋友及关心支持我的家人表示诚挚的谢意。 首先要感谢我的指导老师XXX老师。本文是在X老师的精心指导下完成的，从论文的选题、设计方案直至完成论文的整个过程中，都得到了刘老师耐心细致的指导。刘老师严谨的治学态度、渊博的学识、独特的学术思维、一丝不苟的工作作风、热情待人的品质，使我满怀敬意。 感谢机械学院所有的领导和老师，前三年的学习基础对我非常重要，感谢学院的所有老师和领导，在撰写论文和研究指导得到了你们支持和帮助。 感谢我亲爱的同学们，在学习中我们相互帮助，互相激励和关心。 感谢我的家人，这么多年来，正是你们的支持和鼓励，才使我顺利地完成学业；正是你们的关心和默默的奉献，给我创造了优越的条件，使我在学习的道路上乐观向上、勇往直前。参考文献1 耿孝正螺杆挤出机及其应用.北京.中国轻工业出版社，2000.1.第一版2 张丽叶. 塑料成型加工丛书 挤出成型. 北京.化学工业出版社，20023 王善勤.材料挤出成型工艺与设备.北京.中国轻工业出版社，20044 钟毅芳，吴昌林，唐增宝.机械设计（第二版）.