【正文】 排氣產(chǎn)生的多泡物料被四根螺桿輸出。 手提式擠出機 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 北京化工大學成功開發(fā)一種超高速微型手提式單螺桿擠出機。該機器最初為加工一種特殊的低密度低粘度物料設計，并可用于各種低粘度物料的擠出加工，如熱熔膠、低分子量樹脂、各種石蠟、燃料、顏料、化妝品等的加工成型。雙螺桿擠出機用于玻纖增強配混時，若玻纖含量超過 45%， 加工就會變得相當困難。典型例子如北京鳳記和北京化工大學。尤其是各雙螺桿擠出機廠家紛紛推出往復螺桿擠出機。 往復移動式單螺桿擠出機最大的特點是實現(xiàn)不同物料的高填充加工。 以上介紹的幾種單螺桿擠出機，可以說是當前中國市場具有一定代表性的產(chǎn)品。 近年來，雙螺桿擠出機市場異常火爆，相對而言，單螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。隨著技術的不斷進步以及人們對螺桿認識的提高，多種不同的擠出機 結構形式陸續(xù)面世。 專家認為，擠出機主機和生產(chǎn)線今後的市場將向高技術含量、價格更趨走低的方向發(fā)展。單螺桿擠出機則是向著超大型、超微型、大長徑比、高產(chǎn)出、良好的排氣性等方向發(fā)展，而適應特殊加工需要的螺桿機筒結構，則成為大家爭相研發(fā)的重點。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 第 2 章 擠出機總體方案的確定 擠出機總體布局的基本要求 （ 1） 擠出機布局首先必須滿足用戶提出的各種要求。 （ 4） 擠出機必須滿足參數(shù)標準和系列型譜中關于擠出機布局方面的規(guī)定。 螺桿類型的確定 螺桿是擠壓系統(tǒng)中的主要零件。螺桿是擠塑生產(chǎn)影響產(chǎn)品質量的關鍵零件，物料得混合質量、塑化的是否均勻、物料得徑向溫差是否較小、壓力要均衡、能量消耗要比較低、生產(chǎn)率的提高，這些都受螺桿工作質量得影響。所以，生產(chǎn)不同種類塑料制品時，應該選擇不同類型螺桿。如果擠出機要擠塑不同材料的多種制品，就應選擇螺桿具有較大得通用性。普通螺桿與新型螺桿比較有許多不足之處，有逐漸被新型螺桿取代得趨勢。 PS 為乙烯的聚合物，在生產(chǎn)中無特殊的要求，因此選用普通螺桿 ,材料為 45 號鋼。對于機筒結構形式的選擇和制造精度等級，都會直接影響塑料制品的產(chǎn)量和質量。一般小直徑擠出機的機筒，包括有溝槽的加料段 部分。即二段機筒的內(nèi)圓直徑尺寸的一致性和同心度精度的保證，很難達到要求。機筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機筒的內(nèi) 襯套用滲碳合金剛制造。這種機筒既節(jié)省了很多合金鋼又能保證它的耐磨性和抗腐蝕性。結合本設計得要求和螺桿的形式，機筒選擇整體式。高密度聚 苯 乙烯具有剛性、硬度和機械強度大的特性 ,多用低壓聚合。因此，螺桿設計是擠出理論最重要的應用領域之一。對于某些排氣螺桿，長徑比達到 40 左右或更長。 螺槽深度和 壓縮比的確定 螺槽深度是很重要的參數(shù)，我們可以從制品的質量與產(chǎn)量兩方面來分析。 0Q ∝2322HDaa )(?????? ?? （ ） 式中 0Q —— 熔料因剪切產(chǎn)生的熱量； τ —— 剪切應力； γ —— 剪切速率； a? —— 熔料的表現(xiàn)粘度。 從混合效果上來講，計量段槽深較小時，混煉程度較高，制品比較均勻。相反對那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等熱敏性塑料，他們的粘度較高，如果螺槽深度較淺，勢必造成過多的因高剪切產(chǎn)生的熱量。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 表 各塑料的最大速率 本設計加工物料為聚苯乙烯（ PS），根據(jù)表格取γ =93 1?S 由 公式3HD??? （ ） 得 mmDH 593 1 5 01 4 1 533 ???? .?? 以上從擠出質量的觀點分析了計量段螺槽深度 3H 的影響，這種觀點是確定計量段螺槽深度的主要方法，用這種方法確定的計量段螺槽深度基本上滿足了對計量段螺槽深度的要求。有上面的分析可知， H3 的決定受到塑 料 最大剪切速率γ /S 1? LDPE（相對分子質量較高） LDPE（相對分子 質量較低） HPVC SPVC PS 56 104 26 60 92～ 108 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 多方面的因素影響，很難用一個簡單的理論公式來進行計算。螺桿直徑較大者， k 值應選擇較小，螺桿直徑較小者， k 值應選擇較大；熱穩(wěn)定性較好的塑料 k 較小，熱穩(wěn)定性較差的塑料 k 值較大；當螺桿長徑比較大時， k 值可以選擇較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時 k 值較小。按 DarnellMol 理論的固體輸送生產(chǎn)率公式加料段 H1增加后固體輸送生產(chǎn)率會提高。顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)較高的塑料，要比顆粒內(nèi)摩擦因數(shù)較低的塑料更接近于整塊移動。后者指的是塑料在加料時的松密度和受熱熔融后的密度之比。應此對加工同一種塑料的的螺桿，不同設計者對其幾何壓縮比有不同的選擇，而加工不同塑料的螺桿，其壓縮比變化應更大（大多數(shù)在 2～ 5 之間，個別情況大至 8，小至 1）。 HH?? （ ） 根據(jù)上表 取壓縮比為 ， 得 ： mmHH 31 ????? ? 螺距和螺紋升角的確定 對單頭螺紋，螺距 S、螺紋升角φ和螺紋直徑 D 之間有下 述關系： S=? Dtanφ （ ） 顯然在螺桿直徑已知以后，螺距和螺紋升角只要決定一個，另一個也就 確定了。而從熔體輸送理論的角度上講，將有關流率公式經(jīng)數(shù)學推到簡化，并對φ角求導，并令導數(shù)等于零，可求的最佳螺紋升角為 30 0 。雖然出現(xiàn)過雙頭螺紋的螺桿加料段，但考慮兩個原因，多頭螺紋仍然用的很少。此外多頭螺紋的加工也相對比較麻煩。在此過程中，塑料體積也逐漸變小。因此，過去設計的加工結晶型塑料的螺桿，其壓縮段僅（ ～ 1） D。因此如果壓縮段 L2 很短，實際上很難保證這部分結晶型塑料正好在壓縮段上開始熔融并完成完全熔融過程。 加料段的作用是產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定的壓力，保證穩(wěn)定的固體輸送并且將分界面上的塑料預熱到熔融所需要的溫度。對結晶型材料來講，還需加上熔融潛熱λ（無定形塑料沒有這一項）。 固然可以用固體輸送理論非等溫模型的有關公式來計算加料長度 L1。）、熱導率低（），因此，黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 18 其開始熔融點 A 要比高密度聚乙烯（熔點，熱導率）和聚苯乙烯要晚得多。計量段的第一個作用就是要消除這些不均勻的現(xiàn)象，這正是為什么計量段又稱為均化段的原因。 從熔體輸送理論的生產(chǎn)率公式可以看出：計量段愈長，相應的壓力流 Qp 和漏流 QL 都愈小，擠出機的實際生產(chǎn)率便俞高。這就是計量段長度為什么愈來愈長的原因。計算時可以現(xiàn)令機頭壓力 p=15MPa。例如，當轉速下降時，不僅產(chǎn)量降低，而且粘度也會因剪切速率的降低而增高，壓力也會適當減小，它們之間并非線性的關系。 表 螺桿三段長度分配 塑料類型 加料段 L1 壓縮段 L2 計量段 L3 無定性塑料 結晶型塑料 20%～ 30% 40%～ 60% 45%～ 50% （ 2～ 5） D 25%～ 30% 30%～ 45% 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 20 表 螺桿長徑比有增大趨勢 綜上 所述，螺桿各段的長度為，加料段 1L =4 D=600mm、壓縮段 2L =10D=1500mm、計量段 3L =6 D=900mm。 31 )32~21( HR ? （ ） R2 =（ 2～ 3） R1 （ ） 螺桿直徑較大者，圓弧半徑 R 可取得較大。因此，在螺槽底部便容易形成一層滯流，在螺紋推進面、后面也會形成類似的滯流。 從固體力學可以推到出，由于螺棱側面和螺槽地面的綜合影響，剪切滑移面將和螺棱的兩個側面形成 4π 和 2π 的角度，因此，可以將螺棱的兩個側面設計成雙楔形以適應上述情況。在之間。 實驗的結果表明：雙楔形斷面的螺桿與矩形端面螺桿相比，對包括 HPVC 在內(nèi)的多種塑料都具有較好的效果，螺桿運轉穩(wěn)定，塑化質量良好，產(chǎn)量能提高 30%～50%.目前對這種螺桿還在研究之中。過大的螺棱寬還會較少螺槽的容積。 一般直線形螺頂中，螺棱的銳邊有可能將螺棱間隙中的熔融物刮去，破壞熔膜的潤滑作用。 采用這兩種螺頂結構之后，雖然能減少螺桿和機筒的磨損，但是由于平均螺棱間隙δ加大，漏流量也將增大 20%左右。 計量段螺槽深度 H3 =5mm。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 23 固相比熱容 Cs =2512 J/（ kg．℃）； 液相比熱容Ｃ m ＝ 2345 J/（ kg．℃）； 固相熱導率 ks =(m.℃ )。 2. 求解 計算 螺桿有關數(shù)據(jù) 壓縮段總長 : 3L =1500 10 3? m 漸變度： 3331 ????? L HHA 螺槽寬度：為了計算簡便螺槽寬度通常情況下與螺桿直徑相同 W=150mm 機筒內(nèi)物料表面速度： Vb =? D=471 10 3? m VbX = Vb Sinφ = 10 3? m Vbz= Vb Cosφ = 103? m 質量流 Q=200kg/h= 10 3? skg/ 固相速度： ??SSZ WHQV ?131 10 3? m/s （ ） 合成速度： 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 24 322 10742222 ?????? .c o s ?SZbSZbJ VVVVV m/s （ ） 計算流變參數(shù) AVT 、 .? 、 K? 假設熔膜平均溫度 AVT 和熔膜厚度δ ??? 32 mAV TTT mjkVa122?η （ ） 先取 3 2703002 ???AVT=290℃，由于未考慮mjkVa12 2?η ，可將 AVT 取得稍大，暫定為 AVT =300℃ .。 查 出 η a =440 MPa。對于新擠出機的螺桿與機筒的問隙，如設計得過大，雖說容易制造，但擠出機的生產(chǎn)能力就達不到設計要求；如設計得過小，不僅會給擠出機的制造和裝配帶來一系列困難， 同時還會使擠出機的功率消耗增加。加料方式分為重力加料和強制加料。 塑料在擠出成型過程中獲得的熱量來源有兩個，一個是機筒外部加熱器供給的熱量，另一個是塑料與機筒內(nèi)壁、塑料與螺桿以及塑料之間相對運動所產(chǎn)生的摩擦剪切熱。摩擦剪切產(chǎn)生熱量的大小會隨著物料的向前移動而逐漸增大，這就是擠出機把加熱冷卻系統(tǒng)分段設置的原因。 2. 電阻加熱 這種是應用最廣泛的加熱方法，其裝置具有外型尺寸小、質量輕，裝設方便等優(yōu)點，在 60 年代我國擠出機大都采用電阻加熱。 鑒于本設計中需要的加熱溫度為 300 度，所以選取鑄鋁加熱器， 鑄鋁電加熱器是以管狀電熱元件為發(fā)熱體，用優(yōu)質鋁合金材料為外殼經(jīng)壓鑄成型的電加熱器，其使用溫度一般在攝氏 150～ 450度之間可廣泛應用于塑料機械、模頭、電纜機械、化工、橡膠、石油等設備上。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 28 第 4 章傳動機構設計 在給定的設計參數(shù)中要求螺桿轉速為 742r/min，主電動機功率為 2575kw，根據(jù)與同類擠出機進行對比選取主電動機功率為 30kw 的，螺桿轉速為 。 減速器各軸動 力參數(shù)的計算 各軸轉速的計算 14701?n r/min ??? inn r/min ??? inn r/min ?wn r/min 各軸輸入功率的計算 30?dP Kw ????? ?dPP Kw ????? ?PP Kw ????? ?PP Kw 各軸輸入轉矩的計算 N m 齒輪的設