【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(jī) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 北京化工大學(xué)成功開(kāi)發(fā)一種超高速微型手提式單螺桿擠出機(jī)。該機(jī)器最初為加工一種特殊的低密度低粘度物料設(shè)計(jì)，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(shù)脂、各種石蠟、燃料、顏料、化妝品等的加工成型。雙螺桿擠出機(jī)用于玻纖增強(qiáng)配混時(shí)，若玻纖含量超過(guò) 45%， 加工就會(huì)變得相當(dāng)困難。典型例子如北京鳳記和北京化工大學(xué)。尤其是各雙螺桿擠出機(jī)廠(chǎng)家紛紛推出往復(fù)螺桿擠出機(jī)。 往復(fù)移動(dòng)式單螺桿擠出機(jī)最大的特點(diǎn)是實(shí)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(jī)，可以說(shuō)是當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)具有一定代表性的產(chǎn)品。 近年來(lái)，雙螺桿擠出機(jī)市場(chǎng)異?；鸨鄬?duì)而言，單螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及人們對(duì)螺桿認(rèn)識(shí)的提高，多種不同的擠出機(jī) 結(jié)構(gòu)形式陸續(xù)面世。 專(zhuān)家認(rèn)為，擠出機(jī)主機(jī)和生產(chǎn)線(xiàn)今後的市場(chǎng)將向高技術(shù)含量、價(jià)格更趨走低的方向發(fā)展。單螺桿擠出機(jī)則是向著超大型、超微型、大長(zhǎng)徑比、高產(chǎn)出、良好的排氣性等方向發(fā)展，而適應(yīng)特殊加工需要的螺桿機(jī)筒結(jié)構(gòu)，則成為大家爭(zhēng)相研發(fā)的重點(diǎn)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2 章 擠出機(jī)總體方案的確定 擠出機(jī)總體布局的基本要求 （ 1） 擠出機(jī)布局首先必須滿(mǎn)足用戶(hù)提出的各種要求。 （ 4） 擠出機(jī)必須滿(mǎn)足參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系列型譜中關(guān)于擠出機(jī)布局方面的規(guī)定。 螺桿類(lèi)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(zhì)量的關(guān)鍵零件，物料得混合質(zhì)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(zhì)量得影響。所以，生產(chǎn)不同種類(lèi)塑料制品時(shí)，應(yīng)該選擇不同類(lèi)型螺桿。如果擠出機(jī)要擠塑不同材料的多種制品，就應(yīng)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(shì)。 PS 為乙烯的聚合物，在生產(chǎn)中無(wú)特殊的要求，因此選用普通螺桿 ,材料為 45 號(hào)鋼。對(duì)于機(jī)筒結(jié)構(gòu)形式的選擇和制造精度等級(jí)，都會(huì)直接影響塑料制品的產(chǎn)量和質(zhì)量。一般小直徑擠出機(jī)的機(jī)筒，包括有溝槽的加料段 部分。即二段機(jī)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(dá)到要求。機(jī)筒體用鑄鋼或普通碳素鋼制造，而機(jī)筒的內(nèi) 襯套用滲碳合金剛制造。這種機(jī)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(jié)合本設(shè)計(jì)得要求和螺桿的形式，機(jī)筒選擇整體式。高密度聚 苯 乙烯具有剛性、硬度和機(jī)械強(qiáng)度大的特性 ,多用低壓聚合。因此，螺桿設(shè)計(jì)是擠出理論最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。對(duì)于某些排氣螺桿，長(zhǎng)徑比達(dá)到 40 左右或更長(zhǎng)。 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(zhì)量與產(chǎn)量?jī)煞矫鎭?lái)分析。 0Q ∝2322HDaa )(?????? ?? （ ） 式中 0Q —— 熔料因剪切產(chǎn)生的熱量； τ —— 剪切應(yīng)力； γ —— 剪切速率； a? —— 熔料的表現(xiàn)粘度。 從混合效果上來(lái)講，計(jì)量段槽深較小時(shí)，混煉程度較高，制品比較均勻。相反對(duì)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(shì)必造成過(guò)多的因高剪切產(chǎn)生的熱量。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 表 各塑料的最大速率 本設(shè)計(jì)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(zhì)量的觀(guān)點(diǎn)分析了計(jì)量段螺槽深度 3H 的影響，這種觀(guān)點(diǎn)是確定計(jì)量段螺槽深度的主要方法，用這種方法確定的計(jì)量段螺槽深度基本上滿(mǎn)足了對(duì)計(jì)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(duì)分子質(zhì)量較高） LDPE（相對(duì)分子 質(zhì)量較低） HPVC SPVC PS 56 104 26 60 92～ 108 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 多方面的因素影響，很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的理論公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。螺桿直徑較大者， k 值應(yīng)選擇較小，螺桿直徑較小者， k 值應(yīng)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(dāng)螺桿長(zhǎng)徑比較大時(shí)， k 值可以選擇較大。下層適用熱穩(wěn)定性較好的塑料，此時(shí) 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(huì)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(dòng)。后者指的是塑料在加料時(shí)的松密度和受熱熔融后的密度之比。應(yīng)此對(duì)加工同一種塑料的的螺桿，不同設(shè)計(jì)者對(duì)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(yīng)更大（大多數(shù)在 2～ 5 之間，個(gè)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(duì)單頭螺紋，螺距 S、螺紋升角φ和螺紋直徑 D 之間有下 述關(guān)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(gè)，另一個(gè)也就 確定了。而從熔體輸送理論的角度上講，將有關(guān)流率公式經(jīng)數(shù)學(xué)推到簡(jiǎn)化，并對(duì)φ角求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零，可求的最佳螺紋升角為 30 0 。雖然出現(xiàn)過(guò)雙頭螺紋的螺桿加料段，但考慮兩個(gè)原因，多頭螺紋仍然用的很少。此外多頭螺紋的加工也相對(duì)比較麻煩。在此過(guò)程中，塑料體積也逐漸變小。因此，過(guò)去設(shè)計(jì)的加工結(jié)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(shí)際上很難保證這部分結(jié)晶型塑料正好在壓縮段上開(kāi)始熔融并完成完全熔融過(guò)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(yù)熱到熔融所需要的溫度。對(duì)結(jié)晶型材料來(lái)講，還需加上熔融潛熱λ（無(wú)定形塑料沒(méi)有這一項(xiàng)）。 固然可以用固體輸送理論非等溫模型的有關(guān)公式來(lái)計(jì)算加料長(zhǎng)度 L1。）、熱導(dǎo)率低（），因此，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 其開(kāi)始熔融點(diǎn) A 要比高密度聚乙烯（熔點(diǎn)，熱導(dǎo)率）和聚苯乙烯要晚得多。計(jì)量段的第一個(gè)作用就是要消除這些不均勻的現(xiàn)象，這正是為什么計(jì)量段又稱(chēng)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(jì)量段愈長(zhǎng)，相應(yīng)的壓力流 Qp 和漏流 QL 都愈小，擠出機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)率便俞高。這就是計(jì)量段長(zhǎng)度為什么愈來(lái)愈長(zhǎng)的原因。計(jì)算時(shí)可以現(xiàn)令機(jī)頭壓力 p=15MPa。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，不僅產(chǎn)量降低，而且粘度也會(huì)因剪切速率的降低而增高，壓力也會(huì)適當(dāng)減小，它們之間并非線(xiàn)性的關(guān)系。 表 螺桿三段長(zhǎng)度分配 塑料類(lèi)型 加料段 L1 壓縮段 L2 計(jì)量段 L3 無(wú)定性塑料 結(jié)晶型塑料 20%～ 30% 40%～ 60% 45%～ 50% （ 2～ 5） D 25%～ 30% 30%～ 45% 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 表 螺桿長(zhǎng)徑比有增大趨勢(shì) 綜上 所述，螺桿各段的長(zhǎng)度為，加料段 1L =4 D=600mm、壓縮段 2L =10D=1500mm、計(jì)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(jìn)面、后面也會(huì)形成類(lèi)似的滯流。 從固體力學(xué)可以推到出，由于螺棱側(cè)面和螺槽地面的綜合影響，剪切滑移面將和螺棱的兩個(gè)側(cè)面形成 4π 和 2π 的角度，因此，可以將螺棱的兩個(gè)側(cè)面設(shè)計(jì)成雙楔形以適應(yīng)上述情況。在之間。 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：雙楔形斷面的螺桿與矩形端面螺桿相比，對(duì)包括 HPVC 在內(nèi)的多種塑料都具有較好的效果，螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，塑化質(zhì)量良好，產(chǎn)量能提高 30%～50%.目前對(duì)這種螺桿還在研究之中。過(guò)大的螺棱寬還會(huì)較少螺槽的容積。 一般直線(xiàn)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(rùn)滑作用。 采用這兩種螺頂結(jié)構(gòu)之后，雖然能減少螺桿和機(jī)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(jì)量段螺槽深度 H3 =5mm。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 固相比熱容 Cs =2512 J/（ kg．℃）； 液相比熱容Ｃ m ＝ 2345 J/（ kg．℃）； 固相熱導(dǎo)率 ks =(m.℃ )。 2. 求解 計(jì)算 螺桿有關(guān)數(shù)據(jù) 壓縮段總長(zhǎng) : 3L =1500 10 3? m 漸變度： 3331 ????? L HHA 螺槽寬度：為了計(jì)算簡(jiǎn)便螺槽寬度通常情況下與螺桿直徑相同 W=150mm 機(jī)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(zhì)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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 322 10742222 ?????? .c o s ?SZbSZbJ VVVVV m/s （ ） 計(jì)算流變參數(shù) AVT 、 .? 、 K? 假設(shè)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(duì)于新擠出機(jī)的螺桿與機(jī)筒的問(wèn)隙，如設(shè)計(jì)得過(guò)大，雖說(shuō)容易制造，但擠出機(jī)的生產(chǎn)能力就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；如設(shè)計(jì)得過(guò)小，不僅會(huì)給擠出機(jī)的制造和裝配帶來(lái)一系列困難， 同時(shí)還會(huì)使擠出機(jī)的功率消耗增加。加料方式分為重力加料和強(qiáng)制加料。 塑料在擠出成型過(guò)程中獲得的熱量來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)是機(jī)筒外部加熱器供給的熱量，另一個(gè)是塑料與機(jī)筒內(nèi)壁、塑料與螺桿以及塑料之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦剪切熱。摩擦剪切產(chǎn)生熱量的大小會(huì)隨著物料的向前移動(dòng)而逐漸增大，這就是擠出機(jī)把加熱冷卻系統(tǒng)分段設(shè)置的原因。 2. 電阻加熱 這種是應(yīng)用最廣泛的加熱方法，其裝置具有外型尺寸小、質(zhì)量輕，裝設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，在 60 年代我國(guó)擠出機(jī)大都采用電阻加熱。 鑒于本設(shè)計(jì)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(zhì)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(yīng)用于塑料機(jī)械、模頭、電纜機(jī)械、化工、橡膠、石油等設(shè)備上。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 第 4 章傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在給定的設(shè)計(jì)參數(shù)中要求螺桿轉(zhuǎn)速為 742r/min，主電動(dòng)機(jī)功率為 2575kw，根據(jù)與同類(lèi)擠出機(jī)進(jìn)行對(duì)比選取主電動(dòng)機(jī)功率為 30kw 的，螺桿轉(zhuǎn)速為 。 減速器各軸動(dòng) 力參數(shù)的計(jì)算 各軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算 14701?n r/min ??? inn r/min ??? inn r/min ?wn r/min 各軸輸入功率的計(jì)算 30?dP Kw ????? ?dPP Kw ????? ?PP Kw ????? ?PP Kw 各軸輸入轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 N m 齒輪的設(shè)