【正文】 工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 VI 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景及意義 該課題屬于塑料成型機(jī)械的設(shè)計(jì)，一般來(lái)說(shuō)，能將高分子聚合物樹(shù)脂加工成型為塑料制品的機(jī)械都稱(chēng)為塑料成型機(jī)械擠出成型是塑料成型加工的重要成形方法之一。擠出成型是是在擠出機(jī)上進(jìn)行地，擠出機(jī)是塑料成型加工機(jī)械的主要裝備之一。塑料機(jī)械 行業(yè)是為塑料制品行業(yè)提供加工裝備的，近幾年中國(guó)的塑料機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速，其發(fā)展速度與所創(chuàng)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在機(jī)械工業(yè)的 194 個(gè)行業(yè)中名列前茅。 目前中國(guó)的主要塑料機(jī)械制造企業(yè)近 400 家，大、中企業(yè) 200 家左右，上規(guī)模的骨干企業(yè)有 10家。 中國(guó)塑料機(jī)械企業(yè)主要分布在東南沿海、珠江三角洲一帶，其中寧波地區(qū)發(fā)展勢(shì)頭最猛，現(xiàn)已成為中國(guó)最大的注塑機(jī)生產(chǎn)基地，年生 產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)注塑機(jī)年總產(chǎn)量 1/2 以上，占世界注塑機(jī)的 1/3。廣東汕頭地區(qū)大部分企業(yè)已全套引進(jìn)德國(guó)、法國(guó)、意大利及我國(guó)臺(tái)灣省的最新計(jì)算機(jī)自動(dòng)化模具加工技術(shù)，大大提高了模具技術(shù)性能、質(zhì)量檔次。 目前中國(guó)塑料機(jī)械產(chǎn)品主要集中在通用的中小型設(shè)備上，技術(shù)含量低， 20世紀(jì) 8090年代的低檔產(chǎn)品供大于求，機(jī)械制造能力過(guò)剩，企業(yè)效益下降。據(jù) 2021 年統(tǒng)計(jì)，中國(guó)進(jìn)口塑料機(jī)械使用外匯 億美元，而出口塑料機(jī)械創(chuàng)匯只有 億美元，進(jìn)口遠(yuǎn)大于出口。國(guó)外塑料機(jī)械制造商 的進(jìn)入給中國(guó)塑料機(jī)械行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展活力，同時(shí)也使中國(guó)塑料機(jī)械制造企業(yè)充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 單螺桿擠出機(jī)無(wú)論作為塑化造粒機(jī)械還是成型加工機(jī)械都占有重要地位，近幾年業(yè)，單螺桿擠出機(jī)有了很大的發(fā)展。 單螺桿擠出機(jī)發(fā)展的主要標(biāo)志在于其關(guān)鍵零件 —— 螺桿的發(fā)展。 從單螺桿發(fā)展來(lái)看，盡管近年來(lái)單螺桿擠出機(jī)已較為完善，但隨著高分子材料和塑料制品不斷的發(fā)展，還會(huì)涌現(xiàn)出更有特點(diǎn)的新型螺桿和特殊單螺桿擠出機(jī)。 通過(guò)對(duì)“ SJ45塑料擠出機(jī)”的設(shè)計(jì)，建立正確的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想，掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程，各個(gè)設(shè)計(jì)階段解決問(wèn)題的方法和手段。 在宏觀經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的背景下，中國(guó)塑料機(jī)械行業(yè)在連續(xù) 6 年高速增長(zhǎng)之后， 2021 年繼續(xù)保持了強(qiáng)勁增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)， 呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)優(yōu)化、效益提高和首獲名牌等諸多亮點(diǎn)，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)創(chuàng)造了歷史新高，生產(chǎn)總值增長(zhǎng)達(dá)到 %，高于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)，取得了進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)連續(xù) 7 年高速增長(zhǎng)的好成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越，交上了一份令人欣喜的“成績(jī)單”。 2021 年，我國(guó)塑機(jī)行業(yè)雖然面對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，面對(duì)世界性能源及原材料供應(yīng)的趨緊，承受 了鋼材等原材料和石油價(jià)格上漲的壓力，面對(duì)節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻、通貨膨脹和外貿(mào)順差壓力的進(jìn)一步加大，仍然顯示了強(qiáng)勁上升的勢(shì)頭，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行比去年更好。 2021 年，全國(guó)塑機(jī)行業(yè)的發(fā)展不僅增長(zhǎng)快，而且質(zhì)量好、效益高，主要表現(xiàn)是“五個(gè)再創(chuàng)新高”。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 ①研發(fā)機(jī)構(gòu)逐漸 增加。企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)的逐漸增多，進(jìn)一步增強(qiáng)了行業(yè)的創(chuàng)新能力。為了使自主創(chuàng)新具有源源不斷的“血液”，全國(guó)塑機(jī)企業(yè)加大了資金投入，骨干企業(yè)投入科技創(chuàng)新的資金一般在營(yíng)銷(xiāo)總額 35%左右，其他企業(yè)投入的資金則在營(yíng)銷(xiāo)總額的 2%左右。大部分骨干企業(yè)都與高等院校和科研院所建立了密切的合作關(guān)系， 例如，與中科院、清華大學(xué)、北京化工大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)等高校，建立了以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的科技創(chuàng)新體系，積極開(kāi)展了聯(lián)合攻關(guān)和合作創(chuàng)新活動(dòng)。 2021 年，中國(guó)塑料機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)先后組識(shí)了 6 次規(guī)模較大的科技交流活動(dòng)，積極參與科技交流的企業(yè)不斷增多，技術(shù)交流的內(nèi)容不斷深入。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全行業(yè)從事教學(xué)和研發(fā)的科技人員己超過(guò) 1800 人。 ⑥創(chuàng)新成果逐漸增多。 (1)不愿打“價(jià)格戰(zhàn)”，向主動(dòng)打 好“科技戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變。 (2)從數(shù)量擴(kuò)張為主，向質(zhì)量提升轉(zhuǎn)變。 (3)從低端產(chǎn)品為主，向中、高端產(chǎn)品轉(zhuǎn)變。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 (4)從主機(jī)生產(chǎn)為主，向主機(jī)和功能部件協(xié)調(diào)發(fā)展、協(xié)同創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。 (5)從滿足國(guó)內(nèi)需求為主，向加快走進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)轉(zhuǎn)變。 2021 年，我 國(guó)塑機(jī)出口大幅提升，出口總額超過(guò) 億美元，出口國(guó)家和地區(qū)達(dá)到了 120 多個(gè)，創(chuàng)造了歷史新高。 課題研究?jī)?nèi)容 課題研究的主要內(nèi)容：一臺(tái)擠出機(jī)通常有主機(jī)，輔機(jī)及控制系統(tǒng)組成，通常這些組成部分通稱(chēng)擠出機(jī)組。 擠壓系統(tǒng)包括螺桿、機(jī)筒、料斗、機(jī)頭、和模具，塑料通過(guò)擠壓系統(tǒng)而塑化成均勻的熔體，并在這一過(guò)程中所建立壓力下，被螺桿連續(xù)的擠出機(jī)頭。 （ 2） 機(jī)筒 是一金屬圓筒，一般 用耐熱、耐壓強(qiáng)度較高、堅(jiān)固耐磨、耐腐蝕的合金鋼或內(nèi)襯合金鋼的復(fù)合鋼管制成。一般機(jī)筒的長(zhǎng)度為其直徑的 15～ 30 倍，以使塑料得到充分加熱和充分塑化為原則。 （ 4） 機(jī)頭和模具 機(jī)頭模具不在該課題研究范圍之內(nèi)。 加熱與冷卻是塑料擠出過(guò)程能夠進(jìn)行的必要條件。加熱裝置由外部加熱筒內(nèi)的塑料，使哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 之升溫，以達(dá)到工藝操作所需要的溫度。具體說(shuō)是為了排除螺桿旋轉(zhuǎn)的剪切摩擦產(chǎn)生的多余熱量，以避免溫度過(guò)高使塑料分解、焦燒或定型困難。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2 章 塑料擠出機(jī)主機(jī)總體布局設(shè)計(jì)及其傳動(dòng)方式的確定 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 根據(jù)： ； ； ； ； 。 亦即三相異步整流子電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。 由圖 21 可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍廣，啟動(dòng)也較穩(wěn)定，具有兩種哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 調(diào)速方法的特點(diǎn)，使其能夠得到充分的利用，擠出機(jī)擠出口塑料要求在冷卻時(shí)有一定的牽引力，這就要求牽引速度與擠出機(jī)的擠出速度有一定的比例，要求牽引速度與擠出速度之間形成反饋，用直流電動(dòng)機(jī)能滿足這個(gè)要求。 根據(jù)以上情況與特點(diǎn)，選擇兩種傳動(dòng)方案 （ 1）電機(jī) 三角帶 行星齒輪減速器 螺桿； （ 2）電機(jī) 聯(lián)軸器 減速器 螺桿。 ，傳動(dòng)鏈短，效率 高，但無(wú)過(guò)載保護(hù)。 總體布置 傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式多為三種，其一為電動(dòng)機(jī)放于擠出機(jī)后面，與擠出系統(tǒng)成一字式排列；其二為電動(dòng)機(jī)放于擠出系統(tǒng)下面；其三為大中規(guī)格擠哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 出機(jī)的常用形式，此次設(shè)計(jì)的擠出機(jī)為小型擠出機(jī)，故要求占地面積小，外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝維修方便。 圖 22 擠出機(jī)總體布置圖 擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)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(dòng)螺桿，并使螺桿能在選定的工藝條件下獲得所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速，以完成對(duì)塑料的塑化和輸送。 擠出機(jī)的工作特性 它是指螺桿的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)功率和扭矩之間的關(guān)系，下圖為擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（其中 AB 為恒扭矩段， BC 為恒 功率段）。 直線的斜率表示扭矩 Mt ， Mt 是不變的，擠出機(jī)的這種隨螺桿的轉(zhuǎn)速 n的增加而其扭矩不變的特性，稱(chēng)之為恒扭矩特性。 擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的確定 由于擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)功率受很多因素的影響，至今還沒(méi)有一個(gè)比較精確的方法確定，一般采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率 [1] N＝ K nDs ?? 2 （ 22） 式中 N— 擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率， kW； sD — 螺桿直徑， cm； N— 螺桿轉(zhuǎn)速， r/min； K— 系數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析確定， sD ? 90mm 時(shí)， K＝ 對(duì)于 SJ－ 65 擠出機(jī)則有 N＝ ? ? （ 15－ 90） 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 ＝ － 考慮到擠出機(jī)的各種損耗，決定選用 Z41322 型直流電動(dòng)機(jī)（證明前面的選擇正確），該電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如表 22 所示 表 22 Z41322 型直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 額定 功率 kW 額定 轉(zhuǎn)速 r/min 弱磁 轉(zhuǎn)速 r/min 電極 電流 A 勵(lì)磁 功率 w 效率 （％） 慣量矩 kg/m2 重量 kg 15 1510 2500 730 160 擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速要求及其調(diào)速范圍 擠出機(jī)的 轉(zhuǎn)速要求有兩方面，一是能無(wú)級(jí)調(diào)速，另外是應(yīng)有一定的調(diào)速范圍，前者是為了控制擠出質(zhì)量及輔機(jī)的配合一致，后者是針對(duì)擠出機(jī)應(yīng)具有適應(yīng)各種加工條件情況而提出來(lái)的，要達(dá)到對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量的控制除可通過(guò)控制溫度，壓力等條件來(lái)實(shí)現(xiàn)外，其中一個(gè)重要方面是靠改變螺桿的轉(zhuǎn)速來(lái)控制的，以上這幾個(gè)方面就要求螺桿轉(zhuǎn)速能在一定范圍內(nèi)任意改變。 對(duì)于 擠 出機(jī)，調(diào)速范圍應(yīng)為 [1] K=nmax /nmin （ 23） K =90/15=6 傳動(dòng)系統(tǒng)的組成、形式、調(diào)速方式 擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)通常是由原動(dòng)機(jī)（如電機(jī)等），調(diào)速裝置和減速裝置組成，這三者之間是緊密相聯(lián)的，如有些原動(dòng)機(jī)其本身即可 調(diào)速，也有調(diào)速裝置與減速裝置合在一起的。隨著轉(zhuǎn)速的增加而其功率不變而扭矩相應(yīng)的減小，擠出機(jī)便市利用了直流電動(dòng)機(jī)的這種調(diào)速方法的特點(diǎn)。 擺線針輪減速器原理如圖 24 所示 圖 24 擺線針輪減速器工作原理圖 （ a） 傳動(dòng)比的確定 直流電動(dòng)機(jī) n額 =1500r/min 螺桿 n螺 =1590r/min 故有總減速比為 i=1500/90 = （ b） 傳動(dòng)比的分配 對(duì)電機(jī) 皮帶 減速器的傳動(dòng)方案而言，選取 I1 = I1 為皮帶的傳動(dòng)比 I2 =11 I2 為減速器的傳動(dòng)比 （ c）帶的選擇 [4] (1)確定計(jì)算功率 Pca 由表 86 查得工作情況系數(shù) KA =,則有 Pca =K A P? （ 24） Pca=? 15= (2)選取普通 V帶型號(hào) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 據(jù) Pca = 及 n1 =1500r/min 由圖 811 確定選用 B 型帶。 （ 4）確定 V 帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度及傳動(dòng)中心距 初定中心距 根據(jù) ? （ D1 +D2 ） a0 2? （ D1 +D2 ） 可知 ?（ 180+270） a0 2? (180+270) 即 315 a0 900 取 a0 =640mm （ 5) 確定帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 根據(jù)式 821 可知帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為 Ld =2? a0 + 2/? （ D1 +D2 ） +（ D2 D1 ） /4 a0 （ 27） =2? 640+(180+270)+(270180)/4? 640 =1990mm 由表 82 選取帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為 LD =2040mm,公稱(chēng)長(zhǎng)度為 LI =2021mm (6)實(shí)際中心距的確定 a=a0 +(LD Ld )/2 （ 28） =640+(20401990)/2 =695mm 考慮到安裝采整和補(bǔ)償拉力的需要，中心距的變動(dòng)范圍為 amin =? Ld =? 2040= amax =a+? Ld =695+? 2040= (7）主動(dòng)輪包角 a1 的驗(yàn)算 由式 86 可知： a=180? [(D2 D1 )/a]? 60? （ 29） =180? [(270180)] 60? ? =? 120? 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 故有主動(dòng)輪包角合適 (8）計(jì)算 V帶的根數(shù) Z 由式 823 可知 Z=P ])/[ ( 00 KPKKP Lca ????? ? （ 210） 其中 K? — 包角系數(shù)； KL — 長(zhǎng)度系數(shù)； K — 材質(zhì)系數(shù)； 0P? — 單根 V帶所能傳遞功率的增量； P0 為單根 V帶所能傳遞的許用功率； 由 V=,功率曲線可知 p： P0 = 由式 824 可知 10 / nTP ??? （ 211） 其中 T? — 單根 V帶所傳遞的扭矩的修正值 n1 — 主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 故有 0P? ＝ ?? ＝ 查表 87 得 K? = 查表 88 得 KL = 采用橡膠帶，故 K= 則有 Z=[( ]) 8 ???? = 取 Z=5 根。由前面帶的選擇可知，帶標(biāo)記為 三角膠帶 B2021， GB117174. 則有三角膠帶的截面尺寸為（