【正文】 體積變化很少，而當(dāng)溫度一旦達(dá)到熔點(diǎn)，它便迅速熔融，其體積也突然變小。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。根據(jù)冷卻速度等工藝條件的不同，它們總是或多或少地存在著無(wú)定行部分，這一部分的熔融規(guī)律和無(wú)定形材料一樣的，需要一定的逐漸軟化 熔融時(shí)間，因此，壓縮段 L2 也需要一定的 長(zhǎng)度。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。從上述幾點(diǎn)出發(fā)，近年來(lái)，為加工結(jié)晶型材料所設(shè)計(jì)的螺桿，其壓縮段都有加長(zhǎng)的趨勢(shì)，一般在大約（ 2～ 5） D 之間，甚至于更長(zhǎng)。 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。 不同的塑料，預(yù)熱到熔融溫度所需要的熱量是不同的。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)）。熱導(dǎo)率愈低，熱量從固體塞的表面?zhèn)魍渲行木捅容^慢，這從固體輸送理論的非等溫模型可以看得很清楚。 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。 圖 熔融起 始點(diǎn) A 和壓力 P 以及物料得關(guān)系 以螺桿直徑為計(jì)算單位的幾種塑料的熔融起始點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。）、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。 在理想的情況下，壓縮段與熔融段重疊，塑料移動(dòng)到壓縮段末端時(shí)應(yīng)該全部熔融。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。顯然， M 值愈大，均化作用也愈佳。 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。計(jì)量段長(zhǎng)度 L3 和產(chǎn)量的關(guān)系如圖 所示。這就是計(jì)量段長(zhǎng)度為什么愈來(lái)愈長(zhǎng)的原因。 可以用熔體輸送理論生產(chǎn)率公式中的壓力流 Qp 來(lái)初步估算計(jì)量段長(zhǎng)度 L3 3133122 LpDHSinQ P ?? ηφ? （ ） QppDHSinL ?? 1333 122 ηφ? （ ） 如果 令 Qp≤ ，即因機(jī)頭壓力而引起的產(chǎn)量損失小于總產(chǎn)量的 5%，φ角一般為 176。計(jì)算時(shí)可以現(xiàn)令機(jī)頭壓力 p=15MPa。此時(shí)，按式（ ）計(jì)算， 3L 為 320 ㎜，大致相當(dāng)于 5D 左右。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。因此，按式（ ）得到結(jié)果也只能作為參考之用，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還得根據(jù)上面的定性分析和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作適當(dāng)修正。 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。前者裝料體積較大，后者改善了塑料的流動(dòng)狀態(tài)，避免了存料現(xiàn)象的發(fā)生。 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。但是，正如非塞流固體輸送理論指出的那樣：只有當(dāng)外壓力很大，而且料粒間內(nèi)摩擦因數(shù)也較高時(shí)，才有這種可能性。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。前者將比后者大5 倍左右。 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。因此楔角α和β將 24176。在之間。因此α和β的數(shù)值不相等，α角一般小于β角，建議用α =30176。 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。 PS PS PE PE PP PP PVC 球狀料 粒料 粉料 粒料 粉料 粒料 24 42 27 36 38 39 33 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 一般取 e=。過(guò)大的螺棱寬還會(huì)較少螺槽的容積。 螺棱頂面形狀進(jìn)行了深入的研究提出了將直線(xiàn)形螺頂改成階梯形螺頂和楔形螺頂。 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。 根據(jù)的計(jì)算的結(jié)果，對(duì) D=150 ㎜、 e=20 ㎜、δ = ㎜的擠出機(jī)，階梯形螺桿的合理尺寸為δ 1 /δ =， e 1 /e 0 =。 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。 螺桿設(shè)計(jì)的校核 1. 根據(jù)以上分析螺桿參數(shù)初步確定如下： 螺桿直徑 D=150 10 3? m；長(zhǎng)徑比 L/D=20。 計(jì)量段螺槽深度 H3 =5mm。機(jī)頭壓力 P=300MPa 機(jī)筒熔融區(qū)溫度 Tb =300℃；室溫 Ts =20℃； 物料性能 加工物料： 聚苯乙烯 ，熔體流動(dòng)率 MFR=； 固相密度ρ s =920kg/m3 。 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.℃ )。 熔融潛熱λ = 103 J/kg。 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℃ .。 δ = ])([ ])([ dsmsmbx jambm TTcV XVTTk ?? ????22 η （ ） = 310?? X m 其中 )( mAVmd TTc ??? ?? 當(dāng) X=W 時(shí) m3102050 ??? .m ax? 與設(shè)定值相差不大，可不再?gòu)男掠?jì)算。 查 出 η a =440 MPa。 加料段： WX =[1 202 21 ]ZQW ?? （ ） 加料段一個(gè)螺距的螺槽展開(kāi)長(zhǎng)度為 Z1 = mHD 3331 106547425 101310150143 ??? ??????? .c o s )(.a r c t a nc o s )(a r c t a n ?? （ ） 因此加料末端： WX1 ≈ 1 壓縮段 : ?=211021)(WXHQW? （ ） = mmHHH 92310 ??? /)( 壓縮段熔融總長(zhǎng)度 TZ : )( ???? AHZT 23 （ ） =＜ 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 所以螺桿的設(shè)計(jì)符合要求。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。 表 螺桿與機(jī)筒直徑間隙 螺桿直徑 20 25 30 35 40 45 50 55 60 直徑間隙 最大 +8 +8 最小 螺桿直徑 65 70 80 90 100 120 150 200 直徑間隙 最大 +5 +8 最小 加料裝置 加料裝置是保證物料不斷均勻地供給擠出機(jī)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠出的重要機(jī)構(gòu)。加料方式分為重力加料和強(qiáng)制加料。 加熱冷卻裝置 在擠出成型過(guò)程中，可以設(shè)定、檢測(cè)和控制的工藝條件有 熔體的溫度、熔體的壓力以及螺桿的轉(zhuǎn)速。 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。這兩部分熱量所占比例的大小不僅與螺桿、機(jī)筒的結(jié)構(gòu)形式、工藝條件和物料的性質(zhì)等有關(guān)，還與擠出過(guò)程的不同階段 (如啟動(dòng)階段，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段 )有關(guān)。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。這種方法加熱均勻，但需要配置一套專(zhuān)門(mén)設(shè)備，故工廠應(yīng)用較少。 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。 擠出機(jī)的冷卻分為風(fēng)冷和水冷 1. 風(fēng)冷卻 風(fēng)冷卻主要采用空氣，從冷卻效果看，風(fēng)冷比較柔和，但冷卻速度較慢。 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。雖然 電阻加熱圈加熱到設(shè)定溫度值會(huì)自動(dòng)停止加熱，但電阻加熱鋁元器件溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于料筒溫度，繼續(xù)傳導(dǎo)熱量，導(dǎo)致料筒溫度高于設(shè)定溫度值，需要風(fēng)機(jī)冷卻 。 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 。 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 減速器傳動(dòng)比的分配 ?總i ， 考慮兩級(jí)齒輪潤(rùn)滑問(wèn)題，兩級(jí)大齒輪應(yīng)有相近的浸油深度。 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 1 5 ???? nPT N m 齒輪的設(shè)