螺杆设计说明书.docx
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螺杆设计说明书
螺杆设计说明书
1. 螺杆挤出机基本参数确定
1.1螺杆区域划分及材料
螺杆分为三部分：
加料段，塑化段和挤出段。
机器的生产能力很大程度上
取决于加料段的进料能力和挤出段的基础能力，胶料的混炼，塑炼质量则直接
与塑化段的塑化能力有关。
选用 38CrM0AlA。
1.2螺杆直径
本设计螺杆直径 D=60mm
1.3螺杆长径比
长径比是螺杆工作部分长度 L 与直径 D 之比。
L/D 较大，有利于胶料的均
匀混合和塑化，并可使胶料升温过程变得缓和，为提高螺杆转速提供了可能性，
有利于提高产量；但 L/D 过大，螺杆机加工的难度也增大，功率消耗也相应增
加，易焦烧，还会造成螺杆端部与机筒之间的间隙不均，严重时产生与衬套刮
研，影响设备的使用和产量。
经分析，本设计选长径比为 L/D=6，即 L=360mm。
1.4螺杆转速的确定
螺杆转速是螺杆挤出机的重要参数，它影响挤出机的产量、功率消耗、挤
出质量等方面。
（1）转速与产量的关系
随着转速的增加，产量上升，在相当一段转速区间内，产量与转速成正比。
当转速过高时，产量上升速率下降，因为转速增大，胶温随之提高，喂料段摩
擦力减小、挤出段的胶料粘度下降，漏流量增加，结果是喂料和挤出能力都下
降，导致产量上升的速率下降。
（2）转速与功率的关系
转速增加，电机功率也增加，但随转速增加的速率下降。
（3）转速与挤出压力的关系
1
随着螺杆转速的增加，挤出压力也增加，但不十分显著。
挤出压力增加有利
于提高挤出半制品的致密性。
但挤出压力过高时，会由于胶料的温升过高，破
坏操作的稳定性。
（4）转速与胶料塑化、升温的关系
随着螺杆转速的增加，胶料运动速度梯度增大，有利于胶料的撕裂、剪切、
搅拌、塑化。
但转速过高，胶料发热量过大，当冷却不好时，易形成早期硫化。
（5）转速与电能单耗的关系
挤出 1kg 重量胶料所消耗的功率称之电能单耗。
电能单耗与转速间的关系，
视具体操作条件而定。
通常普通冷喂料挤出机螺杆转速越高，电能单耗越大，
而冷喂料销钉机筒挤出机螺杆转速越高，电能单耗越小。
这是由于产量随转速
增加的速率大于功率增加速率所造成的。
（6）转速与喂料方式的关系
螺杆转速与挤出机的加料方式有关。
在无喂料辊自由喂料的情况下，过高的转速会使进料困难，或根本不能进
料。
螺杆不能进料的临界转速 n
临界
，可按胶料被螺杆带动旋转的离心力与其重
力相等的条件来确定。
n 临界=424/ D
式中D—螺杆直径，cm；
n 临界—螺杆临界转速。
螺杆的工作转速 n 可在（0.2～0.7）n
临界
范围之内选取；
所以螺杆不能进料的临界转速为：
n 临界=424/
D =424/ 6 =173r/min
n=（0.2～0.7） n 临界=34.6～121.2 r/min
由计算结果，确定螺杆的转速 n=75 r/min
1.5 功率
挤出机功率的大小主要取决于螺杆的几何尺寸与结构、螺杆转速、挤出压
力、胶料粘度、机筒与螺棱的间隙以及挤出产量等。
2
挤出机的功率主要消耗在以下三个方面。
（1）使胶料克服机头阻力。
（2）螺杆对胶料剪切摩擦作用使部分功率转化为热能，通常，大部分热能通
过冷却水和机身周围空气带走，少量热能加热胶料使胶料温度升高。
（3）传动系统的机械摩擦及效率消耗。
挤出机的功率消耗主要还是取决于螺杆的几何尺寸和结构形式、机头阻力、
转速、胶料粘度、生产能力以及机筒内壁与螺杆螺棱顶部的间隙。
挤出机的设备功率可按以下述经验公式计算。
N = k ∙ D3 ∙ L
D
∙ n ⨯10-5
式中 N—功率，kW；
k—计算系数，5.52～6.73；
D—螺杆直径，cm；
L—螺杆工作部分长度，cm；
n—螺杆转速，r/min。
所以,N=（ 5.52～6.73） ⨯ 63 ⨯ 6 ⨯ 75 ⨯10-5 =5.4～6.5kW
本机器传动装置即减速器设计为二级斜齿圆柱齿轮减速器，各连接处传动的机
械效率如下：
η
器器器
=0.99， η器器
=0.99， η器器 =0.97
η器 =η
器器器
η 3
η器2
所以，η器 =η
器器器
η 3
η器2 =0.99 ⨯ 0.99 3 ⨯ 0.97 2 =0.904
N 电=N/η=6.5/0.904=7.19kw
根据上述计算并与国内外同类机台的功率类比确定本设计的挤出机的驱动
功率为 15KW.
1.6 电机的确定
常用的调速方法有三种：
（1）交流热流子电动机无级调速
热流子电动机的运转稳定，调速比较好准确，转速固定后负载变化影响小，
3
但不论在结构上或在制造工艺却较复杂，且需要经常维修，电机运转时噪音大。
（2）齿轮箱有级调速。
（3）直流电动机无级调速：
调速范围约为 1：
8～1：
16，启动平稳，结构紧凑，
实现自动化控制较容易，噪音低，目前已被较多采用。
查《机械设计手册》根据功率及转速等因素选择电动机。
所选电机参数如下：
电机型号：
Y160L—4
额定功率：
15kw
额定转速：
1500r/min
电动机中心高：
160mm
电机轴径：
42mm
电机外伸轴长：
110mm
（根据《机械设计手册第五卷》P23-32）
1.7生产能力
单位时间内挤出机的挤出量即为生产能力，亦即产量，以 kg/h 表示。
挤出机的生产能力常用简易的实验法和经验公式进行粗略的计算，还可用理论
公式计算。
本设计按经验公式进行粗略计算；
Q= β ∙ D3 ∙ n = 3.84 ⨯ 63 ⨯ 75 ⨯10-3 =65kg/h
式中 Q—生产能力，kg/h；
D—螺杆直径，cm；
n—螺杆转速，r/min；
β —系数，可以实测得到，成型挤出机 β =0.00384；过滤挤出机
β =0.00256。
1.8
轴向力
轴向力是螺杆强度计算和止推轴承寿命计算的基本依据。
由经验公式估算：
P=200FF—螺杆外径的投影面积
P=200F= 200 ⨯
πD2
4
= 200 ⨯
3.14 ⨯ 62
4
=5652N
4
2. 螺杆设计
2.1 材料与技术要求
螺杆由优质的氮化钢制成，其表面进行氮化或淬火处理。
螺杆材料优先选
用 38CrMoAlA 钢，也可选用 40Cr 钢或 45 号钢。
用 38CrMoAlA 制造的螺杆，其
基本硬度 HRC>45，镀铬层硬度为 HRC60～65。
本设计螺杆材料选用 38CrMoAlA 钢。
对螺杆的基本技术要求如下：
（1）具有良好的塑化能力和较好的自洁性；
（2）具有较高的生产能力，且能在较低温度下完成挤出作业；
（3）能建立起足够的压力，并能实现稳定的挤出作业；
（4）具有广泛的适应性，可适用于多种胶料的挤出作业；
（5）集邮良好的耐磨性和一定的耐化学腐蚀性；
（6）具有能排除气体和挥发物的能力；
（7）具有足够的机械强度、刚度和良好的加工性能。
2.2 螺杆类型
按螺纹头数分为：
单头、双头、多头、和复合螺纹螺杆四种。
按螺纹方向分为：
左旋和右旋两种。
按螺杆的外形分为：
圆柱形、圆锥形和复合形三种。
按螺纹形式分为：
等距等深型、等深不等距型、等距不等深型和复型螺纹
螺杆四种。
等深等距型螺杆挤出半制品致密性差；等距不等深型螺杆能使胶料
均匀压实，胶料受剪切力大，发热量大，当螺纹的压缩比过大时，对螺杆喂料
段的机械强度有颇大的影响；等深不等距型不影响螺杆不影响螺杆的机械强度，
胶料塑化均匀，但加工困难；复合型螺纹的螺杆在螺杆的工作部分不同段的螺
纹头数和形式，多用于特殊用途的挤出机上。
综合以上考虑本设计采用单头、右旋、等距不等深、圆柱形螺杆。
2.3 螺杆结构参数
5
（1）螺杆长径比 L/D 及螺纹沟槽深度
前面已选 L/D=6，螺槽深度 H 是一个重要参数，它对挤出物的素化和混炼
质量、机器的生产率和功率消耗以及螺杆的强度等都有直接影响。
一般 H=（0.18～0.25）D， 当 H 减小时，剪切速率增加，增强胶料的塑化
和混炼效果，但胶料的温升较大，产量较低。
取螺杆的末端 H1 =10mm，螺杆的
头部 H 2 =14mm
（2）压缩比
螺杆的压缩比是指喂料口处螺纹沟容积与挤出段最后一个螺纹沟槽容积之比。
螺杆的压缩比取决于胶料的物理压缩比，物理压缩比是指胶料进入加料口前
与从挤出段出来后胶料的比容之比，它表示胶料压实的程度，其值与胶料性质、
加工条件及胶料在螺槽中的填充程度有关。
热喂料挤出机的螺杆压缩比一般为 1.3～1.5，冷喂料螺杆的压缩比为
1.7～2.1。
（3）螺纹导程和升角
螺纹导程影响到螺纹沟槽的有效容积。
在 S 增大时，吃料容易，输送胶料
能力高，产量也随之增加。
S 减小时，轴向压力增大，胶料在机筒内停留的时
间增加，塑化均匀，半制品的质量好，但螺纹沟槽容积减小，产量下降。
过大
的 S 会造成胶料塑化不均，影响挤出半制品的质量。
螺纹导程与螺纹升角α 的关系为：
S = πDtgα
本设计采用螺纹升角α = 18︒ ，慢 S = πDtgα = 3.14 ⨯ 60 ⨯ tg18︒ ≈ 60mm
（4）螺棱的轴向宽度
螺棱的轴向宽度会影响螺纹沟槽的容积，导致产量和功率消耗的变化。
在
保证强度的前提下，螺棱轴向宽度取小些为好。
一般轴向宽度
e=（0.06～0.08）D
则 e=3.6～4.8mm，取 e=4mm
（5）螺纹断面形状
常见的断面形状有矩形断面、梯形断面、锯齿形断面。
由于锯齿形螺纹断面
6
具有较高的强度和输送能力，所以本设计采用锯齿形断面。
6.螺杆头部形状
螺杆头部形状的选择应有利于胶料的流动，防止产生死角，避免胶料焦烧。
常见的头部形状有球头形、锥形头、弹形头、平头。
本设计采用锥形头，且螺
杆与螺杆头部采用螺纹联接并在螺杆上铣花键。
2.4 螺杆强度校核
（1）剪切应力的计算：
τ =
M n
Wn
式中τ —螺杆剪切应力；
M n —螺杆的扭矩；
Wn —抗扭截面模量。
M n = 9550000
N max
nmax
η
式中 N max —电机最大功率；
nmax —螺杆最大转速；
η —机械传动效率，取 0.7～0.8
则 M n = 9550000
N max
nmax
η = 9550000 ⨯
15
121.2
⨯ 0.75 = 0.89 ⨯106 N ∙ mm
抗扭截面模量Wn 如下：
d1 （1 -α4 ）
W n=
π
16
3
式中 d1 —螺杆螺纹根径；
α —螺杆内孔直径与螺纹根径之比值。
d1 （1 -α4 ） =
W n=
π
16
3
3.14
16
⨯ 483 ⨯ （1 - 0.234 ） = 0.216 ⨯105 N ∙ mm
于是剪切应力τ =
M n
Wn
=
0.89 ⨯106
0.216 ⨯105
=41.20 N / mm2
7
（2）压应力计算
σ y =
p
F
式中σ y —压应力；
P—胶料对螺杆的轴向作用力；
F—截面处的断面积
P=200F= 200 ⨯
πD 2
4
= 200 ⨯
3.14 ⨯122
4
=22608Kg=221558.4N
F =π （d 2 - d0 ） = 3.14 ⨯ （602 - 482 ） = 4069.44mm2
2
则σ y =
p
F
=
221558.4
4069.44
=54.44 N / mm2
（3）弯曲应力计算
σ =
M max
Wz
式中σ —最大弯曲应力；
M max —在 L/2 处由重力 G 引起的最大弯矩， M max =
GL
2
G—螺杆伸出段的重量,G=50Kg；
L—螺杆伸出段长度，L=360mm；
π3
32
50 ⨯ 360
22
⨯ 483 ⨯ （1 - 0.234 ） =10821.47 N ∙ mm
3232
σ =
M max
Wz
=
88200
10821.47
=8.15 N / mm2
（4）强度条件
按第三强度理论，螺杆受扭、压、弯联合作用，其强度条件为：
σ ∑ = （σ y + σ ）2 + 4τ 2 ≤ [σ ]
[σ ] =
σ s
ns
8
式中[σ ] —材料的许用应力；
σ s —材料的屈服限；
ns —材料的安全系数，取 ns =3～3.5。
实际上螺杆自重引起的弯曲应力比剪切应力和压应力小得多，故可忽略不计，
则σ ∑ = σ y + 4τ 2 。
于是σ ∑ = σ y + 4τ 2 = 54.44 + 4 ⨯ 41.202 =82.73 N / mm2
[σ ] =
σ s
ns
=
490
3
=163.33MPa
因为σ ∑ <[σ ] ,所以螺杆的强度合格。
2.5 螺杆与减速器低速轴联接花键的选择和强度校核
选择矩形花键，花键的规格为：
N×d×D×B=8×42×46×8。
花键连接的强度条件为：
σ p =
2T ⨯103
ψzhld m
≤ [σ p ]
式中：
ψ —载荷分配不均系数，与齿数多少有关，一般取ψ =0.7～0.8；
z—花键的齿数；
l —齿的工作长度，mm；
2 - 2C ，此处 D 为
h—花键齿侧面的工作高度，矩形花键， h =
D - d
外花键的大径，d 为内花键的小径，C 为倒角尺寸，单位均为
mm；渐开线花键，α = 30︒ ，h=m,α = 45︒ ,h=0.8m,m 为模数；
d m —花键的平均直径，矩形花键， dm =
D + d
2
；渐开线花键，
dm = di ， di 为分度圆直径，mm；
[σ p ] —花键连接的许用挤压应力， MPa ；
查得：
[σ p ] =120～200 MPa
已知：
Z=10, l =80mm,ψ =0.8,T=1745.5 N ∙ m ,
h =
D - d
2
- 2C =
46 - 42
2
- 2 ⨯ 0 = 2mm
9
d m =
D + d
2
=
46 + 42
2
=44mm
∴ σ p =
2T ⨯103
ψzhld m
=
2 ⨯1745.5 ⨯103
0.8 ⨯10 ⨯ 2 ⨯ 80 ⨯ 44
= 61.98Mp <[σ p ]
则花键的强度足够。
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