sj90单螺杆挤出机结构设计大学论文.docx

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sj90单螺杆挤出机结构设计大学论文

摘要

塑料是四大工业材料中发展速度最快的一种材料，塑料工业是新兴的工业。

近年来，随着塑料工业的飞速发展，塑料制品的应用领域也在不断扩展，塑料加工设备已渗透到国民经济的各个行业，成为我国机械工业的重要组成部分，在国民经济中起着越来越重要的作用。

其中塑料成型机械是塑料工业中的一个重要组成部分，是完成塑料制品生产成型的必要手段，而挤出成型又是塑料成型加工的重要成型方法之一。

本文主要讲述的是塑料挤出成型的原理、特点、结构组成、分类、主要技术参数、主要零部件及有关的调控系统和辅助装置、挤出过程、设备的安全操作和维护保养以及主要故障的排除等内容，并阐述这些内容之间的相互关系及影响。

并且在讲解单杆塑料挤出机的工作原理、基本结构和有关专业知识的基础上，具体深入分析问题，理论与实际相结合，并从机理、结构以及塑料成型工艺、设备的调控、安全及维护保养等方面综合分析问题，找出矛盾的主要方面，选择最优的改进方案，来提高单杆塑料挤出机的综合水平，从而获得更好的经济效益和社会效益。

塑料挤出机简称挤出机（又名压出机），它是塑料加工过程中的主要设备之一。

一般挤出机有五大部分组成：

挤出部分、传动部分、机头、加热冷却系统、电气控制系统。

挤出部分是挤出机的主体部分，主要作用是：

剪切、塑化和捏炼塑料，以一定的压力，均匀连续的向机头输送塑料。

由加料装置、螺杆、机筒、衬套等组成。

其中螺杆分为单头螺杆、双头螺杆和多头螺杆。

衬套材料一般为38CrMoAlA。

传动系统的作用是驱动螺杆旋转和根据工艺要求调节螺杆的转速，传动系统由电动机和减速器等组成。

机头是挤出机的成形部分。

它的作用是：

使塑料由螺旋运动变为直线运动；在一定的压力下，将塑料挤压成各种所需形状的半成品。

加热冷却系统是指为了使塑料很好的挤出，适时控制温度，以防止塑料温度过低或焦烧。

电气控制系统的作用是满足挤出工艺条件的需要，实现对挤出机机筒割断温度、集体温度、螺杆转速、驱动扭矩或功率、轴向力等的控制和调节。

由温控、调速和检测装置组成。

挤出机的基本工作过程：

带状塑料加入加料口后，在旋转螺杆的作用下，塑料被搓成团状沿螺杆槽滚动前进，因螺杆的剪切、压缩和搅拌作用塑料受到进一步的混炼和塑化，温度和压力逐步提高，呈现出粘流状态，以一定的压力和温度通过机头，最后得到所需的一定形状的半成品。

关键词：

单螺杆；挤出机；加热冷却系统；传动系统；电气控制系统

Abstract

Plasticmaterialsindustryisthefourfastest-growingkindofmaterial,theplasticsindustryisanewindustry.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentoftheplasticsindustry,plasticproducts,applicationsareexpanding,plasticsprocessingequipmenthasbeeninfiltratedintoallsectorsofthenationaleconomy,hasbecomeanimportantpartofChina'smachineryindustryinthenationaleconomyplaysanincreasinglythemoreimportantrole.Whereintheplasticmoldingmachineryandplasticsindustryisanimportantpartofthenecessarymeanstocompletetheproductionofplasticmolding,andextrusionmoldingisoneoftheimportantmethodsofplasticmoldingprocess.

Thispaperdescribesaplasticextrusionprinciple,characteristics,composition,classification,maintechnicalparameters,themaincomponentsandrelatedregulatorysystemsandauxiliaryequipment,extrusionprocesssafety,equipmentoperationandmaintenanceaswellasmajorfaultExcludeothercontent,andexplainstherelationshipbetweenthecontentandimpactofthese.Andexplainthebasisofasingleshotplasticextrusionmachineworks,thebasicstructureandrelevantexpertiseonspecificin-depthanalysisoftheproblem,thecombinationoftheoryandpractice,andtheregulatorymechanism,structureandplasticmoldingtechnology,equipment,safetyandmaintenancemaintenanceandotheraspectsofacomprehensiveanalysisoftheproblem,identifythemainaspectsofconflictandchoosethebestimprovementprogramtoimprovethesinglepoleplasticextrudercomprehensivelevel,leadingtobettereconomicandsocialbenefits.

Theplasticrodextrudingmachineabbreviationextruder（alsonamesextrudingpress）,itisanimportantimplementaloftheplasticreclaimingprocess.Theextruderismadeoffiveparts:

thepartofextruding;thepartofpassing;thehead;thesystemofheadingandcooling;theelectricalcontrolsystem.

Themajorpartoftheextruderisthepartextruding,itisthemostuseofshear,rendandpinchtheplastic,underafastnesspressure,continuoussendplastictothehead,itmadeupoffilldevice,screw,barrel,linerandsoon,Andthescrewisdisportofsinglescrew;doublescrew;andmulti-componentscrew.Thematerialoflineris38CrMoAlA.

Thepartofpassingisdrivingthescrewrotationandbasictheneedoftheartfactitiousprocesstoadjustmentthescrewroyal.Thepartofpassingismadeofelectricalengineeringandreducer.

Theheadistheextrudingmachineformedpart.Itsfunctionis:

Causesthesizingmaterialtobecomethetranslationbythehelicalmotion;underthecertainpressure,extrudesthesizingmaterialswhichneedtheshapethehalf-finishedproduct.

Thesystemofheatingandcoolingisfortheplasticwellextrusion,wecontrolthetemperatetopreventthetemperatetooloworborn.

Theelectricalcontrolsystemisfortheneedofpress,controlthetemperateofthebarrelandthehead,theroyalofthescrew,drivethetorsionorpower,andadjustmentthehead,theroyalofthescrew,driverthetorsionorpower,andadjustmenttheforceoftheaxial,ismadeofthetemperatecontroller,thespeedadjustmentsystem,andthedeviceoftest.

Theextruder`sfundamentalprocessisthis:

gettheplastictothefiller,undertheshearofthescrew,theplasticwasmadesmallball,becauseofthescrew`sshearpressureandstirring,theplasticwasfutherrendandplastic,thetemperateandthepressuregethigher,andtheplasticgetplasticflow,underfastnesspressurethoughthehead,thelastgettheproductionyouneed.

Keyword:

single-screw;extruder;theheatngcoolingsystem;thetransmiss-

ionsystem;electricalcontrolsystem

第一章绪论

1.1引言

塑料的成型加工在现代先进制造领域占有越来越大的比重。

现在，塑料从合成树脂开始，一般要从制品的性能要求、改善加工性能和降低成本等方面考虑设计配方而添加一定比例的助剂和填料，经过混炼之后再进行成型加工。

塑料制品的成型加工方法主要包括挤出、注射、滚塑、吹塑、压延、压制等。

近年来，在这些领域的科学研究和技术的进步发展十分迅猛，新技术不断涌现，新知识的积累更是呈爆炸式地增加。

挤出是塑料加工中最基本的方法。

挤出形象的描述了“施加压力驱使聚合物通过机头成型”的挤出成型。

聚合物成型加工中，挤出加工技术可以说是最基本和最重要的加工技术。

聚合物挤出加工主要可以分为两个方面的内容，即混炼塑化和挤出成型。

1.2国内外发展情况

我国的聚合物工业近几十年得到迅速发展，尤其是改革开放以来，聚合物加工机械及模具工业取得了举世瞩目的成就，其年平均增长速度高于国民经济总的增长速度，达到两位数以上。

目前，聚合物挤出成型制品现已广泛应用于国民经济各个领域。

农业大量使用塑料薄膜。

机械工业使用塑料棒材加工成各种零部件。

建筑业、石油工业、汽车工业中聚合物制品的使用也相当广泛。

1.3单螺杆挤出机研究现状

单螺杆挤出机是塑料加工的重要设备，按照它的工作过程可划分为物料输送、塑化熔断和熔体输送三大部分，其中物料输送对单螺杆挤出机挤出性能有着非常重要的作用，直接影响着单螺杆挤出机的工作稳定性。

但由于系统的复杂性，使得对这段的研究非常困难。

为了便于研究，不得不对该段的情况进行假设、简化。

而实际上，挤出是一个连续的过程，在此基础上再进行熔断理论的研究才可能更有效的预测整个塑化过程，才能为评价挤出机性能、确定合理的工艺参数提供有力依据。

随着挤出机应用领域的不断拓展和技术上的不断进步，挤出机市场仍然保持一定上升势头，但国产挤出机价格大幅下跌已成现实。

部分厂家粗制滥造和恶性价格战已经影响到国内塑机的整体形象和市场竞争力，也阻碍了塑料加工业的发展。

1.4课题研究意义和目的

单螺杆挤出机由于结构简单，造价便宜，因此广泛的应用于食品、塑料、饲料等各个领域。

挤出机设计的研究工作，不但能够提高机械设计领域的水准，还能获得良好的经济和社会效应。

在多个方面具有积极的意义：

（一）提高设计水准，制造更多更新功能更强大的新产品，将会提高人类的生活水平和工作条件。

推动人类文明的发展。

（二）促使设计者、制造者提升自身水平，带动机械设计领域的发展，为社会做出更大贡献。

（三）设计出来的产品，往往都具有专利权，具备很强的时代性、时尚性、功能性。

能够获得大量的用户追捧，能够给设计方带来巨大的收益。

1.5课题主要研究内容

本设计为挤出机，制品可以为成品及半成品，选取的加工物料为“低密度聚乙烯”。

该挤出机适用于冷喂料的挤出，故相比之下塑料粘流态停留时间长，同时强烈的剪切产生的大量的热需要良好的冷却装置。

由于螺杆有较大的长径比，同时承受剪切力和轴向力，本身还接受物料传来的热量，故螺杆材料应具有足够的强度和抗摩能力，较好的耐化学腐蚀性能，良好的机械加工和热处理及高温下不变形的性能，所以螺杆材料优先选取.螺杆要输送物料，所以螺杆的结构至关重要，根据有关知识及资料确定螺杆为单螺旋等距突变螺杆。

利用电机+减速机构+螺杆，使螺杆获得一定转速和扭矩。

螺杆所承受的轴向力由螺杆与机筒间的轴向推力轴承传递，挤出机了根据产品结构自行安装。

第二章挤出机总体方案的确定

2.1挤出机总体布局的基本要求

（1）挤出机布局首先必须满足用户提出的各种要求。

如挤出机的加工范围、工作精度、生产率、和经济性等等。

（2）在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。

（3）确保挤出机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗震性、热变形及噪声水平。

（4）挤出机必须满足参数标准和系列型谱中关于挤出机布局方面的规定。

同时，还应最大限度地考虑挤出机的系列化和部件的通用话程度。

（5）对于生产率和自动化程度较高的挤出机，应力求便于自动上下料及纳入自动线。

（6）应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床，便于输送、装卸；注意挤出机的防护，确保安全生产。

2.2挤出机的主要参数

2.2.1挤出机的主要性能参数

本设计为SJ90挤出机，总体结构设计图如图1所示：

图1挤出机总体结构设计图

选取的加工物料为“低密度聚乙烯”。

本机设计的主要参数：

螺杆直径：

螺杆长径比：

最高产量：

螺杆的几何压缩比：

i螺杆最高转速：

2.2.2螺杆转速

因为螺杆不能进料的临界转速为

螺杆的工作转速

所以取

2.2.3挤出机功率

公式：

（2-1）

K计算系数

D螺杆直径

N螺杆转速

所以

减速器设计为二级斜齿减速器取

2.2.4轴向力P

因为（2-2）

所以

2.2.5生产能力Q

（2-3）

β为计算系数取

n为转速

2.3挤出机构设计

2.3.1螺杆设计

螺杆是挤出机最重要的部件，其性能好坏直接影响塑化质量和产量。

整个理论几乎都是围绕着螺杆上发生的挤出过程展开的。

因此，螺杆设计是挤出理论最重要的应用领域之一。

螺杆直径的确定：

90mm，螺杆长径比30。

螺杆的长径比L/D指螺杆的有效长度L和螺杆的直径D之比，长径比是代表挤出机性能的一个主要的技术参数。

欧洲塑料橡胶机械制造厂委员会建议长径比12、15、（18）、20、（24）、25、28、30、35，括号中的数值尽量不用或少用。

对于某些排气螺杆，长径比达到40左右或更长。

本设计中螺杆的有效长度为：

L=30D=30×90=2700mm

普通螺杆全长分为三段，即加料段L1、压缩段L2和计量段L3,计量段有时也叫均化段。

过程图如图2所示：

图2挤压加工过程示意图

在熔融理论中，熔融起点和熔融重点以及熔融段长度Lm在螺杆上并非固定不变，他们随着挤出工艺条件和塑料性能的变化而变化。

而压缩段指的是螺槽深度有加料段深H1变至计量段槽深H3的那段长度，它是螺杆设计者人为设计的长度，一旦螺杆设计出来这个长度也就确定了。

2.3.2螺槽深度和压缩比的确定

螺槽深度是很重要的参数，我们可以从制品的质量与产量两方面来分析。

（1）计量段槽深的确定：

我们知道，计量段中熔料的剪切速率γ可按下式计算：

D（2-4）

显然，计量段螺槽深度H3愈小，在相同的螺杆转速下剪切速率便愈大，因而分子间的内摩擦力也愈大。

从式中可以看出，熔料因内摩擦而产生的热量正比于剪切力和剪切速率。

由于剪切应力而产生的热量和螺槽深度H3的平方成反比。

Q0——熔料因剪切产生的热量；

τ——剪切应力；

γ——剪切速率；

a——熔料的表现粘度。

由此可见，螺槽深度较浅时，物料层内部会产生较多的热量。

此外，螺杆上物料层较薄，由外界加热器传进来的热量也容易将塑料热透。

这方面因素都证明了计量段槽深较小时，对促进塑料的塑化质量是很有好处的。

从混合效果上来讲，计量段槽深较小时，混炼程度较高，制品比较均匀。

在本章后面我们将进一步指出：

当计量段槽深较浅时，压力波动和温度波动都比较小，这时对制品的综合质量都是有利的。

但是，我们知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能选用较小的槽深，这类塑料的成型温度范围很宽（如聚乙烯成型温度范围为150～220℃，其范围达70℃），热稳定性很好。

因剪切或其他原因造成的局部过热不易造成无法弥补的后果。

相反对那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等热敏性塑料，他们的粘度较高，如果螺槽深度较浅，势必造成过多的因高剪切产生的热量。

再加上这类塑料的成型温度范围比较窄，粘流温度Tf和分解温度Td比较接近（如硬聚氯乙烯加工温度范围为150℃～190℃，其范围仅40℃），热稳定性较差，强烈的内摩擦将使它们过热分解甚至烧焦。

因此，加工这类塑料的螺杆计量段螺槽深度H3不能选择过小。

表中的数值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的时间很短时，例如在某些新型螺杆的屏障棱上，我在后面还要进一步分析这个问题。

本设计加工物料为聚苯乙烯（PS），根据表格取γ=93S

由D

以上从挤出质量的观点分析了计量段螺槽深度H3的影响，这种观点是确定计量段螺槽深度的主要方法，用这种方法确定的计量段螺槽深度基本上满足了对计量段螺槽深度的要求。

此外我们还可以从产量的角度来分析计量段螺槽深度H3的影响。

从熔体输送理论的生产率公式可以看出：

正流Qd正比于螺槽深度H3，而压力流Qp却正比于H3的立方。

由此可以分析：

当机头压力较低时，增加计量段螺槽深度可以增加产量；而当机头压力增大到超过临界压力，加深H3并不能使生产率增加，甚至还会产生相反的作用,也可以从融体输送理论来估算螺槽深度H3的最佳值。

DSi2φn（6KQL323H3WH3将上式对H3求导并令导数等于零，经一系列推导，可求得H3的最佳值：

在式中KQ—形状系数未知口模系数情况下H3的值没办法确定。

有上面的分析可知，H3的决定受到多方面的因素影响，很难用一个简单的理论公式来进行计算。

设计时，还可以根据经验公式来决定螺槽深度H3。

H3=kD据统计螺槽深系数k值，计量段螺槽深系数k大都在0.02～0.07范围内。

螺杆直径较大者，k值应选择较小，螺杆直径较小者，k值应选择较大；热稳定性较好的塑料k较小，热稳定性较差的塑料k值较大；当螺杆长径比较大时，k值可以选择较大。

这是由于长径比较大的螺杆的计量段L3可以设计的较长，此时由于螺槽深度H3加大造成压力流Qp的增加和混炼段M的下降可以通过计量段的增加来弥补。

根据塑料热稳定性的不同，系数k分为三个区域。

上层适用与PVC等热稳定性较差的塑料，此时k值较大。

下层适用热稳定性较好的塑料，此时k值较小。

螺槽系数K的确定。

根据经验公式可以来校核，当H3=5mm时k的取值为0.033在k=0.02～0.07范围内。

（2）加料段槽深和压缩比的确定

加料段的主要目的是建立必要的压力和保证稳定的固体输送。

但自今为止加料段的槽深H1的影响还不是很清楚。

按Darnell-Mol理论的固体输送生产率公式加料段H1增加后固体输送生产率会提高。

由于加料段中的塑料并不像D塞流理论所假设的那样整块的移动，而是在断面上有一速度分布。

加料段螺槽较深时，压力难以传至螺槽底部，靠近螺槽底部的塑料运动速度较慢，这就降低了固体输送生产率。

因此存在一个最佳加料段槽深。

颗粒内摩擦因数较高的塑料，要比颗粒内摩擦因数较低的塑料更接近于整块移动。

实际上，加料段槽深是根据螺杆压缩比和计量段槽深来确定的。

所谓压缩比是指螺槽加料段第一个螺槽容积和计量段最后一个螺槽容积之比，即几何压缩比，而不是螺槽深度之比。

这个数值不同于物理压缩比。

后者指的是塑料在加料时的松密度和受热熔融后的密度之比。

例如，聚乙烯在松散时密度为0.55～0.64g/cm，而熔融后的密度为0.76g/cm。

因此，其物理压缩比为1.38～1.18。

显然几何压缩比应大于物理压缩比。

这是因为除了应考虑密度的变化之外，还应考虑在压力下熔融料的压缩性、塑料在加料段的装填程度、挤压过程中塑料的回流等因素，尤其还应考虑制品性能所要求的压缩密实的必要性。

应此对加工同一种塑料的的螺杆，不同设计者对其几何压缩比有不同的选择，而加工不同塑料的螺杆，其压缩比变化应更大（大多数在2～5之间，个别情况大至8，小至1）。

2.3.3螺距和螺纹升角的确定

对单头螺纹，螺距S、螺纹升角φ和螺纹直径D之间有下述关系：

显然在螺杆直径已知以后，螺距和螺纹升角只要决定一个，另一个也就确定了。

从固体输送生产率公式和熔体输送理论生产率公式都可以看出：

生产率和螺纹升角又直接的关系。

根据固体输送理论的计算，对大多数塑料，当摩擦因数fb=fs0.25～0.5,螺纹升角等于17～20时，固体输送生产率可以达到最大值。

实验也证明，对圆柱性塑料，最佳螺纹升角大约在17左右。

而从熔体输送理论的角度上讲，将有关流率公式经数学推到简化，并对φ角求导，并令导数等于零，可求的最佳螺纹升角为30。

这也是为什么当前的螺纹升角都在17～30范围之内的原因。

2.4本章小结

不同的生产线对挤出机的具体要求不一样，这就需要根据不同塑料的性能设计出合理的挤出机。

本次设计的挤出机是用于聚苯乙烯（PS）生产线的挤出机，这就要求对聚苯乙烯（PS）的性能有一定的掌握和了解。

本章主要对挤出机设计总体方案进行布局和确定