SJ7028高速高效单螺杆挤出机成型传动系统设计1.docx
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SJ7028高速高效单螺杆挤出机成型传动系统设计1
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摘要
在塑料工业中，螺杆挤出机几乎能成型所有的热塑性塑料和部分热固性塑料，用于成型管材、棒材、板材、薄膜、电线电缆、异型材等，也可以用于塑料的混合、造粒及塑料的共混改性，以挤出为基础，配合吹塑、拉伸等工艺的挤出—拉幅可成型中空制品和双向拉伸膜等。
挤出机是塑料成型的最重要的方法之一，目前挤出机成型的制品约占热塑料制品的50%。
另外螺杆挤出机在橡胶工业中和合成纤维工业中也发挥的很大的作用。
挤出机是挤出成型生产线中的主机，它的作用是塑化、运输物料，并提供制品成型所需要的压力。
挤出机作为加工聚合物的主要设备而存在，在许多国家包括我国的机械工业化中已经成为系列化、规格化的一类机械产品。
本设计是关于SJ70-28系列的单螺杆挤出机。
主要是根据已知参数：
D=70mm,长径比为28，来设计单螺杆挤出机。
主要设计其动力和传动系统，加热和冷却系统。
Abstract
Intheplasticsindustry,thescrewextruderformingalmostallthermoplasticsandthermosettingplasticspartsForformingpipe,bar,sheet,film,wireandcable,profileandsoon,canalsobeusedforplasticmixing,granulationandplasticsmodification,toextrusion-based,withtheblowmolding,stretching,etc.ExtrusionTechnology-tentercanbemoldedhollowproductsandtwo-waystretchfilm.Plasticmoldingextruderisoneofthemostimportant,thecurrentextrusionmoldingproducts,plasticproductsaccountforabout50%ofheat
Anotherscrewextruderintherubberindustryandthesyntheticfiberindustryhasalsoplayedalargerole.
Extruderextrusionproductionlineisthehost,itistheroleofplastics,transportation,materials,andprovidetherequiredpressuremolding
Polymerextrusionprocessingofmajorequipmentasexistsinmanyindustrializedcountries,includingChina'smachineryhasbeenaseries,akindofmechanicalproductsstandardized
ThisdesignisontheSJ70-28seriessinglescrewextruder.Mainlybasedonknownparameters:
D=70mm,theaspectratioof28,todesignsinglescrewextruder.Maindesignofitspowerandtransmissionsystem,heatingandcoolingsystems.
目录
摘要1
Abstract2
第一章绪论4
1.1概述4
1.2高分子材料的发展4
1.3高分子材料的分类5
1.4挤出机的构成6
1.4.1挤压系统6
1.4.2传动系统7
1.4.3加热冷却装置7
1.5挤出机的分类8
第二章挤出机传动系统的设计10
2.1传动系统的设计步骤10
2.2电机的选取10
2.3系统传动方案11
2.4V带传动设计12
2.4.1V带的设计计算12
2.4.2V带轮的设计15
第三章挤出机的加热冷却系统18
3.1加热和冷却系统的意义和目的18
3.2挤出机的加热系统19
3.3挤出机的加热方法19
3.4挤出机的冷却系统20
3.4.1料筒的冷却21
3.4.2螺杆冷却21
3.4.3料斗座冷却22
3.5挤出机的热平衡分析22
3.6加热功率的确定24
第四章挤出机的控制系统26
4.1挤塑机主机的温度控制26
4.2挤塑机的压力控制28
4.3.螺杆转速的控制29
4.4外径的控制29
4.5收卷要求的张力控制29
4.6整机的电气自动化控制29
参考文献30
致谢31
第一章绪论
1.1概述
挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。
大部分热塑性塑料都能用这个方法成型，挤出成型是在挤出机上进行的，挤出机是塑料成型加工机械的主要设备之一。
用挤出成型生产的产品广泛的应用于人们的生活及农业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业。
塑料制品用挤出成型方法成型，在塑料制品的各种成型方法中占比例较大。
按照成品的质量计算，约占塑料制品总产量的1/2。
由此可见，挤出成型是塑料制品成型中一种主要的成型方法。
用挤出机可以挤出大部分热塑性塑料成型制品。
1.2高分子材料的发展
从十九世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。
火化橡胶和硝化纤维塑料（赛璐珞）是两个典型的例子。
进入二十世纪之后，高分子材料进入了大发展阶段。
首先是在1907年，LeoBakeland发明了酚醛塑料。
1920年HermannStaudinger提出了高分子的概念并且创造了Makromolekule这个词。
二十世纪二十年代末，聚氯乙烯开始大规模使用。
二十世纪三十年代初，聚苯乙烯开始大规模生产。
二十世纪三十年代末，尼龙开始生产。
随着工业企业现代化的发展，设备的集群规模和自动化程度越来越高，同时针对设备的安全连续生产的要求也越来越高，传统的以金属修复方法为主的设备维护工艺技术已经远远不能满足针对更多高新设备的维护需求，对此需要研发更多针对设备预防和现场解决的新技术和材料，为此诞生了包括高分子复合材料在内的更多新的维护技术和材料，以便解决更多问题，满足新设备运行环境的维护需求。
正基于此，二十世纪后期，世界发达国家以美国福世蓝（1stline）公司为代表的研发机构，研发了以高分子材料和复合材料技术为基础的高分子复合材料，它是以高分子复合聚合物与金属粉末或陶瓷粒组成的双组分或多组分的复合材料，它是在高分子化学、有机化学、胶体化学和材料力学等学科基础上发展起来的高技术学科。
它可以极大解决和弥补金属材料的应用弱项，可广泛用于设备部件的磨损、冲刷、腐蚀、渗漏、裂纹、划伤等修复保护。
高分子复合材料技术已发展成为重要的现代化应用技术之一。
经历了二十世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。
《时代杂志》认为塑料是二十世纪人类最重要的发明。
高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。
1.3高分子材料的分类
高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。
（1）橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。
其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。
有天然橡胶和合成橡胶两种。
（2）高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。
前者指蚕丝、棉、麻、毛等。
后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝和后处理制得。
纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。
（3）塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。
其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。
通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。
（4）高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。
分为天然和合成胶粘剂两种。
应用较多的是合成胶粘剂。
（5）高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质，添加溶剂和各种添加剂制得。
根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。
（6）高分子基复合材料是以高分子化合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料。
它综合了原有材料的性能特点，并可根据需要进行材料设计。
（7）功能高分子材料。
功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。
已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。
高聚物根据其机械性能和使用状态可分为上述几类。
但是各类高聚物之间并无严格的界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺，可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。
而聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料。
按高分子主链结构分类
（1）碳链高分子：
分子主链由C原子组成，如：
PP、PE、PVC
（2）杂链高聚物：
分子主链由C、O、N等原子构成。
如：
聚酰胺、聚酯
（3）元素有机高聚物：
分子主链不含C原子，仅由一些杂原子组成的高分子。
如：
硅橡胶
按高分子主链几何形状分类：
线型高聚物，支链型高聚物，体型高聚物。
按高分子排列情况分类：
结晶高聚物，非晶高聚物。
1.4挤出机的构成
塑料挤出机的主机是挤塑机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。
1.4.1挤压系统
挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头、和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被螺杆连续的挤出机头。
（1）螺杆：
是挤塑机的最主要部件，它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率，由高强度耐腐蚀的合金钢制成。
（2）机筒：
是一金属圆筒，一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。
机筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料，一般机筒的长度为其直径的15～30倍，以使塑料得到充分加热和充电线挤出机分塑化为原则。
（3）料斗：
料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料斗的侧面装有视孔和标定计量装置。
（4）机头和模具：
机头由合金钢内套和碳素钢外套构成，机头内装有成型模具，机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，均匀平稳的导入模套中，并赋予塑料以必要的成型压力，塑料在机筒内塑化压实，经多孔滤板沿一定的流道通过机头脖颈流入机头成型模具，模芯模套适当配合，形成截面不断减小的环形空隙，使塑料熔体在芯线的周围形成连续密实的管状包覆层。
为保证机头内塑料流道合理，消除积存塑料的死角，往往安置有分流套筒，为消除塑料挤出时压力波动，也有设置均压环的。
机头上还装有模具校正和调整的装置，便于调整和校正模芯和模套的同心度。
1.4.2传动系统
传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速器和轴承等组成。
在结构基本相同的前提下，减速机的制造成本大致与其外形尺寸及重量成正比。
因为减速机的外形和重量大，意味着制造时消耗的材料多，另所使用的轴承也比较大，使制造成本增加。
1.4.3加热冷却装置
加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。
（1）现在挤塑机通常用的是电加热，分为电阻加热和感应加热，加热片装于机身模具压余挤出机、机脖、机头各部分。
加热装置由外部加热筒内的塑料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。
（2）冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。
具体说是为了排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量，以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。
机筒冷却分为水冷与风冷两种，一般中小型挤塑机采用风冷比较合适，大型则多采用水冷或两种形式结合冷却；螺杆冷却主要采用中心水冷，目的是增加物料固体输送率，稳定出胶量，同时提高产品质量；但在料斗处的冷却，一是为了加强对固体物料的输送作用，防止因升温使塑料粒发粘堵塞料口，二是保证传动部分正常工作。
1.5挤出机的分类
塑料挤出机分为双螺杆挤出机和单螺杆挤出机
两种挤出机的区别：
单螺杆的机器和双螺杆的机器:
一个是一根螺杆,一个是两根螺杆.都是用的一个电机带动的.功率因螺杆不同而不同.50锥双的功率约为20KW,65的约为挤出机按其螺杆数量可以分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤出机。
目前以单螺杆挤出机应用最为广泛，适宜于一般材料的挤出加工。
双螺杆挤出机由于具有由摩擦产生的热量较少、物料所受到的剪切比较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量比较稳定、物料在机筒内停留长,混合均匀。
SJSZ系列锥形双螺杆挤出机具有强制挤出、高质量、适应性广、寿命长、剪切速率小、物料不易分解、混炼塑化性能好、粉料直接成型等特点，温度自控，真空排气等装置。
适用于管、板、异形材等制品的生产。
单螺杆挤出机无论作为塑化造粒机械还是成型加工机械都占有重要地位，近几年来，单螺杆挤出机有了很大的发展。
目前德国生产的大型造粒用单螺杆挤出机，螺杆直径达700mm，产量为36t/h。
单螺杆挤出机发展的主要标志在于其关键零件——螺杆的发展。
近几年以来，人们对螺杆进行了大量的理论和实验研究，至今已有近百种螺杆，常见的有分离型、剪切型、屏障型、分流型与波状型等。
从单螺杆发展来看，尽管近年来单螺杆挤出机已较为完善，但随着高分子材料和塑料制品不断的发展，还会涌现出更有特点的新型螺杆和特殊单螺杆挤出机。
从总体而言，单螺杆挤出机向着高速、高效、专用化方向发展。
双螺杆挤出机喂料特性好，适用于粉料加工，且比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，特点是加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。
近些年来国外双螺杆挤出机已经有很大的发展，各种形式的双螺杆挤出机已系列化和商品化，生产的厂商也较多，大致分类如下：
（1）按两根轴线相对位置，有平行和锥形之分；
（2）按两根螺杆啮合程序，有啮合型和非啮合型之分；
（3）按两根螺杆的旋转方向，有同向和异向之分，在异向中又有向内、向外之分；
（4）按螺杆旋转速度，有高速和低速之分；
（5）按螺杆与机筒的结构，有整体和组合之分。
第二章挤出机传动系统的设计
挤出机的传动系统首先要是螺杆按照所需的速度转动，螺杆转速的波动会影响挤出量的波动，即意味着挤出制品的尺寸发生波动，所以挤出机的传动系统要保持稳定的螺杆转速。
传动系统要应为螺杆的根部提供所需的扭矩，满足在一定负载下的转速需要，在挤出操作中，不同的物料，不同的制品，其他操作因素变化等，希望螺杆的转速可调，因此，传动系统还应在较宽的范围内改变速度，并实现速度之间的连接调节。
2.1传动系统的设计步骤
传动系统的设计主要包括以下几个内容：
（1）电机的选取
（2）系统传动方案比较及传动比的分配
（3）V带传动设计
（4）减速器设计说明
2.2电机的选取
挤出机驱动功率的确定
由国家塑料行业部门针对国内塑料行业挤出机的驱动功率统计得出公式：
N=K··n
式中N—挤出机的驱动功率（KW）
—螺杆直径（CM）
n-螺杆转速（r/min）
K—系数（当Ｄ〈９０mm时，k＝０.００３５４;当Ｄ≥９０mm时，k＝０.００8）螺杆转速：
120r/min,D=70mm,长径比：
30
所以根据上面的公式我们可以计算出挤出机的驱动功率。
即：
N=K··n＝0.00354*7*7*120=20.8kw
根据实际情况和电机的制造标准，选择22kw的电机。
（２）按照实际情况查表选择Y180L-4型电动机，其额定功率为22kw，满载转速为1470r/min，最大转矩为2.2
（３）采用各种电机调速的比较
一、用三相异步整流子电机实现无极调
采用这种电动机，其工作特征曲线与挤出机的工作特征曲线很相似。
因此，采用它来作原动机时，能保证有较高的功率因素与效率。
而且这种电动机启动性能好，故电动机可以得到较合理的使用。
此外，它运转性能稳定，当转速固定后受负载的变化的影响较小。
这种电动机与直流电动机比较有低成本，占地面积小等优点。
二、用直流电动机实现无级调速
直流电动机的变速范围广，启动也比较平稳。
这种电动机的调速方法可以通过改变电枢电压和激磁电压实现。
使用直流电动机常需配备成套的直流供电装置，因而使它的使用受到限制。
直流电动机在速度底于100～200转/分时有工作不稳定和在低速时电机风扇冷却性能下降的缺点。
三、采用机械无极变速器与异步电动机配用进行无极调速
由于电机的变速范围不能达到设计要求，所以我们采用了的三中方法来实现调速。
列是供一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼形三相异步电动机，具有防尘或其它杂物侵入之特点，它是我国最新设计的统一系列。
Y系列电动机具有高效、节能、性能好、噪音低、振动小、可靠性高等特点，安装尺寸符合通用标准，使用维护方便。
主要技术参数
电源：
380伏绝缘等级：
B
频率：
50赫兹接法：
P〉3KW，采用三角形接法
工作方式：
连续（S1）
综合比较结果，根据国家行业标准，选用Y180L-4电动机
2.3系统传动方案
（1）.传动比的分配
由于电机的转速为1480转/分,螺杆的转速为120转/分
所以：
整个系统的降速比是i=nm/nw=1470/120=12.25。
带传动的传动比取i1=2.7。
故减速器的降速比是i2=12.25/2.7=4.54
（2）减速器基本说明
查表可得单级圆柱齿轮的减速比为3-6，故减速器的降速比为4.54在此范围内，可以使用单级降速即可达到目标。
即i2=4.54
·各轴转速如下：
电动机轴为0轴，减速器高速轴为1轴，低速轴为2轴，则：
n0=nm=1470r/min
n1=n0/i1=1470/2.7=544r/min
n2=n1/i2=544/4.54=120r/min
·各轴输入功率
按电机额定功率Ped计算各轴的输入功率，即：
P0=Ped=22kw
P1=P0η1=22*0.96=21.12kw
P2=P1η2η3=21.12*0.99*0.97=20.3kw
·各轴转矩
T0=9550*P0/n0=9550*22/1470=143N·m
T1=9550*P1/n1=9550*21.12/554=364N·m
T2=9550*P2/n2=9550*20.3/120=1616N·m
2.4V带传动设计
2.4.1V带的设计计算
1）确定功率
—工作情况系数，查表4.3得k=1.2；
—电机的功率，kW。
表：
工况系数
工况
空，轻载启动
重载启动
每天工作小时数
<10
10~16
>16
<10
10~16
>16
载荷变动小
旋转式泵，发电机，带式输送机
1.1
1.2
1.3
1.2
1.3
1.4
所以，=1.2×22=26.4kw
2）选定带型由于小带轮转速为1470r/min，计算功率Pd=26.4kw,
查《机械设计》教材图8-11（普通v带选型图）可以确定选择普通C型v带
3）确定带轮的基准直径并验算带速
（1）传动比i1=2.7
（2）小带轮的基准直径
查表4.5和表4.6选取:
dd1=200mm
表4.4：
V带的最小基准直径
槽型
A
B
C
D
E
Y
75
125
200
355
500
20
表4.5：
普通V带轮的基准直径
带型
基准直径
C
（3）验算带速:
（4.20）
故带速适合
（4）大带轮的基准直径
由表4-5,调整为d=560mm
4）初定轴间距和基准长度
（1）由中心距条件:
0.7
计算得它在532mm和1520mm之间
初取=1000mm。
（2）所需基准长度:
基准长度
=
mm
查《机械设计》教材表8-2取=2000mm.
（3）实际轴间矩：
调整最小轴间矩：
即中心距的变化范围:
953mm～1043mm
5）验算小带轮包角α1：
6）计算V带根数z：
由dd1=200mm和查《机械设计》教材表8-4a得5.84kw；
由,i=2.7和C型带,查《机械设计》教材表8-4b得=1.27kw；
查《机械设计》教材表8-5得0.95,查表8-2得=0.88。
所以，取皮带根数为5。
6）单根V带的预紧力：
查表8-3查得C型带单位长度的质量q=0.30kg/m
所以，=
应使带的实际初拉力>
7）作用在轴上的力
其力的最小值为:
2.4.2V带轮的设计
V带轮设计要求
设计V带轮时应该满足：
质量小，结构工艺性好，没有过大的铸造内应力。
质量分布均匀，转速高时要经过动平衡实验，轮槽工作面精细加工（表面粗糙度一般为3.2），以减小带的磨损，各槽的尺寸和角度应该保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。
在这个设计中由于皮带轮的直径比较大，所以采用轮辐式结构。
皮带轮的材料
带轮的材料主要采用铸铁，常用材料为。
结构尺寸
1.小带轮直径
查表4.10知，ha=4.8mm，由V带的设计计算中知道dd1=200mm
所以da1=4.8x2+200=209.6mm
表4.10：
轮槽截面尺寸
槽型
与对应的
=
=
=
=
Y
5.3
1.60
4.7
80.3
6
≤60
>60
Z
8.5
2.00
7.0
120.3
7
≤80
>
A
11.0
2.75
8.7
150.3
9
≤
>
B
14.0
3.50
10.8
190.4
11.5
≤
>
C
19.0
4.80
14.3
25.50.5
16
≤
>
D
27.0
8.10
19.9
370.6
23
≤
>
E
32.0
9.60
23.4
44.50.7
28
≤
>
2.大带轮的直径
3.轮缘宽度
mm
4.
A为轮辐数，P为传递功率，n为带轮转速。
所以:
5.节宽
mm,
第三章挤出机的加热冷却系统
挤出机的加热冷却系统是为了保证挤出机能够正常运转，以及保持挤出机有稳定的工艺温度。
挤出机中机筒的加热是为了使机筒受热达到一定的温度，冷却是为了使高温机筒把温度降下来。
在挤出机挤塑料生产过程中，机筒上有加热和冷却装置交替工作，则使机筒工作时温度恒定
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