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1、中国矿业大学成人教育学院2013届毕业设计摘 要本文是关于工业用塑料聚合物双螺杆挤出机的设计。在工业上和实验室中，螺杆挤出机都应用及其普遍，是塑料加工设备的重要元部件之一。作为工业中使用的双螺杆挤出机，在设计过程中，除了要求能够完成固体输送、增压、熔融、熔体输送和泵压等一系列通用过程以外，还要求涉及到复合塑料与聚合物颗粒之间的混合，以及物料喂料量的控制。物料喂料量的控制则是通过控制主螺杆及其辅助喂料螺杆的转速来完成的。同时，双螺杆挤出机具有分布混合和分散混合效果良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适合聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。有利于增加挤出机的挤出产量，提高
2、塑化质量。关键词： 双螺杆挤出机； 辅助喂料螺杆； 工业； 同向啮合目 录1、绪论11.1 塑料挤出成型概述11.2塑料挤出成型的基本特点11.3塑料挤出成型设备的组成21.4 挤出机的分类31.5 挤出机的选择原则和方法31.6 挤出螺杆的选择32、同向啮合双螺杆挤出机42.1 挤出机型号说明42.2 挤出成型基本原理52.3 同向啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性72.4本次所设计挤出机类型的确定72.5 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格73、 同向啮合双螺杆挤出机性能参数的选择83.1螺杆直径的选择83.2螺杆中心距公称尺寸的选择83.3螺杆长径比的选择83.4螺杆转速要求及范围的
3、选择93.5 挤出机功率的确定93.6挤出机加热功率的确定94、同向啮合双螺杆挤出机主要零部件的设计94.1 主螺杆的设计104.2机筒的设计114.3 螺杆与机筒的配合要求124.4分流板及过滤网124.5料斗的设计125 挤出机电机的选择136 减速器的设计136.1 传动方案的总体设计136.2齿轮设计136.3 齿轮轴的设计246.6 箱体的设计38结 束 语40参考文献41致 谢4231、绪论1.1 塑料挤出成型概述挤出成型是在挤出机中通过加热、加压使各种塑料以熔融流动状态连续通过口模成型的方法。当今世界四大材料体系（木材、硅酸盐、金属和聚合物）中，聚合物和金属是应用最广泛和最重要的
4、两种材料。其中不仅包括板、管、膜、丝、和型材等制品的直接成型，还包括热成型、中空吹塑等坯料的挤出加工。挤出机几乎成为任何一个塑料有关公司或研究所最基本的装备之一。挤出成型有如此发展趋势主要原因为：螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程，如固体输送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。螺杆挤出工艺装备逐步取代了一些由多台经典化工装备组成的生产线。连续生产代替间歇生产，必然有较高的生产率和较低的能耗，减少生产面积和操作人员数量，降低生产成本，也易于实现生产自动化，创造好的劳动条件和减少的环境污染。正因如此，螺杆挤出这种工艺不仅广泛地用于聚合物加工，而且在建材
5、、食品、纺织、军工、和造纸等工业部门中都得到了愈来愈多的应用。1.2塑料挤出成型的基本特点与其他成型方法比较，挤出成型具有以下的特点：（1） 挤出成型可实现生产的连续化和自动化。生产操作简单，工艺控制容易，效率高，产品质量稳定。（2） 可以根据产品的不同要求，改变产品的断面形状。其产品为管材、薄膜、电缆、单丝、棒材、板材、片材、中空制品及异型材等。（3）连续的生产操作，特别适合于较长尺寸的制（4） 应用范围广泛。如可以加工大多数热塑性塑料及部分热固性塑料，用挤出法进行共混改性、塑化、造粒、脱水和着色等。（5） 设备成本低、投资少、见效快，生产占地面积小，生产环境清洁。（6） 可进行综合性生产。
6、伴随着塑料工业的迅猛发展，还将具有更广阔的应用前景。1.3塑料挤出成型设备的组成一套完整的挤出设备由主机、辅机及控制系统组成。1.3.1 主机挤出机是塑料挤出成型的主要设备，即主机。由挤压系统、传动系统及加热冷却系统和主机控制系统组成。 挤压系统 由机筒、螺杆和料斗组成，是挤出机的核心工作部分。 传动系统 由电机、调速装置和传动装置组成。作用是给螺杆提供所需转速和扭矩。 加热冷却系统 由温控设备组成。作用是通过对机筒进行加热和冷却，以保证挤出系统成型在工艺要求的温度范围内进行。 控制系统 主要由仪表、电器及执行机构组成。作用是调节控制机筒温度、机头压力和螺杆转速。1.3.2辅机 通常包括：机头
7、、冷却系统、定型装置、牵引装置、切割装置和卷曲装置等。 机头是制品成型的主要部件，熔融塑料通过机头获得断面与流道几何形状相似的塑料制品。 定型装置 作用是将机头中挤出的制品的形状稳定下来，并对其进行精确调整，从而得获得断面尺寸精确且表面光滑的塑料制品。 冷却装置 从定型装置出来的制品冷却，获得最终的形状和尺寸。 牵引装置 作用是均匀的牵引制品，使挤出过程稳定。 切割装置 作用是将挤出的连续硬制品切成所需长度及宽度。 卷取装备 作用是将软制品（薄膜、单丝等）卷绕成卷。1.3.3 控制系统 由各种电器、仪表及执行机构组成。根据自动化水平的高低，可控制挤出机、辅机的拖动电机、油（汽）缸、驱动油泵及其
8、他各种执行机构按所需的速度、功率和轨迹运行监控主辅机的流量、温度及压力，最终实现对整个挤出成型设备的自动控制和对产品质量的控制。1.4 挤出机的分类1.4.1 分类方法按装置位置分为立式挤出机和卧式挤出机。按可否排气分为排气挤出机和非排气挤出机。按螺杆转速分为普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机。按螺杆数目的多少和结构分为无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。单螺杆挤出机有普通型、部分型和排气式三种机型；双螺杆挤出机又可分为异向旋转同向旋转和双螺杆反应器三种机型。1.5 挤出机的选择原则和方法选择挤出机的总原则是技术上先进、经济上合理、确保产品质量，除此之外还要全面衡量机器的
9、技术经济特性，并以下列因素为选择依据： （1） 机器的生产效率；（2） 挤出质量；（3） 能量消耗；（4） 机器的使用寿命；（5） 挤出机的通用性和专用性。挤出机的选择可按三步进行：首先是选择挤出机的类型；其次是选择螺杆的形式；然后再根据用户生产规模和产品质量要求以确定要选取的挤出机的主要技术性能。1.6 挤出螺杆的选择1.6.1 螺杆结构形式的选择（1） 普通型螺杆 （2）新型螺杆（3） 排气螺杆 （4）多功能组合式螺杆1.6.2 螺杆基本参数的选择螺杆的基本参数有：螺杆直径（D）、转速（n）、长径比（L/D）、压缩比（）和机头压力（p）。1.螺杆直径 螺杆直径的大小主要由转数和产量及其它几
10、何参数决定的。螺杆直径： 式中： Q-生产能力 kg/h; D-螺杆直径 mm; n-螺杆转速 r/min； -经验出料系数，通常取=0.0030.007由公式计算出直径后，在从国标螺杆直径系列：30，45，65，90，120，150，200来选取。2、同向啮合双螺杆挤出机2.1 挤出机型号说明塑料机械的辅助代号用于表示机组（代号为Z）、辅机（代号为F）、附机（代号为U）。主机不标辅助代号。设计序号是产品设计的顺序，按字母A，B，C顺序选用，但字母I，O不选，首次设计的机械产品不标注设计序号。2.2 挤出成型基本原理挤出成型是将物料加入机筒与机筒内旋转着的螺杆之间进行固体输送、压缩、熔融塑化，
11、最终定量地通过机头口模而实现制品的成型。挤出过程的基本原理是通过挤出理论研究得到的。突破性进展至今，挤出机中的塑料在一定外力作用下，随不同温度出现的三种不同物理状态与螺杆的结构、塑料的性能及加工条件之间的关系。为了更好地说明挤出成型的基本原理，先简要说明塑料存在的三种物理状态。2.2.1 塑料随温度的三态变化塑料在一定的外力作用下，受热时会出现三种物理状态：玻璃态、高弹态、粘流态，这三种状态在一定外在条件下可以相互转化。2.2.2挤出过程中的物态变化将螺杆分成三个基本职能区域：加料段、压缩段、计量段。2.2.3 固体摩擦输送理论 2.2.4 熔融理论熔融段是固体输送段和熔体输送段之间的部分。在
12、熔融段内塑料从固态转变为熔融态，并且高弹态与粘流态共存。因此，熔融段塑料的流动情况比固体输送更为复杂。熔融理论研究的是在熔融段内塑料的熔融过程及其流动情况。它是建立在流变学、热力学等基础上的理论，用于指导螺杆熔融段的设计。2.2.5熔体输送理论熔体输送区的作用相当于一个泵，对物料进行进一步均匀混合、融化和加压，然后使其在适宜的温度下，定压、定量地输送到机头。所以，熔体输送段有时又称为计量段、压出段或均化段。研究这一段的基本规律的理论称为熔体输送理论，又称流体动力学理论。2.2.6挤出机的工作状态2.2.6.1 螺杆特性线挤出机稳定工作时，若 式中 反流系数，cm; 正流系数，cm； 漏流系数，
13、cm。 挤出量为：当螺杆转速和温度不变时，不变，所以挤出量与压力降成线性关系。在确定转速下的Q-P为线性关系，就称为螺杆特性线。同一根螺杆，在不同转速下得到的不同的螺杆特性线，称为螺杆特性线族。由上式可得出如下结论：（1）螺杆转速不变是，挤出机挤出量随压力的升高而下降，其下降的程度取决于螺杆的几何参数和胶料的粘度。（2）增加均化段的螺槽深度，将会增大螺杆特性线的斜率，而使挤出量随压力的变化幅度而增加，这不利于对挤出机的控制操作。（3）增加均化段的长度，会使螺杆特性线斜率减少，使挤出量随压力的变化减少，这有利于对挤出机的控制操作。（4）在相同压力下，挤出机的螺杆的转速高，挤出量越大。2.3 同向
14、啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性同向啮合双螺杆挤出机表现为物料的正位移输送特性。由于螺槽纵向开放，由加料口到机头，两螺杆间有一通道，当物料由加料口加到一根螺杆上后，物料在摩擦拖曳作用下沿着这跟螺杆的螺槽向前输送物料至下方的楔形区，在这里物料会受到一定的压缩。因螺棱比螺宽窄，那么另一根螺杆的螺棱不会把物料向前输送的道路堵死。两根螺杆在楔形区有大小相等、方向相反的速度梯度，因此物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进而被另一螺杆托起，在挤出机机筒表面的摩擦拖曳下沿另一根螺杆的螺槽向前输送。 与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机有如下优点：（1）混合作用。相对速度大，所以混炼效果十分好。（2）自洁作用。（
15、3）节能特性。2.4本次所设计挤出机类型的确定由于同向双螺杆挤出机具有分布混合及分散混合良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适用于聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。2.5 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格（1）螺杆公称直径。 指螺杆外圆直径，用D表示，单位（mm）；对于变径螺杆而言，公称直径是个变值。（2）螺杆长径比。 指螺杆有效长度L（有螺纹部分长度，即由加料口中心线到螺纹末端的长度）与外径D之比，用L/D表示。（3）螺杆的转动方向。 双螺杆的转向有同向和异向之分。（4）螺杆转速范围。 指螺杆的最低转速到最高转速间的允许值单位（r/min）；（5）驱动电机功率。表征挤出机的驱动能力用P表示，单位（KW）；（6）机筒加热功率。指双螺杆挤出机加热功率的总和，用H表示，单位（KW）；（7）双螺杆中心距公称尺寸
