Φ40PVC塑料管材挤出机塑化装置设计

目录一、选题背景1二、方案论证(设计理念)22.1. 设计质量标准：3三、过程论述43.1 螺杆43.1.1 螺杆的材料的选择43.1.2 螺杆参数43.2 机筒93.2.1 机筒的材料的选择93.2.2 机筒参数93.3 法兰113.3.1 法兰的材料选择113.3.2 法兰参数11四、结果分析124.1 螺杆的强度计算及校核124.2 机筒的强度校核144.3 螺杆尾部平键的强度计算15五、课程设计总结15一、选题背景 PVC 管材行业的现状 作为科技发展的产物之一，PVC 管材在日常生活中触目可及。在欧洲，1980 年1990 年塑料管的增长率为 8%，2001 年产量达 350 万吨，其中 PVC 管占 60%。 美国 1985 年塑料管产量为 160 万吨，1999 年产量约 360 万吨，其中，PVC 管占 78%。而中国的第一根 UPVV 扩口管材是于 1983 年在沈阳塑料厂诞生的，此后， 中国大陆具备了 PVC 给、排水管的生产能力。二十世纪 90 年代后期是中国大陆 PVC 管道的高速发展时期。期间一些年产能在 5 万吨以上的工厂陆续建成投产， 万吨以上生产规模的 PVC 管道工厂达 30 多家。塑料管道的年生产能力为 200 万 吨。 从上个世纪 80 年代初，国家大力推广应用 upvc 管，并制定了一系列的政 策、制度、标准，也积累了不少经验。发展到今天，已经具备了完善的产品标准、 检测方法标准及检测手段、施工工程技术规范等，从而统一了产品的规格尺寸和 质量指标，实现了产品的互换性。这说明了 pvc 给水管道的发展已经进入了成熟 期，产品质量和施工质量均有了保障，从而保证了 pvc 给水管道的使用效果。 而给水用 pe 管材的国际标准（ISO4427）直到 1996 年才正式发布。我国于 1999 年参照 ISO4427 编写了国家标准 GB/T13663，并在 2000 年发布实施，但至 今 pe 管件的标准、工程技术规范等仍在继续完善之中。这说明国内 pe 管材质量 还未稳定，管材管件配套未完善，因而无法确保生产、施工中的质量。 管材优点 1. 具有较好的抗拉、抗压强度：但其柔性不如其他塑料管。 2.流体阻力小：PVC-U 管材的管壁非常光滑，对流体的阻力很小，其粗糙系 数仅为 0.009，其输水能力可比同等管径的铸铁管提高 20%，比混凝土管提高 40%。 3.耐腐蚀性、耐药品性优良：PVC-U 管材具有优异的耐酸，耐碱，耐腐蚀，9不受潮湿水份和土壤酸碱度的影响，管道铺设时不需任何防腐处理。 4. 具有良好的水密性：PVC-U 管材的安装，不论采用粘接还是橡胶圈连接， 均具有良好的水密性。 5.防咬啮：PVC-U 管不是营养源，因此不会受到啮齿动物的侵蚀。根据美国 国家卫生基金会在密歇根州进行的试验证明，老鼠不会咬啮 PVC-U 管材。 二、方案论证(设计理念) 塑料挤出机的挤出方法一般指的是在 200 度左右的高温下使塑料熔解，熔解 的塑料再通过模具时形成所需要的形状。挤出成型要求具备对塑料特性的深刻理 解和模具设计的丰富经验、是一种技术要求较高的成型方法。 挤出成型是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法，也称为“挤塑”。与其他成型方法相比，具有效率高、单位成本低的 优点。 挤出法主要用于热塑性塑料的成型，也可用于某些热固性塑料。挤出的制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外，还可用 于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。 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。 由于 PVC 管用途广泛，且 PVC 属热敏性材料，加工粘度大。本文将对 PVC 专 用挤出机挤压系统中的塑化系统进行分析设计，主要设计部件有：螺杆、机筒、 机头连接法兰。 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。 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 1530 倍，以使塑料得到充分加热和充分塑化为原则。 法兰：用于各部件之间的连接。 2.1. 设计质量标准： 1）生产能力： a 比流量：单位时间内螺杆每转一圈的挤出量。 （ 公斤/圈） b 最高生产能力：在保证 塑化质量的前题下能达到的最高产量。（公斤/时） 2）功率消耗：在保证塑化质量的前题下，单位产量所消耗的机械功率-单 耗 （千瓦时/公斤） 3）塑化质量： 外观质量：指表面光滑，无波浪、竹节形、气泡、斑纹和水纹等缺陷； 混合质量：指物料的各组分的分散程度。它直接影响制品的物理、机械 和化学性能； 挤出温度：指物料的径向、纵向温度，在保证外观质量下，一是温度越 低越好，制品易定型，可缩短冷却时间，减少辅机的冷却负担；二是要求波动和 温差越小越好，可使制品尺寸稳定、不易变形、防止局部过热降解； 挤出压力：压力波动，引起生产能力波动，也会造成制品的尺寸波动。 4）螺杆的加工制造容易、使用寿命长。 5）适应性广：希望塑化效率和适应性广都兼备。 1.2 设计时应注意的问题 1） 高聚物的特性-对螺杆的结构和几何参数有不同的要求。 主要包括：形状、大小、松密度、熔融温度或软化点、熔态下的粘度、 流动性、热稳定性、熔融温度范围及所含填料的性能等。 2） 挤压系统的用途： 专用还是通用？对螺杆的结构设计有不同要求。 3） 口模的几何形状和阻力特性： 不同口模的几何形状和阻力特性，要求螺杆的几何参数也不同，高阻力 机头要求 H3 较浅，反之则要求较深的 H3. 4） 螺杆转数 熔融速率取决于剪切速率，剪切速率又与螺杆转数有关。 三、过程论述 3.1 螺杆 3.1.1 螺杆的材料的选择 对螺杆材料的性能有以下要求： 加工性良好，也即切削性能良好和抛光性能良好，前者是为了减少螺杆加工 工时，后者是为了增加螺杆表面光洁度； 热处理性能良好，主要是指热处理时变形要小，这是保证螺杆正常工作的必 要条件； 耐磨性和耐腐蚀性良好，这是保证螺杆寿命的基本要求； 有足够的芯部强度； 附着性好良好，例如，在镀铬，喷涂，堆焊等工序中必须保证螺杆基本金属和附加物的附着性； 成本尽可能低廉。 基于以上要求的考虑，选择螺杆的常用材料：38CrMoAlA。 3.1.2 螺杆参数 由于 PVC 属热敏性材料，过热易分解，在加工中不宜有过高的剪切粘度，因 此选用普通三段式螺杆。 螺杆各段的长度 根据国家标准以及各厂家产品实际参数，选取长径比 25。因此 L = 25 D = 1125mm 螺杆长度 D螺杆外径 PVC 属无定形物料，无定形物料随着温度的升高，物料会逐渐软化，当温度 超过粘流温度后，物料变成粘流态，这个过程是在一个相当大的范围内完成的， 在此过程中，物料的密度变化平缓，因此压缩段开始要早，长度要长，根据经验, 加工 PVC 的螺杆各段长度经验为： 1 = (10%25%) 2 = (55%65%) 1加料段长度 2压缩段长度 3均化段长度 因此，在本设计中，选取3 = (22%25%) 螺槽深度及压缩比 1 = 16% = 180 2 = 60% = 675 3 = 24% = 270 对于 PVC 而言，由于其热敏易分解且熔体粘度大的特性，加工时剪切速率不 宜过高，因此应取较大的螺槽深度，其值由经验公式计算： 3 = (3-1) 1 = 3/0.93 (3-2) 3均化段螺槽深度 mm 1加料段螺槽深度 mm 槽深系数 压缩比 表 3-1 常用塑料挤出成型机螺杆的压缩比 表 3-2 螺杆直径 D 对槽深系数 K 的影响 因此，选取压缩比 = 3 螺旋角和螺距S 3 = 2.7 1 = 7.5 为了设计和方便加工，取S = D = 45mm 则螺旋角 = 1740 S螺距 螺旋角 1 螺杆螺棱法向宽度和轴向宽度b 由 TGL 理论知道，螺杆的影响固体输送率，其值过大，则固体输送率就会降 低，因此我们希望螺杆螺棱的宽度小些，根据经验，计算其大小 e = 0.1D (3-3) eb = cos (3-4) 螺棱法向宽度 mm b 螺棱轴向宽度 mm e = 0.1 45 = 4.5mm 4.5b =1740 = 4.72mm 螺纹头数M = 1，单头螺纹 螺杆头部形式 当塑料熔体从螺旋槽进入机头流道时，其料流形态急剧改变。即由螺旋带状(其实物料流动很复杂)的流动变为直线运动。为了得到较好的挤出质量，要求物 料尽可能平稳地从螺杆进入机头，使其改变流动形态，同时要避免物料局部受热 时间长而产生热分解等现象(也称滞料现象)。这与螺杆头部形状、螺杆末端螺纹 形状以及机头体中的流道和分流的流道和分流板的设计有关。常见形式及应用如 表 3-3。 表 3-3 螺杆头部结构 本设计螺杆头部采用小圆锥形式，锥角 90，如图 3-1。图 3-1 采用的螺杆头部形式 螺纹的断面形状 常见螺杆螺纹的断面形状有两种，一种是矩形，另一种是锯齿形，如图 3-11 所示。前者在螺槽根部有一个很小的圆角半径，它有最大的装填体积，而且机械 加工比较容易；后者能改善塑料流动情况，有利于搅拌塑化，也避免了物料的滞 留。 本设计采用的螺纹断面形状尺寸如图(3-2)所示，左为均化段，右为加料段， 螺纹推进面为左侧面。 图 3-2 螺纹断面形式（左均化段，右加料段） 螺杆尾部的密封结构 目的：为了防止从料斗加入的物往螺杆尾部即传动方向漏出，在螺杆尾部的无螺纹部分往往设计有密封部分。 本设计采用迷宫式密封，结构及尺寸如图 3-3 所示 螺杆尾部键槽设计图 3-3 螺杆尾部密封形式 选择 C 型平键，长度 80mm，宽度 10mm。螺杆整体结构 图 3-4 螺杆的整体结构 3.2 机筒 3.2.1 机筒的材料的选择 机筒承受载荷小于螺杆，因此选用 40Cr 作为机筒材料，表面镀硬铬处理， 镀层厚度应不小于 0.06 mm。其硬度应不低于 750 HV，粘结强度和孔隙率应符合 GB 11379 的规定。 螺杆 直径 30 45 65 90 120 150 200 机筒 壁厚 2025 2025 3045 4045 4045 4045 5060 3.2.2 机筒参数 (1)机筒壁厚 表 3-4 我国某些挤出机的机筒壁厚 mm 选择机筒的壁厚= 22.5mm， 机筒的内径D内 = 45mm， 机筒的外径D外 = 90mm (2)机筒与分流锥，分流板的配合 图 3-5 机筒与分流锥，分流板的配合形式及尺寸 (3)加料口的设计 图 3-6 加料口的形式 图 3-6 中的(a)加料口较窄，易造成堵塞；(b)加料口较宽，物料虽不易堵塞， 但在左壁面处，物料易被螺棱刮出；(c)加料口左壁面偏向中心线，改善了(b)种 形式加料口的不足，但加料口截面积偏小；(d)是加料口在(c)种形式加料口上加 以改进，将又壁面设计为与垂直面呈一倾角，壁面下部与机筒内圆相切，既加大 了进料截面积，又使物料进入螺槽更加顺畅。 因此，采用(d)种形式的加料口，具体尺寸如图 3-7 10图 3-7 加料口的设计 3.3 法兰 3.3.1 法兰的材料选择 法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。因此机筒与机头的链接选择法兰连接。由于法兰需承受较大压力，因此选用 45 钢。 3.3.2 法兰参数 由于法兰既要与机筒相连，又要与机头法兰连接，因此，选择在法兰内圆攻螺纹，并在机筒外圆开槽，攻出与之配合的螺纹，在法兰上开若干光孔，使用M86 内六角螺栓与螺母与机头法兰连接。尺寸如图 3-8 所示16图 3-8 法兰尺寸设计 四、结果分析 4.1 螺杆的强度计算及校核 挤出机的压力峰值一般出现在加料段，而且该压力数值较大，因此校核时所取的压力也应该是加料段处的压力，根据经验取螺杆的受到的压力P = 49MPa 图 4-1 螺杆工作中的受力情况 （3）螺杆的强度计算 螺杆与主轴的连接方式：浮动式连接，配合较松，挤出时螺杆可被物料浮起，可以近似为一端固定的悬臂梁，危险断面在加料段螺杆的根径处。 轴向力产生的压应力c （1.151.25）PD2c =D2 d2 s0 (4-1) c = P机头压力 Mpa 螺杆根径 mm 0冷却孔直径 mm 1.2 49 106 452302= 132Mpa 重力 G 产生的弯应力b L2(D + s)2b =D3 s (4-2) 螺杆的材料比重，钢材取 = 7.85 105 MPamm (45 25)2(45 + 30)2 7.85 105b =303 103= 6.9MPa 扭矩产生的剪应力 9550 N = nmax D316 s (4-3) N电机功率KW nmax螺杆最大转速rpm 挤出机效率 按照国家标准，电机功率 N 取 5.5KW，螺杆最大转速取 90rpm；根据经验， 挤出机效率取 0.923。 909550 5.50.923 = 0.033 16 = 102Mpa 第三强度理论计算复合应力 = 2 + 42 (4-4) = (132 + 6.9)2 + 4 1022 = 247MPa 材料屈服极限s = 850MPa 由于挤出 HPVC 时常使用较低转速，取安全系数ns = 3 许用应力 s =ns850=3= 283MPa因为 1.1，因此可用厚壁圆筒理论进行强