（机械设计及理论专业论文）新型单机共挤螺杆挤出机的设计及分析.pdf

， c l j ： 0 ：二 学位论文数据集 中图分类号 t h l 2 学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 8 6 密级不保密 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名梁斌学号 2 0 0 4 0 0 0 3 8 6 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源自选研究方向聚合物工程 论文题目新型单机共挤螺杆挤出机的设计及分析 关键词 新型螺杆挤出机，单机共挤，结构设计，有限元分析 论文答辩日期论文类型 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师薛平研究员北京化工大学聚合物工程 中国石化总公司 评阅人l 赵月云高工 聚合物加工 北京化工研究院 研究员 评阅人2林炳鉴北京化工大学橡塑工程 博导 评阅人3 评阅人4 评阅人5 中国石化总公司 椭员会蛳赵月云高工聚合物加工 北京化工研究院 研究员 答辩委员1吴大鸣北京化工大学聚合物工程 博导 研究员 答辩委员2林炳鉴北京化工大学橡塑工程 博导 答辩委员3何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员4金志明副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在 中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b tl3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 ； i 、 a 摘要 新型单机共挤螺杆挤出机的设计及分析 摘要 共挤出复合成型是使用两台以上的挤出机在一个机头中成型多层 结构的加工过程。由于其制品在性能、外观上的优良特性以及生产过程 的简单实用而越来越得到普及和重视。但是目前共挤设备普遍存在设备 投资大，结构复杂，占地面积大，高能耗，制品“熔接线等问题。因此， 开发高效、节能、优质的多层结构单机共挤技术越来越受到相关人士的 重视。在这一趋势下，国外专业人士设计出了一些结构、功能独特的单 机实现共挤的设备。比较成功的是嵌套的多个锥形套加螺槽共挤出的结 构“c o n e x ，但目前我国在这一领域研究很少。 针对这一情况，本论文以挤出机经典的t a d m o r 熔融理论为启发， 参阅了相关文献中的内容，在不改变普通螺杆基本形式的前提下，提出 了新型的单机实现共挤的理论基础及概念，即嵌套式内外螺杆结构的概 念。该新型结构不同于国外的已有设备，没有改变螺杆的构型，是在现 有普通单螺杆挤出机结构的基础上进行的创造性设计。是国内首次出现 的单机实现共挤的新型挤出设备。 根据该概念提出了多种结构方案进行比较并选择了最佳的一种作 为实际方案。分别对新型螺杆挤出机的挤压系统，传动系统，共挤机头 等进行了结构设计与分析。设计过程中，利用有限元工具a n s y s 对螺 杆及传动轴等主要部件在新的载荷下的应力应变进行了分析，得到了相 i 北京化工大学硕士学位论文 关几何参数对其强度及刚度的影响，确定了最优化的尺寸，并依此为依 据最终完成了主机的设计。利用流体分析软件p o l y f l o w 对共挤机头 的流场进行了模拟，得到了内外螺杆转速对机头流道速度场，压力场和 剪切速率场的影响，对比结果后得到了最优化的内外螺杆转速。流场分 析结果对本挤出机要进行的实验研究及其他类型共挤机头的设计起到 了指导作用。依据设计图纸加工出实验机，进行了初步的实验研究，实 验结果良好，基本到达了设计要求，并初步验证了分析结果。 本论文的完成对单机共挤领域的进一步实验研究和相关机械的设计 提供了理论和经验。 关键词：新型螺杆挤出机，单机共挤，结构设计，有限元分析 摘要 t h ed e s i g na n da n a l y s i so f t h en o v e ls c r e we x t r u d e r o fc o e x t r u s i o ni no n ee x t r u d e r a b s t r a c t c o e x t r u s i o ni sap r o c e s st h a tm o u l d st h em u l t i l a y e rp r o d u c ti no n ed i e b yt w oo rm o r et h a nt w oe x t r u d e r s i th a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l y u s e di nm a n yf i e l d sb e c a u s eo fi t ss i m p l em a n u f a c t u r ep r o c e s sa n dt h e e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fi t sp r o d u c t t h e r ea r es o m ep r o b l e m si n e x i s t i n ge q u i p m e n t ，s u c ha st h eh i 曲i n v e s t m e n t ，t h ec o m p l e xs t r u c t u r e ， t h ew a s t eo fe n e r g y , “w e l dl i n e s o fp r o d u c t ，a n ds oo n m o r ea n dm o r e o v e r s e a sr e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o nt ot h es t u d yo ft h en o v e l ，e f f i c i e n t c o e x t r u s i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e ya c q u i r e da c h i e v e m e n t ，as u c c e s s f u l e q u i p m e n ti s t h en e s t e dc o n ee x t r u d e r “c o n e x ”d o m e s t i cr e s e a r c hi s l i t t l e i nt h i sp a p e r an o v e lc o n c e p tw a si n t r o d u c e d i ti st h en e s t i n gs c r e w s t r u c t u r ec o n e e p tf o rt h en o v e lc o e x t r u s i o nt e c h n o l o g yi no n ee x t r u d e r 1 w h i c hi sb a s e do nt h ec l a s s i c a lt a d m o rm e l t i n gt h e o r yw i t h o u tc h a n g i n g t h ec o m m o ns c r e wb a s i cs t r u c t u r e t h en o v e ls t r u c t u r ei sd if f e r e n tf r o m i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h eo v e r s e a se q u i t m e n t sa si ti st h ec r e a t i o n a r yd e s i g nb a s e do nt h e c o m m e ns i n g l es c r e we x t r u d e r i ti st h ef i r s tt i m et h a tc o e x t r u s i o ni no n e e x t r u d e rd o m e s t i c s o m ep r o j e c t sf r o mt h ec o n c e p tw e r ei n t r o d u c e da n d c o m p a r e d ，o n e o ft h e mw a sc h o s e nf o rt h ep r a c t i c ed e s i g n t h ee x t r u s i o ns y s t e m ，t h e t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h ec o e x t r u s i o nd i eo ft h en o v e ls c r e we x t r u d e r w e r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d b yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，t h es t r e s sa n dt r a n s m u t a t i o na n a l y s i so fs c r e wa n ds h a f tw e r e d o n e t h ed i m e n s i o nw a so p t i m i z e d t h ef l o wc h a n n e lo ft h ed i ew a s s i m u l a t e db yp l o y f l o wa n dt h eo p t i m i z e dr o t a t es p e e do ft h ei n e n e r a n do u t e rs c r e w sw a sg o t t h ea n a l y s i sw i l lc o n d u c ta n dh e l pt h e r e s e a r c ho fe x p e r i m e n to ft h i se x t r u d e ra n dt h ed e s i g no fo t h e rc o r r e l a t i v e e x t r u s i o nd i e s t h en o v e lc r e we x t r u d e rw a sp r o d u c e db a s e do nt h e d e s i g n ，a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sd o n e t h eg o a l so ft h ed e s i g nw e r e a c h i e v e da n dt h ep r i m a r y a n a l y s i sw a sp r o v e d t h i sp a p e rw i l lp r o v i d et h et h e o r ya n de x p e r i e n c ef o rt h ef u t h e r e x p e r i m e n t a lr e s 黜ha n dd e s i g no ft h ec o r r e l a t i v em a c h i n e si nt h ef i e l d o fc o e x t r u s i o ni no n ee x t r u d e r k e yw o r d s ：n o v e ls c r e we x t r u d e r , c o e x t r u s i o ni no n e e x t r u d e r , s t r u c t u r ed e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i v “ j l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 挤出成型技术及挤出机1 1 1 1 挤出机机组的组成及工作原理1 1 1 2 螺杆1 1 2 共挤出技术2 1 3 挤出及共挤技术发展趋势3 1 4 前人在本课题研究领域的成果简述4 1 4 1 挤出机及其理论研究4 1 4 2 共挤出领域的研究4 1 4 3 新型挤出机5 1 4 4 共挤设备6 1 5 本课题研究的内容和意义9 1 5 1 本课题研究的目的和意义1 0 1 5 2 研究方案1 0 第二章c a d c a e 技术，数值方法及有限元软件选择1 3 2 1 计算机辅助工程技术( c a e ) 1 3 2 1 1c a e 技术简介13 2 1 2c a e 技术在塑料成型中的应用13 2 2 数值方法介绍1 4 2 2 1 有限元法的基本思想15 2 2 2 计算流体力学c f d 简介15 2 3 软件介绍15 2 3 1a n s y s 介绍16 2 3 2p o l y f l o w 有限元计算软件介绍16 2 4 小结18 第三章方案设计与确定1 9 v 北京化工大学硕士学位论文 3 1 设计要求及设计难点1 9 3 2 设计方案介绍2 0 3 2 1 穿过屏障式2 0 3 2 2 越过屏障式2 2 3 3 方案对比与确定2 4 3 4 小结2 5 第四章挤压系统设计与分析2 6 4 1 设计思路及设计参数2 6 4 2 外螺杆设计与分析2 6 4 2 1 主要尺寸参数2 7 4 2 2 外螺杆受力分析3 0 4 2 3 螺杆和机筒材料的选择4 1 4 2 4 外螺杆头部结构4 2 4 3 内螺杆设计与分析4 2 4 3 1 内螺杆尺寸参数4 2 4 3 2 内螺杆受力分析4 3 4 4 小结4 5 第五章传动系统设计与分析4 7 5 1 传动方案4 7 5 1 1 电动机的选择4 7 5 1 2 调速装置4 8 5 1 3 减速装置4 8 5 2 结构设计5 1 5 2 1 轴承布置形式5 2 5 2 2 止推轴承选择5 2 5 2 3 螺杆与传动轴的装配结构5 3 5 3 传动轴设计5 3 5 4 尺寸确定5 4 5 4 1 传动轴最小尺寸5 5 v i 1 目录 5 4 2 传动轴有限元分析5 5 5 5 加热冷却系统5 7 5 5 1 加热系统5 8 5 5 2 冷却系统5 8 5 6 小结5 8 第六章共挤机头设计及其流场分析5 9 6 1 概述5 9 6 2 流动模拟的理论基础6 0 6 2 1 流体模型的选择6 1 6 2 2 基本假设6 1 6 2 3 数学方程的简化6 2 6 3 几何模型的建立与简化6 3 6 4 有限元实体模型的建立与简化6 3 6 5 材料物性参数6 4 6 6 边界条件6 4 6 7 模拟方案6 5 6 8 最高转速下模拟计算及结果分析6 5 6 8 1 边界条件及计算6 5 6 8 2 结果讨论6 6 6 9 改变参数后的模拟及分析6 7 6 1 0 不同转速下的模拟及分析6 9 6 1 1 小结7 1 第七章结论7 2 7 1 实验分析7 2 7 1 1 实验原料7 3 7 1 2 工艺参数7 3 7 1 3 实验现象7 3 7 2 主要结论及贡献7 5 7 2 课题有待深入研究的问题7 7 v h 北京化工大学硕士学位论文 参考文献7 8 附录。8 0 附录1 新型挤出机主机装配图8 0 附录2 部分零件图8 l 致谢8 3 研究成果及发表的学术论文8 4 作者和导师简介8 5 v ! i i 目录 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i no fe x t r u s i o nt e c h n o l o g ya n de x t r u d e r 1 1 1 1c o m p o s i n ga n dw o r kp r i n c i p l eo fe x t r u d e ru n i t 1 1 1 2s c r e w 1 1 2c o e x t r u s i o n 2 1 3d e v e l o p m e n to fe x t r u s i o na n dc o e x t r u s i o n 3 1 4a c h i e v e m e n t so fo t h e rp e o p l ei nt h i sf i e l d 4 1 4 1d e v e l o p m e n to fe x t r u d e ra n di t st h e o r y 4 1 4 2r e s e a r c ho f c o e x t r u s i o n 4 1 4 3n o v e le x t r u d e r s 5 1 4 4c o e x t r u s i o ne q u i p m e n t s 6 1 5s i n g n i f i c a n c ea n dc o n t e n to ft h i st h e s i s 9 1 5 1s i n g n i f i c a n c ea n di n t e n t i o no f t h i st h e s i s 1 0 1 5 2r e s e a r c hp r o j e c t 1 0 c h a p t e r2 i n t r o d u c t i o no fc a d c a e & n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d a n dc h o i s eo fs o f t w a r e 1 3 2 1c a et e c h n o l o g y 13 2 1 1s u m m a r i z a t i o no f c a e 1 3 2 1 2a p p l i c a t i o ni np l a s t i cp r o c e s s i n go fc a e 13 2 2n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d 1 4 2 2 1p r i n c i p l eo ff e m l5 2 2 2i n t r o d u c t i o no fc f d 11 ； 2 3i n t r o d u c t i o no fs o f t w a r e 11 ； 2 ：；1i n t r o d u c t i o no f a n s y s 1 6 2 3 2i n t r o d u c t i o no f p o l y f l o w 1 6 2 4c o n c l u s i o n 18 i x 北京化工大学硕士学位论文 c h a p t e r3d e s i g na n dc o n f i r m a t i o no f p r o j e c t s 1 9 3 1r e q u i r c x n e n ta n dd i f f i c u l t i e so f d e s i g n 1 9 3 2i n t r o d u c t i o no f t h ep r o j e c t s 2 0 3 2 1t y p eo ft h r o u g hb a r r i e r 2 0 3 2 2t y p eo f o v e rb a r r i e r 2 2 3 3c o m p a r i s o na n dc h o i c eo f t h ep r o j e c t s 2 4 3 4c o n c l u s i o n 2 5 c h a p t e r 4d e s i g na n da n a l y s i so f e x t r u s i o ns y s t e m 2 6 4 1d e s i g nm e a n sa n dp a r a m e t e s 2 6 4 2d e s i g na n da n a l y s i so f t h eo u t e rs c n ；w ”2 6 4 2 1t h em a i nd i m e n s i o np a r a m e t e s 2 7 4 2 2f o r c ea n a l y s i so ft h eo u t e rs a 冶w 。3 0 4 2 3c h o i c eo f m a t e r i a lf o rt h es g t e w sa n db a r r e l 4 1 4 2 4t h eh e a do ft h eo u t e rs c r e w 。4 2 4 3d e s i g na n da n a l y s i so ft h ei n n e rs c r e w 4 2 4 3 1p a r a m e t e so ft h ei n n e rs c r e w 4 2 4 3 2f o r c ea n a l y s i so f t h ei n n e rs l ：a r 州4 3 4 4c o n c l u s i o n 4 5 c h a p t e r5d e s i g na n da n a l y s i so f t r a n s m i s s i o ns y s t e m 4 7 5 1t r a n s m i s s i o np r o j e c t 4 7 5 1 1c h o i c eo fe l e c t r o m o t o r 4 7 5 1 2t i m i n ge q u i p m e n t 4 8 5 1 3d e c e l e r a t i n ge q u i p m e n t 4 8 5 2s t r u c t u r ed e s i g n 51 5 2 1c o l l o c a t i o nf o r mo f t h eb e a r i n g s 5 2 5 2 2c h o i c eo ft h r u s tb e a r i n g 5 2 5 2 3a s s e m b l es t r u c t u r eo ft h es c r e wa n dt r a n s m i s s i o ns h a f t 5 3 5 3d e s i g no f t r a n s m i s s i o ns h a f t 5 3 5 4d i m e n s i o nc o n f i r m a t i o n 5 4 x 一 目录 5 4 1t h el e a s td i m e n s i o no f t h et r a n s m i s s i o ns h a f t 5 5 5 4 2f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h et r a n s m i s s i o ns h a f t 5 5 5 5h e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e m 5 7 5 5 1h e a t i n gs y s t e m 5 8 5 5 2c o o l i n gs y s t e m 5 8 5 6c o n c l u s i o n 5 8 c h a p t e r6d e s i g na n dc h a n n e lf l o wa n a l y s i so ft h ee o e x t r u s i o nd i e 5 9 6 1s u m m a r i z a t i o n 5 9 6 2t h ep r i n c i p l eo ff l o ws i m u l a t i o n 6 0 6 2 1s e l e c t i o no ff l u i dm o d e l 6 1 6 2 2f u n d a m e n t a la s s u m p t i o n 6 1 “ 6 2 3s i m p l i f i c a t i o no f m a t h c r n a t i ce q u a t i o n 6 2 6 3e s t a b l i s h m e n ta n ds i m p l i f i c a t i o no fg e o m e t r i cm o d e l 6 3 6 4e s t a b l i s h m e n ta n ds i m p l i f i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm o d e l 6 3 6 5p h y s i c a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f m a t e r i a l 6 4 6 6b o u n d a r yc o n d i t i o n 6 4 6 7s i m u l a t i o np r o j e c t 6 5 。” 6 8a n a l y t i co f s i m u l a t i o nr e s u l to f c h a n n e li nt h em a x i m a lr o t a t es p e e d 6 5 6 8 1b o u n d a r yc o n d i t i o na n ds i m u l a t i o n 6 5 6 8 2r e s e ta r g u m e n t a t i o n 6 6 6 9a n a l y t i co fs i m u l a t i o nr e s u l ta f t e rc h a n g i n gp a r a m e t 髑6 7 6 1 0a n a l y t i co fs i m u l a t i o nr e s u l ti nd i f f e r e n tr o t a t es p e e do f t h es c r c w s 6 9 6 1lc o n c l u s i o n 71 c h a p t e r7 c o n c l u s i o n 7 2 7 1 e x p e r i m e n t a la n a l y s i s 7 2 7 1 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l 7 3 7 1 2p r o c e s sp a r a m e t e r 7 3 7 1 3e x p e r i m e n tp h e n o m e n a 7 3 7 2r e s e a r c hc o n c l u s i o no f t h es u b j e c t 7 5 x l 北京化工大学硕士学位论文 7 3p r o b l e mo ft h es u b j e c t 7 7 r e f e r e n c e 7 8 a d d e n d a 8 0 a d d e n d a 1a s s e m b l yd i a g r a mo f t h en o v e le x t r u d e r 8 0 a d d e n d a 2s e v e r a lc o m p o n e n td r a w i n g s 81 t h a n k s 8 3 r e s e a r c hr e s u l t sa n da c a d e m i c p a p e r s 8 4 a u t h o r 8 5 x n t r 符号说明 螺杆公称直径，m i l l 机筒公称内径，m l t l 螺杆最小断面根径，1 t l r n 孔径，n l l t l 螺杆与机筒间隙，m n l 螺杆有效长度，r a n l 加料段长度，r n n l 压缩段长度，1 t i h i 计量段长度，n 瑚 螺杆长径比 加料段螺槽深度，n f f n 计量段螺槽深度，m m 螺距，蛐n 螺棱的轴向宽度，i 姗 螺棱法向宽度，m i l l 螺槽轴向宽度，m i l l 螺槽法向宽度，r a n l 螺纹升角，o 剪应力，p a 粘度，p a s 零切粘度，p a s 剪切速率，r 1 流体压力，p a 幂律指数，s 物料加工温度，o c 符号说明 x i i i 乃选定的参考温度，o c ， 速度，m s 一1 q 体积流量，m 3 s 一1 m熔体非牛顿性指数 皿 风 丸 丸 0 三 厶 乞 l 优 两 飓 s 6 g 曰 w f 玎珈 户尸 拧 r 第一章绪论 1 1 挤出成型技术及挤出机 第一章绪论 在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、最重要的两种材料。高分子化合物具有良好的物理机械特性，因此广泛地应 用于工农业生产、交通运输、医疗、国防及日常生活中。而这些塑料制品中，有一多 半是通过螺杆挤出这一工艺生产的 i l 。挤出机几乎成为任何一个与塑料有关的企业或 研究所最基本的装备之一。 1 1 1 挤出机机组的组成及工作原理 塑料挤出成型机组是塑料挤出机与各式各样的成型机头及相应的成型辅机的组 合，主要用于将聚合物主原料与所需添加的辅助原料混合、混炼塑化熔融，最终加工 成具有各种截面形状和几何尺寸的挤出类塑料制品【2 l 。 一台挤出机主要由下列三部分组成： ( 1 ) 挤压系统：它主要由螺杆和机筒组成，是挤出机的关键部分 ( 2 ) 传动系统：主要包括减速器，传动轴等，其作用是驱动螺杆，保证螺杆在工 作过程中所需要的扭矩和转速。 ( 3 ) 加热冷却系统：主要包括加热器，冷却水( 油) 路，风机等，用于满足塑料 在成型加工中对温度及其控制的要求。 1 1 2 螺杆 单螺杆挤出成型机无论作为塑料塑化造粒机械或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。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研究实验，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 的发展来看，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的 北京化工大学硕士学位论文 不断发展，还会涌现出更有特点的新型螺杆和特殊单螺杆挤出成型机。总体而言，单 螺杆挤出成型机正向着高速、高效、专用化方向发展【3 4 i 。 1 2 共挤出技术 随着高聚物新型材料的不断出现和市场上对高聚物挤出产品的性能要求不断提 高，单一材料的制品往往具有局限性，不能经济地满足所有的产品使用性能，不能满 足某些特性上、外观上的特殊要求【i 5 们。用多种方法可以改变聚合物的物理特性，采 用复合共挤出技术将几种材料机械地粘结在一起是最简便易行的一种。作为挤出成型 技术之一的多层同时挤出成型，即所谓共挤出技术( c o e x t r u s i o n ) 方面取得了很大的 进步。 共挤出复合成型是用两台或者两台以上单螺杆挤出机或双螺杆挤出机将两种或 多种聚合物同时挤出并在一个机头中成型形成多层板式结构或片状结构等的一步法 加工过程。采用共挤出技术能够使多层具有不同特性的物料在挤出过程中彼此复合在 一起，从而使一种制品兼有几种不同材料的优良特性。它被用来制造那些特性上，外 观上有特殊要求而以单一材料的挤出成型又无法满足的制品。共挤法避免了传统的高 代价且复杂的多步层压或涂层过程，可容易的加工单层具有特殊性能的薄层或超薄 层。这些层可用于着色，遮蔽紫外线、提供阻隔性、控制薄膜表面特性等，各种