SJ7020挤出机设计毕业设计论文

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章绪论1.1单螺杆挤出机螺杆挤出机分为多螺杆挤出机和单螺杆挤出机。单螺杆挤出机为聚合物工业中最重要的一种挤出机。主要优点为设计简单、坚固而可靠、成本较低、以及性价比高。塑化挤出机的螺杆一般具有3个不同的几何段，见下图1-1：图1-1常规挤出机螺杆几何形状这种几何形状被称作“单级”。“单级”是指该类型螺杆尽管有3个不同的几何段，但实际上只有一压缩段，最靠近进料口的第一段螺槽—般较深。物料在此段中大都以固体状态存在，因此这一段被称为螺杆的进料段。最靠近模头的最末段螺槽一般较浅。物料在此段中大多以熔融状态存在。此单杆段被称为挤出段或计量段。第二段连接着进料段和计量段。此段称为压缩段或过渡段。1.1.1基本操作单螺杆挤出机的操作及其简便，从加料斗添加物料。通常物料因重力由加料斗向挤出机机筒运动。在干燥状态下部分物料流动性差，为防止部分物料在进料斗中产生挂料必须采用特殊措施。若物料进入机简，即处于机筒和螺杆之间的环状空隙内，并进而被螺棱主动螺腹及被动蝶腹螺槽包围，机简静止同时蝉杆旋转。由此，摩擦力作用于物料以及机筒和螺杆表面。至少低于熔点处于固体状态，这些摩擦力用于向前输送物料。物料向前输送时，即因摩擦生热和机筒加热器散热而被加热。当温度超过物料熔点，将在机筒的内表面形成熔膜，塑化段开始。必须指出的是，塑化段起点通常不是压缩段起始点。由聚合物性能、挤出机的几何形状和操作条件决定各功能段的分界线。因此，分界线会随着操作条件变化而变化。然而，螺杆的几何段由设计定型，不会因操作条件变化而改变。当物料向前运动时，在熔融变化作用下各个位置的固态物料量而减少。当全部固态聚合物熔融时将达到塑化段的末端，熔体输送段开始。在固体输送段中，会把熔体均匀输送给模头。当聚合物进入模头后，即呈现出模头流道的形状，当高聚物离开模头时，其形状和模头流道最后断面形状相对符合。因模头会产生流动阻力，须有压力迫使物料通过模头。该压力通常被称为模头压力。模头压力由模头形状(特别是流道)、通过模头的流率、高聚物熔体温度、以及高聚物熔体的流变特性所决定。模头压力不因挤出机产生而由模头产生。挤出机只产生一定的压力，来使物料通过模头。如果模头、模头温度、挤出量、聚台物均相同，则不论挤出机哪个类别挤出机等都不会造成差异，机头力相同。1.1.2排气挤出机在设计与功能方面排气挤出机同非排气挤出机差别巨大。排气挤出机机筒上有一个或一个以上排气口，挥发物经此逸出。排气挤出机能不间断从聚合物内连续排放挥发物。排气增添了非排气挤出机没有的功能。除去排出挥发物，还能利用排气口向聚合物混合某些组分，例如填充剂、反应组分和添加剂等等。该功能提升了排气挤出机的功能性，而且还据有额外优点，即只要封闭排气口并在可能情况下改变螺杆的几何形状，排气挤出机便可用作常规非排气挤出机。图1-2排气挤出机基本结构螺杆设计的关键在于对排气挤出机的正确运用。排气口溢料是排气挤出机的主要技术瓶颈之一。该条件下，排气口释放挥发物的同时，聚合物也会产生部分外流。所以挤出机螺杆得设计必须保证排气口(排气段)下面聚合物为负压，由此必须研发二级挤出螺杆，最重要的是排气挤出机设计的二级挤出螺杆。二级挤出螺杆因两个压缩段是被释压/排气段分隔，类似于沿一根轴串联相接的两个单级挤出螺杆。1.1.3橡胶挤出机用于加工弹性体的挤出机的历史长于任何其它类型。橡胶加工挤出机在19世纪后期问世。早期一些挤出机制造商们包括美国JohnRoyle和英国FrsncisShaw，德国主要的橡胶挤出机制造商之一是PaulTrosteL。最早的橡胶挤出机制造目的为热喂料挤出。这些挤出机负责辊炼机及其它混炼装置热料喂料工作。1950年前后冷喂料挤出被开发出来。冷喂料挤出公认具有如下优点：——设备投资资本小：——料温控制性好；——节约劳动成本；——适用于更广泛品种配混胶料。1.2多螺杆挤出机1.2.1双螺杆挤出机双螺杆挤出机分为锥形双螺杆挤出机及平行双螺杆挤出机两类。平行双螺杆挤出机有异向和同向的区别。近年来，伴随着国内工业、电子等领域的高速发展，材料改性与配混技术的需求增大。同向双螺杆配混挤出机的市场需求量最大，曾经成为双螺杆的代名词。但由最初高技术含量设备转变为普遍生产设备。按一般定义来说双螺杆挤出机有两根阿基米德螺杆。定义更加明确后其将归类到双螺杆挤出机这一特定分类中。因操作原理、设备设计以及实用领域方面存在巨大差异，使双螺杆挤出机分类庞杂，故很难全面评价双螺杆挤出机。因结构原因双螺杆挤出机结构复杂性远高于单螺杆挤出机。因为设计变量参数，例如旋转角度、啮合度等等在双螺杆结构设计中大量增加。双螺杆挤出机分类见表表1-2。几何构型是双螺杆挤出机分类的主要依据。部分双螺杆挤出机与单螺杆挤出机功能上异常类似。此外的双螺杆挤出机得操作模式与单螺杆挤出机完全不同。1.2.2多螺杆挤出机配备两根以上螺杆的挤出机普遍存在，最为人所知的一例是行星辊式挤出机。见图1-3.图1-3行星辊式挤出机该挤出机表面上类似与单螺杆挤出机，但进料段同标准单螺杆挤出机一致。但挤出机混合段存在差异。在挤出机行星辊段内，均匀分布着不少于六个行星螺杆环绕在主螺杆四周旋转。行星螺杆段内，主螺杆又称作太阳螺杆，太阳螺杆同行星螺杆与机筒啮合。所以，该行星螺杆必须同行星机筒段上的螺棱对应螺槽。并且行星机筒段一般用法是与进料料筒段相连接着的分离料筒段。在挤出机的源头部分，在行星螺杆前端，物料和普通单螺杆挤出机中做运动向前。塑化过程在物料到达行星段时充分进行，在行星螺杆、机筒和太阳螺杆之间的辊压作用产生的物料产生强烈的混合。相对机筒长度而言，螺旋形设计的太阳螺杆、机筒和行星螺杆的表面积大。进而产生有效的排气、热交换与温度控制。故能加工热敏性配混料并使降解最小。也如以上原因，行星式齿轮挤出机通常用作增塑和硬质PVC配料的配混和挤出。行星辊段也被用作普通挤出机的一般附加装置来改善混合性能。四螺杆挤出机则是另一种多螺杆挤出机形式，如图1-4。图1-4四螺杆挤出机排除溶剂是这种挤出机的主要用途，可使溶剂从40%低至0.3%。附加在机筒上的圆拱形排气室则为急骤排气发生场所，其后四根螺杆排出因急骤排气产生的多泡物料。普遍情况下，都装备着后续排气段用来进一步降的低溶剂含量。1.3挤出机市场现状与发展趋势

在挤出机应用方向不断拓展以及技术越加完善的前提下，与挤出机市场的上升势头相悖的是国产挤出机的价格低迷。由于国内部分厂家恶意竞价导致产品粗制滥造的行为，已经严重影响到我国企业的国际声誉和品牌形象，还严重影响了我国挤出机产业发展。学者研究认为，今后挤出机产业的发展会朝向低价格、高技术含量的趋势发展。就目前研究成果看，单螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机将是国产主机的发展趋势，技术愈加成熟，销量最大化，供大于求已是这类产品的通用规格所面临的现状。发展平行异向双螺杆挤出机是国内主机市场今后的重点方向，如此才能适应大挤出量前提下的成型需要。第六代、第七代高速、大长径比则为平行同向双螺杆挤出机发展趋势。超微型、大长径比、超大型、优良排气性、高产出等为单螺杆挤出机的发展趋势。适应特殊加工需要的螺杆机筒结构，必将成为大家争相研发的重点。事实上，单螺杆挤出机是一种低能耗、低成本的技术模式，只要是合理的结构设计，包括双螺杆挤出机的效率达到应有效能。据报道美国先以用单螺杆挤出机为主。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章挤出机总体方案的确定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（一）螺杆挤出机必须先满足用户。例如处理操作的材料，生产流程，操作范围，经济效益。（二）在经济性高并合理的条件，使用尽可能短的传动链，精简有关机构、改善传输精度传输效率。（三）确保挤出机正确处理震动的强度、热变形、噪声水平等技术问题。（四）挤出机必须满足于其布局参数标准系列。同时尽可能保证挤出机构成系列化产品。（五）对于高生产率和高自动化程度的挤出机，应尽可能提高其自动化水平。（六）必须易于观察操作处理；易于维护调整机床，容易运输装运和拆分；提高防护性，保障安全生产。2.2螺杆类型的确定挤压系统的主要零件为螺杆。它各部分的形状变化，直接影响螺杆的作业效果。对塑料产品产量、质量存在非常严重的影响。以挤出机机头料流方向以及螺杆中心线的夹角为根据，可以将挤出机机头分成直角机头和斜角机头等。一是用螺栓使机头的外壳固定于机身之上，模芯座在机头里面的模中，然后用螺帽将其固定于机头的进线端口，模芯座的内部还装有模芯，而且都有孔位于模芯和模芯座的中心，其作用为通过芯线。依据加压方式种类的不同可将挤出工艺可以分成连续挤出和间歇挤出两大类。前者所用的设备为螺杆式挤出机，后者的设备为柱塞式挤出机。因此通常不常选用本法生产，该罚仅适用于黏度非常大的塑料或者是流动性极差，例如硝酸纤维素塑料一类塑料制品的成型加工。因而根据设计说明书的设计指标和所生产产品的塑料聚乙烯材料特性，确定为单螺杆排气式挤出机。2.2.1螺杆的工作性能指标评定（1）塑化质量据挤出机的专业规定标准，挤塑生产的塑料产品应必须符合质量标准。螺杆为挤出生产影响产品质量的关键要素，材料的混合质量，塑化均匀与否，材料径向温度差是否足够低，且压力必须是平衡的，少量消耗能源，提高生产率，这些都受到螺杆作业质量的影响。（2）比流量该比值越高，该螺杆的塑化能力也随着增大，比流量单位是（kg/h）/（r/min）（3）比功率该比值越小，生产同样数量的塑料制品，消耗能量越少，比功率单位（kw//h）（4）通用性指螺杆能否适用于不同的塑料挤塑工艺，机头能在不同塑料产品阻力下工作。（5）经济性制造机械成型加工比较容易，易于维护，工作寿命比较长。2.2.2螺杆的选用原则（1）根据塑料产品种类选择塑料产品的种类很多，有非结晶型及结晶型，挤塑生产两种制品时，对本身得粘度、稳定性和流动性能及温度条件要求都不相同。因此不同的螺杆类型适用于不同产品。（2）螺杆结构尺寸受机头模具的阻力的影响挤出机螺杆螺纹均化段的螺槽深浅度当和机头阻力大小要相互匹配选取，机头阻力则螺纹槽要浅些；阻力小时则螺槽就应深些。相对排气式挤出机来说，要求在第二阶段，其均化段螺槽深于第一阶螺杆均化段螺纹槽要，否则易出现排气口处易溢料现象。（3）按挤出机用途来选择不同种类不同用途挤出机，以工作性质和挤出制品种来作为选配螺杆的依据。对于特定挤出塑料制品的挤出机，可按该塑料制品的要求，订购专门螺杆挤出机。若挤出机要挤塑不同的制品，则应选择的螺杆要具有较大通用性。2.2.3螺杆的分类依据螺杆的结构与其螺杆螺纹部分的几何特性，分为普通螺杆、排气螺杆和新型螺杆。(1)普通螺杆普通螺杆挤出机是目前使用最为广泛的挤出机类型，能挤塑粉料与粒料。该螺杆螺纹可分为加料段、塑化段及均化段。普通螺杆与新型螺杆相比存在许多不足，有逐步被新型螺杆代替的趋势。(2)排气螺杆在挤塑生产的过程中，为排除物料中的、水蒸气挥发物气体和空气，而专门进行设计的螺杆。(3)新型螺杆该螺杆与普通螺杆比较，在螺杆不同点位设计了非螺纹元件，用于改进塑料的熔融塑化质量、混合以及缩短挤塑生产时长。2.2.4螺杆方案的确定鉴于本设计要求为设计加工一种PE铝塑板挤出机。PE是乙烯的一种高聚合物，为使在挤出PE过程中排除挥发物、水蒸气和空气，故而选用排气螺杆。并根据设计产量得要求确定为70/25螺杆。2.3机筒类型的确定机筒与螺杆相互配合工作，共同构成挤出机挤压系统。挤塑物料中机筒的作用和螺杆工作的重要性相当。螺杆与机筒是挤塑系统零件主要组成部分，更是挤出机关键零件。机筒结构形式选择和制造的精度等级等因素，将会直接影响塑料产能和质量。2.3.1机筒的结构类型机筒结构形式设计的选择，应在确保机筒工作强度的基础上，优先考虑机筒有利于原料的塑化，结构形式应方便机械加工；且能得到出众的精度；其二是要尽量减少使用较贵重合金钢。以上几点对挤出机的制造工艺和制造费用，都有巨大的影响。（1）整体式机筒使用整体式机筒的情况较多，相对而言整体式机筒有利于保障机械加工精度，设备运转中各部加热较均匀，也有利于机筒的加热系统和冷却系统的设置。通常小直径挤出机机筒都包括沟槽加料段部分。大直径挤出机的机筒则无加料段。整体式机筒的示意图见图2-1.图2-1整体式机筒（2）分段式机筒因机筒过长，长径比值比较大的挤出机及排气式挤出机，为方便机械加工及节省合金钢材，普遍运用分段式机筒。该类别机筒在机加工时较有难度。难点为二段机筒内圆直径同心度精度和尺寸一致性的保证难以达到指标。因中间使用法兰盘连接，因而对机筒加热均匀性上，致使连接部分受到影响。也给加热系统和系统冷却系统的设置造成较大难度。分段式挤出机的机筒示意图见2-2.图2-2分段式机筒示意图分段式机筒连接形式有两种分别为：法兰与机筒焊接连接，螺纹连接和卡套式连接。焊接式连接相对简便，缺点合金钢材性能差，易出现焊接应力，使机筒出现形变。螺纹连接的机筒螺纹机制造难度大。进行机筒热处理过程中，要特殊保护螺纹部分，防止螺纹损坏。图2-3是几种常见机筒连接的结构形式。图2-3分段式机筒的连接结构（a）法兰连接。（b）有衬套法兰连接。（c）铰链式夹头连接。（3）卡套式连接相对容易，在机筒连接处加工出沟槽，将两个半圆环装入槽内，在半环上连接法兰套，最后用螺栓紧固法兰套。为防止法兰套转动，将固定键装在法兰和机筒间，如图2-4.这种连接方式加工简单，装卸方便，应用十分广泛。图2-4机筒用卡套式法兰连接示意图（3）衬套式机筒大直径挤出机上应用最广泛的是衬套式机筒，来节省较贵重的合金钢材。用普通碳素钢或铸钢制造机筒，渗碳合金刚则制造机筒的内衬套。该结构形式见图2-5。当衬套磨损时，将衬套更换即可。但因衬套薄而长导致热处理和机械加工难度较大，因此使用较少。图2-5衬套式机筒示意图（4）双金属层机筒用离心浇铸法在机筒体碳素钢或铸钢的内壁上铸一层耐磨合金，通过机械加工内孔尺寸。该机筒既节省了合金钢的同时抗腐蚀性和耐磨性得到保障。2.3.2机筒方案的确定挤出机得挤压系统由螺杆和机筒相互配合进行工作，协助进行挤压塑化工艺，生产出挤塑产品。在挤塑工艺结束后，同螺杆和机筒承受的很大压力力、物料得腐蚀以及扭矩和摩擦压。因而确定渗碳合金钢38。结合设计得所需和螺杆的形式，选择双段焊接式的机筒。2.4本设计整体方案得确定在市场化竞争条件下，挤出机产品因市场的开放性和全球性竞争也越发激烈，产品的质量、技术水平、开发时间、创新能力、成本和服务这一系列附加条件都将成为挤出机产品的竞争指标。老旧的设计思路、生产技术和经营模式都是企业亟待解决的问题，尽可能最大限度运用先进的手段设计，优化产品总体性能，节约资本的同时缩短生产周期，并且根据市场和用户需求及时调整车略，抓住有利时机快速进入市场。所以每个现代企业都需要运用综合手段提升产品的科技水准，提升产品质量及生产模式，高产能的同时节约成本。挤出机的总体结构的设计图2-6所示：图2-6挤出机得总体结构沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章挤出机的整体设计第三章挤出机的整体设计不同生产线对挤出机要求具有差异性，挤出机的设计性能需要根据不同塑料做合理的规划。根据本次挤出机的设计需求，要对挤出机的生产塑化制品有一定的了解。3.1PE铝塑板的基本特性铝塑板是由高纯度铝合金板、无毒低密度聚乙烯（PE）芯板、保护膜等多层材料复合而成。铝塑板正面涂覆氟碳树脂（PVDF）涂层时可用于室外，当其正面可采用非氟碳树脂涂层时可用于室内。P板聚乙烯铝塑板即E铝塑，PE,的全拼为Polyethylene，是高分子有机化合物中最结构简单的,是由聚乙烯合成的当今应用最广泛的高分子材料,按照密度的分类为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯和高密度聚乙烯。因低密度聚乙烯较软而多用高压聚合;高密度聚乙烯具机械强度大、刚性强和硬度大而多用低压聚合。3.2产品的设计要求设计制品有的效宽度1220～1750;厚度为1.0～5mm;其中铝箔厚度为0.03～0.5mm;产量为500～550kg/h;中心高为1000mm。3.3螺杆设计挤出机最重要部件为螺杆，产品质量与产量直接受其性能影响。螺杆上发生的挤出过程为整个理论的基础依据。故而挤出机螺杆的设计其理论最重要实用化方向。不分段的设计的最早设计方式，伴随产业进步，把螺杆计量段、压实段和分为加料段是比较合理的的事实被实践及理论二者证明。螺杆直径确定：70mm，螺杆长径比25。螺杆有效长度L和螺杆的直径D之比便为螺杆的长径比L/D，若为新型螺杆，螺杆有效长度中须包含混炼段长度。故而长径比为代表挤出机性能的重要指标。欧洲的塑料橡胶机械制造业委员会建议的长径比为12、15、(18)、20、(24）、25、28、30、35，应尽可能少用或不用括号中的数值。对于特定的排气螺杆，40左右或更长的长径比为最佳。L=25D=25×150=3750mm普通螺杆全长应分为三段，分别是加料段L1、压缩段L2以及计量段L3,计量段也被称作均化段。熔融理论中，熔融起点及熔融重点和熔融段长度Lm于螺杆中并非固定不变，各自随着挤出工艺条件及塑料性能改变而改变。螺槽深度由加料段深H1变化为计量段槽深H3区间被称作压缩段，长度为螺杆设计者人为设计的，当螺杆设计出来时该长度便已经确定。3.3.1螺槽深度和压缩比的确定螺槽深度是极其重要的参数，能从制品的质量与产量两个方面加以分析。（1）计量段槽深的确定：计量段中的熔料的剪切速率γ可按下式计算：（式3.1）显然易见，计量段螺槽深度越小，同一个的螺杆转速下剪切速率便愈大，故而分子间内摩擦力随之增大。从式（3.1）中可以看出，熔料发生内摩擦产生的热量正与剪切应力和剪切速率成正比关系。因剪切应力产生的热量与螺槽深度H的平方成反比。Q∝（式3.2）式中Q——熔料因剪切产生的热量；τ——剪切应力；γ——剪切速率；——熔料的表现粘度。由已知可得，当螺槽深度较浅，则物料层内部会产生比较多的热。除此之外，因螺杆上物料层较薄，故而由外界加热器传进来的热量也易将塑料加热。以上因素都证明了当计量段槽深较小时，对促进塑料的塑化质量有较大好处。由混合效果得出，当计量段槽深H较小，而混炼程度较高，制品会比较均匀。在本章后面我们将深入证明：当计量段槽深较浅，而压力波动与温度波动都比较小会对制品的综合质量起优化作用。但我们应知道，如聚乙烯等能承受高剪切速率的的塑料，才可选用较小槽深，因为这类塑料的成型温度范围相对宽（如聚乙烯成型温度范围是150～220℃,其范围达70℃），热稳定性优良。当剪切或其他一些因素造成的局部过热时，不易造成严重后果。相反如硬聚氯乙烯等热敏性塑料无法承受高剪切速率的塑料，因其粘度较高，若是螺槽深度较浅，将引起过多的因高剪切产生的热量。加之此类塑料的成型温度范围比较窄，粘流温度T和分解温度T比较接近（如硬聚氯乙烯加工温度范围为150℃～190℃，其范围仅40℃），热稳定性差，强烈的内摩擦过程放热会使它们因过热分解甚至烧焦。故而加工这类塑料的螺杆计量段螺槽深度H不能选择过小。表中的数值并非无法突破，尤其是短时间承受高剪切时，例如在某些类型新型螺杆的屏障棱上，文章在后面还要进一步分析此类问题。表3-1各塑料的最大切速率塑料最大剪切速率γ/SLDPE（相对分子质量较高）56LDPE（相对分子质量较低）104HPVC26SPVC60PS108～92根据表格取γ=71由公式（式3.3）得以上计算从挤出质量的方向剖析了计量段螺槽深度H的影响，除此之外我们还可以从产量的角度对计量段螺槽深度H的影响加以分析。从熔体输送理论生产率公式得：正流Q正比于螺槽深度H，而压力流Q正比于H的立方。由此可得：当机头压力较低，若增加计量段螺槽深度可增加产量；当机头压力持续增大到超过临界压力时，加深H不再使生产率增加，而且甚至还产生负作用（图3-1）。图3-1计量段槽深对产量Q得影响1—螺槽深度H较浅；2—螺槽深度H较深也可由融体输送理论对螺槽深度的最佳值加以估算，(式3.4)将上式对求导并令导数等于零，经一系列推导，可求得的最佳值：（式3.5）在式中—形状系数当口模系数未知时H的值无法加以确定。有以上分析可得，H的决定受到方方面面因素影响，难以用单一简单理论公式加以计算。设计时，也可根据经验公式（3.5）来决定螺槽深度H=kD（式3.6）据统计螺槽深系数k值，发现一般规律如图3—2。由图可得，计量段螺槽深系数k普遍位于0.02～0.07范围中。若是螺杆直径较大，则k值应选择较小，若是螺杆直径较小，则k值应选择较大；热稳定性较好的塑料k普遍较小，热稳定性较差的塑料k值普遍较大；且当螺杆长径比较大时，k值可选择较大。原因为长径比较大的螺杆计量段L可以设计的较长，此时因螺槽深度H加大而造成压力流Q的增加以及混炼段M的下降可以通过计量段的增加弥补。并且在设计新型螺杆时，因附加混炼元件保证了塑料的熔融与均化，故而新型螺杆的计量段槽深系数k也可以取得最大值。从图3—2还可得出如下结论：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。图3-2螺槽系数K的确定根据经验公式加以校核，当=3.3mm时k的取值为4.5在k=0.04～0.05范围内。（2）加料段槽深和压缩比的确定加料段的最大作用为建立必要的压力以及保证稳定的固体输送环境。但目前为止加料段的槽深H的影响尚不明朗。按Darnell-Mol理论中固体输送生产率公式加料段H增加后固体输送生产率将提升。因加料段中的塑料并非如D塞流理论所假设的整块进行移动，而是在断面上保持一定速度分布。加料段螺槽较深时，导致压力将难以传至螺槽底部，导致靠近螺槽底部的塑料运动较低，如此便降低了固体输送生产率。因而存在必然存在某个最佳加料段槽深。而颗粒内摩擦因数相对高的塑料，要比颗粒内摩擦因数相对低的塑料更接近整块移动的状态。事实上加料段槽深是根据螺杆压缩比以及计量段槽深来加以确定的。所谓压缩比指的是螺槽加料段的第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽的容积之比，即所谓几何压缩比，而非螺槽深度比。该数值不同于物理压缩比。后者所指的为塑料加料时的松密度及受热熔融之后的密度比。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.故而其物理压缩比为1.38～1.18。几何压缩比显然应大于物理压缩比。因其除了应考虑密度的变化外，也应考虑塑料在加料段的装填程度、挤压过程中塑料的回流、压力下熔融料的压缩性等诸多因素，更应考虑制品性能所不可或缺压缩密实的必要性。故而对加工同一种类塑料的螺杆，不同设计者对其几何压缩比都有不同选择，而加工生产不同塑料的螺杆时，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）。根据螺杆国内外的资料统计如表3—2常用螺杆的几何压缩比塑料ε塑料ε塑料HPVC（粉料）2.5（2～3）ABS1.8（1.6～2.5）SPVC（粒料）3～4（2～5）POM4（2.8～4）SPVC（粒料）PE3.2～3.5（3～4）3～5PPOPC2（2～3.5）2.8～3PP3～4PSF3.7～4PS3.7～4（2.5～4）PSF3.3～3.6CA2～2.5（2～4）PA6PMMA1.7～2PA663.5PET3PA10103.7注：括号中为选用范围，括号外为选用范围。几何压缩比一般用下式计算：（式3.7）式中，H和H分别为螺杆加料段第一个螺槽深以及计量段最后一个螺槽深。运用此公式的条件为外径D、螺距S、螺纹法向棱宽e和螺纹升角φ在螺杆全长上皆保持不变，螺纹头数为1.当压缩比ε和计量段槽深H决定后，加料段槽深H便可从下式算出：=0.5[D-]（式3.8）为计算方便，可用简化的公式3-8来计算压缩比。乘以系数0.93后，该式误差仅0.1左右。（式3.9）根据上表（3-2）取压缩比为3.3，得：（式3.9）3.3.2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之间有如下关系：S=∏Dtanφ（式3.10）显而易见当螺杆直径已知以时，螺距和螺纹升角其一另确定一个也随之确定。从固体输送生产率公式与熔体输送理论生产率公式皆可看出：生产率和螺纹升角有直接关联。根据固体输送理论进行计算，对大多数塑料而言，当摩擦因数f=f0.25～0.5,螺纹升角等于17～20时，固体输送生产率将能达到最大值。该实验也证明，对圆柱形的塑料，最佳螺纹升角约在17。但熔体输送理论的角度来讲，将有关流率公式经由数学推倒简化，并对φ角进行求导，并令导数等于零，可求得最佳螺纹升角应为30。这也阐释了为什么所有的螺纹升角都在17～30范围内。迄今为止为了设计加工的方便，设计时大都选区螺杆直径等于螺距，这时螺纹升角就等于1742。3.3.3三段式螺杆长度的确定无定型材料并没有明显熔点，当塑料温度上升时，无定型材料会逐渐软化。经过一定时间后，即在螺杆上经过一段长度后，塑料才将全部熔融。在这一过程中，塑料体积也逐渐减小。为适应该渐变过程，加工这类塑料的螺杆尽可能早的开始压缩，它的螺纹深度也应逐渐改变，因此其压缩段L2也设计的也比较长。与之相反，结晶型塑料由固态到熔融态的转化温度范围相对较窄，当塑料温度未达到熔点Tm时，其体积变化很少，而温度一旦达到熔时点，它将迅速熔融，其体积也突然缩小。为了适应其这一特点，加工结晶型塑化螺杆的压缩段普遍较晚出现，且其长度也相对较短。因此，老式加工结晶型塑料的螺杆，其压缩段仅（0.5～1）D。故而结晶型材料在冷却过程中都无法完全结晶，存在着一定的结晶度。根据冷却速度等工艺条件的差别，它们总是一定程度的存在着无定行部分，这一部分的熔融规律和无定形材料是相同的，需要一定的时间逐渐软化到熔融，故而压缩段L2也需要一定的长度。除此之外，即使对已结晶的那一部分塑料来说，正像如同前面我们经分析得到的结论，螺杆的熔融段和压缩段的位置并不相同，在设计者在设计时压缩段位置固定不变，而熔融段位置却随操作条件和塑料性能的不同而不同。因此如果压缩段L2很短，应用中将很难保证这部分结晶型塑料正好在压缩段上开始熔融且完成完全熔融过程。且从熔融理论上我们知道，熔融过程是X/W从1到0的过程，该过程必须在一定长度内才能完成，无法在很短的（0.5～1）D长度上实现。从上述几点出发，近年来，为加工结晶型材料所设计的螺杆，其压缩段都有加长的趋势，一般在大约（2～5）D之间，甚至于更长。在文献中还指出：在实验的条件下，聚丙烯从开始熔融到完全熔融大约需要5D长度，而热导率较大的聚丙烯和聚苯乙烯便不需要这样长。在需要准确计算压缩段长度时，可以按照熔融理论中介绍的方法，首先设定螺杆有关参数，然后根据工艺操作条件和塑料性能来计算固相分布函数X/W=f(z)。如果正好在压缩段上完成了X/W从1到0的过程，那么便可以认为原来设计的参数是合理的。如果相差太多，那便应重新设计螺杆参数，再行计算。当然，此时不仅设计了压缩段长度L2，而且也一起设计了其他螺杆参数。加料段的作用是产生足够的稳定的压力，保证稳定的固体输送并且将分界面上的塑料预热到熔融所需要的温度。因此，加料段L1也应该有足够的长度。不同的塑料，预热到熔融温度所需要的热量是不同的。显然，塑料的比热容Cs愈大，熔融点Tm愈高，预热到熔融温度所需要的热量也愈多。对结晶型材料来讲，还需加上熔融潜热λ（无定形塑料没有这一项）。此外，由于塑料是不良的导热体，因此其热导率Ks也是一个分钟要的参数。热导率愈低，热量从固体塞的表面传往其中心就比较慢，这从固体输送理论的非等温模型可以看得很清楚。从上面的分析，我们可以得出结论：为了保证在加料段结束时分界面上的塑料基本预热到熔融温度，为了保证在压缩段塑料能基本熔融完毕，加工那些比热容大，熔点高，热导率低，熔融潜热大的塑料，螺杆加热段L1应该长一些。固然可以用固体输送理论非等温模型的有关公式来计算加料长度L1。但由于计算过程比较复杂，所以至今为止，在决定加料段L1的长度时，还必须参考实验得到的数据和经验公式。图3-3熔融起始点A和压力P以及物料得关系以螺杆直径为计算单位的几种塑料的熔融起始点的实验数据。从图3-3可以看出，在同等压力的情况下，聚丙烯由于其熔点高（170°）、热导率低（），因此，其开始熔融点A要比高密度聚乙烯（熔点，热导率）和聚苯乙烯要晚得多。实验也测出，在加料中，聚丙烯要经过8个螺杆的长度才开始熔融（当压力等于4MP时），而高密度聚乙烯和聚苯乙烯则只要4.5个螺距的长度和2.5个螺距的长度便已开始熔融。从图3-3还可以看出：如果能在加料段中及早形成较高的压力，熔融起点可提前，这也是在机筒加料段上开纵向沟槽的优点之一。在理想的情况下，压缩段与熔融段重叠，塑料移动到压缩段末端时应该全部熔融。但是，无论在组分上、或者在温度分布上、或者在相对分子质量分布上，刚熔化的物料都是很不均匀的，如果此时姜物料从机头挤出，制品的质量将极为恶劣。计量段的第一个作用就是要消除这些不均匀的现象，这正是为什么计量段又称为均化段的原因。Martin〔2〕将塑料堪称牛顿型流体，根据混炼理论，表征计量段螺槽中混炼程度的关系式可以导出：（式3.11）式中，和为计量段长度和深度，a为截流比，a=QpQd。显然，M值愈大，均化作用也愈佳。从式（3-10）中可以看出：加长L3对均化作用是有利的。从熔体输送理论的生产率公式可以得出如下结论：若计量段愈长，则相应的压力流Qp和漏流QL都将愈小，相反挤出机的实际生产率便俞发高。这就是说，螺杆特性也比较硬，产量受压力的影响较小。计量段长度L3和产量的关系如图3-4所示。图3-4计量段长L度对挤出量的影响又上可知：在可能的条件下，计量段长度愈长，对提高螺杆的产量和改善混合均匀度都是有利的。这就是计量段长度为什么愈来愈长的原因。目前，有些螺杆的计量段长度甚至达到了螺杆全长的50﹪.但是，过长的计量有可能导致已熔融物料温度不断升高，这对那些易于分解的热敏性塑料，如PVC等未必有利。可以用熔体输送理论生产率公式中的压力流Qp来初步估算计量段长度L3（式3.12）（式3.13）如果令Qp≤0.05Q，即因机头压力而引起的产量损失小于总产量的5%，φ角一般为17.6°。根据料温和剪切速率γ=π,可以从附录二查出粘度η1。计算时可以现令机头压力p=15MPa。此时L3的计算公式可简化为：（式3.14）例如：螺杆直径为65㎜的挤出机，其产量要求为165kg/h，相应体积流率6.2x10m/s。此时，按式（3-13）计算，L3为320㎜，大致相当于5D左右。转速n、产量Q、剪切速率γ、粘度η1与机头压力p等参数之间是互相影响的。例如，当转速下降时，不仅产量降低，而且粘度也会因剪切速率的降低而增高，压力也会适当减小，它们之间并非线性的关系。此外，计量段长度又与螺杆总的长径比关系很大，尤其是和计量段螺槽深度H的关系很大（成立方关系，参考式（3-13），任何影响槽深H因素都会反过来影响计量段长度L。因此，按式（3-13）得到结果也只能作为参考之用，实际设计时还得根据上面的定性分析和经验数据作适当修正。还可按表3-3提供的数据来考虑螺杆三段长度的分配。表3—3螺杆三段长度分配塑料类型加料段L压缩段L计量段L无定性塑料20%～30%45%～50%25%～30%结晶型塑料40%～60%（2～5）D30%～45%从上面一系列分析可以看出，为了保证挤出机各方面的性能，加料段、压缩段和计量段都有加长的趋势，这势必引起螺杆长径比的增加。长径比增大后，塑料在机筒中塑化得更均匀，从而提高了产品的质量，另一方面，长径比增加后，在塑化质量要求不变的前提下（主要体现在塑料在机筒中停留时间不变），螺杆的转速便可以提高，从而便提高了生产率。长径比增加不仅仅由上述因素引起。为了完成某些特定的生产工艺，最近发展和出现的一系列特种挤出机，往往都需要较大的长径比。事物都是一分为二的。长径比增大后，螺杆、机筒的加工与机器的装配都比较困难，成本也相应提高。长径比增大以后，螺杆弯曲的可能性也增增加，容易发生螺杆与机筒的刮磨。因此，在不需要较大的长径比时，便不应麻木地增加长径比。应当力求在较小的长径比下，获得制品的高质量和高产量。一般说来，长径比有增大的趋势（表3-5）。目前，世界上最大的单螺杆挤出机的最大长径比以达56，但大多数都在25～35范围内。表3—5螺杆长径比有增大趋势年份1930～19401950～19601960～19701970～19801990～2000L/D8～1515～2018～2520～3525～453.3.4螺纹断面设计目前常见的螺纹断面有两种，一是矩形断面，另一种是锯齿型断面.前者装料体积较大，后者改善了塑料的流动状态，避免了存料现象的发生。推进面的圆弧半径为R1比后面的圆弧半径R2小，一般后角为20。（式3.15）R=（2～3）R（式3.16）螺杆直径较大者，圆弧半径R可取得较大。图3-5螺纹断面形状（a）—矩形断面（b）—锯齿型断面图3-6螺槽中的滞流区和双楔形螺杆1—机筒；2—滑移面；3—移动料；4—潘流区；5—矩形断面；6—双楔形断面除了上述两种典型的螺纹断截面形状之外，还有双楔型螺纹断面图3-6，设计这种螺纹断截面的出发点是：根据塞流固体输送理论，认为塑料在槽中是以密实的固体存在，组成固体塞在的固体颗粒间没有没有相对运动。但是，正如非塞流固体输送理论指出的那样：只有当外压力很大，而且料粒间内摩擦因数也较高时，才有这种可能性。当内摩擦因数较低时，各层塑料间将存在着相对滑移，下层塑料不易被机筒拖拽向前推进。因此，在螺槽底部便容易形成一层滞流，在螺纹推进面、后面也会形成类似的滞流。这时，以较快速度运动的上层塑料将自傲下层塑料上滑移，而它们之家的摩擦因数将是内摩擦因数f，而不是外摩擦因数f。前者将比后者大5倍左右。这就相当于增大了塑料与螺杆的摩擦因数，根据固体输送理论，这将降低固体输送流率。从固体力学可以推到出，由于螺棱侧面和螺槽地面的综合影响，剪切滑移面将和螺棱的两个侧面形成和的角度，因此，可以将螺棱的两个侧面设计成双楔形以适应上述情况。不同的塑料和不同的粒料形状其内摩擦角是不同的。因此，楔角α和β将24°～33°在之间。但是由于螺槽是螺旋形的，固体压力自傲两个侧面将不相等。因此α和β的数值不相等，α角一般小于β角，建议用α=30°，β=45°。实验的结果表明：双楔形断面的螺杆与矩形端面螺杆相比，对包括HPVC在内的多种塑料都具有较好的效果，螺杆运转稳定，塑化质量良好，产量能提高30%～50%.目前对这种螺杆还在研究之中。螺棱法向宽度e和轴向宽度b：e=(0.080.12)D(式3.17)(式3.18)表3—6几种塑料的内摩擦角φ塑料形状内摩擦角/°PS球状料24PS粒料42PE粉料27PE粒料36PP粉料38PP粒料39PVC粉料33一般取e=0.1D。当螺棱e或b较大时会增大螺棱上的功率消耗。过大的螺棱宽还会较少螺槽的容积。但e值也不能太小，太小的值会使漏流增加，从而降低生产率，同时还会增加螺杆的磨损。螺棱顶面形状进行了深入的研究提出了将直线形螺顶改成阶梯形螺顶和楔形螺顶。这种设计的主要目的是为了较少螺杆与机筒的直接接触，保证在螺棱和机筒间形成稳定的熔融物润滑膜以减少螺杆与机筒间的磨损。一般直线形螺顶中，螺棱的锐边有可能将螺棱间隙中的熔融物刮去，破坏熔膜的润滑作用。而在阶梯形螺顶和楔形螺顶上，压力的分布都是中间高两边低，产生的还原力会使螺杆悬浮于机筒之间不会产生金属的直接接触从而减少螺杆和机筒之间的磨损。根据的计算的结果，对D=150㎜、e=20㎜、δ=0.15㎜的挤出机，阶梯形螺杆的合理尺寸为δ/δ=1.8，e/e=2.5。而楔形螺顶的合理尺寸为δ/δ=2.2，e/e=5。采用这两种螺顶结构之后，虽然能减少螺杆和机筒的磨损，但是由于平均螺棱间隙δ加大，漏流量也将增大20%左右。3.3.5螺杆设计的校核根据以上分析螺杆参数初步确定如下：螺杆直径D=70×10m；长径比L/D=25;螺距S=70×10m；螺棱宽e=15×10m；螺纹头数M=1；加料段长度L=1370×10m；加料段螺槽深度H=12×10m；压缩段长度L=1360×10m；计量段长度L=340mm;计量段螺槽深度H=3.3mm;为了设计的科学性，对螺杆的参数做以下校核：螺杆挤出参数螺杆直径D=70×10m；长径比L/D=25;螺距S=70×10m；螺棱宽e=15×10m；螺纹头数M=1；加料段长度L=1370×10m；加料段螺槽深度H=12×10m；压缩段长度L=1360×10m；计量段长度L=0.34×10m;计量段螺槽深度H=7.5mm;工艺参数生产率G=550kg/h；螺杆转速n=60r/min;机头压力P=19.5MPa机筒熔融区温度T=150℃；室温T=20℃；（3）物料性能加工物料：高压聚乙烯（LDPE），熔体流动率MFR=2.7；固相密度ρ=920kg/m;液相密度ρ=790kg/m;固相比热容C=2512J/（kg．℃）；液相比热容Ｃ＝2345J/（kg．℃）；固相热导率k=0.3492W/(m.℃);液相热导率k=0.1821W/(m.℃);熔融潜热λ=129.8×10J/kg;物料熔点Tm=110℃。2求解（1）准备性计算之一，计算螺杆有关数据螺纹升角：==17°40”（式3.19）加料段：=0.4748m（式3.20）压缩段：=502.56m（式3.21）计量段：（式3.22）压缩段总长:=1360×10m渐变度：=13.6×10（式3.23）螺槽宽度：W=B×Cosφ=(S-e)×Cosφ=70mm（式3.24）机筒表面速度：V=∏Dn=534.07×10m（式3.25）V=V×Sinφ=162.09×10m（式3.26）V=V×Cosφ=508.80×10m（式3.27）质量流G==550kg/h=152.78×10k固相速度：=43.2×10m/s（式3.28）合成速度：m/s（式3.29）准备性计算（二），计算流变参数、、假设熔膜平均温度和熔膜厚度δ（式3.30）先取=136.9℃，由于未考虑，可将取得稍大，暂定为=139℃.;假定熔膜厚度δ=0.4×10m因此，熔膜中的剪切速率为：==1438.46s（式3.31）从图上可以查处η=920MPa试计算T和δ:T==139.35≈139℃与设定值相等，不必从新计算。δ=（式3.32）=2.42×10m=+（式3.33）当X=W时δ=0.93×10mδ==0.45×10m;δ的计算值与设定值相差不大，可不在从新计算。最后计算决定剪切速率：1278.6S（式3.34）根据T=139℃;查出η=925MPa;计算固相分布函数及熔融总长度Z:计算φ值φ==35.79计算固相分布函数,假设熔融点在加料段末端的前一个螺距。加料段：=[1-（式3.36）=(1-0.045Z)加料段一个螺距的螺槽展开长度为Z=0.4748m;因此加料末端：=0.958压缩段:ψ=（式3.37）=0.239=56.9×10=（式3.38）=0.958[17.57-]压缩段熔融总长度:（式3.39）=0.2＜13.6所以一阶螺杆的设计符合要求。3.3.6第二阶螺杆各参数的确定对于排气螺杆的设计中，当一阶螺杆的参数确定以后，在设计二阶螺杆时必须注意排气螺杆的前后两段的挤出量要相等。第一阶螺杆挤出量Q和第二阶螺杆的挤出量Q分别为；Q=Q-Q（式3.40）Q=QQ（式3.41）式中Q和Q分别为前后两段的拖拽流，而Q和Q分别为前后两段的压力流。显然排气挤出机的前后两段的生产率必须相等，即Q和Q必须相等。若Q＞Q必然有多余的料从排气口逸出，这就是所谓的冒料现象。若Q＜Q则出现由于缺料导致第二段计量段无法全部充满。此时挤出过程不稳定，产生压力波动和产量波动的现象，在高速时这个现象更为严重，制品的尺寸精度会受到很大的影响。对于儿阶螺杆的各段长度的确定方法与一阶螺杆相同，各段长度确定如下：L=344mm;L=1200mm;L=340mm因为在排气段我们要将螺杆抽成正空状或近正空状，即认为螺杆第一阶的压力流为零，即p=0。此时Q=Q=Q。而螺杆第二阶的生产率却受到机头压力p的影响，其数值有口模特性线OK和第二阶段螺杆特性线AB的交点，即工作点C来决定。因此在机头压力p确好等于最大压力p时才能出现理想状况，即：Q=Q=Q（式3.42）由此可见排气螺杆的工作压力不能超过p，否则将出现机器不能工作。而工作压力也不能出现比p低很多，否则制品的尺寸精度将不能保证。我们令合理的工作压力范围为△p（见下图）。图3-7排气螺杆的螺杆特性图3-8转速提高时排气螺杆的特性最大工作压力可推倒如下：p=（）（式3.43）p可查表得20MP，=980MP，将数据代入可得H等于14.5m沈阳化工大学科亚学院学士学位论文结论结论毕业设计是对一个大学生四年中学习过程的一个综合能力的考核，对每位毕业生来说都是一次重要的洗礼。毕业设计不仅是对大家理论知识学习的总结，更是对大家实际动手能力、知识的综合运用能力以及归纳分析能力的一次锻炼，是对我们大学四年知识学习理解情况的一次考核。历经三个多月的认真调研和资料查询，在老师和同学们的帮助下，顺利完成了毕业设计。通过这次设计让我系统的梳理了大学四年所学的知识，深刻的体会到各门学科之间的相通性，明白了一个大学生术业有专攻的同时还要有广泛的涉猎。挤出机是塑料行业最基础的加工机械，挤出机的发展水平直接影响塑料产品的质量。本设计的要求是设计一款SJ70/20挤出机，由于设定为聚乙烯挤出机，并因为聚乙烯的特殊性能要求设计特殊的排气挤出机。本设计的挤出机是二阶排气挤出机，简单的说也就是两根单螺杆串联。这就要求我们对普通单螺杆的设计要有足够的掌握而其还要对排气的要求有深刻的了解。通过完成本次毕业设计，在我们脑海里逐渐形成了一套发现问题，分析问题，归纳问题，解决问题的思路，这将对以后我面对新的挑战时，更高效优质的解决所遇见的问题。毕业设计的完成，使的我的创新能力得到了全面的提高，并使我的知识综合运用能力得到提升。在完成毕业设计的过程中，不仅丰富了我所学的知识，更锻炼了我的实际动手能力，这将对即将走上工作岗位的我打下一个坚实而良好的基础。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文参考文献参考文献[1]吴宗泽，主编，机械设计实用手册，冶金工业出版社，1999.[2]朱冬梅，胥北澜等，画法几何及机械制图，高等教育出版社，1999.[3]机修手册，金属切削机床修理第三卷，机械工业出版社，1998.[4]孙恒，陈作模，机械原理（第六版）.高等教育出版社，2001.[5]邱宣怀主编，机械设计(第四版)，高等教育出版社，2006.[6]章日晋等编，机械零件的结构设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