塑料管材挤出机结构设计

本科论文目录TOC\o"1-2"\h\z\u1058摘要 I28277Abstract II27861引言 1319681塑料管材挤出机 286211.1挤出机介绍 243941.2挤出机分类 3212451.3挤出机的现状及研究趋势 378901.4研究内容 42122塑料管材挤出机整体设计 5240602.1塑料管材挤出机工作原理及其特性 54952.2塑料管材挤出机主要技术参数和规格 5217662.3塑料管材挤出机结构设计构思 729103塑料管材挤出机主要零部件设计 8215453.1挤出机电机的选择 815983.2带传动设计 868613.3齿轮减速器设计 10113053.4螺杆设计 22237233.5机筒设计 28267063.6料斗设计 30197164塑料管材挤出机控制系统设计 31108604.1加热系统 31185364.2电气控制系统 314545数字化建模 3214825结论 3719008参考文献 3832426致谢 40本科论文摘要在塑料制品成型加工工业中，塑料挤出机是其中重要组成部分之一，应用广泛，具有广阔的发展前景。挤出作为一种聚合物加工技术出现在十九世纪初，通过连续加热、加压使塑料成为熔融状态，然后通过机头挤出成型的技术。本文介绍了一种热塑性挤出机的设计步骤、工作原理和结构设计。本设计的目的是通过三维建模的方式直观的展示塑料管材挤出机的传动方式，结构特点，利用学生自制的机器介绍聚合物加工技术，介绍制造原理。作为工业上使用的塑料管材挤出机，在设计过程中，需要选择挤出机挤出所用的原材料，以此来进行挤出机设计。除了加压、熔融、泵压等一系列通用工艺外，还要考虑到最重要的成本效益原则。通过合理的结构设计、材料选取，减少螺杆和机筒的损耗，提高效益。关键词：挤出机；设计；三维建模；塑料

AbstractTheplasticextruderisoneoftheimportantpartsintheplasticproductsformingandprocessingindustry.Extrusionasapolymerprocessingtechnologyappearedintheearly19thcentury,throughcontinuousheating,pressuretomakeplasticintoamoltenstate,andthenthroughtheheadextrusionmoldingtechnology.Thispaperintroducesthedesignprocedure,workingprincipleandstructuredesignofathermoplasticextruder.Thepurposeofthisdesignistointuitivelydisplaythetransmissionmodeandstructuralcharacteristicsofplasticpipeextruderbymeansof3Dmodeling,introducepolymerprocessingtechnologyandmanufacturingprinciplebyusingthemachinemadebystudents.Asaplastictubeextruderusedinindustry,itisnecessarytoselecttherawmaterialusedbytheextruderinthedesignprocesssoastocarryoutthedesignoftheextruder.Inadditiontoarangeofcommonprocessessuchaspressurization,meltingandpumping,themostimportantcost-benefitprinciplemustbeconsidered.Throughreasonablestructuraldesignandmaterialselection,thelossofscrewandbarrelcanbereducedandthebenefitcanbeimproved.Keywords:extruder;design;three-dimensionalmodeling;plastic引言在实验室和工业中聚合物都被大量使用，为了最求更高的效率，导致了对材料的均质化、熔融和混合需求表的不断提高。要实现这些需求，挤出机无疑是一好的选择。近几年，随着工业的发展，科技的进步，塑料制品已经深深的融入居民生活的当中[1]。塑料制品不仅在城市当中使用广泛，而且伴随着农村产业结构的调整，对塑料制品的需求大大增加，呈现逐年上升的趋势，而挤出成型的塑料制品占整个塑料制品行业有一半之多，所占的市场份额相当巨大。因此塑料管材挤出机有很广阔的发展及应用前景。挤出机在塑料制品的成型加工工业中占有很重要的地位，具有高产、节能、连续成型等特点，可使投资者以较低的投入获得较大的产出和高额的回报，挤出机的应用也正在向各个行业延伸。挤出机提供了一种更高效、快捷的聚合材料混合手段，事实上，这只是一个起点，未来对这样的机器的需求巨大，因此，建议加强对挤出机的改进是很有必要的。挤出机无疑是聚合物加工工业中最重要的机械设备。1塑料管材挤出机1.1挤出机介绍挤出机是第一次工业革命产物，被发明创造于18世纪末，世界上第一台挤出机被公认为是由英格兰科学家JosephBramah于1795年所制造。但挤出作为一种聚合物加工技术它的发展壮大是在十九世纪。1818年，McPhearson发明了螺旋压力机，随着橡胶工业的发展，螺旋压力机得到了很大的改进[2]。1879年，MatthewGray发明了螺杆挤出机，彻底改变了聚合物工业。RobertoColombo发明了双螺杆挤出机。挤出机经过百年的发展，各种各样的机型被创造出来，被应用于各行各业，单螺杆挤出机和双螺杆挤出机是最广泛使用的挤出机[3]。一台完整的挤出机设备主要由四个系统组成，分别为挤压系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统[4]。挤压系统：由螺杆、机筒、料斗、机头、模具组成。塑料颗粒被挤压系统加热，加压变成熔融状态。螺杆是挤出机最重要的部件之一。常规挤出机螺杆有3个不同的区：进给区、压缩区和均化区。螺杆的内径在压缩区增大，从而减小了熔融聚合物材料所在的空间，导致压力增大。可以说，塑料管材挤出机的升级改进，就在于其关键零件——螺杆的发展进步。塑料工业中使用的挤出机筒相当复杂和昂贵。挤出机筒体在进料喉部附近有冷却管路，以避免颗粒在料斗内熔化。如果塑料颗粒在进料段熔化，就会形成颗粒集料，堵塞料斗，从而阻止颗粒到达挤出机筒和螺杆。传动系统：传动系统是任何机械设备的重要组成部分，有了传动系统，机械设备才能正常运行。在塑料管挤出机中，传动系统的作用是驱动螺杆，为螺杆在挤出过程中提供所需的力矩和转速[5]。传动系统的合理性，直接影响设备的挤出产量，因此，有必要对传动系统进行优化设计。热冷却系统：加热和冷却是塑料挤出的必要条件。现在的挤出机一般通过高效的热敏电阻，进行电加热。加热装置安装在机筒的各个部位，外部的加热装置加热筒内的塑料颗粒，融化塑料颗粒所需的温度[6]。冷却装置是为了控制工艺温度。具体来说，它是为了消除多余的热量，可以快速的控制温度变化，只有一个加热装置不容易控制温度。控制系统：主要由仪表、调速器。温控器组成。用于实现加热温度控制，显示进料和出料之间的平衡，调节螺杆的转速。图1.1塑料管材挤出机1.2挤出机分类经过百年的发展，挤出机衍生出了众多的类型。挤出机按照不同的分类方式，有不同的类型，具体分类方法如表1.1所示：表1.1挤出机分类分类方式类型螺杆的位置立式挤出机、卧式挤出机是否排气排气挤出机、无排气挤出机有无螺杆螺杆挤出机、无螺杆挤出机螺杆的数量单螺杆挤出机、多螺杆挤出机螺杆转速普通挤出机、高速挤出机、超高速挤出机用途混合造粒挤出机、产品挤出机1.3挤出机的现状及研究趋势聚合物作为世界四大材料体系之一，应用广泛，各行各业都有涉及。而通过挤出成型这一技术制造的塑料制品约占行业总产量的50%。此外，在聚合物的生产中，如填充、混合、改性等，挤出螺杆在很大程度上顶替了传统的压制、精炼等工艺，实际上，对于聚合物有公司而言挤出机是所有设备中最基本的设备之一。挤出机有如此发展趋势主要原因为：挤出机可以减少生产设备，一台现代挤出机可以代替数条旧型生产线。一些由多台经典化工装备组成的生产线正在逐步被螺杆挤出机取代，提高了生产效率，减少了能耗，降低了生产成本[7]。在挤出机中，有着越来越多的物理技术，化工技术被采用，百年来一直在发展进步。而且这种挤出技术不仅可以用于聚合物加工，也可用于建材、食品、纺织、军工和造纸等方面[8]。1.4研究内容目前在工业生产中，聚合物的应用范围非常广泛。但聚合物的种类众多，一种挤出机是无法加工所有种类的聚合物。经过考虑，决定设计一台主要用于生产以HDPE为主要原材料的塑料管材挤出机。然后就是挤出机类型的选择，目前工业中常用的挤出机是单螺杆式和双螺杆式。经过多年的发展，这两种类型的挤出机已经极为成熟了。经过选择本文设计的塑料管材挤出机是一台单螺杆挤出机。该机操作简便，螺杆上装有加热元件，并设有恒温器来控制和确定筒体内的温度，确保更好的融化均匀性，低融温和更高产量。2塑料管材挤出机整体设计2.1塑料管材挤出机工作原理及其特性设计的挤出机的工作原理如下：（1）挤出机通过装有碎料或颗粒的料斗口进料。（2）螺杆通过旋转运动将塑料送入机筒。（3）由于加热系统使热塑性材料熔化并挤出到模具上，生成塑料管材。该模具还包含一个阀门，可用于在机筒内增加压力，从而增加熔体的均匀化。挤出成型是塑料加工的一个重要成型方法，大部分的热塑性塑料都可以用该技术加工[9]。在生产的连续产品截面不变的情况下，理论中是可以生产无限长的产品。在工业操作中塑料管材挤出机需要承担输送、塑化、混合和混炼聚合物的工作。聚合物挤出工艺可与金属棒材挤出工艺相比较。金属棒是在高温下制造的，这是一个不连续的过程，而聚合物材料是在较低温度下连续挤压的过程。挤出过程是应用最广泛的聚合物加工技术，它涉及到聚合物熔体的熔化、均匀化和加压，然后将其挤出到预定的空腔中，从而形成最终的产品形状。如果为了保持挤出聚合物产品的尺寸一个专门的冷却装置冷却产品，有必要校准一个尺寸。聚合材料挤塑制品的例子包括管材、片材、电线绝缘、PVC型材[10]。进料系统由本机的料斗和机筒上的一个小开口组成，原材料由此进入。原材料是由热塑性聚合物材料制成的颗粒，然而在回收应用中，它可以是粉碎的产品，这是由于热塑性材料具有良好的加工性能和力学性能，85-90%的聚合物产品都是HDPE、LDPE、PET、PVC、PP、PS。由于加热系统和枪管内产生的摩擦，聚合物变成熔化状态。在棒的末端有一个压力传感器提供反馈机构的输入，该反馈机构用于调节螺杆的加热和速度。然后通过模具将熔化的塑料形成所需的形状。2.2塑料管材挤出机主要技术参数和规格（1）螺杆直径指螺杆的螺纹部分外圆外径，属于螺杆的基本参数，用D表示，单位为mm。对于挤出机的一些基本参数在设计之前就可以通过相关的表来确定。挤出机的产量和螺杆息息相关，可以通过挤出机的产量来确定螺杆的直径。因此可得生产以聚乙烯（HDPE）为主料的复合塑料，最高产量77Kg/h，最高转速为85r/min。根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）和螺杆直径系列标准，取螺杆公称直径：D=70mm。表内部分内容如表2.1所示：表2.1聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）螺杆直径D/mm长径比L/D螺杆最髙转速N/(r/min)最高产量Q(kg/h)电机功率/Kw比流量q/[(kg/h)/(r/min)]机筒加热功率/kW≤7020~258577370.90617螺杆的长径比用（L/D）来表示，是指螺杆的螺纹部分长度与螺杆直径的比值。在长径比范围确定的情况下，适当的增加螺杆长径比可以提高塑料制品的塑化质量，利于管材的成型、提高挤出量。同理根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）表，显示生产能力为77kg/h的螺杆挤出机螺杆长径比L/D=20~25，所以应取L/D=24。螺杆的转速范围用~表示，指螺杆工作时的最高转速和最低转速值，单位r/min。在实际生产过程中，不同的的原料所需的转速不同，需要保持进料与出料之间的平衡，因此螺杆转速是可变的。不同尺寸的螺杆有不同的转速范围。本设计的螺杆属于较大类型的，所以螺杆转速不应过大，否则塑料的塑化不均，容易分解。本设计已确定螺杆的最高转速为85r/min，根据经验，挤出机的调速范围在1:5左右，因此确定螺杆转速范围为：n=17~85r/min。（2）挤出机功率的确定指螺杆工作旋转所需的电动机功率，用P表示，单位为千瓦（kw）。挤出机的功率消耗是多方面的，因此挤出机的功率选择与电机的类型选择是需要依靠设计者的经验确定，根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）表，理应选取挤出机的主电机恰当功率为：P=37kw。（3）挤出机机筒加热功率的确定即为挤出机加热功率，一般用E表示，单位为（kw）。由挤出机上的加热装置提供，它可以使在料筒和螺杆之间的塑料颗粒成为熔融状态，便于螺杆的转动。同理，根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）表，E=17kw。2.3塑料管材挤出机结构设计构思减速器带传动电机减速器带传动电机螺杆螺杆挤出挤出图2.1设计构思3塑料管材挤出机主要零部件设计单螺杆挤出机具有不同的形状和尺寸，确定单螺杆挤出机的结构，并根据个体的物理特性进行匹配是非常重要的[11]。因此有必要对现有的部件如螺杆、机筒、调速器、料斗、电动机、支架等进行改进和开发，这需要共同努力才能提供现实的经验。然而，单螺杆挤出机设计用于混合、加热和挤出的特点有所不同。单螺杆挤出机具有小料斗和轻型机架结构，由电动机驱动，因为混合的冲击和应力水平大大低于挤出机。塑料单螺杆挤出机的使用周期、每周使用次数、预存效果、原料重量和长期混合目标等因素影响塑料单螺杆挤出机的适用性，必须予以深入考虑。本研究的目的在于设计与开发一台用于复合聚合物与塑料管材挤出机。3.1挤出机电机的选择在选择好的17r/min~85r/min的调速范围。直流电机相对于交流电机较为适合工厂生产设备，便于调速，因此选择直流电机作为挤出机电机。根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成基本参数（JB/T 8061—1996）选取挤出机主电机功率为：P=37KW。挤出机电机选择直流电动机型号为Z4-200-12/11，其主要技术参数为：额定功率为40.5KW，额定转速为900/min，工作电压400v。3.2带传动设计（1）确定功率由于原电机是在额定功率的情况下工作的，所以设计的带传动功率为电机的额定功率：P=40.5KW。选取带型根据P=40.5KW，小带轮转速，可选择Z型V带。确定带轮的基准直径，并验算带速。初选小带轮的基准直径根据结构及传动比需要，取小带轮的基准直径208mm。（2）验算带速（3-1）因为5m/s<v<30m/s，固带速合适。计算大带轮的基准直径（3）确定带的中心距和基准长度根据式，初定中心距a0=400mm。带传动的结构简图如3.1所示：图3.1带传动结构简图由式计算带所需的基准长度=1379mm（3-2）选取带的基准长度按式计算实际中心距（3-3）中心距的变化范围为398.7~462.6mm。（4）验算小带轮上的包角（3-4）计算带的根数z计算单根V带的额定功率由和查得根据，和Z型带查得查得，查得，于是kw（3-5）计算V带的根数z取4根（5）带轮的结构设计具体设计参数如下所示：基准宽度；基准线上槽深；基准线下槽深；槽间距；第一槽对称面至端面的距离；带轮宽；外径；；（3-6）轮槽角φ1=38°；φ2=38°（6）设计结论选用Z型普通带轮4根，。带轮基准直径=208mm，=516mm，中心距控制在。3.3齿轮减速器设计3.3.1传动方案的确定选取的直流电机的额定转速为900r/min，挤出机设计的螺杆最高转速为85r/min，经过带传动后，转速变为450r/min。要达到螺杆所需转速需要再次衰减转速。所需传动比为，因此需要在螺杆之前设置一个二级减速器[12]。二级减速器的结构简图如图3.2所示：图3.2二级减速器结构简图3.3.2齿轮参数第Ⅰ减速级齿轮（1）为齿轮选择材料，确定应力选用渗碳淬火的材料制成的齿轮许用接触应力由式接触疲劳极限齿轮接触强度寿命系数设计的寿命为10年，工作300天/年，每天工作时间24h应力循环次数N（3-7）查接触强度计算的寿命系数图表得11接触强度最小安全系数许用弯曲应力由式弯曲疲劳极限查弯曲强度寿命系数图查弯曲强度尺寸系数图（假设模数小于5mm）弯曲强度最小安全系数则（2）齿面接触疲劳强度先估取圆周速度=2.4m/s，然后确定小轮分度圆直径，由式来计算。小齿轮齿数在推荐值20～40中取=23大齿轮齿数圆整选取=55齿数比

u传动比误差小齿轮转矩=1050500N·mm（3-8）载荷系数K=材料弹性系数查材料弹性系数表=189.8节点区域系数查节点区域系数表重合度系数由推荐值0.85~0.92=0.88故：=70.74mm（3-9）齿轮模数==3.08按渐开线齿轮标准模数表圆整故小轮分度圆直径：大轮分度圆直径：圆周速度标准中心距==156mm 齿宽（3-10）大齿轮齿宽取=57mm小齿轮齿宽取=65mm（3）齿根弯曲疲劳强度校核由式查表的齿轮的齿形系数齿形系数小轮大轮应力修正系数小轮大轮重合度（3-11）重合度系数==（3-12）（4）齿轮其他主要尺寸计算齿根圆直径（3-13）齿顶圆直径（3-14）第Ⅱ级减速齿轮（1）选择齿轮材料，确定应力选用渗碳淬火制作齿轮许用接触应力由式接触疲劳极限接触强度寿命系数设计的寿命为10年，工作300天/年，每天工作时间24h。应力循环次数N（3-15）三个齿轮的应力循环次数都大于，查接触强度计算的寿命系数图表得11接触强度最小安全系数许用弯曲应力由式弯曲疲劳极限，齿轮的弯曲疲劳强度极限弯曲强度寿命系数，查弯曲强度寿命系数图弯曲强度尺寸系数，查图弯曲强度最小安全系数则（3-16）（2）齿面接触疲劳强度估取圆周速度=2.1m/s小轮分度圆直径，由式假设模数为3，则齿轮的分度圆直径最大为79mm，此时齿轮齿数为26.3，取。配位齿轮分度圆直径小齿轮齿数齿数比u传动比误差小齿轮分度圆直径取大圆齿数大齿轮的分度圆直径：查表选取=0.8小齿轮转矩==525250N·mm载荷系数K=载荷系数KK===1.44（3-17）材料弹性系数查材料弹性系数表=189.8节点区域系数查节点区域系数表重合度系数由推荐值0.85~0.92=0.88故：=25.2mm（3-18）因此满足接触疲劳强度圆周速度（3-19）第一级传动齿轮的标准中心距==156mm第二级传动齿轮的标准中心距==145.5mm（3-20）齿宽取大齿轮齿宽小齿轮齿宽取=68mm配位齿轮齿宽（3）齿轮其他主要尺寸计算齿根圆直径（3-21）齿顶圆直径（3-22）3.3.3齿轮轴的确定优先计算轴II轴II的计算（1）计算轴转矩轴Ⅱ的输出功率：=55×0.97×0.99=52.82KW转速：=208.3r/min求轴上转矩=1940119N·mm（3-23）（2）求作用在齿轮上的力（3-24）（3）初步估算轴直径选取38GrMoAlA作为轴的材料，调质处理。由式估算轴的直径，查表取A=90得：轴Ⅰ的计算（1）求轴Ⅰ转矩轴Ⅰ的输出功率：转速：求输入轴上转矩:==1050500N·mm（3-25）（2）计算作用在齿轮上的力（3-26）（3）初步估算轴直径选取38GrMoAlA作为轴的材料，调质处理。由式计算轴的最小直径查表取A=90，得：螺杆齿轮轴段计算（1）计算轴转矩每根螺杆的输出功率：=50.72×0.97×0.99=24.4KW转速：=260r/min求轴上转矩=896230.8（3-27）（2）计算作用在齿轮上的力（3-28）（3）初步估算轴直径螺杆的材料为38GrMoAlA，调质处理。由式估算轴的直径，查表取A=90得：螺杆的轴向力。轴Ⅲ的计算（1）计算轴转矩轴Ⅲ的输出功率：转速：求轴上转矩（3-29）（2）计算作用在齿轮上的力（3-30）（3）初步估算轴直径选取38GrMoAlA作为轴的材料，调质处理。由式计算轴的最小直径并加大3%考虑键槽对轴的强度的影响。查表取A=90，得：。3.3.4轴承寿命校核在设计的寿命为1年，每年大约工作300天，每天工作24小时的情况下，经过估算预期寿命小时数为8760h。轴Ⅰ轴承寿命计算选用的轴承为22215C/W33其额定载荷(GB/T288-1994)转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命轴承寿命校核合格（3-31）轴Ⅱ轴承寿命计算该轴选用的轴承为22212C/W33,其额定载荷(GB/T288-1994)。该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命（3-32）轴承寿命校核合格轴Ⅲ轴承寿命计算该轴选用的轴承为22215C/W33额定载荷(GB/T288-1994)该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命（3-33）螺杆轴承寿命计算选用的轴承为22215C/W33其额定载荷(GB/T288-1994)。该轴的转速轴承工作时无冲击，载荷系数当量动载荷轴承寿命轴承寿命校核合格（3-34）3.3.5键的校核轴Ⅰ上的键校核轴直径为A型普通平键尺寸b×h=14×9键长转矩许用挤压应力则有：（3-36）因此，该键可以安全使用。轴Ⅱ上的键校核（1）大齿轮键校核轴直径为A型普通平键尺寸b×h=20×12键长转矩许用挤压应力则有：（3-37）因此，该键可以安全使用。（2）小齿轮键校核轴直径为A型普通平键尺寸b×h=18×11键长转矩许用挤压应力则有：（3-38）轴Ⅲ上的键校核直径为A型普通平键尺寸b×h=22×14键长转矩许用挤压应力则有：=（3-39）因此，该键可以安全使用。螺杆上的键校核轴直径为A型普通平键尺寸b×h=14×9键长转矩许用挤压应力则有：（3-40）因此，该键可以安全使用。3.3.6箱体设计减速器的齿轮结构已经设计完毕，减速器的箱体设计包括减速器的诸多附件，如窥视孔、窥视孔盖、放油孔、放油螺塞等[13]。减速器箱体具体设计数据如下表3.1所示。表3.1箱体参数名称尺寸箱座壁厚11箱盖壁厚11箱座上凸缘厚度12箱盖凸缘厚度16.5底座凸缘厚度27.5地脚螺栓直径20地脚螺栓数目6轴承旁连接螺栓直径20盖和座连接螺栓直径12检查孔盖螺钉直径8定位销直径83.4螺杆设计螺杆是挤出机最重要的部件之一。世界上有很多种类的塑料可以用于挤出机的挤出成型，但不可能用一种螺杆对所有种类塑料进行挤出成型。在设计螺杆时，要根据塑性加工的特点设计螺杆，确定螺杆三部分的长度和深度。应考虑螺杆的运行速度、筒体温度、生产率、熔化和能耗。螺杆的塑化能力取决于螺杆的转速和机筒温度，以及筒体温度和尺，因此螺杆的设计至关重要[14]。常规挤出机螺杆有3个不同的区域:进料区、压缩区和均化区。螺杆的内径在压缩区增大，从而缩小了熔融聚合物所在的空间，导致压力的增加。出于成本效益原则考虑，采用普通螺杆。3.4.1螺杆的基本尺寸初步确定螺杆的螺纹长度为：L=24D=24×70=1680mm螺杆的长度可以分为三段，分别为：加料段、压缩段和即计量段。加料段：通过加料漏斗加料，负责材料的推挤及预热，使材料在料筒和螺杆之间均化。压缩段：负责材料的加压，使材料熔解，逐步进入熔融状态，但不一定均匀混合。计量段：材料在此区域已经充分熔融，并完全均匀混合。具体的长度分配如表3.2所示：表3.2长度分配表塑料类型加料段压缩段计量段非结晶型塑料10%~25%L55%~65%L22%~25%L结晶型塑料40%~60%L20%~30%L30%~45%L加料段=（40%~60%）L，取=660mm压缩段=（20%~30%）L，取=420mm计量段=（30%~45%）L，取=600mm螺杆压缩比压缩比的确定非常复杂，没有准确的公式来确定，大多时候需要经验来判断。不过可以计算一个大概的值：压缩比等于加料段最后一个螺纹槽深度与计量段最后一个螺纹槽深度的比值[15]。设计的螺杆用于聚乙烯的挤出，所以压缩比约等于3。计螺旋角影响着物料的塑化质量，物料形状的不同值也有所不同。但对加工而言，的不同也比较困难。因此，一般的取值为。3.4.2螺杆材料的选择螺杆不仅扭矩大，而且在高温和高温下工作，它还受机械摩擦磨损、摩擦塑性摩擦的影响。一些塑料可能含有严重的腐蚀性化学物质，会对螺杆造成不同程度的损害[16]。例如，螺杆可能会产生轻微扭曲以及由于磨损的严重性而增加与筒体的距离导致挤出机的生产能力减弱。因此根据螺杆的实际运行状态，必须选择合适的材料，保证螺杆的正常运行。对材料性能的要求是：良好的机械性能、良好的耐磨性、良好的耐腐蚀性[17]。高级氮化钢具有良好的性能，在挤出机螺杆应用中应用最广泛，因此选用高级氮化钢作为螺杆材料。3.4.3螺杆设计计算到此已知螺杆参数为：最高转速：最高产量：G=77Kg/h螺杆直径：D=70mm螺距S：S=60mm长径比：L/D=24螺槽法向宽度：E=17.7mm螺槽轴向宽度：B=40.6mm螺棱法向宽度：e=30mm螺棱轴向宽度：b=31.4mm螺纹升角：=查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆积密度为固相密度液相密度熔池温度（1）计算熔融速率取螺杆转速85r/min下挤出机的产量为：G=77Kg/h=固体总面积A：熔融速率：（3-41）（2）计量段螺槽深度在设计中，为了保证螺杆的稳定性，避免出现波动，应取较小的值，所以由得：=由于是双螺杆，则有：取（3-42）（3）验算计量段长度螺杆的剪切速率为：=当温度为时，由流变曲线得：有上文可知：=令=，由式：得：=（3-43）377.5mm>94.7mm合格（4）确定加料段螺槽深度。根据常用塑料的几何压缩比表，取：ε=3则加料段螺纹槽深度为：==5.72mm取=5.7mm验算压缩比=2.99（3-44）正确（5）验算压缩段长度。塑料颗粒减小的速率,塑料颗粒在压缩段中的移动速率不能大于否则导致进料和出料的不平衡。流动速率：=则压缩段展开的长度=则压缩段的最小长度为==295mm（3-45）由于420mm>295mm合格（6）螺杆中心距的确定。取螺杆的中心距a：a==70.7mm（7）归纳设计结果。加料段长度：=259mm加料段螺槽深度：=5.7mm压缩段长度：=1404mm计量段长度：=497mm计量段螺槽深度：螺槽轴向宽度：B=40.6mm螺棱轴向宽度：b=31.4mm螺杆中心距a：a=70.7mm3.4.4螺杆的强度校核与计算本设计中进行强度计算的零部件只选取螺杆和机筒这两个相对重要的。（1）机头压力的确定根据查资料，正常情况下产量为77kg/h的挤出机的机头压力一般为，根据经验选取：（2）螺杆轴向力的确定螺杆轴向力可按下式计算：式中——物料作用在螺杆端面上的总压力，单位为N；=1式中——螺杆端部的物料压力，单位为MPa——动载荷产生的附加压力的沿轴向的力的分量约为的1/8~1/5，即=（0.125~0.2）取：=0.2所以有：=1.2（3-46）（3）螺杆强度的计算由轴向力产生的压应力：=69.5式中——轴向力产生的压应力，MPa；——螺杆的最小内径端面直径，mm；——螺杆冷却水孔直径，mm。P——物料压力——克服物料阻力所需的扭矩G——螺杆自重——螺杆所受径向力——螺杆所受轴向力为由扭矩产生的剪切应力：=35.8（3-47）——主电机的最大传递功率，KW;——螺杆的最高转速，r/min；——电动机传递效率，此时校核取1；C——；——螺杆的剪切应力，MPa；由螺杆自重产生的弯曲应力：==（3-48）式中L——螺杆的有效长度，mm；——螺杆材料密度，，钢取7.85；——由自重产生的弯曲应力，单位MPa；螺杆的合成应力查表得的屈服极限：=有：=71.2MPa<=833MPa（3-49）结果合理，符合要求螺杆无齿端只受扭矩的作用。查表的剪切疲劳极限=288由得：=25.6mm（3-50）3.4.5螺杆的技术要求材料为采用高级氮化钢，对材料表面进行氮化处理，处理深度为0.2~0.5mm。螺杆外圆硬度>60HRC螺杆的上、下偏差分别为：上偏差：es=下偏差：ei=螺杆的直线度公差值为：3.5机筒设计塑料工业中使用的挤出机筒相当复杂和昂贵。该机在进料口处设有冷却管路，防止颗粒在料斗内熔化。如果塑料颗粒在进料段融化，就会形成颗粒集料，堵塞料斗，从而阻止颗粒到达出料筒和螺杆。3.5.1机筒的结构类型选择及特性机筒的结构类型可分为：分段式、整体式和双金属料筒。整体式机筒：是在整体的材料上加工出来，加工精度以及装配精度容易满足，传动误差小、零件数量少；而且机筒受热均匀和结构加热不受限制，适合对加热系统要求高的设计。相应的整体式机筒加工难度大，磨损后内表面难以修复。分段式机筒：如字面意思所述就是把机筒分为多个加工段，分别进行加工，然后由多个加工段由法兰加工连接。该机筒加工简单，能满足多种长径比的要求，便于改装。但由于分段加工，所以加工精度比不上整体式机筒。而且热损大，加热起来容易受热不均[18]。大多数情况下是用在实验性的挤出机上。双金属机筒：其结构形式有两种，一种是浇铸式，另一种是衬套式。衬套式具有更换方便、使用寿命长、等优点，不同的机型其设计也不尽相同。浇筑式的优点是合金层与机筒相结合，融为一体不分离、不开裂，耐磨性好，寿命长。但这两种都有一个缺点，那就是成本高。综上所述可了解各个类型机筒的优缺点，由于本设计属于实验性质的，对机筒的精度要求并不高，所以选择分段式机筒。3.5.2机筒的结构尺寸设计机筒壁厚h为：h=30mm机筒的内径机筒的外径机筒总长度L的确定因为螺杆的长度L为：L=2160+7+40+30=2237mm所以取机筒长度L=2240mm3.5.3机筒的材料选择普通的机筒材料为45号钢，如果要提高机筒的耐磨性、耐腐蚀性可以采用高级氮化钢制造，其强度要超出45号钢。因为这次实验是实验性质的，这里我们选择40Cr钢作为机筒的制造材料。机筒的强度计算用壁厚圆筒理论来对机筒进行强度计算。根据厚壁圆筒理论，当机筒内壁P的作用时，会出于三向应力状态。分别为：径向应力，轴向应力，切向应力。径向应力：切向应力：=63.1MPa轴向应力为：=11.6MPa（3-51）由于设计的挤出机适用于聚乙烯这一材料属于热塑性材料，厚壁圆筒理论进行计算和强度校核。机筒壁厚的强度条件为：查表得40Cr的屈服强度极限为540MPa,则：，有：=89.3MPa<（3-52）综上所述机筒校验合格机筒设计的技术要求材料：45号钢。3.5.4螺杆与机筒的配合要求(1)配合间隙螺杆与筒体连接间隙的大小影响螺杆的能耗、生产能力、使用寿命、加工成本等，数值过大，加工装配简单，但生产能力下降[19]。在机器中很难控制停留时间，这也可能导致热分解。如果数值太高会造成加工、装配困难，螺杆和机筒容易损坏，从而导致挤出机的寿命下降[20]。所以设计的塑料管材挤出机的螺杆和机筒的间隙：。(2)对中性与螺杆与筒体的中性相比，螺杆中心线的设计与筒体中心线重合，但制造和装配过程中产生的螺杆定位面与螺杆中心线不一致，机筒与设备的偏差不一致，螺杆的径向偏差、螺杆的横截面受力和螺杆的中心线不垂直，这些影响影响着螺杆和机筒的对中性，一般应采取以下措施改善螺杆和机筒的对中性：选择有效的定位基准和合理的连接方式；提高工件加工装配精度，减少工件数量[21]。3.6料斗设计在塑料挤出过程中，复合原料通常以小颗粒的形式存在。并且经常使用添加剂、色素和紫外线抑制剂，与复合原材料混合，通过进料口（靠近机筒后部的开口）进入，并与螺杆接触。4塑料管材挤出机控制系统设计4.1加热系统挤出机机筒由五个加热单元加热，每个加热单元的功率为4千瓦，直径为35毫米。温度控制由PIC控制器实现，输入信号由两个热电偶产生。四个加热单元通过继电器(SSR-4028ZA2)连接到两个温度控制器，允许供应440伏的加热单元，因为从控制器的输出是5伏。挤出机的加热控制电路用一个小开关代替原来的保险丝。如同保险丝一样，在过载和短路的情况下可以自动断开，但不需要如同保险丝属于一次性，排除故障后可以重新接通继续使用[22]。设计的加热装置采用电阻加热，机筒有五个加热单元，采用先进的电阻材料，具有热容量大、寿命长、使用方便、安全优点。五个加热单元同时具有散热装置。整个加热系统的额定功率为17kw。4.2电气控制系统电控部分主要包括两个部分，一个是直流加速控制系统，另一个是加热控制系统。加热控制系统连接在机筒外部的加热装置上[23]。直流加速控制系统所采用的的电机为直流电机，型号Z4-200-12/11，其主要技术参数为：额定功率为40.5KW，额定转速为900/min，工作电压400v。直流电动机的速度控制可以通过改变电动机电感两端的电压来实现[24]。将差分值输入速率调节器，将速率调节器调节的输出电压（指定为小闭合电流周期的电流值，从传感器中提取电流反馈信号，并将电流反馈信号与规定的电流值进行比较[25]。速度控制系统采用新一代的硅调压器。速度控制回路扩大可变速范围，保持恒定的运行速度。在电动阀电压波动的情况下，电机转矩的快速平衡是在不改变转速的情况下保证的。5数字化建模设计的电机三维模型如图5.1所示：图5.1电机三维模型带传动的三维模型如图5.2所示：图5.2带传动三维模型齿轮传动的三维模型如图5.3所示：图5.3齿轮传动三维模型减速器的整体的三维模型如图5.4所示：图5.4齿轮减速器的三维模型螺杆的三维模型如图5.5所示：图5.5螺杆的三维模型机筒的三维造型如图5.6所示：图5.6机筒的三维模型料斗三维模型如图5.7所示：图5.7料斗的三维模型机筒的加热装置三维模型如图5.8所示：图5.8机筒加热装置三维模型由于塑料管材挤出机的零件众多，如果一个个零件进行装配过于麻烦，所以在做零部件的三维模型的时候，会将总装配体分成几个小装配体，如减速器、挤出机构等。这样做便于修改零件，减少装配时的错误。首先用SolidWorks新建一个装配体文件打开底座造型，之后加入电机和减速器模型，用自动判断中心轴的命令将电机和减速器连接到底座上，之后用接触命令，将挤出机的外壳接触到底座的测表面上；之后添加带传动的组件，用同样的方法将挤出机构安装到减速器上，以此类推，安装料斗和众多的标准件。塑料管材挤出机的总装配如图5.9所示：图5.9塑料管材挤出机总装配图结论经过几个月的努力，我最终完成了塑料管材挤出机的设计。针对塑料管材挤出机的结构进行了优化，构建了塑料管材挤出机的三维模型。设计出了用于聚乙烯这一塑料材质的专用螺杆，传动系统，进行的重要零部件的校核。由于挤出机相关技术不了解的原因，我开始了独立的学习，查看相关的资料和书籍。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受。在设计这台设备的过程中，作为一名学生，已经在三维模型领域实现了我的设计，改进了结构中的几个设计缺陷。但由于本人知识有限，经验不足，我的毕业设计必然存在缺陷，还请各位老师批评指正。参考文献[1]马红梅.机械加工精度的影响因素及提高措施[J].技术与市场,2019,26(12):154+156.[2]陈卜宁.卡扣式绝缘护套挤出成形工艺研究及模具优化设计[D].长春理工大学,2019.[3]马媛媛.塑料挤出机加热冷却系统节能的研究进展[J].合成树脂及塑料,2018,35(05):100-102.[4]于强强.电线电缆生产线线径控制系统研究[D].长春工业大学,2017.[5]张鹏.基于专家系统的塑料挤出机组智能生产工艺参数优化设计[D].广东工业大学,2017.[6]刘光朋.塑料垃圾裂解机理及实验装置的设计研究[D].青岛科技大学,2017.[7]王伟,王斌,杨雯婷,孙俊兰,焦丽丽.基于Teamcenter的产品级参数化设计技术研究与应用[J].现代制造工程,2016(08):89-94.[8]王天鹏.挤出机发展历史分析[J].南方农机,2017,48(24):60.[9]李采文,石营.水利水电工程金属结构腐蚀分析与研究[J].科技资讯,2016,14(09):47-48.[10]边靖.锥形双螺杆挤出机螺杆结构对制品性能的影响[D].北京化工大学,2016.[11]杨勇.直流他励电动机机械特性分析及调速方法[J].黑龙江科技信息,2014(28):9.[12]夏志民.新型单螺杆挤出机齿轮箱研究[J].中国高新科技,2018(07):80-81.[13]江帅.单螺杆挤出过程聚合物颗粒输送行为研究[D].北京化工大学,2013.[14]王黎,蔺琎.一种对金属熔化的新型加热方式[J].山西冶金,2012,35(04):13-14+18.[15]周延军.高性能耐磨锡青铜合金及其先进制备加工技术研究[D].河南科技大学,2012.[16]何家波.泥料在双螺杆挤出机中的运动机理研究[D].景德镇陶瓷学院,2012.[17]余忠.微孔塑料连续挤出成型的理论与实验研究[D].南昌大学,2011.[18]AttilaGyárfás,AttilaGergely.TheDesignofaSmall-scalePlasticExtruderMachine[J].Sciendo,2019,11(1).[19]类成玲.变频螺旋压力机的力能效率研究[D].山东理工大学,2009.[20]韩国亮,杨成德.塑料挤出机螺杆与机筒间隙的影响[J].塑料制造,2015(04):62-64.[21]张芸.塑料挤出机螺杆的设计与修复工艺初探[J].福建轻纺,2009(03):43-45.[22]马媛媛.塑料挤出机加热冷却系统节能的研究进展[J].合成树脂及塑料,2018,35(05):100-102.[23]李洪飞,苑会林,王婧.吹塑成型PVF薄膜工艺研究[J].塑料工业,2005(10):28-30.[24]王红玉.塑料挤出生产线温度集中控制系统的研究[D].北京化工大学,2004.[25]闻娜,刘成伟,刘青川.挤塑机电机驱动系统设计及控制研究[J].塑料工业,2018,46(01):67-70.致谢匆匆岁月转眼即逝，毕业时刻来的这么快，让人不禁有些失措。回首往昔，老师同学的音容相貌在脑海中接连浮现，有万千思绪，千言万语却不知道从何说起，留下的只有衷心的感激。直到现在才明白昔日教室里老师的辛勤教导是多么的珍贵。感谢姜娇、薄磊两位导师对我的言传身教，在给我的论文写作带来许多帮助。正是有两位老师的答疑解惑，我的毕业设计才能如期完成。感谢诸位老师同学，感谢你们四年来的厚爱，谢谢你们！！！

论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制定观察计划

在观察计划中要规定明确的观察目的、重点、范围以及要搜集的材料。

3.做好观察准备

观察准备是否充分，往往影响观察的成败。

4.做好记录

在观察过程中要时时记录，不放掉任何一个关键信息。

（三）特点

观察法具有拓展人们的感性知识、启发思想等优点，但是由于其强调研究要在自然环境下进行，且不允许掺杂个人的偏见，确为实际操作带来了一定困难。

（3）实验法

实验法是指经过精心设计，在高度控制