同向啮合双螺杆挤出机主要零部件的设计
同向啮合双螺杆挤出机主要零部件包括螺杆、机筒、分流板、过滤网、料斗及料斗传输螺杆、电机、减速器等装置。
3.1 主螺杆的设计
螺杆是挤出机的核心部分，是输送、塑化塑料的最重要部件。其结构性能将直接影响挤出机的生产率、塑化混合质量和能量消耗。
由于聚氯乙烯（PVC）为非结晶型高聚物，它从玻璃化温度到粘流温度的温度范围较大，其熔融过程是在一个比较长的距离后才能全部熔融，出于制造成本和胶料的均匀混炼和塑化考虑，采用渐变型普通螺杆，螺纹断面形状为矩形。
3.1.1 螺杆的基本尺寸初步确定
螺杆的螺纹长度为：L=30D=30×72=2160mm 根据实践经验，螺杆三段长度的分配如表3.1。
表3.1 长度分配比例表
塑料类型 加料段L 压缩段L 计量段L
123非结晶型10%~25%全55%~65%全22%~25%全塑料 长 长 长
结晶型塑60%~65%全1~2 螺距 25%~35%全料 长 长
所以：加料段L=（10%~25%）L，取 L=0.15L=0.12×2160=259mm 11压缩段L=（55%~65%）L，取 L=0.6L=0.65×2160=1404mm 22计量段L=（22%~25%）L，取L=0.25L=0.23×2160=497mm
33螺杆压缩比。因压缩比的确定非常复杂，目前国内根据经验选取。对塑料而言，
7 双螺杆挤出机毕业论文
螺杆几何压缩比大多数为2~5,根据常用塑料螺杆的几何压缩比表，选取螺杆压缩比：ε=3
为了加工方便，等距螺杆取S=D 螺距S： S=D=72mm 螺纹头数： i=1 3S7210
螺纹升角：=arctan=arctan= 1741＇
3
D3.147210螺棱法向宽度e：根据对紧密共轭齿廓的要求和齿轮传动啮合基本原理，考虑到螺杆制造和安装方便，同时为了更好的对物料进行充分混合，把螺杆设计成接近共轭型，取螺棱法向宽度为： e=30mm 螺棱轴向宽b：b=e/Cosφ=30/Cos1741＇=12.6mm
螺槽法向宽E：E=S×Cos－30=72×Cos1741＇－30=38.7mm 螺槽轴向宽B：B=D―b=72―31.4=40.6mm
螺杆与机筒间隙δ=0.3mm 3.1.2螺杆材料的选择
螺杆工作时不仅所受扭矩较大，而且是在高温、高压下工作。因螺杆要与机筒配合工作，所以还要受到机械摩擦磨损、刮磨及塑料摩擦的作用，某些塑料还会有较强的化学腐蚀作用。所以螺杆可能产生扭断、因磨损严重而与机筒间隙增大使产量降低等失效形式。
根据以上螺杆的实际工况，要保证螺杆能正常工作，必须选择合适的材料。其材料性能要求为：机械性能好，耐磨性能好，耐腐蚀性能好，加工性能好。由于38CrMoA1综合性能好且是挤出机螺杆应用最广泛的材料，因此选择38CrMoAl作为螺杆的材料。
3.1.3螺杆设计计算
到此已知螺杆参数为：
最高转速：n260r/min4.3r/s
max最高产量：G=200Kg/h 螺杆直径：D=72mm 螺距S： S=72 mm 长径比： L/D=30
8 双螺杆挤出机毕业论文
螺槽法向宽度：E=38.7mm 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：=1741＇ 3
500kg/m查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆积密度为
3固相密度 1400kg/m
s31200kg/m液相密度 m
熔池温度 T190C
b由于双螺杆挤出机的理论很不成熟，加之螺杆啮合部分容积相对于整个螺杆来说很小，故可以把双螺杆看成两根单螺杆进行计算，然后做一定的因双螺杆啮合带来数据校正。
（1）计算熔融速率。
为了保证稳定的挤出过程，熔体输出量、固体输送量和固体熔融量应该平衡。即：GAQ
Sm式中 G——固体输送量；
S ——单位面积熔融速率；
A——固体粒料与机筒的接触面积；
——熔体密度；
m Q——熔体输出量；
取螺杆转速4.3r/s下塑料的输出量为：G=200Kg/h 53 QG/=4.6310m/s
m估算面积A。由于螺杆啮合部分没有机筒对物料进行加热，但螺纹啮合处没有机筒部分占整个机筒的比例较小，因此机筒的总面积约为1.8DL,其中螺槽占56.3%，假设其中固体与熔体塑料各占一半，则固体总面积A：A0.5DL
G2熔融速率：=0.228kg/s•m
0.5DL
（2）计算计量段螺槽深度。 Q为了保证螺杆的硬特性，避免压力波动引起过大的输出量波动，i应取
pQd
9 双螺杆挤出机毕业论文
较小的值，但为了达到较好的混合质量，又不能取得过小。综合上述原因，取： i0.2
53 由QQQ得：Q1.25Q=5.7910m/s
dpd2由于是双螺杆，则有：QDH(Db)ncos
d3Qd= 1.574mm 取 H1.8mm
H323D(Db)ncos
（3）验算计量段长度。 Dn
•1 螺杆的剪切速率为：=540.1s
H3
当温度为190C时，由流变曲线得：4100Pa•s
53有上文可知：Q0.25Q=1.1610m/s
p1P3令P=P，由式：Q(Db)Hcossin得： p312L3
3
(Db)HPcossin3 L=94.7mm 497mm >94.7mm 合格
312Qp
（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
2 则加料段螺纹槽深度h为： h=0.5[DD4
εh(Dh)]=5.72mm 1133(Dh)h11
取 h=5.7mm =2.99 正确
验算压缩比1(Dh)h33
（5）验算压缩段长度。
计算螺槽内固体粒料厚度减小的速率，即形成熔膜的速率V,
Z24 V=4.5610m/s
Z2b
即固体粒料在压缩段中移动时，在每秒钟移动的距离上螺槽深度的减小量不能超过0.456mm .否则固体粒料来不及完全熔融而堵塞螺槽，引起产量波动。此时固G
体粒料顺着螺槽的流动速率V=0.4033m/s
：VSZSZH(Db)cos
b1VSZ
则压缩段顺着螺槽展开的长度L:L(HH)=3449.3mm
Z2S213VZ2
则压缩段的最小长度L为:L=Lsin=1032mm
22S2 10 双螺杆挤出机毕业论文
由于1404mm >1034mm （6）螺杆中心距的确定。
考虑到螺杆的安装和物料的混合均匀，又不至于螺杆产生干涉，取螺杆的中心距a:a=Dh0.5=70.7mm
3（6）归纳设计结果。
加料段长度：L=259mm 1加料段螺槽深度：h=5.7mm 1压缩段长度：L=1404mm 2计量段长度：L=497mm 3计量段螺槽深度：H1.8mm
3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 =70.7mm
3.1.4 螺杆的强度校核与计算
双螺杆挤出机中需要进行强度计算的主要零部件是螺杆和机筒。进行螺杆的强度计算时，必须先确定原始数据。决定螺杆强度的原始数据包括：机头最大压力P、
FM
螺杆轴向力Z及螺杆扭矩t。
（1）机头压力的确定
机头压力可以用理论计算方法和实测方法得到。当螺杆转速增加到一定程度时，实际机头压力与转速的关系并不成正比，在实际生产中常以试验测定机头压力。
根据实际生产中产量为200 kg/h的国产双螺杆挤出机的机头压力一般为
P30~50MPa，取：P=40.0MPa
（2）螺杆轴向力的确定
螺杆轴向力的大小受到物料物理性能、机头压力、螺棱构型、螺杆转速及机筒温度等、因素的影响。螺杆轴向力可按下式计算：
FPP Z12
式中 P——物料作用在螺杆端面上的总压力，单位为N；
12
P=πDp/4
1式中 p——螺杆端部的物料压力，单位为MPa，国产挤出机一般取
p=30~50MPa。
P——动载荷产生的附加压力的沿轴向的力的分量，P 约为P的2212
1/8~1/4，即P=（0.125~0.25）P，取：P=0.2πDp/4
212 11 双螺杆挤出机毕业论文
2
所以有：PPP= 1.2πDp/4 Z12（3）螺杆冷却孔直径确定
由于聚合物在挤出过程中与金属接触面积中有一半在螺杆上，为了避免螺杆过热需在挤出过程中对螺杆进行冷却。
取螺杆冷却水孔的直径：d10mm
0（3）螺杆强度的计算
螺杆与减速箱传动轴的连接有固定式和浮动式两种。无论是哪种连接方式在进行强度计算时，都将螺杆视为一端固定的悬臂梁。螺杆主要受到物料压力P，克服
M
物料阻力所需的扭矩t和螺杆自重G的作用。由于双螺杆的啮合角度很小，所以p计算时近似认为螺杆所受径向力r大小相对方向相反，可以抵消。螺杆所受轴向力p为z。由于螺杆轴向弯曲作用较小可忽略不计。螺杆自重G对螺杆产生横向弯曲作用。因此，螺杆所受的综合受力作用为：螺杆轴向力、螺杆扭矩及螺杆自重产生的压、扭、弯的力的组合。由于加料段螺杆的根径较小，承载能力最低，所以强度计算以加料段的根径截面为强度计算、校核截面。
2
1.2pDc：=69.5MPa
由轴向力产生的压应力c22(dd)
s0式中 c——轴向力产生的压应力，MPa；
d s——螺杆的最小内径端面直径，mm；
d——螺杆冷却水孔直径，mm. 0由扭矩产生的剪切应力τ：
1Nmax62
9.5510Mntmax
=35.8MP
aW34
sd(1C)s16 N——主电机的最大传递功率，KW; max n——螺杆的最高转速，r/min。
max ——电动机传递效率，此时校核取1；
C——d/d；
0——螺杆的剪切应力，MPa；
由螺杆自重产生的弯曲应力b：
LML(Dd)G22b2s =0.1=0.24MPa
b34
Wd(1C)34bd(1C)ss32
12 双螺杆挤出机毕业论文
式中 L——螺杆的有效长度，mm；
33
t/mt/m ——螺杆材料密度，，钢取7.85；
b——由自重产生的弯曲应力，单位MPa；
螺杆的合成应力r 2合成应力用第三强度理论计算，其强度条件为：4[]
rp查表得的屈服极限： []=859.8833MPa
p2
有： ()4=71.2MPa<=833MPa rcbp由此可知，该螺杆在工作中是安全的。
由于是双螺杆啮合需要，使后续的配位齿轮难于安装，螺杆在无齿端的直径的大小必然会大大降低，因此有必要计算螺杆无齿端的最小直径。
螺杆无齿端只受扭矩的作用。 2查表的剪切疲劳极限[]=288N/mm
11Nmax629.5510
Mntmax
由得：
W34sd(1C)16
d3=25.6mm
6169.5510Nmaxmin2[]n1max
3.1.5 螺杆的技术要求
材料：采用氮化钢38CrMoA1。
表面处理：对材料进行氮化处理，处理深度为0.3~0.6mm，
螺杆外圆硬度>65HRC，脆性不大于2级。
螺杆外圆极限偏差应符合GB/T1184-1999 h8的规定。螺杆的上、下偏差分别为：
上偏差：es=0μm 下偏差：ei=－39μm
螺杆全长直线度公差值应符合 GB/T1184-1996 h7的精度等级规定。所以螺杆
e10m
的直线度公差值为：0 R
螺杆外圆：螺纹槽底径的表面粗糙度a不大于0.8μm，螺棱两侧的表面粗糙R
度a不大于1.6μm。
13 双螺杆挤出机毕业论文
3.1.6 螺杆传动系统及止推轴承布置设计
设计双螺杆传动系统比较困难的问题是配位齿轮和止推轴承的布置。因受螺杆啮合条件的限制使安装配位齿轮和止推轴承在空间上受到很大的限制。
本设计传动系统及止推轴承的布置从机头开始的顺序为：深沟球轴承配位齿轮止推轴承。将止推轴承布置在减速箱之后。
双螺杆传动齿轮布置如图3.1。
图3.1 齿轮布置图
1、2为配位齿轮，c为减速箱输出齿轮。
南京棉亚机械制造有限公司，专业从事各类塑料加工挤出设备的研发与制造，直至交钥匙工程。产品系列涵盖单螺杆挤出机组，同向、异向平行双螺杆挤出机组及配套辅机设备等等。 公司位于南京市江北新区，拥有一批优质的研发技术人员，针对每一位客户的要求，提供专业的机械设计制造，及全套的挤出成型工艺，以满足每一位客户的特殊应用需要。 公司同国内优质企业及科研单位均有合作，北京化工大学、南京大学、济南大学城（部分高分子院校）。企业有（列举） 合肥美的、宁波雅戈尔、比亚迪汽车、新疆亚通（30万吨）、浙江杭通、一汽大众（配件厂）、宁波赛日、昆山（福建）美而光、宁波色母粒厂、扬子江药业、哈尔滨制药、延边制药等等还有一大批优质中小型企业。 质量和创新是我公司的生命，也是我们永恒的追求。我们每天都在不断的研究、开发、制造全新全优的产品，满足国际及国内市场更高的要求。
