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湖南工業(yè)大學(xué)2010屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1 塑料擠出概述
當(dāng)今世界四大材料體系（木材、硅酸鹽、金屬和聚合物）中，聚合物和金屬是應(yīng)用最廣泛和最重要的兩種材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在塑料制品成型加工中，擠出成型制品的產(chǎn)量大約占整個(gè)塑料制品產(chǎn)量的50%以上。其中不僅包括板、管、膜、絲、和型材等制品的直接成型，還包括熱成型、中空吹塑等坯料的擠出加工。除此之外，在填充、共混、改性等復(fù)合材料和聚合物合金生產(chǎn)過(guò)程中，螺桿擠出很大程度上取代了密煉、開(kāi)煉等常規(guī)工藝。擠出機(jī)幾乎成為任何一個(gè)塑料有關(guān)公司或研究所最基本的裝備之一。
擠出成型有如此發(fā)展趨勢(shì)主要原因?yàn)椋郝輻U擠出機(jī)能將一系列化工基本單元過(guò)程，如固體輸送、增壓、熔融、排氣、脫濕、熔體輸送和泵出等物理過(guò)程集中在擠出機(jī)內(nèi)的螺桿上來(lái)進(jìn)行。近年來(lái)，擠出工程的創(chuàng)新表現(xiàn)，更多的過(guò)程，如發(fā)泡、膠聯(lián)、接枝、嵌段、調(diào)節(jié)相對(duì)分子質(zhì)量甚至聚合反應(yīng)等化學(xué)加工過(guò)程都愈來(lái)愈多地在螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行。螺桿擠出工藝裝備有較高的生產(chǎn)率和較低的能耗，減少生產(chǎn)面積和操作人員數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，也易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，創(chuàng)造好的勞動(dòng)條件和減少少的環(huán)境污染。螺桿擠出這種工藝不僅廣泛地用于聚合物加工，而且在建材、食品、紡織、軍工、和造紙等工業(yè)部門(mén)中都得到了愈來(lái)愈多的應(yīng)用。
雙螺桿擠出機(jī)與單螺桿擠出機(jī)相比，能使熔體得到更加充分的混合，應(yīng)用更廣。
1.2塑料擠出成型設(shè)備的組成
一套完整的擠出設(shè)備由主機(jī)、輔機(jī)及控制系統(tǒng)組成。
擠出機(jī)是塑料擠出成型的主要設(shè)備，即主機(jī)。由擠壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及加熱冷卻系統(tǒng)和主機(jī)控制系統(tǒng)組成。
（1） 擠壓系統(tǒng) 由機(jī)筒、螺桿和料斗組成，是擠出機(jī)的核心工作部分。
（2） 傳動(dòng)系統(tǒng) 由電機(jī)、調(diào)速裝置和傳動(dòng)裝置組成。作用是給螺桿提供所需轉(zhuǎn)速和扭矩。
（3） 加熱冷卻系統(tǒng) 由溫控設(shè)備組成。作用是通過(guò)對(duì)機(jī)筒進(jìn)行加熱和冷卻，以保證擠出系統(tǒng)成型在工藝要求的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
（4） 控制系統(tǒng) 主要由儀表、電器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。作用是調(diào)節(jié)控制機(jī)筒溫度、機(jī)頭壓力和螺桿轉(zhuǎn)速。
擠出機(jī)需配置相應(yīng)的輔助機(jī)械設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)擠出成型。根據(jù)制品的種類(lèi)確定輔助設(shè)備的組成。通常包括：機(jī)頭、冷卻系統(tǒng)、定量給料系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。
控制系統(tǒng)由各種電器、儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)自動(dòng)化水平的高低，可控制擠出機(jī)、輔機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)及其他各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)按所需的速度、功率和軌跡運(yùn)行監(jiān)控主輔機(jī)的流量、溫度及壓力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)擠出成型設(shè)備的自動(dòng)控制和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制。
1.3 擠出機(jī)的分類(lèi)
1.3.1 分類(lèi)方法
隨著擠出機(jī)的廣泛應(yīng)用和不斷的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的擠出機(jī)，其分類(lèi)方法各異，主要有以下幾種：
按裝置位置分為立式擠出機(jī)和臥式擠出機(jī)。
按可否排氣分為排氣擠出機(jī)和非排氣擠出機(jī)。
按螺桿轉(zhuǎn)速分為普通擠出機(jī)、高速擠出機(jī)和超高速擠出機(jī)
按螺桿數(shù)目的多少和結(jié)構(gòu)分為無(wú)螺桿擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、多螺桿擠出機(jī)。
按用途可分為配混造粒擠出機(jī)和生產(chǎn)制品用擠出機(jī)。
1.3.2 各擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及用途
（1）單螺桿擠出機(jī)
單螺桿擠出機(jī)，造價(jià)低、易操作，但塑料混合、分散和均化效果差，滯留時(shí)間長(zhǎng)且分布廣，物料溫差較大（指同一斷面處）和難以吃粉料。因此，它只適用于一般性造粒和塑料制品的加工。
（2）同向雙螺桿擠出機(jī)
雙螺桿擠出機(jī)的特征是兩根相互平行的組合式螺桿裝在具有8字形孔的機(jī)筒內(nèi)。如果兩根螺桿旋轉(zhuǎn)方向相同，稱(chēng)為同向型雙螺桿擠出機(jī)。根據(jù)兩根螺桿的嚙合型式不同，可分為嚙合型和非嚙合型兩種，常用的為嚙合型。
選用雙螺桿擠出機(jī)的優(yōu)越性：
① 生產(chǎn)能力大，根據(jù)理論計(jì)算，在同螺桿直徑下，雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)量能達(dá)到單螺桿擠出機(jī)的4倍（實(shí)測(cè)為2~4倍）。
② 能耗低，雙螺桿擠出機(jī)的單位能耗僅約為單螺桿擠出機(jī)的1/3~1/2左右。
③ 產(chǎn)品質(zhì)量好，由于雙螺桿擠出機(jī)的塑化、混煉性能好，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度的條件下，原材料的消耗量下降約1/4~1/5。
雙螺桿擠出機(jī)在歐美國(guó)家中應(yīng)用的比例：
管材 100% 板材 90%
造粒 100% 異型材 80%
平膜片材 90% 發(fā)泡材 60%~70%
同向雙螺桿擠出機(jī)的顯著特點(diǎn)是高效能和多功能。高效能集中于高混煉、高扭矩、低能耗，特別適合工程塑料的共混改性、填充、增韌、增強(qiáng)。多功能表現(xiàn)為螺桿的多種功能的組合，組成不同功能的螺桿形式，以適應(yīng)不同塑料、樹(shù)脂的擠出，特別是高性能對(duì)樹(shù)脂和塑料合金的加工。
（3）異向雙螺桿擠出機(jī)
異向雙螺桿擠出機(jī)的顯著特點(diǎn)是：物料的輸送能力和擠出能力比同向雙螺桿擠出機(jī)的強(qiáng)，在同螺桿直徑下，擠出量比同向擠出機(jī)一般高1倍左右，物料在機(jī)筒內(nèi)的滯留時(shí)間比同向機(jī)要短，并且剪切發(fā)熱小，溫差小，物料溫度分布十分均勻，物料分散充分。
（4） 錐形雙螺桿擠出機(jī) 雙螺桿是異向嚙合。
（5）多螺桿擠出機(jī) 我國(guó)已開(kāi)發(fā)出四螺桿反應(yīng)混煉機(jī)。它綜合了捏合機(jī)、螺桿擠出機(jī)、縮聚反應(yīng)器、混煉機(jī)、研磨機(jī)的特點(diǎn)。
1.4 設(shè)計(jì)類(lèi)型的確定
現(xiàn)在在工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)合塑料的應(yīng)用范圍很廣，本次設(shè)計(jì)的擠出機(jī)要可以對(duì)塑料混合、改性，主要用于生產(chǎn)以聚氯乙烯（PVC）為主料的復(fù)合塑料。
由于同向雙螺桿擠出機(jī)具有分布混合及分散混合良好、自潔作用較強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，特別適用于聚合物的改性，如共混、填料、增強(qiáng)及反應(yīng)擠出。并且本次設(shè)計(jì)的擠出機(jī)主要用于復(fù)合塑料擠出，因此應(yīng)設(shè)計(jì)同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)。
第2章 同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)
2.1 同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)工作原理及其特性
同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)與單螺桿擠出機(jī)一樣，承擔(dān)輸送、塑化、混合和混煉聚合物的工作，但在工作上與單螺桿擠出機(jī)有許多不同點(diǎn)。
同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)表現(xiàn)為物料的正位移輸送特性。所謂正位移輸送特性是這移動(dòng)的外部表面物質(zhì)置換了系統(tǒng)中的部分液體的輸送方式。嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)必須縱向開(kāi)放，否則螺桿會(huì)因?yàn)榘l(fā)生干涉而不能正常嚙合。意味著螺槽的寬度一定要大于螺棱的寬度，在縱向留下一定的輸送物料的通道?？v向開(kāi)放程度越大，正位移輸送能力損失也越多，此時(shí)摩擦拖曳和粘性拖曳所起的作用越大。但是無(wú)論開(kāi)放程度多大，物料沿螺槽流動(dòng)時(shí)在螺棱出仍然受阻而改變方向，因此具有一定的正位移輸送能力。
由于螺槽縱向開(kāi)放，由加料口到機(jī)頭，兩螺桿間有一通道，當(dāng)物料由加料口加到一根螺桿上后，物料在摩擦拖曳作用下沿著這跟螺桿的螺槽向前輸送物料至下方的楔形區(qū)，在這里物料會(huì)受到一定的壓縮。因螺棱比螺寬窄，那么另一根螺桿的螺棱不會(huì)把物料向前輸送的道路堵死。兩根螺桿在楔形區(qū)有大小相等、方向相反的速度梯度，因此物料不會(huì)進(jìn)入嚙合區(qū)繞同一根螺桿繼續(xù)前進(jìn)而被另一螺桿托起，在擠出機(jī)機(jī)筒表面的摩擦拖曳下沿另一根螺桿的螺槽向前輸送。
2.2 同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和規(guī)格
螺桿直徑
螺桿直徑：即螺桿的外徑，它是擠出機(jī)的重要參數(shù)，一般用D表示，單位為mm，它表征擠出機(jī)擠出量的大小。
在設(shè)計(jì)或選用擠出機(jī)前，一般擠出機(jī)生產(chǎn)能力及轉(zhuǎn)速已經(jīng)確定，螺桿直徑的選取主要是根據(jù)擠出機(jī)的產(chǎn)量來(lái)確定設(shè)計(jì)參數(shù)：生產(chǎn)以聚氯乙烯（PVC）為主料的復(fù)合塑料，最大產(chǎn)量為 200Kg/h，最高轉(zhuǎn)速為260r/min。
根據(jù)我國(guó)同向雙螺桿擠出機(jī)基本參數(shù)表(JB/T 5420-91)和螺桿直徑系列標(biāo)準(zhǔn)，取螺桿公稱(chēng)直徑:D=72mm。
螺桿中心距公稱(chēng)尺寸
雙螺桿中心距公稱(chēng)尺寸。 指平行布置兩螺桿中心的距離，用a表示，單位為mm。根據(jù)螺桿直徑、螺桿計(jì)量段螺紋槽深度和計(jì)量段嚙合程度確定。
螺桿長(zhǎng)徑比
螺桿長(zhǎng)徑比。（L/D）來(lái)表示，即螺桿有效螺紋部分長(zhǎng)度L與螺桿外徑D之比，它可以表征螺桿的塑化能力和塑化質(zhì)量，用（L/D）來(lái)表示，如下圖2.1所示：
圖2.1 螺桿示意圖
現(xiàn)代塑料擠出工業(yè)螺桿長(zhǎng)徑比較早期螺桿大，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的長(zhǎng)徑比一般范圍是20~25，多采用25，最長(zhǎng)可達(dá)40乃至更高。螺桿長(zhǎng)徑比的增加有如下好處：（1）螺桿加壓充分，能提高塑料制品的物理機(jī)械性能。（2）提高塑化質(zhì)量，制品外觀質(zhì)量好。（3）有利于類(lèi)似于PVC粉料擠管的成型。
（4）螺桿特性曲線斜率小，擠出量穩(wěn)定，擠出量可以提高20%~40%。但螺桿長(zhǎng)徑比與很多因素有關(guān)，因此可以根據(jù)加工條件和實(shí)際需要再由試驗(yàn)確定，還可以由統(tǒng)計(jì)類(lèi)比的方法來(lái)確定。國(guó)產(chǎn)同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表(JB/T 5420-91)顯示生產(chǎn)能力為300kg/h的螺桿擠出機(jī)螺桿長(zhǎng)徑比 L/D=28~32，取 L/D=30。
螺桿轉(zhuǎn)速要求及范圍
螺桿轉(zhuǎn)速范圍：用（最高轉(zhuǎn)速）~（最低轉(zhuǎn)速）表示，其單位是r/min。
對(duì)擠出機(jī)速度要求有兩方面，既能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速又要有一定的調(diào)速范圍。要求實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的目的是容易控制擠出質(zhì)量并與輔機(jī)的一致配合；要求有一定的調(diào)速范圍的目的是為了適應(yīng)多種加工物料及滿足多種工藝要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，因擠出機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，機(jī)頭壓力容易出現(xiàn)超常值，所以螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)緩慢增至工作要求速度；當(dāng)螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，由于加工的原料、制品及生產(chǎn)能力不同要求，要保證質(zhì)量提高產(chǎn)量，除控制溫度、壓力等條件外，主要是靠改變螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。因此，要求螺桿轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)。多數(shù)擠出機(jī)的調(diào)速范圍在1：6，對(duì)通用性大的小規(guī)格擠出機(jī)調(diào)速范圍可達(dá)到1：10，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定螺桿轉(zhuǎn)速范圍為： n=50~260r/min
擠出機(jī)功率的確定
驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率.用P表示，單位為千瓦（KW）。它表征擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。擠出機(jī)螺桿消耗的功率所涉及的因素是多方面的。雙螺桿擠出機(jī)功率的確定通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，根據(jù)我國(guó)同向雙螺桿擠出機(jī)基本參數(shù)表(JB/T 5420-91)選取擠出機(jī)主電機(jī)功率:P=55KW.
擠出機(jī)加熱功率的確定
擠出機(jī)加熱功率是指機(jī)筒加熱功率：用H表示，單位為千瓦（KW）它表示了擠出機(jī)的加熱能力。
通常情況下按機(jī)筒的內(nèi)表面積計(jì)算加熱功率：
H=
==41.1KW
式中 H——機(jī)筒加熱功率，單位為KW；
——機(jī)筒內(nèi)直徑，單位為mm；
A——單位面積的加熱功率，W/。
A值根據(jù)各種塑料性能靠經(jīng)驗(yàn)選定，取A=5.5× W/。
第3章 同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)主要零部件的設(shè)計(jì)
同向嚙合雙螺桿擠出機(jī)主要零部件包括螺桿、機(jī)筒、分流板、過(guò)濾網(wǎng)、料斗及料斗傳輸螺桿、電機(jī)、減速器等裝置。
3.1 主螺桿的設(shè)計(jì)
螺桿是擠出機(jī)的核心部分，是輸送、塑化塑料的最重要部件。其結(jié)構(gòu)性能將直接影響擠出機(jī)的生產(chǎn)率、塑化混合質(zhì)量和能量消耗。
由于聚氯乙烯（PVC）為非結(jié)晶型高聚物，它從玻璃化溫度到粘流溫度的溫度范圍較大，其熔融過(guò)程是在一個(gè)比較長(zhǎng)的距離后才能全部熔融，出于制造成本和膠料的均勻混煉和塑化考慮，采用漸變型普通螺桿，螺紋斷面形狀為矩形。
3.1.1 螺桿的基本尺寸初步確定
螺桿的螺紋長(zhǎng)度為：L=30D=30×72=2160mm
根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，螺桿三段長(zhǎng)度的分配如表3.1。
表3.1 長(zhǎng)度分配比例表
塑料類(lèi)型
加料段
壓縮段
計(jì)量段
非結(jié)晶型塑料
10%~25%全長(zhǎng)
55%~65%全長(zhǎng)
22%~25%全長(zhǎng)
結(jié)晶型塑料
60%~65%全長(zhǎng)
1~2 螺距
25%~35%全長(zhǎng)
所以：加料段=（10%~25%）L，取 =0.15L=0.12×2160=259mm
壓縮段=（55%~65%）L，取 =0.6L=0.65×2160=1404mm
計(jì)量段=（22%~25%）L，取=0.25L=0.23×2160=497mm
螺桿壓縮比。因壓縮比的確定非常復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。對(duì)塑料而言，螺桿幾何壓縮比大多數(shù)為2~5,根據(jù)常用塑料螺桿的幾何壓縮比表，選取螺桿壓縮比：ε=3
為了加工方便，等距螺桿取S=D
螺距S： S=D=72mm
螺紋頭數(shù)： i=1
螺紋升角：=arctan=arctan=
螺棱法向?qū)挾萫：根據(jù)對(duì)緊密共軛齒廓的要求和齒輪傳動(dòng)嚙合基本原理，考慮到螺桿制造和安裝方便，同時(shí)為了更好的對(duì)物料進(jìn)行充分混合，把螺桿設(shè)計(jì)成接近共軛型，取螺棱法向?qū)挾葹椋?e==30mm
螺棱軸向?qū)抌：b=e/Cosφ=30/Cos=12.6mm
螺槽法向?qū)扙：E=S×Cos－30=72×Cos－30=38.7mm
螺槽軸向?qū)払：B=D―b=72―31.4=40.6mm
螺桿與機(jī)筒間隙δ=0.3mm
3.1.2螺桿材料的選擇
螺桿工作時(shí)不僅所受扭矩較大，而且是在高溫、高壓下工作。因螺桿要與機(jī)筒配合工作，所以還要受到機(jī)械摩擦磨損、刮磨及塑料摩擦的作用，某些塑料還會(huì)有較強(qiáng)的化學(xué)腐蝕作用。所以螺桿可能產(chǎn)生扭斷、因磨損嚴(yán)重而與機(jī)筒間隙增大使產(chǎn)量降低等失效形式。
根據(jù)以上螺桿的實(shí)際工況，要保證螺桿能正常工作，必須選擇合適的材料。其材料性能要求為：機(jī)械性能好，耐磨性能好，耐腐蝕性能好，加工性能好。由于38CrMoA1綜合性能好且是擠出機(jī)螺桿應(yīng)用最廣泛的材料，因此選擇38CrMoA1作為螺桿的材料。
3.1.3螺桿設(shè)計(jì)計(jì)算
到此已知螺桿參數(shù)為：
最高轉(zhuǎn)速：
最高產(chǎn)量：G=200Kg/h
螺桿直徑：D=72mm
螺距S： S=72 mm
長(zhǎng)徑比： L/D=30
螺槽法向?qū)挾龋篍=38.7mm
螺槽軸向?qū)挾龋築=40.6mm
螺棱法向?qū)挾龋篹=30mm
螺棱軸向?qū)挾龋篵=31.4mm
螺紋升角：=
查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆積密度為
固相密度
液相密度
熔池溫度
由于雙螺桿擠出機(jī)的理論很不成熟，加之螺桿嚙合部分容積相對(duì)于整個(gè)螺桿來(lái)說(shuō)很小，故可以把雙螺桿看成兩根單螺桿進(jìn)行計(jì)算，然后做一定的因雙螺桿嚙合帶來(lái)數(shù)據(jù)校正。
（1）計(jì)算熔融速率。
為了保證穩(wěn)定的擠出過(guò)程，熔體輸出量、固體輸送量和固體熔融量應(yīng)該平衡。即：
式中 ——固體輸送量；
——單位面積熔融速率；
——固體粒料與機(jī)筒的接觸面積；
——熔體密度；
——熔體輸出量；
取螺桿轉(zhuǎn)速下塑料的輸出量為：G=200Kg/h
=
估算面積A。由于螺桿嚙合部分沒(méi)有機(jī)筒對(duì)物料進(jìn)行加熱，但螺紋嚙合處沒(méi)有機(jī)筒部分占整個(gè)機(jī)筒的比例較小，因此機(jī)筒的總面積約為1.8,其中螺槽占56.3%，假設(shè)其中固體與熔體塑料各占一半，則固體總面積A：
熔融速率：=0.228
（2）計(jì)算計(jì)量段螺槽深度。
為了保證螺桿的硬特性，避免壓力波動(dòng)引起過(guò)大的輸出量波動(dòng)，應(yīng)取較小的值，但為了達(dá)到較好的混合質(zhì)量，又不能取得過(guò)小。綜合上述原因，?。?
由得：=
由于是雙螺桿，則有：
= 取
（3）驗(yàn)算計(jì)量段長(zhǎng)度。
螺桿的剪切速率為：=
當(dāng)溫度為時(shí)，由流變曲線得：
有上文可知：=
令=，由式：得：
= 497mm >94.7mm 合格
（4）確定加料段螺槽深度。
根據(jù)常用塑料的幾何壓縮比表，?。害?3
則加料段螺紋槽深度為： ==5.72mm
取 =5.7mm 驗(yàn)算壓縮比=2.99 正確
（5）驗(yàn)算壓縮段長(zhǎng)度。
計(jì)算螺槽內(nèi)固體粒料厚度減小的速率，即形成熔膜的速率,
=
即固體粒料在壓縮段中移動(dòng)時(shí)，在每秒鐘移動(dòng)的距離上螺槽深度的減小量不能超過(guò)0.456mm .否則固體粒料來(lái)不及完全熔融而堵塞螺槽，引起產(chǎn)量波動(dòng)。此時(shí)固體粒料順著螺槽的流動(dòng)速率：=
則壓縮段順著螺槽展開(kāi)的長(zhǎng)度:=
則壓縮段的最小長(zhǎng)度為:==1032mm
由于1404mm >1034mm
（6）螺桿中心距的確定。
考慮到螺桿的安裝和物料的混合均勻，又不至于螺桿產(chǎn)生干涉，取螺桿的中心距a:a==70.7mm
（6）歸納設(shè)計(jì)結(jié)果。
加料段長(zhǎng)度：=259mm
加料段螺槽深度：=5.7mm
壓縮段長(zhǎng)度：=1404mm
計(jì)量段長(zhǎng)度：=497mm
計(jì)量段螺槽深度：
螺槽軸向?qū)挾龋築=40.6mm
螺棱軸向?qū)挾龋篵=31.4mm
螺桿中心距a：a =70.7mm
3.1.4 螺桿的強(qiáng)度校核與計(jì)算
雙螺桿擠出機(jī)中需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的主要零部件是螺桿和機(jī)筒。進(jìn)行螺桿的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，必須先確定原始數(shù)據(jù)。決定螺桿強(qiáng)度的原始數(shù)據(jù)包括：機(jī)頭最大壓力P、螺桿軸向力及螺桿扭矩。
（1）機(jī)頭壓力的確定
機(jī)頭壓力可以用理論計(jì)算方法和實(shí)測(cè)方法得到。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加到一定程度時(shí)，實(shí)際機(jī)頭壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系并不成正比，在實(shí)際生產(chǎn)中常以試驗(yàn)測(cè)定機(jī)頭壓力。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)量為200 的國(guó)產(chǎn)雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)頭壓力一般為，?。篜=40.0MPa
（2）螺桿軸向力的確定
螺桿軸向力的大小受到物料物理性能、機(jī)頭壓力、螺棱構(gòu)型、螺桿轉(zhuǎn)速及機(jī)筒溫度等、因素的影響。螺桿軸向力可按下式計(jì)算：
式中 ——物料作用在螺桿端面上的總壓力，單位為N；
=πD/4
式中 ——螺桿端部的物料壓力，單位為MPa，國(guó)產(chǎn)擠出機(jī)一般取=30~50MPa。
——?jiǎng)虞d荷產(chǎn)生的附加壓力的沿軸向的力的分量， 約為的1/8~1/4，即=（0.125~0.25），?。?0.2πD/4
所以有：= 1.2πD/4
（3）螺桿冷卻孔直徑確定
由于聚合物在擠出過(guò)程中與金屬接觸面積中有一半在螺桿上，為了避免螺桿過(guò)熱需在擠出過(guò)程中對(duì)螺桿進(jìn)行冷卻。
取螺桿冷卻水孔的直徑：
（3）螺桿強(qiáng)度的計(jì)算
螺桿與減速箱傳動(dòng)軸的連接有固定式和浮動(dòng)式兩種。無(wú)論是哪種連接方式在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，都將螺桿視為一端固定的懸臂梁。螺桿主要受到物料壓力P，克服物料阻力所需的扭矩和螺桿自重G的作用。由于雙螺桿的嚙合角度很小，所以計(jì)算時(shí)近似認(rèn)為螺桿所受徑向力大小相對(duì)方向相反，可以抵消。螺桿所受軸向力為。由于螺桿軸向彎曲作用較小可忽略不計(jì)。螺桿自重G對(duì)螺桿產(chǎn)生橫向彎曲作用。因此，螺桿所受的綜合受力作用為：螺桿軸向力、螺桿扭矩及螺桿自重產(chǎn)生的壓、扭、彎的力的組合。由于加料段螺桿的根徑較小，承載能力最低，所以強(qiáng)度計(jì)算以加料段的根徑截面為強(qiáng)度計(jì)算、校核截面。
由軸向力產(chǎn)生的壓應(yīng)力：=69.5
式中 ——軸向力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，MPa；
——螺桿的最小內(nèi)徑端面直徑，mm；
——螺桿冷卻水孔直徑，mm.
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ：
=35.8
——主電機(jī)的最大傳遞功率，KW;
——螺桿的最高轉(zhuǎn)速，r/min。
——電動(dòng)機(jī)傳遞效率，此時(shí)校核取1；
C——；
——螺桿的剪切應(yīng)力，MPa；
由螺桿自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：
==
式中 L——螺桿的有效長(zhǎng)度，mm；
——螺桿材料密度，，鋼取7.85；
——由自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，單位MPa；
螺桿的合成應(yīng)力
合成應(yīng)力用第三強(qiáng)度理論計(jì)算，其強(qiáng)度條件為：
查表得的屈服極限： =
有： =71.2MPa<=833MPa
由此可知，該螺桿在工作中是安全的。
由于是雙螺桿嚙合需要，使后續(xù)的配位齒輪難于安裝，螺桿在無(wú)齒端的直徑的大小必然會(huì)大大降低，因此有必要計(jì)算螺桿無(wú)齒端的最小直徑。
螺桿無(wú)齒端只受扭矩的作用。
查表的剪切疲勞極限=288
由得：
=25.6mm
3.1.5 螺桿的技術(shù)要求
材料：采用氮化鋼38CrMoA1。
表面處理：對(duì)材料進(jìn)行氮化處理，處理深度為0.3~0.6mm，
螺桿外圓硬度>65HRC，脆性不大于2級(jí)。
螺桿外圓極限偏差應(yīng)符合GB/T1184-1999 h8的規(guī)定。螺桿的上、下偏差分別為：
上偏差：es=0μm
下偏差：ei=－39μm
螺桿全長(zhǎng)直線度公差值應(yīng)符合 GB/T1184-1996 h7的精度等級(jí)規(guī)定。所以螺桿的直線度公差值為：
螺桿外圓：螺紋槽底徑的表面粗糙度不大于0.8μm，螺棱兩側(cè)的表面粗糙度不大于1.6μm。
3.1.6 螺桿傳動(dòng)系統(tǒng)及止推軸承布置設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)雙螺桿傳動(dòng)系統(tǒng)比較困難的問(wèn)題是配位齒輪和止推軸承的布置。因受螺桿嚙合條件的限制使安裝配位齒輪和止推軸承在空間上受到很大的限制。
本設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)及止推軸承的布置從機(jī)頭開(kāi)始的順序?yàn)椋荷顪锨蜉S承配位齒輪止推軸承。將止推軸承布置在減速箱之后。
雙螺桿傳動(dòng)齒輪布置如圖3.1。
圖3.1 齒輪布置圖
1、2為配位齒輪，c為減速箱輸出齒輪。
3.2機(jī)筒的設(shè)計(jì)
機(jī)筒是雙螺桿擠出機(jī)最重要的部件之一。機(jī)筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響到擠出機(jī)的熱量傳遞的穩(wěn)定性及均勻性；機(jī)筒的加料段設(shè)計(jì)影響到塑料固體輸送效率；機(jī)筒的加工與裝配影響擠出機(jī)的工作性能和機(jī)器壽命。所以，對(duì)于擠出機(jī)機(jī)筒，涉及到其結(jié)構(gòu)形式選擇、機(jī)筒加料口形式確定及其各段與機(jī)頭的連接等問(wèn)題。
3.2.1機(jī)筒的結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇及特性
機(jī)筒的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有多種，主要有分段式、整體式、雙金屬和軸向開(kāi)槽結(jié)構(gòu)形式。
整體式機(jī)筒的特點(diǎn)是加工精度容易滿足，轉(zhuǎn)配誤差??；長(zhǎng)徑比大，零件數(shù)目少；機(jī)筒受熱均勻，配置加熱器不受限制。但整體式機(jī)筒對(duì)加工設(shè)備及加工技術(shù)要求較高，且磨損后修復(fù)困難。
分段式機(jī)筒是將機(jī)筒分成若干段來(lái)加工，各段加工好后通過(guò)法蘭連接起來(lái)。這種機(jī)筒加工比較容易，可適應(yīng)多種長(zhǎng)徑比的要求，對(duì)于長(zhǎng)徑大的螺桿，因過(guò)長(zhǎng)的機(jī)筒整體難以加工，也配以分段式機(jī)筒，但分段多，對(duì)中性不易保證，連接法蘭也會(huì)影響到機(jī)筒的加熱均勻性。為減少裝配困難，分段盡量少。為減少熱量損失，法蘭尺寸盡可能小。
雙金屬機(jī)筒有澆鑄式和襯套式兩種結(jié)構(gòu)形式。襯套式機(jī)筒具有易更換、壽命長(zhǎng)、節(jié)約貴金屬等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)、制造、裝配都較為復(fù)雜。澆鑄式機(jī)筒的優(yōu)點(diǎn)是合金層與機(jī)筒合為一體，在擠出機(jī)機(jī)筒的內(nèi)表面結(jié)合均勻，不會(huì)脫落或開(kāi)裂，耐磨性好，壽命長(zhǎng)，滑動(dòng)性好，但成本高。
軸向開(kāi)槽機(jī)筒能提高固體輸送率，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮被加工物料的性能，如物料的大小、幾何形狀、物料顆粒間的摩擦系數(shù)值，顆粒在凹槽中的抗剪切強(qiáng)度，由顆粒組成的楔形結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，套筒的冷卻性能，螺桿的轉(zhuǎn)速，以及與加熱機(jī)筒的隔熱程度等因素。
綜合上述各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型機(jī)筒的優(yōu)劣以及雙螺桿螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選擇分段式機(jī)筒。
3.2.2機(jī)筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
機(jī)筒壁厚的設(shè)計(jì)，要考慮機(jī)筒的強(qiáng)度要求，還要考慮其結(jié)構(gòu)工藝性以及機(jī)筒傳熱效率等因素，使加工容易，傳熱快且穩(wěn)定。雙螺桿擠出機(jī)筒斷面形狀為型，在綜合了經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，我國(guó)擠出機(jī)生產(chǎn)廠家提出了擠出機(jī)機(jī)筒壁厚的參考值。
根據(jù)參考值，可選擇機(jī)筒壁厚h為： h=40mm
機(jī)筒的內(nèi)徑
機(jī)筒的外徑
機(jī)筒兩孔的中心距為兩螺桿中心距，即為70.7mm.
機(jī)筒總長(zhǎng)度L的確定。
查GB/T297-95,選取安裝在機(jī)筒內(nèi)深溝球軸承的代號(hào)為61810，其內(nèi)徑為50，外徑為65mm ,寬為7mm .軸承端蓋暫取40mm ,螺桿螺紋端末端到軸承需留一段長(zhǎng)度供密封，取該段長(zhǎng)度為30mm. 則螺桿的重長(zhǎng)度L為：L=2160+7+40+30=2237 mm ?。?L=2240mm
3.2.3機(jī)筒的材料選擇
工作時(shí)機(jī)筒受到刮磨、摩擦磨損以及塑料摩擦的作用，一些塑料還會(huì)有較強(qiáng)的化學(xué)腐蝕作用。普通機(jī)筒材料為一般鋼材（如45號(hào)鋼）、鑄鋼或球磨鑄鐵。為了提高機(jī)筒的耐磨性，國(guó)際上的擠出機(jī)機(jī)筒有采用氮化鋼制造，其強(qiáng)度極限約為900MPa。
這里我們選擇40Cr鋼作為機(jī)筒的制造材料。
機(jī)筒的強(qiáng)度計(jì)算
機(jī)筒內(nèi)部受塑料熔料的壓力作用，熔料在機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生的力沿機(jī)筒軸向的分布是相當(dāng)復(fù)雜的，各處壓力不等。由于機(jī)頭處壓力最大，因此一般取機(jī)頭壓力為計(jì)算壓力值。
進(jìn)行機(jī)筒設(shè)計(jì)時(shí)，用壁厚圓筒理論來(lái)對(duì)料筒進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
根據(jù)厚壁圓筒的理論，當(dāng)筒壁內(nèi)受到物料壓力P的作用時(shí)，筒壁上各點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，三向應(yīng)力分別為：徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，切向應(yīng)力。
機(jī)筒的內(nèi)壁處，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力都達(dá)到最大值。
徑向應(yīng)力：
切向應(yīng)力：=63.1MPa
軸向應(yīng)力為： =11.6MPa
由于機(jī)筒為塑性材料，可用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核，機(jī)筒壁厚的強(qiáng)度條件為：
查表得40Cr的屈服強(qiáng)度極限為540MPa,
則：，有：
=89.3MPa<
機(jī)筒強(qiáng)度校核合格，該機(jī)筒可安全工作。
機(jī)筒設(shè)計(jì)的技術(shù)要求
（1） 材料：40Cr。
（2） 內(nèi)孔表面：對(duì)機(jī)筒內(nèi)表面進(jìn)行鍍鉻，鍍層深度為0.05~0.1mm，機(jī)筒體硬度45HRC，鍍鉻層硬度>55HRC，脆性不大于2級(jí)。
（3）公差：機(jī)筒內(nèi)孔極限偏差：上偏差ES=0.231mm 下偏差EI=0.130mm機(jī)筒內(nèi)孔軸線的直線度公差值應(yīng)符合GB/T1184-1996 7級(jí)的精度規(guī)定。則所設(shè)計(jì)機(jī)筒的直線度公差為：
（4）機(jī)筒內(nèi)孔：表面粗糙度不大于1.6。
3.3 螺桿與機(jī)筒的配合要求
3.3.1 螺桿與機(jī)筒的配合間隙
螺桿與機(jī)筒的配合間隙值影響到擠出機(jī)的功率消耗、生產(chǎn)能力、使用壽命、機(jī)器加工成本等問(wèn)題。取值過(guò)大，加工、裝配比較容易容易，但生產(chǎn)能力會(huì)降低，塑料原料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間難以控制，甚至?xí)斐蔁岱纸?。如果取值過(guò)小，功率消耗大，加工、裝配困難，且易使螺桿和機(jī)筒發(fā)生磨損，降低擠出機(jī)使用壽命。
螺桿與機(jī)筒之間的間隙值可按JB1291-73來(lái)選取。則設(shè)計(jì)的雙螺桿擠出機(jī)的螺桿和機(jī)筒之間的間隙取值：
3.3.2螺桿與機(jī)筒的對(duì)中性
擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒的對(duì)中性在設(shè)計(jì)上要求螺桿的中心線與機(jī)筒的中心線重合。然而由于制造、裝配過(guò)程中所產(chǎn)生的螺桿定位面與螺桿中心線不同心、機(jī)筒內(nèi)孔偏差、螺桿徑向跳動(dòng)、螺桿推力面與螺桿中心線不垂直、法蘭平面對(duì)機(jī)筒中心不垂直、內(nèi)孔徑向跳動(dòng)等安裝誤差和加工誤差都會(huì)影響對(duì)中性。要保證螺桿與機(jī)筒的對(duì)中性，一般需要采取以下措施提高對(duì)中性：選取有效的定位基準(zhǔn)和合理的連接方式；提高零件的加工與裝配精度，減少零件數(shù)目。
3.4送料螺桿的設(shè)計(jì)
為了使塑料與其他材料能夠進(jìn)行定量定比例的加入，因此要在機(jī)筒加料口上方添加兩根送料螺桿。其中，一根螺桿用于輸送聚合物塑料顆粒，另一根螺桿用于輸送其他復(fù)合材料。工作時(shí)，只需要分別控制兩根送料螺桿的轉(zhuǎn)速比及兩根送料螺桿與主螺桿之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，就能夠較精確地將復(fù)合原材料通過(guò)送料螺桿送入到塑料顆粒中去混合。沒(méi)根螺桿按照最大輸送能力200kg/h進(jìn)行設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)螺紋斷面形狀為矩形。
送料螺桿的基本參數(shù)設(shè)計(jì)如下。
螺桿直徑D d=40mm
螺紋升角φ φ=17.41°
螺距S S= 40mm
螺紋頭數(shù) 單頭螺紋
螺棱法向?qū)抏 e=0.1d=0.1×40=4mm
螺棱軸向?qū)抌 b=e/Cosφ==4.2mm
螺槽法向?qū)扺 W=SCosφ－e=37.9mm
螺槽軸向?qū)払 B=d－b=35.8mm
螺桿與機(jī)筒之間的間隙
摩擦因數(shù)、 ==0.27
轉(zhuǎn)速n n=200r/min
敞開(kāi)式固體輸送 ==0
由于送料螺桿主要是用于顆粒狀或粉末狀材料的輸送，因此送料螺桿可按照普通螺桿送料段的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
螺桿在n=200r/min的轉(zhuǎn)速下的輸出量為G=200kg/h。
則固體輸送量Q：
由得：=15.5mm
3.5分流板及過(guò)濾網(wǎng)
在擠出機(jī)機(jī)筒與機(jī)頭之間設(shè)分流板（也稱(chēng)多孔板）和過(guò)濾網(wǎng)，其作用是：①防止熔料中的雜質(zhì)和未熔物料進(jìn)入機(jī)頭而堵塞機(jī)頭流道或影響產(chǎn)品質(zhì)量；②使由機(jī)筒來(lái)的熔料的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，并分成若干束，以保證擠出穩(wěn)定；③攪拌混合，增強(qiáng)塑化效果。④設(shè)置料流障礙，以增加背壓來(lái)保證制品的密實(shí)；⑤支撐過(guò)濾網(wǎng)。
3.5.1 分流板
因聚氯乙烯為熱敏性物料，分流板的設(shè)置離螺桿頭部距離要小，以防止積料產(chǎn)生熱分解。但也不能因距離設(shè)置過(guò)小而使物料的螺旋運(yùn)動(dòng)來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致物料縱向流動(dòng)不穩(wěn)定。一般應(yīng)使螺桿頭部至分流板的容積小于或等于計(jì)量段一個(gè)螺紋槽的容積，其距離為0.1D。
目前，國(guó)產(chǎn)擠出機(jī)多采用制造方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平板型分流板。為保證物料流經(jīng)分流板后速度不變，且由于聚氯乙烯為熱敏性物料，把分流板設(shè)計(jì)孔眼尺寸為中間孔眼直徑大而稀疏形式，以降低流道阻力，避免熱分解。本雙螺桿擠出機(jī)分流板的設(shè)計(jì)尺寸及孔眼尺寸分別為：
孔眼直徑
開(kāi)孔率
分流板至螺桿頭部的距離 取
分流板尺寸
分流板的孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要光滑無(wú)死角，以便物料的流動(dòng)和清理。所以孔道的進(jìn)料段設(shè)倒斜角，分流板的材料用不銹鋼2Cr13。
3.5.2過(guò)濾網(wǎng)
對(duì)于加工醫(yī)療用品、電纜、透明制品、薄膜、單絲等產(chǎn)品質(zhì)量要求較高時(shí)，擠出成型需要在分流板上設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。過(guò)濾網(wǎng)一般為金屬網(wǎng)，細(xì)度為20~120目，放置層數(shù)1~5層。網(wǎng)的細(xì)度及層數(shù)由塑料的物料性能、制品的形狀、密度要求及擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)形式等決定。網(wǎng)的放置為：細(xì)的銅絲網(wǎng)放在靠螺桿一側(cè)，粗的銅絲網(wǎng)放在靠分流板一側(cè)。
3.6料斗的設(shè)計(jì)
料斗的設(shè)計(jì)遵循不允許物料結(jié)成團(tuán)、架橋和掛料的原則。料斗角度應(yīng)該大于塑料顆粒的靜止角。為了達(dá)到設(shè)計(jì)所需要求，該擠出機(jī)設(shè)置兩個(gè)料斗：一個(gè)用于盛裝主料；另一個(gè)用于盛裝添加料。如下圖3.2所示：
圖3.2 料斗
3.7 擠出機(jī)電機(jī)的選擇
為了實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速和保證雙螺桿擠出機(jī)50r/min~260r/min 的調(diào)速范圍，選擇直流電機(jī)作為擠出機(jī)電機(jī)。雙螺桿擠出機(jī)功率的確定通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，根據(jù)我國(guó)同向雙螺桿擠出機(jī)基本參數(shù)表(JB/T 5420-91)選取擠出機(jī)主電機(jī)功率為：P=55KW
擠出機(jī)電機(jī)選擇某公司生產(chǎn)的型號(hào)為Z3-250-31直流電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率為55 KW、額定電壓440V、額定轉(zhuǎn)速為500r/min。
3.8 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.8.1 傳動(dòng)方案的確定
本設(shè)計(jì)選取的直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為500r/min，擠出機(jī)設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速為260 r/min，因此需要在電機(jī)輸出軸和螺桿之間設(shè)置減速器，總傳動(dòng)比：==1.92。由參考文獻(xiàn)[1]《雙螺桿擠出機(jī)及其應(yīng)用》知，由于受擠出機(jī)螺桿上配位齒輪大小的限制，防止發(fā)生擠出機(jī)螺桿的配位齒輪與高速級(jí)從動(dòng)齒輪產(chǎn)生干涉，因此把減速箱和螺桿配位齒輪整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成兩級(jí)減速一級(jí)增速。
傳動(dòng)比的分配：由于配位齒輪受到螺桿直徑的限制，如果第一級(jí)傳動(dòng)比取得過(guò)小，則減速器的第二根軸上的小齒輪會(huì)較小，而此軸的直徑較第一根軸大，如此對(duì)鍵和齒輪的強(qiáng)度有很大的不利，因此應(yīng)把第一級(jí)減速的傳動(dòng)比設(shè)置大些取：，則后續(xù)總傳動(dòng)比=0.8
3.8.2齒輪參數(shù)
第Ⅰ減速級(jí)齒輪
（1）選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
選用滲碳淬火的材料制成的齒輪
許用接觸應(yīng)力 由式
接觸疲勞極限
齒輪接觸強(qiáng)度壽命系數(shù) 設(shè)計(jì)擠出機(jī)每天工作24小時(shí)，每年工作300天，預(yù)期壽命為10年，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 由式
查接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)圖表得1 1
接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力 由式
彎曲疲勞極限 查試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
查彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)圖
查彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)圖（假設(shè)模數(shù)小于5mm）
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)
則
（2）齒面接觸疲勞強(qiáng)度
確定齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)，按估取圓周速度=2.4m/s，參考通用機(jī)械所用齒輪傳動(dòng)的精度范圍圖表和齒輪第Ⅱ公差精度與齒輪圓周速度圖表選取小輪分度圓直徑，由式
齒寬系數(shù) 查圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，按相對(duì)軸承為非對(duì)稱(chēng)分布選取
小齒輪齒數(shù) 在推薦值20～40中取 =23
大齒輪齒數(shù)
圓整選取 =55
齒數(shù)比?u
傳動(dòng)比誤差△u/u △u/u=（2.4-2.39）/2.4=0.0042<0.05
小齒輪轉(zhuǎn)矩 ==1050500N·mm
載荷系數(shù)K K==
材料彈性系數(shù) 查材料彈性系數(shù)表 =189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)表
重合度系數(shù) 由推薦值0.85~0.92 =0.88
故：=70.74mm
齒輪模數(shù) ==3.08按漸開(kāi)線齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表圓整
故小輪分度圓直徑：
大輪分度圓直徑：
圓周速度
標(biāo)準(zhǔn)中心距==156mm
齒寬
大齒輪齒寬 取=57mm
小齒輪齒寬 取=65mm
（3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
由式
查齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)表
齒形系數(shù) 小輪 大輪
應(yīng)力修正系數(shù) 小輪 大輪
重合度
重合度系數(shù)
=
=
（4）齒輪其他主要尺寸計(jì)算
齒根圓直徑
齒頂圓直徑
第Ⅱ級(jí)減速及第Ⅲ級(jí)增速齒輪
此兩級(jí)的傳動(dòng)方式為小齒輪與大齒輪嚙合把功率傳遞給大齒輪，然后大齒輪和配位齒輪嚙合把功率傳遞給配位齒輪，兩螺桿上的配位齒輪需要錯(cuò)位配置。由于兩螺桿上的配位齒輪錯(cuò)位配置，因此第Ⅱ級(jí)減速齒輪為參數(shù)相同的兩對(duì)齒輪，沒(méi)對(duì)齒輪傳遞的功率是總功率的一半，即：
（1）選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
選用滲碳淬火制作齒輪
許用接觸應(yīng)力 由式
接觸疲勞極限 查圖
接觸強(qiáng)度壽命系數(shù) 設(shè)計(jì)擠出機(jī)每天工作24小時(shí)，每年工作300天，預(yù)期壽命為10年，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 由式
此時(shí)三個(gè)齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)都大于，查接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)圖表得1 1
接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力 由式
彎曲疲勞極限 查試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù) 查彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)圖
彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù) 查圖（假設(shè)模數(shù)小于5mm）
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)
則
（2）齒面接觸疲勞強(qiáng)度
確定齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)，按估取圓周速度=2.1m/s，參考通用機(jī)械所用齒輪傳動(dòng)的精度范圍圖表和齒輪第Ⅱ公差精度與齒輪圓周速度圖表選取
小輪分度圓直徑，由式
由于螺桿上的配位齒輪的大小受到空間的嚴(yán)格限制，因此先確定配位齒輪的分度圓直徑。
由于兩螺桿的中心距為70.7mm，兩配位齒輪錯(cuò)位放置，螺桿上安裝配位齒輪段的直徑大致取50mm，考慮到安裝容易，則配位齒輪的齒頂圓直徑不能超過(guò)85mm,假設(shè)模數(shù)為3，則齒輪的分度圓直徑最大為79mm,此時(shí)齒輪齒數(shù)為26.3， 取
配位齒輪分度圓直徑
小齒輪齒數(shù) 圓整取
齒數(shù)比u
傳動(dòng)比誤差
小齒輪分度圓直徑
為了空間需要取取大圓齒數(shù)
大齒輪的分度圓直徑：
查圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，按相對(duì)軸承為非對(duì)稱(chēng)分布選取=0.8
小齒輪轉(zhuǎn)矩 = =525250N·mm
載荷系數(shù)K=
載荷系數(shù)K K== =1.44
材料彈性系數(shù) 查材料彈性系數(shù)表=189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)表
重合度系數(shù) 由推薦值0.85~0.92 =0.88
故： =25.2mm
因此滿足接觸疲勞強(qiáng)度
圓周速度
小齒輪和大齒輪的標(biāo)準(zhǔn)中心距
==156mm
配位齒輪和大齒輪的標(biāo)準(zhǔn)中心距
==145.5mm
齒寬
取大齒輪齒寬
小齒輪齒寬 取=68mm
配位齒輪齒寬
（3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
由式
查齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)表
齒形系數(shù) 小輪 大輪
應(yīng)力修正系數(shù) 小輪 大輪
重合度
重合度系數(shù)
重合度
重合度系數(shù)
因此有：
=
=
=
（4）齒輪其他主要尺寸計(jì)算
齒根圓直徑
齒頂圓直徑
3.8.3 齒輪軸的確定
根據(jù)整個(gè)減速箱設(shè)計(jì)規(guī)劃，軸Ⅱ上的齒輪最多，出于減速箱加工工藝和降低成本需要減速箱兩側(cè)內(nèi)壁在同一平面上，因此減速箱的寬度由軸Ⅱ來(lái)確定。
軸Ⅱ的計(jì)算
（1）計(jì)算軸轉(zhuǎn)矩
軸Ⅱ的輸出功率： =55×0.97×0.99=52.82KW
轉(zhuǎn)速：=208.3r/min
求軸上轉(zhuǎn)矩 =1940119N·mm
（2）求作用在齒輪上的力
（3）初步估算軸直徑
選取38GrMoAlA作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
由式 計(jì)算軸的最小直徑并加大3%考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的影響，查表取A=90，得：
（4）軸的結(jié)構(gòu)
1）擬定軸的結(jié)構(gòu)方案
采用調(diào)心滾子軸承。軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖3.3所示：
圖3.3 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1） 確定各軸段直徑和長(zhǎng)度
①段 根據(jù)圓整（按GB/T288-1994）,且符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，暫選調(diào)心滾子軸承型號(hào)為22212C/W33, ，其寬度。軸承潤(rùn)滑方式選擇：
，選擇脂潤(rùn)滑。齒輪3與減速箱體內(nèi)壁間隙取，考慮到軸承脂潤(rùn)滑，取軸承距箱體內(nèi)壁距離，為了使齒輪軸向可靠定位，軸①段應(yīng)伸入齒輪3內(nèi)孔一段距取其長(zhǎng)度為，則有 ：
②段 ，齒輪3與齒輪2之間的間隙取10mm，為了使與左軸承相連的套筒1端面可靠地壓緊齒輪3，軸段②上齒輪3占據(jù)的長(zhǎng)度應(yīng)比輪轂孔短1~4mm，取其長(zhǎng)度為2mm，為了使套筒2可靠地壓緊齒輪2，軸段②還應(yīng)在以上長(zhǎng)度基礎(chǔ)上加上2mm，則：
③段 ，套筒2端面可靠地壓緊齒輪2，應(yīng)比齒輪2的輪轂長(zhǎng)度短2mm
④段 取齒輪2右端定位軸肩高度為，則軸環(huán)直徑，長(zhǎng)度取
⑤段 因齒輪4和齒輪3的技術(shù)參數(shù)完全相同，考慮到加工方便和降低成本，取，為了使套筒3端面可靠地壓緊齒輪4，應(yīng)比齒輪轂孔的長(zhǎng)度短2mm
⑥段 長(zhǎng)度和直徑都和①段相同
2） 確定軸承及齒輪作用力位置
（5）繪制軸的彎矩和扭矩圖
1）求軸承反力
V垂直面
H水平面
2）求危險(xiǎn)截面處的彎曲
軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和當(dāng)量彎矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖及當(dāng)量彎矩圖中可以看出，C截面的當(dāng)量彎矩最大，是軸的危險(xiǎn)截面。C截面處的M、T及的數(shù)據(jù)如下。
V垂直面
H水平面
合成彎矩
扭矩 =1940119N·mm
（6）按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度
當(dāng)量彎矩
=
軸的材料為38GrMoAlA，調(diào)質(zhì)處理。查表可得：，，取84～93，取，則軸Ⅰ的計(jì)算應(yīng)力為： =
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該軸滿足強(qiáng)度要求
軸Ⅰ的計(jì)算
由于齒輪較小，傳遞功率較大，把軸和齒輪做成齒輪軸。
（1）求軸Ⅰ轉(zhuǎn)矩
軸Ⅰ的輸出功率：
轉(zhuǎn)速：
求輸入軸上轉(zhuǎn)矩:
==1050500N·mm
（2）計(jì)算作用在齒輪上的力
（3）初步估算軸直徑
選取38GrMoAlA作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
由式 計(jì)算軸的最小直徑
查表取A=90，得：
（4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）擬定軸的結(jié)構(gòu)方案
右擋油圈和右軸承從軸的右端裝入，右擋油圈左端面靠軸肩定位。左擋油圈和左軸承從軸的左端裝入，左擋油圈靠軸肩定位。半聯(lián)軸器靠軸肩定位。左右軸承均采用軸承端蓋，半聯(lián)軸器靠軸肩得到軸向固定。齒輪和半聯(lián)軸器采用普通平鍵得到周向固定。采用調(diào)心滾子軸承和彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器。軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖3.4所示。
圖3.4 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2）確定各軸段直徑和長(zhǎng)度
①段 此軸段用于聯(lián)軸器的安裝，根據(jù)圓整（按GB5014-85圓整），其直徑應(yīng)該與聯(lián)軸器的孔徑相配合，并根據(jù)輸入軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選用型號(hào)為HL4聯(lián)軸器(GB/T5014-1985)，為了使軸端擋圈能夠可靠地對(duì)半聯(lián)軸器進(jìn)行軸向定位，取比轂孔長(zhǎng)度短1~4作為①段長(zhǎng)度。
②段 為了使半聯(lián)軸器軸向能夠可靠得定位，軸肩高度取，半聯(lián)軸器孔倒角C取2mm，并且要符合標(biāo)準(zhǔn)密封內(nèi)徑(JB/ZQ4606-86)。取端蓋寬度為，端蓋外端面與半聯(lián)軸器右端面留空隙，則
③段 為了方便軸承內(nèi)圈的裝拆，應(yīng)，并且應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑。根據(jù)GB/T288-1994，初選調(diào)心滾子軸承代號(hào)為22212 C/W33，，其寬度B為。軸承潤(rùn)滑方式的確定：
，選擇脂潤(rùn)滑，考慮擋油圈寬度為17mm。
④段 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知軸承的安裝尺寸,?。?。由軸Ⅱ的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，齒輪軸向中點(diǎn)到箱體左內(nèi)壁的距離為116.5mm，軸承右端面距箱體內(nèi)壁為7mm,則有：
⑤段 該段為齒輪所占長(zhǎng)度，長(zhǎng)度等于齒輪寬度。
⑥段 由于箱體內(nèi)壁相對(duì)于齒輪對(duì)稱(chēng)，因此該段與4段數(shù)據(jù)相同。
⑦段 該段數(shù)據(jù)與3段數(shù)據(jù)相同
3）確定軸上圓角和倒角尺寸
各軸肩出的圓角半徑為R2，軸端倒角為2×45。
4）確定軸承及齒輪作用力位置
（5）繪制軸的彎矩和扭矩圖
1）求軸承的反力
H水平面
V垂直面
2）求齒寬中點(diǎn)處彎矩
H水平面
V垂直面
合成彎矩M =
扭矩 =1050500
（6）按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度
當(dāng)量彎矩
=
軸的材料為38GrMoAlA，調(diào)質(zhì)處理。查表可得：，，取84～93，取，則軸Ⅰ的計(jì)算應(yīng)力為：
=
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，該軸滿足強(qiáng)度要求。
軸Ⅲ的計(jì)算
（1）計(jì)算軸轉(zhuǎn)矩
軸Ⅲ的輸出功率： =52.82×0.97×0.99=50.72KW
轉(zhuǎn)速：=96.8r/min
求軸上轉(zhuǎn)矩=5003884N·mm
（2）計(jì)算作用在齒輪上的力
（3）初步估算軸直徑
選取38GrMoAlA作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
由式 計(jì)算軸的最小直徑并加大3%考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的影響
查表取A=90，得：
（4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）擬定軸的結(jié)構(gòu)方案
右齒輪和右軸承從軸的右端裝入，右齒輪左端面靠軸肩定位，右齒輪和右軸承之間用定位套筒使右軸承左端面得以定位。左齒輪和左軸承從軸的左端裝入，齒輪右側(cè)端面靠軸肩定位，左齒輪和左軸承之間用定位套筒使左軸承右端面得以定位，左右軸承均采用軸承端蓋。齒輪采用普通平鍵得到周向固定。采用調(diào)心滾子軸承。軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖3.5所示。
圖3.5 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2）確定各軸段直徑和長(zhǎng)度
①段 根據(jù)按GB/T288-1994圓整，選擇調(diào)心滾子軸承型號(hào)為22215C/W33,其寬度。軸承潤(rùn)滑方式的選擇：
，選擇脂潤(rùn)滑?？紤]軸承潤(rùn)滑，取軸承距箱體內(nèi)壁距離為7mm。由軸Ⅱ計(jì)算可知，左齒輪軸向中點(diǎn)到箱體左內(nèi)壁的距離為44mm，則：
②段 ，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，應(yīng)比齒輪轂孔短2mm。
③段 取左齒輪右端定位高度為4mm。由前面計(jì)算軸Ⅱ可知兩齒輪徑向中心距為145mm，則此軸環(huán)的長(zhǎng)度
由于是對(duì)稱(chēng)布置，因此④⑤段分別與②、①段相同。
3）確定軸上圓角和倒角尺寸
各軸肩出的圓角半徑為R1，軸端倒角為2×45。
4）確定軸承及齒輪作用力位置
（5）繪制軸的彎矩和扭矩圖
軸Ⅲ上齒輪與前一級(jí)齒輪和配位齒輪相對(duì)位置如圖3.6。
圖3.6 齒輪相對(duì)位置
其中齒輪5與齒輪3、齒輪7嚙合，齒輪6與齒輪4、齒輪8嚙合。
1）求軸承反力：
H水平面
V垂直面
2）求齒寬中點(diǎn)處彎矩
H水平面
V垂直面
合成彎矩M
由于不受扭矩作用，因此按彎矩進(jìn)行強(qiáng)度校核。
軸的材料為38GrMoAlA，調(diào)質(zhì)處理。查表可得：，，取84～93，取，則軸Ⅰ的計(jì)算應(yīng)力為： =
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該軸滿足強(qiáng)度要求。
螺桿齒輪軸段計(jì)算
（1）計(jì)算軸轉(zhuǎn)矩
每根螺桿的輸出功率：=50.72×0.97×0.99=24.4KW
轉(zhuǎn)速：=260r/min
求軸上轉(zhuǎn)矩
=896230.8N·mm
（2）計(jì)算作用在齒輪上的力
（3）初步估算軸直徑
螺桿的材料為38GrMoAlA，調(diào)質(zhì)處理。
由式 計(jì)算軸的最小直徑并加大3%考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的影響，查表取A=90，得：
（4）軸的結(jié)構(gòu)確定
1）擬定軸的結(jié)構(gòu)方案
由于螺桿擠出工作段直徑最大，因此齒輪和軸承均從軸的右端裝入，因此螺桿非擠出段直徑從左到右依次減小。兩螺桿的中心距為70.7mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，內(nèi)徑大于42mm的滿足選擇要求的軸承的外徑都大于螺桿中心距的一半，因此兩螺桿上安裝在減速箱體同側(cè)的軸承必須錯(cuò)位布置?？紤]到防止一根螺桿的軸承和另一根螺桿非擠出段發(fā)生干涉，則軸承外徑的半徑加上螺桿的半徑必須小于螺桿中心距，由前面初步估算的軸的直徑，如果此段用了軸肩來(lái)對(duì)齒輪或軸承進(jìn)行軸向定位，那么軸的大徑段會(huì)達(dá)到50mm，可選用的軸承的外徑的半徑加上軸的半徑將達(dá)到70mm，而螺桿的中心距只有70.7mm，這樣給制造和安裝的精度誤差帶來(lái)了很大麻煩。因此兩軸承之間螺桿段直徑一樣，靠套筒進(jìn)行軸向定位。左右軸承均采用軸承端蓋，齒輪采用普通平鍵得到周向固定，軸承采用調(diào)心滾子軸承。結(jié)構(gòu)如圖3.7。
圖3.7 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2）確定軸直徑和受力點(diǎn)之間的長(zhǎng)度
根據(jù)圓整，選擇調(diào)心滾子軸承型號(hào)為22209C/W33，其寬度。軸承潤(rùn)滑方式的選擇：
，選擇脂潤(rùn)滑?？紤]軸承潤(rùn)滑，取軸承距箱體內(nèi)壁距離為7mm。由軸Ⅱ計(jì)算可知，齒輪中點(diǎn)到箱體左內(nèi)壁的距離為44mm，則：
齒輪中點(diǎn)到箱體右內(nèi)壁的距離為189mm，且要給另一根螺桿安裝軸承留下空間，取兩軸承之間的軸向間為10mm，則：
（5）繪制軸的彎矩和扭矩圖
1）求軸承反力：
沿齒輪接觸點(diǎn)切平面
垂直平面
2） 求齒寬中點(diǎn)處彎矩
切平面
垂直平面
合成彎矩
（6）按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度
當(dāng)量彎矩 ，取折合系數(shù)為0.6。
=
軸的材料為38GrMoAlA，調(diào)質(zhì)處理。查表可得：，，取84～93，取，則軸Ⅰ的計(jì)算應(yīng)力為： =
螺桿推力軸承的選擇
螺桿的軸向力，軸向力較大，應(yīng)設(shè)置推理軸承。
3.8.4 軸承壽命校核
軸承設(shè)計(jì)的預(yù)期壽命為為1年，由于擠出機(jī)每天24小時(shí)工作，則設(shè)計(jì)預(yù)期壽命小時(shí)數(shù)
軸Ⅰ軸承壽命計(jì)算
該軸選用的軸承為調(diào)心滾子軸承22212C/W33,其額定載荷 (GB/T288-1994).
該軸的轉(zhuǎn)速
軸承工作時(shí)無(wú)沖擊，載荷系數(shù)
當(dāng)量動(dòng)載荷
軸承壽命
軸承壽命校核合格
軸Ⅱ軸承壽命計(jì)算
該軸選用的軸承為調(diào)心滾子軸承22212C/W33,其額定載荷 (GB/T288-1994)。
該軸的轉(zhuǎn)速
軸承工作時(shí)無(wú)沖擊，載荷系數(shù)
當(dāng)量動(dòng)載荷
軸承壽命
軸承壽命校核合格
軸Ⅲ軸承壽命計(jì)算
該軸選用的軸承為調(diào)心滾子軸承22215C/W33,其額定載荷 (GB/T288-1994)。
該軸的轉(zhuǎn)速
軸承工作時(shí)無(wú)沖擊，載荷系數(shù)
當(dāng)量動(dòng)載荷
軸承壽命
螺桿軸承壽命計(jì)算
該軸選用的軸承為調(diào)心滾子軸承22209C/W33,其額定載荷 (GB/T288-1994)。
該軸的轉(zhuǎn)速
軸承工作時(shí)無(wú)沖擊，載荷系數(shù)
當(dāng)量動(dòng)載荷
軸承壽命
軸承壽命校核合格
3.8.5 鍵的校核
軸Ⅰ上的鍵校核
選用普通平鍵A型，按1.5個(gè)鍵進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
軸直徑為
A型普通平鍵尺寸 b×h=14×9
鍵長(zhǎng)
轉(zhuǎn)矩
許用擠壓應(yīng)力
則有：
=
因