双螺杆挤出机毕业设计全文

第1章 绪论

1.1 塑料挤出概述

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

属是应用最广泛和最重要的两种材料。据统计，在塑料制品成型加工中，挤出成型制品的产量大约占整个塑料制品产量的50%以上。其中不仅包括板、管、膜、丝、和型材等制品的直接成型，还包括热成型、中空吹塑等坯料的挤出加工。除此之外，在填充、共混、改性等复合材料和聚合物合金生产过程中，螺杆挤出很大程度上取代了密炼、开炼等常规工艺。挤出机几乎成为任何一个塑料有关公司或研究所最基本的装备之一。

挤出成型有如此发展趋势主要原因为：螺杆挤出机能将一系列化工基本单

元过程，如固体输送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。近年来，挤出工程的创新表现，更多的过程，如发泡、胶联、接枝、嵌段、调节相对分子质量甚至聚合反应等化学加工过程都愈来愈多地在螺杆挤出机上进行。螺杆挤出工艺装备有较高的生产率和较低的能耗，减少生产面积和操作人员数量，降低生产成本，也易于实现生产自动化，创造好的劳动条件和减少少的环境污染。螺杆挤出这种工艺不仅广泛地用于聚合物加工，而且在建材、食品、纺织、军工、和造纸等工业部门中都得到了愈来愈多的应用。

双螺杆挤出机与单螺杆挤出机相比，能使熔体得到更加充分的混合，应用

更广。

1.2塑料挤出成型设备的组成

一套完整的挤出设备由主机、辅机及控制系统组成。

挤出机是塑料挤出成型的主要设备，即主机。由挤压系统、传动系统及加

热冷却系统和主机控制系统组成。

（1） 挤压系统 由机筒、螺杆和料斗组成，是挤出机的核心工作部分。

（2） 传动系统 由电机、调速装置和传动装置组成。作用是给螺杆提供所需转速和扭矩。

（3） 加热冷却系统 由温控设备组成。作用是通过对机筒进行加热和冷却，以保证挤出系统成型在工艺要求的温度范围内进行。

（4） 控制系统 主要由仪表、电器及执行机构组成。作用是调节控制机筒温度、机头压力和螺杆转速。

挤出机需配置相应的辅助机械设备才能实现挤出成型。根据制品的种类确定辅助设备的组成。通常包括：机头、冷却系统、定量给料系统、电气控制系统、真空排气系统等。

控制系统由各种电器、仪表及执行机构组成。根据自动化水平的高低，可

控制挤出机、辅机的拖动电机及其他各种执行机构按所需的速度、功率和轨迹运行监控主辅机的流量、温度及压力，最终实现对整个挤出成型设备的自动控制和对产品质量的控制。

1.3 挤出机的分类

1.3.1 分类方法

随着挤出机的广泛应用和不断的发展，出现了各种类型的挤出机，其分类方法各异，主要有以下几种：

按装置位置分为立式挤出机和卧式挤出机。

按可否排气分为排气挤出机和非排气挤出机。

按螺杆转速分为普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机

按螺杆数目的多少和结构分为无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。

按用途可分为配混造粒挤出机和生产制品用挤出机。

1.3.2 各挤出机的结构特点及用途

（1）单螺杆挤出机

单螺杆挤出机，造价低、易操作，但塑料混合、分散和均化效果差，滞留时间长且分布广，物料温差较大（指同一断面处）和难以吃粉料。因此，它只适用于一般性造粒和塑料制品的加工。

（2）同向双螺杆挤出机

双螺杆挤出机的特征是两根相互平行的组合式螺杆装在具有8字形孔的机筒内。如果两根螺杆旋转方向相同，称为同向型双螺杆挤出机。根据两根螺杆的啮合型式不同，可分为啮合型和非啮合型两种，常用的为啮合型。

选用双螺杆挤出机的优越性：

① 生产能力大，根据理论计算，在同螺杆直径下，双螺杆挤出机生产量能达到单螺杆挤出机的4倍（实测为2~4倍）。

② 能耗低，双螺杆挤出机的单位能耗仅约为单螺杆挤出机的1/3~1/2左右。 ③ 产品质量好，由于双螺杆挤出机的塑化、混炼性能好，在保证产品强度的条件下，原材料的消耗量下降约1/4~1/5。

双螺杆挤出机在欧美国家中应用的比例：

管材 100% 板材 90%

造粒 100% 异型材 80%

平膜片材 90% 发泡材 60%~70%

同向双螺杆挤出机的显著特点是高效能和多功能。高效能集中于高混炼、高扭矩、低能耗，特别适合工程塑料的共混改性、填充、增韧、增强。多功能表现为螺杆的多种功能的组合，组成不同功能的螺杆形式，以适应不同塑料、树脂的挤出，特别是高性能对树脂和塑料合金的加工。

（3）异向双螺杆挤出机

异向双螺杆挤出机的显著特点是：物料的输送能力和挤出能力比同向双螺杆挤出机的强，在同螺杆直径下，挤出量比同向挤出机一般高1倍左右，物料在机筒内的滞留时间比同向机要短，并且剪切发热小，温差小，物料温度分布十分均匀，物料分散充分。

（4） 锥形双螺杆挤出机 双螺杆是异向啮合。

（5）多螺杆挤出机 我国已开发出四螺杆反应混炼机。它综合了捏合机、螺杆挤出机、缩聚反应器、混炼机、研磨机的特点。

1.4 设计类型的确定

现在在工业生产中复合塑料的应用范围很广，本次设计的挤出机要可以对塑料混合、改性，主要用于生产以聚氯乙烯（PVC ）为主料的复合塑料。

由于同向双螺杆挤出机具有分布混合及分散混合良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适用于聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。并且本次设计的挤出机主要用于复合塑料挤出，因此应设计同向啮合双螺杆挤出机。

第2章 同向啮合双螺杆挤出机

2.1 同向啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性

同向啮合双螺杆挤出机与单螺杆挤出机一样，承担输送、塑化、混合和混炼聚合物的工作，但在工作上与单螺杆挤出机有许多不同点。

同向啮合双螺杆挤出机表现为物料的正位移输送特性。所谓正位移输送特性是这移动的外部表面物质置换了系统中的部分液体的输送方式。啮合同向双螺杆挤出机必须纵向开放，否则螺杆会因为发生干涉而不能正常啮合。意味着螺槽的宽度一定要大于螺棱的宽度，在纵向留下一定的输送物料的通道。纵向开放程度越大，正位移输送能力损失也越多，此时摩擦拖曳和粘性拖曳所起的作用越大。但是无论开放程度多大，物料沿螺槽流动时在螺棱出仍然受阻而改变方向，因此具有一定的正位移输送能力。

由于螺槽纵向开放，由加料口到机头，两螺杆间有一通道，当物料由加料口加到一根螺杆上后，物料在摩擦拖曳作用下沿着这跟螺杆的螺槽向前输送物料至下方的楔形区，在这里物料会受到一定的压缩。因螺棱比螺宽窄，那么另一根螺杆的螺棱不会把物料向前输送的道路堵死。两根螺杆在楔形区有大小相等、方向相反的速度梯度，因此物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进而被另一螺杆托起，在挤出机机筒表面的摩擦拖曳下沿另一根螺杆的螺槽向前输送。

2.2 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格

螺杆直径

螺杆直径：即螺杆的外径，它是挤出机的重要参数，一般用D 表示，单位为mm ，它表征挤出机挤出量的大小。

在设计或选用挤出机前，一般挤出机生产能力及转速已经确定，螺杆直径的选取主要是根据挤出机的产量来确定设计参数：生产以聚氯乙烯（PVC ）为主料的复合塑料，最大产量为 200Kg/h，最高转速为260r/min。

根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)和螺杆直径系列标准，取螺杆公称直径:D=72mm。

螺杆中心距公称尺寸

双螺杆中心距公称尺寸。 指平行布置两螺杆中心的距离，用a 表示，单位为mm 。根据螺杆直径、螺杆计量段螺纹槽深度和计量段啮合程度确定。

螺杆长径比

螺杆长径比。（L/D）来表示，即螺杆有效螺纹部分长度L 与螺杆外径D 之比，它可以表征螺杆的塑化能力和塑化质量，用（L/D）来表示，如下图2.1所示：

图2.1 螺杆示意图

现代塑料挤出工业螺杆长径比较早期螺杆大，国内应用较多的长径比一般范围是20~25，多采用25，最长可达40乃至更高。螺杆长径比的增加有如下好处：（1）螺杆加压充分，能提高塑料制品的物理机械性能。（2）提高塑化质量，制品外观质量好。（3）有利于类似于PVC 粉料挤管的成型。

（4）螺杆特性曲线斜率小，挤出量稳定，挤出量可以提高20%~40%。但螺杆长径比与很多因素有关，因此可以根据加工条件和实际需要再由试验确定，还可以由统计类比的方法来确定。国产同向旋转挤出机的主要技术参数表(JB/T 5420-91)显示生产能力为300kg/h的螺杆挤出机螺杆长径比 L/D=28~32，取 L/D=30。

螺杆转速要求及范围

螺杆转速范围：用n max （最高转速）~n min （最低转速）表示，其单位是r/min。 对挤出机速度要求有两方面，既能实现无级调速又要有一定的调速范围。要求实现无级调速的目的是容易控制挤出质量并与辅机的一致配合；要求有一定的调速范围的目的是为了适应多种加工物料及满足多种工艺要求。在实际生产中，因挤出机开始工作时，机头压力容易出现超常值，所以螺杆转速应缓慢增至工作要求速度；当螺杆运转平稳后，由于加工的原料、制品及生产能力不同要求，要保证质量提高产量，除控制温度、压力等条件外，主要是靠改变螺杆转速进行控制调节。因此，要求螺杆转速在一定范围内可调。多数挤出机的调速范围在1：6，对通用性大的小规格挤出机调速范围可达到1：10，根据经验，确定螺杆转速范围为： n=50~260r/min 挤出机功率的确定

驱动电机功率. 用P 表示，单位为千瓦（KW ）。它表征挤出机的驱动能力。挤出机螺杆消耗的功率所涉及的因素是多方面的。双螺杆挤出机功率的确定通常是根据

经验选取，根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)选取挤出机主电机功率:P=55KW.

挤出机加热功率的确定

挤出机加热功率是指机筒加热功率：用H 表示，单位为千瓦（KW ）它表示了挤出机的加热能力。

通常情况下按机筒的内表面积计算加热功率： 1(πD +2a ) ∙D ∙(L /D ) ∙A H=1000

1⨯(π⨯72+2⨯60) ⨯72⨯30⨯5. 5⨯10-2=41.1KW =1000

式中 H——机筒加热功率，单位为KW ；

D 0——机筒内直径，单位为mm ；

A——单位面积的加热功率，W/m m 2。

A 值根据各种塑料性能靠经验选定，取A=5.5×10-2 W/m m 2。

第3章 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。

所以：加料段L 1=（10%~25%）L ，取 L 1=0.15L=0.12×2160=259mm

压缩段L 2=（55%~65%）L ，取 L 2=0.6L=0.65×2160=1404mm

计量段L 3=（22%~25%）L ，取L 3=0.25L=0.23×2160=497mm

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，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

S 72⨯10-3

螺纹升角φ：φ=arctan=arctan= 1741' -3πD 3.14⨯72⨯10

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 φ－30=72×Cos 1741' －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38CrMoA1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：n max =260r /min =4.3r /s

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

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φ：φ=1741'

3ρ=500kg /m 查表得:聚氯乙烯（PVC ）的堆积密度为

固相密度 ρs =1400kg /m 3

3ρ=1200kg /m 液相密度 m

熔池温度 T b =190C

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：G S =ΩA =ρm Q

式中 G S ——固体输送量；

Ω——单位面积熔融速率；

A ——固体粒料与机筒的接触面积；

ρm ——熔体密度；

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

Q =G /ρm =4.63⨯10-5m 3/s

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1.8πDL , 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 ：A =0.5πDL G 熔融速率：Ω==0.228kg /s ∙m 2 0.5πDL

（2）计算计量段螺槽深度。 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 =Q p d 应取

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： i =0.2

由Q =Q d -Q p 得：Q d =1.25Q =5.79⨯10-5m 3/s

由于是双螺杆，则有：Q d =πDH 3(D -b ) n cos 2φ

H 3=Q d = 1.574mm 取 H 3=1.8mm πD (D -b ) n cos 2φ