xj120橡胶冷喂料挤出机毕业设计说明书

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目录

第一章设计方案的初步确定 (1)

1.1工作原理 (1)

1.2螺杆设计 (2)

1.2.1机构设计以及主要工艺参数的确定 (2)

1.2.2螺杆的消耗功率与电机的选择 (3)

1.2.3螺杆的强度校核 (4)

第二章机筒设计 (7)

2.1加热冷却通道的设计和校核 (7)

2.1.1加料段机筒 (7)

2.1.2中间段和挤出段机筒 (7)

2.1.3机筒的强度校核 (8)

2.2装配应力的计算 (10)

2.3合成应力的计算 (11)

2.4机筒上销钉的布置 (12)

2.5机筒上各处联接螺栓的校核 (12)

第三章销钉设计 (14)

3.1销钉的初步设计 (14)

3.2销钉具体尺寸的设计 (14)

第四章齿轮减速器的设计 (16)

4.1传动部分的设计参数的选取计算 (16)

4.2齿轮传动计算 (19)

4.2.1高速级齿轮传动的校核计算 (19)

4.3轴及轴承的的计算与校核 (29)

4.3.1各轴轴径的初步估算 (29)

4.3.2轴的具体结构设计 (30)

4.3.3各轴的强度校核 (32)

4.4轴承的校核 (42)

4.5各轴上的平键校核 (49)

4.6联轴的选择 (50)

第五章螺杆与低速轴连接的部分计算与校核 (51)

5.1花键的选择与校核 (51)

5.1.1低速轴带花键部分的强度校核 (51)

5.1.2推力轴承的选择与校核 (52)

结论 (53)

参考文献 (54)

致谢 (55)

摘要

本设计介绍了销钉冷喂料挤出机的总体结构设计。在挤出机设计的过程中，主要介绍电机的选择，减速机构的设计与校核，螺杆的设计如长径比、加料段、塑化段、挤出段的分配，还有机筒的设计和冷却水道的安装。减速机构是挤出机的核心部分，其组成零件的选择在下面有详细的介绍。

该挤出机适用于冷喂料的挤出，制品可以分为成品和半成品，胶料在机筒内停留时间较长，因此需要有很好的冷却装置，并且在机筒上钻冷却水道，用来减少胶料在挤出过程中产生的热量。应该值得注意的是销钉在机筒上的位置，避免与冷却水道相干涉。

关键词：销钉冷喂料挤出机；减速机；螺杆；机头

Abstract

The aetioporphyrin design recommended the air-cooling the design. In the extrusion machine design process inter, cardinal recommend the design of the electrical engineering’s select, decelerate mechanism with adjust the design of the riboside, screw such as lengthways diameter ratio, charge zone, extrusion zone of allotment. The decelerate mechanism is which extrude machine the select of the core division, parts of its composition the presentation of the detail.

The extrusion, product that said extrusion machine be applicable to the air-cooling is divided into the completed product sum the semiproduct, glue material in the machine tube inside the staying time is longer, thereupon the requirement the extrusion process inter calorific value that produce.

Key word:Air-cooling the machine screw machine of the machine decelerate principal.

前言

螺杆挤出机已有100多年的使用历史，由于其生产能力高，挤出班成品均匀密实，尺寸准确，更换品种容易，而且较容易实现工艺过程的连续化，自动化，因此在橡胶加工过程中得到日益的广泛的应用。在今天，螺杆挤出机更是向节能，高效，而且操作方便的发展方向。

销钉挤出机是70年代中期在国际上出现的新一代冷喂料挤出机，它一出现就由于其优点二逐渐成为冷喂料挤出机的新发展。与传统的冷喂料挤出机相比它的优点：挤出量大，排胶温度低，能量单耗低，单位挤出量的成本低。

它的结构特点：在机筒的一定部位上装有数排沿机筒圆周方向排列的销钉，销钉直接伸入螺杆的落槽中，在相应的机筒的销钉的位置上螺杆在圆周上切成圆环槽，环槽深度即为螺槽深度在螺杆旋转是由于销钉的作用，加强了对胶料的捏练作用。当胶料在螺槽中呈现环型螺旋状流动时，在其中必然形成一个混合较差的核心，每单核心通过销钉时，便会向销钉左右分流。螺杆每转一周，胶料便会受到（6-10）个销钉的多次分割和搅拌，从而强化捏练，加强了加料在螺杆的螺纹槽中的流动，有利于提高产量，由于胶料在普通冷喂料挤出机的螺纹槽中运动时，受到机筒内壁摩擦阻力的影响产生回流的作用，从而减低了排胶量。而销钉挤出机的销钉起到阻挡胶料回流的作用，从而提高排胶量，降低了能耗，与此同时，在挤出的过程中，由于销钉插入胶料的中间，有利于胶料中热量的导出，有利于降低排胶温度，从而是螺杆的转速有可能进一步的提高，进一步提高产量。由于销钉挤出机的自身的结构特点，在其使用过程中，也有一定的缺点，如作为重要件的销钉在胶料挤出过程中将会受到比较大的弯曲和剪切应力，加之销钉材料，胶料以及意外破坏脱落或其他物品掉入胶料中易引起销钉断裂，弯曲，若不及时发现并且停机处理，会导致螺杆，机筒或整个机台损坏。为防止出现上述情况，就要定期地检查销钉的情况，检测维修比较麻烦（如果一个销钉出现麻烦，就必须将全部的销钉拆出，才能拉出螺杆。）操作费用也相应增加。尽管如此，销钉冷喂料挤出机仍有广泛的前景。

第一章设计方案的初步确定

此次设计的挤出机适应与橡胶的冷喂料挤出机，挤出的成品可直接作为成品或半成品。由于是冷喂料挤出机的长径比要相应的取大，故胶料在机筒内的时间也相应的增加，同时螺杆和机筒要受到较大的轴向力，从热平衡的角度考虑，为使挤出机吃料性能增加，对挤出机的加料段要进行加热，故在机筒上应加加热通道，并采用蒸汽加热；在塑化段和挤出段要进行冷却，又由于在此两段机筒上沿径向排列有销钉，故在机筒上横向开沟槽。在销钉间隙处依次开槽与相临两周向沟槽相通，采用端面密封，循环，并采用水冷。在螺杆中心钻水孔（采用端面密封）,并在中心插入通水管，管中通入冷水，冷水在螺杆前段冷却，螺杆升温后，在螺杆后部加料段放热。对螺杆加热，完成加热冷却过程，从受力角度来说螺杆受力较为复杂，故采用较好的材料并做完整式结构，同样机筒也要承受较大的摩擦，但为了节省贵重金属，故将机筒做成双筒结构，内筒采用耐磨材料而且可以更换，外筒采用普通材料制成。

本次设计的挤出机对传动部分的要求：可以调整螺杆转速（最好是无级调速）并且是传动系统的工作特性满足挤出机的工作特性，而挤出机的工作特性为恒扭矩工作特性。另外再考虑传动效率、成本，制造的难以和控制操作的复杂程度，根据直流电机的优点，本设计的传动部分采用直流电机无级调速机构。

本设计的挤出机的机头部分不是本设计的重点，机头可根据产品结构自行安装。

挤出机的销钉的加工和安装，是本次的设计的重点。

整个机台的布置情况如下：直流电机（平键）联轴器（平键）齿轮减速器（平键）挤出系统螺杆轴向力的封闭传导路线如下:螺杆——止推轴承——轴承座——箱体——联接螺栓——机筒——联接螺栓——机头——胶料——螺杆

1.1工作原理

直流电机通过减速机构将转速和扭矩传递给螺杆，而胶料加入胶料口后，在旋

转螺杆作用下，胶料被搓成团状沿螺槽滚动前进。因螺杆的剪切压塑和搅拌作用，胶料受到进一步的混炼和塑化，呈现出粘流态以一定的压力和温度通过机头得到所需一定形状的制品。

1.2螺杆设计

螺杆的材料为38CrMoAIA,螺杆基本上分为三段：加料段，塑化段和挤出段，销钉安装在塑化段（中间段）和挤出段上。

1.2.1机构设计以及主要工艺参数的确定

螺杆直径：120mm

螺杆长度及其各段长度的分配：根据工艺要求和资料显示去长径比为14，L=120

×14=1680mm，将各段长度分配为，加料段L

1=560mm,中间段L

2

=700mm ,挤出段

L

3

=420mm

螺纹头数：加料段为双头螺纹，且加单螺纹沟槽，中间段和挤出段为双头螺纹螺杆几何压缩比ε：一般冷喂料挤出机的压缩比为1.7-1.8故取1.8

螺纹导程t和螺纹升角β

加料段：双头螺棱，宽取（0.06-0.08）D=7.2-9.6故取8mm

t=（0.6-1.5）D=72-180故取150mm

α=21.71°弹头沟槽：宽取22mm，导程t=55mm

中间段和挤出段:双头螺棱宽取8mm导程t2=t3=80mm,

β2=β3=13.45°

落槽深度H：

加料段：螺棱H

1

=（0.125-0.17）D=（15-20.4）取18mm

沟槽为8mm 中间段和挤出段 H

2=H

3

=18mm

螺纹断面形状：取矩形断面，推料表面与螺杆根径用小圆弧r

1

=6mm,过渡螺纹背面，有较大的过渡圆弧R=12mm

螺杆头部形状：取圆头杆头

螺杆与减速器低速轴的联接方式：采用花键联接，设计与校核见后面的计算螺杆上的沟槽：在塑化段和挤出段上，与机筒销钉对应的位置上揩油周向沟槽，沟槽宽度比销钉直径大4-6mm。

1.2.2螺杆的消耗功率与电机的选择

功率的计算：

N=D3(LD)nk10-5 K

W

（1-1）式中 D=120mm=12cm

LD=14

n

临

=424(D-12)rmin=122.398rmin （1-2）

n=(0.1-0.7)n

临

n取40rmin

K=0.005-0.067， K取0.06

故N=N=58.06KW

选择电机

国产冷喂料销钉冷喂料挤出机的主要性能参数的类比

电机功率 P

d =P

w

η

a

式中p

w

=58.06 KW

ηa =η13η2 3η3=0.963×0.993×0.97=0.84

P

d

=69.12KW 故取75 KW

确定电机的转速：根据有关材料推荐的传动比合理范围即二级圆柱齿轮减速器i=8-40.

故电机转速的可选范围：

n

d =n

螺杆

i=40×(8-40)= rmin

n

d

为1000rmin 按工作要求和条件：选用直流电机查机械手册得：

选Z 额定电压440V 额定电流227A

额定转速最高转速为转

效率η=88%

1.2.3螺杆的强度校核

剪应力的计算：

Nmm2

Mn=Nmaxn

max

η

N

max 电机最大功率 n

max

螺杆最大转速

η取0.7-0.8

Mn=.7= N.mm

Wn=π16d

1

3 (1-4)

d

1

为螺杆根径为内孔径螺纹根径

d

1

为=84mm 取40

Wn=π16843 (1-（4084）4)=110337 mm3

=37=136 Nmm2

压应力计算：

Nmm2

P-胶料对螺杆的轴向作用力N；F-截面断面积mm2

P=200F

1 F

1

为螺杆外径投形面积 cm2

=200π4122 =22608N

F=π4d

1

2 =3.144842=5539mm2

==4.1Nmm2

弯曲应力的计算

最大的弯曲应力在螺杆中部 =MmaxWz

Mmax=GL2 G为螺杆伸出的重量N，L为伸出长度，

=7.9103 Kgm3

G=π8(D2+Ds2)LD127.910-3

=3.148×(144+72.56)×14127.910-3

=111.77Kg

Mmax=111. =93887 N.mm

Wz=π32(d

1

3(1-4))=3. (1-4)=12Wn=55169mm3

∴G=MmaxWz =1.7Nmm2

强度计算：

按第三强度理论计算螺杆材料 38CrMoAlA

= （1-3）=

=272Nmm2

[]=s n

s n

s

=3

s

=835

[]=8353=278.33 Nmm2 故螺杆满足要求。

第二章机筒设计

本次设计将机筒设计为分段式机筒：喂料段，中间段，挤出段，内部结构设计成组合式，每一段都有衬套和外套组成

衬套厚度取（0.1-0.15）D=12-18mm

衬套外径为152mm，外套外径去240mm

2.1加热冷却通道的设计和校核

2.1.1加料段机筒

此段需要加热，设计时用加热蒸汽，故加料段中空。厚度取30mm 加热介质为3-4 公斤里面 2 饱和蒸汽。

2.1.2中间段和挤出段机筒

需要冷却，并且径向需要加销钉，所以轴向钻孔，加冷却水采用端面循环的办法冷却。 2-4 m3=3.841.2350=332 Kg

E

=206×103 Nmm2

1

=150×103 Nmm2

E

2

=0.3

N

1

=0.25

N

2

Pk=0.046{[2X76150(1202+762)( +0.25)]+2X76206[(762+602)()-0.3]}

=7.7 Nmm2

1衬套内壁处：

r=0

2)Pk

t=-2r2(r2-R

1

=2×762()×7.7 =-40.88Nmm 2 2衬套外壁处： r=-Pk=-7.7 Nmm 2 t=-(r 2+R 12)(r 2-R 12)Pk =- (3600+5776)()Pk =-3.3 Nmm 2 外套内壁处： r=-Pk=-7.7 Nmm 2 t=(R 22+r 2)(R 22-r 2）Pk =×7.7 =18 Nmm 2

4.外套外壁处： r=0

t=2r 2(R 22-r 2 )Pk =2×76×76()×7.7 =10.3 Nmm 2

2.3合成应力的计算

如图2.1C ：危险点在衬套及外套内壁处 按第四强度理论 衬套内壁：

xd=[12(r-t)2+(t-z)2+(z-r)2]12《[] （2-10）

r=-107Pa =-1×10 Nmm2

t=1.7×107+(-40.88)=-23.88 Nmm2

z=0

[]=278.3 Nmm2

xd=[12(-10+23.88)2+(-23.88-0)2+(10)2]12

=20.77<[] 满足强度要求

(2)外套内壁：

xd=[12(r-t)2+(t-z)2+(z-r)2]12《[] （2-11）

r=-5-7.7=-12.7 Nmm2

t=12+18=30 Nmm2

z=3.3 Nmm2

xd=[12(-12.7-30)2+(30-3.3)2+(3.3+12.7)2]12

=37.96 Nmm2

[]=65 Nmm2 <[] 满足强度要求

2.4机筒上销钉的布置

销钉布置在中间段和挤出段，销钉的排数及每排的数量的选择，根据有关材料，通过类比，一共布置8排销钉，中间段6排，挤出段2排，而且在外套上加工螺孔，用来安装和拆卸销钉，注意销钉的安装的应该避开冷却水管道。

2.5机筒上各处联接螺栓的校核

机筒上的联接螺栓包括机筒与箱体及各机筒间和机头的联接螺栓，每处都均布得6个螺栓，它们所受的力主要是轴向力P，有前面可知P=22608N所以每个螺栓所受的工作拉力为P6=3768N，为使机筒之间不发生渗漏，则需要预紧力Qp=1MPa乘以

受力面积再除以6.

Qp1=6×π4×202×26=628N 取 650N

Qp1=Qp-(C

m C

m

+C

b

)F

Qp=Qp1+(C

m C

m

+C

b

)Fd≥650+0.25×3768

≥3475N

Qp取3475N

螺栓受总拉力Q=Qp+(C

m C

m

+C

b

)F

Q=34765+0.25×3768

=4409N

满足强度要求条件为：d

1

≥（2-12）

螺栓查资料的[]=

s

s=120 Nmm2

d

1

≥

≥17.8 mm

所以机筒上各处螺栓取M20

第三章 销钉设计

销钉是销钉挤出机的重要组成部件，因此销钉的设计关系到整个设计的好与坏，是本次设计的重点，销钉的安装位置及个数（一共8排，每排6个，中间段6排，挤出段2排）

3.1销钉的初步设计

通过查阅有关资料，销钉端部都应制成圆台，以便在销钉弯曲以后可以方便地从销钉孔中取出来，为了使销钉不易断裂，销钉采用40CrNi.为了保证硬度要求，要进行分段热处理，螺纹以下部分，要保证强度和耐磨要求，要进行调质，硬度33-38HRC 。另外为了保证发现意外时，使销钉螺纹损坏，而不致使机筒螺纹孔损坏，其它部分只需正火，硬度不大于HB.

3.2销钉具体尺寸的设计

（1）销钉的直径：

2286432sin 2nb sin eh e h knhbe d θ

θ++=

（3-1）

e 为螺棱法向宽度7.8mm n 为销钉个数36 b 销钉插入深度16mm 螺纹升角13.43° k 计算系数 6

22647.8183263618167

87.818.813.43

2 3.143616

Sin d Sin θ??+???????+

?≥

????

8.7mm

为考虑其安全使用，可增大销钉直径为12mm，小圆台为10mm 查阅资料，销钉的紧故螺纹取M18，旋合长度取20mm

第四章齿轮减速器的设计

4.1传动部分的设计参数的选取计算

本次设计的减速器装置采用二级减速器，输出端采用花键与螺杆联接，其大体的如图4.1所示

图4.1 减速器结构简图

计算传动装置的总传动比，并分配传动比

i

总=n

d

n

螺

=100050=20

i 1第一级传动比 i

1

==5.1

i 2第二级传动比 i

2

=i

1

(1.3-1.4)=3.9

实际总传动比i=i

1i

2

=5.1×3.9=19.89

i=Ii- i

总

Ii=19..89=0.5%<5% 运动和动力参数的计算

各轴的转速：

I轴：n

I =n

m

=1000rpm

II轴：n

II = n

1

i

1

=10005.1=196rpm

III 轴： n

III = n

II

i

2

= 1963.9=50 rpm

螺杆n

III

=50 rpm 各轴的输出功率：

2=0.98

3

=0.96

4

=0.99

I轴：P

I =P

d 4

=90×0.99=89.1Kw

II轴：P

II =P

d0112

=P

d432

=90×0.99×0.98×0.96=83.82Kw

III 轴：P

III =P

d011213

=P

d432 2 2

=90×0.99×0.98×0.98×0.96×0.96

=78.86Kw

螺杆：P

III2

=78.86×0.96=77.28Kw

III：各轴的输出功率（各轴的输出功率乘以轴承的效率

2

）

I轴：P

I 1=P

I2

=87.32Kw

II轴：P

II 1=P

II2

=82.14Kw

III 轴：P

III 1=P

III2

=77.28Kw

IV各轴的输入转矩

电机轴的输出转矩 T

d =9550P

d

n

m

=9550×901000=859.5 N.M

I轴：T

I =T

d

i

001

=T

d

i

04

=859.5×1×0.99=850.9N.M

II轴：T

II =T

I

i

112

=T

d

i

04

i

123

=859.5×1×0.99×5.1×0.98×0.96=4082.7N.M

III 轴：T

III =T

II

i

223

=T

d

i

04

i

123

i

223

=859.5×1×0.99×5.1×0.98×0.96×0.96×3.9 =14980.N.M

T

螺= T

III 2

=14980×0.98=14680N.M

V：各轴的输出转矩（各轴的输出转矩乘以轴承效率

2

）

I轴：T

I 1=T

I2

=850.9×0.98=833.9N.M

II轴：T

II 1=T

II2

=4082.7×0.98=4001.0 N.M

III 轴：T

III 1=T

II2

=14980×0.98=14680.4 N.M

将以上各参数整理于下表4-1

表4-1 减速器总体分布

功率P（Kw）转矩T N.m 转速

n(rpm) 传动比

i

效率

输入输出输入输出

电机轴90 859.9 1000 1 0.99 I轴89.1 87.32 850.9 833.9 1000 5.1 0.94 II轴83.82 82.14 4082.7 4001.0 196 3.9 0.94

III 轴78.86 77.28 14980 14680.4 50

1 0.98 螺杆77.28 14680 50

4.2齿轮传动计算

4.2.1高速级齿轮传动的校核计算

由于该减速器的功率较大，故大小齿轮都采用40Cr调质及表面淬火，齿面强度为HBS

N

1

=60njLh=60×1000×1×10×300×8

=1.4×109

N

2=N

1

i

1

=0.27×109

Z

N1=1.0 Z

N2

=1.1 Z

X1

=Z

X2

=1 Z

w

=1.6 Z

lvR

=0.92

Hlim1=

Hlim2

=690Mpa

[

H1]=

Hlim1

S

Hmin

Z

N1

Z

x1

Z

w

Z

LVR

（4-1）=634.8 Mpa

[

H2]=

Hlim1

S

Hmin

Z

N2

Z

X2

Z

W

Z

LVR

=6901.0×1.1×1.0×0.92 =698.38 Mpa

按齿面接触强度确定中心距

T

1

=833.9N.M =8.3×105n.mm 初选螺旋角 =11°

Z==0.991

初取KtZ2Et =1.0 Z

E =189.8

a

=0.4 i=5.1

端面压力角 t=

=

=20.1686°

基圆螺旋角

b

==