螺纹管挤出机的设计毕业设计

毕业设计

题目：螺纹管挤塑机设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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教研室（或答辩小组）及教学系意见

摘要

现如今，塑料工业不断发展和开发，塑料螺纹管和其他品种的塑料管一样，其生产品种和生产工艺也将不断地得到发展，目前已开发出来的有PVC、ABS、HDPE等塑料螺纹管，其中PVC、HDPE塑料螺纹管应用较为广泛。

螺纹管生产效率高，廉价而又实用，是农业灌溉、城市排污、通信电缆保护套等的优质选择。

Abstract

The plastics industry is the emerging industry, is in a modern industry important

profession, compares it with other industries is young, but prospects for development broad Industry sector.

In the machine-building industry, the plastic widespread is used for to make the components, the part. Statistics indicated that probably has 25 plastics to use in mechanical and electrical profession each department every year. Plastic machinery gets up with but step-by-step growing up of development of industry.

In the plastic machinery, the plastic extruding machine is one of most aircraft types, is the plastic products process load biggest one kind of processing machinery. Plastic forces out machine having broad application in modern industry, phi120 plastic extruders among them are used for various thermoplastic plastics’ mainly to force out molding. If deploying the corresponding hand piece and auxiliary engine , selecting and using the right bolt , being able to Geon (soft or hard) plastic continuation such as polyethylene , polypropylene , ABS be pushed against manufacture the tube , film , bottle , belt , silk , granule , board , heterotypic products such as material , wire cable. Its main characteristic is: The characteristic, electricity absorbing the advanced abroad product of the same kind charges a box for being composed of the integration form with forcing out machine. Design bolt having various forms, long footpath ratio is big. Adopt the silicon controlled rectifier continuous current dynamo drive, steeples speed regulating is stable reliable, frequency conversion electric motor also available. Machine is set up outside the tube casting the aluminum heater, and be qualified for have a cooling to use a blower. From digital display temperature under the control of instrument realization, the automation charges the temperature, fixes the temperature. Have axial force overload protection and the moment of torsion overload protection function. Adopt the intellectualized two digitized obvious temperature to charge an instrument, realizes auto control, under the control of accuracy height. The design designing entire allocation, drive including those phi120 plastic forces out machine this time systematically, bolt axle bearing part structure and their design arranging a form, squeezing system, main part school examines.

Key words：Plastic machinery; Plastic forces out machine; Shan bolt

目录

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 课题研究的目的和意义 (1)

1.3国内外在该方向的研究现状及分析 (2)

第2章电动机的选择 (5)

2.1 电动机的可选择类型 (5)

2.2运动情况分析 (6)

2.3传动系统的总体布置 (7)

2.4本章小结 (7)

第3章挤塑机传动系统设计 (8)

3.1挤塑机工作特性的概念 (8)

3.2 挤塑机功率的确定 (9)

3.3挤塑机的转速要求及其调速范围 (9)

3.4传动系统的组成及传动形式 (10)

3.5传动比的确定及分配 (10)

3.6 计算功率及带轮尺寸的确定 (11)

3.7 行星齿轮减速器的选择 (14)

3.8 本章小结 (15)

第4章挤塑机螺杆轴承部分的结构及布置形式 (16)

4.1螺杆轴承的布置形式的设计 (16)

4.2轴承的冷却与润滑 (17)

4.3螺杆与传动轴的装配结构 (17)

4.4止推轴承的选择 (18)

4.5螺杆的装拆 (18)

4.6本章小结 (18)

第5章挤压系统的设计 (20)

5.1螺杆形式的选择 (20)

5.2分离性螺杆的工作性能 (20)

5.3分离型螺杆的设计 (20)

5.4机筒的设计 (23)

5.5机筒的结构类型及选择 (23)

5.6加料段料筒的设计 (24)

5.7加料口的选择 (25)

5.8机筒材料的选择 (25)

5.9本章小结 (26)

第6章挤塑机主要部件的强度校核 (27)

6.1螺杆的强度校核 (27)

6.2挤塑机主要零部件的安全系数的确定 (31)

6.3 本章小结 (33)

第7章挤塑机加热冷却系统的设计 (34)

7.1挤塑机的加热方式 (34)

7.2挤塑机的冷却装置 (34)

7.3本章小节 (35)

结论 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

第1章绪论

1.1课题背景

塑料机械师机械工业的一个重要组成部分，塑料机械成型对塑料制品的发展起着至关重要的作用。目前塑料制品成型加工有多种方法，如挤出成型、注塑成型、压延成型和浇注成型等。其中塑料制品用挤出成型法成型，在塑料制品中所占比例较大，按成品的重量计算，约占总产量的1/3.由此可以看出，挤出成型是塑料制品的主要成型法，它可以挤塑大部分热塑性塑料。挤出机发展的现有四大趋势。

高效、多功能化。塑料挤出机的高效主要体现在高产出、低能耗、低制造成本方面。在功能方面，螺杆挤出机已不仅仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加工，它的用途已拓宽到食品、饲料、电极、炸药、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。

大型化和精密化。实现挤出成型设备的大型化可以降低生产成本，国家重点建设服务所需的重大技术装备，大型乙烯工程配套的三大关键设备之一的大型挤压造粒机组长期依靠进口，因此必须加快国产化进程，满足石化工业发展需要。而精密化可以提高产品的含金量，如多层共挤复合薄膜等均需要精密挤出，而作为实现精密挤出的重要手段——熔体齿轮泵必须加大力度进行开发研究。

模块化和专业化。模块化生产可以适应不同用户的特殊要求，缩短新产品的研发周期，争取更大的市场份额；而专业化生产可以将挤出成型装备的各个系统模块部件安排定点生产甚至进行全球采购，这对保证整期质量、降低成本、加速资金周转都非常有利。

智能化和网络化。发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术，对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量，各种原料的配比、电机的电流电压等参数进行在线检测，并采用微机闭环控制。有的公司已采用网上远程监测、诊断和控制，对挤出成型生产线进行网络控制。这对保证工艺条件的稳定、提高产品的精度都极为有利。

1.2课题研究的的目的和意义

研究挤塑机设备用途工作原理为将塑料固体颗粒或粉末原料由一根或两根以上在机筒内旋转的螺杆输送，加压熔融后从成型模口挤出的成型方法。可以生

产棒、条、管、片、异型材等。设备核心是螺杆的结构形式。配以相应辅机可以实现连续化作业。电线电缆的塑料绝缘和护套是采用连续挤压方式进行的，挤出设备一般是单螺杆挤塑机。塑料在挤出前，要事先检查塑料是否潮湿或有无其它杂物，然后把塑料预热后加入料斗内。在挤出过程中，装人料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进人机筒中，在旋转螺杆的推力作用下不断向前推进，从预热段开始逐渐地向均化段运动；同时，塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用，并且在机筒的外热及塑料与设备之间的剪切摩擦热的作用下转变为粘流态，在螺槽中形成连续均匀的料流。在工艺规定的温度作用下，塑料从固体状态转变为熔融状态的可塑物体，再经由螺杆的推动或搅拌，将完全塑化好的塑料推入机头，到达机头的料流，经模芯和模套间的环形间隙，从模套口挤出，挤包干线芯或缆芯周围，形成连续密实的绝缘层或护套层，然后经冷却和固化，制成电线电缆产品。

1.3 国内外在该方向的研究现状及分析

根据我国塑料制品的发展趋势和产品结构调整的需要以及我国挤塑机工业的实际情况，在今后一段时期内，我国挤塑机行业应重点解决五大问题。

（1）高分子材料拉伸、复合、发泡技术设备拉伸、复合、发泡是成型中极为重要的专项技术，涉及到原料配方、成型工艺、塑料机械和塑料模具。近年来，我国在一些领域已取得较大进展，如PUR反应注射，接近德国水平；发泡管材、发泡塑料网、发泡薄膜已达到实用水平。根据国外发展的市场需求，应重点研究双向拉伸薄膜成型技术及设备，使之达到技术实用化、设备商品化的程度。

（2）平挤出成型工艺与设备以“T”型(或衣架式)机头为标志的成型技术，近年来国外发展迅速，并日趋成熟、完善，其重要性和在塑料加工中所占的分量在快速上升。

我国对这类技术和设备正处于研制起步阶段，多数设备属空白。近年来，我国部分研究及生产单位开发的聚氯乙烯发泡板材(塞路卡法和自由发泡法)生产线，工艺性差，与国外设备相比存在很大差距。

为掌握这类技术，重点要解决机头、冷却、压光装置的设备制造，包括温度尝物体流变的研究。在研制单层片材生产技术和设备的基础上，研制共挤出片材生产技术和设备。

（3）电磁动态原理及应用电磁动态挤出机为世界首创，在一定范围内在某些产品上得到了成功应用 (如用于中小型吹塑薄膜生产)。该挤出机节能省料，经济和社会效益是其他技术所不能比拟的。但目前使用范围不广，除了需要解决相应的成型装置外，在电磁动态挤出理论方面还有待解决高速高效下的热平衡，提高高分子量物料的塑化能力和质量等问题。

（4）在线检测及自动控制技术在塑料工业发达国家，注塑成型材料的数字、智能控制和比例或伺服系统技术已成熟，且在迅速更新提档；挤出成型设备实现

全线联机控制，并与在线检测装置建立反馈系统。

国产塑料成型设备基本上为单机控制，联线控制少，考虑到投入大、成本高，测厚装置及相应的控制技术极少应用。

（5）计算机CAD/CAPP/CAM系统的建立与应用国外已普遍得到应用，国内也具备基础条件，应积极推广普及应用。

综上，我国挤塑机在技术和工艺方面还存在着很大的提升空间。因此，国内塑料机械企业应尽快提高我国塑料机械的设计和制造水平，增加国产塑料机械的市场竞争力。

目前我国已经成为世界第一大挤塑机生产和消费国，但却远不是挤塑机生产强国。我国挤塑机业要追赶世界先进水平，必须要从发展高科技产品、加强塑料加工新技术的开发、研究新型高速精密塑机等方面入手，才能缩短与世界先进水平的差距。

2003年，我国塑料机械工业总产值128.21亿元，销售金额达到122.06亿元，这两项十年来的年均增长率都在13%以上，并拥有了世界最大的塑机企业--海天集团。而在出口方面，2003年我国共出口塑机5.83亿美元，十年来我国的年均塑机出口额增长率达到了41%，去年我国挤塑机出口金额占当年塑机工业总产值的37.9%。但中国轻工机械协会许政仓教授指出，我国在出口产品中，低端产品占90%以上，而进口增长远大于出口增长。去年我国共进口塑机达39.36亿美元，同比增长54.7%，远高于出口增速。而海天集团总顾问、北京化工大学教授王兴天更是一针见血地指出：“我国塑料机械工业水平与世界先进水平的差距正在增大，如果不尽快在高科技方面追赶，我国将失去世界塑机市场竞争的主动权。”

我国在中低端挤塑机产品上对德国的威胁十分严重，他们正试图通过合资或在中国加工部件的形式来降低成本从而与我国竞争。但德方还认为，在高档产品上，中国十分希望能通过合资等方式引进技术而提高其产品质量，但其自身对高档产品的研发和国际市场的高端竞争重视不够。

我国挤塑机产业与国外差距主要表现在塑机的生产速度、精密度、测控水平方面，尤其是精密机方面。我国每年进口的约2万台塑机中有60%是精密注塑机，在多层共挤塑机方面，我国的挤塑机在精确控制层厚方面难以与国外挤塑机相比。在国外普遍应用的全电动塑机，国内没有专利，只能靠引进技术生产。而且在进料、电控方面，国产挤塑机重视度不够，在成本核算十分重要的今天，精确进料对于保证减少废料产生、节约成本是极为重要的一环，从进料斗就可看出国内外产品之间的差距。

要使我国的挤塑机水平尽快与世界接轨，单纯地靠引进国外技术是不够的，必须从前沿技术的自主研发入手，改变我国挤塑机水平的落后局面。目前挤塑机技术在环保和节能、可持续发展的研究上，我国与国外发达国家处于同一起跑线，差距不明显，可以从该领域着手，发展节能环保的新型挤塑机以开拓高端市场。

第2章电动机的选择

2.1电动机的可选择类型

三相异步整流子电机的工作特性曲线与挤出机的工作特性曲线相近，采用它作原动机，能够保证有较高的功率与效率，而且这种电机启动性能好，运转性能稳定，但当调速范围大于1：3时，电动机体积会明显增大，成本也相应地提高，同时挤塑机的工作环境粉尘大，调速范围大。

电动机选择依据：

（1）挤塑机的工作特性。

（2）分析调速范围如何满足。

（3）分析电机的运行特性。

（4）满足厂家的要求。

通过分析可知，挤塑机的工作特性为恒扭矩特性。能满足挤塑机工作特性的电机常用有三相异步整流子电机和直流电动机两种。

两种电机的工作特性如图2-1所示。

图2-1电动机性能表示

通过分析电动机特性及满足要求等方面得到以下结论：三相异步整流子电机的工作特性曲线与挤出机的工作特性曲线相近，采用它作原动机，能够保证有较高的功率与效率，而且这种电机启动性能好，运转性能稳定，但当调速范围大于1：3时，电动机体积会明显增大，成本也相应地提高，同时挤塑机的工作环境粉尘大，调速范围小，所以不选用此种电机。

由图2-1可知，直流电动机的变速范围广，启动也较平稳，具有两种调速方法的特点，使其能够得到充分的利用，挤塑机出口塑料要求也在冷却时有一定的牵引力，这就要求牵引速度与挤出机速度有一定比例，要求牵引速度与挤出速度之间形成反馈，用直流电动机能满足这个要求。

综上所述，直流电动机，其型号为Z4-132-2，此种电机空间利用率高，换向

良好，具有体积小，性能好，重量轻，输出功率大，效率高及可靠性能高的特点，其安装尺寸以及外形尺寸见表如下：

表2-1直流电机尺寸

安装尺寸

A B C D E F CE H K

432 800 180 78 172 20 10 260 28

外形尺寸

AB AC AD HD L L1

450 648 490 906 1220 1580

2.2 运动情况分析

根据：

（1）国内常用。

（2）分析工作机构的工作特性及调速情况。

（3）分析工作机构的性能参数及工作情况。

（4）选用电动机的调速范围和类型。

分析：

（1）机械传动系统在性能、尺寸、重量和布置的要求。

（2）工作环境、高温、低温、潮湿、腐蚀、易燃等

（3）制造工艺性能和经济要求、制造维修费用、生产批量、使用寿命。

根据上述两个步骤，选择两种传动方案：

（1）电机-三角带-行星齿轮-螺杆

（2）电机-联轴器-减速器-螺杆

分析两种传动方案：

（1）皮带传动属于挠性传动，它先靠中间的挠性体（皮带）与带轮之间的摩擦力传递功率，皮带传动结构简单，制造维修方便，传动平稳，吸震性好，噪音小，传动中心距大，具有过载保护。

（2）电机通过联轴器直接与减速器相连，传动链短，效率高，但无过载保护。

结论：根据挤塑机的运动特点，要求工作平稳，噪音低，恒扭距等，所以选择1方案较为合适。

2.3 传动系统的总体布置

传动系统的布置形式多为三种，其一为：电动机放于挤塑机后面，与挤出系

统成一字排列；其二为：电动机放于挤出系统的下面；其三为：大中规格挤塑机的常用形式。此次设计的挤出机为小型挤出机，所以要求占地面积小，外形美观，结构紧凑，安装维修方便。综上所述，选择第二种布置形式最佳，其外形轮廓为：

（a）电动机放于挤塑机后面（b）电动机放于挤塑机下面（c）电动机放于挤塑机上面

图2-2 传动系统布置形式

2.4 本章小结

本章通过对挤塑机工作性能、调速范围及其他要求，初步选定采用直流电动机。通过对传动要求的分析，选择电机—三角带—行星齿轮减速器—螺杆传动方案。并根据实际需要确定传动系统的总体布局。

第3章挤塑机传动系统设计

3.1挤塑机工作特性的概念

传动系统的设计主要考虑如下几个方面的问题，螺杆的驱动功率和传动扭距，螺杆的转速范围及其调节方法，螺杆的轴承布置，传动系统的领部件及其强度计算，各部件的布置是否合理，传动是否使用可靠和符号所规定的噪音标准，操作和维修是否安全方便等。

挤塑机的工作特性，是指螺杆的转与驱动功率和扭距之间的关系，下图为φ120挤塑机驱动率与转速的关系曲线（其中AB 为恒扭矩段；BC 为恒功率段）。

图3-1 挤塑机驱动功率与转速关系曲线 从图中可以看出：挤塑机的驱动功率的消耗是随着转速的提高而增加。并且看出直线的斜率表示扭矩Mt , Mt 是不变的，挤塑机的这种随螺杆的转速n 的增加而其扭矩不变的特性，称之为挤塑机的恒扭矩特性。根据文献[8]P134公式1-5-1可知：

x n K N ?=

(3-1)

式中 N —功率消耗

K —常数（与螺杆几何参数有关）

n —螺杆参数

x —指数（x =1）

根据实验表明：挤塑机的功率的增加与转速近似成正比，挤塑机的工作特性基本上是恒扭矩的。螺杆的转与驱动功率和扭距之间的关系，挤塑机的驱动功率的消耗是随着转速的提高而增加，而其扭矩不变的特性，所以可以看出挤塑机的的特性分布规律。

3.2 挤塑机功率的确定

挤塑机驱动功率受很多因素影响，至今还没有一个比较精确的方法确定，参考文献[1]中的1-5-2b ，一般采用如下经验公式计算驱动功率：

n D K N 2s ××=

(3-2)

式中 N —挤塑机的驱动功率，KW

Ds —螺杆直径，cm

n —螺杆转速，r /min

K —系数，可根据实验和统计分析确定

mm 120=s D 时，K =0.00295

对于该挤塑机则有：

N =0.00295?122?(8～48)

=3.398--20.390 KW

考虑到挤塑机的各种损耗，查实用机械设计手册决定选用Z4-132-2型直流电动机,该电动机的技术数据如下：

表3-1 直流电动机的技术数据表

]2[ 额定功率，

KW

额定转速r/min 最高弱磁转速，r/min 额定电流A 额定电压，U 效率，% 重量Kg 22

3000 3600 55.5

440 88.2 142 3.3 挤塑机的转速要求及其调速范围

挤塑机的转速要求有两方面，一是能无级调速，另外是应有一定的调速范围。前者是为了控制挤出质量及与辅机的配合一致；后者是针对挤出机应具有适应各种加工情况而提出来的，要达到对产品的产量各质量的控制，除可通过控制温度，压力等条件实现外，其中一个重要方面是靠改变螺杆的转速来控制的。以上这几个方面就要求螺杆转速能在一定范围内任意改变。

所谓挤塑机的调速范围就是指螺杆的最高转速与最低转速之间的比值，转速范围的确定是很重要的，因为它是直接影响到挤塑机所能加工的物料和产品的范围，机器的生产率，功率的消耗，制品的质量，设备的成本和操作是否方便等。

对于φ120挤塑机，调速范围应为：

68/48/min max ===n n K

螺杆的线速度因为：

60/2n V ??=π

=2×3.14×(8～48)/60

=0.837～5.024 m/s