双螺杆挤出机

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max n （最高转速）~min n （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： H=

A D L D a D ???+)/()2(10001π =2

10

5.53072)60272(1000

1-?????+??π=41.1KW

式中 H ——机筒加热功率，单位为KW ； 0D ——机筒内直径，单位为mm ； A ——单位面积的加热功率，W/2mm 。

A 值根据各种塑料性能靠经验选定，取A=5.5×210- W/2mm 。

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。 表3.1 长度分配比例表

所以：加料段1L =（10%~25%）L ，取 1L =0.15L=0.12×2160=259mm 压缩段2L =（55%~65%）L ，取 2L =0.6L=0.65×2160=1404mm 计量段3L =（22%~25%）L ，取3L =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

螺纹升角φ：φ=arctan

S

D

π=arctan

3

3

7210

3.147210

--???= 1741'

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/Cos φ=30/Cos 1741' =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：m ax 260/m in 4.3/n r r 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'

查表得:聚氯乙烯（PVC ）的堆积密度为3

/500m kg =ρ 固相密度 3/1400m kg s =ρ 液相密度

3

/1200m

kg m =ρ

熔池温度 C T b 190=

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：S m G A Q ρ=Ω=

式中 S G ——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； m ρ——熔体密度； Q ——熔体输出量；

取螺杆转速4.3/r s 下塑料的输出量为：G=200Kg/h /m Q G ρ==534.6310/m 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 1.8D L π,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 ：0.5A D L π=

熔融速率：0.5G D L

πΩ=

=0.2282/kg s m ?

（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，p

d

Q i Q =

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： 0.2i =

由d p Q Q Q =-得： 1.25d Q Q ==535.7910/m s -? 由于是双螺杆，则有：23()cos d Q D H D b n πφ=-

32

()cos d

Q H D D b n πφ

=

-= 1.574m m 取 3 1.8H m m =

（3）验算计量段长度。 螺杆的剪切速率为：3

D n

H πγ?

=

=1540.1s -

当温度为 C 190时，由流变曲线得：4100Pa s η=? 有上文可知：0.25p Q Q ==531.1610/m s -? 令P ?=P ，由式：3

3

3

1()cos sin 12p P Q D b H L φφ

η

?=

-得：

3

33()cos sin 12p

D b H P L Q φφ

η-=

=94.7m m 497mm >94.7mm 合格

（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

则加料段螺纹槽深度1h 为： 1h

=0.5[D -=5.72mm 取 1h =5.7mm 验算压缩比1133

()()D h h D h h ε-=-=2.99 正确

（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2Z V ,

2Z b

V ρΩ

==44.5610/m s -?

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。此时固体粒料顺着螺槽的流动速率SZ V ：1()cos SZ b G

V H D b ρφ

=

-=0.4033/m s

则压缩段顺着螺槽展开的长度2Z L :2132

()

SZ S Z V L H H V =

-=3449.3m m

则压缩段的最小长度2L 为:2L =2sin S L φ=1032mm

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=30.5D h -+=70.7mm

（6）归纳设计结果。

加料段长度：1L =259mm 加料段螺槽深度：1h =5.7mm 压缩段长度：2L =1404mm 计量段长度：3L =497mm 计量段螺槽深度：3 1.8H m m = 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 、螺杆轴向力Z F 及螺杆扭矩

t

M

。

（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

30~50P M P a =，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：

21P P F Z +=

式中 1P ——物料作用在螺杆端面上的总压力，单位为N ； 1P =πD 2

p

/4

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 。

2P ——动载荷产生的附加压力的沿轴向的力的分量，2P 约为1P 的

1/8~1/4，即2P =（0.125~0.25）1P ，取：2P =0.2πD

2

p

/4

所以有：12Z P P P =+= 1.2πD 2

p

/4

（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：010d m m =

（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 ，克服物料阻力所需的扭矩t M 和螺杆自重G 的作用。由于双螺杆的啮合角度很小，所以计算时近似认为螺杆所受径向力r p 大小相对方向相反，可以抵消。螺杆所受轴向力为z p 。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。

由轴向力产生的压应力c

σ：22

2

01.2()

c s pD

d d σ=

-=69.5M P a

式中 c

σ——轴向力产生的压应力，MPa ；

s

d ——螺杆的最小内径端面直径，mm ；

0d ——螺杆冷却水孔直径，mm. 由扭矩产生的剪切应力τ：

m ax 6

m ax

3

4

1

2

9.5510(1)

16

t s

s N M n W d C η

τπ

?=

-=35.8a M P

max N ——主电机的最大传递功率，KW; m ax n ——螺杆的最高转速，r/min 。 η——电动机传递效率，此时校核取1； C ——0/d d ； τ——螺杆的剪切应力，MPa ；

由螺杆自重产生的弯曲应力b

σ：

34

2

(1)

32

b b b

s

L G

M W d C σπ=

-

-=22

3

4

()0.1

(1)

s s L D d d C γ+-=0.24M P a

式中 L ——螺杆的有效长度，mm ； ρ——螺杆材料密度，3

/m

t ，钢取

7.853

/m

t ；

b

σ——由自重产生的弯曲应力，单位MPa ；

螺杆的合成应力r σ

合成应力用第三强度理论计算，其强度条件为：][42p r στσσ≤+=

查表得的屈服极限： ][p σ=859.8833M P a ?= 有： τ

σσσ4)(2

++=

b c r =71.2MPa<[]p

σ

=833MPa

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。 查表的剪切疲劳极限1[]σ-=2882/N mm

由m ax 6

m ax

3

4

1

2

9.5510(1)

16

t s

N M n W d C η

τπ

?=

-得：

m in d =

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。所以螺杆的直线度公差值为：m

e μ100=

螺杆外圆：螺纹槽底径的表面粗糙度a

R 不大于0.8μm ，螺棱两侧的表面粗糙

度

a

R 不大于1.6μm 。

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。

3.2机筒的设计

机筒是双螺杆挤出机最重要的部件之一。机筒的结构设计是否合理直接影响到挤出机的热量传递的稳定性及均匀性；机筒的加料段设计影响到塑料固体输送效率；机筒的加工与装配影响挤出机的工作性能和机器寿命。所以，对于挤出机机筒，涉及到其结构形式选择、机筒加料口形式确定及其各段与机头的连接等问题。

3.2.1机筒的结构类型选择及特性

机筒的结构类型有多种，主要有分段式、整体式、双金属和轴向开槽结构形式。

整体式机筒的特点是加工精度容易满足，转配误差小；长径比大，零件数目少；机筒受热均匀，配置加热器不受限制。但整体式机筒对加工设备及加工技术要求较高，且磨损后修复困难。

分段式机筒是将机筒分成若干段来加工，各段加工好后通过法兰连接起来。这种机筒加工比较容易，可适应多种长径比的要求，对于长径大的螺杆，因过长的机筒整体难以加工，也配以分段式机筒，但分段多，对中性不易保证，连接法兰也会影响到机筒的加热均匀性。为减少装配困难，分段尽量少。为减少热量损失，法兰尺寸尽可能小。

双金属机筒有浇铸式和衬套式两种结构形式。衬套式机筒具有易更换、寿命长、节约贵金属等优点，但其设计、制造、装配都较为复杂。浇铸式机筒的优点是合金层与机筒合为一体，在挤出机机筒的内表面结合均匀，不会脱落或开裂，耐磨性好，寿命长，滑动性好，但成本高。

轴向开槽机筒能提高固体输送率，但其结构设计需要综合考虑被加工物料的性能，如物料的大小、几何形状、物料颗粒间的摩擦系数值，颗粒在凹槽中的抗剪切强度，由颗粒组成的楔形结构的抗剪强度，套筒的冷却性能，螺杆的转速，以及与

加热机筒的隔热程度等因素。

综合上述各种结构类型机筒的优劣以及双螺杆螺杆挤出机的设计要求，选择分段式机筒。

3.2.2机筒的结构尺寸设计

机筒壁厚的设计，要考虑机筒的强度要求，还要考虑其结构工艺性以及机筒传热效率等因素，使加工容易，传热快且稳定。双螺杆挤出机筒断面形状为∞型，在综合了经验和理论计算结果的基础上，我国挤出机生产厂家提出了挤出机机筒壁厚的参考值。

根据参考值，可选择机筒壁厚h 为： h=40mm 机筒的内径 mm D D 721==

机筒的外径 mm h D D 152********=?+=+= 机筒两孔的中心距为两螺杆中心距，即为70.7mm. 机筒总长度L 的确定。

查GB/T297-95,选取安装在机筒内深沟球轴承的代号为61810，其内径为50，外径为65mm ,宽为7mm .轴承端盖暂取40mm ,螺杆螺纹端末端到轴承需留一段长度供密封，取该段长度为30mm. 则螺杆的重长度L 为：L=2160+7+40+30=2237 mm 取： L=2240mm

3.2.3机筒的材料选择

工作时机筒受到刮磨、摩擦磨损以及塑料摩擦的作用，一些塑料还会有较强的化学腐蚀作用。普通机筒材料为一般钢材（如45号钢）、铸钢或球磨铸铁。为了提高机筒的耐磨性，国际上的挤出机机筒有采用氮化钢制造，其强度极限约为900MPa 。

这里我们选择40Cr 钢作为机筒的制造材料。 机筒的强度计算

机筒内部受塑料熔料的压力作用，熔料在机筒内产生的力沿机筒轴向的分布是相当复杂的，各处压力不等。由于机头处压力最大，因此一般取机头压力为计算压力值。

进行机筒设计时，用壁厚圆筒理论来对料筒进行强度计算。

根据厚壁圆筒的理论，当筒壁内受到物料压力P 的作用时，筒壁上各点处于三向应力状态，三向应力分别为：径向应力r σ，轴向应力z σ，切向应力t σ。

机筒的内壁处，径向应力和切向应力都达到最大值。

径向应力r σ：MPa P D D D D PD r 40121

2

22

1

2

22

1

-=-=???

?

?

?-

-=

σ

切向应力t σ：(

)2

1

2

22

122D D D D P t -+=

σ=63.1MPa

轴向应力z σ为：2

1

2

22

1

D D PD z -=

σ =11.6MPa

由于机筒为塑性材料，可用第四强度理论进行设计计算和强度校核，机筒壁厚的强度条件为：

[]σ

≤

查表得40Cr 的屈服强度极限s σ为540MPa, 则：[]MPa n s 8.2343.2/540/===σσ，有：

=89.3MPa<[]MPa 8.234=σ

机筒强度校核合格，该机筒可安全工作。

机筒设计的技术要求 （1） 材料：40Cr 。

（2） 内孔表面：对机筒内表面进行镀铬，镀层深度为0.05~0.1mm ，机筒体

硬度≥45HRC ，镀铬层硬度>55HRC ，脆性不大于2级。

（3）公差：机筒内孔极限偏差：上偏差ES=0.231mm 下偏差EI=0.130mm 机筒内孔轴线的直线度公差值应符合GB/T1184-1996 7级的精度规定。则所设计机筒的直线度公差为： m e μ101=

（4）机筒内孔：表面粗糙度a R 不大于1.6m μ。

3.3 螺杆与机筒的配合要求

3.3.1 螺杆与机筒的配合间隙

螺杆与机筒的配合间隙f δ值影响到挤出机的功率消耗、生产能力、使用寿命、机器加工成本等问题。f δ取值过大，加工、装配比较容易容易，但生产能力会降低，塑料原料在机筒内的停留时间难以控制，甚至会造成热分解。如果f δ取值过小，功率消耗大，加工、装配困难，且易使螺杆和机筒发生磨损，降低挤出机使用寿命。

螺杆与机筒之间的间隙值可按JB1291-73来选取。则设计的双螺杆挤出机的螺

杆和机筒之间的间隙取值f δ：mm

f

3.0=δ

3.3.2螺杆与机筒的对中性

挤出机螺杆与机筒的对中性在设计上要求螺杆的中心线与机筒的中心线重合。然而由于制造、装配过程中所产生的螺杆定位面与螺杆中心线不同心、机筒内孔偏差、螺杆径向跳动、螺杆推力面与螺杆中心线不垂直、法兰平面对机筒中心不垂直、内孔径向跳动等安装误差和加工误差都会影响对中性。要保证螺杆与机筒的对中性，一般需要采取以下措施提高对中性：选取有效的定位基准和合理的连接方式；提高零件的加工与装配精度，减少零件数目。

3.4送料螺杆的设计

为了使塑料与其他材料能够进行定量定比例的加入，因此要在机筒加料口上方添加两根送料螺杆。其中，一根螺杆用于输送聚合物塑料颗粒，另一根螺杆用于输送其他复合材料。工作时，只需要分别控制两根送料螺杆的转速比及两根送料螺杆与主螺杆之间的转速关系，就能够较精确地将复合原材料通过送料螺杆送入到塑料颗粒中去混合。没根螺杆按照最大输送能力200kg/h 进行设计。所设计螺纹断面形状为矩形。

送料螺杆的基本参数设计如下。 螺杆直径D d=40mm

螺纹升角φ φ=17.41° 螺距S S= 40mm 螺纹头数 单头螺纹

螺棱法向宽e e=0.1d=0.1×40=4mm 螺棱轴向宽b b=e/Cos φ==4.2mm 螺槽法向宽W W=SCos φ－e=37.9mm 螺槽轴向宽B B=d －b=35.8mm 螺杆与机筒之间的间隙f δ mm

f

2.0=δ

摩擦因数b f 、s f b f =s f =0.27

转速n n=200r/min 敞开式固体输送 1P =2P =0

由于送料螺杆主要是用于颗粒状或粉末状材料的输送，因此送料螺杆可按照普通螺杆送料段的设计方法来进行设计计算。

螺杆在n=200r/min 的转速下的输出量为G=200kg/h 。

则固体输送量Q ：43/ 1.1110/Q G m s ρ-==? 由1()cos 2

Q D H D b n πφ=

-得：2()cos Q

H D D b n πφ

=

-=15.5mm

3.5分流板及过滤网

在挤出机机筒与机头之间设分流板（也称多孔板）和过滤网，其作用是：①防止熔料中的杂质和未熔物料进入机头而堵塞机头流道或影响产品质量；②使由机筒来的熔料的旋转运动变为直线运动，并分成若干束，以保证挤出稳定；③搅拌混合，增强塑化效果。④设置料流障碍，以增加背压来保证制品的密实；⑤支撑过滤网。

3.5.1 分流板

因聚氯乙烯为热敏性物料，分流板的设置离螺杆头部距离要小，以防止积料产生热分解。但也不能因距离设置过小而使物料的螺旋运动来不及转变为直线运动，导致物料纵向流动不稳定。一般应使螺杆头部至分流板的容积小于或等于计量段一个螺纹槽的容积，其距离为0.1D 。

目前，国产挤出机多采用制造方便、结构简单的平板型分流板。为保证物料流经分流板后速度不变，且由于聚氯乙烯为热敏性物料，把分流板设计孔眼尺寸为中间孔眼直径大而稀疏形式，以降低流道阻力，避免热分解。本双螺杆挤出机分流板的设计尺寸及孔眼尺寸分别为：

孔眼直径 mm D k 5= 开孔率 %39=k O

分流板至螺杆头部的距离 mm D L k 2.71.0==取 7k L m m = 分流板尺寸 mm E k 11=

分流板的孔道结构设计要光滑无死角，以便物料的流动和清理。所以孔道的进料段设倒斜角，分流板的材料用不锈钢2Cr13。

3.5.2过滤网

对于加工医疗用品、电缆、透明制品、薄膜、单丝等产品质量要求较高时，挤出成型需要在分流板上设置过滤网。过滤网一般为金属网，细度为20~120目，放置层数1~5层。网的细度及层数由塑料的物料性能、制品的形状、密度要求及挤出

机的结构形式等决定。网的放置为：细的铜丝网放在靠螺杆一侧，粗的铜丝网放在靠分流板一侧。

3.6料斗的设计

料斗的设计遵循不允许物料结成团、架桥和挂料的原则。料斗角度应该大于塑料颗粒的静止角。为了达到设计所需要求，该挤出机设置两个料斗：一个用于盛装主料；另一个用于盛装添加料。如下图3.2所示：

图3.2 料斗

3.7 挤出机电机的选择

为了实现在调速范围内的无级调速和保证双螺杆挤出机50r/min~260r/min 的调速范围，选择直流电机作为挤出机电机。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为：P=55KW

挤出机电机选择某公司生产的型号为Z3-250-31直流电动机，其主要技术参数为：额定功率为55 KW、额定电压440V、额定转速为500r/min。

3.8传动系统的设计

3.8.1 传动方案的确定

本设计选取的直流电动机的额定转速为500r/min，挤出机设计的最高转速为

=1.92。260 r/min，因此需要在电机输出轴和螺杆之间设置减速器，总传动比：i=500

260

由参考文献[1]《双螺杆挤出机及其应用》知，由于受挤出机螺杆上配位齿轮大小的限制，防止发生挤出机螺杆的配位齿轮与高速级从动齿轮产生干涉，因此把减速箱和螺杆配位齿轮整个传动系统设计成两级减速一级增速。

传动比的分配：由于配位齿轮受到螺杆直径的限制，如果第一级传动比取得过小，则减速器的第二根轴上的小齿轮会较小，而此轴的直径较第一根轴大，如此

对键和齿轮的强度有很大的不利，因此应把第一级减速的传动比设置大些取：

1 2.4i =，则后续总传动比01

i

i i ==0.8

3.8.2齿轮参数

第Ⅰ减速级齿轮

（1）选择齿轮材料，确定许用应力

选用20C rM nT i 渗碳淬火的材料制成的齿轮 许用接触应力[]H σ 由式lim

lim

[]H H H S σσ=

接触疲劳极限lim H σ 3lim 11600/H N m m σ= 3

l i m 2

1600/H N m m σ=

齿轮接触强度寿命系数N Z 设计挤出机每天工作24小时，每年工作300天，预期寿命为10年，应力循环次数N 由式

1160605001(2430010)h N n jL ==?????92.1610=? 21/N N i =91.1310=?

查接触强度计算的寿命系数N Z 图表得1N Z =1 2N Z =1

接触强度最小安全系数m in H S

1[]16001/1H σ=? 2[]16001/1H σ=? 许用弯曲应力[]F σ 由式lim

m in

[]F F N X

F Y Y S σσ=

弯曲疲劳极限lim F σ 查试验齿轮的弯曲疲劳强度极限lim F σ

2

lim 11000/F N m m σ= 2

l

i m 2

1000

/F N m m σ=

查弯曲强度寿命系数N Y 图 121N N Y Y ==

查弯曲强度尺寸系数X Y 图（假设模数小于5mm ） 1X Y = 弯曲强度最小安全系数m in F S min 1.4F S = 则 21[]714.3/F N m m σ= 22[]714.3/F N m m σ= （2）齿面接触疲劳强度

确定齿轮传动的精度等级，按()311/022.0~013.0n P n v t =估取圆周速度t v =2.4m/s ，