单螺杆挤出机设计

3.7单螺杆机出机设计单螺杆挤出机示意图3．7.1螺杆与机筒的材料选择螺杆常用材料的性能要求为：机械强度好，耐腐蚀和抗磨性能好，加工性能好，取材容易。一般选用38CrMoAl氮化钢。38CrMoAl氮化钢的性能如下表:3．7.2螺杆的主要参数的选取与确定螺杆直径：我国挤出机标准所规定的螺杆直径系列有：30、45、65、90、120、150、200。螺杆直径的大小一般根据所加工制品的断面尺寸、加工塑料的种类和所加工的生产率来确定。制品截面积的大小和螺杆直径的大小有一个适当的关系。通常：大截面的制品所选的螺杆直径要大一些，这对于制品的质量、设备的利用率和操作比较有利。螺杆长径比L/D故螺杆工作部分长度L螺杆长径比的增加有以下的好处：•螺杆加压充分可以提高塑料制品的物理机械性能。•可以提高塑化的质量，使制品的外观质量更好。•螺杆特性曲线斜率小，挤出量稳定，切挤出量能提高20%—40%。•有利于类似于PVC粉料挤管的成型。但螺杆长径比过大，会使螺杆加工及装配困难，功率消耗也会有所增加，加大悬臂端自重的弯曲，以至螺杆头部与筒壁间隙的不均匀，甚至造成磨刮筒壁，降低螺杆与机筒的寿命。•螺杆压缩比和螺槽深度确定几何压缩比i等距不等深（通用型）螺杆压缩比的计算式如下：对于大多取经验数据来确定，通用公式H3=(0.025～0.06)Ds。再根据确定的螺杆压缩比计算加料段螺杆槽深度。•螺杆各段的确定高聚物在螺杆中的挤出过程，实际上经历固体输送，熔融和均化的过程。所以一般螺杆都设计成三段：加料段，压缩段及均化段。螺纹断面形状及螺杆头部型式由实验用挤出机的使用特性及要求，确定螺杆头部型式为：梯行螺纹的断面的倾斜角α=10°～15°，圆弧半径取（0.07～0.13），常用于小直螺杆上。•螺杆的螺纹头数在螺杆直径，螺槽深度和螺纹升程相等的条件下，多头螺纹与单头螺纹相比，多头螺纹对物料的正推力大，攫取物料的能力较强，并可降低熔料的倒流现象。但是，整个螺杆都是多头螺纹时，物料分别从螺杆料斗区几条螺槽通道进入到达螺杆头部。在料斗区，往往由于几条螺槽的进料不均匀和各条螺槽的熔融均化和对溶料输送能力不一致，容易引起生产能力波动，压力波动。其结果是制品质量下降。但是有时为了提高某一段的工作能力，单独在某一段上设置多头螺纹。如单头螺纹的螺杆，为了提高加料段攫取物料的能力，加料段设置双头螺纹，提高固体输送能力。采用单头螺纹的螺杆。•螺杆其它参数的选取与确定a.螺纹宽度e太小会使漏流量增加，消弱螺棱强度，降低产量；e太大，增加动力消耗，有局部过热的危险，故要适当选取。由经验公式（0.08～0.12）Db.螺距Se.螺杆的转速范围：根据电动机和传动系统的工作特性知螺杆的转速范围是n=（0~150）r/min3.7.3螺杆的强度计算螺杆受力分析图螺杆综合受力为：螺杆轴向力、螺杆扭矩及螺杆自重产生的压、扭弯的组合。一般加料段及排气段螺杆根径较小，其承受载荷力最低，所以螺杆的加料段以加料段的根径截面计算、校核裁面。A.机头压力的确定机头压力可用理论计算方法和实测方法得到。当关闭机头，可认为挤出量Q=0，若螺杆与机筒间隙正常，机头最大压力可由下式计算：其中：螺杆直径D挤出段长度挤段的螺槽深度螺旋角=17.7º物料粘度tan6233maxhDnLp3hB、螺杆轴向力的确定螺杆轴向力:物料作用在螺杆端面上的总压力=动载荷产生的附加压力的轴向分量=（0.125～0.25）P1则：PZ=（1.125～1.25）21PPPz1P42pD2P42pDC.螺杆的强度计算a.由轴向力产生的压应力=cc)(44)25.1~15.1(2022maxddDPsC=c.由螺杆自重G产生的弯曲应力：=-螺杆材料比重sdd0b2234()(1)bsbsMLDdWdCd.螺杆的合成应力，对塑性材料合成应力用等强度理论计算=[]=224pbcpns3.7.4机筒的强度计算机筒内部受熔料的压力作用，物料在机筒内产生压力沿机筒轴向的分布是相当复的，各处压力不等，因机头压力最大，故一般取机头压力为计算压力值。并且由于机筒外径与内径之比大于1.1,所以用厚壁圆筒理论来进行强度计算。•由轴向力引起的轴向拉应力在机筒全长上不变，即：•==z)(222bbbzrRrpAP222bbbrRpr•因机筒多为塑性材料，所以当计算出三个主应力的最大值后，可用第四强度理论进行设计计算及校核。按第四强度理论-最大变形能理论计算，机筒壁厚的强度条件为：[σ]=σs/n222)()()(21rzzttrxd3．7.5螺杆与机筒的配合要求螺杆与机筒的配合间隙。螺杆与机筒的配合间隙δ的大小涉及到挤出机的生产能力、功率消耗、使用寿命、机器加工成本等问题。δ取值过大，加工、装配容易，但生产能力则会下降，塑料在机筒内的停留时间难以控制，甚至造成熟分解。δ取值过小，加工装配困难，功率消耗增大，且容易使螺杆与机筒磨损，降低机器的使用寿命。螺杆与机筒的间隙δ的选择既要根据加工条件决定，也要考虑被加工物料的性能。一般粘度大的塑料，δ可取大值；粘度小的塑料，δ应取小值。螺杆与机筒的间隙可参考下表选取。螺杆与机筒的对中性，在设计上要求螺杆中心线与机筒中心线重合。但由于制造、装配过程中所产生的螺杆径向跳动、螺杆定位面与螺杆中心线不同心、螺杆推力面与螺杆中心线不垂直、机筒内孔偏差、法兰平面对机筒中心不垂直、内孔径向跳动等加工误差及安装误差都会影响对中性。要保证螺杆与机筒的对中性，一般可以采取以下措施：提高零件的加工与装配精度，减少零件数目；选取有效的定位基准和合理的连接方式。例如螺杆个段之间的连接采用止口连接，便于安装，也提高定位基准。3．7.6挤出量和停留时间螺杆的结构分成三段，塑料在这三段上的运动按一定的规律进行。正常的情况下螺杆三段在结构上应该符合下列的要求：Q1Q2Q3，Q1为加料段流量，Q2为压缩段流量，Q3为计量段流量，否则就会使挤出量不稳定和质量低劣。进料段的输送能力下式是一个纯机械式的挤出机的生产能力的固体输送公式：其中：Q1——进料段的输送能力(kg/h)D平均——螺杆、螺纹的平均直径(cm)—螺纹升角，W——螺槽宽度H1——螺槽深度—塑料密度F——螺槽的横断面积n——螺杆转速(r/min)，—传送系数(0.2-0.4)nFDQcos06.01平均3.7.7单螺杆挤出有关理论一、固体塞原理以Darnell和Moll经典的固体输送理论为基础,并对以下条件作近似简化：螺杆直径与螺槽深度之比D/H1；螺槽宽度与螺旋角对螺槽深度之比的变化相当小；螺槽曲率不计；来推导固体塞段摩擦阻力所诱发的挤出压力P为了对机筒成型法挤出纯UHMWPE过程中在固体塞段的固体输送做全面的分析，作者对这一过程做了系列假设：•认为固体的行为如一连续体；•固体床与整个螺槽壁，即机筒、螺杆根部、主动螺腹和被动螺腹等表面相互接触；•螺槽深度恒定；•螺棱间隙不计；•固体床呈塞流运动。一般固体输送的分析都用到这五条假设：•压力仅为顺螺槽距离的函数；•摩擦系数与压力无关；•重力不计；•离心力不计；•固体塞中的密度变化不计。在开槽机筒中形成的挤出压力趋势图二、熔融理论•固体物料充满螺槽→→→→形成熔膜→→•→→→→→→→→→→螺纹刮下熔体进入熔池•→→因熔池中的熔体挤压而使固体床形变，径向加厚，固体进入熔膜以补充熔体流入熔池→→不断往复逐渐熔化。熔体输送•设：Q1—送料速率；Q2—压缩段熔化速率；Q3—均化段挤出速率。•当Q1≥Q2≥Q3，均化段为控制区，操作平稳；若Q1Q2Q3，供料不足。••★流态：①正流（QD）；②逆流（机头、口模的反压引起的反压流动，QP）；③横流（环流，QT）；④漏流（QL）