SJ90-25挤出机设计毕业设计论文.doc

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摘要

塑料挤出机简称挤出机（压出机），它是塑料加工过程中的主要设备之一，挤出机是成型生产线中的主机，它的作用是剪切塑化物料并运输，并为制品成型提供所需要的压力。挤出机可用于成型管材、棒材、板材、片材、薄膜、单丝电缆、中空制品、异型材、各种复制品等，此外，螺杆挤出机还大量用于进行聚合物的造粒、脱水、共混、增强、反应挤出、合金化、喂料及色母料等作业。以挤出为基础，配合吹塑拉伸等工艺完成所需工艺产品的塑造。采用螺杆挤出聚合物距今已有100多年的历史。这种加工方法在聚合物加工工业中占有十分重要的地位。据统计，全球60%以上的产品都是用螺杆挤出法来加工的。挤出成型制品的产量远高于其他聚合物制成品。随着聚合物加工工业的飞速发展，螺杆挤出装备的技术发展和进步收到了人们更多的关注。与其他成型方法相比较，聚合物的螺杆挤出成型法具有一些突出的特点，如生产过程连续；生产效率较高；适用范围广，其不仅能用于加工几乎所有的热塑性塑料制品，而且也能用于挤出一些热固性材料。此外，螺杆挤出设备通常结构较为简单、操作容易，而且投资少，效率快。因此，螺杆挤出成型法已成为目前最广泛采用的一种聚合物成型加工方法，螺杆挤出设备也理所当然成为聚合物成型加工机械中的最重要的机种之一。
挤出机的分类通常是按照螺杆数目分为：单螺杆挤出机，双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。其中前两类目前应用最广泛。此外，也可以按用途分类：造粒挤出机、排气脱挥式挤出机、喂料挤出机、传递混炼挤出机，按结构特点分为：磨盘式挤出机、可视化科研挤出机、电磁动态塑化挤出机、自热式高速挤出机、立式挤出机、阶式多级挤出机等，以上机型还可有通用机和专用机之分。常规型单螺杆挤出机，易操作、造价低因此在聚合物加工工业有着广泛的应用。但它存在混合、分散和均化效果差，物料温差大和难以吃粉料等不足外。因此，通常只适用于一般性造粒和塑料制品的加工。目前，欧美等国单螺杆挤出机应用的比例是：平模及片材10%；异型材20%；发泡材30%~40%；吹膜100%；单丝100%；配混10%本次设计是关于SJ90-25系列的单螺旋挤出机。在工业和实验室中，螺杆挤出机都应用及其普遍，是塑料加工设备的重要元部件之一。作为工业中使用的单螺杆挤出机，在设计过程中，要求能完成固体输送、增压、熔融、熔体输送和泵压等一系列通用过程。主要根已知参数：D=90mm，长径比为25，来设计单螺旋挤出机。此次设计会首先选择合适的电机，然后对减速器进行成型的设计计算、螺杆的设计计算、机筒和箱体及其他的零件进行设计计算。最后对其总体进行校核。

关键词： 挤出机； 减速器； 螺杆； 箱体
Abstract

Plastic extrusion machine called extruder (extruder), it is one of the main equipment in the manufacturing process of plastic, the extruder is molding production line of the host, its role is shearing plasticizing material and transportation, and provide the required pressure molding products. Extruder can be used for molding pipes, bars, plates, sheets, film, wire and cable, hollow products, profile, the replica of the. In addition, screw extrusion is also used extensively for the polymer granulation, dehydration, blending, enhancement, reactive extrusion, alloying, feeding and color masterbatch. Based on extrusion and blow molding process to complete the molding process. The use of screw extrusion polymer dating back more than 100 years of history. This processing method plays a very important role in polymer processing industry. According to statistics, more than 60% of the world's products are processed by screw extrusion process. The production of extruded products is much higher than that of other polymer products. With the rapid development of polymer processing industry, the technology development and progress of the screw extruder has received more attention. Compared with other processing methods, polymer of screw extrusion molding method has some outstanding characteristics, such as continuous production process, high production efficiency and wide application range, which not only can be used for the processing of almost all of the heat plasticity plastic products, but also can some thermosetting material for extrusion. In addition, the screw extrusion device usually has the advantages of simple structure, easy operation, low investment and high efficiency. Therefore, screw extrusion molding method has become the most extensively used a polymer processing methods, screw extrusion equipment have naturally become one of the polymer processing machinery of the most important models.
The classification of the extruder is usually divided into: single screw extruder, twin screw extruder and multi - screw extruder. Among them, the former two types are the most widely used at present. Can also be classified according to purpose: granulating extruder, exhaust devolatilization type extruder, feed extruder, transfer mixing extruder, according to the characteristics of the structure is divided into: disc extruder, scientific visualization extruder, electromagnetic dynamic plasticating extruder, self heating type high-speed extrusion machine, vertical extruder, cascade multilevel extruder etc.. The above models can also be universal machine and the special machine. Conventional single - screw extruder, easy to operate, low cost, so in the polymer processing industry has a wide range of applications. But it has the effect of mixing, dispersing and homogenization, the material temperature difference is big and difficult to eat powder and so on. Therefore, it is generally only applicable to general granulation and processing of plastic products. At present, such as Europe and the United States in single screw extrusion machine is used, the proportion is: flat die and sheet 10%; profile 20%; foam 30% ~ 40%; film 100%; monofilament was 100%; with mixed 10% of the design is the machine extrusion single spiral series on SJ90-25. In the industrial and laboratory, the screw extruder is widely used and widely used. It is one of the important components of the plastic processing equipment. As the industrial use of single screw extruder, in the design process, the requirements can be completed solid conveying, pressurization, melt, melt conveying and pump pressure and a series of general process. The main root parameters are known as D=90mm, the ratio of length to diameter is 25, and the design of single screw extruder. The design will be the first to select the appropriate motor, and then the reducer for the design calculation, the design of the screw, the cylinder and the box and other parts of the design calculation. Finally, the overall check.

Key words: Extruder; Reducer; Screw; Box

目 录
第一章 绪论 1
1.1 设计初步方案 1
1.2 本次挤出机设计布置 2
第二章 挤出机的主要性能参数 3
2.1 螺杆转速 3
2.2 挤出机功率 3
2.3 轴向力P 4
2.4 生产能力Q 4
第三章 电机的选择 5
第四章 减速器设计计算 6
4.1 传动部分设计计算 6
4.1.1 传动比计算 6
4.1.2 各轴转速 6
4.1.3 各轴功率 7
4.1.4 各轴转矩 7
4.2齿轮设计 8
4.2.1 高速级齿轮传动 8
4.3 速比齿轮轴及其上轴承的设计、选择和校核 12
4.3.1 基本轴径的设计 12
4.3.2 高速轴(I轴)的轴径设计 12
4.3.3 中间轴(II轴)的轴径设计 13
4.3.4 低速轴(III)轴的轴径设计 13
4.4 各轴上联接齿轮的键的选取与校核 25
4.4.1 低速级齿轮的健及其校核 25
4.4.2 中间级齿轮的键及其校核 25
第五章 螺杆的设计与校核 27
5.1 螺杆材料 27
5.2 螺杆形式 27
5.3 螺杆参数 27
5.4 螺杆结构 27
5.5 螺纹的断面形状 28
5.6 校核 28
5.6.1 剪应力计算 28
5.6.2 压应力计算 29
第六章 机筒的设计及强度校核 30
6.1 机筒结构设计及材料选择 30
6.3 校核 30
6.3.1 机筒内壁处的工作应力 30
6.3.2 机筒的轴向力 30
6.3.3装配压力Pk计 31
6.3.4机筒内壁强度校核 31
7.1 螺杆与轴联接处的花键的选择与校核[ 32
7.1.1 花键挤压强度校核 32
7.2 推力轴承的选择与校核 32
7.2.1 校验 32
7.2.2 寿命计算 33
7.3 联轴器的选择与校核 33
7.4 螺杆与机筒的组合设计 33
7.5 机头的设计 34
7.6 箱体的设计 34
7.7温度控制 35
7.7.1 温度传感器选择 35
7.7.2 控制调节方法 35
总结 36
参考文献 37
致谢 38

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论

第一章 绪论
1.1 设计初步方案
本设计为SJ-90/25挤出机，主要用于对塑料进行成型加工，根据需要制品可为半成品或成品，采用加工料是“低密度聚乙烯”。此类型挤出机采用低温塑化设计，能大大保证产品质量。挤出机按其螺杆数量可进行分类，分为单螺杆、双螺杆以及多螺杆挤出机，参考有关知识和资料确定此次设计螺杆为单螺旋等距突变螺杆。因为单螺杆有足够大的长径比，物料传输产生的热量于剪切力和轴向力单螺杆都需要承受，故螺杆选择材料时要强度高，抗摩擦能力强，良好的耐化学腐蚀性能，良好的机械加工与抗高温不变形的性能，所以材料优先选择38CrMoAlA。使用电机+减速机构+螺杆，让螺杆获得转速、扭矩。螺杆所受轴向力由螺杆和机筒间轴向力轴承传送。

37

1.2 本次挤出机设计布置

电动机--减速机构--螺杆

图1.2 装配图

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 挤出机的主要性能参数

第二章 挤出机的主要性能参数
本设计为SJ-90/25挤出机，选取加工材料为“低密度聚乙烯”。根据《中华人民共和国机械行业标准》可知本挤出机设计的主要参数：
螺杆直径：D=90mm
螺杆长径比：L/D=25mm
螺杆最高转速：nmax=100r/min
最高产量：Qmax=280kg/h
螺杆的几何压缩比：i=3
2.1 螺杆转速
为螺杆转速不能进料的临界转速为nmax=100r/min
所以螺杆的工作转速n=（0.2~0.7) nmax
所以取n=55r/min
2.2 挤出机功率
公式: （2.1）
K:计算系数=0.00354 （D≦90mm K=0.00354 ，D﹥90mm K=0.008）
D：螺杆直径 D=90mm=9cm N：螺杆转速n=55r/min
所以N==15.7707kw
减速器设计为二级斜齿减速器
取η联轴器=0.99 η轴承=0.99 η齿轮=0.97
η总==0.904
N电=N/η总=≈17.4454kw
2.3 轴向力P
因为P=200F F=
所以P===12717kg
2.4 生产能力Q
Q= （2.2）
→计算系数 取0.003~0.007 n→转速 n=55r/min
Q=0.005×93×55= 200.475 kg/h

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 电机的选择

第三章 电机的选择
根据90×25挤出机的参数选取电机：封闭式三相异步电动机Y280S-4
额定功率：75kw 转速：1480r/min
电流：140A 效率：92.7%
此电动机轴直径D电 =75mm
外伸E=140mm 中心距H=mm

沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 减速器设计计算

第四章 减速器设计计算
4.1 传动部分设计计算
4.1.1 传动比计算
由选取电机及挤出机尺寸此电动机轴直径D电 =75mm
外伸E=140mm 中心距H=mm可得：
减速器总传动比: I总==≈27
查《机械设计课程设计手册》得：
I1=（1.3~1.5）I2 I1=1.4I2 则I总=I1×I2=1.4
所以I1=6.104 I2=4.36
4.1.2 各轴转速
设传动装置由电机到工作机工三个轴，依次为⒈轴⒉轴⒊轴
n1=r/min； n2=r/min；n3=r/min （4.1）
n0→电动机满载转速 n0=1480r/min
n1，n2，n3→分别为⒈⒉⒊轴的转速 单位（单位r/min）
I0 ，I1 ，I2→分别为电动机至高速轴：⒈至⒉轴；⒉至⒊轴间的传动比
n1===1480r/min
n2===242r/min
n3===55r/min
4.1.3 各轴功率
P1=Pd×η联轴器×η齿轮=75×0.99×0.99=73.50kw
P2=P1×η轴承×η齿轮=73.50×0.99×0.97=70.58kw
P3=P2×η轴承×η齿轮=70.58×0.99×0.97=67.77kw
PD→电动机输出功率 PD=N驱=75kw
P1，P2，P3→各轴输入功率
4.1.4 各轴转矩
TD=9550=9550×=483.95N×m
T1=9550=9550×=480.72N×m
T2=9550=9550×=2785.28N×m
T3=9550=9550×=11767.33N×m
轴号
功率
转速
转矩
传动形式
传动比
⒈
73.50
1480
480.72
联轴器轴承
6.104

4.36
⒉
70.58
242
2785.28
齿轮轴承
⒊
67.77
55
11767.33
齿轮轴承

表4.14-1

4.2齿轮设计
4.2.1 高速级齿轮传动
N驱=75kw，n1=1480r/min，I1=6.1，工作时长15年，300天正常工作，带式输送机，平稳，专项不变。
⑴ 选择齿轮样式，齿数，材料，精度等级。
① 查《机械设计》选定大、小齿轮都是以40Cr为材料，在调质和表面淬火处理后，齿面硬度为48~55HRC。
② 精度等级：7
③ 小齿轮齿数Z1=24 Z2=I1×24=147
④ 螺旋角β=14°
⑵ 按齿面接触强度设计
查《机械设计》
D1t≥ （4.2）
① 确定公式内的各计算数值
a.K1=1.6
b.选区域系数 ZH=2.433
c.查得εa1=0.78，εa2=0.9 εa=1.68
d.小齿轮转矩 T1=2.9×10-5N·mm
e.选取宽齿系数Φd=0.8
f.查材料的弹性影响系数:ZE=1.89.8MPa
g.查齿轮接触疲劳强度极限：δHlim1=δHlim2=1100MPa
h.计算应力循环次数:
N1=60n1jLh=60×1480×1×（2×8×300×15）=6.39×109
N2===1.05×109
i.查接触疲劳寿命系数：KHN1=0.9 ，KHM2=1.02
j.计算接触疲劳许用力：（取失效概率为10％，安全系数为S=1）
[δH]1===990MPa
[δH]2===1122MPa
[δH]3===1056MPa
② 计算：
a.小齿轮分度圆直径
d1t=54.3mm
b.圆周速度
V===4.21m/s
c.计算齿宽b及模数mnt
b==0.854.3=43.44mm
mnt===2.19mm
h=2.25mmt=2.25×2.19=4.9275mm
==8.82
d.计算纵向重合度 e b
=0.318Z1tan=0.318×0.8×34×tan14°=2.16
e.计算载荷系数 K
由表 10-2 查得使用系数 Ka=1
根据 V=4.14，7级精度动载系数 KV =1.16KH=KF=1.2
用插值法查得 7 级精度小齿轮相对支撑点非对 称布置时
KH ≈1.288故载荷系数 K=KA·KV·KH·KHb=1×1.04×1.2×1.305=1.63
KFβ=1.28
f.按实际的载荷系数校正所算的分度圆的直径，由式 10-10a 得：
d1 =d1t=54.3×=54.64
g.计算模数mn
mn===1.56mm
⑶ 按齿根弯曲疲劳强度设计
mn （4.3）
① 确定计算参数
a、计算载荷系数
K= KA·KV·KF·KFb == 1×1.04×1.2×1.295=1.63
b、由图 10-20d 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限：dFE1=FE2 =620MPa
c、由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数KFN1 =0.88,KFN 2=0.91
d、计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 由式 10-12 得：
===389.7MPa
===430MPa
e、根据纵向重合度 =2.16，得螺旋角影响系数 Y=0.88
f、计算当量齿数
ZV1===37.25
ZV2===191.14
g、齿形系数
YF1 =2.43 , YF2 =2.13
h、应力校正系数
YS1 =1.58 , YS2 =1.83
i、计算大、小齿轮的并且加以比较
==0.0103
==0.0097
小齿轮的数值大
② 设计计算
mn=3.84mm
取mn=5mm d1=126.96mm
Z1===24.63
取 Z1 =26，则 Z2 =I1·Z1 =133.64
取 Z2 =134
⑷ 几何尺寸计算
① 计算中心距
a===412.37mm
将中心距圆调整为412mm
② 中心距修正螺旋角
=13.86°
因值改变不多，故参数等不必修改。
③ 计算大、小齿轮的分度圆直径
d1===133.9mm
d2===690.1mm
④ 计算齿轮宽度
b =d d1 =0.8×133.9=107.12mm
圆整后取 B2=110mm B1=115mm
4.3 速比齿轮轴及其上轴承的设计、选择和校核
4.3.1 基本轴径的设计
按扭转强度来估计轴的直径
=T/Wr≈
对于实心轴d≥ （4.4）
对于空心轴d≥，通常取=0.5~0.6
4.3.2 高速轴（I 轴）的轴径设计
① 材料选择为40Cr
② 查《机械设计手册》第三版，第二卷，第 6 篇表 6-1-2 选取 A0 =110
则==9550000/（0.2×1103）=35.88MPa
d1≥=110×=34.1mm
由于连接联轴器的轴段上有一个键槽，轴径应增大5%
d1≥30×(1+5%)=35.81mm
取d1=40mm

4.3.3 中间轴（II 轴）的轴径设计
① 材料选择为 40Cr
② 查《机械设计手册》第三版，第二卷，第6篇表 6-1-2 选取 A0 =115
==9550000/（0.2×1153）=34.1MPa
d2≥=115×=67.87mm
由于连接齿轮的轴段上有一个双键槽，轴径应增大 7%
d2 ≥67.87 ×(1+7%)=72.62 mm
取d2 =75mm
4.3.4 低速轴（III 轴）的轴径设计
① 材料选择为 40Cr
② 查《机械设计手册》第三版，第二卷，第 6篇表 6-1-2 选取 A0=99
==9550000/（0.2×993）=49.21MPa
d3≥=99×=97.32mm
由于连接齿轮的轴段上有一个双键槽，轴增大7%
d3≥97.32×（1+7%）=104.13mm
轴的校核、选取轴承及所选轴承的校核
⑴ 高速轴的校核及所选轴承的校核
① 第Ⅰ轴的转矩为:T=2.85×105N·mm
齿轮1的圆周力为： Ft1===1.65×103N
轴向力：Fa1=Ft1·tan=1.65×105×tan15.2°=4.12×103N
径向力：FV1=Ft1·tan/cos=1.65×105×tan20°/cos15.2°=6.26×103N
轴向力矩：Ma1=Fa1·=4.12×103×=1.69×105N·mm

计算支承反力

图4-1 水平受力图
由水平受力图a
RaH==4.08×103N
RbH==12.71×103N

图4-2 水平受力图
由上图b，得：
RaV===2.4×103N
RbV==
=4.12×103N

图4-3 水平受力图
水平弯矩：MH =RaH·82.3=7.75×105N·mm
垂直弯矩：MV1 =RaV·82.3=4.32×105N·mm
MV2 =RbV·293.3=2.62×105N·mm

图4-4 水平受力图
合成弯矩：
M1===9.3×105N·mm
M2===8.26×105N·mm
按脉动循环处理取=0.6
Mca1== =1.263×106N·mm
按弯扭合成应力校核轴的强度
由于Ⅰ截面是轴上承受最大计算弯矩的截面，Ⅱ轴截面承受的小 但是轴径比较小，所以要校核Ⅰ、Ⅱ轴截面强度
a、截面计算：
===23.88MPa
因此轴为40Cr钢，调质处理，查《机械设计基础》得许用弯力=60MPa < 所以安全。
② a、高速轴承选择：d1=40mm D=72mm T=24.25
b、校核:
计算轴承径向支反力

图4-5 轴承径向支反力示意图
RaH==4.08×103N·mm
RbH==12.71×103N·mm
RaV===2.4×103N
RbV==
=4.12×103N
合成支反力：
Ra==4.62×103N
Rb==1.328×103N
所产生的派生轴向力由《机械设计基础》表，得
S= （4.5）
由《机械设计基础》查得
e=0.42，Y=1.4，Cr =302000N
S1===3.3×103N
S2===9.49×103N
S2 +Fa1 >S1 所以右紧左松
A1 =S2+Fa1=9.49×103+3.64×103=13.6×103N
A2 =S2=9.49×103
计算当量动载荷 P:
==2.941>e取X1=0.4 Y1=0.7
==0.76>e 取X2=1 Y2=0
P1=X1R1 +Y1A1=0.4×4.62×103 +0.7×13.28×103 =11.37× ´103N
P2 =X2R2+Y2A2 =13.28×103N
计算轴承寿命选取预期轴承寿命为L10h¢ =20000h
因为 P1 <P2 ,所以按 P2 计算，由《机械设计基础》式 16-3，查表 16-8 和表 16-9，
得ft=1.0, fp=1.5 ，有
Lh===36088h>L10h
故合格。
(2) 中间轴的校核及所选轴承的校核
① Ⅱ轴的转矩为 T=1413N·m=1.413×106N·mm
轴的受力如下图所示：

图4-6 水平受力图
中间大齿轮:
圆周力：Ft2=Fa1=Ft1·tanβ=1.65×105×tan15.2°=4.12×103N
轴向力：Fa2=Fa1=Ft1·tanβ=1.65×105×tan15.2°=4.12×103N
径向力：Fr2=Fr1=Ft1·tan/cos=1.65×105×tan20°/cos15.2°=6.26×103N向心力：Ma2=Fa2·=4012×103×=0.965×106N·mm
中间轴小齿轮：
圆周力：Ft3===3.51×104N
轴向力：Fa3=Fr3·tanβ=1.96×104×tan13.86°=1.38×104N
径向力: Fr3=Ft3·tan/cosβ=1.96×104×tan20°/cos13.86°=2.08×104N
轴向力矩：Ma3=Fa3·=1.38×104×=0.92×106N·mm
计算支承反力：由上图中c得：
RaH==4.03×104N
RbH==3.22×104N
由上图中d，得：
RaV ===1.92×104N
RbV =-Fr2+Fr3-FaV=-0.64×104N
画弯矩图，扭矩图，计算弯矩：
水平弯矩：MH1=RaH·75=2.45×106N·mm
MH2=RbH·100=4.03×106N·mm
垂直弯矩：MV1=RaV·75=-0.29×106N·mm
MV2=RbV·304+Fr3·d3/2-Fa2·d2/2=0.73×106N·mm
MV3=-RbV·100=1.88×106N·mm
MV4=RaV·261.5+Fr2·164.5-Fa3·d3/2-Fa2·d2/2=0.96×106N·mm
合成弯矩：M3==2.86×106N·mm
M4==4.65×106N·mm
按脉动循环处理，α=0.6
Mca2= =3.32×106N·mm
Mca4= =5.06×106N·mm
由图知Ⅰ剖面计算弯矩最大，但直径不是最大，Ⅱ剖面直径最小，计算弯矩较 大，所以这两个剖面比较危险，因此校核这两个剖面。
Ⅰ剖面的计算应力===37.36MP
Ⅱ剖面的计算应力===24.65MP
因齿轮轴的材料为 40Cr 钢，调质处理，由《机械设计基础》表 17-2，查 =60MPa
< 所以安全。
① a、中间轴承的选择：d2 =75mm D=1