锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx

锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx

《锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锥形双螺杆挤出机挤出系统的设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx（58页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。

大部分热塑性塑料和橡胶都能用此方法进行加工。

1．1塑料挤出机概述

在70年代以前，随着塑料工业的迅速发展，塑料挤出机曾朝向大型、大的螺杆长径比方向发展。

自70年代以后，由于挤出理论的发展和高聚物流变学理论研究工作的深入，带来了螺杆、机筒和机头设计工作上的突破，使挤出机朝向高速、高效方向前进了一大步，挤出机效率得到很大提高，其功能也不断扩大。

进入80年代后，世界各主要工业国对挤出机的理论研究工作继续得到高度重视和发展，但挤出设备的基本结构一无大的创新，其进展主要表现在各种新的加工工艺和采用先进的微电子控制技术。

总的说，目前挤出机的发展主要向高速、高效、节能、多功能、精确和高度自动化方向发展。

在塑料成型加工中，挤出成型是一种重要的成型方法，与其它成型方法相比较，挤出成型具有如下的主要特点：

⑴连续化生产。

可根据需要生产任意长度的管材、棒材异型材、板材、薄膜等。

⑵有很高的生产率。

在塑料加工成型工业中，注射机的产量远比挤出机的产量要大，但用挤出法加工的塑料却占总量的40%~60%，因此挤出机在生产率高方面占有绝对的优势。

⑶应用范围广，能加工大多数热塑性塑料和一些热固性塑料。

挤出法除了可以生产管材、板材、棒材、薄膜、单丝、电缆、中空制品、异型材等，还可以进行混合、塑化、造粒、脱水、喂料和着色等准备工序的工作。

⑷机台结构较简单，操作比较容易，因此投资较少，收效快，制品的价格较低廉。

因此，挤出成型法已成为目前最普遍的一种塑料成型加工方法，而塑料挤出机也就成为塑料成型加工机械的最重要的机种之一。

它对人民生活、工农业建设、国防建设和星际航行等都具有十分重要的意义。

塑料挤出机的种类很多，根据螺杆的数量，分为无螺杆挤出机（其中又分为柱塞式挤出机和弹熔体挤出机）、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机。

在实际应用中，以单螺杆挤出机和双螺杆挤出机居多。

单螺杆和双螺杆挤出机在用途上差不多，一般可用来成型制品或配混料造粒。

用他们可以成型的制品，多数为具有连续截面的制品，如板、管、异型材、丝、薄膜、棒材等；

也有间歇型的制品，如中空制品。

单、双螺杆挤出机还可以用来进行聚合物的改性，如填充、增强、共混、反应挤出；

亦可以用作其它用途，如后处理的脱水、脱挥发分、换热等。

单螺杆挤出机发展较早，结构简单，操作容易，成本低，易于制造、理论研究也成熟。

1.2双螺杆挤出机的发展

随着聚合物加工业的发展，对高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求，单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求。

例如：

用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等，混合分散效果就不理想。

另外，单螺杆挤出机尤其不适合粉状物料的加工。

双螺杆挤出机与单螺杆挤出机相比有许多优点，如喂料特性好，可以加工粘度很高或很低的物料以及带状料、糊状料、粉料等；

而且双螺杆比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，在加工热稳定性差的塑料和共混料时有很高的优越性；

在节能降耗方面也有明显的优势。

因此双螺杆挤出机是在一定程度上代表了挤出机的先进方向

为了适应聚合物加工中混合工艺的要求，特别是硬质聚氯乙烯粉料的加工，双螺杆挤出机自20世纪30年代后期在意大利开发出来以后，经过半个多世纪的不断改进和完善，得到了很大的发展。

在国外，目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域，已占全部挤出机总数的40％。

硬质聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都是采用双螺杆挤出机加工成型的。

作为连续混合机，双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性，也有用来进行反应挤出。

在双螺杆挤出机的发展过程中，就设计制造方面而言，遇到的困难就比单螺杆挤出机多。

除了螺杆元件机螺杆构型的研制外，最重要的问题就是止推轴承和传动箱设计制造问题。

因为双螺杆挤出机的两螺杆中心距确定后，其承受巨大轴向推力的止推轴承的安装空间有限，要设计制造出性能优良的能承受轴向和径向载荷的推力轴承和径向轴承，及能均载的轴承组合结构是比较困难的。

另外要在有限的中心距内传递很大的扭矩，并把这很大的扭矩相等的分配到两根螺杆上去，在传动箱的设计、制造及材料选择热处理上都遇到很多问题。

双螺杆挤出机的发展过程中遇到的另一个问题是对其输送机理和物料在螺杆中的输送、熔融、混合等过程的研究中遇到问题的复杂性及困难。

与西方国家相比，双螺杆挤出机在我国开始应用较晚，知识到20世纪80年代初才开始较多地由国外引进。

随着对双螺杆挤出机性能认识的加深，在20世纪80年代中期，双螺杆挤出机在我国的应用范围和使用量扩大。

经过近二十年的发展，我国不但能生产啮合同向双螺杆挤出机，也能生产啮合异向平行和锥形双螺杆挤出机，所生产的双螺杆挤出机的规格也由中小型向大型发展，并基本形成系列，制定了相应标准，国产双螺杆挤出机以基本能满足国内一般生产需求。

但就双螺杆挤出机的设计、制造水平和机器的整体质量而言，与国外先进国家生产的双螺杆挤出机还有不少差距，这表现在独立设计能力较弱，机械制造水平、材质、热处理水平也有差距，轴承、电器、仪表配套还不健全，电器仪表质量也较差，不够可靠。

1.3双螺杆挤出机的组成

不论何种双螺杆挤出机组，其整体结构组成与单螺杆挤出机组差不多，由主机和辅机组成。

其中主机，就是通常所说的双螺杆挤出机。

在实际应用中，双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预订的任务，这就是所谓的双螺杆挤出机组。

图1-1双螺杆挤出机示意图

Fig.1-1Thestructuresketchoftwin-screwextrude

1-电动机2-连接器3-减速器4-料斗5-加料器6-加热器7-机筒8-螺杆

1.3.1主机

⑴挤压系统。

它主要由螺杆和机筒组成，是挤出机的关键部分；

⑵传动系统。

起作用是驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速；

⑶加热冷却系统。

它保证塑料和挤压系统在成型加工中的温度控制要求。

1.3.2辅机

挤出设备的辅机的组成根据制品的种类而定。

一般说来，辅机是由机头、定型装置、冷却装置、切割装置以及制品的卷曲或堆放装置等部分组成。

1.3.3控制系统

挤出机的控制系统主要由电器、仪表和执行机构组成，其主要作用有：

⑴控制主、辅机的拖动电动机，使其满足工艺所要求的转速和功率、保证主、辅机的协调的运行；

⑵控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；

⑶实现整个挤出机组的自动控制。

一般来说，主机在挤出设备中往往是最主要的部分。

而在主机的组成部分中，挤出系统又是最关键的部分，传动系统和加热冷却系统则是为保证挤出系统正常工作服务的；

在辅机的各组成部分中，机头设计和制造的质量也往往是比较重要的。

然而，随着情况的改变这些矛盾又是可互相转化的。

例如，当挤出机的生产力大大提高后，相应的辅机的生产能力是否能与之相匹配又将成为关键问题了。

因此，衡量一套挤出机设备的合理性与先进性必须是全面的和综合性的。

1.4双螺杆挤出机的分类、工作原理

双螺杆挤出机有许多种不同的形式，主要差别在于螺杆结构的不同。

双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多，这是因为双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向、啮合程度等等问题。

1.4.1双螺杆挤出机的分类

⑴非啮合与啮合型双螺杆挤出机

非啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆轴线分开的距离至少等于两根螺杆外半径之和，这种双螺杆挤出机的一根螺杆的螺棱不伸到另一根螺杆的螺槽中。

两根螺杆可以同向旋转，也可以异向旋转；

两根螺杆的形状可以相同，也可以对称（即两根螺杆的螺旋角相反）。

啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆轴线分开的距离小于两根螺杆外半径之和，根据啮合程度不同，又分为全啮合型和部分啮合型。

全啮合型的一根螺杆的的螺棱与另一根螺杆的螺槽之间不留间隙（指设计上，而不是制造、装配上的），而部分啮合型的一根螺杆的的螺棱与另一根螺杆的螺槽之间留有设计上的间隙。

⑵啮合区螺槽开放型与封闭型双螺杆挤出机

啮合区螺槽开放型与闭合型是指在啮合区两螺杆的螺槽中，物料是否有沿着螺槽或横过螺槽的可能通道（该通道不包括螺棱顶部和机筒璧之间的间隙和在两螺杆螺棱之间由于加工误差带来的间隙）。

据此可分为纵向开放或封闭、横向开放或封闭等几种类型。

⑶同向旋转和异向旋转双螺杆挤出机

同向旋转双螺杆挤出机的两根螺杆完全相同，但实际中的多为右旋螺纹。

异向旋转双螺杆挤出机中，啮合型的两根螺杆向外旋的较多，但非啮合型的则是向内旋转。

⑷平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机

平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机是根据两根螺杆的轴线是否平行划分的。

平行双螺杆挤出机螺杆的螺纹分布在圆柱面上；

锥形双螺杆挤出机的螺纹分布在圆锥面上，两螺杆装配后，其轴线成一交角。

从旋转方向上分，一般情况下，它属于异向旋转双螺杆，向外旋转，故两根螺杆对称。

1.4.2双螺杆挤出机的工作原理

双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但工作原理差异却很大。

在双螺杆挤出机中，物料由加料装置（一般为定量加料）加入，经螺杆作用到达机头口模。

在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同。

⑴非啮合型双螺杆挤出系统

物料在非啮合双螺杆挤出系统中，除了向机头方向的运动形式外，还有多种流动方式，如图所示。

图1-2物料在非啮合双螺杆挤出机中的流动示意图

Fig.1-2Thesketchofmaterialsinnon-engagementtwin-screwextruder

由于两螺杆不啮合，它们之间的径向间隙很大，存在较大的漏流。

主要流动方式：

①由于两螺杆的螺棱的相对位置是错开的，即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一螺杆拖带面的物料压力，从而产生了流动。

②物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的流动，同时随着螺杆的旋转，在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走、更新（不论两螺杆的转向如何），特别是在异向旋转过程中，物料在Ａ处受到阻碍，产生了流动。

③多种物料的流动形式（包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种流动）都增加了对物料的混炼和剪切。

但这种双螺杆没有自清洁作用，一般仅用于混料，不适合PVC型材的生产。

⑵啮合型同向旋转双螺杆挤出系统

物料在同向旋转的双螺杆挤出系统的全螺纹段的流动情况如图所示。

图1-3物料在啮合同向双螺杆挤出机中的流动示意图

Fig.1-3Thesketchofmaterialsinengagementthetwin-screwextruder

由于同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆要把物料从间隙中推出，结果使物料从一根螺杆转到另一个螺杆，呈“∞”形前进，这种速度的改变以及啮合区较大的相对速度，非常有利于物料混合和均化，由于啮合区间隙很小，啮合处螺纹和螺槽的速度相反，剪切速度高，有很好自洁作用，即能刮去粘附在螺杆上的任何积料，从而使物料的停留时间很短。

这种挤出机主要用于混炼物料和造粒。

但由于物料在啮合区间所受剪切力很大，所以也不适应PVC型材的生产。

⑶啮合型异向旋转双螺杆挤出系统

　　啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况如图所示。

图1-4啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况

Fig.1-4Themovementofmaterialsincounter-rotatingtwin-screwextruder

在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中，两根螺杆是对称的，由于回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵死，不能形成“∞”字型运动。

在固体输送部分，物料是以近似的密闭“C”形小室的形态向前输送。

但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量，以便使物料能够通过。

物料通过两螺杆之间的径向间隙时，受到强烈的剪切、搅拌和压延作用，因此，物料的塑化比较好，多用于加工制品。

由于两螺杆的径向间隙比较小，因此，有一定的自洁性能，但自洁性比同向旋转的双螺杆要差。

1.5锥形双螺杆挤出机

1.5.1锥形双螺杆挤出机的发展

1967年前后，奥地利ANGER兄弟公司制造出世界上第一台锥形双螺杆挤出机，其目的是为了解决平行双螺杆挤出机传动系统中分配齿轮轴以及止推轴承布置和寿命问题，另一方面是为了满足用户对挤出产量的要求。

此后，奥地利、德国、日本等许多国家的塑料机械制造商也相继推出了锥形双螺杆挤出机。

锥形双螺杆挤出机是在完全啮合式平行异向旋转双螺杆挤出机的基础上发展起来的一种机型，具有与平行异向双螺杆挤出机共同的优点：

封闭的螺槽，达到物料的强制输送；

物料停留时间分布窄；

自洁性好；

适用于粉料加工。

由于螺杆结构的特殊性，它除了具有平行双螺杆的优点之外，还具有以下独特的优点：

加料段直径大，螺槽容积大，加料量大；

加料段螺槽表面积大（平均直径与平行双螺杆直径相同是，表面积大出一倍多），传热面积大，有利于物料的传热；

螺槽容积随螺杆逐渐减小，物料被逐渐压缩，保证了物料连续平缓的塑化；

螺杆尾部直径大，螺杆强度高；

分配齿轮中心距大，齿轮直径大（如锥形φ45机的分配齿直径相当于平行φ110的分配齿轮直径），承载能力高，螺杆轴向力小，约为同功率平行双螺杆的一半，这就意味着止推轴承的使用寿命高；

挤出段螺杆直径小，塑料熔体承受的剪切速率低，热损伤的危险性小，适于热稳定性差的物料的加工；

挤出产量相同时，机器总长比平行双螺杆挤出机短的多；

拆卸螺杆时，无需移动辅机。

因此，锥形双螺杆挤出机在UPVC干混粉料直接挤出成型制品和造粒中得到广泛应用。

锥形双螺杆挤出机在加工对温度和剪切敏感的物料方面显示出其独特的优点，已经成为RPVC干混粉料挤出成型加工的主要机型之一，越来越广泛的应用于管材、板材、异型材等制品的挤出成型以及RPVC粉料造粒。

近年来，国内锥形双螺杆挤出机发展迅速。

由于螺杆锥形结构的特点，锥形双螺杆挤出机适用于粉状PVC的加工，尤其在RPVC干混粉料直接挤出成型制品和造粒中得到广泛应用。

螺杆是挤出机的心脏，螺杆参数的正确与否直接影响到挤出机的性能。

1.5.2锥形双螺杆挤出机工作原理及性能用途

工作原理：

锥形双螺杆挤出机属于异向旋转啮合型。

由于螺槽体积逐渐变小，当加工RPVC粉料（密度小，体积大）时，当物料加入加料口后，在旋转螺杆的作用下，物料被压实并向前输送，这样有利于热量的传递。

在压缩段和熔融段，一般希望剪切速率高一些，以加快塑化过程，当物料进入均化段后，由于已经基本熔融，则以低剪切率为宜，防止物料过热分解，锥形双螺杆挤出机能较好的适应这一物料过程的变化。

因为由于相互啮合的两螺杆与机筒形成一系列的C型小室的体积由加料段端到出料段端是逐渐减少的，使得能够在加料端大的C型小室内加入较大体积的粉料，加料段较大的机筒、螺杆与物料的接触面积有利于把更多的热量传递给物料，使其提高温度。

随着物料的向前输送，螺杆直径变小，物料得以压缩而逐渐熔融。

性能用途：

锥形双螺杆挤出机的生产能力高，沿着螺杆轴线，螺杆的圆周速率逐渐变小，物料受到的摩擦剪切也逐渐变小，因而物料和螺杆之间的摩擦热也较小，故特别适于RPVC这种对剪切和热都敏感的塑料的加工。

挤出品均匀密实，尺寸准确，更换品种容易，能实现工艺过程的连续化、联动化和自动化，同一台机器可以适用于多种工艺用途。

它还具有结构简单，制造容易、操作方便、价格便宜等优点。

另外，由于螺杆排料端直径小，所承受的物料的轴向力也小，可以承受较大的机头压力，适合较复杂制品的挤出，如波纹管、异型材等。

1.5.3锥形双螺杆挤出机组的组成

不论何种双螺杆挤出机组，其整体结构组成与单螺杆挤出机组差不多，都由主机、机头和辅机组成。

所谓的锥形双螺杆挤出机组由挤出主机、真空定型台、牵引机、切割机、翻料架辅助设备等组成。

进口交流变频调速装置，牵引机有二爪、五爪、六爪等牵引方式，根据产品特点需要选用。

选用锯片切割式或行星切割式，另带增厚装置，机组性能稳定、可靠、生产率高。

其中主机就是通常所说的锥形双螺杆挤出机。

在实际应用中，锥形双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务。

图1-5异型材挤出生产线示意图

Fig.1-5ThesketchofProfileExtrusionLine

1.翻卸溜槽（储料）2.切断机3.引出装置4.冷却段

5.定型台6.模头7.挤出机

性能特点：

强制挤出、剪切速率小、物料不易分解、混炼及塑化性能良好，粉料直接加入，直接成型温度自控。

设有真空排气装置，专用模具、品牌厂家生产，保证制品出料均匀、流畅、废次品率低、产量高。

锥形双螺杆挤出机生产线调整模具、辅助设备可进行双管生产，同时更换模具和辅助设备和部分零部件、配置专用的板材、片材模具、辅助设备可行板材、版材的生产。

锥形双螺杆挤出机也可进行热切造粒。

1.6塑料挤出机的发展趋势

⑴高速、高产化

长期以来作为挤出成型装备主要性能指标的“高速、高产”一直是成型机发展的主要方向。

高的产出与价格比不仅是企业家最为关心的，也是科技工作者梦寐以求的目标。

挤出机的高速、高产固然可使投资者以教低的投入获得较大的产出和高额的回报，但从技术角度看，挤出机螺杆转速的高速化也带来了一系列需要克服的问题：

如物料在螺杆内停留时间的减少会导致物料混炼塑化不均；

物料经受过度的剪切会造成急剧升温和热分解；

挤出稳定性控制困难会造成挤出物几何尺寸波动；

相关的辅助装置和控制系统的精度亦必须提高；

螺杆和机筒的磨损加剧，需要采用高耐磨及超高耐磨材质；

减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等一系列的问题。

⑵高效、多功能化

挤出机的高效性能主要体现在高产出、低能耗、低的制造成本。

在功能方面，螺杆挤出机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、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。

此外，将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的“一步法挤出工艺”也值得引起重视。

一步法挤出成型工艺在缩短工业流程节省能耗，减少设备投资和占地面积，减少操作人员等方面比传统的二步法工艺具有明显的优势。

⑶大型化和精密化

在挤出成型装备中，一般中，小型的通用机器，我国均能生产。

实现挤出成型的设备的大型化可以降低生产成本这在大型双螺杆造粒机组，吹膜机组，管材挤出机方面优势更为明显。

重点发展为国家重点建设服务的重大基础装备，大型乙烯工程配套的三大关键设备之一，大型挤压造粒机组长期一直依靠进口，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研究开发。

⑷模块化和专业化

实行挤出成型设备生产的模块化，专业化已是大势所趋，模块化生产可以适应不同用户的特殊要求，缩短新产品的研究周期，争取更大的市场份额，而专业化生产可以将挤出成型设备的各个系统模块不见安排定点生产甚至进行全球采购，这对保证整机的质量，降低成本，加速资金的周转是有利。

在我国，挤出机螺杆，机筒，减速器，加热冷却系统，润滑系统，加料系统，控制系统均有定点工厂专业生产，这无疑是正确的。

⑸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，操作台设有荧光屏监测，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，主螺杆和喂料螺杆的转速，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。

2.锥形双螺杆挤出机的结构

不论何种双螺杆挤出机机组，其整体结构组成与单螺杆挤出机差不多，由主机、机头和辅机组成。

图2-1锥形双螺杆挤出机

Fig.2-1Conicaltwin-screwextruder

锥形双螺杆挤出机（主机）是锥形双螺杆挤出机组的核心组成部分。

从总体组成上看，和单螺杆挤出机差不多，由传动系统、挤压系统、加热冷却系统、控制系统等组成。

2.1挤压系统

挤压系统是锥形双螺杆挤出机的核心部分。

其作用是把加入的固（液）体熔融塑化、混合（或进行化学反应），为口模提供定温、定压、定量的熔体（混合物），并将这一过程中产生的气体（或液体）排除，最后通过口模（及后续的辅机），得到合乎质量要求的制品。

锥形双螺杆挤出机的挤压系统主要由螺杆、机筒组成。

因此，锥形双螺杆挤出机挤压系统的设计实质上就是螺杆、机筒的设计。

2.1.1螺杆

图2-2锥形螺杆

Fig.2-2Conicalscrew

两根螺杆呈锥形，螺纹分布在锥面上，两根螺杆轴向不平行，在机筒内啮合异向旋转。

螺杆由高强度耐腐蚀的合金钢制成，多选用38CrMoAlA，加工成螺杆后经氮化处理。

2.1.2机筒

图2-3锥形双螺杆挤出机机筒

Fig.2-3Thebarrelofconicaltwin-screwextruder

机筒与螺杆共同组成挤压系统。

采用整体或法兰组合结构，呈阶梯状，外径由大到小。

上端开有加料口和两个排气孔。

机筒材质大多选用38CrMoAlA氮化钢，经氮化处理，氮化厚度约为0