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10.2.1 螺杆与机筒设计

2023-02-14

10.2.1.1 螺杆结构设计

(1) 主要参数的确定

①螺杆直径Ds的确定: 螺杆直径Ds是螺杆主要参数之一,在设计螺杆时,一般都 已知所需要的生产能力,即螺杆的生产能力,生产能力接近于与螺杆Ds的平方成正比 例,即在其他条件相同时,增大螺杆直径,生产能力显著增加。但是,生产能力不但与螺杆 直径有关,而且与螺杆转速、机头压力以及其他的几何参数有关。所以用理论公式来计算 螺杆直径是有困难的,因此,螺杆的直径往往用以下的方式选取。

在初步确定螺杆的生产能力和转速之后,可根据经验的生产能力公式初步确定螺杆 直径:

Q=βDs3n

式中 Q——生产能力,kg/h

Ds——螺杆外直径,cm

n——螺杆转速,r/min

β——经验出料系数,取0.003~0.007

计算出来的Ds值不一定是整数,应按照螺杆直径系列选取。

②长径比L/Ds的确定: 在其他条件一定时,增大长径比,即等于增加螺杆的长度, 结果是增加物料在螺杆中的停留时间,即保证了物料有充分的熔融时间。但对热敏性的 物料,过大的长径比易于造成停留时间过长而发生热分解。

因此,长径比的选取要根据加工物料的物理性能和对产品质量的要求来考虑。一些 难于加工的物料,就需要用较大长径比的螺杆来加工。但是,过大的长径比,螺杆所消耗 的功率相应增大,而且给机械加工和装配带来一定的困难。过大的长径比还会由于螺杆 一端固定,另一端悬伸而增加了自重的弯曲,容易造成螺杆在端部与机筒之间的间隙不 均,甚至在螺杆转动时与机筒磨刮,降低螺杆的使用寿命。螺杆长径比既然与许多参数有 关,因此不能独立确定,最好能结合实验加以确定。

(2)螺纹形状的确定 常见螺纹断面形状如图10-8所示。

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图10-8 螺纹断面形状

(1)矩形 (2)锯齿形 (3)梯形 (4)半圆形

矩形断面的螺纹: 螺纹根径表面与螺棱 推进面成90°夹角,用小圆弧过渡。螺槽容积较大,适宜于加料段采用。

锯齿形断面的螺纹: 其后缘有较大的倾 角α(α<30°),且过渡圆弧较大,有利于物料 的流动。同时有较好的混合和均化物料的作 用,避免了涡流现象。一般取α=10°,而当α 取较大值时,螺棱的强度大。这种螺纹断面适用于大型挤压机。

梯形螺纹断面: 螺纹倾角取α=10°~ 15°,圆弧半径取(0.07~0.13)Ds,常用于小直径的螺杆上。

上述螺纹断面应用得最多的是矩形和 锯齿形两种断面,不等距螺杆也多采用矩形 螺纹断面。

r1和r2一般取0.5~1mm,r和R按下列范围选取:

r=(1/2~2/3)H3

R=(1~2)r

以上数值范围,大直径螺杆取大值。

螺纹倾角一般取α=10°。

螺棱顶面宽度一般取e=(0.08~0.12)Ds。在保证螺棱强度的条件下,e值取小一 些。因为比较大的e值不但占据一部分螺槽容积,而且增加螺杆的功率消耗,又容易引起 物料的局部过热的危险。e值也不能过小,否则会削弱螺棱强度,增大漏流流量,从而降 低生产能力,尤其对低黏度的融熔物料更甚。

(3)螺杆的螺纹头数 在螺杆直径、螺槽深度和螺纹升程相同的条件下,多头螺纹 与单头螺纹相比,多头螺纹对物料的正推力较大,攫取物料的能力较强,并可降低融熔 物料的倒流现象。但是,整条螺杆都是多头螺纹时,物料分别从螺杆料斗区几条螺槽通 道进入而到达螺杆头部。在料斗区,往往由于几条螺槽的进料不均匀(即进料不一致) 和各条螺槽的熔融和均化或对融熔物料输送能力不一致,容易引起生产能力波动、压力 波动,其结果制品质量下降。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, 以提高固体输送能力。

10.2.1.2 机筒结构设计

机筒和螺杆共同组成了挤压机的挤压系统,完成对物料的固体输送、熔融和定压定量 输送作用。机筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性。对于一些新型的挤压系 统来说,机筒在加料段上的结构形式也影响到固体输送效率。机筒的机械加工和使用寿 命也影响到整个挤压系统的工作性能。因此,机筒在挤压系统中是仅次于螺杆的重要零 部件。

在设计机筒时,要考虑到机筒结构形式的选择、机筒上的加料口形式、机筒与机头的 连接方式以及对机筒机械加工制造的难易等问题。

(1) 机筒结构分类

①整体式机筒: 如图10-9所示为整体式机筒的结构形式之一。其特点是长度大, 加工要求比较高;在加工精度和装配精度上容易得到保证(特别是螺杆和机筒的同轴度要 求),也可简化装配工作;在机筒上设置外加热器不易受到限制,机筒受热均匀。一般专业 制造厂用得比较多。但是机筒的加工设备要求较高,加工技术要求也较高,机筒内表面磨 损后难以修复。

②分段式机筒: 分段式机筒如图10-10所示,是将机筒分成几段加工,然后各段用 法兰或其他形式连接起来。

图10-9 整体式机筒

图10-10 分段式机筒

这种形式的机筒机械加工比整体式机筒容易,便于改变长径比。多用于需要改变螺 杆长径比或实验室用的机台,以及在后面将要讨论的强制式轴向开槽进料套的机筒、排气 式挤压机的机筒,使机筒的结构更加合理。这种机筒的主要缺点是分段太多时难以保证 各段的对中,法兰连接处影响了机筒的加热均匀性。

③双金属机筒: 双金属机筒主要有两种结构形式:一种是衬套式机筒,另一种是在 机筒上浇铸一层合金薄层,在此简称为浇铸式机筒。

a. 衬套式机筒: 衬套式机筒一般是在大、中型挤压机的机筒内装配上可更换的合金钢衬套(多数用合金无缝钢管)。衬套可制成整体 式或分段式的形式。分段式的衬套制造方便一 些。机筒是用一般碳素钢或铸钢材料。如图10-11所示。

图10-11 衬套式机筒

这种机筒结构可节省贵重金属(尤其对合金钢的机筒);衬套磨损后可更换,提高 了机筒的使用寿命。但是,衬套式机筒的设计、制造和装配等比非衬套式机筒复杂,在 设计时要注意下列一些问题:(a)衬套与机筒的配合间隙要恰当。过松的配合间隙,在 挤压工作时会出现衬套相对于机筒的移动或转动,同时也不利于传热。过紧的配合间 隙,除了使装拆衬套的工作带来困难外,还会产生过大的装配应力。因此,要选择适当 的配合间隙。为防止可能产生衬套与机筒相对运动,因此在衬套与机筒之间常常装有 止动键或止动销(见图10-11和图10-12)。(b) 由于衬套和机筒的材料不同,受热 后的膨胀率不一致。因而在结构上应使衬套在机筒内有伸缩的余地。各段衬套之间 的接合处要有一定的接触压力,使受热后不留下接触间隙,以防止物料落入间隙而发 生热分解。

图10-12 分段式机筒的连接方式

b. 浇铸式机筒: 浇铸式机筒是在机筒内壁上离心浇铸一层大约2mm厚的合金层, 然后研磨到所需要的机筒内径尺寸(一般研磨量很小)。

这种机筒的特点是合金层与机筒的基体结合得很好,且沿机筒轴向长度上的结合较 均匀,既没有剥落的倾向,也不会开裂,还有极好的滑动性能。这种合金层的耐磨性高,使 用寿命较长。

④分段式机筒的连接方式: 分段式机筒的连接方式一般有三种(图10-12),其中 以法兰连接最为常见。

(2)轴向开槽锥形套筒的设计 套筒的设计与被加工物料的物理性能等因素有关, 如物料颗粒的几何形状、大小、颗粒之间摩擦系数的大小,物料颗粒在凹槽中的抗剪强度、 由颗粒所组成的楔形结构的抗剪强度、螺杆的转速、套筒的冷却以及与加强机筒的隔热程 度等。在生产和实验上取得套筒的下列一些经验数据,供设计参考:

①进料套筒的长度L: 自机筒加料口前端至套筒轴向槽结束之处为套筒的轴向长 度L,一般取3~5Db(Db为机筒内直径)。

②套筒的结构和尺寸: 进料套筒的结构和尺寸参数如图10-13所示。轴向沟槽的 数量与机筒直径的大小有关,一般是机筒直径为45mm,沟槽数量取4~5条;65mm者取 6~7条;90mm者取9条;120mm者取12条;150mm者取15条等。

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图 10-13 几种轴向开槽套筒结构

凹槽的宽度一般应该大于物料颗粒的最大尺寸;同时,与机筒直径的大小有关。机筒 直径45mm者一般取8mm;70mm者取9mm;100mm者取10mm;120mm者取12mm等。

在机筒加料口前端处,螺杆的螺棱顶面与锥形套筒凹槽的底面之间的距离一般认为 不应大于被加工物料颗粒的尺寸。因此,锥形套筒的锥度值取决于物料颗粒的尺寸。一 般取锥度为2°80′以内,机筒直径较大者取小值,锥形套筒轴向长度较长者(指3~5Db范 围内)取小值。

(3)加料口结构设计 加料口的结构必须与物料的形状相适应,使被加入的物料能 从料斗或加料器中自由流入螺杆而不中断。

加料口的结构形式也有很多种,图10-14为其中较典型的形式: 图中(1)类主要适 用于带状料的加料口,而不宜用于粒料和粉料;(3)和(5)类为简易式挤压机上用得较多;(2)、 (4)、(6)三种类型用得较多,其中(2)类的右口壁 倾斜角一般为7°~15°或稍大于此值,有时其左口 壁也设置一倾角。(2)和(6)类加料口之左壁设计 成垂直面,但向中心线方向偏移约45°。实践证 明(2)和(6)两类加料口不论对粉料、粒料和带状 料都能很好地适应,因此用得最多。

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图10-14 加料口断面形状

加料口的形状(俯视)多为矩形,其长边平行于轴线,长度约1.3~1.8倍螺杆直径。 当采用机械搅拌器时多用圆形的加料口,有利于搅拌头靠近加料口。

10.2.1.3 螺杆与机筒的配合问题

关于螺杆与机筒的配合问题,这里只着重讨论它们的配合间隙和对中问题,因为它们 对整台挤压机的性能和加工制造等都有重要影响。

(1) 螺杆与机筒的配合间隙 螺杆与机筒的配合间隙δ对挤压机的生产能力、功率 消耗、使用寿命、机器的加工制造等都有很大的影响。δ值大时,虽容易制造,但挤压机的 生产能力却大大降低,且物料在机筒内的停留时间也难于控制。但δ值过小,不仅会给 机器的制造和装配带来一系列困难,同时还会使功率消耗剧增。

δ值的选择主要根据所加工物料的性能(如对高黏度物料,δ值可适当选大些)和机 械制造厂的加工条件决定。20世纪70年代初期我国结合了机械制造厂的加工条件,推 荐如表10-4的δ值范围。具体设计时应结合实际情况选用,如机械制造厂能达到较高 的机械加工精度时,应该取偏小的δ值为宜。

表10-4 螺杆与机筒之间的间隙值δ(JB1291-73) 单位:mm

螺杆直径   30 45 65 90 120 150 200
直径间隙 最 小 +0.15 +0.20 +0.25 +0.30 +0.35 +0.40 +0.45
最 大 +0.30 +0.35 +0.45 +0.50 +0.55 +0.60 +0.65

(2) 螺杆与机筒的对中性 依设计要求,螺杆与机筒的中心线必须重合。但是,由于 制造和装配等原因,实际上却无法达到此要求。例如图10-15的螺杆外圆偏差、沿螺杆 全长上的径向跳动(弯曲度、偏心度、椭圆度和棱面度)、螺杆定位面3(见图10-15)对螺 杆中心的同轴度、螺杆推力面4对螺杆中心线的垂直度;机筒的内孔偏差、法兰平面1对 机筒中心线的垂直度、内孔的径向跳动(包括锥度、椭圆度和弯曲度)、加料斗座处机筒外 表面的同轴度;此外,料斗座2、减速箱壳体7、减速箱输出轴8、止推轴套9的加工误差等 都会产生积累误差,从而对于对中性都有影响。

图10-15 SJ-45B挤出部分

1—法兰平面 2—料斗座 3—螺杆定位面 4—螺杆推力面

5—键 6—止口 7—减速箱体 8—输出轴 9—止推轴套

由于螺杆与机筒之间存在间隙,因此一般同轴度误差所造成的影响较小,而垂直度误 差所造成的影响较大。这是由于螺杆和机筒较长,微小的不垂直反映到螺杆头部都会出 现较大的偏差。

为了提高螺杆与机筒的对中性,一般采用下列措施: 提高零件的加工和装配精度,减 小积累误差;尽量减少组成零件的数目;采用有效的定位基准和合理的连接方式。如在连 接面处采用止口,既提高定位精度,又利于装配;对长径比较大的挤出机,将螺杆尾部的定 位面设计得较短(约等于螺杆直径)。这样,未开车之前,螺杆头部实际上是靠在机筒内壁 上,而在开车之后依靠周围的物料将螺杆浮起,以达到定心的目的。