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摘 要
針對設(shè)計要求，對單螺桿食品擠出機進行了設(shè)計。主要包括傳動系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、冷卻和加熱系統(tǒng)的設(shè)計。此單螺桿擠出機是通過電機將動力傳給帶輪，經(jīng)減速傳給螺桿，為了滿足變速范圍的要求，采用普通電機加變頻器進行無級調(diào)速。為了便于安裝和拆卸，機筒采用的是左右剖分式結(jié)構(gòu)，分三段進行加熱和冷卻。通過電磁閥和傳感器進行溫度的控制和冷卻水的進出，保證溫度在所允許的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：單螺桿；擠出機；剖分式
Abstract
According to the design requirement, the single screw food extruder is designed. Mainly comprises a transmission system, extrusion system, feeding system, the cooling and heating system design. The single screw extruder is through the motor transmits power to the belt wheel through a speed reducer, transmitted to a screw, in order to meet the requirements of speed range, the common motor with frequency converter for stepless speed regulation. In order to facilitate the installation and disassembly, barrel is based around a split structure, is divided into three parts for heating and cooling. Through an electromagnetic valve and a sensor for temperature control and cooling water import, ensure the temperature in the allowed range.
Keyword single-screw； extruder；split
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 1
1.1 研究的意義 1
1.2 擠壓技術(shù)的發(fā)展 1
1.3 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 2
1.4 擠壓加工的原理 3
第2章 方案設(shè)計 5
2.1 設(shè)計的要求 5
2.2 方案設(shè)計部分 5
2.2.1 方案的整體確定 5
2.2.2 機筒與螺桿材料的選擇 6
第3章 設(shè)計計算 8
3.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計 8
3.1.1 電機的選擇 8
3.1.2 傳動比的分配 8
3.2 螺桿的設(shè)計 10
3.3 齒輪的設(shè)計 14
3.3.1 輸入軸上齒輪的設(shè)計....... 14
3.3.2 Ⅱ軸Ⅲ軸上一對齒輪的設(shè)計 18
3.3.3 計算輸出軸上的小齒輪 23
3.4 軸的計算 27
3.5 帶輪計算 28
3.5.1 確定計算功率 28
3.5.2 選窄V帶帶型 29
3.5.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑 29
3.5.4 確定窄V帶的基準(zhǔn)長度和中心距 29
3.5.5 包角 30
3.5.6 計算根數(shù) 30
3.6 軸的校核 30
第4章 冷卻裝置 35
4.1 水冷 35
4.2 風(fēng)冷 35
結(jié) 論 37
致 謝 38
參考文獻 39
CONTENTS
ABSTRACT II
CHAPTER 1 INTRODUCTION 1
1.1 Significance of the Research 1
1.2 Extrusion technology, the development 1
1.3 Domestic and international development status 2
1.4 The principle of the extrusion process 3
CHAPTER 2 DESIGN 5
2.1 Design Requirement 5
2.2 Design Part 5
2.2.1 program as a whole to determine the 5
2.2.2 barrel and screw material to select six 6
CHAPTER 3 DESIGN CALCULATIONS 8
3.1 Transmission System Design 8
3.1.1 Motor Selection 8
3.1.2 Transmission ratio distribution 8
3.2 Screw 10
3.3 Gear design 14
3.3.1 Esign of the input shaft gear 14
3.3.2 II shaft Ⅲ axis 20 of a pair of gear design 19
3.3.3 Calculate the output shaft of the pinion 23
3.4 Axis calculation 27
3.5 Pulley calculation 28
3.5.1 To determine the computing power of 28
3.5.2 The selected narrow V-belt with a type 29
3.5.3 To determine the reference diameter pulley 29
3.5.4 To determine the benchmark narrow V-belt length 29
3.5.5 Package angle of 30
3.5.6 Calculate the number of 30
3.6 Axis check 30
CHAPTER 4 THE COOLING DEVICE 35
4.1 Water-cooled 35
4.2 Air-cooled 35
CONCLUSION 37
THANKS 38
REFERENCES 39
39
第1章 緒 論
1.1 研究的意義
單螺桿擠出機由于結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，因此廣泛的應(yīng)用于食品、塑料、飼料等各個領(lǐng)域。在塑料加工行業(yè)，擠出成型作為聚合物加工工業(yè)中的一項重要技術(shù)，在聚合物樹脂應(yīng)用工程技術(shù)、擠出生產(chǎn)設(shè)備研制技術(shù)兩方面互相促進。各種結(jié)構(gòu)與功能的擠出機如混煉型螺桿擠出機，排氣式擠出機，雙螺桿、多螺桿擠出機，反應(yīng)式擠出機，組合式擠出機，適應(yīng)高分子材料物理與化學(xué)特性而建造的成型裝置，具有各種制品所需要的專門功能，能夠?qū)嵤┏尚筒襟E的擠出生產(chǎn)線輔機，以追求操作簡便、控制精確、節(jié)能高效，清潔生產(chǎn)的目標(biāo)而不斷改進的新興設(shè)備。在食品加工行業(yè)不僅用于谷物食品加工，而且也越來越多地用于糖果糕點類產(chǎn)品乃至香料等產(chǎn)品的加工，涉及主餐類，早餐類，兒童營養(yǎng)食品、中老年食品、健康功能性和休閑小食品等領(lǐng)域。逐漸應(yīng)用在水產(chǎn)品、仿生制品、調(diào)味品、方便面、速溶飲料、變性淀粉和加濕寵物食糧等方面。通過擠壓技術(shù)生產(chǎn)的食品具有松脆可口，有助于消化的特點。在飼料加工方面我國現(xiàn)有的飼料加工仍以單螺桿膨化擠出機為主。當(dāng)今擠壓技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的各個方面，因此有必要不斷改進擠壓設(shè)備，降低產(chǎn)品的成本[1-5]。
在我國擠出設(shè)備的總體技術(shù)水平相當(dāng)于先進國家的八十年代水平。當(dāng)然也不乏一批具備九十年代乃至當(dāng)今國際領(lǐng)先水平的產(chǎn)品，但一些專用性強的高新技術(shù)產(chǎn)品還需依賴進口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，近年來我國擠出機的進口量呈現(xiàn)出逐年遞減之勢，2000年比1999年進口臺數(shù)減少了5.3%，外匯支出減少32.7%，而出口臺數(shù)減少了73%，創(chuàng)匯卻增加了12.3%，這說明國產(chǎn)擠出機技術(shù)含量有一定的提高，出口的價格也相對的上漲。而國外的擠壓技術(shù)已經(jīng)有上百年歷史，設(shè)備更新的較快，功能越來越完備，因此有必要加強我國擠壓機技術(shù)的發(fā)展，使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品在國際市場上占有一席之地[2]。
1.2 擠壓技術(shù)的發(fā)展
擠出技術(shù)作為一種經(jīng)濟實用的新型加工方法廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)中，并得到迅速的發(fā)展。谷物食品的傳統(tǒng)加工工藝一般需經(jīng)過粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、殺菌、干燥等生產(chǎn)工序，每道工序都需配備相應(yīng)的設(shè)備，生產(chǎn)流水線長、占地面積大、勞動強度高、設(shè)備種類多[3]。采用擠壓技術(shù)來加工谷物食品，在原料經(jīng)過初步粉碎和混合后既可用一臺擠壓機一步完成混煉、熟化、破碎、殺菌、預(yù)干燥、成型等工藝，制成膨化，組織化產(chǎn)品或制成不膨化的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在經(jīng)油炸、烘干、調(diào)味后即可上市銷售，只要簡單的更換擠壓模具，便可以很方便的改變產(chǎn)品的造型。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，擠壓加工極大的改善了谷物食品的加工工藝，縮短了工藝過程，豐富了谷物食品的花色品種，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)費用，減少了占地面積，大大的降低了勞動強度，同時也改善了產(chǎn)品的組織狀態(tài)和口感，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。
早期的食品擠壓機采用的是活塞式或注塞式灌腸機?，F(xiàn)在使用的擠壓機是集混合、混煉、熟化、擠出成型于一體的加工設(shè)備，它的許多優(yōu)點在擠壓灌腸機中是得不到體現(xiàn)的。20世紀(jì)30年代末期，首次將擠壓機應(yīng)用于方便食品谷物的生產(chǎn)中，1936年第一臺應(yīng)用于谷物加工的單螺桿擠壓蒸煮機問世，并在該行業(yè)取得成功。目前，美國生產(chǎn)的大型擠壓機生產(chǎn)能力已達到每小時幾噸至十幾噸。近年來，國外擠壓食品已經(jīng)成為單獨一大類方便食品，有主食類、早點類、兒童食品、各種小食品等方便食品。膨化大米可做主食面包、點心面包、蒸制品、炸制品等，將玉米擠壓膨化后粉碎，加入面包中，使面包具有特殊的口感和香味。1980年，美國學(xué)者研究了擠壓快餐食品的風(fēng)味與色澤。在擠壓食品中使用部分色素及風(fēng)味劑，使擠壓食品更具有吸引力。擠壓技術(shù)不僅在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，而且在其他工業(yè)中具有廣闊的前景。如發(fā)酵工業(yè)，尤其是塑料工業(yè)中[3-5]。
1.3國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀
中國雙螺桿擠出機產(chǎn)品系列不全，規(guī)格較少。中國很多塑料支配企業(yè)仍采用進口的雙螺桿擠出機。20世紀(jì)90年代初。華南理工大學(xué)發(fā)明了電磁動態(tài)塑化擠出機，新的理論與概念引人注目。
近幾年中國塑料機械成套性已有很大進展。如塑料造粒機組從主機、供料計量、機頭、造粒和回收系統(tǒng)，到加熱、冷卻、電控、溫控系統(tǒng)都達到了相當(dāng)完善的程度。薄壁管、厚壁管、纏繞管、波紋管（單、雙壁）、復(fù)合管等各種管材機組的規(guī)格日趨齊全，產(chǎn)品水平、質(zhì)量不斷提高。為適應(yīng)多層復(fù)合膜的需要，符合共擠技術(shù)及其成型機組（吹膜機組）也發(fā)展迅速。如青島德意利集團最近研制的中空壁纏繞管生產(chǎn)線，生產(chǎn)的直管管徑可達300mm。又如廣東金明塑膠設(shè)備有限公司吸收、引進德國萊芬豪塞公司關(guān)鍵技術(shù)制造的大型多層共擠復(fù)合膜機組，吹制膜的單幅寬可達20m。該機組可吹制棚膜、農(nóng)膜和土工膜，是一機兩用設(shè)備，使用于線性低密度聚乙烯、茂金屬線性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、（乙烯/乙酸/乙烯酯）共聚物等多種原料。機組中除采用了內(nèi)冷技術(shù)及超聲波監(jiān)控技術(shù)外，還同時采用了機、電、氣動和液壓等多種技術(shù)，并有多項技術(shù)申請了技術(shù)專利[6]。
20世紀(jì)50年代，石油化工的發(fā)展使高分子工業(yè)迅速成熟；60年代，塑料、橡膠、化纖三大合成材料的生產(chǎn)向規(guī)?；D(zhuǎn)變；70年代，世界合成高分子材料在總體積上已經(jīng)超過了金屬材料。聚合物只有通過成型加工才能成為有使用價值的制品。成型加工是高分子材料不可缺少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
擠出成型作為聚合物加工工業(yè)中的一項重要技術(shù)，是在聚合物樹脂應(yīng)用工程技術(shù)、擠出生產(chǎn)設(shè)備研制技術(shù)兩方面互相促進，又互相依存而發(fā)展起來的。形形色色的擠出產(chǎn)品；早期的硬PVC型材，交聯(lián)PE、鋁塑復(fù)合、PP-R管材，雙向拉伸聚丙烯薄膜，多層共擠復(fù)合膜，具有高阻隔性、透氣性、自黏性，熱收縮性、自消性等特殊性能的薄膜，功能母粒與色母粒，發(fā)泡制品。運用擠出加工手段制備改性聚合材料，共混增強、增契技術(shù)，輻射核性技術(shù)，納米復(fù)合技術(shù)，以及其他的一些新型改性技術(shù)。各種結(jié)構(gòu)與功能的擠出機如混煉型螺桿擠出機，排氣式擠出機，雙螺桿、多螺桿式擠出機，反應(yīng)式擠出機、組合式擠出機，適應(yīng)高分子材料物理與化學(xué)特性而建立的成型裝置，具有各種制品所需要的專門功能，能夠?qū)嵤┏尚筒襟E的擠出生產(chǎn)線輔機，以追求操作簡便、控制精確、節(jié)能高效、清潔生產(chǎn)的目標(biāo)而不斷改進的新型設(shè)備[7]。
1.4 擠壓加工的原理
食品的擠壓概括的說就是將食品物料置于擠壓機的高溫高壓狀態(tài)下，然后突然釋放至常溫常壓，使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化的過程。這些物料通常是以谷物原料如大米、糯米、小麥、豆類、玉米、高粱、等為主體，添加水、脂肪、蛋白質(zhì)、微量元素等配料混合而成。擠壓加工方法是借助擠壓機螺桿的推動力，將物料向前擠壓，物料受到混合、攪拌和摩擦以及高剪切力作用，使得淀粉粒解體，同時機腔內(nèi)溫度壓力升高（可達到150-200。C，壓力可達1MPa以上），然后從一定形狀的模孔瞬間擠出，由高溫高壓突然降至常溫常壓，其中游離水分在此壓差下急驟汽化，水的體積可膨脹大約2000倍。膨化的瞬間，谷物的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，他使生淀粉轉(zhuǎn)化成熟淀粉，同時變成層狀疏松的海綿體，谷物體積膨大到幾倍到幾十倍。如圖所示，當(dāng)疏松的食品原料從加料斗進入機筒內(nèi)時，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動，沿著螺槽方向向前輸送，稱為加料段，與此同時，由于受到機頭的阻力作用，固體物料逐漸壓實，又由于物料受到來自于機筒的外部加熱以及物料在螺桿與機筒的強烈攪拌、混合、剪切等作用，溫度升高、開始熔融，直至全部熔融，稱為壓縮熔融段。由于螺槽逐漸變淺，繼續(xù)升溫升壓，食品物料得到蒸煮，出現(xiàn)淀粉糊化，脂肪、蛋白質(zhì)變性等一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，組織進一步均化，最后定量、定壓地由機頭模口均勻擠出，稱為計量均化段[8]。上述即為食品擠壓加工的三段過程。
1-物料 2-料斗 3-水槽 4-螺釘 5-加熱板 6-料槽 7-模頭 8-螺桿
9-?？? 10-連頭 11-密封圈 12-螺筒 13-軸 14-連軸
圖1-1 擠壓加工過程示意圖
第2章 方案設(shè)計
2.1 設(shè)計的要求
單螺桿擠出機的直徑為35mm，長徑比為16，采用變頻無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速范圍為15r/min-150r/min，公比。
2.2 方案設(shè)計部分
2.2.1 方案的整體確定
螺桿擠出機的設(shè)計應(yīng)是一個整體的設(shè)計，包括傳動系統(tǒng)，加料系統(tǒng)，加熱冷卻系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的設(shè)計。
傳動系統(tǒng)包括電機的選擇，為了滿足轉(zhuǎn)速范圍在15r/min-150r/min，變頻無級調(diào)速的要求，可直接使用變頻電機還是采用普通電機加變頻器兩種方案。為了達到減少成本的目的，采用普通電機加變頻器的方式，在普通電機中還有型號選擇的問題，因為轉(zhuǎn)速越低，成本越高，采用何種電機，也影響到以后的總傳動比，電機轉(zhuǎn)速越高，總傳動比就越大，從而使變速箱過于龐大，綜合以上因素，采用的是同步轉(zhuǎn)速1500r/min的Y112-4的電機配合變頻范圍在25Hz-50Hz的變頻器，這樣只需要采用二級減速器就可以達到要求的轉(zhuǎn)速范圍。由于輸出軸的最終轉(zhuǎn)速是在一定范圍內(nèi)的，因此必須采用多聯(lián)滑塊，是采用二聯(lián)還是三聯(lián)，另外采用了多聯(lián)滑塊，變速比多大也是一個必須討論的問題，過大則導(dǎo)致最小轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速的比值過小，而使用的只是15r/min-150r/min的轉(zhuǎn)速范圍，造成了浪費。升速比與降速比的選擇也影響到重合的速度范圍，重合過多也造成了極大的浪費。因此在確定升降比的時候采用由后往前的推力方式，采用的是雙聯(lián)滑塊。此時有兩種方案，方案一升2.5降2，方案二升2降2.5，他們的轉(zhuǎn)速重合范圍都是35-75r/min，采用不同的方案對減速部分的減速比有很大的影響。方案一中的減速比為24，方案二中的減速比為19.7，一中減速比過大，使得減速部分較大，因此采用的是方案二。在單螺桿擠出機傳動系統(tǒng)的設(shè)計中，另一個重要的問題是輸出軸上止推軸承的位置問題，選擇不同的位置會影響到齒輪的位置，拆裝的方便等[8]。
機筒的設(shè)計采用剖分式還是整體式是整個設(shè)計中的一個關(guān)鍵，整體式中的輸出軸必須設(shè)計成空心軸，以便于螺桿的拆卸。并且要想了解擠出過程中物料沿螺桿的輸送、混合、反應(yīng)情況，只有停轉(zhuǎn)將機筒通水冷卻，然后把螺桿抽出才能看清。這樣很不方便，有時還會破壞過程的原貌。為了克服上述缺點及操作方便，機筒做成剖分式。剖分式包括上下開合和左右開合，由于加料口在機筒的上部，因此采用的是左右開合式。設(shè)計成剖分式必須考慮合頁的設(shè)計，考慮合頁的開合角度是否能夠使螺桿充分露出，保證拆卸的方便。由于機筒體積較大，因此在剖分式機筒的兩邊各設(shè)計一個支撐軸用以分擔(dān)合頁所承受的壓力，支撐軸下帶有滾輪，以便于機筒的開合[9]。
冷卻系統(tǒng)中采用的是水冷方式，因為水冷的速度較快，時間較短，并且采用水冷與風(fēng)冷相比，所占的空間較小。水冷采用的是水套，水套屬于鑄鋁加熱器的一部分，在加熱絲的外圈，這樣可以使冷卻的速度加快。水冷采用的是軟管接頭。加熱系統(tǒng)采用的是鑄鋁加熱器，因為此種加熱器具有外形尺寸小、質(zhì)量輕、拆裝方便等優(yōu)點。機筒徑向溫度均勻，預(yù)熱時間短；調(diào)節(jié)溫度時反應(yīng)靈敏，溫度穩(wěn)定性好；熱損失少，節(jié)能。其缺點：徑向尺寸大、拆裝不便、成本較高。一般不用于大型擠出機或形狀復(fù)雜的機頭上[9]。
普通螺桿的設(shè)計都分為三段，加料段、壓縮段和計量段，螺桿的主要參數(shù)包括直徑D，長徑比L/D，螺桿三段的長度，加料段和計量段槽深度H1，H3，螺紋升角Φ，以及其他一些次要的參數(shù)。因為螺桿是向前輸送物料，因此由加料段到計量段的槽深是越來越淺的。此外螺紋斷面，螺紋頭數(shù)，螺距的設(shè)計是很重要的。
2.2.2機筒與螺桿材料的選擇
由于機筒和料筒是在高溫、一定腐蝕、強烈磨損、大扭矩下工作的，因此，機筒和料筒必須由耐高溫、耐磨損、高強度的優(yōu)質(zhì)材料作成，故選用38CrMoAl，制成螺桿后經(jīng)氮化處理，或選用氮化鋼，氮化層厚度一般為0.3-0.5mm，經(jīng)表面處理后硬度不得小于950HV，工作表面粗糙度Ra為1.6μm，并要求機筒內(nèi)表面的硬度應(yīng)比螺桿元件高30-60HV。
由于機筒和螺桿在相同的條件下工作，故其選材原則與螺桿相通。
用于共混、填充改性的機筒元件可用氮化鋼38CrMoALA制成。這種材料具有一定的耐磨性，但耐腐蝕性較差。
用于磨損大的填充、增強改性物料生產(chǎn)線的機筒，可采用金屬機筒。即機筒元件不是由整塊相通材料構(gòu)成，而是有兩種材料構(gòu)成，與物料接觸部分采用耐磨（蝕）的材料，而不與物料接觸部分則用廉價的一般碳素鋼。這樣可以節(jié)省材料，把耐磨材料用到刀刃上。
第3章 設(shè)計計算
3.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計
3.1.1 電機的選擇
根據(jù)要求的螺桿轉(zhuǎn)速范圍15r/min-150r/min，采用普通電機加變頻器調(diào)速方式，選用的電機型號為Y112-4，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為4kW，轉(zhuǎn)速1440r/min，電流8.77A，效率84.5%，變頻器范圍25Hz-50Hz。由得變頻器的轉(zhuǎn)速范圍
3.1.2 傳動比的分配
欲使螺桿達到15-150r/min的轉(zhuǎn)速，由后往前推
設(shè)升a降b
2xa=150
Xb=15
得a=5b
取a=2.5，b=0.5，得x=30（方案一）
或a=2，b=0.4，得x=37.5（方案二）
兩方案的轉(zhuǎn)速重合范圍都為30-75r/min。
采用二級減速器，設(shè)帶輪減速比為，依次為，。
方案一中××=
方案二中××=
方案一中減速比過大，取方案二
減速比分配為=3.072，==2.5
得：
當(dāng)n=720r/min時 當(dāng)n=1440r/min
擬定的轉(zhuǎn)速圖如圖3-1所示。
圖3-1 轉(zhuǎn)速圖
傳動系統(tǒng)圖如圖3-2所示。
圖3-2 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2 螺桿的設(shè)計
已知螺桿的參數(shù)有直徑為D=35mm，長徑比為16。升角取17度，采用等矩變深螺桿，單頭螺紋。
在螺桿直徑、螺槽深度和螺紋升程相同的條件下，多頭；螺紋與單頭螺紋相比，多頭螺紋對物料的正推力較大、攫取物料的能力較強并可降低熔料的倒流現(xiàn)象。但是整條螺桿都是多頭螺紋時，物料分別從螺桿漏斗區(qū)幾條螺槽通道進入達到螺桿頭部。在漏斗區(qū)，往往由于幾條螺槽的進料不均勻和各條螺槽的熔融和均化或?qū)θ哿陷斔湍芰Σ灰恢?，容易引起生產(chǎn)能力的波動、壓力波動。其結(jié)果是制品質(zhì)量下降。綜合以上因素，本設(shè)計采用單頭螺紋螺桿[9]。
螺距
得 法向?qū)挾萫=0.1D=3.5mm
軸向?qū)挾?
取
（3-1）
初選
螺桿軸向力的確定：
PZ——螺桿軸向推力，N
P1——物料作用在螺桿端面上的總壓力，N
P2——擠壓時由于動載荷產(chǎn)生的附加壓力的軸向分量，N
（3-2）
式中 ——螺桿外徑， m
P——螺桿端部的物料壓力， Pa
故
1.由軸向力產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力
（3-3）
DS=35mm，冷卻水孔徑DO=9mm
2.由扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力
3.由螺桿自重G產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力
取
故
4.螺桿的合成應(yīng)力
根據(jù)材料力學(xué)可知，塑性材料合成應(yīng)力用第三強度理論計算，其強度條件為：
（3-4）
式中
故滿足要求。
螺紋形狀采用矩形端面。
常見的螺紋斷面形狀有矩形面螺紋、鋸齒形端面螺紋、梯形端面螺紋和半圓形端面螺紋。在本設(shè)計中采用矩形端面螺紋。螺紋根徑表面與螺棱推進面成90度夾角，用小圓弧過度。圓弧半徑r=1mm，螺紋后角a=10度。
根據(jù)經(jīng)驗，螺棱頂面寬度一般取e=（0.08~0.12）D。在保證螺棱強度的條件下，e的取值小一些。因為比較大的e值不但占據(jù)一部分螺槽容積，而且增加螺桿的功率損耗，又容易引起物料的局部過。E值也不能過小，否則會削弱螺棱強度，增大漏流物量，從而降低生產(chǎn)能力。因此本設(shè)計中取e=3.5。
熔料在螺槽中的螺旋運動至進入口時的直線運動中，有一個急劇的改變過程。料流在螺桿頭部前面的機筒中，料流速度在機筒中心點最快，而在機筒壁處為最慢。因而應(yīng)選擇合理的螺桿頭部形狀才能使料流平穩(wěn)地進入口模，并可避免生產(chǎn)滯流和防止物料的局部過熱分解。
常見的模頭形式有球形、大圓錐形、扇形、帶螺紋的錐體等，從工藝方面考慮，本設(shè)計中采用大圓錐形模頭。
3.3 齒輪的設(shè)計
3.3.1 輸入軸上齒輪的設(shè)計
已知輸入功率為，小齒輪轉(zhuǎn)速為468.8r/min，齒數(shù)比為2.5，由電機驅(qū)動，工作壽命為15年（設(shè)每年工作300天），兩班制，工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。
1.選定齒輪的類型，精度等級，材料及齒數(shù)
（1）為直齒圓柱齒輪
（2）選七級精度
（3）選小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度為280HBS，大齒輪為45#鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者的硬度差為40HBS。
（4）選小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)為
2.按齒面接觸強度設(shè)計
（3-5）
(1)確定各值
a.試選載荷系數(shù)Kt=1.3
b.計算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
c. 由《機械設(shè)計》[10]表10-7選取齒寬系數(shù)
d.由《機械設(shè)計》[10]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
e.由《機械設(shè)計》[10]圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限
，大齒輪
f.由《機械設(shè)計》[10] 式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
g.由《機械設(shè)計》[10]圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)
h.計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由《機械設(shè)計》[10]式（10-12）得
（2）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
a. 分度圓直徑
b.計算圓周速度V
c.計算齒寬b
d.計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
e.計算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級精度，由《機械設(shè)計》[10]圖10-8查得動載荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由《機械設(shè)計》[10]書中表10-3查得
；
由《機械設(shè)計》[10]表10-2查得使用系數(shù)；
由《機械設(shè)計》[10]表10-4查得7級精度、小齒輪相對支撐非對稱布置時，
； (3-6)
將數(shù)據(jù)代入后得：
；
由，查《機械設(shè)計》[10]圖10-13得；
故載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由《機械設(shè)計》[10]式（10-10a）得
（7）計算模數(shù)m
3.按齒根彎曲強度設(shè)計
由《機械設(shè)計》[10]式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為：
(3-7)
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
a.由《機械設(shè)計》[10]圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限；
b.由《機械設(shè)計》[10]圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
c.計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機械設(shè)計》[10]式（10-2）得
d.計算載荷系數(shù)K
e.查取齒形系數(shù)
由《機械設(shè)計》[10]表10-4查得。
f.查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機械設(shè)計》[10]表10-5可查得。
g.計算大、小齒輪的，并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
h.設(shè)計計算
（圓整為2.5）
小齒輪齒寬為30，大齒輪選25。
3.3.2Ⅱ軸Ⅲ軸上一對齒輪的設(shè)計
已知輸入功率為，小齒輪轉(zhuǎn)速為187.5r/min，齒數(shù)比為2.5，由電機驅(qū)動，工作壽命為15年（設(shè)每年工作300天），兩班制，工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。
1.選定齒輪的類型，精度等級，材料及齒數(shù)
（1）為直齒圓柱齒輪
（2）選七級精度
（3）選小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度為280HBS，大齒輪為45#鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者的硬度差為40HBS。
（4）選小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)為
2.按齒面接觸強度設(shè)計
(3-8)
（1）定各值
a.試選載荷系數(shù)Kt=1.3
b.計算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
c. 由《機械設(shè)計》[10]表10-7選取齒寬系數(shù)
d.由《機械設(shè)計》[10]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
e.由《機械設(shè)計》[10]圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限
，大齒輪
f.由《機械設(shè)計》[10] 式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
g.由《機械設(shè)計》[10]圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)
h.計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由《機械設(shè)計》[10]式（10-12）得
（2）計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
a. 小齒輪分度圓直徑
b.計算圓周速度V
c.計算齒寬b
d.計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
e.計算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級精度，由《機械設(shè)計》[10]圖10-8查得動載荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由《機械設(shè)計》[10]書中表10-3查得
；
由《機械設(shè)計》[10]表10-2查得使用系數(shù)；
由《機械設(shè)計》[10]表10-4查得7級精度、小齒輪相對支撐非對稱布置時，
； (3-9)
將數(shù)據(jù)代入后得：
；
由，查《機械設(shè)計》[10]圖10-13得；
故載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由《機械設(shè)計》[10]式（10-10a）得
（7）計算模數(shù)m
3.按齒根彎曲強度設(shè)計
由《機械設(shè)計》[10]式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為：
(3-10)
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
a.由《機械設(shè)計》[10]圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限；
b.由《機械設(shè)計》[10]圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
c.計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機械設(shè)計》[10]式（10-2）得
d.計算載荷系數(shù)K
e.查取齒形系數(shù)
由《機械設(shè)計》[10]表10-4查得。
f.查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機械設(shè)計》[10]表10-5可查得。
g.計算大、小齒輪的，并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
h.設(shè)計計算
（圓整為3）
小齒輪齒寬為36，大齒輪選36。
3.3.3 計算輸出軸上的小齒輪
已知輸入功率為，小齒輪轉(zhuǎn)速為150r/min，齒數(shù)比為2，由電機驅(qū)動，工作壽命為15年（設(shè)每年工作300天），兩班制，工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。
1.選定齒輪的類型，精度等級，材料及齒數(shù)
（1）為直齒圓柱齒輪
（2）選七級精度
（3）選小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度為280HBS，大齒輪為45#鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者的硬度差為40HBS。
（4）選小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)為
2.按齒面接觸強度設(shè)計
( 3-11)
（1） 確定各值
a.試選載荷系數(shù)Kt=1.3
b.計算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
c. 由《機械設(shè)計》[10]表10-7選取齒寬系數(shù)
d.由《機械設(shè)計》[10]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
e.由《機械設(shè)計》[10]圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限
，大齒輪
f.由《機械設(shè)計》[10] 式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
g.由《機械設(shè)計》[10]圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)
h.計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由《機械設(shè)計》[10]式（10-12）得
（2） 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
a. 小齒輪分度圓直徑
b.計算圓周速度V
c.計算齒寬b
d.計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
e.計算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級精度，由《機械設(shè)計》[10]圖10-8查得動載荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由《機械設(shè)計》[10]書中表10-3查得
；
由《機械設(shè)計》[10]表10-2查得使用系數(shù)；
由《機械設(shè)計》[10]表10-4查得7級精度、小齒輪相對支撐非對稱布置時，
；
將數(shù)據(jù)代入后得：
； (3-12)
由，查《機械設(shè)計》[10]圖10-13得；
故載荷系數(shù)
f.按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由《機械設(shè)計》[10]式（10-10a）得
g.計算模數(shù)m
3.按齒根彎曲強度設(shè)計
由《機械設(shè)計》[10]式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為：
(3-13)
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
a由《機械設(shè)計》[10]圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限；
b由《機械設(shè)計》[10]圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
c計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機械設(shè)計》[10]式（10-2）得
d計算載荷系數(shù)K
e查取齒形系數(shù)
由《機械設(shè)計》[10]表10-4查得。
f.查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機械設(shè)計》[10]表10-5可查得。
g.計算大、小齒輪的，并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
h.設(shè)計計算
（圓整為3）
小齒輪齒寬為36，大齒輪選36。
另一對小齒輪齒數(shù)為28，大齒輪齒數(shù)為71，模數(shù)為3。
3.4 軸的計算
軸材料為45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-3，取
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
Ⅳ軸
由于Ⅳ軸是輸出軸，理論上應(yīng)該小于Ⅲ軸的直徑，但實際中應(yīng)至少不?、筝S的直徑，所以也取最小直徑為45mm.
3.5 帶輪計算
已知電機的型號為Y112-M，額定功率P=4Kw，轉(zhuǎn)速為1440r/min，傳動比為i=3.072，一天工作時間小于10h。
3.5.1 確定計算功率
由《機械設(shè)計》[10]表8-6查得工作情況系數(shù)
3.5.2 選窄V帶帶型
根據(jù)，n，由《機械設(shè)計》[10]圖8-9選用SPZ型
3.5.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑
由《機械設(shè)計》[10]表8-3和表8-7取主動輪的基準(zhǔn)直徑
從動輪直徑
由表8-7取
驗算帶的速度
3.5.4 確定窄V帶的基準(zhǔn)長度和中心距
根據(jù)初步確定中心距
選取基準(zhǔn)長度
計算實際中心距
3.5.5 包角
包角合適。
3.5.6 計算根數(shù)
由 n=1440r/min, ,由《機械設(shè)計》[10]表和得
由《機械設(shè)計》[10]表8-8得，由《機械設(shè)計》[10]表8-2得
Z=3根
3.6 軸的校核
校核的Ⅰ軸，直徑為30mm，上面有一個減速齒輪，采用平鍵聯(lián)結(jié)。
圖3-3Ⅰ軸上各點位置分析
由上可知Ⅰ軸傳給Ⅱ軸的轉(zhuǎn)矩，（圖3-4g）
得xz平面內(nèi)的彎矩（圖3-4e）
Xy平面內(nèi)的彎矩（圖3-4c）
根據(jù)彎曲公式，采用矢量合成方法，合成彎矩M為：
（圖3-4f）
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
（f）
（g）
圖3-4軸的載荷分析圖
由軸的彎扭合成強度條件得：
(3-15)
式中——軸的計算應(yīng)力，單位MPa；
M——軸所受的彎矩， N.mm；
T——軸所受的扭矩， N.mm；
W——軸的抗彎截面系數(shù)， ；
——對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。
抗彎截面系數(shù)的計算 (截面如圖3-5所示)。
圖3-5Ⅰ軸截面圖
由公式
得抗彎截面系數(shù)
取0.6，得軸的計算應(yīng)力為
已知軸為45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，由《機械設(shè)計》[10]表5-1查得=60
得<，所以安全。
第4章 冷卻裝置
物料在擠壓過程中得到的熱量來源有兩個：一個是機筒外部加熱器供給
的熱量；另一個是物料與機筒內(nèi)壁，物料與螺桿之間相對運動所產(chǎn)生的摩擦剪切熱。前一部分熱量由加熱器的電能轉(zhuǎn)化而來，后一部分熱量由電動機輸給螺桿的機械能轉(zhuǎn)化而來。這兩部分熱量所占比例的大小與螺桿、機筒的結(jié)構(gòu)形式、工藝條件、物料性質(zhì)等有關(guān)，也與擠壓過程的階段（如啟動階段，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段）有關(guān)。另外，這兩部分熱量所占比例在擠壓過程的不同區(qū)段也是不同的。
在擠出機開車前，機筒的各段部位都需要加熱來提高各段溫度，達到生產(chǎn)工藝溫度要求。但是，當(dāng)擠出機工作一段時間后，由于有了機筒內(nèi)物料被擠壓、剪切和摩擦產(chǎn)生的熱，這時機筒的外部熱源就應(yīng)降低一些。當(dāng)為了提高產(chǎn)量提高螺桿轉(zhuǎn)速時，則物料擠壓、摩擦熱量使機筒升溫。當(dāng)溫度超過工藝限定的溫度后，這時不僅要切斷機筒外部供熱電源，而且還要用導(dǎo)熱介質(zhì)帶走一部分熱量，及冷卻，才能控制工藝溫度的穩(wěn)定，保證生產(chǎn)正常進行。
需要冷卻的部分有機筒、螺桿和加料斗機座。冷卻的方法有風(fēng)冷和水冷。
風(fēng)冷就是用風(fēng)機吹機筒需要冷卻的部分，通過空氣帶走這段機筒的熱量。這種冷卻方式對機筒的熱沖擊小，結(jié)構(gòu)又簡單，造價也不高，維護方便，目前應(yīng)用的比較多。不足之處時冷卻的速度慢一些。
4.1 水冷
機筒用水冷卻時，一般是在機筒的外圓纏紫銅管或在機筒外圓附有水套，然后通水冷卻。這種冷卻方法結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效果好。
組成：一套水冷散熱系統(tǒng)是由散熱器、水管及一個水泵組成。
原理：水冷散熱器有一個進水口及出水口，散熱器內(nèi)部有多條水道，這樣可以充分發(fā)揮水冷的優(yōu)勢，能帶走更多的熱量。這就是水冷散熱器的基本原理。
4.2 風(fēng)冷
風(fēng)冷就是用風(fēng)機吹機筒需要冷卻的部分，通過空氣帶走這段機筒的熱量。這種冷卻方式對機筒的熱沖擊小，結(jié)構(gòu)又簡單，造價也不高，維護方便，目前應(yīng)用的比較多。
水冷散熱與風(fēng)冷散熱其本質(zhì)是相同的，只是液冷中利用循環(huán)液將CPU的熱量從水冷塊中搬運到換熱器上再散發(fā)出去，由于換熱器的散熱面積和散熱環(huán)境遠遠要好于一般的風(fēng)冷散熱器，所以液冷的降溫效果非常明顯。
本設(shè)計采用水冷。水冷有結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效果好等優(yōu)點。
結(jié)論
本次畢業(yè)設(shè)計完成的是食品單螺桿擠出機的設(shè)計，從傳動系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、冷卻和加熱進行研究。此單螺桿擠出機是通過電機將動力傳給帶輪，經(jīng)減速傳給螺桿，為了滿足變速范圍的要求，采用的是普通電機進行變頻無級調(diào)速，為了便于安裝和拆卸，機筒才采用的是左右剖分式結(jié)構(gòu)，分三段進行加熱和冷卻。通過電磁閥和傳感器進行溫度的控制和冷卻水的進出，保證溫度在所允許的范圍內(nèi)。得出的主要結(jié)論如下：
1. 采用機械調(diào)速與變頻調(diào)速相結(jié)合的方式，選用普通的電機實現(xiàn)了擠壓機的無級變速，同時可使電機功率利用更加合理。使剖分式食品擠壓機的螺桿轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求的不同進行調(diào)整。
2. 擠壓系統(tǒng)的螺桿采用整體式結(jié)構(gòu)，機筒采用剖分式結(jié)構(gòu)，能夠快速打開，解決了傳統(tǒng)擠壓機清理困難這一難題。與傳統(tǒng)的整體式相比，設(shè)計中所采用的剖分式機筒，給拆卸帶來了方便，同時有利于螺桿的清洗。
3. 螺桿采用積木式結(jié)構(gòu)，有利于降低螺桿的制造難度。
4. 采用鋁鑄加熱器和水冷方式進行加熱和冷卻，水冷方式冷卻能力強，能夠有效的保證擠壓機在正常的溫度范圍進行工作。
致謝
在本論文順利完成之際，我首先要由衷地感謝我的指導(dǎo)老師唐慶菊老師。在論文的選題、文獻查閱、開題、實驗以及撰寫的每一個環(huán)節(jié)，都得到了唐老師嚴格的審閱和悉心的指導(dǎo)。正是由于唐老師這樣的諄諄教導(dǎo)和鼓勵，才使我能夠在短短的三個月里順利的完成畢業(yè)設(shè)計論文。同時，我也體會到了唐老師扎實的專業(yè)知識基礎(chǔ)，嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)思維方式，以及工作中積累的豐富的實踐經(jīng)驗。 而且，唐老師積極樂觀的生活態(tài)度，以誠相待的處事原則，給我留下了深深的印象。使我學(xué)會了在為自己的理想努力奮斗的過程中，及時享受階段性的成功帶來的喜悅。她的治學(xué)嚴謹?shù)膽B(tài)度和科學(xué)研究的精神也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。所以我覺得通過這學(xué)期的畢業(yè)環(huán)節(jié)，對我是一個很好的鍛煉。
然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎(chǔ)；同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。感謝母校---黑龍江科技學(xué)院對我的栽培，感謝所有幫助過我的、認識我的、關(guān)心我的人；祝你們一切順利！
我想，這段經(jīng)歷一定會使我在今后的工作生活更加如魚得水。
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