SJ10025挤出机低速轴齿轮设计.doc

摘要 挤出机，主机是挤塑机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。挤出机是一种常见的塑料机械设备，近年来，中国常规挤出机及生产线，以优异的性价比逐渐走俏国际巿场。同时，中国在先进挤出技术领域不断创新，开拓出了多种新型挤出产品。精密挤出技术适应高精加工需要 精密挤出成型可以免去后续加工手段，更好地满足制品应用的需求，同时达到降低材料成本、提高制品质量的目的。如今，满足塑料制品精密直接挤出的需要，多种成熟的技术已经推向巿场，聚合物熔体齿轮泵就是其中一种重要手段。这一技术已经广泛应用于化纤、薄膜、型材、管材、板材、线缆、复合挤出、造粒等生产线。单螺杆塑料挤出机采用单个减速机、单个螺筒、螺杆采用正规型材、优质碳素钢。 特殊要求采用高强度耐腐蚀的合金钢经多级热处理和精加工而成，脱水排气，可配导热油节能装置，能耗比低。此次设计说明书根据具体参数的计算和工况的分析，从而制定了总体的控制方案。经过各种方案对比后，设计出挤出机低速轴齿轮的设计。关键词： 挤出机； 低速轴齿轮；机筒；机头Abstract Extruder, the host is crowded molding machine, it is composed of extrusion system, transmission system and heating cooling system. Extruder is a kind of common plastic machinery and equipment, in recent years, Chinas conventional extrusion machine and production line, with excellent cost-effective popular international market gradually. At the same time, China in the field of advanced extrusion technology innovation, develop a variety of new products come out. Extrusion technology to meet the need of high precision processingPrecision extrusion can be removed from the follow-up processing method, better meet the needs of product application, at the same time to reduce the cost of materials, the purpose of improving the quality of the products. Today, meet the needs of plastic precision direct extrusion, a variety of mature technology has been to the market, the polymer melt gear pump is one of the important means. This technology has been widely used in chemical fiber, film, profile, pipes, plates, wire, composite extrusion, such as granulation production lines. Single screw plastic extruder using a single reducer, normal profile is used for a single screw barrel, screw, high quality carbon steel. Special request is made of high strength and corrosion resistance of alloy steel after multi-stage heat treatment and finish machining, dehydration and exhaust, can match heat conduction oil energy saving device, low energy consumption ratio. The design specification according to the calculation of specific parameters and condition analysis, thus made the overall control scheme. Through comparing various schemes, designed extruder low speed shaft gear design.Key words： Extruder；Low Speed Shaft Gear；Barrel;Head 目 录 引言 1 一设计初步方案 1 二本次设计的挤出机设计布置 1 第一章 挤出机的主要性能参数 2 1.1螺杆转速 2 1.2挤出机功率 2 1.3 轴向力P 3 1.4 生产能力 Q 3 第二章 电机的选择 4 第三章 减速器设计计算 5 3.1 传动部分设计计算 5 3.1.1 传动比计算及分配 5 3.1.2 各轴转速 5 3.1.3 各轴功率 6 3.1.4 各轴转矩 6 3.2 齿轮设计 6 3.2.1 高速级齿轮传动 6 3.2.2 低速级齿轮传动 11 3.3 速比齿轮轴及其上轴承的设计、选择和校核 15 3.3.1 基本轴径的设计 15 3.3.2 轴的校核、选取轴承及所选轴承的校核 17 3.4 各轴上联接齿轮的键的选取与校核 30 3.4.1 低速级齿轮的健及其校核 30 3.4 各轴上联接齿轮的键的选取与校核 31 第四章 螺杆的设计与校核 32 4.1 螺杆材料 32 4.2 螺杆形式 32 4.3 螺杆参数 32 4.4 螺杆结构 32 4.5 螺纹的断面形状 33 4.6 校核 34 第五章 机筒的设计及强度校核 35 5.1 机筒结构设计及材料选择 35 5.2 机筒参数 36 5.3 校核 36 第六章 .其他零部件的设计与校核 37 6.1 螺杆与轴联接处的花键的选择与校核 37 6.1.1 花键挤压强度校核 37 6.2 推力轴承的选择与校核 38 6.2.1 校验 39 6.2.2 寿命计算 40 6.3 联轴器的选择与校核 40 6.4 螺杆与机筒的组合设计 40 6.5机头的设计 40 6.6 温度控制 40 总结 41 参考文献 42 致谢43 前 言一、 初步设计方案 本设计为SJ100/25挤出机，制品可以为成品及半成品，应用的材料为低密度聚乙烯。喂养料的基础被次挤出机应用。塑料粘流态与其相比停留的时间较长。而且强烈的剪切会导致大量的热生成，故此需要良好的冷却装置。螺杆有较大的直径比。并都承受剪切力和轴向力。物料传出的热量也由其接收。所以有较大的强度和抗磨损能力为所选螺杆的主要条件，还需要要比较好的化学腐蚀性能，较好的机械加工和在高温下不损坏的能力。所以要首先选取38/CrMoALA.因为螺杆运输材料，因此其结构特别关键。根据所查文献和相关知识确定螺杆为单螺旋等距突变螺杆，采用电机+减速机构+螺杆，让螺杆具有转速和扭矩。螺杆与机筒间的轴向推力轴承传递为螺杆所承受的轴向力。挤出机采用产品机构自己安装。二. 本次设计的挤出机设计布置 电动机减速机构螺杆图一 装配图42沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章.挤出机的主要性能参数 第一章 挤出机的主要性能参数 此设计为SJ-100/25挤出机，采用的加工材料为“低密度聚乙烯”。根据相关文献可知本次设计的主要参数为螺杆直径 D=100mm 长径比 L/D=25螺杆转速 N=55r/min主电机型号 直流z4-250-21电机转速（同步） 1500r/min电机额定电压 440V 50HZ电机额定功率 N=110kw生产能力 Q=0.65=0.0651.1 螺杆转速 因为螺杆不能进料的临界转速为=55r/min 螺杆的工作转速 n=（0.2-0.7） 所以取 n=22.5r/min1.2 挤出机功率 公式： N=KLDn/1000 K计算系数 D螺杆直径 D=100mm=10cm N螺杆转速 n=22.5 所以 N=56.52kw减速器设计为二级斜齿减速器取 =0.99 =0.99 =0.97 = =0.904 N=55.52/0.90461.416kw1.3 轴向力P因为 P=200F F=所以P=200D/4=2003.14100/4=15700kg1.4 生产能力 Q （1-4） 计算系数 取0.0030.007 n转速 n=22.5 Q=0.0051022.5=112.5沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 电机的选择第二章 电机的选择 根据机械设计手册23篇表23-33.依据功率,转速等因素确定电机： 选取：封闭式三相异步电动机 Y4 额定功率：45kw 转速：1480 电流： 84.2A 效率：92.3% 同时查表23125得： 此电动机轴直径 D=60mm 外伸E=140mm 中心距H=225mm沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 减速器设计计算第三章 减速器设计计算3.1 传动部分设计计算3.1.1 传动比计算及分配由所设计原始尺寸可得：减速器总传动比 I=1480/22.5=65.78根据机械设计课程设计手册第二版得：I=（1.31.5）I 取I=1.4I 则 I=II=1.4I所以 I=7.2 I=5.143.1.2 各轴转速 设传动装置从电机到工作机有三个轴，依次为： ，轴。n=； n=； n=n电动机满载转速 n= 1470n，n，n分别为 ，轴的转速 （单位）I，I，I分别为电动机至高速轴；至轴；至轴间的传动比 n=1480 n=206 n=403.1.3 各轴功率 P=P =450.990.99=44.1kw P=P =44.10.990.97=42.35kw P=P =42.350.990.97=40.67kw P电动机输出功率 P=N=45kw P，P，P个轴输入功率3.1.4 各轴转矩 T=9550=9550=290.37Nm T=9550=9550=284.56Nm T=9550=9550=1963.31Nm T=9550=9550=9709.96Nm表3-1 传动参数表轴号功率转速转矩传动形式传动比44.11480284.56联轴器轴承7.242.352061963.31齿轮轴承5.1440.67409709.96齿轮轴承3.2 齿轮设计3.2.1 高速级齿轮传动N=45kw,n=1480,I=7.2。,维持工作15年，总共300天需要工作，两班制，输送机采用带式，稳定，转向保持一致。(1) 确定齿轮类型，精度等级，材料和齿数 查机械设计表10-1 确定大、小齿轮的材料都为40Cr,调质和表面淬火处理之后，齿面硬度等于4855HRC.精度等级确定等于7级确定小齿轮齿数Z=24 则Z=I24=173暂时确定螺旋角=14(2) 按齿面接触强度设计依据机械设计公式10-21： （3-1） 选取公式内计算数值 a、初步确定K=1.6 b、根据10-30确定区域系数 Z=2.433 c、根据图10-26 可知=0.78，=0.9，=+=1.68 d、小齿轮传递的转矩：T=2.910Nmm e、根据10-7采用齿宽系数=0.8 f、根据10-6 可知材料的弹性影响系数：Z=189.8MPa g、根据10-21e 可知齿轮的接触疲劳强度极限：=1100.MPa h、根据10-13 计算应力循环次数： N=60n=6014801（2830015）=6.3910 N=8.8810 i、由图10-19 确定接触疲劳寿命系数： K=0.9, K=1.02 j、求接触疲劳许用力：（取失效概率为10%，安全系数为S=1） 由式10-21得： =990MPa =1122MPa =1056MPa计算： a、确定小齿轮分度圆直径 =53.4mm b、求圆周速度 V=4.14 c、求齿宽b及模数m b=0.853.4=42.72mm m=2.16mm h=2.25m=2.252.16=4.86mm =8.79 d、求纵向重合度 =1.522 e、计算载荷系数K 由表10-2 查得使用系数 K=1 根据V=4.14 ，7级精度 ，由图10-8 确定动载系数K=1.16 由表10-3查得K=K=1.2 由表10-4采取插值法确定7级精度小齿轮相对支撑点非对称布置时 K1.288 因此载荷系数K=1.79 再由于图10-13可知K=1.25 f、采用实际的载荷系数校正所算的分度圆的直径，由式10-10a得： d=d=53.4=55.42mm g、求模数 m m=2.24mm(3) 按齿根弯曲疲劳强度设计 由式10-17得： m 确定计算参数 a、计算载荷系数 K= b、由图10-20d查得齿轮的弯曲疲劳强度极限：=620MPa c、由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数K=0.85, K=0.88 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： =376.4MPa =389.7MPa e、根据纵向重合度=1.527，由图10-28查得螺旋角影响系数 Y=0.88 f、计算当量齿数 Z=26.27 Z=189.55 g、查取齿形系数 由表10-5查得Y=2.65 , Y=2.14 h、查取应力校正系数 由表10-5查得Y=1.58 , Y=1.83 i、计算大、小齿轮的并加以比较 =0.0111238 =0.0100493 小齿轮的数值大 设计计算 m =2.33mm取m=3mm ， d=55.42mm Z=17.92取Z=18，则Z=IZ=130(4) 求几何尺寸 求中心距 a=228.87mm 将中心距圆整为230mm 按圆整后的中心距改正螺旋角 =arccos=15.2 因值改变不多，故参数,等不必修改。 求大、小齿轮的分度圆直径 求齿轮宽度 圆整后取B=45mm B=50mm3.2.2 低速级齿轮传动n=206,I=5.14,能运作15年，一共300天工作，两班制，带式输送机，稳定，转向一致。(1) 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 由机械设计表10-1 确定大、小齿轮的材料都是40Cr,调质和表面淬火处理之后，齿面硬度等于4855HRC.精度等级确定为7级确定小齿轮齿数Z=34 则Z=IZ=5.1234=175初步确定螺旋角=14(2) 按齿面接触强度设计 根据机械设计公式10-21计算： （3-2） 确定公式内的各计算数值: a、初步确定K=1.6 b、根据10-30确定区域系数 Z=2.433 c、根据10-26 确定=0.8，=0.92，=+=1.72 d、小齿轮传递的转矩：T=1.31410Nmm e、根据表格10-7确定齿宽系数=0.8 f、根据表格10-6 确定材料的弹性影响系数：Z=189.8MPa g、根据10-21e 确定齿轮的接触疲劳强度极限：=1100MPa h、根据10-13 求应力循环次数： N=60n=602061（2830015）=8.910 N=1.7310 i、根据10-19 确定接触疲劳寿命系数为 K=1.02, K=1.11 j、求接触疲劳许用力：（约算失效概率为1%，安全系数S=1） 根据算式10-21得： =1122MPa =1221MPa =1171.5MPa 计算： a、求小齿轮分度圆直径 =100.21mm b、求圆周速度 V=1.02 c、求齿宽b和模数m b=0.894.6=95.68mm m=2.7mm h=2.25m=2.252.7=6.075mm =12.46 d、求纵向重合度 =2.16 e、求载荷系数K 根据表10-2 确定应取系数 K=1 因为V=1.02 ，精度为7级 ，根据图10-8 确定动载系数K=1.04 根据表格10-3确定K=K=1.2 根据10-4采取插值法求7级精度小齿轮相对支撑点不是对称布置时 K1.305 因此载荷系数K=1.63 还因为图10-13确定K=1.28 f、应用实际的载荷系数校正所求的分度圆的直径，根据式10-10a得： d=d=94.6=95.36mm g、求模数 m m=2.72mm(3) 按齿根弯曲疲劳强度设计 根据10-17得： m 求计算参数 a、计算载荷系数 K= b、根据10-20d确定齿轮的弯曲疲劳强度极限：=620MPa c、根据10-18确定弯曲疲劳寿命系数K=0.88, K=0.91 d、求弯曲疲劳许用应力 设弯曲疲劳安全系数S=1.4 根据10-12得： =389.7MPa =430MPa e、由于纵向重合度=2.16，根据图10-28确定螺旋角影响系数 Y=0.88 f、 求当量齿数 Z=37.25 Z=191.14 g、根据表格采用齿形系数 由表10-5查得Y=2.43 , Y=2.13 h、根据表格采用应力校正系数 根据表10-5确定Y=1.658 , Y=1.84 i、求大、小齿轮的以及加以比较 =0.0103 =0.0097 小齿轮的数值大设计计算 m =3.84mm取m=5mm ， d=126.96mm Z=24.63取Z=26，则Z=IZ=5.1426=133.64 取Z=134(4) 几何尺寸计算 求中心距 a=412.37mm 把中心距圆整为412mm 采用圆整后的中心距改正螺旋角 =13.86 因值改变不多，故参数,等不必修改。 求大、小齿轮的分度圆直径 求齿轮宽度 圆整后采用B=110mm B=115mm3.3 速比齿轮轴和其上轴承的设计、选择和校核3.3.1 基本轴径的设计 轴的直径采用扭转强度预算 = 有关实心轴 有关空心轴，通常取(1) 高速轴（I轴）的轴径设计 a、材料确定为40Cr b、根据机械设计手册第三版，第二卷，第6篇表6-1-2采用 因此 因为连接联轴器的轴段上存在一个键槽，轴径所以扩大5% 取(2) 中间轴（II轴）的轴径设计 a、材料确定为40Cr b、根据机械设计手册第三版，第二卷，第6篇表6-1-2采用 因为连接齿轮的轴段上存在一个双键槽，轴径因此扩大7% mm 取(3) 低速轴（III轴）的轴径设计 a、材料确定为40Cr b、根据机械设计手册第三版，第二卷，第6篇表6-1-2确定 因为连接齿轮的轴段上存在一个双键槽，轴径因此扩大7% mm 取3.3.2 轴的校核、选取轴承及所选轴承的校核(1) 高速轴的校核及所选轴承的校核 第轴的转矩等于：T=2.85Nmm 齿轮1的圆周力： 轴向力： 径向力： 轴向力矩：M=F=4.1210=1.6910Nmm 求支承反力图3-1 水平受力图 根据水平受力图（a），因此 图3-2 垂直受力图根据垂直受力图（b），因此 N 受力分析图 水平弯矩： 垂直弯矩： 图3 受力分析图 合成弯矩： 采用脉动循环处理，应用=0.6 采用弯扭合成应力校核轴的强度 因为截面是轴上承受最大计算弯矩的截面，截面所承受的计算弯矩并非最大，但是它的轴径最小，因此必须检验、截面的强度 截面的计算应力为 由于齿轮轴的材料选取40Cr钢，调质处理，再查机械设计基础表17-2，确定许用弯曲应力 故安全。 a、高速轴承的确定：d=40mm D=72mm T=24.25 b、校核: 求轴承径向支反力图3-3 轴承径向支反力 N 合成支反力： 因此产生的派生轴向力根据机械设计基础表16-12，确定 根据机械设计基础确定 e=0.42，Y=1.4， S+FS 因此右紧左松 A=S+F=9.4910+3.6410=13.610N =S=9.4910求当量动载荷P: 因此采用 因此采用 根据机械设计基础式16-5，确定 求轴承寿命确定预期轴承寿命等于=20000h 由于,因此按计算，根据机械设计基础式16-3，确定表16-8和表16-9，求取 ，有 因此合格。 (2) 中间轴的校核及所选轴承的校核轴的转矩为T=1413Nm=1.41310Nmm 轴的受力如图所示图3-4 轴的受力图 中间轴大齿轮： 圆周力：F= 轴向力：F= 径向力：F=轴向力矩：M=F=401210=0.96510Nmm 中间轴小齿轮： 圆周力： 轴向力： 径向力：轴向力矩：M=F=1.3810=0.9210Nmm 计算支承反力： 由水平受力图（c），得： 由垂直受力图（d），得： 画弯矩图，扭矩图，计算弯矩：图3-5 受力分析图 水平弯矩： 垂直弯矩： 合成弯矩： 按脉动循环处理，=0.6 由图知剖面计算弯矩最大，但直径不是最大，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。 剖面的计算应力为： 剖面的计算应力为： 因齿轮轴的材料为40Cr钢，调质处理，由机械设计基础表17-2，查得 ，故安全。a、中间轴承的选择：d=75mm D=160mm T=37 b、校核： 计算轴承径向支反力图3-6 轴承径向支反力由上可知： 合成支反力： 所产生的派生轴向力由机械设计基础表16-12，得 由机械设计手册查得 求轴承的轴向载荷A： 因，所以右紧左松。故取 计算当量动载荷P：，故取 ，故取 由机械设计基础式16-5，得 计算轴承寿命选取预期轴承寿命为=20000h 因为,所以按,计算，由机械设计基础式16-3，查表16-8和表16-9，得 有 故合格。(3) 低速轴的校核及所选轴承的校核 第三轴的转矩为：T=9.7110Nmm低速轴大齿轮：圆周力：F= 轴向力：F=径向力： 轴向力矩：M=F=1.3810=4.0910Nmm （1） 计算支承反力图3-6 轴水平受力图 由水平受力图（），得 图3-7 轴垂直受力图 由垂直受力图（-3），得 （2）画弯矩图，扭矩图，计算弯矩： 水平弯矩： 垂直弯矩： （-4 轴水平弯矩图 -5 轴垂直弯矩图 -6 轴扭距图） 合成弯矩： 按脉动循环处理，取=0.6 （3）按弯扭合成应力校核轴的强度 由于截面是轴上承受最大计算弯矩的截面，截面承受的计算弯矩不是最大，但是其轴径较小，故需要校核、截面的强度 截面的计算应力为 截面的计算应力为 因齿轮轴的材料为40Cr钢，调质处理，由机械设计基础表17-2，查得 ，故安全。a、低速轴承的选择：d=110mm D=200mm T=41 （1）计算支承反力图3-8 轴的轴承受力图 合成支反力： 所产生的派生轴向力由机械设计基础表16-12，得 由机械设计手册查得 e=0.42,Y=1.4, S+FS 所以右紧左松 因故取 （2）计算当量动载荷P： 故取 ，故取 由机械设计基础式16-5，得 （3）计算轴承寿命选取预期轴承寿命为=20000h 因为，所以按计算，由机械设计基础式16-3，查表16-8和表16-9，得 ，有 , 故合格。3.4 各轴上联接齿轮的键的选取与校核3.4.1 低速级齿轮的健及其校核(1) 选用普通平键A型其中：L=56mm；b=28mm；h=16mm；t=10；t=6.4(2) 校核对于平键通常只按工作面上的挤压应力进行条件性强度校核。通过条件为按压力强度校核：= T转矩 T=6.4710Nmm D轴的直径 D=110mm h键高 h=16mm l键的工作长度，本设计采用双键联接，相隔180布置，l=125mm所以=117.64MPa因为所以平键合格。3.4.2 中间级齿轮的键及其校核选用普通平键A型其中：L=28mm；b=20mm；h=12mm；t=7.5；t=4.9校核：对于平键通常只按工作面上的挤压应力进行条件性强度校核。通过条件为按压力强度校核：= T转矩 T=1.31410Nmm D轴的直径 D=100mm h键高 h=12mm l键的工作长度，本设计采用双键联接，相隔180布置，l=56mm所以=111.73MPa，因为 所以平键合格。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 螺杆的设计与校核第四章 螺杆的设计与校核4.1 螺杆材料 螺杆材料应具有足够的强度和抗磨能力，较好的耐化学腐蚀性能，良好的机械加工和热处理以及在高温度下不变形的性能。螺杆材料优先选用38CrMoAlA，用38 CrMoAlA制造的螺杆，其氮化深度一般为0.30.6，硬度可达740HV。当它经渗氮处理后会在螺杆表面形成压应力，故疲劳极限能提高25%35%。耐腐蚀性也有显著提高。4.2 螺杆形式 本设计为SJ-100/25挤出机，加工物料为低密度聚乙烯。查取有关资料确定螺杆形式为：等距突变（35D）型单螺杆4.3 螺杆参数a、螺杆直径D D=100mmb、螺杆长径比L/D=25 螺杆长L=1750mmc、螺杆的螺纹开程I I=70mmd、螺杆的螺纹升角 取18e、螺棱宽度e e=（0.080.12D）取e=5mm4.4 螺杆结构螺杆工作部分大体分为加料