Φ90锥盘式废旧橡胶粉碎机螺杆部分设计

钟尉 贾磊

【摘 要】废橡胶粉碎机是螺杆挤出机的一种，它是橡胶再生过程的主要设备之一，一般挤出机有五大部分组成：挤出部分；传动部分；机头；加热冷却系统；电气控制系统。挤出机的基本工作过程：带状胶料加入加料口后，在旋转螺杆的作用下，胶料被搓成团状沿螺杆槽滚动前进，因螺杆的剪切、压缩和搅拌作用胶料受到进一步的混炼和塑化，温度和压力逐步提高，呈现出粘流状态，以一定的压力和温度通过机头，最后得到所需的一定形状的半成品。

【关键词】废橡胶；粉碎；挤出机；螺杆；机筒；机头

引言：

近年来，我国挤出机械工业通过引进技术，合资生产，自主开发以及消化吸收创新国产化等工作，有了显著的进步和发展。挤出机制造厂在他们的顾客推动下不断的提高他们的产品性能规定必须通过优化螺杆和机筒配置，用层流流体力学的定律设计扩展开机头和口型来提高产品性能。充分利用三维仿形和有限元分析缩短了产品的改进周期，所作的一切是为了完成一个简单的任务：挤出制品。

挤出设备功能的扩展，使每一台挤出设备都成为整个全自动化生产技术系统的一个有机组成部分。挤出设备正不断向着多元化，综合化，现代化的方向发展。由单一的基础设备发展成为具有粉碎，废橡胶处理，废塑料处理功能的多用途挤出机械。

本次设计的废橡胶粉碎机的主要用途是教学和科学研究，在机械的设计制造过程中也要十分精确，以达到教学和科学研究的目的。

1.螺杆直径及长径比

本设计螺杆直径D=90mm 长径比是螺杆工作部分长度L与直径D之比。L/D较大，有利于胶料的均匀混合和塑化，并可使胶料升温过程变得缓和，为提高螺杆转速提供了可能性，有利于提高产量；但L/D过大，螺杆机加工的难度也增大，功率消耗也相应增加，易焦烧，还会造成螺杆端部与机筒之间的间隙不均，严重时产生与衬套刮研，影响设备的使用和产量。

经分析，并考虑到机器直径较大，本设计选长径比为L/D=7，L=630mm

2.材料与技术要求

螺杆由优质的氮化钢制成，其表面进行氮化或淬火处理。螺杆材料优先选用38CrMoAlA钢，也可选用40Cr钢或45号钢。用38CrMoAlA制造的螺杆，其基本硬度HRC>45，镀铬层硬度为HRC60～65。

本设计螺杆材料选用38CrMoAlA钢。

对螺杆的基本技术要求如下：

（1）具有良好的塑化能力和较好的自洁性；

（2）具有较高的生产能力，且能在较低温度下完成挤出作业；

（3）能建立起足够的压力，并能实现稳定的挤出作业；

（4）具有广泛的适应性，可适用于多种胶料的挤出作业；

（5）集邮良好的耐磨性和一定的耐化学腐蚀性；

（6）具有能排除气体和挥发物的能力；

（7）具有足够的机械强度、刚度和良好的加工性能。

3.螺杆类型

按螺纹头数分为：单头、双头、多头、和复合螺纹螺杆四种。

按螺纹方向分为：左旋和右旋两种。

按螺杆的外形分为：圆柱形、圆锥形和复合形三种。

按螺纹形式分为：等距等深型、等深不等距型、等距不等深型和复型螺纹螺杆四种。等深等距型螺杆挤出一般H=（0.18～0.25）D， 当H减小时，剪切速率增加，增强胶料的塑化和混炼效果，但胶料的温升较大，产量较低。取螺杆的末端=30mm，螺杆的头部=20mm

4.螺杆结构参数

4.1螺杆长径比L/D及螺纹沟槽深度

前面已选L/D=7，螺槽深度H是一个重要参数，它对挤出物的素化和混炼质量、机器的生产率和功率消耗以及螺杆的强度等都有直接影响。

螺杆的压缩比取决于胶料的物理压缩比，物理压缩比是指胶料进入加料口前与从挤出段出来后胶料的比容之比，它表示胶料压实的程度，其值与胶料性质、加工条件及胶料在螺槽中的填充程度有关。

热喂料挤出机的螺杆压缩比一般为1.3～1.5，冷喂料螺杆的压缩比为1.7～2.1。

4.2.压缩比

螺杆的压缩比是指喂料口处螺纹沟容积与挤出段最后一个螺纹沟槽容积之比。

半制品致密性差；等距不等深型螺杆能使胶料均匀压实，胶料受剪切力大，发热量大，当螺纹的压缩比过大时，对螺杆喂料段的机械强度有颇大的影响；等深不等距型不影响螺杆不影响螺杆的机械强度，胶料塑化均匀，但加工困难；复合型螺纹的螺杆在螺杆的工作部分不同段的螺纹头数和形式，多用于特殊用途的挤出机上。

综合以上考虑本设计采用单头、右旋、等距不等深、圆柱形螺杆。

4.3.螺纹导程和升角

螺纹导程影响到螺纹沟槽的有效容积。在S增大时，吃料容易，输送胶料能力高，产量也随之增加。S减小时，轴向压力增大，胶料在机筒内停留的时间增加，塑化均匀，半制品的质量好，但螺纹沟槽容积减小，产量下降。过大的S会造成胶料塑化不均，影响挤出半制品的质量。

螺纹导程与螺纹升角的关系为：

本设计采用螺纹升角=18°，

≈92mm

4.4.螺峰的轴向宽度

螺峰的轴向宽度会影响螺纹沟槽的容积，导致产量和功率消耗的变化。在保证强度的前提下，螺峰轴向宽度取小些为好。一般轴向宽度e=（0.06～0.08）D

则e=9～12mm，取e=10mm

4.5.螺纹断面形状

常见的断面形状有矩形断面、梯形断面、锯齿形断面。由于锯齿形螺纹断面具有较高的强度和输送能力，所以本设计采用锯齿形断面。

4.6.螺杆头部形状

螺杆头部形状的选择应有利于胶料的流动，防止产生死角，避免胶料焦烧。常见的头部形状有球头形、锥形头、弹形头、平头。本设计采用锥形头，且螺杆与螺杆头部采用螺纹联接并在螺杆上铣花键。

5.螺杆强度校核

5.1.剪切应力的计算：

（式中—螺杆剪切应力；—螺杆的扭矩；—抗扭截面模量。）

（式中—电机最大功率；—螺杆最大转速； —机械传动效率，取0.7～0.8）

抗扭截面模量如下：

5.2压应力计算

5.3.弯曲应力计算

（式中—最大弯曲应力；—在L/2处由重力G引起

的最大弯矩，，G—螺杆伸出段的重量，G=50Kg；L—螺桿伸出段长度，L=630mm；—抗弯截面模量，）

5.4.强度条件

按第三强度理论，螺杆受扭、压、弯联合作用，其强度条件为：

（式中—材料的许用应力；—材料的屈服限；—材料的

安全系数，取=3～3.5。）

实际上螺杆自重引起的弯曲应力比剪切应力和压应力小得多，故可忽略不计，则。

于是=73.78

=163.33MPa

因为<，所以螺杆的强度合格。

总结

通过此次对粉碎机螺杆的设计，我初步了解粉碎机的发展历史，以及目前的现状和发展趋势。加深了对基础知识的理解和应用，从中学到许多新知识和解决问题的思路和方法，拓宽了知识面。加深了对设计过程的理解，从查阅搜集资料、设计方案、计算数据、绘制草图、装配图以及零件图。提高了综合运用各科知识和手头工具，分析问题、解决问题的能力，对以后工作起到良好的铺垫。

参考文献：

[1]杨顺根白仲元主编.《橡胶工业手册.修订版第九册》.北京：化学工业出版社，1987

[2]唐国俊李健镔主编.《橡胶机械设计》.上册.北京：化学工业出版社，1984

[3]成大先主编.《机械设计手册.第三版第5卷》.北京：化学工业出版社，1994

[4]橡胶工业手册编委会.《橡胶工业手册.第七分册》.北京：化学工业出版社，1982

[5]国家机械工业委员会.《橡胶塑料机械产品样本》.北京：机械工业出版社，1989