1雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計概述1.1 雙螺桿擠出機(jī)概述塑料擠出成型是在擠出機(jī)中通過加熱、加壓而使塑料以及熔融流動狀態(tài)連續(xù)通過口模成型的方法，或簡稱為擠塑。擠出成型是聚合物加工中出現(xiàn)較早的一門技術(shù),在19世紀(jì)初已有使用。擠出成型可加工的聚合物種類很多,制品更是多種多樣,成型過程也有許多差異比較常見的是以固體塊狀加料擠出制品的過程。其擠出成型過程為:將顆粒狀或粉狀的固體物料加入到擠出機(jī)的料斗中,擠出機(jī)的料筒外面有加熱器,通過熱傳導(dǎo)將加熱器產(chǎn)生的熱量傳給料筒內(nèi)的物料,溫度上升,達(dá)到熔融溫度。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn),料筒內(nèi)的螺桿轉(zhuǎn)動,將物料向前輸送,物料在運(yùn)動過程中與料筒、螺桿以及物料與物料之間相互摩擦、剪切,產(chǎn)生大量的熱,與熱傳導(dǎo)共同作用使加入的物料不斷熔融,熔融的物料被連續(xù)、穩(wěn)定地輸送到具有一定形狀的機(jī)頭(或稱口模)中。通過口模后,處于流動狀態(tài)的物料取近似口型的形狀,再進(jìn)入冷卻定型裝置,使物料一面固化,一面保持既定的形狀,在牽引裝置的作用下,使制品連續(xù)地前進(jìn),并獲得最終的制品尺寸。最后永切割的方法截斷制品,以便儲存和運(yùn)輸。擠出成型加工的主要設(shè)備是擠出機(jī)，此外，還有機(jī)頭口模及冷卻定型、牽引、切割、卷取等附屬設(shè)備。其擠出制品都是連續(xù)的形體，在生產(chǎn)及應(yīng)用上都具有多方面的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計，在塑料制品成形加工中，擠出成型制品的產(chǎn)量約占整個塑料制品的50以上。所以，擠出成型在塑料制品成型加工工業(yè)中占有重要地位。塑料在擠出機(jī)內(nèi)熔融塑化，通過口模成為所需要的形狀，經(jīng)冷卻定型而得到與口模斷面形狀相吻合的制品。擠出成型是塑料加工工業(yè)中最早的成型方法之一。早在19世紀(jì)初期，擠出機(jī)就用于生產(chǎn)鉛管、面條。早期的擠出機(jī)是柱塞式的，直到1936年才研制成功電加熱的單螺桿擠出機(jī)，這就是現(xiàn)代塑料擠出機(jī)的起源。同其他成型方式相比，擠出成型具有以下突出優(yōu)點(diǎn)。1.設(shè)備成本低，制造容易，因此投資少，見效快，占地面積小，生產(chǎn)環(huán)境清潔。2.生產(chǎn)效率高。擠出機(jī)的單機(jī)產(chǎn)量較高。特別適合于較長的尺寸的制品。如制造較長的管材，板材、型材、薄膜等，而且產(chǎn)品質(zhì)量均勻、密實(shí)。其生產(chǎn)效率的提高比其它成型方法快。3.擠出成型可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。生產(chǎn)操作簡單，工藝控制容易，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。4.可以根據(jù)產(chǎn)品的不同要求，改變產(chǎn)品的斷面形狀。其產(chǎn)品為管材、棒材、片材、板材、薄膜、電纜、單絲、中空制品及異型材等。5.應(yīng)用范圍廣。只要改變螺桿及輔機(jī)，就能適用于多種塑料及多種工藝過程。例如，可以加工大多數(shù)熱塑性塑料及部分熱固性塑料，也能用擠出法進(jìn)行共混改性、塑化、造粒、脫水和著色等。6.可以進(jìn)行綜合性生產(chǎn)。擠出機(jī)與壓延機(jī)配合，可以喂料生產(chǎn)壓延薄膜，與油壓機(jī)配合生產(chǎn)各種模壓制品。隨著聚合物加工業(yè)的發(fā)展，作為聚合物的主要加工設(shè)備之一的擠出機(jī)得到了飛速發(fā)展，并以其優(yōu)異的加工性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一套完整的擠出設(shè)備由主機(jī)和相應(yīng)的輔機(jī)以及其它控制系統(tǒng)組成。 通常這些組成部分統(tǒng)稱為擠出機(jī)組。它主要包括擠出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。1.擠出系統(tǒng) 它由料斗、螺桿和機(jī)筒組成，是擠出機(jī)工作的核心部分。其作用是使塑料塑化成均勻的熔體，并在此過程中建立壓力，再被螺桿連續(xù)、定壓、定溫、定量地擠出機(jī)頭。2.傳動系統(tǒng) 它由電機(jī)、調(diào)速裝置及傳動裝置組成。其作用是驅(qū)動螺桿，并保證供給螺桿在工作過程中所需的扭矩和轉(zhuǎn)速。3.加熱冷卻系統(tǒng) 它由溫度控制設(shè)備組成。其作用是通過對機(jī)筒進(jìn)行加熱和冷卻，保證擠出系統(tǒng)的成型在工藝要求的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。4.控制系統(tǒng) 它主要由電器、儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其作用是調(diào)節(jié)控制螺桿的轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度、機(jī)頭壓力等。在擠出成型中，應(yīng)用得最廣的是單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)。雙螺桿擠出機(jī)是在擠出機(jī)機(jī)筒中并排地安裝兩根螺桿的一種擠出機(jī)，它是在單螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最初的雙螺桿擠出機(jī)是20世紀(jì)30年代后期在意大利開發(fā)的。Roterto Colombo開發(fā)了同向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出機(jī)，Carlo Pasqutti開發(fā)了異向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出機(jī)。單螺桿擠出機(jī)易于加工粒料，對粉料則不易加工。對那些形狀不規(guī)則的或是含濕度很大的懸浮料、乳劑料或分子量很高因而粘度很高的料等，實(shí)際上無法加工。單螺桿擠出機(jī)對于加入無機(jī)填料的適應(yīng)能力也是差的，且混煉效果較差。與單螺桿擠出機(jī)相比，雙螺桿擠出機(jī)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如雙螺桿擠出機(jī)可以用在混煉、排氣、脫水、造粒粉料直接擠出以及玻璃纖維或其他填料的填充增強(qiáng)改性等方面。據(jù)資料介紹，近年來西歐工業(yè)國家的雙螺桿擠出機(jī)的數(shù)量已達(dá)到擠出機(jī)臺數(shù)的40%左右。特別是在成型加工中，應(yīng)用更多、更廣。例如，在管材和造粒中幾乎全部使用雙螺桿擠出機(jī)，在板材和型材的成型中，雙螺桿擠出機(jī)約占8090%。尤其對RPVC粉料、LDPE塑料的加工，雙螺桿擠出機(jī)更是具有極大的優(yōu)越性。因?yàn)槠浼羟兴俾瘦^低（主要指異向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)）、自潔性好、在機(jī)筒中物料停留時間短。此外，雙螺桿擠出機(jī)還具有剪切力大、傳熱面積大、計量準(zhǔn)確、回流少、供料性能好、混煉效果好、塑化效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前，雙螺桿擠出機(jī)主要用作成型加工、預(yù)塑混煉、聚合反應(yīng)以及廢料處理方面。近幾年來，我國在雙螺桿擠出機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用方面同樣也都得到了迅速的發(fā)展。目前，雙螺桿有許多種類型，其主要可以分為：1.從螺桿軸線是否平行可分為平行式和錐形式雙螺桿；前者兩根螺桿的軸線互相平行，后者兩螺桿的軸線相交成一角度。平行雙螺桿擠出機(jī)相比較于錐形雙螺桿基礎(chǔ)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：平行雙螺桿擠出機(jī)具有壓延長度較大，壓延有強(qiáng)烈的塑化與均化能力的效果，而且螺桿平均直徑小，轉(zhuǎn)速較低，因此，平均剪切速率也較低，壓延頻率高，有效停留時間并不低于錐形螺桿。2.從兩根螺桿的相對位置又可以分為嚙合型和非嚙合型，嚙合型又可以分為部分嚙合和全嚙合型。非嚙合型的一根螺桿的螺棱不伸到另一根螺桿的螺槽中去，而非嚙合型則是兩根螺桿的軸線分開的距離小于兩根螺桿外半徑之和，即一根螺桿的螺棱插到另一根螺桿的螺槽中去。根據(jù)嚙合程度（即一根螺桿的螺棱插到另一根螺桿的螺槽中的深淺程度），嚙合型又可以分為部分嚙合和全嚙合型。3.從螺桿旋轉(zhuǎn)方向的不同，可以分為同向旋轉(zhuǎn)與反向旋轉(zhuǎn)。顧名思義，同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿的旋轉(zhuǎn)方向相同，異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的兩根螺桿的旋轉(zhuǎn)方向相反。它可以是向內(nèi)旋轉(zhuǎn)或向外旋轉(zhuǎn)。1.2 擠出機(jī)整體方案設(shè)計近年來，雙螺桿擠出機(jī)得到了迅速的發(fā)展，但由于雙螺桿擠出機(jī)的復(fù)雜性和種類的多樣性，以及雙螺桿理論的不成熟，所以至今還沒看到有關(guān)雙螺桿擠出機(jī)參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的比較系統(tǒng)的文獻(xiàn)，因此對雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計更多地只能停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的水平上。當(dāng)然，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計是必須服從擠出工程的基本規(guī)律的，所以由此所進(jìn)行的有關(guān)雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計是具有一定的科學(xué)性與理論性的。雙螺桿擠出機(jī)的應(yīng)用，都是以機(jī)組的的形式出現(xiàn)。擠出機(jī)組包括主機(jī)（即通常說的擠出機(jī)）、機(jī)頭和輔機(jī)。因而就雙螺桿擠出機(jī)的總體設(shè)計而言，它可以包括主機(jī)（螺桿擠出機(jī)）、機(jī)頭和輔機(jī)的設(shè)計，也可以單指主機(jī)的設(shè)計。因此雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計應(yīng)當(dāng)包括雙螺桿擠出機(jī)類型的確定、整體方案的確定、主要技術(shù)參數(shù)的確定、擠壓系統(tǒng)的設(shè)計、傳動系統(tǒng)的設(shè)計、機(jī)頭的設(shè)計、加料系統(tǒng)的設(shè)計以及雙螺桿擠出機(jī)輔助系統(tǒng)的設(shè)計等。1.2.1 開式設(shè)計和閉式設(shè)計的選擇所謂開式設(shè)計，一般指雙螺桿擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)、冷卻加熱系統(tǒng)都裸露在外面，這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是各部分出現(xiàn)故障時，檢查、維修及拆裝比較方便，也一目了然。嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)大多采用這種設(shè)計。所謂閉式設(shè)計，其擠壓、冷卻加熱系統(tǒng)的外面都有罩子，其余各部分有時也封閉起來。這種設(shè)計看上去外形比較整齊，但檢修不太方便。所以本設(shè)計中采用開式設(shè)計。1.2.2 一階機(jī)和二階機(jī)的選擇所謂一階機(jī)，是指主機(jī)只有一個擠壓系統(tǒng)，包括一套螺桿、機(jī)筒和傳動箱；而二階機(jī)是指主機(jī)有兩個擠壓系統(tǒng)，包括兩套螺桿、機(jī)筒和傳動箱，柔性串起來組成主機(jī)。就目前見到、用于成型制品的雙螺桿擠出機(jī)組的主機(jī)多是一階的，如嚙合平行異向雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī)。用于配混料造粒的嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)有的情況下設(shè)計成二階的，其第一階用來塑化、混合物料，第二階用來建壓、擠出造粒。本設(shè)計中以采用一階式為宜。1.2.3 整體式和積木式的選擇一般嚙合異向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)（也有例外）和錐形雙螺桿擠出機(jī)都是整體式，即其各大組成部分（螺桿、機(jī)筒、減速箱）在使用中不再拆開并進(jìn)行重新組合安裝。國外流行的嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)絕大多數(shù)都設(shè)計成積木式的，即其機(jī)筒、螺桿有若干組件組成，可根據(jù)使用需要進(jìn)行重新組合安裝。也有的廠家生產(chǎn)的雙螺桿擠出機(jī)，除了其機(jī)筒、螺桿是組合式外，其扭距分配器和齒輪箱做成積木式，通過更換扭距分配器可以將雙螺桿擠出機(jī)改變成異向旋轉(zhuǎn)或同向旋轉(zhuǎn)；去掉扭距分配器，其齒輪箱還可以與單螺桿擠壓系統(tǒng)相接，組成單螺桿擠出機(jī)。本設(shè)計中采用整體式設(shè)計。1.2.4 封閉式機(jī)筒與剖分式機(jī)筒的選擇雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒有的是整體式的，有的是由若干段組成，但機(jī)筒均不能打開分成兩段，它們是封閉的。因此，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(jī)筒通過水驟冷，然后把螺桿抽出來才能看清楚。這樣很不方便，有時為了會破壞過程反應(yīng)的原貌。為了克服上述缺點(diǎn)，人們把雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒做成剖分式，停車?yán)鋮s后靠液壓系統(tǒng)或手動機(jī)械打開，觀察取樣，進(jìn)行研究。擠出機(jī)再工作前，再靠液壓系統(tǒng)或手動機(jī)械合起來。本設(shè)計采用封閉式設(shè)計。1.2.5 擠壓系統(tǒng)的選擇對某些大型同向雙螺桿擠出機(jī)造粒機(jī)組（有時是擠出片材擠出機(jī)組），為了高效、節(jié)能、精確地控制擠出機(jī)熔體的壓力以保證制品的尺寸精度，在擠壓系統(tǒng)末串接熔體齒輪泵，由雙螺桿完成塑化、混煉，由齒輪泵建立、控制擠出壓力。串聯(lián)齒輪泵后會給整個雙螺桿主機(jī)得整體設(shè)計帶來了重大影響。所以本設(shè)計中沒有使用串接齒輪泵的設(shè)計。另一個影響雙螺桿擠出機(jī)整體方案確定的是在某些機(jī)組上將要采用的加料系統(tǒng)。一般雙螺桿擠出機(jī)大多采用計量加料，對大多數(shù)情況下得雙螺桿擠出機(jī)（如嚙合異向雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī)），其計量加料系統(tǒng)對擠出機(jī)組整體設(shè)計不會有多大影響，但對某些沒有多組分加料系統(tǒng)的配混料嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)，將會有多個加料口和加料裝置，它們得聯(lián)合使用和布置將對雙螺桿擠出機(jī)的整體布置帶來影響。2擠出系統(tǒng)設(shè)計雙螺桿擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)是雙螺桿擠出機(jī)的核心部分。其作用是把加入的固體物料熔融塑化、混合，為口模提供定溫、定壓、定量的容體，并將在這一過程中產(chǎn)生的氣體排除，最后通過口模，得到合乎質(zhì)量要求的制品。雙螺桿擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)主要由螺桿、機(jī)筒組成。因此，雙螺桿擠出機(jī)擠壓系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)際上就是螺桿、機(jī)筒的設(shè)計。2.1螺桿設(shè)計螺桿設(shè)計包括螺桿參數(shù)的確定，螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計和螺桿材質(zhì)選擇等。螺桿設(shè)計的核心問題就是設(shè)計出的螺桿應(yīng)具有優(yōu)異的混合能力和其它的特定能力（如脫揮發(fā)分）。螺桿參數(shù)包括螺桿直徑、螺桿長徑比、螺桿導(dǎo)程（升角）、螺紋和螺槽的斷面形狀、螺棱厚度、四個間隙等。備 注：具體的設(shè)計過程由本組成員張偉俊同學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計，有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)請參照張偉俊同學(xué)的設(shè)計過程。2.2機(jī)筒設(shè)計機(jī)筒和螺桿共同組成了擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)，完成對塑料的固體輸送、熔融和定壓定量輸送作用。機(jī)筒的結(jié)構(gòu)形式關(guān)系到熱量傳送的穩(wěn)定性和均勻性。并且對于一些新型的擠壓系統(tǒng)來說，機(jī)筒在加料段上的結(jié)構(gòu)形式也影響到固體輸送效率。機(jī)筒的機(jī)械加工和使用壽命也影響到整個擠壓系統(tǒng)的工作性能。因此，機(jī)筒在擠壓系統(tǒng)中是僅次于螺桿的重要零件。普通機(jī)筒的結(jié)構(gòu)類型有整體式，分段式和雙金屬式。一般的異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)采用的是整體式機(jī)筒。而本次設(shè)計中的螺桿采用的是整體式，因此機(jī)筒也相應(yīng)的采用整體式機(jī)筒。備 注：具體的設(shè)計過程由本組成員董武林同學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計，有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)請參照董武林同學(xué)的設(shè)計過程。3傳動系統(tǒng)設(shè)計 雙螺桿擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)是雙螺桿擠出機(jī)的重要組成部分。它的重要性表現(xiàn)在它所完成的功能在雙螺桿擠出機(jī)中致關(guān)重要，也表現(xiàn)在其設(shè)計、制造難度和成本在整臺機(jī)器中占的比重。 雙螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)的作用是在設(shè)定的工藝條件下，向兩根螺桿提供合適的轉(zhuǎn)速范圍、穩(wěn)定而均勻的速度、足夠且均勻相等的扭矩（功率）。并能承受完成擠出過程所產(chǎn)生的巨大的螺桿軸向力。 雙螺桿擠出機(jī)的傳動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)（聯(lián)軸器）、齒輪箱（包括扭矩分配和減速部分）等組成。 與單螺桿擠出機(jī)相比，雙螺桿擠出機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計、制造要困難的多。這是因?yàn)椋环矫?，雙螺桿擠出機(jī)比單螺桿擠出機(jī)承受的扭矩要大得多，而且這么大的扭矩是在有限的中心距內(nèi)傳遞，且扭矩的傳遞和減速交織在一起的。另一方面，擠出過程在螺桿末端產(chǎn)生的軸向力很大，該軸向力需要止推軸承來承受。按一般情況，軸向力越大，所需的止推軸承的外徑越大，但在兩螺桿中心距已限定的情況下，不可能任意選擇大外徑的止推軸承，這就要求另想辦法譬如采用止推軸承串來解決這個問題。但這是比較困難的。另外抵消齒輪傳動的徑向力，防止螺桿彎曲，提高齒輪的承載能力和傳動精度，也是雙螺桿傳動設(shè)計不同于單螺桿擠出機(jī)之處。雙螺桿傳動箱的散熱和潤滑也比單螺桿擠出機(jī)重要、復(fù)雜得多。3.1主驅(qū)動電動機(jī)選型雙螺桿擠出機(jī)所用電機(jī)的選擇如下。雙螺桿擠出機(jī)中常用的電機(jī)有直流電機(jī)、交流變頻調(diào)速電機(jī)、滑差電機(jī)、整流子電機(jī)等。其中以直流電機(jī)和交流變頻調(diào)速電機(jī)用的最多。直流電機(jī)系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速范圍寬，啟動較平穩(wěn)。以國產(chǎn)Z2系列電機(jī)為例，當(dāng)改變電樞電壓時，其轉(zhuǎn)速可自同步轉(zhuǎn)速（1500r/min）往下調(diào)1：8；當(dāng)改變激磁電壓時，轉(zhuǎn)速可往上調(diào)1：2，因此其最大調(diào)速范圍可達(dá)1：16。圖2.1所示為直流電機(jī)的外特性曲線。由圖可以看出改變電樞電壓時可以得到恒扭矩調(diào)速：改變激磁電壓時可以得到恒功率調(diào)速，此時隨著轉(zhuǎn)速升高其功率不變，但扭矩相應(yīng)地減少。但國產(chǎn)的Z2、Z3系列直流電機(jī)，在其轉(zhuǎn)速低于（100200）r/min時，工作不穩(wěn)定，而且這時電機(jī)冷卻風(fēng)扇冷卻性能下降。20世紀(jì)80年代以后生產(chǎn)的Z4系列電機(jī)則比Z2、Z3系列直流電機(jī)性能好得多，其低速性能穩(wěn)定，因而在雙螺桿擠出機(jī)中得到廣泛采用。圖3.1 直流電機(jī)外特性曲線根據(jù)圖3.1可知，選用功率為55KW的直流電動機(jī)已可以滿足需要，所以本設(shè)計中所采用的主驅(qū)動電動機(jī)型號為Z4-180-41，功率為55KW，額定電壓為440V，轉(zhuǎn)速為1510r/ min，并帶有冷卻鼓風(fēng)機(jī)和熱保護(hù)裝置，采用三相全控橋雙閉環(huán)無級調(diào)速，另外還帶有測速發(fā)電機(jī)。3.2減速箱設(shè)計 雙螺桿擠出機(jī)的傳動箱由兩大部分即減速部分和扭矩分配部分組成。這兩部分的功能雖有不同，但它們緊密聯(lián)系，有時還相互制約。根據(jù)目前流行的結(jié)構(gòu)看，其設(shè)計布置大致有兩種方案，一種是將減速部分和扭矩分配部分很明顯的分開，即所謂的分離式；另一種是將二者和在一起。在本設(shè)計中，選用分離式，因螺桿的轉(zhuǎn)速范圍為40400r/min ，而電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1510 r/min，所以要求減速箱的總傳動比為：1:1510/144 = 1:10.5。 根據(jù)所選電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、電機(jī)伸出端的直徑和減速箱軸的直徑選擇聯(lián)軸器的型號為，減速箱通過彈性柱銷聯(lián)軸器與直流電動機(jī)相連，采用三級斜齒傳動,使總傳動比與所要求的傳動比吻合。另外，減速箱潤滑油采用150號極壓齒輪油，一次加油量為25升。為了防止油量過熱，箱內(nèi)懸有蛇形冷卻管，冷卻方式為水循環(huán)式。具體設(shè)計及校核略。3.3分配箱設(shè)計 在設(shè)計過程中，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的螺桿轉(zhuǎn)速（范圍）、扭矩均勻分配、軸承合理布置的前提下，通過傳動方案的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取措施，降低齒輪載荷，抵消或減少傳動齒輪的徑向載荷，傳遞更大的功率和軸向力，提高軸承的壽命，裝配維修方便。設(shè)計、加工的難點(diǎn)在于螺桿中心距限定的狹少的空間。因而必須調(diào)動一切可能的手段，尋找特殊的結(jié)構(gòu)形式、材料和熱處理工藝來實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)。與錐形雙螺桿擠出機(jī)相比，平行雙螺桿擠出機(jī)螺桿尾部空間比較小，不能平行地放下兩根傳動軸。 本設(shè)計中兩螺桿異向旋轉(zhuǎn)，為達(dá)到這一目的，大致設(shè)想如下： 動力由減速箱輸出軸齒輪輸入到分配箱的一根軸上，這根軸的齒輪齒數(shù)與主軸相等，且與一根主軸外嚙合同時與大齒輪內(nèi)嚙合，從而帶動與此大齒輪內(nèi)嚙合的另一主軸轉(zhuǎn)動。這樣，兩根主軸以相同的角速度異向旋轉(zhuǎn)，同時也使得分配箱尾部空間增大。雙螺桿擠出機(jī)分配箱的設(shè)計所涉及的問題很多，要想設(shè)計好分配箱，除了應(yīng)具有扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計理論和知識外，更需要有豐富的實(shí)踐設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，下面僅以雙螺桿擠出機(jī)中目前最流行的分離式傳動箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個主要問題進(jìn)行討論。3.3.1分配箱的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計雙螺桿中心距與分配箱設(shè)計中齒輪、軸與軸承之間的關(guān)系 對于全嚙合雙螺桿擠出機(jī)，一旦兩根軸的外徑、根徑（或螺槽深度）初步確定，則為兩螺桿提供轉(zhuǎn)速和扭矩的傳動箱中與兩螺桿相連的輸出軸之間的中心距也就確定了?，F(xiàn)以一般分離式傳動箱軸承、齒輪、軸之間的幾何關(guān)系，來討論傳動箱結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。圖3.2表示出了分離式傳動系統(tǒng)齒輪、軸、軸承的布置。圖3.2 分離式傳動系統(tǒng)齒輪、軸、軸承布置支持兩輸出軸的徑向軸承有如下關(guān)系： 3.1一根軸的外徑與另一根軸上所裝齒輪的外徑之間應(yīng)滿足以下關(guān)系： 3.2齒頂圓直徑： 3.3 或 3.4以上各式中 Amin雙螺桿最小中心距 A雙螺桿實(shí)際中心距 DZC所選徑向軸承外徑 dZ螺桿驅(qū)動軸直徑 1兩根螺桿上兩個徑向軸承外徑之間的徑向間隙 2一根螺桿驅(qū)動軸外徑與另一根螺桿驅(qū)動軸上齒輪頂圓之間的間隙 da赤頂圓直徑 m齒輪模數(shù) Z1齒數(shù) ha*齒頂高系數(shù) X1齒輪變位系數(shù) Y齒頂高變位系數(shù)由以上關(guān)系可見，中心距A對其它幾何參數(shù)的限制，特別是對齒輪承載能力的關(guān)鍵參數(shù)m、 Z的限制。2、雙螺桿中心距的確定與齒輪參數(shù)的選擇 由同組的同學(xué)已初選定了螺桿直徑及螺槽深度，進(jìn)而給出了雙螺桿中心距的可選范圍，但尚不能將中心距最后確定。道理很明顯，因?yàn)殡p螺桿直徑、槽深、中心距的設(shè)計是從雙螺桿擠出機(jī)的主要參數(shù)、規(guī)格和螺桿幾何學(xué)出發(fā)的，而傳動箱齒輪傳動的設(shè)計要考慮齒輪幾何學(xué)及受力、結(jié)構(gòu)設(shè)計，二者不一定完全一致。 對分離式的傳動箱的設(shè)計而言，一般是根據(jù)初步的受力分析，算出軸徑再結(jié)構(gòu)化，同時根據(jù)軸承系列規(guī)格圓整（對軸承壽命與軸徑強(qiáng)度核算平衡），進(jìn)而軸承組合設(shè)計。根據(jù)式3.1先確定出兩螺桿驅(qū)動軸的最小中心距Amin （即兩螺桿最小中心距）。式中1主要考慮軸承定位及箱體的結(jié)構(gòu)，一般取，并隨軸承直徑的增大而適當(dāng)增大。然后根據(jù)式3.2初定扭矩分配齒輪的齒頂圓直徑da。而驅(qū)動軸的軸徑dZ主要受所選外徑dZC的限制，一般取。確定間隙2時主要考慮一根軸上的齒頂圓與另一根軸徑不發(fā)生干涉的情況下，使軸徑最大，這樣螺桿驅(qū)動軸可獲得最大剛度和強(qiáng)度。在初定的da范圍內(nèi)，根據(jù)傳遞功率（扭矩）對齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計算（校核其接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度），最后確定出齒輪參數(shù)m、Z、X1。并在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)對dZ進(jìn)行調(diào)整，同時根據(jù)實(shí)際情況對初定的Amin進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、增大。經(jīng)反復(fù)優(yōu)選后，得到較佳的齒輪參數(shù)及所對應(yīng)的合適中心距。這樣的設(shè)計過程可以在盡可能小的雙螺桿中心距下進(jìn)行，以求設(shè)計出較大輸出扭矩的傳動箱，一旦傳動箱的中心距確定，再反過來最后確定雙螺桿的外徑和槽深。 在以上設(shè)計中，要對扭矩分配齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計算，這不可避免地用到所謂齒寬系數(shù)（即齒輪軸向?qū)挾扰c分度圓直徑之比，）。由于扭矩分配齒輪徑向尺寸受到限制，而又要傳遞比一般傳動中大得多的扭矩，為了滿足強(qiáng)度要求，除采用優(yōu)質(zhì)材料和提高加工精度外，還有一個可行的途徑，就是增加齒寬系數(shù)，即增加齒寬。有的資料介紹，齒寬的取值范圍可為，或（A為螺桿中心距，m為模數(shù)）。但齒寬系數(shù)也不能過大，否則，若傳動箱的加工精度不高和軸的剛度不夠，實(shí)際上沿齒寬兩齒不會均勻接觸，反而對齒輪的實(shí)際承載不利。由上述的討論可以看出，在齒輪箱的設(shè)計中，采用雙嚙合齒輪傳動的效果要比在齒寬系數(shù)上打主意要好得多，采用雙嚙合傳動可大大降低齒輪載荷。這里要附帶討論一個問題，即關(guān)于用一個傳動箱來適應(yīng)不同螺桿直徑和螺槽深度的雙螺桿擠壓系統(tǒng)的問題。前以述及，在雙螺桿中心距一定的情況下，根據(jù)擠出過程和加工物料的需要以及雙螺桿擠出機(jī)的發(fā)展趨勢，可以設(shè)計成普通型、深糙型和淺槽型幾種類型的雙螺桿。與傳動箱的設(shè)計、制造和使用聯(lián)系起來，為減小設(shè)計、制造差別不大但規(guī)格繁多的傳動箱，提高效益，提高系列化水平，可以在同一個中心距下，設(shè)計制造出具有最大輸出扭矩的齒輪傳動箱，分別與普通型、深槽型和淺槽型擠出機(jī)的擠壓系統(tǒng)相配，配套出中心距相等、螺干直徑、螺槽深度不等的三種規(guī)格的雙螺桿擠出機(jī)，以適應(yīng)用戶對不同規(guī)格和類型的雙螺桿擠出機(jī)的需求。這是一種經(jīng)濟(jì)的、減小設(shè)計制造傳動箱工作量的有效方法。這些方法早已在國外某些著名雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)廠家得到采用。在本設(shè)計中齒輪的材料采用40Cr合金，輪齒表面經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。下面將對其進(jìn)行有關(guān)的計算及設(shè)計。3.3.2齒輪軸的設(shè)計<一> 齒輪設(shè)計<1> 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇 力角的選擇由機(jī)械原理可知，增大壓力角，輪齒的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度。為了設(shè)計、制造、檢驗(yàn)及使用的方便，GB135688中對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角=200另外我國航空齒輪傳動標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了=250的標(biāo)準(zhǔn)壓力角。但增大壓力角并不一定都對傳動有利。對重合度接近2的高速齒輪傳動，推薦采用齒頂高系數(shù)為11.2，壓力角為160 80的齒輪，這樣做可增加輪齒的柔性，降低噪聲和動載荷。 齒數(shù)的選擇若保持齒輪傳動的中心距不變，增加齒數(shù)，除能增大重合度、改善傳動的平穩(wěn)性外，還可減小模數(shù)，降低齒高，因而減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。另外，降低齒高還能減小滑動速度，減少磨損及減小膠合可能性。但模數(shù)小了，齒厚隨之減薄，則要降低輪齒的彎曲強(qiáng)度。不過在一定的齒數(shù)范圍內(nèi)，尤其是當(dāng)承載能力主要取決于齒面接觸強(qiáng)度時，以齒數(shù)多一些為好。 齒寬系數(shù)d的選擇 載荷一定時，齒寬系數(shù)大，可減少齒輪的直徑或中心距，能在一定程度上減輕整個傳動的重量，但卻增大了軸向尺寸，增加了載荷沿齒寬分布不均勻性，設(shè)計時，必須合理選擇，一般圓柱齒輪的齒寬系數(shù)可參考表367選用。其中，閉式傳動，支承剛性好，d可取大值：開式傳動，齒輪一般懸臂布置，軸的剛性差，d可取小值，故齒寬系數(shù)應(yīng)取得適當(dāng)。對于外嚙合齒輪傳動： （3.5）式中，a為齒寬系數(shù)，計算時可先選定a后，再用式（3.5）計算出相應(yīng)的d。<2> 受力分析 在直齒圓柱齒輪傳動中，作用于齒面上的法向載荷Fn仍垂直于齒面。如圖367所示為一對直齒圓柱齒輪，若略去齒面間的摩擦力，F(xiàn)n可分解為兩個相互垂直的分力：沿半徑方向的徑向力 Fr和切于分度圓上的圓周力Ft。各力的方向如圖367所示；各力的大小 （3.6）式中， T1為主動齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩（N·mm）； d1為主動齒輪的分度圓直徑（mm）； 分度圓壓力角，對標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，n = 20°； P1為主動輪傳遞的功率（KW）； n1為主動齒輪的轉(zhuǎn)速（r/mm）；<3> 計算載荷由式（3.6）計算的Ft和Fn等均是作用在輪齒上的名義載荷。在實(shí)際工作中，還應(yīng)考慮下列因素的影響：由于原動機(jī)和工作機(jī)的振動和沖擊，輪齒嚙合過程中產(chǎn)生的動載荷；由于制造安裝誤差或受載后齒輪產(chǎn)生的彈性變形以及軸、軸承、箱體的變形等原因，使的載荷沿齒寬方向分布不均、同時嚙合的各輪齒間載荷分布不均等。為此，應(yīng)將名義載荷乘以載荷系數(shù)，修正為計算載荷，進(jìn)行齒輪的強(qiáng)度計算時，按計算載荷進(jìn)行計算。 （3.7）其中， （3.8）式中，K為載荷系數(shù)； KA為使用系數(shù)； Kv為動載系數(shù)； K為齒向載荷分布系數(shù)； K為齒間載荷分布系數(shù)。1) 使用系數(shù)KA 用來考慮原動機(jī)和工作機(jī)的工作特性等引起的動力過載對齒輪受載的影響。其值可查表317得到。2) 動載系數(shù)Kv 用來考慮齒輪副在嚙合過程中，因嚙合誤差所引起的內(nèi)部附加動載荷對齒輪受載的影響。直齒圓柱齒輪傳動，可取K v =1.051.4；斜齒圓柱齒輪傳動，因傳動平穩(wěn)，可取K v=1.021.2。齒輪精度底、轉(zhuǎn)速高時取大值；反之，取小值。3) 齒向載荷分布系數(shù)K 用以考慮由于軸的變形和齒輪制造誤差等引起載荷沿齒寬方向分布不均勻的影響。當(dāng)兩輪之一為軟齒面時，取 K=11.2；當(dāng)兩輪均為硬齒面時，取 K=1.11.35；當(dāng)寬徑比較小、齒輪在兩支承中間對稱布置、軸的剛性大時，取小值反之取大值。 4) 齒間載荷分布系數(shù)K 用以考慮同時嚙合的各對輪齒間載荷分布不均勻的影響。直齒圓柱齒輪傳動，可取K=11.2；斜齒圓柱齒輪傳動，齒輪精度高于7級，K=11.2，齒輪精度低于7級， K=1.21.4；當(dāng)齒輪制造精度低、硬齒面時，取大值；當(dāng)精度高、軟齒面時，取小值。<4> 輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計算為了防止輪齒折斷，輪齒的彎曲條件為 (3.9)式中，F(xiàn)為齒根彎曲應(yīng)力（MPa）; FP為許用彎曲疲勞應(yīng)力（MPa）。計算F時，首先要確定齒根危險截面，其次要確定作用在齒輪上的載荷作用點(diǎn)。齒根危險截面：將輪齒視為懸臂梁，作與齒輪對稱中線成300角并與齒根過渡曲線相切的切線，通過兩切點(diǎn)作平行于齒輪軸線的截面，此截面即為齒根危險截面。載荷作用點(diǎn)：嚙合過程中，輪齒上的載荷作用點(diǎn)是變化的，應(yīng)將其中使齒根產(chǎn)生最大彎矩者作為計算時的作用點(diǎn)。輪齒在雙齒對嚙合區(qū)中E點(diǎn)（圖39【7】）嚙合時，力臂最大，但此時有兩對共同承擔(dān)載荷，齒根所受彎矩不是最大；輪齒在單齒對嚙合區(qū)上界點(diǎn)D嚙合時，力臂雖較前者小，但僅一對齒輪承擔(dān)總載荷，因此，齒根所受彎矩最大，應(yīng)以該點(diǎn)作為計算時的載荷作用點(diǎn)。但由于按此點(diǎn)計算較為復(fù)雜，為簡化起見，一般可將齒頂作為載荷的作用點(diǎn)，并引入重合度系數(shù)Y，將力作用于齒頂時產(chǎn)生的齒根應(yīng)力折算為力作用于單齒對嚙合區(qū)上界點(diǎn)時產(chǎn)生的齒根應(yīng)力。圖312【7】所示，略去齒面間的摩擦力，將Fn移至輪齒的對稱線上，并分解為切向分力FncosFa和徑向分力FnsinFa。且向分力使齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，徑向分力使齒根產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于剪應(yīng)力和壓應(yīng)力比彎曲應(yīng)力小得多，且齒根彎曲疲勞裂紋首先發(fā)生在拉伸側(cè)，故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度效核時應(yīng)按危險截面拉伸側(cè)的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計算。其彎曲應(yīng)力為 （MPa）(3.9)式中，hF為彎曲力臂； SF為危險截面厚度； b為齒寬； Fa為載荷作用角。 令 (3.10)考慮齒根應(yīng)力集中和危險截面上的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響，引入應(yīng)力修正系數(shù)YSa,計入重合度系數(shù)Y后，得輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件為 （MPa）（3.11）式（3.11）所示得彎曲疲勞強(qiáng)度條件，還可寫成（3.12）的形式。設(shè)計時，用此式可以計算出齒輪的模數(shù)。即 （mm）（3.12） 式中，F(xiàn)P為許用彎曲疲勞應(yīng)力（MPa）。YFa為載荷作用于齒頂時的齒行系數(shù);重合度系數(shù)Y是將力的作用點(diǎn)由齒頂轉(zhuǎn)移到單齒對嚙合區(qū)上界點(diǎn)的系數(shù)。當(dāng)<2時，取Y0.650.85，z大時，大，Y取小值；反之，取大值。因大、小齒輪的YFa、YSa不相等，所以它們的彎曲應(yīng)力是不相等的。材料和熱處理方式不同時，其許用彎曲應(yīng)力也不相等，故進(jìn)行輪齒彎曲強(qiáng)度效核時，大、小齒輪應(yīng)分別計算。<5> 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 為了防止齒面出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕，齒面接觸疲勞條件為 (3.13)式中，H為接觸應(yīng)力（MPa）； HP為許用接觸應(yīng)力（MPa）。一對漸開線圓柱齒輪在C點(diǎn)嚙合時（圖310（a）【7】），其齒面接觸狀況可近似認(rèn)為與以1、2為半徑的兩圓柱體的接觸應(yīng)力H可近似地用下式進(jìn)行計算： (MPa)(3.14)輪齒在嚙合過程中，齒廓接觸點(diǎn)是不斷變化的，因此，齒廓的曲率半徑也將隨著嚙合位置的不同而變化（圖310（b）【7】）。對于重合度1<<2的漸開線直齒圓柱齒輪傳動，在雙齒對嚙合區(qū)，載荷將由兩對齒承擔(dān)在單齒對嚙合區(qū)，全部載荷由一對齒承擔(dān)。節(jié)點(diǎn)C處的值雖不是最小，但該點(diǎn)一般處于單對齒嚙合區(qū)，只有一對齒嚙合，且點(diǎn)蝕也往往出現(xiàn)在節(jié)線附近的表面出現(xiàn)。因此，接觸疲勞強(qiáng)度計算通常以節(jié)點(diǎn)為計算點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)C處： (3.15)對于直齒圓柱齒輪傳動，當(dāng)1時，接觸線長度L與齒寬b相等。當(dāng)>1時，嚙合過程中，將會有幾對齒同時參與嚙合，單位接觸線長度可取為：Lb/Z2, Z為重合度系數(shù)，是用以考慮因重合度增加，接觸線長度增加，接觸應(yīng)力降低的影響系數(shù)。對于直齒圓柱齒輪傳動，一般可取Z0.850.92，齒數(shù)多時，大Z取小值;反之，取大值。將式（3.14）中的Fn改為輪齒上的計算載荷Fnc(Fnc=KFn)?？紤]齒數(shù)比并將1、2和L值代入式（3.14），簡化后得 （MPa）(3.16)式中，稱為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對接觸應(yīng)力得影響，其值可在圖311【7】中查得; 稱為材料系數(shù)（），可由表32【7】查得。于是，直齒圓柱齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為 (3.17)式中，HP為許用接觸疲勞應(yīng)力（MPa）。令齒寬系數(shù)，將代入上式，得齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的令一表達(dá)形式： （mm）（3.18）式（3.17）和式（3.18）適用于標(biāo)準(zhǔn)和變位直齒圓柱齒輪傳動。設(shè)計時，用式（3.18）可計算出齒輪的分度圓直徑?！?”號用于外嚙合，“”號用于內(nèi)嚙合，在該設(shè)計中選“-”號。提高齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的主要措施：加大齒輪直徑d或中心矩a、適當(dāng)增大齒寬b、采用正角度變位齒輪傳動和提高齒輪精度等級，均可減小齒面接觸應(yīng)力；改善齒輪材料和熱處理方式（提高齒面硬度），可以提高許用接觸應(yīng)力HP值。<6> 具體計算 選精度等級、材料及齒數(shù)1） 考慮到本設(shè)計中分配箱所要傳遞的功率較大，故兩嚙合齒輪都選用硬齒面。由表337選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為4855HRC。2） 選取精度等級。因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度（GB1009588）。3） 選取兩齒輪的齒數(shù)Z1=26，Z2=78。 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計按式（3.18）試算，即 mm1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值a、因?yàn)槭请妱訖C(jī)驅(qū)動，工作機(jī)載荷平穩(wěn)，查表317，可取KA=1；因齒輪速度不高，取K v=1.05；又因?qū)ΨQ布置，軸的剛性大，取K=1.1，K=1.4，則 K=KAKvKK=1.62b、由圖311 7選取區(qū)域系數(shù)ZH = 2.450 。c 、由圖10265查得1 =2 =0.86 ，則 =1 + 2 = 1.72 。d 、計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1 = 95.5×105×P1/n1 = 95.5×105×55×90%/144 = 3.31×105 N·mm（設(shè)減速箱的總效率為90%）e、由表367選取齒寬系數(shù)d =1.0。f、由表327查得材料的彈性影響系數(shù)ZE = 189.8 ；重合度系數(shù)Z=0.8。g、由圖3167按小齒輪齒面硬度為286MPa，大齒輪齒面硬度為240MPa，查得的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim1 =660， Hlim2 = 600MPa ；查圖3177，得Flim1 =230， Hlim2 =220MPa。h、由式3137計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù)ZN ，YN (注：本設(shè)計擠出機(jī)的分配箱按工作壽命為15年，每年工作300天，一班制來進(jìn)行計算)：N=60nat式中，n為齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）; a為齒輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，輪齒同側(cè)齒面嚙合次數(shù)； t為齒輪總工作時間（h）。則有 N1 = N2 =60nat = 60×144×1×(1×8×300×15) = 3.1×108i、由圖3187查得ZN1=ZN2=1.2;查圖3197得，YN1=YN2=1j、計算接觸疲勞許用應(yīng)力由表347取SHlim=1，SFlim=1.4。由式（3117）得 由式（3127）得 2） 計算試算小齒輪分度圓直徑d1 ，由計算公式得 計算齒寬b及模數(shù)mn按表377，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m n=3.25mm，則圓整后取：a=88mm。修正其它值：取b2=88mm,b1=b2+(510)=(88+6)mm=94mm。 計算圓周速度3） 驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度條件。按式（3177）驗(yàn)算輪齒的彎曲強(qiáng)度條件。計算當(dāng)量齒數(shù)：查圖3147，得YFa1=2.56, YFa2=2.24;查圖3157，得YSa1=1.62, YSa1=1.77。取Y=0.7，Y=0.9。計算彎曲應(yīng)力：<二> 軸的設(shè)計及校核該設(shè)計中，設(shè)計軸的程序是：（1） 選擇軸的合適材料；（2） 初步估算軸的直徑；（3） 進(jìn)行軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；（4） 進(jìn)行強(qiáng)度計算；（5） 進(jìn)行剛度計算；（6） 驗(yàn)算軸承；（7） 根據(jù)計算結(jié)果修改設(shè)計；（8） 繪制軸的零件工作圖。軸的工作能力主要取決于它的強(qiáng)度、剛度、臨界轉(zhuǎn)速等物理約束，軸的形狀主要取決于軸上零件的定位、固定、加工需求等約束。因此，軸設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)工作要求并考慮制造工藝因素，選擇合適的材料，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其滿足于各種物理約束條件。軸設(shè)計常用的約束條件有： 物理約束： 強(qiáng)度條件： 剛度條件： 臨界轉(zhuǎn)速： 幾何約束： 軸上零件的軸向定位與固定 軸向零件的周向固定 加工工藝和裝配工藝等<1> 、軸的材料及選取 用作軸的材料的種類很多，選擇時應(yīng)主要考慮如下因素：1) 軸的強(qiáng)度、剛度及賴磨性要求；2) 軸的熱處理方式及機(jī)加工工藝性的要求；3) 軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性等。軸的材料種類很多，設(shè)計時主要根據(jù)對軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。 由于碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常用的是45號鋼。 合金鋼比碳鋼具有更高的機(jī)械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。必須指出：在一般工作溫度下（200），各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時，所根據(jù)的是強(qiáng)度與耐磨性，而不是軸的彎曲或扭轉(zhuǎn)剛度。但也應(yīng)當(dāng)注意，在既定條件下，有時也可選擇強(qiáng)度較低的鋼材，而用適當(dāng)增大軸的截面面積的辦法來提高軸的剛度。另外，各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化、氰化等）以及表面強(qiáng)化處理（如噴丸、滾壓等），對提高軸的抗疲勞強(qiáng)度都有著顯著的效果。 球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵因其具有良好的工藝性，不需要鍛壓設(shè)備，吸振性好，對應(yīng)力集中的敏感性低，故近年來被廣泛應(yīng)用于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的曲軸等，只是鑄件的質(zhì)量難于控制。 針對上述內(nèi)容，再結(jié)合本次設(shè)計要求，決定軸的材料采用40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，這種材料一般用于載荷較大，而無很大沖擊的重要場合。其機(jī)械性能由表61【7】查得：b=750MPa,s=550 MPa ,-1 =350 MPa,-1=200 MPa；查表64【7】，得-1b=70 MPa。<2>、 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是合理地定出軸的幾何形狀和尺寸。由于影響軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素很多，故軸不可能有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。一般的講，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足規(guī)定的功能要求和設(shè)計約束的前提下，其設(shè)計方案有較大的靈活性，即軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有多方案性。通常，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力求受力合理，有利于提高軸的工作能力，有利于節(jié)約材料和減輕重量；應(yīng)力求軸上零件的定位和固定可靠，并有利于裝拆、調(diào)整和具有良好的工藝性。1）軸上零件的布置軸上零件的合理布置可改善軸的受力狀況，提高軸的強(qiáng)度和剛度。a、使彎矩分配合理 合理改正軸上零件的結(jié)構(gòu)，可減少軸上載荷和改善其應(yīng)力特征，提高軸的強(qiáng)度和剛度；b、使轉(zhuǎn)矩分配合理及改變應(yīng)力狀態(tài)。2）軸上零件的軸向固定 零件安裝在軸上，要有準(zhǔn)確的定位。各軸段長度的確定，應(yīng)盡可能使其結(jié)構(gòu)緊湊。對于不允許軸向滑動的零件，零件受力后不要改變其準(zhǔn)確的位置，即定位要準(zhǔn)確，固定要可靠。軸上零件軸向定位和固定的常用方法見表627。3）軸上零件的周向固定軸上零件與軸的周向固定所形成的連接，通常稱為軸轂連接。軸轂連接的形式多種多樣，如鍵連接、花鍵連接、成形連接和過盈連接等。4）減少軸的應(yīng)力集中軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免形狀的突然變化，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中。如直徑過度處應(yīng)盡量可能用軸肩圓角來代替環(huán)形槽，并盡可能采用較大的圓角半徑。圖6177所示為幾種減輕圓角應(yīng)力集中的例子。5）軸結(jié)構(gòu)工藝性約束設(shè)計軸時，要使軸的結(jié)構(gòu)便于加工、測量、裝拆和維修，力求減少勞動量，提高勞動生產(chǎn)率。為了便于加工，減少加工工具的種類，應(yīng)使同一軸上的圓角半徑、鍵槽、越程槽、退刀槽的尺寸盡量相同。一根軸上的各個鍵槽應(yīng)開在軸的同一母線上。當(dāng)有幾個花鍵軸段是，花鍵尺寸最好也應(yīng)統(tǒng)一。為了便于裝配，軸的配合直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，軸端應(yīng)加工出倒角（一般為45o）；過盈配合零件軸端應(yīng)加工出導(dǎo)向錐面。<3>、 軸的強(qiáng)度校核計算軸的計算通常都是在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后進(jìn)行校核計算，計算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時還應(yīng)校核軸的振動穩(wěn)定性。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計算；對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭全盛強(qiáng)度條件進(jìn)行計算，需要時還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核。此外，對于瞬時過載很大或應(yīng)力循環(huán)不對稱性較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算 這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強(qiáng)度；如果還受有不大的彎矩時，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件為： MPa （3.19）式中， T扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa ； T軸所傳遞的扭矩，N mm； WT軸的抗扭截面模量， mm3，見附表687；n軸的轉(zhuǎn)速，r/min；P軸所傳遞的功率，KW；d計算截面處軸的直徑，mm；T許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa，見表637。對于實(shí)心軸，將上式代入（3.23），可得軸的直徑約束條件： （3.20）式中，C取決于軸材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力T的系數(shù)，其值可查表3.1。當(dāng)彎矩相對轉(zhuǎn)矩很小時，C取小值，T取較大值；反之，C取大值， T取較小值。表3.1 幾種軸的材料的T和C值軸的材料Q2351Cr18Ni9Ti354540Cr,35SiMn,2Cr13,20CrMnTiT12201225203030404052C16013514812513511811810710798應(yīng)用式(2.20)求出d值:其中,因?yàn)樵诒驹O(shè)計中,軸的材料為40Cr,所以取C=100,有此計算的d值一般作為軸最細(xì)處的直徑。此外,也可采用經(jīng)驗(yàn)公式來估算軸的直徑。如在一般減速器中,高速輸入軸的直徑可按與其相連的電機(jī)軸的直徑D估算,d=(0.81.2)D;各級低速軸的軸徑可按同級齒輪中心距a估算,d=(0.30.4)a。綜上所述，取軸的直徑為75mm。 按彎扭合成強(qiáng)度條件計算 對于同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的軸,可根據(jù)彎矩和轉(zhuǎn)矩的合成強(qiáng)度進(jìn)行計算。計算時,先根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所確定的軸幾何和軸上零件的位置,畫出軸的受力簡圖,然后,繪制彎矩圖、扭矩圖，再按第三強(qiáng)度理論條件建立軸的彎矩合成強(qiáng)度約束條件： （3.21） 考慮到彎矩M所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩T所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力的性質(zhì)不同，對上式中的轉(zhuǎn)矩T乘以折合系數(shù)，則強(qiáng)度約束條件的一般公式為 （3.22）式中，稱為當(dāng)量彎矩；為根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)。轉(zhuǎn)矩不變時，。若轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律不清楚，一般按脈動循壞處理。-1b、0b、+1b分別對為對稱循壞、脈動循壞及靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用應(yīng)力，見表647。W為軸的抗彎截面模量（mm3）,見附表687。此軸，式（3.22）也可寫成軸徑的約束條件：軸上有鍵槽或過盈配合時，為了補(bǔ)償軸的削弱，按上式計算的軸徑d應(yīng)增大,一個鍵槽增大4%5%，兩個鍵槽增大7%10%。 通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸零件的位置、以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度條件對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。一般的軸都用這種方法進(jìn)行校核。1） 軸上的受力分析（即力學(xué)模型）軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，應(yīng)將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。在作計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分解為圓周力和徑向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），如圖（3.3a ）所示。軸傳遞的轉(zhuǎn)矩由上可知，；由式（3.6）可求得：齒輪的圓周力：齒輪的徑向力：2） 計算作用于軸上的支反力將上敘的力分解為水平分力和垂直分力，然后求出各支承處的水平反力RH 和 垂直反力RV ：水平面內(nèi)支反力垂直面內(nèi)支反力如圖（圖3.3b ）所示。3） 計算軸的彎矩，并畫彎、轉(zhuǎn)矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩MH 圖（圖3.3d ）和垂直面上的彎矩MV 圖（圖3.3c），然后再按下式計算總彎矩并作轉(zhuǎn)矩圖（圖3.3e）： （3.23）4） 計算并畫當(dāng)量彎矩圖轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化計算，取=0.6，則式中是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)。因?yàn)橥ǔＳ蓮澗厮a(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)則常常不是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異的影響。即當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取0.3；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取=1。在本設(shè)計中，取=0.6。再按 計算，并畫當(dāng)量彎矩圖 （圖3.3f ）。圖3.3 軸的受力分布圖5） 校核軸的強(qiáng)度一般而言，軸的強(qiáng)度是否滿足只需對危險截面校核即可，而軸的危險截面多發(fā)生在當(dāng)量彎矩較大且軸的直徑較小處。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)和當(dāng)量彎矩圖可知，aa 截面處彎矩最大，且截面尺寸也非最大，屬于危險截面，按第三強(qiáng)度理論，計算彎曲應(yīng)力，公式為： MPa（3.24）式中， W軸的抗彎截面系數(shù)，mm3； -1軸的許用彎曲應(yīng)力。在本設(shè)計中，取aa截面為危險截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)公式（3.6）求得：又已知L1 =110 mm， L3 = 542 mm，由此求得：在公式（3.20）中：由此得：6）按安全系數(shù)進(jìn)行校核a、aa截面上的應(yīng)力：彎曲應(yīng)力幅：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅：彎曲平均應(yīng)力： m=0MPa扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力：b、材料的疲勞極限：根據(jù)b=750 MPa,s=550 MPa,查表617得=0.2，=0.1c、aa截面應(yīng)力集中系數(shù)：查附表61【7】得d、表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查附表65【7】、附表64【7】得e、分別考慮彎矩或扭矩作用時的安全系數(shù)：故安全。由此可知按彎扭合成的強(qiáng)度校核許可。因此傳動箱的輸入軸的強(qiáng)度校核許可，另外，由于其它軸的受力分析與計算與傳動箱輸入軸方法一致，所以這里就不再對其進(jìn)行強(qiáng)度校核了。3.3.3軸承的選擇及校核(一) 止推軸承的組合設(shè)計根據(jù)載荷的方向選擇軸承類型時，對于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的純軸向載荷可選用推力球軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承，該設(shè)計選用推力滾子軸承，根據(jù)軸承處所受載荷及軸的直徑的大小選用型號為81111和81117的推力圓柱滾子軸承。雙螺桿擠出機(jī)工作時，由于螺桿末端處熔體靜壓力的存在，以及沿螺桿軸向附加動載的存在，致使螺桿受到很大的軸向推力，該力最終由傳動箱中的止推軸承承受。一般止推軸承的承載能力與其直徑有關(guān)，直徑越大，承載能力越大。在雙螺桿擠出機(jī)上使用的止推軸承其直徑受兩螺桿中心距的限制，這就造成既要承受很大的軸向推力，又不能選擇大直徑的止推軸承，而用一個小直徑的止推軸承又不能承受這么大的軸向力的矛盾局面。目前解決這一矛盾的通常方法就是將同規(guī)格的幾個小直徑的止推軸承串聯(lián)使用，由幾個軸承在一起承受大的