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2 塑料管材挤出机整体设计

2.1塑料管材挤出机工作原理及其特性
设计的挤出机的工作原理如下：
（1）挤出机通过装有碎料或颗粒的料斗口进料。
（2）螺杆通过旋转运动将塑料送入机筒。
（3）由于加热系统使热塑性材料熔化并挤出到模具上，生成塑料管材。该模具还包含一个阀门，可用于在机筒内增加压力，从而增加熔体的均匀化。
挤出成型是塑料加工的一个重要成型方法，大部分的热塑性塑料都可以用该技术加工[9]。在生产的连续产品截面不变的情况下，理论中是可以生产无限长的产品。在工业操作中塑料管材挤出机需要承担输送、塑化、混合和混炼聚合物的工作。
聚合物挤出工艺可与金属棒材挤出工艺相比较。金属棒是在高温下制造的，这是一个不连续的过程，而聚合物材料是在较低温度下连续挤压的过程。挤出过程是应用最广泛的聚合物加工技术，它涉及到聚合物熔体的熔化、均匀化和加压，然后将其挤出到预定的空腔中，从而形成最终的产品形状。如果为了保持挤出聚合物产品的尺寸一个专门的冷却装置冷却产品，有必要校准一个尺寸。聚合材料挤塑制品的例子包括管材、片材、电线绝缘、PVC型材[10]。进料系统由本机的料斗和机筒上的一个小开口组成，原材料由此进入。原材料是由热塑性聚合物材料制成的颗粒，然而在回收应用中，它可以是粉碎的产品，这是由于热塑性材料具有良好的加工性能和力学性能，85-90%的聚合物产品都是HDPE、LDPE、PET、PVC、PP、PS。由于加热系统和枪管内产生的摩擦，聚合物变成熔化状态。在棒的末端有一个压力传感器提供反馈机构的输入，该反馈机构用于调节螺杆的加热和速度。然后通过模具将熔化的塑料形成所需的形状。
2.2塑料管材挤出机主要技术参数和规格
（1）螺杆直径
指螺杆的螺纹部分外圆外径，属于螺杆的基本参数，用D表示，单位为mm。
对于挤出机的一些基本参数在设计之前就可以通过相关的表来确定。挤出机的产量和螺杆息息相关，可以通过挤出机的产量来确定螺杆的直径。因此可得生产以聚乙烯（HDPE）为主料的复合塑料，最高产量77Kg/h，最高转速为85r/min。
根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）和螺杆直径系列标准，取螺杆公称直径：D=70mm。表内部分内容如表2.1所示：
表2.1聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）
螺杆直径D/mm 长径比L/D 螺杆最髙转速N/(r/min) 最高产量 Q(kg/h) 电机功率/Kw 比流量q/[(kg/h)/(r/ min)] 机筒加热功率 /kW≤
70 20~25 85 77 37 0.906 17
螺杆的长径比
用（L/D）来表示，是指螺杆的螺纹部分长度与螺杆直径的比值。在长径比范围确定的情况下，适当的增加螺杆长径比可以提高塑料制品的塑化质量，利于管材的成型、提高挤出量。
同理根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）表，显示生产能力为77kg/h的螺杆挤出机螺杆长径比 L/D=20~25，所以应取L/D=24。
螺杆的转速范围
用~表示，指螺杆工作时的最高转速和最低转速值，单位r/min。
在实际生产过程中，不同的的原料所需的转速不同，需要保持进料与出料之间的平衡，因此螺杆转速是可变的。不同尺寸的螺杆有不同的转速范围。本设计的螺杆属于较大类型的，所以螺杆转速不应过大，否则塑料的塑化不均，容易分解。本设计已确定螺杆的最高转速为85r/min，根据经验，挤出机的调速范围在1:5左右，因此确定螺杆转速范围为：n=17~85r/min。
（2）挤出机功率的确定
指螺杆工作旋转所需的电动机功率，用P表示，单位为千瓦（kw）。挤出机的功率消耗是多方面的，因此挤出机的功率选择与电机的类型选择是需要依靠设计者的经验确定，根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）表，理应选取挤出机的主电机恰当功率为：P=37kw。
（3）挤出机机筒加热功率的确定
即为挤出机加热功率，一般用E表示，单位为（kw）。由挤出机上的加热装置提供，它可以使在料筒和螺杆之间的塑料颗粒成为熔融状态，便于螺杆的转动。
同理，根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成型用挤出机基本参数（JB/T 8061—1996）表，E=17kw。
2.3塑料管材挤出机结构设计构思

图2.1 设计构思
3塑料管材挤出机主要零部件设计
单螺杆挤出机具有不同的形状和尺寸，确定单螺杆挤出机的结构，并根据个体的物理特性进行匹配是非常重要的[11]。因此有必要对现有的部件如螺杆、机筒、调速器、料斗、电动机、支架等进行改进和开发，这需要共同努力才能提供现实的经验。然而，单螺杆挤出机设计用于混合、加热和挤出的特点有所不同。单螺杆挤出机具有小料斗和轻型机架结构，由电动机驱动，因为混合的冲击和应力水平大大低于挤出机。塑料单螺杆挤出机的使用周期、每周使用次数、预存效果、原料重量和长期混合目标等因素影响塑料单螺杆挤出机的适用性，必须予以深入考虑。本研究的目的在于设计与开发一台用于复合聚合物与塑料管材挤出机。
3.1挤出机电机的选择
在选择好的17r/min~85r/min 的调速范围。直流电机相对于交流电机较为适合工厂生产设备，便于调速，因此选择直流电机作为挤出机电机。根据我国聚乙烯（HDPE）制品挤出成基本参数（JB/T 8061—1996）选取挤出机主电机功率为：P=37KW。
挤出机电机选择直流电动机型号为Z4-200-12/11，其主要技术参数为：额定功率为40.5KW，额定转速为900/min，工作电压400v。
3.2带传动设计
（1）确定功率
由于原电机是在额定功率的情况下工作的，所以设计的带传动功率为电机的额定功率：P=40.5KW。
选取带型
根据P=40.5KW，小带轮转速，可选择Z型V带。确定带轮的基准直径，并验算带速。
初选小带轮的基准直径根据结构及传动比需要，取小带轮的基准直径208mm。
（2）验算带速

（3-1）
因为5m/s<v<30m/s，固带速合适。
计算大带轮的基准直径

（3）确定带的中心距和基准长度
根据式
，初定中心距a0=400mm。
带传动的结构简图如3.1所示：

图3.1带传动结构简图
3.5机筒设计
塑料工业中使用的挤出机筒相当复杂和昂贵。该机在进料口处设有冷却管路，防止颗粒在料斗内熔化。如果塑料颗粒在进料段融化，就会形成颗粒集料，堵塞料斗，从而阻止颗粒到达出料筒和螺杆。
3.5.1机筒的结构类型选择及特性
机筒的结构类型可分为：分段式、整体式和双金属料筒。
整体式机筒：是在整体的材料上加工出来，加工精度以及装配精度容易满足，传动误差小、零件数量少；而且机筒受热均匀和结构加热不受限制，适合对加热系统要求高的设计。相应的整体式机筒加工难度大，磨损后内表面难以修复。
分段式机筒：如字面意思所述就是把机筒分为多个加工段，分别进行加工，然后由多个加工段由法兰加工连接。该机筒加工简单，能满足多种长径比的要求，便于改装。但由于分段加工，所以加工精度比不上整体式机筒。而且热损大，加热起来容易受热不均[18]。大多数情况下是用在实验性的挤出机上。
双金属机筒：其结构形式有两种，一种是浇铸式，另一种是衬套式。衬套式具有更换方便、使用寿命长、等优点，不同的机型其设计也不尽相同。浇筑式的优点是合金层与机筒相结合，融为一体不分离、不开裂，耐磨性好，寿命长。但这两种都有一个缺点，那就是成本高。
综上所述可了解各个类型机筒的优缺点，由于本设计属于实验性质的，对机筒的精度要求并不高，所以选择分段式机筒。
4塑料管材挤出机控制系统设计
4.1加热系统
挤出机机筒由五个加热单元加热，每个加热单元的功率为4千瓦，直径为35毫米。温度控制由PIC控制器实现，输入信号由两个热电偶产生。四个加热单元通过继电器(SSR-4028ZA2)连接到两个温度控制器，允许供应440伏的加热单元，因为从控制器的输出是5伏。
挤出机的加热控制电路用一个小开关代替原来的保险丝。如同保险丝一样，在过载和短路的情况下可以自动断开，但不需要如同保险丝属于一次性，排除故障后可以重新接通继续使用[22]。
设计的加热装置采用电阻加热，机筒有五个加热单元，采用先进的电阻材料，具有热容量大、寿命长、使用方便、安全优点。五个加热单元同时具有散热装置。整个加热系统的额定功率为17kw。
4.2电气控制系统
电控部分主要包括两个部分，一个是直流加速控制系统，另一个是加热控制系统。加热控制系统连接在机筒外部的加热装置上[23]。直流加速控制系统所采用的的电机为直流电机，型号Z4-200-12/11，其主要技术参数为：额定功率为40.5KW，额定转速为900/min，工作电压400v。
直流电动机的速度控制可以通过改变电动机电感两端的电压来实现[24]。将差分值输入速率调节器，将速率调节器调节的输出电压（指定为小闭合电流周期的电流值，从传感器中提取电流反馈信号，并将电流反馈信号与规定的电流值进行比较[25]。
速度控制系统采用新一代的硅调压器。速度控制回路扩大可变速范围，保持恒定的运行速度。在电动阀电压波动的情况下，电机转矩的快速平衡是在不改变转速的情况下保证的。

5数字化建模

设计的电机三维模型如图5.1所示：

图5.1电机三维模型
机筒的加热装置三维模型如图5.8所示：

图5.8机筒加热装置三维模型
由于塑料管材挤出机的零件众多，如果一个个零件进行装配过于麻烦，所以在做零部件的三维模型的时候，会将总装配体分成几个小装配体，如减速器、挤出机构等。这样做便于修改零件，减少装配时的错误。
首先用SolidWorks新建一个装配体文件打开底座造型，之后加入电机和减速器模型，用自动判断中心轴的命令将电机和减速器连接到底座上，之后用接触命令，将挤出机的外壳接触到底座的测表面上；之后添加带传动的组件，用同样的方法将挤出机构安装到减速器上，以此类推，安装料斗和众多的标准件。
塑料管材挤出机的总装配如图5.9所示：

图5.9塑料管材挤出机总装配图

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