感应加热式钢管高速包塑滚花一体成型机设计

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1、感应加热式钢管高速包塑滚花一体成型机设计 摘要 包塑机实际是塑料挤出机的一种特殊形式，目前包塑滚花钢管广泛用于公交车、地铁等交通工具的扶手和公园、商场等环境设施的护栏，其制造工艺为：钢管被送往包塑机后经过电加热炉预热、塑料挤出机挤出塑料包裹到钢管上、经冷却后成包塑钢管，后道工序重新加热再在塑料层滚花。由于加热炉内各区域温度的检测精度与控制精度较低，包塑钢管的输送也难以与预热温度相关匹配，影响了生产效率；预热加热炉包塑钢管的加热温度均匀性不高，造成滚花的深浅不一致，且在塑料外层加热后滚花，滚花的边界不够光滑，因此影响了包塑钢管的加工质量；同时，常规的电加热炉加热方式能耗较大，加热区域长、占地面积

2、大。本文采用高频感应加热、包塑、预冷、滚花、终冷的一体化生产工艺，根据各段工艺温度及工作要求，在此基础上对各个加热方式及结构进行优化设计，对挤出机的基础方式进行选择和螺杆进行设计计算。整个工作过程由计算机控制加热功率、风冷流量、调整送进速度，达到节能、高效和高质量的生产效果。 关键词：感应加热；包塑；滚花；塑料挤出机； Abstract Package is actually a plastic extruder presses a special form, the current knurled plastic coated steel is widely used in buses, s

3、ubway and other transportation handrails and parks, shopping malls and other environmental facilities of the fence, its manufacturing process: steel pipes after the package sent through the electric furnace preheated presses, plastic extruder plastic wrap onto the tube, after cooling into packets st

4、eel tube, after the procedure re-heated again in the knurled plastic layer. Because of the heating furnace zone temperature control accuracy and the detection accuracy is low, the transport packet steel pipe is difficult to match with the relevant preheat temperature, affecting the efficiency of pro

5、duction; preheating furnace steel tube package heating temperature is not high, causing the depth of knurled inconsistent, and heating the plastic outer knurled knurled border smooth enough, thus affecting the packet processing quality steel tube; Meanwhile, conventional electrical energy is wasted

6、heating furnace, the heating zone long, covers an area larger. In this paper, high frequency induction heating, coated, pre-cooling, knurling, final cooling integrated production process, according to the process temperature and the working segment requirements, on the basis of the structure of the

7、various heating methods and to optimize the design of the extrusion machine based approach to selecting and screw design calculations. The entire work process heating power is controlled by computer, air flow, adjust the feeding speed to achieve energy efficient and high quality production results.

8、Keywords：Induction heating;Plastic Packaging; knurled; plastic extruder; 第一章 绪论 1.1 课题背景 课题来源于工程生产实际，根据在日常生活中所见的包塑成型材料以及查阅相关资料的基础上所选的。包塑机实际是塑料挤出机的一种特殊形式，目前包塑滚花钢管广泛用于公交车、地铁等交通工具的扶手和公园、商场等环境设施的护栏，其制造工艺为：经过电加热炉预热、塑料挤出机挤出塑料包裹到钢管上、经冷却后包塑钢管，后道工序重新加热再在塑料层滚花。由于加热炉内各区域温度的检测精度与控制精度较低，包塑钢管的输送也难以与预热温度相关匹配，影响了生产

9、效率；预热加热炉包塑钢管的加热温度均匀性不高，造成滚花的深浅不一致，且在塑料外层加热后滚花，滚花的边界不够光滑，因此影响了包塑钢管的加工质量；而挤塑成型机在国内很少。同时，常规的电加热炉加热方式能耗较大，加热区域长、占地面积大。本课题采用中高频感应加热、包塑、预冷、滚花、终冷的一体化生产工艺，根据各段工艺温度要求，由计算机控制加热功率、风冷流量、调整送进速度，达到节能、高效和高质量的生产效果。 1.2研究的目的意义 包塑钢管是以钢管为基体，通过特殊工艺在外壁熔融喷涂或吸附食品级环氧粉末涂料或原料经高温固化而成的新型复合材料。包塑钢管是由普通焊接钢管采用加热工艺将聚乙烯粉末加热溶解、加压、挤塑等

10、工艺流程均匀涂敷在钢管外表面上，通过预加热、感应加热装置将钢管经过加热使管膜和钢管相结合，形成包塑钢管，外表平滑，美观，可做装饰，衣架，拖把，大棚矿架等，克服了普通钢管不耐腐蚀的缺点，极大地提高了钢管的防腐抗蚀能力，耐酸碱盐，外表面光滑，摩擦系数小，有利于电缆穿装通顺。具有优良的机械性能和散热性能，附着力强，在当代能源面临危机的时代，发展该工艺技术对于提高产品质量，倡导绿色环保，节能减排具有重要意义。 1.3 国内外发展现状及分析 1.3.1国外的发展状况 包塑（挤塑）成型技术在国外一直占据领先水平。挤出成型技术作为聚合物加工技术之一，是伴随聚合物加工工业的发展而发展的。挤出成型在国外的的发展

11、历程可以分为三个阶段： （1）萌芽时期 1845年，R.Brooman最早用挤出成型法生产包覆电线。当时的挤出机为住塞式，操作由手动逐步过渡到机械式和液压式，生产过程是间歇式的。 （2）杆式挤出机阶段 19世纪80年代后，开始出现螺杆式挤出机，由德国开始批量制造，并不断地发展和改进螺杆结构。这时期的挤出机螺杆长径比为3-5，难以满足热塑性塑料化的要求，只适合于生产橡胶制品。 （3）现代挤出机时代 1935年德国Paul Trster公司制造出第一台热塑性挤出机，从此挤出机发展到了一个阶段即现代挤出机时代。这一段的特征是挤出机采用直接电加热，空气冷却，自动温控的装置和无级变速的传动装置，螺杆的长

12、径比开始超过10。 现代挤出机技术的出现和进一步的发展，使得可加工的聚合物种类、制品结构、制品形式越来越多，挤出工艺不断改进，成型设备不断出新，研究开发新产品、新工艺的手段不断加强。目前用挤出成型法可以生产出各种各样的制品，除传统的PVC管材，包覆电缆，PPS、PP和ABS片材、板材以外，还有PVC型植材、交联聚乙烯管材、铝塑复合管、PP-R管材、双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜、多层共挤复合膜各种发泡制品等。此外，可以运用挤出加工手段制备改性聚合物材料。此时发展的新技术有共混增强、增韧技术，辐射改性技术，纳米复合技术，以及其它一些新型改性技术。在设备方面，出现了各处结构与功能的挤出机和生产线；

13、如混炼型螺杆、排气式挤出机，双螺杆、多螺杆挤出机，反应式挤出机，组合式挤出机，以及适应高分子材料物理与化学特性而建立的成型装置和具备各种制品所需的专门功能、能够实施成型步骤的挤出生产线辅机等，以追求简便、控制精确、节能高效，清洁生产为目标而不断改进的新型设备。 1.3.2 我国的发展现状 半个世纪以来，我国的塑料工业经历了从无到有，从小到大的发展过程，尤其是改革开发二十年来得到高速发展，已初步形成了部类齐全的工业体系，从产量上己跻身于世界先进行列。据有关资料介绍，我国20世纪初塑料原料的产量为760万吨，仅次于美、日、德、韩，居世界第五位，而塑料制品的产量己超过1500吨，仅次于美国，跃居世界

14、第二位。塑料机械行业是为塑料工业提供技术装备的行业，强劲的市场需求促进塑料机械工业的发展。以2000年为例，我国 塑料机械工业总产值为85.28亿元，进口设备耗费外汇l3l5亿美元，超过国内塑总产值。其中挤出机组产量7784台，同向平行双螺杆挤出机844台、异向平行及锥形双螺杆挤出机1255台，挤出机组进口1817台，耗资1.16亿美元，出口1625台，创汇0.15亿美元，产品的总体技术水平相当于先进国家的八十年代水平。当然也不乏一批具备九十年代乃至当今国际领先水平的产品，但一些专用性强的高新技术产品还需依赖进口。据海关统计，近年来我国挤出机的进口量呈现出逐年递减之势，2000年比1999年进

15、口台数减少了5.3%，外汇支出减少了32.7%，而出口台数减少了73%，创汇却增加了12.3%，这说明国产挤出机技术含金量有一定的提高，出口的价格也相对上涨。在我国塑料加工业中，几乎1/31/2的塑料制品是通过挤出成型来完成。作为塑机的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额约占塑料机械的2025%，其生产厂家分布在机械、轻工、化工、石化、建材、军工等行业，在地域上多集中在塑料加工业发达地区，如江浙、辽宁、山东、广东等东南沿海地区。全国124家主要塑料挤塑机企业工业总产值为38.7亿，东南沿海就占了70%以上:全国生产挤出机的厂家超过百家，多数为民营或乡镇企业，约占塑机行业厂家的60%，挤出机

16、的品种占塑料机械品种的30%，这个比例还有逐年上升趋势。全国每年能够生产300台(套以上挤出机机组的厂家仅有3、4家，大部分企业只能生产低档次的老产品，难以达到经济规模，尤其在控制水平、效率、精度、可靠性和成套性等方面与发达国家相比差距较大。由于专业水平和产品技术含量低，决定了产品的附加值低，从而使企业的整体效益不高，在国际竞争中处于劣势。 1.4 课题任务 1.4.1 研究内容 （1）熟悉掌握中高频感应加热、包塑、冷却、滚花一体化工艺； （2）研究查阅各段工艺温度要求； （3）加热方式的选定及加热的工艺流程； （4）电机的选择及电机转速与挤塑速率的调节； （5）包塑机整体机构布局； （6）挤

17、塑方式的选择； （7）螺杆的设计计算。 1.4.2 拟解决的关键问题 （1）根据包塑机的工作原理、工作条件和包塑钢管长度等条件，怎样选择钢管加热方式及挤塑方式； （2）根据各个模块间的关系及各个模块的工作要求对包塑机的整体结构进行布局； （3）根据（1）、（2）对加热装置和挤塑装置的结构进行分析设计； （4）螺杆的设计计算。 1.4.3 具体要求 本设计要注意的要求 （1）包塑的精度要达到一定的要求； （2）各部件的结构参数应满足工作要求； （3）螺杆的设计应符合要求。 （1）预期的效果 本课题采用三维软件Pro/E根据已有的参数对包塑成型机进行建模设计，可以进一步对Pro/E、CAD制图软件

18、学习，同时通过本课题的学习和查阅相关资料，对包塑成型技术有更深刻的认识，并在专业知识方面也有了进一步的提高。 第二章 方案设计 本章主要通过对滚塑成型机的工作原理进行介绍，在熟悉了解该机器机械机构的基础上，选择合适的方案。主要是对加热方式的选择和挤塑方式的选择。通过分析比较选择合适的方案。 2.1 加热方案选择 目前在工业中常用的加热方式有两种，一种是电阻加热（带状加热器、铸铝加热器、陶瓷加热器）；另一种是电感加热器。这两种加热方式各有其特点。 2.1.1电阻加热 电阻丝加热的原理是利用电流通过电阻丝产生热量，该热量以热传递的方式传递到需要加热的物体上，在此热传递的过程中已损失一部分的热能量，

19、同时又有另外一部分的热能量散发到空气中，这就是电阻丝加热的方式。 电阻的缺点： 热损失大，现有塑机采用的加热是由电阻丝绕制，圈的内外双面发热，其内面（紧贴料筒部分）的热传导到料筒上，而外面的热量大部分散失到空气中，造成电能的损失浪费。 环境温度上升：由于热量大量散失，周围环境温度升高，尤其是夏季对生产环境影响很大，现场工作温度超过了45，有些企业不得不采用空调降低温度，这又造成能源二次浪费。 使用寿命短，维修量大:由于采用电阻丝发热，其加热温度高达300左右，电阻丝容易因高温老化而烧断，常用电热圈使用寿命约在半年左右，因此，维修的工作量相对较大。 功率密度低，在一些需要较高温度的场合无法适应。

20、 2.1.2 电感加热 电感加热及电子加热，是利用高频率的交变电压作用于绕在加热物体表面的电磁加热线圈从而产生磁场，磁场作用于需要加热的物体表面使得内部产生涡流，使得要加热的物体产生热量。其原理是让需要加热的物理（金属）自身加热，而且在该物体表面又包了层保温棉和环氧板，所以热量几乎不会散发到空气中，热能量利用率非常高。 电磁加热的优势和特点 节能效果好。相比原电阻丝加热圈节电效果都在30%80%左右，相对不同的原料，生产不同的产品，节能效果有所变化。 环保效果好。可显著降低环境温度。由于采用无热源加热技术，料筒表面温度不超过100. 使用寿命长。加热圈连续运行温度只有100左右，加热圈很难损坏

21、。相对于原电阻丝加热减少了二次投入。 可提高产品产量。由于该产品的发热效率高，能显著减少升温时间，提高产品产量。同时本产品配合使用纳米磁场导向材料，即使料筒加热均匀，又不会使磁场扩散。 通过以上的研究对比，电阻丝加热方式已经不适合于广大机械的加热方式，因为电阻丝加热的热能量利用率太低，不仅浪费能源，而且还减少单位时间内的产量。通过这两种加热方式的对比，选用电磁加热方式更胜一筹。目前电磁加热方式广泛应用于：拉丝机，注塑机，吹膜机，吹塑机，油管加热，无纺布机等加热改造。 2.2 挤出工艺的选择 随着聚合物加工的高效率和应用领域的不断扩大和延伸, 挤出成型制品的种类不断出新, 挤出成型的新工艺层出不

22、穷, 其中主要有反应挤出工艺、固态挤出工艺和共挤出工艺i。 2.2.1 反应挤出工艺 反应挤出工艺是20世纪60年代后才兴起的一种新技术, 是连续地将单体聚合并对现有聚合物进行改性的一种方法ii, 因可以使聚合物性能多样化、功能化且生产连续、工艺操作简单和经济适用而普遍受到重视。该工艺的最大特点是将聚合物的改性、合成与聚合物加工这些传统工艺中分开的操作联合起来。反应挤出成型技术是可以实现高附加值、低成本的新技术, 已经引起世界化学和聚合物材料科学与工程界的广泛关注,在工业方面发展很快。与原有的挤出成型技术相比, 它有明显的优点：节约加工中的能耗；避免了重复加热；降低了原料成本； 在反应挤出阶段

23、, 可在生产线上及时调整单体、原料的物性, 以保证最终制品的质量iv。反应挤出机是反应挤出的主要设备, 一般有较长的长径比、多个加料口和特殊的螺杆结构。它的特点是熔融进料预处理容易；混合分散性和分布性优异； iii 温度控制稳定；可控制整个停留时间分布；可连续加工；未反应单体和副产品可以除去；具有对后反应的限制能力；可进行粘流熔融输送；可连续制造异型制品。 2.2.2固态挤出工艺 固态挤出是使聚合物在低于熔点的条件下被挤出口模。固态挤出一般使用单柱塞挤出机, 柱塞式挤出机为间歇式操作。柱塞的移动产生正向位移和非常高的压力, 挤出时口模内的聚合物发生很大的变形, 使得分子严重取向, 其效果远大于

24、熔融加工, 从而使制品的力学性能大幅度提高。固态挤出有直接固态挤出和静液压挤出两种方法v。在直接固态挤出中, 预成型的实心圆棒状物料vi被放人料筒, 柱塞直接接触固体物料, 推动物料从口模中挤出。在静液压挤出中,挤出所需的压力由柱塞经润滑液传递至料锭, 料锭形状与口模相配合以防止润滑液漏失。由于单柱塞挤出机的料筒截面积远大于口模截面积, 因此挤压料锭通过口模时需要足够的压力, 在力的作用下固体物料产生变形和分子取向。固态挤出中, 将料筒截面积与口模截面积之比定义为挤出比。在高挤出比的情况下, 基本上不产生熔融挤出中的离模膨胀现象, 因而挤出物的尺寸与口模尺寸相等。固态挤出高密度聚乙烯的力学性能

25、优于熔融挤出的HPDE, 其拉伸强度与碳素钢相近vii。固态挤出的基本过程不连续, 不能用普通的聚合物加工设备成型, 而且需要很高的压力才能实现挤出。 2.2.3共挤出工艺 在塑料制品生产中应用共挤出技术可使制品多样化或多功能化, 从而提高制品档次。共挤出工艺由两台以上挤出机完成, 可以增大挤出制品的截面积, 组成特殊结构和不同颜色、不同材料的复合制品, 使制品获得最佳性能。按照共挤物料的特性, 可将共挤出技术分为软硬共挤、芯部发泡共挤、废料共挤、双色共挤等。由三台挤出机共挤出聚氯乙烯发泡管材的生产线viii, 比两台挤出机共挤方式控制的挤出工艺条件更准确, 内外层和芯部发泡层的厚度尺寸更精确

26、, 因此可以获得性能更优异的管材。随农用薄膜、包装薄膜功能发展的需要, 共挤出吹塑薄膜趋于向多台挤出机、多层化发展, 目前多层共挤出吹塑膜可达9层。多层共挤对各种聚合物的流变性能、相粘合性能, 各挤出机之间的相互匹配有很高的要求, 机头流道的设计与制造更为关键。 目前典型的挤出成型过程是，将固态粉状或粒状聚合物物料通过料斗加人挤 出机中，在自重和螺杆的转动下使物料进入料筒，在料筒内被加热，熔融塑化，通过螺杆加压将熔融的物料经日模挤出，在牵引力的作用下，经过冷却、定型形成制品的最终形状。在挤出成型过程中，其棱心为螺杆式挤出机、口模和辅机。挤出机根据螺杆的数量可分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多鼻

27、杆挤出机。单螺杆挤出机由于设计简单、制造容易、价格便宜而被广泛使用，是用量最多的挤出机。它是出一根阿基米德螺轩在加热料筒中旋转而成，这种挤出机的主要技术参数有螺杆直径、螺杆长径比、螺杆转速、驱动电机功率、料筒加热功率、生产能力等。螺杆的几何形状对于挤出机的性能有极为重要的影响，其中螺杆直径标志着挤出机的挤出量；螺杆的长径比表示着挤出机朔化的能力和质量；螺杆的转速直接影响挤出量和熔体物料的流动性。为了克服单螺杆挤出机混炼效果差、不适合粉料加工、生产效率低等缺点，双螺杆挤出机问世并得到广泛使用。双螺杆挤出机的螺杆由两根相互啮合或相切的螺杆组成，根据两根螺杆的位置可以分为啮合型和非啮合型；根据螺杆的

28、旋转方向。可以分为同向和逆向旋转两类；按照两根蠕杆轴线的关系可分为平行双螺杆和锥形双螺杆挤出机。双螺杆挤出机主要用于热敏性麓科(如Pvc)的挤出成型和特种聚合物加工(如共混、反应挤出)。多孽杆挤出机的应用相对较少，主要有行星螺杆挤出机和四螺杆挤出机。这种挤出机的特点是大幅度增加了螺杆对物料的捏合、挤压、剪切和搅拌次数；物料在料筒内的分散性好、停留时间短、生产效率高。多螺杆挤出机主要用于对热敏性塑料的加工。经分析本课题选用双螺杆挤出机。 第三章 挤塑成型机整体结构设计说明 本章主要针对挤塑成型机各个机构进行设计说明，重点介绍各个部件的工作原理及相互间的关系。本课题涉及一种中高频感应加热式高速金属

29、管包塑机，由进管工位、带送料滚轮速度反馈与步进电机驱动的夹送装置、中高频感应预热装置、红外温度测量装置、塑料挤出机、流量控制的冷却装置、出管工位和控制系统柜组成。本课题采用中频电源可调整加热功率，中高频感应预热部分与塑料挤出头部分一体化密封保温。感应加热式钢管高速包塑滚花一体成型机整体结构图如图1所示： 图1 感应加热式钢管高速包塑滚花一体成型机 3.1 进管装置 感应加热式钢管高速包塑滚花一体成型机第一步是钢管的进管装置，该机构主要由机座、箱体、支架板、轴承、轴和滚轮组成。其工作方式是起支撑和控制钢管的作用，该机构上安装有一对滚轮，该对滚轮上面涂有耐磨橡胶，同时该对滚轮的结构比较特殊，能限制

30、上下左右四个自由度，可以确保钢管能够顺利的在水平方向上运动。其结构如图2所示： 图2 进管机构 3.2 预热装置 该装置是在钢管进行包塑前进行预热，可以快速加热表层金属，使钢管受热均匀。该装置主要是由箱体、机座、与热管和进气管四部分组成。预热装置的主要工作原理是在外部与预热管之间设有一通孔，由风机将热空气通过进气管通往预热管，当钢管从与热管内部通过时，通入的热空气对钢管进行预热。如图3所示： 图3预热装置 3.3感应加热装置 本装置主要是当进管装置和光管驱动装置将钢管送进，经初步预热后对钢管进行进一步加热。并且在该装置上设有温度检测装置，可以实时检测并通过计算机控制钢管加热温度的变化。该装置的

31、结构是在管套的外部包有一线圈，当通电以后就产生感应磁场。感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的。具体原理见第3章。其结构图4所示： 图4电感加热装置 3.4滚花装置 本装置主要是在钢管经过前几道预热、加热、包塑等工序以后对包塑好的钢管进行滚花，其结构主要是在滚花箱体对称安装了一对结构和尺寸大小相同的滚花轮，当钢管通过时便在钢管上印上花印。其结构如图5所示 图5滚花装置 3.6 风冷装置 该装置主要是由风冷箱体、进气管道、出气管道、进气口、出气口、风机和红外温度测量装置等

32、结构组成。风冷装置的风冷流量根据控制红外温度测量装置的反馈，由计算机控制风机抽吸风量，将包塑层表面冷却到适当温度，并将热风送至预热工位中预热钢管，这样节能效果好，且滚花表面质量大大提高。 风冷装置的风冷流量根据控制红外温度测量装置的反馈，由计算机控制风机抽吸风量，将包塑层表面冷却到适当温度，并将热风送至预热工位2中预热钢管， 这样节能效果好，且滚花表面质量大大提高。 图6风冷装置 3.5水循环冷却装置及步进电机驱动的牵引装置 该部分主要是钢管经过包塑以后冷却和出料。每一部分的工作原理如下：冷却装置是钢管经过包塑、滚花以后的最后一道工序。该部分主要是利用水的比热比较大，可以在短时间内带走大部分热

33、量所设计的。该装置的主要工作原理是水通过进水管进入箱体，当包塑钢管进入箱体时，通过类似于淋浴头的机构将水以淋浴的方式喷洒在包塑管上。这样能有效的在短时间内对包塑管进行冷却，而流进冷却箱体的水通过出水管流出。该机构如图7所示： 图7水冷装置 该部分除了对包塑管进行冷却外还要对已经包塑好的钢管送出机体。所以在该部分设有步进电机驱动的牵引装置，该牵引装置的后面设有与图1相同的出料装置，一起完成包塑管的卸载。其结构图8所示： 图8出料装置 第3章 感应加热装置的设计与分析 感应加热器用作一种以快热方式加热工件的方法。例如，在汽车制造业中，感应加热器用于加热矫正位于装配零件（工件）之间的热响应焊接材料。

34、特别是，一种实用的感应加热器是“电焊机”，在该电焊机上被加热了的工作面将热传递到小区域上。另一种实用的感应加热器是“扁平加热器”，它可以感应加热一个通常是圆形的大区域。因为感应加热器承受的电阻性热损失很小，所以相对而言，感应加热器比电阻加热部件更有效。因此，感应加热装置的热响应快，高生产率装配线尤其要求快速热响应。 3.1 感应加热原理及主要特点 3.1.1 电磁感应与涡流发热 感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的。以加热圆柱形工件为例，其原理如图2.1，电流通过线圈

35、产生交变的磁场，当磁场内磁力通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流，可使待加热工件局部迅速发热，进而达到工业加热的目的。 图9 电磁感应加热原理 感应加热基本原理可以用电磁定理和焦耳一楞次定理来描述，电磁感应定理内容为：当穿过任何一闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电动势e: e?d? （3-1） dt 需要加热的金属工件自成回路，在横截面内产生感应电流，此电流称涡流， 并用表示If，其值取决于感应电动势E和涡流回路的阻抗Z： If? 式中： E（3-2） ?ZE感应电动势等效值； R涡流回路内的电阻;

36、XL涡流回路内的感抗； 由于Z值很小，涡流If可以达到很高的数值，在此电流流动时，为克服导体本身的电阻而产生焦耳热，因而能在极短时间里加热工件到很高的温度。 感应电动势使工件导体中产生涡流i，进而产生焦耳热Q。这一过程可用焦耳一楞次定律表达为： Q?i2Rt （3-3） 感应加热的加热过程是电磁感应过程和热传导过程的综合体现，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能是由电磁感应过程中所产生的涡流功率提供的。应当指出，对磁铁材料来讲，除涡流产生热效应外，还有磁滞热效应，但这部分热量比涡流产生的热量小得多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的热量。 3

37、.1.2 集肤效应及透入深度 众所周知，直流电流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆形断面直导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最大，而在导体中心轴线上电流密度最小，由外表面向内层以幂指数规律逐渐递减，这种现象叫做集肤效应，也称表面效应或趋肤效应。在感应加热中，电源电流是交流电，工件中的感应电流也是交流电流，因此同样具有集肤效应，在此效应作用下，工件中的电流密度分布是不均匀的，以圆柱形工件为例，设表面的电流Io，沿工件半径方向x方向的电流密度为： Ir?IDe （3-4） 当 x=?，Ix?IDe，即为表面层密度的36.8%，把电

38、流密度为Io/e的?层称为? 电流透入深度。可以计算出，在?层中放出的能量为86.5%。在设计使用时，认为金属被加热的能量先在 层产生，内层金属靠传热传导而被加热。实际上工件表面?的地方，电流密度就差不多降到零。电流透入深度?可按下式计算： ? 式（3-5）中： ，一般来说金属的温度越高，其电阻率越大，?工件的电阻率（?cm） 当温度从0oC升高到(850900)0C时，钢的电阻率增加45倍，而且可大致认为，在(850900)0C温度范围内，各类钢的电阻率几乎相等，约为10?4?cm； （3-5） ?工件的相对磁导率，真空中和非铁磁性物质其取值1，磁铁性物质在居里点以下时远大于1，居里点以上时

39、接近1； f电源频率（Hz）； 由式（3-5）可以看出，电流透入深度取决于电流频率f、零件材料的电阻率?和磁导率?。在材料?和?一定时，可以通过调节f来调节?，也就是说对于工件的加热厚度可以方便的通过调节电源频率加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄，这种性质在工业金属热处理方面获得广泛的应用。 需要说明的是，对磁铁物质而言，式（3-5）表示材料在失磁前的涡流透入深度，称为“冷态的涡流透入深度”，随材料温度的上升，会导致?增大和?下降，从而使涡流分布平缓，透入深度增大。当温度上升到磁性转变点时，由于其中?急剧下降，可使涡流透入深度增大几倍至几十倍。材料在失去磁性后的涡流透入深度称为“热态的涡

40、流透入深度”，对于钢铁材料在8000C热态时的涡流透入深度?热可按式（3-6）求出： ?热3.1.3圆环效应 圆环形的导体通过高频（或中频）交变电流时所产生的磁场在环内空间集中，（3-6） 环外分散。环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体自身，这样就使环形导体外侧交链的磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电流透入深度层中流过，这种现象称为电流的圆环效应或环状效应。环状效应使感应器上的电流密度集到感应器内侧，对加热零件外表面十分有利，但对加热零件内孔时，此效应使感应器电流远离加热零件表面，是有害的。如图10，在圆环导体中通以交流电时，所产生的磁通在

41、环内空间集中，环外分散，最大电流密度分布在环状导体内侧，这种现象叫环状效应，也叫圆环效应。圆环效应的实质是环形感应器的临近效应。 图10圆环效应 3.1.4 透入式加热和传导式加热 当感应线圈刚刚接通电源，工件温度开始明显升高前的瞬间，涡流在零件中的透入深度是符合冷态分布式（3-5）的。由于越趋近零件表面涡流强度越大，因此表面升温也越快。当表面出现已超过失磁温度的薄层时，加热层就被拆分成两层：外层的失磁层和与之毗邻的未失磁层。失磁层内的材料导磁率?的急剧下降，造成了涡流强度的明显下降，从而使最大的涡流强度出现在失磁层和未失磁层的交界处。涡流强度分布的变化，使两层交界处的升温速度比表面的升温速度

42、更大，因此使失磁层不断向纵深移动，零件就这样得到逐层而连续的加热，直到热透深度?热为止。这种加热方式称为透入式加热。 当失磁的高温层厚度超过热态的涡流透入深度 本上是依靠在厚度为?热后，继续加热时，热量基?热的表层中析出，而在此层内越靠近表面，涡流强度和所得的能量越大。同时，由于热传导的作用，加热层的厚度将随时间的延长而不断增大。当零件的加热层厚度远远大于材料在该电流频率下热态的涡流透入深度 时，那么这种加热层就是主要依靠传导式方式获得的，其加热过程及沿截面的温度分布特性与用外热源加热（如在炉内加热或火焰加热）的基本相同，为热传导加热方式。热总是从温度高的地方向温度低的方向转移，称之为热传递。

43、从微观来看，就是区域分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子。热传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。固体的热传递方式就是热传导。热传导是指完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。从微观角度看，热传导是依靠物体中分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动而进行的热能传输过程。其基本定律是傅里叶定律，级单位时间内通过单位截面积的导热能量与温度梯度成正比。 q?kdT （3-7） dx q表示热流密度，k为导热系数，“-”号表示热量流向温度降低的方向。 在感应加热过程中，由于生电流焦耳热作为内热源来加热工件表面，然后依据传热导作用，使加热工

44、件的温度由表层向内层逐层升高。 2.1.5 感应加热的能量参数 在一定时间内涡流透入层的温度，以及加热层向心部的发展速度，均取决于单位时间内向零件单位表面积所提供的能量，即比功率P0。决定感应加热速度和最终温度的最基本参数是加热比功率和加热时间，他们的数值大小可以表征零件所获得的能量，故称为感应加热的能量参数。比功率可用下式表示： P0?PLS （3-8） 式（3-8）中 PL零件被加热表面所得的功率（kw）; S零件同时被加热的表面积（cm2）； 比功率的理论值对于不同的加热规范有一定的范围，比如在同时加热的中频淬火中，常采用的比功率是（0.8-1.5）cm2。实际选择比功率时要考虑集体因数

45、的影响。实际运行中P0的大小可由下式确定： P?KI（3-9） 002 式（3-9）中 K0决定于感应线圈和零件几何尺寸的系数； I2感应器中的电流 由式（3-9）可知，在频率f一定时，加热过程中零件的?和?的变化，将使比功率P0发生变化。在其他参数一定时，通常把P 0成正比。 称为材料的吸收因子，它反映材料在一定温度下对电磁的吸收能力。另外，在一般的感应加热条件下，零件材料的?和?的变化，反过来又将引起感应器中电流I2的表变化。这是因为负载的阻抗随着?的变化而发生改变引起的。由式（3-9） 22可知，加热比功率P0与I2成正比，因而引起加热比功率的显著变化。I2对比功 率的影响是通过改变电磁

46、强度而实现的。此零件在加热过程中比功率的变化来自于三方面：（1 ;(2)电磁场强度的改变（I2的改变）； （3）电流频率的影响，在I 2相同条件下，P 0在加热过程中是变化的，所以在许多情况下常常采用平均比功率（在整个加热周期内比功率的平均值）表征其大小。 另一个重要能量参数加热时间的作用是明显的，即在一定的平均比功率下，加热时间越长，工作所获得的总能量就越多。由于涡流透入过程的进展和热传导的作用，加热时间越长，加热深度也就越深。 改变加热比功率的大小和加热时间的长短，就可以调节加热速度、最终的加热温度及加热的深度。 由感应线圈中电流所产生的磁通方向与受热物件被加热表面平行的感应加热称之为纵向

47、磁通感应加热。传统的纵向磁通感应加热，线圈围绕工件，如图11所示。交变电流产生沿工件轴向的交变磁通，交变磁通所引起的涡流平行于金属板横截面，利用涡流的焦耳热，使板材温度升高。由于磁通平行于加热工件的轴向，因此，这种加热方式称为纵向磁通感应加热。图11.a是圆柱形感应器产生纵向磁通的结构图，图11.b是矩形感应器产生纵向磁通的结构图。 图11纵向磁通感应加热器示意图 但随着金属冶金工业的发展，对金属板材进行加热的需求越来越广泛，纵向磁通感应加热自身的局限性也日益明显。由涡流分布公式及透入深度公式可知，如果要得到较高的加热效率必须使带材料厚度d与集肤深度?之比大于3，否则，会因涡流的相互抵消而导致

48、加热效率降低。因此，对于一定厚度的带材，要取得较好的加热效率，就要增大频率以减小集肤深度。被加热的带材愈薄，则要求集肤深度愈小，而要减小集肤深度则要增大频率。事实上，对于带材，若采用纵向磁通感应加热，其频率要超过10kHz。在d很小的情况下，即便增大加热的频率与电流，也难以达到所需的温度。例如，采用纵向磁通感应加热对于磁铁性板材能够加热的最小厚度0.8mm。铝板为4mm，而非磁铁性钢板只能达到12mm，因此纵向磁通感应加热主要应用于中厚板和圆柱形金属材料.复合此工艺要求。 第4章 同向啮合双螺杆挤出机螺杆的设计 4.1 同向啮合双螺杆挤出机工作原理及其特性 同向啮合双螺杆挤出机与单螺杆挤出机一

49、样，承担输送、塑化、混合和混炼聚合物的工作，但在工作上与单螺杆挤出机有许多不同点。同向啮合双螺杆挤出机表现为物料的正位移输送特性。所谓正位移输送特性是这移动的外部表面物质置换了系统中的部分液体的输送方式。啮合同向双螺杆挤出机必须纵向开放，否则螺杆会因为发生干涉而不能正常啮合。意味着螺槽的宽度一定要大于螺棱的宽度，在纵向留下一定的输送物料的通道。纵向开放程度越大，正位移输送能力损失也越多，此时摩擦拖曳和粘性拖曳所起的作用越大。但是无论开放程度多大，物料沿螺槽流动时在螺棱出仍然受阻而改变方向，因此具有一定的正位移输送能力。 由于螺槽纵向开放，由加料口到机头，两螺杆间有一通道，当物料由加料口加到一根

50、螺杆上后，物料在摩擦拖曳作用下沿着这跟螺杆的螺槽向前输送物料至下方的楔形区，在这里物料会受到一定的压缩。因螺棱比螺宽窄，那么另一根螺杆的螺棱不会把物料向前输送的道路堵死。两根螺杆在楔形区有大小相等、方向相反的速度梯度，因此物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进而被另一螺杆托起，在挤出机机筒表面的摩擦拖曳下沿另一根螺杆的螺槽向前输送。 4.2 同向啮合双螺杆挤出机的主要技术参数和规格 4.2.1螺杆直径 螺杆直径：即螺杆的外径，它是挤出机的重要参数，一般用D表示，单位为mm，它表征挤出机挤出量的大小。 在设计或选用挤出机前，一般挤出机生产能力及转速已经确定，螺杆直径的选取主要是根据挤出机的产量来

51、确定设计参数：生产以聚氯乙烯（PVC）为主料的复合塑料，最大产量为 200Kg/h，最高转速为260r/min。 根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)和螺杆直径系列标准，取螺杆公称直径:D=72mm。 4.2.2 螺杆中心距公称尺寸 双螺杆中心距公称尺寸。 指平行布置两螺杆中心的距离，用a表示，单位 为mm。根据螺杆直径、螺杆计量段螺纹槽深度和计量段啮合程度确定。 4.2.3 螺杆长径比 螺杆长径比（L/D）来表示，即螺杆有效螺纹部分长度L与螺杆外径D之比， 它可以表征螺杆的塑化能力和塑化质量，用（L/D）来表示，如下图12所示： 图12 螺杆示意图 现代塑料挤出工业

52、螺杆长径比较早期螺杆大，国内应用较多的长径比一般范 围是20-25，多采用25，最长可达40乃至更高。螺杆长径比的增加有如下好处： （1）螺杆加压充分，能提高塑料制品的物理机械性能。 （2）提高塑化质量，制品外观质量好。 （3）有利于类似于PVC粉料挤管的成型。 （4）螺杆特性曲线斜率小，挤出量稳定，挤出量可以提高20%40%。 但螺杆长径比与很多因素有关，因此可以根据加工条件和实际需要再由试验确定，还可以由统计类比的方法来确定。国产同向旋转挤出机的主要技术参数表(JB/T 5420-91)显示生产能力为300kg/h的螺杆挤出机螺杆长径比 L/D=28-32，取 L/D=30。 4.2.4螺

53、杆转速要求及范围 螺杆转速范围：用nmax（最高转速）-nmin（最低转速）表示，其单位是r/min。 对挤出机速度要求有两方面，既能实现无级调速又要有一定的调速范围。要求实现无级调速的目的是容易控制挤出质量并与辅机的一致配合；要求有一定的调速范围的目的是为了适应多种加工物料及满足多种工艺要求。在实际生产中，因挤出机开始工作时，机头压力容易出现超常值，所以螺杆转速应缓慢增至工作要求速度；当螺杆运转平稳后，由于加工的原料、制品及生产能力不同要求，要保证质量提高产量，除控制温度、压力等条件外，主要是靠改变螺杆转速进行控制调节。因此，要求螺杆转速在一定范围内可调。多数挤出机的调速范围在1：6，对通用

54、性大的小规格挤出机调速范围可达到1：10，根据经验，确定螺杆转速范围为： n=50-260r/min。 4.2.5挤出机功率的确定 驱动电机功率用P表示，单位为千瓦（KW）。它表征挤出机的驱动能力。挤出机螺杆消耗的功率所涉及的因素是多方面的。双螺杆挤出机功率的确定通常是根据经验选取，根据我国同向双螺杆挤出机基本参数表(JB/T 5420-91)选取挤出机主电机功率:P=55KW. 4.2.6挤出机加热功率的确定 挤出机加热功率是指机筒加热功率：用H表示，单位为千瓦（KW）它表示了挤出机的加热能力。通常情况下按机筒的内表面积计算加热功率： H= =1(?D?2a)?D?(L/D)?A （4-1）

55、 10001?(?72?2?60)?72?30?5.5?10?2=41.1KW 1000 式中 H机筒加热功率，单位为KW； D0机筒内直径，单位为mm； A单位面积的加热功率，W/mm2。 A值根据各种塑料性能靠经验选定，取A=5.510?2 W/mm2。 4.2 主螺杆的设计 螺杆是挤出机的核心部分，是输送、塑化塑料的最重要部件。其结构性能将 直接影响挤出机的生产率、塑化混合质量和能量消耗。由于聚氯乙烯（PVC）为非结晶型高聚物，它从玻璃化温度到粘流温度的温度范围较大，其熔融过程是在一个比较长的距离后才能全部熔融，出于制造成本和胶料的均匀混炼和塑化考虑，采用渐变型普通螺杆，螺纹断面形状为矩

56、形。 4.2.1 螺杆的基本尺寸初步确定 螺杆的螺纹长度为：L=25D=2572=1800mm 根据实践经验，螺杆三段长度的分配如表3.1。 表4.1 长度分配比例表 所以：加料段L1=（10%-25%）L，取 L1=0.15L=0.121800=216mm 压缩段L2=（55%-65%）L，取 L2=0.6L=0.61800=1080mm 计量段L3=（22%-25%）L，取L3=0.25L=0.251800=450mm 螺杆压缩比：因压缩比的确定非常复杂，目前国内根据经验选取。对塑料而言，螺杆几何压缩比大多数为2-5,根据常用塑料螺杆的几何压缩比表，选取螺杆压缩比：=3 为了加工方便，等距

57、螺杆取S=D 螺距S： S=D=72mm 螺纹头数： i=1 72?10?3S螺纹升角?：?=arctan=arctan= 17?41' ?33.14?72?10?D 螺棱法向宽度e：根据对紧密共轭齿廓的要求和齿轮传动啮合基本原理，考虑到螺杆制造和安装方便，同时为了更好的对物料进行充分混合，把螺杆设计成接近共轭型，取螺棱法向宽度为： e=30mm 螺棱轴向宽b：b=e/Cos=30/Cos17?41'=12.6mm 螺槽法向宽E：E=SCos?30=72Cos17?41'30=38.7mm 螺槽轴向宽B：B=Db=7231.4=40.6mm 螺杆与机筒间隙=0.3mm

58、4.2.2 螺杆材料的选择 螺杆工作时不仅所受扭矩较大，而且是在高温、高压下工作。因螺杆要与机筒配合工作，所以还要受到机械摩擦磨损、刮磨及塑料摩擦的作用，某些塑料还会有较强的化学腐蚀作用。所以螺杆可能产生扭断、因磨损严重而与机筒间隙增大使产量降低等失效形式。 根据以上螺杆的实际工况，要保证螺杆能正常工作，必须选择合适的材料。其材料性能要求为：机械性能好，耐磨性能好，耐腐蚀性能好，加工性能好。由于38CrMoA1综合性能好且是挤出机螺杆应用最广泛的材料，因此选择38CrMoA1作为螺杆的材料。 4.2.3螺杆设计计算 经以上分析已知螺杆参数为： 最高转速：nmax?260r/min?4.3r/s

59、 最高产量：G=200Kg/h 螺杆直径：D=72mm 螺距S： S=72 mm 长径比： L/D=30 螺槽法向宽度：E=38.7mm 螺槽轴向宽度：B=40.6mm 螺棱法向宽度：e=30mm 螺棱轴向宽度：b=31.4mm 螺纹升角?：?=17?41' 3?500kg/m查表得:聚氯乙烯（PVC）的堆积密度为 固相密度 ?s?1400kg/m3 3?1200kg/mm液相密度 熔池温度 Tb?190C? 由于双螺杆挤出机的理论很不成熟，加之螺杆啮合部分容积相对于整个螺杆来说很小，故可以把双螺杆看成两根单螺杆进行计算，然后做一定的因双螺杆啮合带来数据校正。 （1）计算熔融速率 为了

60、保证稳定的挤出过程，熔体输出量、固体输送量和固体熔融量应该平衡。即： GS?A?mQ （4-2） 式中 GS固体输送量； ?单位面积熔融速率； A固体粒料与机筒的接触面积； ?m熔体密度； Q熔体输出量； 取螺杆转速4.3r/s下塑料的输出量为：G=200Kg/h Q?G/?m=4.63?10?5m3/s 估算面积A。由于螺杆啮合部分没有机筒对物料进行加热，但螺纹啮合处没有机筒部分占整个机筒的比例较小，因此机筒的总面积约为1.8?DL,其中螺槽占56.3%，假设其中固体与熔体塑料各占一半，则固体总面积A：A?0.5?DL 熔融速率：?G=0.228kg/s?m2 0.5?DL Qp（2）计算计量段螺槽深度 为了保证螺杆的硬特性，避免压力波动引起过大的输出量波动，i?d应 取较小的值，但为了达到较好的混合质量，又不能取得过小。综合上述原因，取： i?0.2 由Q?Qd?Qp得：Qd?1.25Q=5.79?10?5m3/s 由于是双螺杆，则有：Qd?DH3(D?b)ncos2? H3?Qd= 1.574mm 取 H3?1.8mm 2?D(D?b)ncos? （3）验算计量段长度 螺杆的剪切速率为：?Dn H3=540.1s?1 当温度为190C?时，由流变曲线得：?4100Pa?s 有上文可知：Qp?0.25Q=1.16?10?5m3/s 令?P=P，由式：Qp?13?P(D?b)H