间歇式冷拔套合装置设计开题报告

文 献 综 述

1 聚丙烯管材概述

1.1聚丙烯管材的简单介绍

聚丙烯是聚烯烃类塑料中的一个重要热塑性塑料品种之一。它是丙烯的高分子量聚合物，由C、H两元素构成。其缩写代号为PP。

聚丙烯树脂是当今五大塑料品种中发展最快的一种。由于其原料来源方便，价格比较便宜，性能优良，用途广泛，所以，对聚丙烯的应用，每年在以10%左右的速度增加发展。

聚丙烯(PP) 属于热塑性树脂，是通用大品种塑料，产量大，具有较好的使用和加工性能。用作复合材料基体的聚丙烯一般为有规立构半晶结构体，熔点176℃，具有抗拉强度较高，硬度大，耐磨性、电绝缘性、耐热性和耐化学腐蚀性好，相对密度低等优点。

其主要缺点是耐低温性差、易脆化、静电性高、染色性差。

根据共聚方式及乙烯单体的含量不同，PP-C可分为均聚聚丙烯PP-H(Ⅰ) 型，嵌段共聚聚丙烯PP-B(Ⅱ) 型和无规共聚聚丙烯PP(Ⅲ) 型三种。

PP -H管材是化工、石油等工业管道的首选，其抗冲击性能最好，在同等壁厚管材中抗压强度最高，加工成型容易，适合生产大口径管材，通过添加石墨可抵抗紫外线照射供室外使用，抗化学腐蚀性能最强。

PP-B管材的低温脆性最好，在 10℃及10℃以下使用时，综合性能优于PP，无低温脆化现象，抗化学腐蚀性仅次于 PP-H，可替代 PP-H 用于化工领域，目前被广泛用于自来水和低温热水领域或环境温度相对较低的给水管。

PP 管材的中温及高温性能最好，在中温及中温以上区域使用寿命较长，抗压强度较高，管材柔韧性最好，工程安装容易，联接处熔接性能好，检修方便，被广泛用于自来水、热水及暖通领域。55℃及55℃以上热水管道首选PP -R管。

1.2 PP- R（聚丙烯） 管材的性能特点与优势

PP- R管材是国际环保节能管材，与其它管材相比，具有如下特点:

( 1) 重量轻、比强度高。 PP- R 管材的密度为 0.89~ 0.96g/ cm ，仅为镀锌钢管的八分之一，耐压力试验强度达5Mpa以上。 由于重量轻，可大大降低运输费用和安装的施工强度。

( 2) 卫生、无毒。PP- R管不会出现象镀锌钢管内壁结垢、生锈的问题，因此不会对水质造成二次污染。 PP属聚烯烃材料，基本成份为碳和氢，无毒无害，符合食品卫生规定。

( 3) 保温性好、节能。PP 管的导热系数小，20℃时的导热系数为0.23~ 0.24W/m℃，仅为镀锌管的1/200，这样在输送热水时将大大减少热量损失，起到了保温和节能的作用。另外，PP- R管的生产能耗仅为钢管的20% 。

(4) 流体阻力小。PP管的磨擦系数仅为0.007，远远低于金属管道。另外，其化学稳定性好，可耐PH值范围在1~ 14 的高浓度酸和碱的腐蚀，其内壁光滑，永不生锈、不结垢，因此流体阻力不会因管道使用时间的延长而增大。

( 5) 防振、隔音。PP管具有优异的隔音性能，可大大减小由流体流动引起的振动和噪音。

(6) 耐热性好。PP管的长期使用温度可达100 ℃ ，短期使用温度可达120℃

1.3 PP（聚丙烯）管材的国内外应用

(1) PP国外情况

国外PP管道主要应用于建筑物冷热水系统和采暖系统。欧洲建筑冷热水系统中使用 PP管道较为普遍，已逐步上升为主导产品。例如:意大利在1996年在冷热水系统中各类塑料管道的应用量分别为PP:30Mm; PE-X:17m; PB：3Mm; PE-X-AL-PE-X:3Mm。国外PP管道在应用中较注重产品的配套及施工技，除了管材、管件品种规格较齐全外 ，还配套供应 PP 水嘴、阀门及安装施工用紧固件、割刀及熔接工具等，使客户能购到适用的产品及施工所需的零配件和工具。

(2)PP 国内情况

国内PP管材已有较长的生产历史，一般采用均聚PP或经共混改性的PP为原料，经单螺杆挤出机挤出成型。PP管用于建筑冷热水系统较少，没有相应的产品标准和产品应用技术规程。近几年，受塑料管材大力推广的热潮，国内PP管材的主要应用领域：出现了PP管材。自1997年上海从国外引进PP生产技术与设备投入生产以来，上海市已在 100万 建筑面积住宅冷热水系统、 纯净水、 饮用水系统上进行试点应用，取得了较好效果并且在应用的基础上编制了《 建筑给水聚丙烯(PP)管道工程技术规程》 作为上海市地方标准正式颁布实施。

PP管材的主要应用领域：

（1） 公共及民用建筑工业中，用于输送冷热水。

（2） 工业建筑和设施中的日常用水，油或腐蚀性液体的输送。

（3） 城乡人、蓄饮水工程及农业灌溉。

（4） 由于对盐水的耐腐蚀性，用于海边设施中的给养管道。

（5） 用于空调系统。

（6） 用于运输工具内部管道。

2聚丙烯管生产工艺流程

聚丙烯管材生产通常采用挤出成型，挤出成型是热塑性塑料重要的加工方法之一 。挤出成型又称挤出模塑，其成型原理一管材挤出为例。管材的挤出成型过程就是将颗粒料或粉料从料斗加入到挤出机机筒中，物料在机筒中被塑化后，熔融物料在旋转的螺杆的推动下通过机头与环形缝隙，沿螺旋槽向前方输送，通过具有一定形状的挤出模具即机头，形成管状物，经过冷却定型装置定型，再进入冷却水槽中近一步冷却，待充分冷却后的管子由可调节牵引速度的牵引装置均匀拉出，最后由切割装置按规定的长度切割，即可得到一定壁厚和长度的塑料管材。

无规共聚聚丙烯管材的挤出工艺路线与普通聚丙烯管材成型工艺路线相同，都采用单螺杆挤出机。

PP树脂的粘度低，流动性好，且为粒料形式，单螺杆挤出机较适合它的挤出成型。由于本次设计产量要求较小，且精度要求较高，因此本次设计生产方法采用单螺杆连续挤出成型技术。

根据PP管材的特性和生产要求，采用以下生产工艺流程：

（1）混料

混料装置主要有转鼓式混合机、螺带混合机、Z型捏合机、高速混合机。

转鼓式混合机的混合作用主要是靠承载物料的混合室的转动来完成混合。为了强化混合作用，内壁上加设曲线型挡板以便在混合室转动时引导物料由混合室的一端流向另一端，只能用于固体粉状或粒状物料的混合，混合效果与混合室的形状有关，还与安装形式、转速与填充率有关，一般转鼓式混合机的填充率较小。

螺带式混合机的混合作用是靠螺带的旋转带动物料翻转，适用于粒状或粉状塑料与添加剂的混合，此设备结构简单、操作维修方便、耗能较低，但混合强度小，混合时间也较长。

高速混合机主要由一个圆筒形的混合室和设在混合室内的搅拌装置组成，其中搅拌装置包括位于混合室地步的快速转动叶轮和可垂直调整高度的挡板，混合室可加热，能用于高分子材料的混色、配填料表面处理及共混材料的预混，混合效率高、混合时间较短、有效容积大。

（2）上料

上料方式有人工上料和机械上料。因为现今PP管材生产的自动化程度较高，需准确计量进料量，所以选择机械上料。机械上料主要有螺旋上料和真空上料两种方式，螺旋上料占地面积大，工作时噪音大，上料量主要靠人工控制，适用于粒料的上料；真空上料比较先进，靠真空将物料吸入料斗内，工作环境好，可以由电脑控制上料时间和进料量，适用于粒料、粉料的进料。大型、高速高效挤出机均配有自动上料装置。

（3）挤出

本次设计选用的挤出设备为单螺杆挤出机，挤出机理为螺杆旋转剪切，并在加热作用下使物料塑化，熔融的物料通过机头后成型。

单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的机型。它是一种应用最多的通用型挤出机，它的特点是：挤出系统由一根螺杆和机筒配合而成，这种挤出机只要更换不同结构形式的螺杆，就可以完成多种塑料的挤出成型工作。适合于制备管材。

（4）定径

管材的定型方法主要有内径定型法和外径定型法，内径定型法在芯模延长轴内通冷水，靠芯模延长轴的外径确定管材内径，要求机头阻力小，流道长，但定型结构装置复杂，塑料在机头内流动时间长，容易有死角，发生过热降解，不适用于热敏性塑料。由于内定径法生产挤出制品需要的牵引力比外定径大，所以通常采用外定径发生产。

外径定型法有充气定径和真空定径，充气定径是指在机头芯棒上打孔，往管内通入压缩空气，管外加冷却定型套这种定径套的机构简单，但是冷却不够均匀，广泛用于中小型管材生产中。

真空定径技术是一种应用非常广泛的管材定径技术，特别适用于薄壁管材。这是一种借助管外抽真空而将管外壁吸附在定径套内壁上进行冷却，一确定管材外径尺寸。真空定径套定径比较简单，不需要气柱塞，废料较少，定径效果也较内压定径法好，管材外表面光滑，壁厚均匀，不适用于大口径管材。

（5）冷却

管材通过冷却定型装置后，并没有使管材完全冷却到热变形温度以下，如果不继续冷却，在其管壁径向方向上存在的温度梯度会使原来冷却的表面温度上升，引起变形，因此需要继续冷却。

最长见的管材冷却方式有三种：浸浴式冷却水槽冷却、喷淋式冷却水箱、喷雾式水槽冷却。第一种是管材在通过水槽时完全浸在水中，当管材离开水槽中已经完全定型而成为管材，此方法适用于中小型塑料管材，而对于管径较大的管材由于受到水的浮力会是管材弯曲；第二种为全封闭式箱体，管材从中通过，四周均匀排布喷淋水管，上部开有视窗，可随时观察里面的情况，适用于管壁较厚或大口径的塑料管材；第三种是在喷淋式水槽基础上用喷雾代替喷水头，冷却效率大大提高。

（6）牵引

牵引装置能使挤出的塑料管材通过不同的牵引速度在小范围内调节它的薄厚，能提高材料的拉伸强度，并对挤出过程的连续进行其保证作用，从而大大提高了生产能力。

常用的牵引装置有滚轮式牵引机和履带式牵引机。滚轮式牵引装置结构简单，调节方便，但轮与管之间是点或线接触，接触面积小，摩擦力小，牵引力小，不适用于大型管材。

（7）切割

当牵引装置把冷却定型后的管材牵引到一定距离后，即可开动切割装置将管材切断。切割装置是根据需要的长度自动或半自动将连续挤出的管材切断的设备。

已知的切割装置分为两种：自动或手动圆盘锯切割机和自动行星切割机，前者适用于小型管材，后者适用于大口径管材。

(8)卷取

目前的卷取机主要有单盘卷取机和双盘卷取机，而双盘卷取机可以保证生产的连续性。

3 冷拔装置的设计内容

本文设计的冷拔装置主要包括：

1、生产工艺和设备功能关系设计计算说明（工艺流程图、功能关系图）。

生产工艺图如下图1所示：

图1 生产工艺图

PP专用料指的是生产PP管所用的原料，上料机构把原料输入粉碎桶进行粉碎，粉碎完成后由螺杆挤出机挤出，由定型模具达到要求的尺寸，由真空定径系统完成外径的修正，然后由履带牵引机牵引到后续切割工序。

2、拉拔部分设计计算（动力系统、传动系统）。

拉拔部分指的就是挤出机部分，是本设计的关键所在，动力系统由电机驱动，传动系统由皮带传动。

3、牵引系统设计计算。

牵引部分指履带牵引机的牵引力的设计计算。

4、旋转缩径系统设计计算。

指定型模具的设计计算

5、受载支座结构设计计算。

指整个支座结构的设计校核。

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1 课题研究内容与方法

根据课题和任务，拟定完成以下几点内容：

1、了解聚丙烯管的生产工艺、及所需的设备，确认本装置的用途。

2、完成装置主要零部件的设计计算。

3、完成主要零部件的图纸的绘制。

4、整合设计资料，完成设计说明书的编写。

拟定解决问题的方法如下：

1、如何明确设计对象？

在开始整个设计任务之前，首先需要了解整个聚丙烯管的生产工艺，需要哪些主要设备，每个设备对应的作用，然后要搞懂本研究对象相对于整个生产线的运用范围与作用，需要实现那些功能，达到哪些要求等。本次设计的内容的整体结构图如下图1所示：

图1 结构简图

图中包括：原料上料机，粉碎机，挤出机，成型模具、定径系统和履带式牵引系统，由于本文的课题为冷拔装置的设计计算，所以本设计的重点在前面挤出部分，需要重点进行计算出图。后续部分只需选型计算，无需出工程图。

2、明确好对象后该完成那些工作？

明确好设计对象后，根据任务书要求的设计参数，完成主要零部件的选型与计算。

3、计算完成后该完成哪些工作？

完成装配草图的绘制，然后对零部件进行绘制。最后完成装配图的绘制。

4、图纸完成后该完成哪些工作？

上诉全部完成后，整理资料，完成整个毕业设计说明书。

三、课题研究进度安排

1、（2014.2.24~3.11）查阅国内外相关资料文献，了解聚丙烯管生产工艺的基本知识、目前市场上常用的生产线设备进行了解，和本选题需要解决问题的重点、难点、创新点；撰写开题报告。

2、（3.12~3.20）确认研究对象相对于整个生产线起到的作用，然后根据参数进行相应的设计计算。

3、（3.21~4.20）完成装配草图的绘制、零件图的绘制。

4、（4.21~5.10）完善整个设计图纸，整理资料撰写毕业论文。

5、（5.11~5.20）设计资料整理完善，毕业设计答辩。