新型单螺杆挤出机齿轮箱研究

摘要：新型单螺杆挤出机齿轮箱，通过把原来悬臂安装的齿轮套和速比齿轮集成到对辊座内两端支承的创新设计，并采用先进的加工工艺方法，提高了齿轮套和速比齿轮传动精度和承载能力，提升了产品的可靠性和质量，提高了齿轮箱的整体性能，降低了单螺杆挤出机维修成本和频次。文章对新型单螺杆挤出机齿轮箱的设计思路、齿轮箱结构、工作原理等进行研究。

关键词：单螺杆挤出机；齿轮箱；对辊座；推力座

文章编号：2096-4137（2018）07-080-02 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2018.07.12

单螺杆挤出机作为一种特殊的混炼装备，在橡胶轮胎行业中日益受到重视。尤其是随着冷喂料工艺和复合机设备的出现，单螺杆挤出机设备更是成为很多橡胶轮胎生产厂商的选择。齿轮箱作为单螺杆挤出机设备的核心部件，起着传递动力的重要作用。电机与齿轮箱通过联轴器相连，并通过联轴器把动力传递给齿轮箱，齿轮箱减速增扭后，一部分通过输出轴上的内花键传递给螺杆对胶料进行混炼挤出，另一部分通过齿轮套和速比齿轮啮合传递给旁轧辊，带动旁轧辊进行喂料。在大多数单螺杆挤出机设备中，齿轮套通过螺栓悬臂安装在齿轮箱空心输出轴上，螺杆上的定位轴径和外花键穿过齿轮套内孔分别与齿轮箱空心输出轴的内孔和内花键配合。速比齿轮悬臂套装在喂料座的旁轧辊轴径上，与齿轮套啮合。由于齿轮套安装结构的原因，齿轮套和速比齿轮表面硬化后不再进行精加工，齿轮套和速比齿轮安装后齿面接触和齿轮强度很差，维修频繁。

1 设计思路

单螺杆挤出机的安装空间十分紧凑，而且工作效率又非常高，这就需要结构紧凑、承载能力强、可靠性高而不易损坏的齿轮箱，在使用过程中要尽量减少维修频次。新型单螺杆挤出机齿轮箱就是通过对齿轮套和速比齿轮的重新设计，把原来无法进行精加工的零件改为可以进行热处理和精加工的零件，改变齿轮套和速比齿轮悬臂安装的结构，把齿轮套和速比齿轮集成到对辊座模块中，与齿轮箱融为一体。集成到对辊座内的齿轮套和速比齿轮采用两端支承和强制润滑的结构设计，提高了刚性，齿轮的强度和寿命也得到了极大地提升，减少了损坏和维修的频次。承受螺杆轴向力的球面滚子推力轴承安装在齿轮箱空心输出轴的另一侧，节省了单螺杆挤出机整体设备的轴向空间。

新型单螺杆挤出机齿轮箱的整体设计方案如图1、图2所示。

2 齿轮箱结构

新型单螺杆挤出机齿轮箱由箱体、内部传动件、推力座模块、对辊座模块和润滑模块组成。箱体由上、下箱体组合而成；内部传动件由齿轮、齿轮轴、空心输出轴等组成；推力座模块由球面滚子推力轴承和推力座组成；对辊座模块由齿轮套和速比齿轮组成。齿轮副、齿轮套和速比齿轮均为渐开线圆柱斜齿轮，所有的传动轴系均由滚动轴承支撑于下箱体中分面上，上箱体和下箱体用螺栓联接在一起。输出部分结构主要由推力座模块、空心输出轴和对辊座模块组成，具体如图3所示。

推力座模块中的球面滚子推力轴承外圈安装在推力座上，内圈通过轴承衬套安装在空心输出轴上，推力座与空心输出轴之间装有密封圈，推力座通过螺栓固定在齿轮箱箱体上。

空心输出轴通过调心滚子轴承支撑在下箱体上，外部装有齿轮，内部为空心。空心输出轴的推力座一端内部有螺纹，用于安装进出水管的旋转接头；另一端内部有内花键和内齿圈，内齿圈的退刀槽内加工有6个通孔。

对辊座模块中对辊座由上下两个壳体组成，上下壳体通过止口定位于箱体，用螺栓固定在齿轮箱箱体上。齿轮套一端通过无内圈圆柱滚子轴承支撑在壳体上，齿轮套的外径作为轴承的内圈，另一端通过配合支撑在空心输出轴内孔上，二者之间有O型圈密封；齿轮套的外齿圈与齿轮套的齿轮参数相同，二者之间加工有一用于拆卸的工艺槽；齿轮套的内孔为挤出机螺杆安装时的定位孔。速比齿轮与齿轮套啮合，两端通过调心滚子轴承支撑在对辊座壳体上，内孔为花键内孔，用于与旁轧辊联接传递扭矩。详见图4。

齿轮箱外部联接部分有电机、挤出螺杆和机筒，电机通过联轴器与齿轮箱的输入轴联接。挤出螺杆的花键一端从齿轮箱输出端穿入，通过齿轮套内孔，挤出螺杆花键与空心输出轴内花键联接，挤出螺杆外径与齿轮套内孔定位配合，挤出螺杆轴肩顶在齿轮套外端面上；另一端安装在机筒内。机筒法兰与对辊座法兰用螺杆联接在一起，机筒内用于喂料的旁轧辊轴径为外花键，穿入速比齿轮内花键内。

3 工作原理

齿轮箱是单螺杆挤出机动力传递的重要设备，把电动机的动力经过降速增扭后传递给工作螺杆和旁轧辊，旁轧辊带动喂料机构进行喂料，工作螺杆对胶料进行搅拌混炼，达到工艺要求后从机筒机头挤出。齿轮箱输入轴接收到电动机通过联轴器传递过来的动力后，经过齿轮箱的三级齿轮副减速后，传递给齿轮箱的空心输出轴。

空心输出轴进行功率分流，一路经过空心输出轴的内齿带动齿轮套上的外齿一起转动，齿轮套上的齿轮与速比齿轮啮合传动，速比齿轮的内花键带动穿入速比齿轮花键内的旁轧辊转动，进行喂料；另一路经过空心输出轴的内花键带动螺杆转动，在机筒内对胶料进行搅拌混炼，并通过机筒机头挤出。

螺杆挤出胶料产生的轴向力作用在齿轮套端面上，通过空心输出轴和轴承衬套传递到球面滚子推力轴承，再通过推力座和螺栓作用在箱体上。

4 主要技术参数及受力分析

原动机：直流调速电动机，功率P1=500kW，转速n1=1000转/分钟。

工作机：销钉机筒冷喂料橡胶挤出机，挤出功率P2=450kW，转速n2=26转/分钟，喂料功率P3=50kW，转速n3=23.56转/分钟，螺杆直径为φ250mm，挤出压强p=35MPa。

齿轮箱：速比38.46，输出轴轴线倾斜±30°使用。

齿轮箱的受力分析：

输入轴T1=9550×P1÷n1=9550×500÷1000=4775N·m，面对输入轴顺时针。

输出轴T2=9550×P2÷n2=9550×450÷26=165288N·m，面对输出轴逆时针。

喂料T3=9550×P3÷n3=9550×50÷23.56=20267N·m，面对输出轴顺时针。

空心输出轴承受的轴向力F=p×π×D2/4= 35×π×2502/4= 1718kN。

齿轮箱承受的扭矩：T=T1+ T2-T3=149796N·m，方向为面对输出轴逆时针；承受的轴向力F=1718kN，方向沿输出轴轴线指向齿轮箱。

根据以上受力分析，选取合适的地脚螺栓和球面滚子推力轴承，再通过程序计算齿轮强度和轴承寿命，满足使用要求。

5 润滑与冷却

为了满足齿轮箱倾斜±30°使用要求，齿轮箱的轴承和齿轮必须采用强制润滑和冷却。通過对齿轮箱的热平衡计算，在齿轮箱的设计中采用了独立润滑和冷却的润滑模块，其中包含电机泵、板式冷却器和过滤器，同时配置了温度、压力和流量的监控仪表，确保齿轮箱的正常运行。

6 结论

实践证明，新型单螺杆挤出机齿轮箱采用了创新性的设计和先进的工艺方法，不仅结构紧凑，安装方便，而且大大降低了齿轮箱的维护成本和强度。由于加工精度提高和结构更合理，因此齿轮箱的传动效率增加、运转平稳、噪声大幅下降，齿轮箱的综合性能得到了很大的提升。由于我们在该齿轮箱中的创新性设计和拥有的自主知识产权，已经为该单螺杆挤出机齿轮箱申请了国家发明专利。

[1]成大先.机械设计手册：第2卷[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]夏志民，赵文瑜.一种法兰型单螺杆挤出机齿轮箱[J].机械传动，2012，36（6）.

（作者系南京宁嘉机电有限

公司高级工程师）

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