橡塑用单螺杆挤出机齿轮箱输出轴系结构分析与改造

单螺杆挤出机齿轮箱是橡塑行业的一种生产设备，由于单螺杆挤出机设备结构的特殊性，且其在工作过程中所受的外部组合载荷作用下，经常出现螺杆与机筒刮擦的现象，致使设备出现故障，且严重影响胶料的质量。文章着重对齿轮箱内部的输出轴系结构进行分析改造，以提高齿轮箱输出轴的运转精度与稳定性，同时与螺杆相连，从而保证螺杆运转的稳定性，避免螺杆与机筒发生刮擦。

关键词：橡塑；单螺杆挤出机齿轮箱；输出轴系；单螺杆挤出机；结构改造

中图分类号：TH132文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑产品制造行业，单螺杆挤出机设备使用较为普遍，其主要用途是对胶料进行反复的挤压与混合，使得胶料具有一定的物理与化学性能，故该过程对最终产品的质量起着关键性的作用。目前，在橡塑产品制造企业中，单螺杆挤出机设备经常出现故障，主要问题就是其中的螺杆与机筒易于发生刮擦现象，导致设备出现异常的噪音，此外螺杆与机筒刮擦产生的铁销直接进入胶料中，严重影响产品的质量。由于该类型设备安装紧凑，结构复杂，且在操作空间极受限制的条件下，其维修过程中作业极其困难，给生产企业也带来了直接的经济损失。经分析研究，造成该类故障的主要原因有三个方面：螺杆变形、机筒制造精度不达标、齿轮箱输出轴运转精度达不到要求或稳定性低。其中螺杆与机筒所造成的故障可以通过改进材料与提高加工精度的方法进行控制，相对来说易于避免问题的产生。而目前单螺杆挤出机设备所出现的故障大多来自与其配套的齿轮箱，原因是齿轮箱中的输出轴作为螺杆定位装置的同时又受到来自螺杆的轴向与径向组合载荷，在实际工作的过程中，难以达到较高的运转精度，而造成螺杆的摆动旋转。如何设计齿轮箱输出轴上的轴承布置型式及选取合适的轴承类型，以保证螺杆的运转精度，一直是业内关心的难题。

针对目前国内外单螺杆齿轮箱的设计与制造技术，改造新型的输出轴系定位结构，提供运转精度更高、工作更稳定的单螺杆挤出机设备已迫在眉睫。文章着重对单螺杆挤出机齿轮箱的输出轴系轴承的选取及布置型式进行分析与改造。

2单螺杆挤出机设备的整体结构及齿轮箱输出轴受力分析

单螺杆挤出机设备通常分为两种布置形式，即单机与复合机，单机主要由电机、联轴器、齿轮箱、螺杆、机筒等组成，复合机是由数套单机在竖直平面内呈一定的角度组合而成，安装极为紧凑。其中，单机的整体装置如图1所示：

图1单螺杆挤出机单机整体图

其中，齿轮箱固定在设备的底座上，电机通过联轴器与齿轮箱连接，机筒安装在齿轮箱的箱体定位孔之中，螺杆位于机筒内，以悬臂梁型式安装在齿轮箱输出轴的内孔中，但要求不能与机筒内孔接触，之间的间隙一般为1mm左右。机筒正上方设有进料口，内部的喂料齿轮副与进胶螺纹通过与齿轮箱输出轴的连接进行动力的传递，完成胶料的吸入。其内部连接结构如图2所示：

从图2可以看出，胶料在螺杆与喂料齿轮副的旋转运动下被吸入机筒，随着螺杆的不断旋转，胶料将沿着机筒被螺杆一直往前挤压，直到离开机筒。同时，胶料在挤压过程中反复被机筒上所设置的销钉切断，与所添加的化学原料进行充分的混合。故不难分析，当螺杆在工作过程中，齿轮箱输出轴所承受的载荷主要有：扭矩、轴向推力、径向力及径向力所产生的弯矩。其中扭矩主要由销钉切割胶料所产生，轴向推力由螺杆挤压胶料所产生，径向力为胶料进入螺杆螺旋槽受挤压时所产生。

图2单螺杆挤出机内部结构示意图

3齿轮箱输出轴系结构分析与改造

3.1轴承定位型式及其受力简析

由于单螺杆齿轮箱输出轴所承受的载荷为扭矩、轴向推力、径向力及径向力所产生的弯矩，当前，国内外设计的单螺杆挤出机齿轮箱输出轴轴承主要采用以下布置型式，如图3、表1所示：

图3单螺杆齿轮箱输出轴轴承布置简图

表1单螺杆齿轮箱输出轴轴承几种类型选取典例

型式 轴承一 轴承二 轴承三

1 调心轴承 调心轴承 推力轴承

2 圆锥轴承 圆锥轴承 推力轴承

3 推力轴承 调心轴承 调心轴承

说明：Fr与Fa分别表示输出轴所受的径向载荷与轴向载荷；以上轴承均为滚子轴承。从表中可以看出，齿轮箱输出轴当前的几种轴承布置型式均选取了推力滚子轴承，由于推力滚子轴承内外圈为分体结构，无法起定位作用，故其仅能承受螺杆所受的轴向力，不参与轴系的定位。结合图2可以看出，除推力滚子轴承之外的两个轴承起到定位整个齿轮箱输出轴系的作用，同时承受径向力与弯矩。

3.2几种轴承定位型式的优缺点分析

根据图3与表1中所列的目前几种常用的轴承定位型式，结合实际情况，对其进行逐一分析：

型式1采用调心滚子轴承对齿轮箱输出轴系进行定位，推力滚子轴承置于外侧，靠近输出轴所受载荷的位置。优点：调心滚子轴承当外圈固定时，其内圈具有轴线自动调整的功能，对齿轮箱箱体轴承孔的同轴度误差敏感度较低，有利于输出轴系中齿轮副的啮合。缺点：从图3可看出，参与轴系定位的两个调心滚子轴承跨距较小，故对于整个输出轴系定位的稳定性不佳；调心滚子轴承当外圈固定在轴承孔中时，由于其内圈具有自调心功能，故在齿轮箱输出轴承受径向力时，其轴系中心线会有一定程度的偏离，从而导致螺杆轴线的偏离；由于推力滚子轴承在装配中需要预紧，若图3中的轴承二为调心滚子轴承，对推力滚子轴承的预紧操作较为困难，且实际预紧效果并不理想；此外，在对推力滚子轴承的预紧操作过程中，其实是通过对调整调心滚子轴承的轴向游隙的调整迫使推力滚子轴承内外圈进行一定程度的预紧，与此同时，调心滚子轴承内部处于一个单列滚子受力的状态，另一列滚子则处于放松状态，故不利于其承受径向力，长此以往，该调心滚子轴承容易损毁。

型式2相比型式1将调心滚子轴承换成了圆锥滚子轴承。目前，国内有较多单螺杆挤出机齿轮箱制造企业采用这种输出轴轴承定位型式，其优点是采用圆锥滚子轴承对推力滚子轴承预紧的操作较为简单，因为只需要将位于轴承一位置处的圆锥滚子轴承进行轴向间隙的调整即可实现。但其缺点也存在于在预紧操作过程中的量化问题，若圆锥滚子轴承预紧不够，便会出现轴系径向游隙超差，从而导致螺杆轴线偏离；若圆锥滚子轴承预紧过度，在齿轮箱实际工作时该圆锥滚子轴承极有可能率先承受轴向推力，由于该轴向推力远超出了该圆锥滚子轴承轴向力的承受范围，故其将会在很短的时间内

损毁。

型式3目前主要被国外齿轮箱制造企业所采用，由于采购非标设计的国外齿轮箱价格昂贵，故齿轮箱制造企业往往在通用标准齿轮箱的基础上进行改造，如型式3，即在齿轮箱外侧增加一处推力轴承装置，便可承受螺杆工作时产生的轴向推力。仅针对齿轮箱的使用性能而言，该结构没有任何优点，原因是在受力方面存在诸多弊端：首先，轴向推力经过齿轮箱后作用在推力轴承上，推力轴承再将轴向推力传递在齿轮箱外侧，该力可能会导致箱体产生变形；其次，由于推力轴承距载荷位置较远，容易导致输出轴产生弯曲变形；最后，该定位型式同样具有型式1中所存在的缺点。

3.3轴承定位型式的改造设计

综合以上几种定位型式所存在的不足，现针对单螺杆挤出机齿轮箱输出轴系进行全面改造，提供一种新的轴承定位型式，结合图3，参见表2：

表2单螺杆齿轮箱输出轴轴承类型选取

轴承一 轴承二 轴承三

圆柱轴承 推力轴承 圆柱轴承

该新轴承定位型式选用了圆柱滚子轴承，并将两个圆柱滚子轴承置于输出轴两侧，推力滚子轴承置于之间。该定位型式具有以下优点：选用的圆柱滚子轴承具有径向承载能力强，径向定位精度高且稳定可靠；圆柱滚子轴承位于输出轴的两侧加大了定位跨距，提升了整个轴系定位的稳定性；由于选定的圆柱滚子轴承不承受轴向力，故对推力滚子轴承进行预紧后，在螺杆工作的过程中不会存在圆柱滚子轴承承受轴向推力的情况，故保证了定位轴承的正常受力与运行；此外，相对而言，该类型齿轮箱中输出轴圆柱滚子轴承的寿命比推力滚子轴承的寿命要短，将圆柱滚子轴承置于齿轮箱输出轴的两侧，便于其安装与更换，可节省维修的时间，缩小设备故障造成的损失。但另一方面，由于圆柱滚子轴承对安装其箱体的轴承孔同轴度偏差十分敏感，若同轴系的定位轴承孔出现超差，该类型轴承容易出现应力集中及边界磨损，致使其滚子与滚道损坏。但随着当前齿轮箱加工设备的不断革新换代，其相关零部件的制造精度也会不断提高，产品的精细化也必定是机械产品制造业发展的趋势。

4结语

目前，我公司单螺杆齿轮箱部分产品已实施输出轴系定位结构的改造，经初步统计对比其输出轴的运转精度大有提高，相信在实际使用的过程中螺杆运行的精度与稳定性会有良好的表现。

参考文献

[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]潘龙，张玉霞，金志明，薛平．单螺杆挤出机挤出理论研究进展[J]．中国塑料，2009，（5）．

作者简介：赵文瑜（1984-），男，江苏南京人，南京宁嘉机电有限公司工程师，研究方向：齿轮箱的研发设计。

摘要：单螺杆挤出机齿轮箱是橡塑行业的一种生产设备，由于单螺杆挤出机设备结构的特殊性，且其在工作过程中所受的外部组合载荷作用下，经常出现螺杆与机筒刮擦的现象，致使设备出现故障，且严重影响胶料的质量。文章着重对齿轮箱内部的输出轴系结构进行分析改造，以提高齿轮箱输出轴的运转精度与稳定性，同时与螺杆相连，从而保证螺杆运转的稳定性，避免螺杆与机筒发生刮擦。

关键词：橡塑；单螺杆挤出机齿轮箱；输出轴系；单螺杆挤出机；结构改造

中图分类号：TH132文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑产品制造行业，单螺杆挤出机设备使用较为普遍，其主要用途是对胶料进行反复的挤压与混合，使得胶料具有一定的物理与化学性能，故该过程对最终产品的质量起着关键性的作用。目前，在橡塑产品制造企业中，单螺杆挤出机设备经常出现故障，主要问题就是其中的螺杆与机筒易于发生刮擦现象，导致设备出现异常的噪音，此外螺杆与机筒刮擦产生的铁销直接进入胶料中，严重影响产品的质量。由于该类型设备安装紧凑，结构复杂，且在操作空间极受限制的条件下，其维修过程中作业极其困难，给生产企业也带来了直接的经济损失。经分析研究，造成该类故障的主要原因有三个方面：螺杆变形、机筒制造精度不达标、齿轮箱输出轴运转精度达不到要求或稳定性低。其中螺杆与机筒所造成的故障可以通过改进材料与提高加工精度的方法进行控制，相对来说易于避免问题的产生。而目前单螺杆挤出机设备所出现的故障大多来自与其配套的齿轮箱，原因是齿轮箱中的输出轴作为螺杆定位装置的同时又受到来自螺杆的轴向与径向组合载荷，在实际工作的过程中，难以达到较高的运转精度，而造成螺杆的摆动旋转。如何设计齿轮箱输出轴上的轴承布置型式及选取合适的轴承类型，以保证螺杆的运转精度，一直是业内关心的难题。

针对目前国内外单螺杆齿轮箱的设计与制造技术，改造新型的输出轴系定位结构，提供运转精度更高、工作更稳定的单螺杆挤出机设备已迫在眉睫。文章着重对单螺杆挤出机齿轮箱的输出轴系轴承的选取及布置型式进行分析与改造。

2单螺杆挤出机设备的整体结构及齿轮箱输出轴受力分析

单螺杆挤出机设备通常分为两种布置形式，即单机与复合机，单机主要由电机、联轴器、齿轮箱、螺杆、机筒等组成，复合机是由数套单机在竖直平面内呈一定的角度组合而成，安装极为紧凑。其中，单机的整体装置如图1所示：

图1单螺杆挤出机单机整体图

其中，齿轮箱固定在设备的底座上，电机通过联轴器与齿轮箱连接，机筒安装在齿轮箱的箱体定位孔之中，螺杆位于机筒内，以悬臂梁型式安装在齿轮箱输出轴的内孔中，但要求不能与机筒内孔接触，之间的间隙一般为1mm左右。机筒正上方设有进料口，内部的喂料齿轮副与进胶螺纹通过与齿轮箱输出轴的连接进行动力的传递，完成胶料的吸入。其内部连接结构如图2所示：

从图2可以看出，胶料在螺杆与喂料齿轮副的旋转运动下被吸入机筒，随着螺杆的不断旋转，胶料将沿着机筒被螺杆一直往前挤压，直到离开机筒。同时，胶料在挤压过程中反复被机筒上所设置的销钉切断，与所添加的化学原料进行充分的混合。故不难分析，当螺杆在工作过程中，齿轮箱输出轴所承受的载荷主要有：扭矩、轴向推力、径向力及径向力所产生的弯矩。其中扭矩主要由销钉切割胶料所产生，轴向推力由螺杆挤压胶料所产生，径向力为胶料进入螺杆螺旋槽受挤压时所产生。

图2单螺杆挤出机内部结构示意图

3齿轮箱输出轴系结构分析与改造

3.1轴承定位型式及其受力简析

由于单螺杆齿轮箱输出轴所承受的载荷为扭矩、轴向推力、径向力及径向力所产生的弯矩，当前，国内外设计的单螺杆挤出机齿轮箱输出轴轴承主要采用以下布置型式，如图3、表1所示：

图3单螺杆齿轮箱输出轴轴承布置简图

表1单螺杆齿轮箱输出轴轴承几种类型选取典例

型式 轴承一 轴承二 轴承三

1 调心轴承 调心轴承 推力轴承

2 圆锥轴承 圆锥轴承 推力轴承

3 推力轴承 调心轴承 调心轴承

说明：Fr与Fa分别表示输出轴所受的径向载荷与轴向载荷；以上轴承均为滚子轴承。从表中可以看出，齿轮箱输出轴当前的几种轴承布置型式均选取了推力滚子轴承，由于推力滚子轴承内外圈为分体结构，无法起定位作用，故其仅能承受螺杆所受的轴向力，不参与轴系的定位。结合图2可以看出，除推力滚子轴承之外的两个轴承起到定位整个齿轮箱输出轴系的作用，同时承受径向力与弯矩。

3.2几种轴承定位型式的优缺点分析

根据图3与表1中所列的目前几种常用的轴承定位型式，结合实际情况，对其进行逐一分析：

型式1采用调心滚子轴承对齿轮箱输出轴系进行定位，推力滚子轴承置于外侧，靠近输出轴所受载荷的位置。优点：调心滚子轴承当外圈固定时，其内圈具有轴线自动调整的功能，对齿轮箱箱体轴承孔的同轴度误差敏感度较低，有利于输出轴系中齿轮副的啮合。缺点：从图3可看出，参与轴系定位的两个调心滚子轴承跨距较小，故对于整个输出轴系定位的稳定性不佳；调心滚子轴承当外圈固定在轴承孔中时，由于其内圈具有自调心功能，故在齿轮箱输出轴承受径向力时，其轴系中心线会有一定程度的偏离，从而导致螺杆轴线的偏离；由于推力滚子轴承在装配中需要预紧，若图3中的轴承二为调心滚子轴承，对推力滚子轴承的预紧操作较为困难，且实际预紧效果并不理想；此外，在对推力滚子轴承的预紧操作过程中，其实是通过对调整调心滚子轴承的轴向游隙的调整迫使推力滚子轴承内外圈进行一定程度的预紧，与此同时，调心滚子轴承内部处于一个单列滚子受力的状态，另一列滚子则处于放松状态，故不利于其承受径向力，长此以往，该调心滚子轴承容易损毁。

型式2相比型式1将调心滚子轴承换成了圆锥滚子轴承。目前，国内有较多单螺杆挤出机齿轮箱制造企业采用这种输出轴轴承定位型式，其优点是采用圆锥滚子轴承对推力滚子轴承预紧的操作较为简单，因为只需要将位于轴承一位置处的圆锥滚子轴承进行轴向间隙的调整即可实现。但其缺点也存在于在预紧操作过程中的量化问题，若圆锥滚子轴承预紧不够，便会出现轴系径向游隙超差，从而导致螺杆轴线偏离；若圆锥滚子轴承预紧过度，在齿轮箱实际工作时该圆锥滚子轴承极有可能率先承受轴向推力，由于该轴向推力远超出了该圆锥滚子轴承轴向力的承受范围，故其将会在很短的时间内

损毁。

型式3目前主要被国外齿轮箱制造企业所采用，由于采购非标设计的国外齿轮箱价格昂贵，故齿轮箱制造企业往往在通用标准齿轮箱的基础上进行改造，如型式3，即在齿轮箱外侧增加一处推力轴承装置，便可承受螺杆工作时产生的轴向推力。仅针对齿轮箱的使用性能而言，该结构没有任何优点，原因是在受力方面存在诸多弊端：首先，轴向推力经过齿轮箱后作用在推力轴承上，推力轴承再将轴向推力传递在齿轮箱外侧，该力可能会导致箱体产生变形；其次，由于推力轴承距载荷位置较远，容易导致输出轴产生弯曲变形；最后，该定位型式同样具有型式1中所存在的缺点。

3.3轴承定位型式的改造设计

综合以上几种定位型式所存在的不足，现针对单螺杆挤出机齿轮箱输出轴系进行全面改造，提供一种新的轴承定位型式，结合图3，参见表2：

表2单螺杆齿轮箱输出轴轴承类型选取

轴承一 轴承二 轴承三

圆柱轴承 推力轴承 圆柱轴承

该新轴承定位型式选用了圆柱滚子轴承，并将两个圆柱滚子轴承置于输出轴两侧，推力滚子轴承置于之间。该定位型式具有以下优点：选用的圆柱滚子轴承具有径向承载能力强，径向定位精度高且稳定可靠；圆柱滚子轴承位于输出轴的两侧加大了定位跨距，提升了整个轴系定位的稳定性；由于选定的圆柱滚子轴承不承受轴向力，故对推力滚子轴承进行预紧后，在螺杆工作的过程中不会存在圆柱滚子轴承承受轴向推力的情况，故保证了定位轴承的正常受力与运行；此外，相对而言，该类型齿轮箱中输出轴圆柱滚子轴承的寿命比推力滚子轴承的寿命要短，将圆柱滚子轴承置于齿轮箱输出轴的两侧，便于其安装与更换，可节省维修的时间，缩小设备故障造成的损失。但另一方面，由于圆柱滚子轴承对安装其箱体的轴承孔同轴度偏差十分敏感，若同轴系的定位轴承孔出现超差，该类型轴承容易出现应力集中及边界磨损，致使其滚子与滚道损坏。但随着当前齿轮箱加工设备的不断革新换代，其相关零部件的制造精度也会不断提高，产品的精细化也必定是机械产品制造业发展的趋势。

4结语

目前，我公司单螺杆齿轮箱部分产品已实施输出轴系定位结构的改造，经初步统计对比其输出轴的运转精度大有提高，相信在实际使用的过程中螺杆运行的精度与稳定性会有良好的表现。

参考文献

[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]潘龙，张玉霞，金志明，薛平．单螺杆挤出机挤出理论研究进展[J]．中国塑料，2009，（5）．

作者简介：赵文瑜（1984-），男，江苏南京人，南京宁嘉机电有限公司工程师，研究方向：齿轮箱的研发设计。

摘要：单螺杆挤出机齿轮箱是橡塑行业的一种生产设备，由于单螺杆挤出机设备结构的特殊性，且其在工作过程中所受的外部组合载荷作用下，经常出现螺杆与机筒刮擦的现象，致使设备出现故障，且严重影响胶料的质量。文章着重对齿轮箱内部的输出轴系结构进行分析改造，以提高齿轮箱输出轴的运转精度与稳定性，同时与螺杆相连，从而保证螺杆运转的稳定性，避免螺杆与机筒发生刮擦。

关键词：橡塑；单螺杆挤出机齿轮箱；输出轴系；单螺杆挤出机；结构改造

中图分类号：TH132文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑产品制造行业，单螺杆挤出机设备使用较为普遍，其主要用途是对胶料进行反复的挤压与混合，使得胶料具有一定的物理与化学性能，故该过程对最终产品的质量起着关键性的作用。目前，在橡塑产品制造企业中，单螺杆挤出机设备经常出现故障，主要问题就是其中的螺杆与机筒易于发生刮擦现象，导致设备出现异常的噪音，此外螺杆与机筒刮擦产生的铁销直接进入胶料中，严重影响产品的质量。由于该类型设备安装紧凑，结构复杂，且在操作空间极受限制的条件下，其维修过程中作业极其困难，给生产企业也带来了直接的经济损失。经分析研究，造成该类故障的主要原因有三个方面：螺杆变形、机筒制造精度不达标、齿轮箱输出轴运转精度达不到要求或稳定性低。其中螺杆与机筒所造成的故障可以通过改进材料与提高加工精度的方法进行控制，相对来说易于避免问题的产生。而目前单螺杆挤出机设备所出现的故障大多来自与其配套的齿轮箱，原因是齿轮箱中的输出轴作为螺杆定位装置的同时又受到来自螺杆的轴向与径向组合载荷，在实际工作的过程中，难以达到较高的运转精度，而造成螺杆的摆动旋转。如何设计齿轮箱输出轴上的轴承布置型式及选取合适的轴承类型，以保证螺杆的运转精度，一直是业内关心的难题。

针对目前国内外单螺杆齿轮箱的设计与制造技术，改造新型的输出轴系定位结构，提供运转精度更高、工作更稳定的单螺杆挤出机设备已迫在眉睫。文章着重对单螺杆挤出机齿轮箱的输出轴系轴承的选取及布置型式进行分析与改造。

2单螺杆挤出机设备的整体结构及齿轮箱输出轴受力分析

单螺杆挤出机设备通常分为两种布置形式，即单机与复合机，单机主要由电机、联轴器、齿轮箱、螺杆、机筒等组成，复合机是由数套单机在竖直平面内呈一定的角度组合而成，安装极为紧凑。其中，单机的整体装置如图1所示：

图1单螺杆挤出机单机整体图

其中，齿轮箱固定在设备的底座上，电机通过联轴器与齿轮箱连接，机筒安装在齿轮箱的箱体定位孔之中，螺杆位于机筒内，以悬臂梁型式安装在齿轮箱输出轴的内孔中，但要求不能与机筒内孔接触，之间的间隙一般为1mm左右。机筒正上方设有进料口，内部的喂料齿轮副与进胶螺纹通过与齿轮箱输出轴的连接进行动力的传递，完成胶料的吸入。其内部连接结构如图2所示：

从图2可以看出，胶料在螺杆与喂料齿轮副的旋转运动下被吸入机筒，随着螺杆的不断旋转，胶料将沿着机筒被螺杆一直往前挤压，直到离开机筒。同时，胶料在挤压过程中反复被机筒上所设置的销钉切断，与所添加的化学原料进行充分的混合。故不难分析，当螺杆在工作过程中，齿轮箱输出轴所承受的载荷主要有：扭矩、轴向推力、径向力及径向力所产生的弯矩。其中扭矩主要由销钉切割胶料所产生，轴向推力由螺杆挤压胶料所产生，径向力为胶料进入螺杆螺旋槽受挤压时所产生。

图2单螺杆挤出机内部结构示意图

3齿轮箱输出轴系结构分析与改造

3.1轴承定位型式及其受力简析

由于单螺杆齿轮箱输出轴所承受的载荷为扭矩、轴向推力、径向力及径向力所产生的弯矩，当前，国内外设计的单螺杆挤出机齿轮箱输出轴轴承主要采用以下布置型式，如图3、表1所示：

图3单螺杆齿轮箱输出轴轴承布置简图

表1单螺杆齿轮箱输出轴轴承几种类型选取典例

型式 轴承一 轴承二 轴承三

1 调心轴承 调心轴承 推力轴承

2 圆锥轴承 圆锥轴承 推力轴承

3 推力轴承 调心轴承 调心轴承

说明：Fr与Fa分别表示输出轴所受的径向载荷与轴向载荷；以上轴承均为滚子轴承。从表中可以看出，齿轮箱输出轴当前的几种轴承布置型式均选取了推力滚子轴承，由于推力滚子轴承内外圈为分体结构，无法起定位作用，故其仅能承受螺杆所受的轴向力，不参与轴系的定位。结合图2可以看出，除推力滚子轴承之外的两个轴承起到定位整个齿轮箱输出轴系的作用，同时承受径向力与弯矩。

3.2几种轴承定位型式的优缺点分析

根据图3与表1中所列的目前几种常用的轴承定位型式，结合实际情况，对其进行逐一分析：

型式1采用调心滚子轴承对齿轮箱输出轴系进行定位，推力滚子轴承置于外侧，靠近输出轴所受载荷的位置。优点：调心滚子轴承当外圈固定时，其内圈具有轴线自动调整的功能，对齿轮箱箱体轴承孔的同轴度误差敏感度较低，有利于输出轴系中齿轮副的啮合。缺点：从图3可看出，参与轴系定位的两个调心滚子轴承跨距较小，故对于整个输出轴系定位的稳定性不佳；调心滚子轴承当外圈固定在轴承孔中时，由于其内圈具有自调心功能，故在齿轮箱输出轴承受径向力时，其轴系中心线会有一定程度的偏离，从而导致螺杆轴线的偏离；由于推力滚子轴承在装配中需要预紧，若图3中的轴承二为调心滚子轴承，对推力滚子轴承的预紧操作较为困难，且实际预紧效果并不理想；此外，在对推力滚子轴承的预紧操作过程中，其实是通过对调整调心滚子轴承的轴向游隙的调整迫使推力滚子轴承内外圈进行一定程度的预紧，与此同时，调心滚子轴承内部处于一个单列滚子受力的状态，另一列滚子则处于放松状态，故不利于其承受径向力，长此以往，该调心滚子轴承容易损毁。

型式2相比型式1将调心滚子轴承换成了圆锥滚子轴承。目前，国内有较多单螺杆挤出机齿轮箱制造企业采用这种输出轴轴承定位型式，其优点是采用圆锥滚子轴承对推力滚子轴承预紧的操作较为简单，因为只需要将位于轴承一位置处的圆锥滚子轴承进行轴向间隙的调整即可实现。但其缺点也存在于在预紧操作过程中的量化问题，若圆锥滚子轴承预紧不够，便会出现轴系径向游隙超差，从而导致螺杆轴线偏离；若圆锥滚子轴承预紧过度，在齿轮箱实际工作时该圆锥滚子轴承极有可能率先承受轴向推力，由于该轴向推力远超出了该圆锥滚子轴承轴向力的承受范围，故其将会在很短的时间内

损毁。

型式3目前主要被国外齿轮箱制造企业所采用，由于采购非标设计的国外齿轮箱价格昂贵，故齿轮箱制造企业往往在通用标准齿轮箱的基础上进行改造，如型式3，即在齿轮箱外侧增加一处推力轴承装置，便可承受螺杆工作时产生的轴向推力。仅针对齿轮箱的使用性能而言，该结构没有任何优点，原因是在受力方面存在诸多弊端：首先，轴向推力经过齿轮箱后作用在推力轴承上，推力轴承再将轴向推力传递在齿轮箱外侧，该力可能会导致箱体产生变形；其次，由于推力轴承距载荷位置较远，容易导致输出轴产生弯曲变形；最后，该定位型式同样具有型式1中所存在的缺点。

3.3轴承定位型式的改造设计

综合以上几种定位型式所存在的不足，现针对单螺杆挤出机齿轮箱输出轴系进行全面改造，提供一种新的轴承定位型式，结合图3，参见表2：

表2单螺杆齿轮箱输出轴轴承类型选取

轴承一 轴承二 轴承三

圆柱轴承 推力轴承 圆柱轴承

该新轴承定位型式选用了圆柱滚子轴承，并将两个圆柱滚子轴承置于输出轴两侧，推力滚子轴承置于之间。该定位型式具有以下优点：选用的圆柱滚子轴承具有径向承载能力强，径向定位精度高且稳定可靠；圆柱滚子轴承位于输出轴的两侧加大了定位跨距，提升了整个轴系定位的稳定性；由于选定的圆柱滚子轴承不承受轴向力，故对推力滚子轴承进行预紧后，在螺杆工作的过程中不会存在圆柱滚子轴承承受轴向推力的情况，故保证了定位轴承的正常受力与运行；此外，相对而言，该类型齿轮箱中输出轴圆柱滚子轴承的寿命比推力滚子轴承的寿命要短，将圆柱滚子轴承置于齿轮箱输出轴的两侧，便于其安装与更换，可节省维修的时间，缩小设备故障造成的损失。但另一方面，由于圆柱滚子轴承对安装其箱体的轴承孔同轴度偏差十分敏感，若同轴系的定位轴承孔出现超差，该类型轴承容易出现应力集中及边界磨损，致使其滚子与滚道损坏。但随着当前齿轮箱加工设备的不断革新换代，其相关零部件的制造精度也会不断提高，产品的精细化也必定是机械产品制造业发展的趋势。

4结语

目前，我公司单螺杆齿轮箱部分产品已实施输出轴系定位结构的改造，经初步统计对比其输出轴的运转精度大有提高，相信在实际使用的过程中螺杆运行的精度与稳定性会有良好的表现。

参考文献

[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]潘龙，张玉霞，金志明，薛平．单螺杆挤出机挤出理论研究进展[J]．中国塑料，2009，（5）．