橡塑用單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系結構分析與改造

趙文瑜+彭超

摘要：單螺桿擠出機齒輪箱是橡塑行業的一種生產設備，由于單螺桿擠出機設備結構的特殊性，且其在工作過程中所受的外部組合載荷作用下，經常出現螺桿與機筒刮擦的現象，致使設備出現故障，且嚴重影響膠料的質量。文章著重對齒輪箱內部的輸出軸系結構進行分析改造，以提高齒輪箱輸出軸的運轉精度與穩定性，同時與螺桿相連，從而保證螺桿運轉的穩定性，避免螺桿與機筒發生刮擦。

關鍵詞：橡塑；單螺桿擠出機齒輪箱；輸出軸系；單螺桿擠出機；結構改造

中圖分類號：TH132文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產品制造行業，單螺桿擠出機設備使用較為普遍，其主要用途是對膠料進行反復的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學性能，故該過程對最終產品的質量起著關鍵性的作用。目前，在橡塑產品制造企業中，單螺桿擠出機設備經常出現故障，主要問題就是其中的螺桿與機筒易于發生刮擦現象，導致設備出現異常的噪音，此外螺桿與機筒刮擦產生的鐵銷直接進入膠料中，嚴重影響產品的質量。由于該類型設備安裝緊湊，結構復雜，且在操作空間極受限制的條件下，其維修過程中作業極其困難，給生產企業也帶來了直接的經濟損失。經分析研究，造成該類故障的主要原因有三個方面：螺桿變形、機筒制造精度不達標、齒輪箱輸出軸運轉精度達不到要求或穩定性低。其中螺桿與機筒所造成的故障可以通過改進材料與提高加工精度的方法進行控制，相對來說易于避免問題的產生。而目前單螺桿擠出機設備所出現的故障大多來自與其配套的齒輪箱，原因是齒輪箱中的輸出軸作為螺桿定位裝置的同時又受到來自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實際工作的過程中，難以達到較高的運轉精度，而造成螺桿的擺動旋轉。如何設計齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運轉精度，一直是業內關心的難題。

針對目前國內外單螺桿齒輪箱的設計與制造技術，改造新型的輸出軸系定位結構，提供運轉精度更高、工作更穩定的單螺桿擠出機設備已迫在眉睫。文章著重對單螺桿擠出機齒輪箱的輸出軸系軸承的選取及布置型式進行分析與改造。

2單螺桿擠出機設備的整體結構及齒輪箱輸出軸受力分析

單螺桿擠出機設備通常分為兩種布置形式，即單機與復合機，單機主要由電機、聯軸器、齒輪箱、螺桿、機筒等組成，復合機是由數套單機在豎直平面內呈一定的角度組合而成，安裝極為緊湊。其中，單機的整體裝置如圖1所示：

圖1單螺桿擠出機單機整體圖

其中，齒輪箱固定在設備的底座上，電機通過聯軸器與齒輪箱連接，機筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機筒內，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內孔中，但要求不能與機筒內孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機筒正上方設有進料口，內部的喂料齒輪副與進膠螺紋通過與齒輪箱輸出軸的連接進行動力的傳遞，完成膠料的吸入。其內部連接結構如圖2所示：

從圖2可以看出，膠料在螺桿與喂料齒輪副的旋轉運動下被吸入機筒，隨著螺桿的不斷旋轉，膠料將沿著機筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開機筒。同時，膠料在擠壓過程中反復被機筒上所設置的銷釘切斷，與所添加的化學原料進行充分的混合。故不難分析，當螺桿在工作過程中，齒輪箱輸出軸所承受的載荷主要有：扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產生的彎矩。其中扭矩主要由銷釘切割膠料所產生，軸向推力由螺桿擠壓膠料所產生，徑向力為膠料進入螺桿螺旋槽受擠壓時所產生。

圖2單螺桿擠出機內部結構示意圖

3齒輪箱輸出軸系結構分析與改造

3.1軸承定位型式及其受力簡析

由于單螺桿齒輪箱輸出軸所承受的載荷為扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產生的彎矩，當前，國內外設計的單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸軸承主要采用以下布置型式，如圖3、表1所示：

圖3單螺桿齒輪箱輸出軸軸承布置簡圖

表1單螺桿齒輪箱輸出軸軸承幾種類型選取典例

型式 軸承一 軸承二 軸承三

1 調心軸承 調心軸承 推力軸承

2 圓錐軸承 圓錐軸承 推力軸承

3 推力軸承 調心軸承 調心軸承

說明：Fr與Fa分別表示輸出軸所受的徑向載荷與軸向載荷；以上軸承均為滾子軸承。從表中可以看出，齒輪箱輸出軸當前的幾種軸承布置型式均選取了推力滾子軸承，由于推力滾子軸承內外圈為分體結構，無法起定位作用，故其僅能承受螺桿所受的軸向力，不參與軸系的定位。結合圖2可以看出，除推力滾子軸承之外的兩個軸承起到定位整個齒輪箱輸出軸系的作用，同時承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優缺點分析

根據圖3與表1中所列的目前幾種常用的軸承定位型式，結合實際情況，對其進行逐一分析：

型式1采用調心滾子軸承對齒輪箱輸出軸系進行定位，推力滾子軸承置于外側，靠近輸出軸所受載荷的位置。優點：調心滾子軸承當外圈固定時，其內圈具有軸線自動調整的功能，對齒輪箱箱體軸承孔的同軸度誤差敏感度較低，有利于輸出軸系中齒輪副的嚙合。缺點：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個調心滾子軸承跨距較小，故對于整個輸出軸系定位的穩定性不佳；調心滾子軸承當外圈固定在軸承孔中時，由于其內圈具有自調心功能，故在齒輪箱輸出軸承受徑向力時，其軸系中心線會有一定程度的偏離，從而導致螺桿軸線的偏離；由于推力滾子軸承在裝配中需要預緊，若圖3中的軸承二為調心滾子軸承，對推力滾子軸承的預緊操作較為困難，且實際預緊效果并不理想；此外，在對推力滾子軸承的預緊操作過程中，其實是通過對調整調心滾子軸承的軸向游隙的調整迫使推力滾子軸承內外圈進行一定程度的預緊，與此同時，調心滾子軸承內部處于一個單列滾子受力的狀態，另一列滾子則處于放松狀態，故不利于其承受徑向力，長此以往，該調心滾子軸承容易損毀。

型式2相比型式1將調心滾子軸承換成了圓錐滾子軸承。目前，國內有較多單螺桿擠出機齒輪箱制造企業采用這種輸出軸軸承定位型式，其優點是采用圓錐滾子軸承對推力滾子軸承預緊的操作較為簡單，因為只需要將位于軸承一位置處的圓錐滾子軸承進行軸向間隙的調整即可實現。但其缺點也存在于在預緊操作過程中的量化問題，若圓錐滾子軸承預緊不夠，便會出現軸系徑向游隙超差，從而導致螺桿軸線偏離；若圓錐滾子軸承預緊過度，在齒輪箱實際工作時該圓錐滾子軸承極有可能率先承受軸向推力，由于該軸向推力遠超出了該圓錐滾子軸承軸向力的承受范圍，故其將會在很短的時間內

損毀。

型式3目前主要被國外齒輪箱制造企業所采用，由于采購非標設計的國外齒輪箱價格昂貴，故齒輪箱制造企業往往在通用標準齒輪箱的基礎上進行改造，如型式3，即在齒輪箱外側增加一處推力軸承裝置，便可承受螺桿工作時產生的軸向推力。僅針對齒輪箱的使用性能而言，該結構沒有任何優點，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經過齒輪箱后作用在推力軸承上，推力軸承再將軸向推力傳遞在齒輪箱外側，該力可能會導致箱體產生變形；其次，由于推力軸承距載荷位置較遠，容易導致輸出軸產生彎曲變形；最后，該定位型式同樣具有型式1中所存在的缺點。

3.3軸承定位型式的改造設計

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現針對單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系進行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結合圖3，參見表2：

表2單螺桿齒輪箱輸出軸軸承類型選取

軸承一 軸承二 軸承三

圓柱軸承 推力軸承 圓柱軸承

該新軸承定位型式選用了圓柱滾子軸承，并將兩個圓柱滾子軸承置于輸出軸兩側，推力滾子軸承置于之間。該定位型式具有以下優點：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強，徑向定位精度高且穩定可靠；圓柱滾子軸承位于輸出軸的兩側加大了定位跨距，提升了整個軸系定位的穩定性；由于選定的圓柱滾子軸承不承受軸向力，故對推力滾子軸承進行預緊后，在螺桿工作的過程中不會存在圓柱滾子軸承承受軸向推力的情況，故保證了定位軸承的正常受力與運行；此外，相對而言，該類型齒輪箱中輸出軸圓柱滾子軸承的壽命比推力滾子軸承的壽命要短，將圓柱滾子軸承置于齒輪箱輸出軸的兩側，便于其安裝與更換，可節省維修的時間，縮小設備故障造成的損失。但另一方面，由于圓柱滾子軸承對安裝其箱體的軸承孔同軸度偏差十分敏感，若同軸系的定位軸承孔出現超差，該類型軸承容易出現應力集中及邊界磨損，致使其滾子與滾道損壞。但隨著當前齒輪箱加工設備的不斷革新換代，其相關零部件的制造精度也會不斷提高，產品的精細化也必定是機械產品制造業發展的趨勢。

4結語

目前，我公司單螺桿齒輪箱部分產品已實施輸出軸系定位結構的改造，經初步統計對比其輸出軸的運轉精度大有提高，相信在實際使用的過程中螺桿運行的精度與穩定性會有良好的表現。

參考文獻

[1]成大先．機械設計手冊（第2卷）[M]．北京：化學工業出版社，2002．

[2]潘龍，張玉霞，金志明，薛平．單螺桿擠出機擠出理論研究進展[J]．中國塑料，2009，（5）．

作者簡介：趙文瑜（1984-），男，江蘇南京人，南京寧嘉機電有限公司工程師，研究方向：齒輪箱的研發設計。

摘要：單螺桿擠出機齒輪箱是橡塑行業的一種生產設備，由于單螺桿擠出機設備結構的特殊性，且其在工作過程中所受的外部組合載荷作用下，經常出現螺桿與機筒刮擦的現象，致使設備出現故障，且嚴重影響膠料的質量。文章著重對齒輪箱內部的輸出軸系結構進行分析改造，以提高齒輪箱輸出軸的運轉精度與穩定性，同時與螺桿相連，從而保證螺桿運轉的穩定性，避免螺桿與機筒發生刮擦。

關鍵詞：橡塑；單螺桿擠出機齒輪箱；輸出軸系；單螺桿擠出機；結構改造

中圖分類號：TH132文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產品制造行業，單螺桿擠出機設備使用較為普遍，其主要用途是對膠料進行反復的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學性能，故該過程對最終產品的質量起著關鍵性的作用。目前，在橡塑產品制造企業中，單螺桿擠出機設備經常出現故障，主要問題就是其中的螺桿與機筒易于發生刮擦現象，導致設備出現異常的噪音，此外螺桿與機筒刮擦產生的鐵銷直接進入膠料中，嚴重影響產品的質量。由于該類型設備安裝緊湊，結構復雜，且在操作空間極受限制的條件下，其維修過程中作業極其困難，給生產企業也帶來了直接的經濟損失。經分析研究，造成該類故障的主要原因有三個方面：螺桿變形、機筒制造精度不達標、齒輪箱輸出軸運轉精度達不到要求或穩定性低。其中螺桿與機筒所造成的故障可以通過改進材料與提高加工精度的方法進行控制，相對來說易于避免問題的產生。而目前單螺桿擠出機設備所出現的故障大多來自與其配套的齒輪箱，原因是齒輪箱中的輸出軸作為螺桿定位裝置的同時又受到來自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實際工作的過程中，難以達到較高的運轉精度，而造成螺桿的擺動旋轉。如何設計齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運轉精度，一直是業內關心的難題。

針對目前國內外單螺桿齒輪箱的設計與制造技術，改造新型的輸出軸系定位結構，提供運轉精度更高、工作更穩定的單螺桿擠出機設備已迫在眉睫。文章著重對單螺桿擠出機齒輪箱的輸出軸系軸承的選取及布置型式進行分析與改造。

2單螺桿擠出機設備的整體結構及齒輪箱輸出軸受力分析

單螺桿擠出機設備通常分為兩種布置形式，即單機與復合機，單機主要由電機、聯軸器、齒輪箱、螺桿、機筒等組成，復合機是由數套單機在豎直平面內呈一定的角度組合而成，安裝極為緊湊。其中，單機的整體裝置如圖1所示：

圖1單螺桿擠出機單機整體圖

其中，齒輪箱固定在設備的底座上，電機通過聯軸器與齒輪箱連接，機筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機筒內，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內孔中，但要求不能與機筒內孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機筒正上方設有進料口，內部的喂料齒輪副與進膠螺紋通過與齒輪箱輸出軸的連接進行動力的傳遞，完成膠料的吸入。其內部連接結構如圖2所示：

從圖2可以看出，膠料在螺桿與喂料齒輪副的旋轉運動下被吸入機筒，隨著螺桿的不斷旋轉，膠料將沿著機筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開機筒。同時，膠料在擠壓過程中反復被機筒上所設置的銷釘切斷，與所添加的化學原料進行充分的混合。故不難分析，當螺桿在工作過程中，齒輪箱輸出軸所承受的載荷主要有：扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產生的彎矩。其中扭矩主要由銷釘切割膠料所產生，軸向推力由螺桿擠壓膠料所產生，徑向力為膠料進入螺桿螺旋槽受擠壓時所產生。

圖2單螺桿擠出機內部結構示意圖

3齒輪箱輸出軸系結構分析與改造

3.1軸承定位型式及其受力簡析

由于單螺桿齒輪箱輸出軸所承受的載荷為扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產生的彎矩，當前，國內外設計的單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸軸承主要采用以下布置型式，如圖3、表1所示：

圖3單螺桿齒輪箱輸出軸軸承布置簡圖

表1單螺桿齒輪箱輸出軸軸承幾種類型選取典例

型式 軸承一 軸承二 軸承三

1 調心軸承 調心軸承 推力軸承

2 圓錐軸承 圓錐軸承 推力軸承

3 推力軸承 調心軸承 調心軸承

說明：Fr與Fa分別表示輸出軸所受的徑向載荷與軸向載荷；以上軸承均為滾子軸承。從表中可以看出，齒輪箱輸出軸當前的幾種軸承布置型式均選取了推力滾子軸承，由于推力滾子軸承內外圈為分體結構，無法起定位作用，故其僅能承受螺桿所受的軸向力，不參與軸系的定位。結合圖2可以看出，除推力滾子軸承之外的兩個軸承起到定位整個齒輪箱輸出軸系的作用，同時承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優缺點分析

根據圖3與表1中所列的目前幾種常用的軸承定位型式，結合實際情況，對其進行逐一分析：

型式1采用調心滾子軸承對齒輪箱輸出軸系進行定位，推力滾子軸承置于外側，靠近輸出軸所受載荷的位置。優點：調心滾子軸承當外圈固定時，其內圈具有軸線自動調整的功能，對齒輪箱箱體軸承孔的同軸度誤差敏感度較低，有利于輸出軸系中齒輪副的嚙合。缺點：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個調心滾子軸承跨距較小，故對于整個輸出軸系定位的穩定性不佳；調心滾子軸承當外圈固定在軸承孔中時，由于其內圈具有自調心功能，故在齒輪箱輸出軸承受徑向力時，其軸系中心線會有一定程度的偏離，從而導致螺桿軸線的偏離；由于推力滾子軸承在裝配中需要預緊，若圖3中的軸承二為調心滾子軸承，對推力滾子軸承的預緊操作較為困難，且實際預緊效果并不理想；此外，在對推力滾子軸承的預緊操作過程中，其實是通過對調整調心滾子軸承的軸向游隙的調整迫使推力滾子軸承內外圈進行一定程度的預緊，與此同時，調心滾子軸承內部處于一個單列滾子受力的狀態，另一列滾子則處于放松狀態，故不利于其承受徑向力，長此以往，該調心滾子軸承容易損毀。

型式2相比型式1將調心滾子軸承換成了圓錐滾子軸承。目前，國內有較多單螺桿擠出機齒輪箱制造企業采用這種輸出軸軸承定位型式，其優點是采用圓錐滾子軸承對推力滾子軸承預緊的操作較為簡單，因為只需要將位于軸承一位置處的圓錐滾子軸承進行軸向間隙的調整即可實現。但其缺點也存在于在預緊操作過程中的量化問題，若圓錐滾子軸承預緊不夠，便會出現軸系徑向游隙超差，從而導致螺桿軸線偏離；若圓錐滾子軸承預緊過度，在齒輪箱實際工作時該圓錐滾子軸承極有可能率先承受軸向推力，由于該軸向推力遠超出了該圓錐滾子軸承軸向力的承受范圍，故其將會在很短的時間內

損毀。

型式3目前主要被國外齒輪箱制造企業所采用，由于采購非標設計的國外齒輪箱價格昂貴，故齒輪箱制造企業往往在通用標準齒輪箱的基礎上進行改造，如型式3，即在齒輪箱外側增加一處推力軸承裝置，便可承受螺桿工作時產生的軸向推力。僅針對齒輪箱的使用性能而言，該結構沒有任何優點，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經過齒輪箱后作用在推力軸承上，推力軸承再將軸向推力傳遞在齒輪箱外側，該力可能會導致箱體產生變形；其次，由于推力軸承距載荷位置較遠，容易導致輸出軸產生彎曲變形；最后，該定位型式同樣具有型式1中所存在的缺點。

3.3軸承定位型式的改造設計

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現針對單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系進行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結合圖3，參見表2：

表2單螺桿齒輪箱輸出軸軸承類型選取

軸承一 軸承二 軸承三

圓柱軸承 推力軸承 圓柱軸承

該新軸承定位型式選用了圓柱滾子軸承，并將兩個圓柱滾子軸承置于輸出軸兩側，推力滾子軸承置于之間。該定位型式具有以下優點：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強，徑向定位精度高且穩定可靠；圓柱滾子軸承位于輸出軸的兩側加大了定位跨距，提升了整個軸系定位的穩定性；由于選定的圓柱滾子軸承不承受軸向力，故對推力滾子軸承進行預緊后，在螺桿工作的過程中不會存在圓柱滾子軸承承受軸向推力的情況，故保證了定位軸承的正常受力與運行；此外，相對而言，該類型齒輪箱中輸出軸圓柱滾子軸承的壽命比推力滾子軸承的壽命要短，將圓柱滾子軸承置于齒輪箱輸出軸的兩側，便于其安裝與更換，可節省維修的時間，縮小設備故障造成的損失。但另一方面，由于圓柱滾子軸承對安裝其箱體的軸承孔同軸度偏差十分敏感，若同軸系的定位軸承孔出現超差，該類型軸承容易出現應力集中及邊界磨損，致使其滾子與滾道損壞。但隨著當前齒輪箱加工設備的不斷革新換代，其相關零部件的制造精度也會不斷提高，產品的精細化也必定是機械產品制造業發展的趨勢。

4結語

目前，我公司單螺桿齒輪箱部分產品已實施輸出軸系定位結構的改造，經初步統計對比其輸出軸的運轉精度大有提高，相信在實際使用的過程中螺桿運行的精度與穩定性會有良好的表現。

參考文獻

[1]成大先．機械設計手冊（第2卷）[M]．北京：化學工業出版社，2002．

[2]潘龍，張玉霞，金志明，薛平．單螺桿擠出機擠出理論研究進展[J]．中國塑料，2009，（5）．

作者簡介：趙文瑜（1984-），男，江蘇南京人，南京寧嘉機電有限公司工程師，研究方向：齒輪箱的研發設計。

摘要：單螺桿擠出機齒輪箱是橡塑行業的一種生產設備，由于單螺桿擠出機設備結構的特殊性，且其在工作過程中所受的外部組合載荷作用下，經常出現螺桿與機筒刮擦的現象，致使設備出現故障，且嚴重影響膠料的質量。文章著重對齒輪箱內部的輸出軸系結構進行分析改造，以提高齒輪箱輸出軸的運轉精度與穩定性，同時與螺桿相連，從而保證螺桿運轉的穩定性，避免螺桿與機筒發生刮擦。

關鍵詞：橡塑；單螺桿擠出機齒輪箱；輸出軸系；單螺桿擠出機；結構改造

中圖分類號：TH132文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產品制造行業，單螺桿擠出機設備使用較為普遍，其主要用途是對膠料進行反復的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學性能，故該過程對最終產品的質量起著關鍵性的作用。目前，在橡塑產品制造企業中，單螺桿擠出機設備經常出現故障，主要問題就是其中的螺桿與機筒易于發生刮擦現象，導致設備出現異常的噪音，此外螺桿與機筒刮擦產生的鐵銷直接進入膠料中，嚴重影響產品的質量。由于該類型設備安裝緊湊，結構復雜，且在操作空間極受限制的條件下，其維修過程中作業極其困難，給生產企業也帶來了直接的經濟損失。經分析研究，造成該類故障的主要原因有三個方面：螺桿變形、機筒制造精度不達標、齒輪箱輸出軸運轉精度達不到要求或穩定性低。其中螺桿與機筒所造成的故障可以通過改進材料與提高加工精度的方法進行控制，相對來說易于避免問題的產生。而目前單螺桿擠出機設備所出現的故障大多來自與其配套的齒輪箱，原因是齒輪箱中的輸出軸作為螺桿定位裝置的同時又受到來自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實際工作的過程中，難以達到較高的運轉精度，而造成螺桿的擺動旋轉。如何設計齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運轉精度，一直是業內關心的難題。

針對目前國內外單螺桿齒輪箱的設計與制造技術，改造新型的輸出軸系定位結構，提供運轉精度更高、工作更穩定的單螺桿擠出機設備已迫在眉睫。文章著重對單螺桿擠出機齒輪箱的輸出軸系軸承的選取及布置型式進行分析與改造。

2單螺桿擠出機設備的整體結構及齒輪箱輸出軸受力分析

單螺桿擠出機設備通常分為兩種布置形式，即單機與復合機，單機主要由電機、聯軸器、齒輪箱、螺桿、機筒等組成，復合機是由數套單機在豎直平面內呈一定的角度組合而成，安裝極為緊湊。其中，單機的整體裝置如圖1所示：

圖1單螺桿擠出機單機整體圖

其中，齒輪箱固定在設備的底座上，電機通過聯軸器與齒輪箱連接，機筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機筒內，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內孔中，但要求不能與機筒內孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機筒正上方設有進料口，內部的喂料齒輪副與進膠螺紋通過與齒輪箱輸出軸的連接進行動力的傳遞，完成膠料的吸入。其內部連接結構如圖2所示：

從圖2可以看出，膠料在螺桿與喂料齒輪副的旋轉運動下被吸入機筒，隨著螺桿的不斷旋轉，膠料將沿著機筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開機筒。同時，膠料在擠壓過程中反復被機筒上所設置的銷釘切斷，與所添加的化學原料進行充分的混合。故不難分析，當螺桿在工作過程中，齒輪箱輸出軸所承受的載荷主要有：扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產生的彎矩。其中扭矩主要由銷釘切割膠料所產生，軸向推力由螺桿擠壓膠料所產生，徑向力為膠料進入螺桿螺旋槽受擠壓時所產生。

圖2單螺桿擠出機內部結構示意圖

3齒輪箱輸出軸系結構分析與改造

3.1軸承定位型式及其受力簡析

由于單螺桿齒輪箱輸出軸所承受的載荷為扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產生的彎矩，當前，國內外設計的單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸軸承主要采用以下布置型式，如圖3、表1所示：

圖3單螺桿齒輪箱輸出軸軸承布置簡圖

表1單螺桿齒輪箱輸出軸軸承幾種類型選取典例

型式 軸承一 軸承二 軸承三

1 調心軸承 調心軸承 推力軸承

2 圓錐軸承 圓錐軸承 推力軸承

3 推力軸承 調心軸承 調心軸承

說明：Fr與Fa分別表示輸出軸所受的徑向載荷與軸向載荷；以上軸承均為滾子軸承。從表中可以看出，齒輪箱輸出軸當前的幾種軸承布置型式均選取了推力滾子軸承，由于推力滾子軸承內外圈為分體結構，無法起定位作用，故其僅能承受螺桿所受的軸向力，不參與軸系的定位。結合圖2可以看出，除推力滾子軸承之外的兩個軸承起到定位整個齒輪箱輸出軸系的作用，同時承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優缺點分析

根據圖3與表1中所列的目前幾種常用的軸承定位型式，結合實際情況，對其進行逐一分析：

型式1采用調心滾子軸承對齒輪箱輸出軸系進行定位，推力滾子軸承置于外側，靠近輸出軸所受載荷的位置。優點：調心滾子軸承當外圈固定時，其內圈具有軸線自動調整的功能，對齒輪箱箱體軸承孔的同軸度誤差敏感度較低，有利于輸出軸系中齒輪副的嚙合。缺點：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個調心滾子軸承跨距較小，故對于整個輸出軸系定位的穩定性不佳；調心滾子軸承當外圈固定在軸承孔中時，由于其內圈具有自調心功能，故在齒輪箱輸出軸承受徑向力時，其軸系中心線會有一定程度的偏離，從而導致螺桿軸線的偏離；由于推力滾子軸承在裝配中需要預緊，若圖3中的軸承二為調心滾子軸承，對推力滾子軸承的預緊操作較為困難，且實際預緊效果并不理想；此外，在對推力滾子軸承的預緊操作過程中，其實是通過對調整調心滾子軸承的軸向游隙的調整迫使推力滾子軸承內外圈進行一定程度的預緊，與此同時，調心滾子軸承內部處于一個單列滾子受力的狀態，另一列滾子則處于放松狀態，故不利于其承受徑向力，長此以往，該調心滾子軸承容易損毀。

型式2相比型式1將調心滾子軸承換成了圓錐滾子軸承。目前，國內有較多單螺桿擠出機齒輪箱制造企業采用這種輸出軸軸承定位型式，其優點是采用圓錐滾子軸承對推力滾子軸承預緊的操作較為簡單，因為只需要將位于軸承一位置處的圓錐滾子軸承進行軸向間隙的調整即可實現。但其缺點也存在于在預緊操作過程中的量化問題，若圓錐滾子軸承預緊不夠，便會出現軸系徑向游隙超差，從而導致螺桿軸線偏離；若圓錐滾子軸承預緊過度，在齒輪箱實際工作時該圓錐滾子軸承極有可能率先承受軸向推力，由于該軸向推力遠超出了該圓錐滾子軸承軸向力的承受范圍，故其將會在很短的時間內

損毀。

型式3目前主要被國外齒輪箱制造企業所采用，由于采購非標設計的國外齒輪箱價格昂貴，故齒輪箱制造企業往往在通用標準齒輪箱的基礎上進行改造，如型式3，即在齒輪箱外側增加一處推力軸承裝置，便可承受螺桿工作時產生的軸向推力。僅針對齒輪箱的使用性能而言，該結構沒有任何優點，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經過齒輪箱后作用在推力軸承上，推力軸承再將軸向推力傳遞在齒輪箱外側，該力可能會導致箱體產生變形；其次，由于推力軸承距載荷位置較遠，容易導致輸出軸產生彎曲變形；最后，該定位型式同樣具有型式1中所存在的缺點。

3.3軸承定位型式的改造設計

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現針對單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系進行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結合圖3，參見表2：

表2單螺桿齒輪箱輸出軸軸承類型選取

軸承一 軸承二 軸承三

圓柱軸承 推力軸承 圓柱軸承

該新軸承定位型式選用了圓柱滾子軸承，并將兩個圓柱滾子軸承置于輸出軸兩側，推力滾子軸承置于之間。該定位型式具有以下優點：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強，徑向定位精度高且穩定可靠；圓柱滾子軸承位于輸出軸的兩側加大了定位跨距，提升了整個軸系定位的穩定性；由于選定的圓柱滾子軸承不承受軸向力，故對推力滾子軸承進行預緊后，在螺桿工作的過程中不會存在圓柱滾子軸承承受軸向推力的情況，故保證了定位軸承的正常受力與運行；此外，相對而言，該類型齒輪箱中輸出軸圓柱滾子軸承的壽命比推力滾子軸承的壽命要短，將圓柱滾子軸承置于齒輪箱輸出軸的兩側，便于其安裝與更換，可節省維修的時間，縮小設備故障造成的損失。但另一方面，由于圓柱滾子軸承對安裝其箱體的軸承孔同軸度偏差十分敏感，若同軸系的定位軸承孔出現超差，該類型軸承容易出現應力集中及邊界磨損，致使其滾子與滾道損壞。但隨著當前齒輪箱加工設備的不斷革新換代，其相關零部件的制造精度也會不斷提高，產品的精細化也必定是機械產品制造業發展的趨勢。

4結語

目前，我公司單螺桿齒輪箱部分產品已實施輸出軸系定位結構的改造，經初步統計對比其輸出軸的運轉精度大有提高，相信在實際使用的過程中螺桿運行的精度與穩定性會有良好的表現。

參考文獻

[1]成大先．機械設計手冊（第2卷）[M]．北京：化學工業出版社，2002．

[2]潘龍，張玉霞，金志明，薛平．單螺桿擠出機擠出理論研究進展[J]．中國塑料，2009，（5）．

作者簡介：趙文瑜（1984-），男，江蘇南京人，南京寧嘉機電有限公司工程師，研究方向：齒輪箱的研發設計。