专利名称：梯形螺纹双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计方法 双螺杆磨浆机是制浆造纸工业中应用的一种资源节约型的新型磨浆设备，它采用挤压与剪切原理将制浆材料(如杨木片、棉秆等)加工成一定长度的纤维状的纸浆。在磨浆过程中，制浆材料由进料口送入，沿正向螺旋的螺旋槽向前移动，被推向反向螺旋，在正、反向螺旋挤压作用下物料被压缩，由于正向螺旋挤压作用较大，物料被迫从反向螺旋的狭槽通过而被撕裂揉碎、进入下一个挤压区，如此反复，在出料口物料被磨制成纸浆。双螺杆磨浆机螺杆的结构和参数直接影响磨浆的质量和效率，关系到整个设备的性能。目前双螺杆磨浆机设计规范和依据很少，主要是借鉴塑料工业同向双螺杆挤出机的有关方法。但由于双螺杆磨浆机与双螺杆挤出机加工物料、工作原理不同，加之双螺杆磨浆机尺寸规格较大，所以双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计需要一些新的方法。 双螺杆磨浆机核心部件是由两根相互平行、彼此啮合、同向旋转的特殊螺杆与其配合的机筒组成的双螺杆磨浆机构，根据制造和维修的要求，每个螺杆是在一根芯轴上装配不同螺距、不同旋向的螺杆元件组合而成的，螺纹正反向交替，反向螺旋螺棱上开设狭槽。目前，螺杆螺纹的设计主要借鉴塑料工业同向双螺杆挤出机的结构形式，即同向双螺杆挤出机的螺纹法截面理论廓形由IJ、JK、KL、LM、MN五条线所构成的曲边梯形形状，参见图3，其中JK、LM为曲线。这种曲边梯形形状的螺杆螺纹特别适于熔融物料，自扫性好，但加工制造难度较大，成本较高。而制浆材料是一种非熔融物料，不要求很高的自扫性。因此，借用塑料工业同向双螺杆挤出机用做制浆造纸工业的磨浆机，实际上是一种浪费。
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种梯形螺纹双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计方法，通过该方法制造的双螺杆磨浆机螺杆设计科学，结构简单，制造容易，成本低廉。 本发明实现其目的的技术方案是 一种梯形螺纹双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计方法，螺杆螺纹包括正向输送螺旋螺纹、大螺距进料螺旋螺纹和反向挤压螺旋螺纹，所述螺杆螺旋槽的法截面形状为梯形，该梯形参数包括螺纹深度、梯形斜角、实际螺棱顶宽、实际螺槽顶宽和实际螺槽底宽，其中正向输送螺旋螺纹参数为 螺纹深度H＝(0.15～0.2)Db，Db为螺杆外径； 梯形斜角取值范围θ1＝9.5～35.3°； 实际螺棱顶宽e1＝(0.7～1.0)e，e是根据共轭自扫型同向双螺杆几何学计算的理论螺棱顶宽； 实际螺槽顶宽b1＝T-e1，T为螺纹导程，T＝(0.5～1.0)Db； 实际螺槽底宽c1＝T-e1-2Htanθ1。 而且，所述大螺距进料螺旋螺纹的螺纹旋向、螺纹头数、螺纹深度与正向输送螺旋相同，大螺距进料螺旋实际螺棱顶宽e1b、梯形斜角θ1b与正向输送螺旋实际螺棱顶宽e1、梯形斜角θ1相等；大螺距进料螺旋螺纹导程Tb的选择为 Tb＝(1.3～2.0)T 大螺旋进料螺旋和正向输送螺旋的体积压缩比ε符合以下关系 式中，D为螺纹中径，D＝CL＝Db-H。 而且，所述反向挤压螺旋的螺纹头数、螺纹深度与正向输送螺旋相等，螺旋角方向相反，反向挤压螺旋螺纹导程 Tr＝(0.6～1.0)T 反向挤压螺旋的实际螺棱顶宽 e1r＝(0.9～1.0)er 式中er为反向挤压螺旋理论螺棱顶宽； 反向挤压螺旋的梯形斜角取值范围θ1r＝5.7～35.3°。
反向挤压螺旋单位导程反向螺棱狭槽数量Ns应符合以下关系， 式中Wc表示反向螺棱狭槽宽度，Wc＝8～14mm；Kjo为反向螺旋最佳挤压比，Kjo＝0.60～0.80；ψ为平均螺旋角，ψ＝arctan(T/(πD))。
而且，所述在螺杆上设置的反向螺旋为3～4段，每段2～4扣，反向螺棱狭槽形状为矩形。
本发明的优点和积极效果是 1、本发明在共轭自扫同向双螺杆几何学基础上，采用切线逼近方法，在螺纹法截面对理论的侧曲线求一阶导数，取特殊点的切线与y轴的夹角作为梯形螺纹梯形斜角的取值范围，从而将理论的曲边梯形简化为梯形。这样简化的梯形螺纹较好地保持了理论曲边梯形螺纹的啮合性和自扫性的特点，能够满足磨浆加工的要求。
2、本发明采用梯形螺纹双螺杆，由于螺纹侧边是直线，因此简化了切削加工时刀具的刃磨和测量，便于装配，容易保证加工精度，降低了对工人的技术水平的要求，并大大降低了螺杆的制造成本。
3、本发明提出的双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计方法，系统性好，可操作性强，采用梯形螺纹双螺杆结构简单，便于加工制造，使用维护费用较低，降低了生产成本。



图1本发明双螺杆磨浆机螺杆和机筒纵向剖面示意图； 图2为图1的A-A径向截面剖视图； 图3为本发明梯形螺纹双螺杆磨浆机的螺杆螺纹法截面形状与参数示意图。


一种梯形螺纹双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计方法，螺杆螺纹包括正向输送螺旋螺纹、大螺距进料螺旋螺纹及反向挤压螺旋螺纹，参见图1、图2。螺杆螺纹的螺槽法截面形状为梯形，该梯形参数包括螺纹深度、梯形斜角、实际螺棱顶宽、实际螺槽顶宽和实际螺槽底宽。正向输送螺旋螺纹参数是大螺距进料螺旋螺纹和反向挤压螺旋螺纹参数的设计基准。正向输送螺旋螺纹参数为 螺纹深度H＝(0.15～0.2)Db，Db为螺杆外径； 梯形斜角取值范围θ１＝9.5～35.3°； 实际螺棱顶宽e1＝(0.7～1.0)e，e是根据共轭自扫型同向双螺杆几何学计算的理论螺棱顶宽； 实际螺槽顶宽b1＝T-e1，T为螺纹导程，T＝(0.5～1.0)Db； 实际螺槽底宽c1＝T-e1-2Htanθ1。
下面分别阐述正向输送螺旋螺纹、大螺距进料螺旋螺纹及反向挤压螺旋螺纹的设计方法。
1、正向输送螺旋螺纹参数的设计方法 现有的同向双螺杆挤出机的螺纹法截面理论廓形由IJ、JK、KL、LM、MN五条线(曲边梯形)组成，其中JK、LM为曲线。本发明采用切线逼近方法，取侧曲线上M和S点的切线与y轴的夹角为梯形斜角θ1的取值范围，用直线L′M(与y轴的夹角为θ1)代替曲线LM，因此曲边梯形螺纹变成了梯形螺纹，简化的梯形螺纹由IJ、JK′、K′L′、LM、MN五条直线构成。如图3所示，图中θ1为简化后的梯形斜角。梯形螺纹主要特点是便于加工，可降低制造成本。由于采用切线逼近方法，简化后的梯形螺纹较好地保持了同向双螺杆理论廓形的自扫性好的优点。
如图3所示，根据共轭自扫同向双螺杆几何学理论，螺纹法截面曲线LM的方程为 式中，CL为两螺杆理论中心距；e为理论螺棱宽度；ψ为平均螺旋角(ψ＝arctan[T/(πD)])。
将式(1)中y(x)对x进行求导，可以得到螺纹法截面曲线LM上任意点的斜率k 其中，X＝(2x-e)/(CLsinψ)。
由于式(1)中是平均螺旋角ψ，故可以考虑侧曲线对应ψ点的切线做为简化后的螺槽侧边直线，求出对应的梯形斜角。由于y(x)＝H/2，代入式(1)可得 将式(3)代入式(2)，可得曲线LM在S点的斜率kS(y＝H/2)，因此， 当y(x)＝0时(即螺棱顶点M)，对应的x为 将式(5)代入式(2)可以得到曲线LM在M点的斜率kM(y＝0)，因此 因此，梯形螺纹的梯形斜角θ1可按下式确定， θmin≤θ1≤θmax(7) 当θ1≤θmin时，螺棱强度较差，螺棱顶部容易磨损；当θ1≥θmax时，两螺棱侧面易发生干涉，影响两螺杆的装配和啮合。根据式(7)当螺纹深度H＝(0.15～0.2)Db和螺纹导程T＝(0.5～1.0)Db时，可得正向输送螺旋螺纹梯形斜角的取值范围为θ1＝9.5～35.3°。
根据同向双螺杆几何学理论，自扫型啮合同向双螺杆法截面理论螺棱顶宽为 式中，m为螺纹头数，通常m＝1；ψb为螺纹外径螺旋角，ψb＝arctan(T/(πDb))。
实际上，双螺杆磨浆机构要求纵向开放，实际螺槽底宽应大于实际螺棱顶宽；另外考虑到由多段不同螺距、不同旋向的螺旋组合螺杆的装配，实际螺棱顶宽e1应小于理论螺棱顶宽e，所以 e1＝(0.7～1.0)e(9) 上式中，e1太大会增加装配难度；e1值太小，会削弱螺棱强度。如图3所示，当e1≤e时，螺槽宽度增大，梯形螺纹变成IJ0、J0K0、K0L0、L0M0、M0N，螺纹法截面的实际螺槽顶宽b1和实际螺槽底宽c1可分别按式(10)、式(11)计算 b1＝T-e1(10) c1＝T-e1-2H tanθ1(11) 梯形螺槽底面圆角半径r0，一般应有r0≤δf，δf为螺杆外径与机筒内壁的间隙，δf＝(0.01～0.03)Db。
2、大螺距进料螺旋螺纹参数设计方法 大螺距进料螺旋位于进料口的下方，其旋向(右旋)和正向输送螺旋螺纹相同，其螺纹头数、螺纹深度与正向输送螺旋相等，法截面也是梯形螺纹，只是采用较大的螺纹导程和螺槽容积，以便于在单位时间内进入更多的物料。此外考虑到大螺距进料螺旋和正向输送螺旋螺棱的平滑连接，大螺距进料螺旋实际螺棱顶宽e1b梯形斜角θ1b应与正向输送螺旋相等(注下角标b表示大螺距进料螺旋的几何参数)， e1b＝e1；θ1b＝θ1(14) 大螺距进料螺旋螺纹导程Tb的选择 Tb＝(1.3～2.0)T(15) 分析表明，Tb增大，物料喂入量明显增大；但Tb太大，不仅会使螺杆长度增加，而且会使正向输送螺旋堵塞；当Tb与T的差距太大时，要考虑在两螺旋之间增加一过渡螺旋，以保证大小螺距螺旋能够较好地连接在一起。
在选择Tb要考虑大螺距进料螺旋和正常输送螺旋的体积压缩比ε， 式中，D为螺纹中径，D＝CL＝Db-H。
3、反向挤压螺旋螺纹参数设计方法 一般来说，反向挤压螺旋螺杆直径、螺纹头数和螺纹深度与正向输送螺旋相等。有时为了增加挤压力、缩小长径比，常选取较小的反向螺旋螺纹导程Tr(注下角标r表示反向螺旋螺纹的几何参数)，Tr可按下式确定， Tr＝(0.6～1.0)T(17) 但Tr也不能太小，Tr太小会导致螺棱厚度下降，反向螺旋耐磨性降低。由于Tr≤T，反向螺旋的螺旋角会相应减小。由于反向螺旋不要求纵向开放，应选择反向挤压螺旋的实际螺棱顶宽e1r为 e1r＝(0.9～1.0)er(18) 式中，er为反向理论螺棱顶宽。反向挤压螺旋的螺旋角ψr应与正向螺旋的螺旋角符号相反。
反向挤压螺旋螺纹梯形斜角θ1r可按下式计算 θminr≤θ1r≤θmaxr(19) 式中，θminr、θmaxr为反向螺旋法截面理论侧曲线顶点、螺槽深度中点斜率与y轴夹角，计算方法与式(6)和式(4)相似。根据式(19)和式(17)，可得反向挤压螺旋梯形斜角θ1r的取值范围为θ1r＝5.7～35.3°。
忽略螺棱间隙，假定在正、反向螺旋接触区附近物料在螺槽空间的充满度为100％，则如果反向螺旋不开槽，物料将全部被阻挡不能通过。反向螺旋的开槽使物料在通过这些槽时被剪切揉碎。反向螺旋的开槽使物料通过的能力可用挤出比Kj表示 式中，As为单位导程反向螺棱狭槽的截面积之和，Ap为正向螺旋螺槽法向截面积在螺杆径向的投影。Kj越小，正、反向螺旋的挤压作用越大，双螺杆磨浆机构的功耗也就越大。Kj对磨浆质量有很大影响，Kj太大时，挤压作用减小，物料在挤压区停留时间减少，会缩短揉搓和发生化学反应的时间，明显降低磨浆的质量。当制浆材料及预处理方式一定时，有一个Kj的最佳值Kjo，该值可保证在满足磨浆质量的前提下，使双螺杆磨浆机的功耗最小，根据实验Kjo＝0.60～0.80。根据式(20)可以导出， 式中，Ns表示单位导程反向螺棱狭槽数量；Wc表示反向螺棱狭槽宽度(此处假设反向螺棱狭槽均为矩形槽)，Wc应根据磨浆质量要求(纤维长度等)来确定，一般Wc＝8～14mm；通常，槽在反向螺棱上是均匀布置的；反向螺棱狭槽深度应与螺纹深度相同。
反向螺棱狭槽的方向和形状反向螺棱狭槽方向应首先考虑反向螺棱的耐磨性问题；其次考虑反向螺棱狭槽的方向和正向输送螺旋的螺旋槽流线尽可能一致，这样可减小磨浆过程中能量的消耗；反向螺棱狭槽形状应为矩形，这样不仅便于加工，而且可保证浆料纤维长度均匀。
由于物料通过反向螺棱狭槽的这种剪切作用是一种非直接的剪切作用，所以根据国内外研究和设计经验，双螺杆磨浆机反向挤压螺旋一般应为3～4段，每段2～4扣。这样每一段都可以分担一部分剪切和磨解任务，如果反向螺棱上狭槽的尺寸和数量设计合理，会使双螺杆磨浆机反向挤压螺旋螺棱受力均匀，磨损减缓，使用寿命延长。
实验和理论分析表明当螺杆外径一定时，影响磨浆质量的主要因素是螺杆转速和与反向挤压螺旋有关的几何参数，按影响程度的因素排序是螺杆转速n、反向挤压螺旋的扣数g、反向螺棱狭槽宽度Wc和反向螺棱狭槽数量Ns，并且这4个参数对螺杆的力学性能和结构影响不大，因此是磨浆质量的可控因素。磨浆质量的可控因素是指改变该因素可以明显改变磨浆质量，而对双螺杆磨浆机其他方面不会带来明显的不利影响。其他螺杆参数由于对磨浆质量影响不大，并且影响到螺杆的强度、刚度和结构，所以不是磨浆质量的可控因素。
4、双螺杆磨浆机流量估算 由于在上述梯形螺纹双螺杆磨浆机螺杆螺纹参数设计方法中，螺纹深度H、螺纹导程T等都以螺杆外径Db作为设计依据，螺杆外径Db的设计就成为一个关键问题。通常，螺杆外径Db是根据双螺杆磨浆机产量需求确定的。
流量可表示双螺杆磨浆机产量或生产率。由于双螺杆磨浆机是由不同螺距、不同旋向螺杆元件组成的复杂双螺杆机构，所以精确流量的计算十分复杂。目前大多采用对等螺距简单双螺杆机构流量加以修正的方法计算双螺杆磨浆机的流量。
以正向输送螺旋螺纹参数为基准的等螺距简单双螺杆机构的流量称为最大理论流量Qmax，可按下式计算 在磨浆过程中，物料在双螺杆机构中的充填程度、物料与螺杆和机筒的摩擦特性与反向螺旋作用等对实际产量的都有一定的影响，因此双螺杆磨浆机的实际流量应为 Q＝kQQmax(23) 式中kQ为考虑物料充填程度、摩擦特性与反向螺旋作用的流量修正系数，kQ应根据实验确定。根据发明人的实验，kQ＝0.10～0.40。
应用举例 设计要求设计螺杆外径为200mm的双螺杆磨浆机，按每天运行20小时计算，要求磨浆产量约为260m3/天，要求螺杆有效长径比≥14，试设计该双螺杆磨浆机螺杆的螺纹参数。
设计计算及参数选择已知螺杆外径Db＝200mm，螺纹头数m＝1，螺杆转速n＝330rpm，螺纹深度H＝0.18Db＝36mm，则理论中心距CL＝164mm；取螺纹导程T＝140mm，螺纹中径D＝Db-H＝164mm，则外径螺旋角ψb＝12.56°，平均螺旋角ψ＝15.20°。
正向输送螺旋右旋螺纹参数设计根据式(8)可得到理论螺棱顶宽e＝41.82mm；根据式(9)可得实际螺棱顶宽e1＝0.8609e≈36mm；根据式(3)、(2)、(4)可得最大梯形斜角θmax＝25.71°，根据式(5)、(2)、(6)可得最小梯形斜角θmin＝17.12°，实际取梯形斜角θ1＝21.25°；根据式(10)和式(11)可以求出实际螺槽顶宽b1和实际螺槽底宽c1分别为104mm和76mm。
流量估算将上述计算结果代入式(22)和式(23)可以得到最大理论流量Qmax＝1140m3/天；取kQ＝0.25，则实际流量为Q＝285m3/天，可以满足设计产量的要求。
大螺距进料右旋螺旋设计根据式(15)，取大螺距螺纹导程Tb＝1.4286T＝200mm，大螺距螺纹深度Hb＝H。根据式(14)，大螺距输送螺旋实际螺棱顶宽e1b和梯形斜角θ1b与正向输送螺旋相等，则大螺距实际螺槽顶宽b1b和实际螺槽底宽c1b分别为164mm、136mm。根据式(16)，体积压缩比ε＝1.725，可满足要求。考虑到大螺距进料螺旋导程和正向输送螺旋导程相差太大，两者之间增加一导程为170的过渡螺旋。过渡螺旋螺纹深度、实际螺棱顶宽和梯形斜角与正向输送螺旋相等，过渡螺旋实际螺槽顶宽和底宽分别为134mm、106mm。
反向挤压左旋螺旋的设计反向挤压螺旋螺纹深度和正向输送螺旋螺纹深度相等，根据式(17)取反向螺旋螺纹导程Tr＝0.7857T＝110mm，则反向螺旋平均螺旋角ψr＝-12.05°。根据式(8)反向螺旋理论螺棱顶宽er＝32.92mm，根据式(18)取反向螺旋实际螺棱顶宽e1r＝0.9113er＝30mm；参照正向输送螺旋相应角度的计算方法，可以得到θmaxr＝20.97°，θminr＝13.78°，根据式(19)取实际反向螺纹梯形斜角θ1r＝18.43°，则实际反向螺槽顶宽b1r＝80mm，实际反向螺槽底宽c1r＝56mm。
取第一、第二和第三挤压区的反向螺棱狭槽宽度Wc分别为20、16、12，假定三个挤压区Kjo均为0.7，则根据式(21)可以得到三个挤压区单位导程反向螺棱狭槽数量Ns分别为12、15、20。
螺杆有效长度验算大螺距输送段2扣，过渡螺旋1扣，正常输送段3扣，反向螺旋3扣，三个挤压区相同，则螺纹有效长度为L＝200×2+170+3(140×3+110×3)＝2820mm，螺杆有效长径比为L/Db＝14.1，符合长径比设计要求。考虑出料区域、两端轴承的安装和左端传动箱动力的输入，实际螺杆长度约为3800mm。


本发明涉及一种梯形螺纹双螺杆磨浆机螺杆螺纹设计方法，所述双螺杆磨浆机螺杆螺旋槽的法截面形状为梯形，该梯形参数包括螺纹深度、梯形斜角、实际螺棱顶宽、实际螺槽顶宽和实际螺槽底宽，以正向输送螺旋作为其他螺旋的设计基准，其螺纹参数为螺纹深度H＝(0.15～0.2)Db，Db为螺杆外径；梯形斜角θ1＝9.5～35.3°；实际螺棱顶宽e1＝(0.7～1.0)e，e是根据共轭自扫型同向双螺杆几何学计算的理论螺棱顶宽；实际螺槽顶宽b1＝T-e1，T为螺纹导程，T＝(0.5～1.0)Db；实际螺槽底宽c1＝T-e1-2Htanθ1。本发明系统性好，可操作性强，采用切线逼近方法设计的梯形螺纹双螺杆结构简单，便于加工制造，可满足磨浆要求，降低了生产成本；同时，简化后的梯形螺纹较好地保持了同向双螺杆理论廓形的自扫件好的优点。