高剪切式單螺桿擠壓機設(shè)計

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編號 無錫太湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目： 高剪切式單螺桿擠壓機設(shè)計 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè) 學(xué) 號： 　　　 0923202　　　　 學(xué)生姓名： 沈　 川 指導(dǎo)教師： 　 戴寧 （職稱：副教授 ） 2013年5月25日 XXI 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 高剪切式單螺桿擠壓機設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械94 學(xué) 號： 0923202 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院 　信 機　系 　機械工程及自動化 　專業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目　　 高剪切式單螺桿擠壓機設(shè)計 　　 2、專題　 　 二、課題來源及選題依據(jù) 食品擠壓技術(shù)具有加工范圍廣、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、加工過程無污染等特點。單螺桿擠壓機的結(jié)構(gòu)簡單、易加工制造、成本低廉，廣泛用于加工各種膨化小吃食品。本課題的任務(wù)是設(shè)計一臺高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生高剪切率的單螺桿擠壓機，利用高剪切率產(chǎn)生的摩擦熱來加熱熔融低水分谷物原料，使原料得到蒸煮熟化，從模板中擠出時產(chǎn)生高度膨化而形成松脆可口的膨化谷物食品。 通過本課題的設(shè)計，有助于學(xué)生能掌握和運用專業(yè)知識，鍛煉工程設(shè)計能力。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： ① 查閱和整理資料，包括一篇與課題相關(guān)或相近的外文資料并進行翻譯； ② 確定課題的總體設(shè)計方案，進行開題報告； ③ 進行相關(guān)參數(shù)的選擇、計算和校核； I ④ 對高剪切式單螺桿擠壓機進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總裝圖； ⑤ 繪制主要部件圖和典型零件圖； ⑥??對整個設(shè)計過程作出總結(jié)，撰寫設(shè)計說明書。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械94 班 　　姓名 沈 川 五、開始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師　　　　　　　簽名 簽名 　　　　　　　簽名 教研室主任 　　　　　　〔學(xué)科組組長研究所所長〕　　　　　　　簽名 　　 　　系主任 　　　　　　簽名 2012年11月12日 I 摘 要 目前膨化食品越來越受到人們的歡迎，而擠壓技術(shù)在膨化食品中的應(yīng)用也更加廣泛。 在擠壓機內(nèi)的面團類食品中的水分由于處于壓力之下成液態(tài)，然后從模板孔擠出時，過熱的水分突然處于常壓下，壓力突然降低，水分蒸發(fā)成水蒸汽，產(chǎn)生伸張的和膨脹，這樣使這種產(chǎn)品產(chǎn)生一種低密度輕質(zhì)的狀態(tài)。 擠壓技術(shù)作為食品工業(yè)中一項非常重要的技術(shù)得到更大的發(fā)展，現(xiàn)代食品工業(yè)用的螺桿擠壓機集混合、融合、蒸煮、改性反映、調(diào)質(zhì)、組織化、成型、膨化等多種功能于一身，體現(xiàn)出有利于自動控制、便于靈活轉(zhuǎn)產(chǎn)以及節(jié)能、節(jié)勞力、節(jié)省生產(chǎn)場地等優(yōu)點。 單螺桿擠壓機的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制造、成本低廉，廣泛用于加工各種膨化小吃食品，本設(shè)計中設(shè)計一臺單螺桿擠壓機，其特點是高轉(zhuǎn)速，高剪切率，外部無加熱和冷卻裝置，而是利用其高剪切率產(chǎn)生的摩擦熱來加熱熔融原料使食品原料得到蒸煮熟化，從而生產(chǎn)出松脆可口的膨化谷物食品。設(shè)計將從擠壓機的傳動系統(tǒng)，擠壓系統(tǒng)，喂料系統(tǒng)等進行完整的設(shè)計。 關(guān)鍵詞：膨化食品；擠壓技術(shù)；單螺桿擠壓機 I Abstract At present puffs food more and more to receive people's welcome. The extrusion technology in puffs in food the application to be also more widespread.In extruder pasta class food moisture content because is in under the pressure to become the liquid state,Then when squeezes out from the template hole, the superheat moisture content suddenly is in under the atmospheric pressure, the pressure reduces suddenly,The pressure reduces suddenly, the moisture evaporation steam, produces promotes and the inflation, like this causes this product to have one kind of low density light quality condition. The extrusion technology took in the food industry an extremely important technology obtains a bigger development,Modern food industrial used screw rod extruder have the mix, the fusion, the steam boiling, the modification reflected, the quenching and tempering, the organization, the formation, puff and so on many kinds of functions,manifests is advantageous to the automatic control, is advantageous for produces a different product nimbly as well as the energy conservation, the festival labor force, saves produces merits and so on location. The single screw extruder structure simple, easy to process the manufacture, the cost is inexpensive, widely uses in processing each kind to puff snack food,In the design designs a single screw rod extruder, its characteristic is the high speed, high cutting rate, the outside does not have the heating and the cooling system, but is uses the friction heat which its high cutting rate produces to heat up the fusing raw material enable food raw material to obtain the steam boiling curing, thus produces the pine crisply delicious to puff grain food. The design from the extruder transmission system, the extrusion system, will feed the material system and so on to carry on the integrity the design. Keyword: euffs food extrusion technology single screw extruder 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 1 1.1 擠壓技術(shù)介紹 1 1.1.1 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用 1 1.1.2 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的發(fā)展?fàn)顩r 1 1.1.3 擠壓機生產(chǎn)膨化食品 1 1.1.4 擠壓膨化原理 2 1.2 意義、目的、研究范圍 2 1.3 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 2 1.4 本課題研究內(nèi)容 5 2 單螺桿擠壓機整體設(shè)計方案 6 2.1擠壓機的主要部件 6 2.1.1擠壓機的供料部件 6 2.1.2螺桿 6 2.1.3機筒 6 2.1.4模頭及模板 6 2.1.5其他 7 2.2擠壓機的驅(qū)動裝置 7 2.2.1 電動機的選用 7 2.2.2 傳動比分配 8 3 擠壓機零部件設(shè)計與計算 9 3.1 螺桿的設(shè)計 9 3.1.1 螺桿的結(jié)構(gòu) 9 3.1.2 螺桿各部分參數(shù) 9 3.2 機筒結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 3.3 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 12 4 螺桿和機筒強度計算及配合要求 16 4.1 螺桿強度計算 16 4.1.1 螺桿材料選取 16 4.1.2 螺桿校核計算 16 4.2 機筒強度校核 18 5 軸承布置與校核計算 20 5.1 徑向軸承 20 5.2 推力軸承 21 5.3 鍵的強度校核 21 5.4 螺桿的生產(chǎn)能力計算 22 6 加料系統(tǒng)設(shè)計 23 6.1 螺旋直徑和轉(zhuǎn)速的確定 23 6.2 螺旋主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 23 6.3 電機選用 24 6.4 潤滑油的選用 24 6.4.1 齒輪傳動的潤滑 24 6.4.2 滾動軸承的潤滑 25 7 擠壓機操作系統(tǒng) 24 7.1 安裝 24 7.1.1 擠壓機的安裝基礎(chǔ) 24 7.1.2 調(diào)整擠壓機水平 24 7.1.3 機筒的安裝 24 7.1.4 螺桿的裝拆 24 7.1.5 模頭的安裝 24 7.2 擠壓加工系統(tǒng)的操作與維護 26 7.2.1 開車前的準(zhǔn)備工作 26 7.2.2 開車操作 26 7.2.3 運轉(zhuǎn)中的檢查 27 7.2.4 停機 27 7.2.5 維護保養(yǎng) 27 8 總結(jié)與展望 29 8.1 總結(jié) 29 8.2 展望 29 致謝 30 參考文獻 31 I 3 高剪切式單螺桿擠壓機設(shè)計 1 緒論 1.1 擠壓技術(shù)介紹 1.1.1 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用 本世紀30年代，擠壓技術(shù)開始應(yīng)用于食品加工，它具有集輸送，混煉，剪切，加熱，加壓等多種化工單元操作于一體的高溫短時加工的特點，因此在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛。除了谷物及植物組織蛋白擠壓食品以外，從糖果制造到酪蛋白生產(chǎn)，從固體脂肪到風(fēng)味成分的開發(fā)，及至飼料寵物食品加工制造都用到食品擠壓機。 螺桿擠壓機能將一系列的化工基本單元過程集中在擠壓機中進行，螺桿擠出已連續(xù)生產(chǎn)代替間歇生產(chǎn)，必然有較高的生產(chǎn)率和較低的能耗，也已實現(xiàn)自動化，同時螺桿的攪拌作用業(yè)提高了混合質(zhì)量這些因數(shù)加在一起，避讓降低生產(chǎn)成本。擠壓加工技術(shù)作為一種經(jīng)濟實用的新型加工方法廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)中，并得到迅速的發(fā)展。加工谷物食品的工藝一般須經(jīng)粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、殺菌干燥等生產(chǎn)工序，每道工序都要有不同的設(shè)備，較長的生產(chǎn)線，較大的占地面積，高強度的勞動力，所需設(shè)備較多。通過擠壓技術(shù)對谷物食品進行加工，初步混合原料后，就可用一臺擠壓機完成混合、熟化、粉碎、殺菌、余干燥、成型等工藝，制成膨化、組織化產(chǎn)品或制成不膨化食品，這些產(chǎn)品在再經(jīng)油炸或微波、烘干、調(diào)味后即可上世，只要簡單根據(jù)更換擠壓磨具，并可以很方便的改變產(chǎn)品的造型。相對于傳統(tǒng)工藝，擠壓加工改變了谷物食品的加工工藝，大大減短了加工工藝過程，豐富了谷物樣式，減低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，減少了設(shè)備的占地面積，降低了生產(chǎn)勞動強度，同時改變了產(chǎn)品的形態(tài)和味道，使得產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。 1.1.2 擠壓技術(shù)在食品生產(chǎn)中的發(fā)展?fàn)顩r 上世紀30年代，人們首次把擠壓機用于方便食品谷物的生產(chǎn)中;到四十年代末期擠壓機的應(yīng)用在食品領(lǐng)域進一步擴大;50年代初的蒸煮擠壓機已經(jīng)基本上取代了當(dāng)時的餅干賠烤60年代至今擠壓機的技術(shù)以及理論得到了飛速發(fā)展，對擠壓機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝參數(shù)、擠壓過程機理進行研究，通過對擠壓機理的探討，進一步研究各種谷物以及蛋白類食物在擠壓過程中發(fā)生的一系列變化，以及擠壓食品的營養(yǎng)與吸收問題;現(xiàn)階段隨著控制技術(shù)的發(fā)展、新材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用擠壓技術(shù)得到更大的發(fā)展，生產(chǎn)能力越來越大，通過對擠壓過程的精確控制，生產(chǎn)出的產(chǎn)品愈加符合人們的期望。 采用擠壓技術(shù)加工食品在我國已有悠久的歷史，但直到70年代還停留在爆米花的手工業(yè)狀態(tài)．從70年代中期開始，尤其是近十幾年來，我國用擠壓方法生產(chǎn)食品得到了很大的發(fā)展，隨著任命生活水平的提高以及飲食結(jié)構(gòu)的變化，擠壓食品的品種和產(chǎn)量日益增多。 1.1.3 擠壓機生產(chǎn)膨化食品 本世紀30年代，擠壓技術(shù)開始應(yīng)用于高溫短時食品加工，它具有集輸送，混煉，剪切，加熱，加壓等多種化工單元操作于一體的特點，因此范圍越來越廣泛地運用于食品加工領(lǐng)域。食品擠壓機可以加工谷物和植物組織蛋白擠壓食品，可以進行糖果制造到奶酪蛋白生產(chǎn)，可以進行固體脂肪到風(fēng)味成分的開發(fā)，以及寵物飼料食品加工。 現(xiàn)在國內(nèi)外的各大生產(chǎn)膨化食品的公司企業(yè)一般都是用擠壓法生產(chǎn)膨化食品，擠壓加工概括的說是將食品物料置于擠壓機的高壓和適當(dāng)?shù)臏囟鹊臓顟B(tài)下，然后突然釋放到常壓，使物料和各種調(diào)味料、香料達到充分滲透、混合和輸出的過程。所以用蒸煮擠壓法生產(chǎn)可以取得更好的混合效果，原料利用率高，營養(yǎng)損失小，生產(chǎn)出的膨化食品口感，香味的持久力都比傳統(tǒng)的加工方法好。 總的來說，用擠壓法生產(chǎn)膨化食品是現(xiàn)今的發(fā)展趨勢。 1.1.4 擠壓膨化原理 物料中含有一定的水分,物料在擠壓機套筒內(nèi)受到螺桿的推動作用和卸料模具或套筒內(nèi)節(jié)流裝置的反向阻滯作用以及加熱作用。使得物料處于高達3~ 8MPa 的高壓和200 e 左右的高溫狀態(tài)之下。壓力超過了擠壓溫度下的飽和蒸汽壓, 使得擠出機套筒內(nèi)物料中的水分不會沸騰蒸發(fā), 物料呈現(xiàn)出熔融狀態(tài)。一旦物料從模頭擠出, 壓力將驟降為常壓, 物料中水分瞬間蒸發(fā), 溫度降至80e左右, 從而使物料變成多孔結(jié)構(gòu)形狀的膨脹食品。 1.2 意義、目的、研究范圍 食品擠壓技術(shù)具有加工范圍廣、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、加工過程無污染等特點。單螺桿擠壓機的結(jié)構(gòu)簡單、易加工制造、成本低廉，廣泛用于加工各種膨化小吃食品。本課題的任務(wù)是設(shè)計一臺高轉(zhuǎn)速、高剪切率的單螺桿擠壓機，其外部無外加熱裝置，而是利用高剪切率產(chǎn)生的摩擦熱來加熱熔融原料并使食品原料得到蒸煮熟化，從而生產(chǎn)出松脆可口的膨化谷物食品。 1.3 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 直接膨化休閑食品是一類消費非常廣泛的食品，它們是由所使用的擠壓機類型特點而被稱為玉米果，現(xiàn)在這類食品已被稱為直接膨化食品，通常，直接膨化的食品在高剪切蒸煮積壓機上生產(chǎn)的，此類產(chǎn)品是由于產(chǎn)品從擠壓機模板處出來產(chǎn)生直接膨化而得名的，并且除了干燥外不需要進一步的加工處理。一些直接膨化的休閑食品的典型代表的玉米卷（焙烤的或油炸的）、洋蔥圈、馬鈴薯條和近來的立體休閑食品。 直接膨化休閑食品的膨化過程是由加熱物料使溫度超過100攝氏度而產(chǎn)生的，在擠壓機內(nèi)面團中的水分由于面團是處于壓力之下故呈液態(tài)，然后當(dāng)面團從模板孔中擠出擠壓機時，過熱的水分突然處于常壓下，壓力迅速的降低，水分蒸發(fā)成水蒸汽，產(chǎn)生伸張的和膨脹是淀粉基質(zhì)賦予了這種產(chǎn)品一種低是密度和輕的質(zhì)地，整體密度降到50~160g/L范圍內(nèi)。這類產(chǎn)品的形狀和大小是由模板設(shè)計、擠壓物的粘彈性以及切割方式?jīng)Q定的，用于生產(chǎn)著類產(chǎn)品的設(shè)備可以是簡單的夾套式擠壓機到雙螺桿擠壓機。夾套式擠壓機用于生產(chǎn)諸如玉米卷和大米膨化物等產(chǎn)品，若對配料要求高和生產(chǎn)率高，則應(yīng)使用較復(fù)雜的單螺桿和雙螺桿擠壓機。生產(chǎn)率一般為：夾套式擠壓機50~200kg/h,有較長套筒的單螺桿擠壓機100~600kg/h，雙螺桿擠壓機150~1000kg/h。 擠壓技術(shù)作為食品工業(yè)中得一項重要技術(shù)并得到更大的發(fā)展。它能將食品原料直接擠壓成型得到我們需要的產(chǎn)品。現(xiàn)代食品工業(yè)用的螺桿擠壓機集混合、融和、蒸煮、改性反應(yīng)、 調(diào)質(zhì)、組織化、成型、膨化等多種功能于一身，體現(xiàn)出有利于自動控制、便于靈活轉(zhuǎn)產(chǎn)以及節(jié)能、節(jié)勞力、節(jié)省生產(chǎn)場地等優(yōu)點。同時，擠壓技術(shù)生產(chǎn)嬰兒食品、制品的性狀發(fā)生改變，產(chǎn)品的速溶性、沖調(diào)性提高，產(chǎn)品極易消化，且提高了氨基酸的含量。 目前擠壓技術(shù)還可以生產(chǎn)膨化小食品及夾心食品湯料、面包干、人造蛋白肉等。本設(shè)計就是生產(chǎn)擠壓膨化食品。 物料經(jīng)過擠壓后又如下特點： （1）成分損失少，有利于人體的吸收。 （2）用途廣。 （3）生產(chǎn)率高，從進料到成品僅需20-40s。 （4）成本低。 （5）維護方便。 基于以上幾點，擠壓技術(shù)可以為現(xiàn)代生產(chǎn)提供巨大的支持。 隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展，螺桿擠壓機被廣泛的應(yīng)用于食品加工當(dāng)中，特別是單螺桿擠壓機在各方面都取得了長足的發(fā)展?，F(xiàn)在單螺桿擠壓機朝著高效能、高速、自動化和輔助配套連續(xù)生產(chǎn)方向發(fā)展。在螺桿設(shè)計方面，除增大螺桿的直徑，螺桿的長徑比，也研制了各種新型高效的螺桿，同時采用了計算機設(shè)計螺桿，并對自動控制提出了要求，使得產(chǎn)品的質(zhì)量更加穩(wěn)定，生產(chǎn)產(chǎn)品的水平更上一層樓。 多段組件螺桿的單螺桿擠壓機，是由Wenger公司（1964年）創(chuàng)新設(shè)計和研制開發(fā)的成功機型。螺桿采用若干個可拆卸的單個組件，個個螺桿組件彼此連接安裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸套管與傳動齒輪箱裝配。第一段稱為定量供料螺桿，它將原料進行混合擠壓，將其運送至下一區(qū)段的螺桿組件，在中間區(qū)段的螺桿，其節(jié)距變得更短，產(chǎn)生更大的混合作用和擠壓作用，接著物料被混合并運送到的三區(qū)段產(chǎn)生更大的剪切作用。隨著剪切力和壓力的增大，產(chǎn)生揉合作用，擠壓料轉(zhuǎn)變成為塑性物質(zhì)。接著物料被推送到第四區(qū)段，該區(qū)的物料將受到更加大的剪切作用和發(fā)熱，繼而物料的溫度升高和熟化。 在一定的產(chǎn)量條件下，單螺桿擠壓機比雙螺桿擠壓機便宜1.5-2.5倍，因為結(jié)構(gòu)比較簡單，但是對一個擠壓機系統(tǒng)來講，它要對物料進行干燥等一些額外的要求，也會增加產(chǎn)品的成本。 進行綜合的比較，對能耗進行分析，由于單螺桿擠壓機廣泛的采用蒸汽或電加熱以及用水來調(diào)節(jié)以提供蒸煮加工所需的熱量，所需熱能由機械能提供的將減少。在雙螺桿擠壓過程中，較多的熱量是由輸入的機械能提供的，其他的一些熱量則是由夾套傳遞過來的。相對來說單螺桿索要的熱量消耗要經(jīng)濟一些。單摞桿擠出物的水分很高，相關(guān)的能耗使蒸煮的能耗得到補償。，所以總的能耗并不是很低。另外干燥機的效率只有40%，相比之下，雙螺桿擠壓機的優(yōu)點就是它有很多的能力來處理低水分的物料。除了低水分擠壓會導(dǎo)致配料的過度破壞和產(chǎn)品的負影響外他們兩者的能耗差別不是太大。 總的而言，單螺桿擠壓機有它不足之處，但是它也有不可替代的優(yōu)點。主要是單螺桿擠壓機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，加工的產(chǎn)品為各種膨化食品、速溶谷物粉、鍋巴類小食品，蘇釋方便米粥。還有就是其操作維修方便。設(shè)備在使用一段時間后，可以更換易損件。 從結(jié)構(gòu)上來看，單螺桿擠壓機比雙螺桿擠壓機簡單，操作上的限制也少。雙螺桿擠壓機的齒輪傳動相對復(fù)雜，兩根軸必須同向旋轉(zhuǎn)，兩軸之間狹窄的空間給設(shè)計帶來很大的困難，特別是推力軸承的放置就有很大的問題。而且，雙螺桿的扭力、壓力和比單螺桿擠壓機小的止推力限制，過度的負擔(dān)將導(dǎo)致過度的損壞而增加維修費用。 由于單、雙螺桿的不同特點，他們在食品加工中各自起著他們的作用。例如，在寵物食品的蒸煮和成型加工中，單螺桿擠壓機是經(jīng)濟而有效的方法。在需要良好的控制以及操作靈活的蒸煮反應(yīng)時，選擇雙螺桿擠壓機會更合適。物料在單螺桿擠壓機中向前輸送的原理與雙螺桿擠壓機的有些不同。在雙螺桿擠壓機中，根據(jù)螺桿的旋轉(zhuǎn)方向，嚙合程度和螺紋參數(shù)的不同，雙螺桿可以分為同向旋轉(zhuǎn)和異鄉(xiāng)旋轉(zhuǎn)、嚙合與非嚙合等多種類型。目前發(fā)展的主流類型是同向旋轉(zhuǎn)、完全嚙合梯形螺紋的雙螺桿擠壓機。在雙螺桿擠壓機中，；螺桿和機筒之間扭曲了近于閉合的C形空間，由喂料機構(gòu)進入的物料充滿這個空間并被流暢的推送向前，當(dāng)物料的體積與空隙的體積相等時，繼續(xù)送入的物料將會產(chǎn)生壓力，表面看來這是與單螺桿擠壓機一樣，具備了物料和螺桿共轉(zhuǎn)的條件。但是，對于雙螺桿擠壓機而言，在C形開口出總有另一螺桿的螺旋齒齒板旋轉(zhuǎn)著，即一根螺桿的螺旋齒板對另一根螺桿C形空間中的物料起著擋板的作用。因此物料不會和螺桿一起共轉(zhuǎn)，機筒內(nèi)部就可以做成光滑的表面，可避免不必要的摩擦，降低運轉(zhuǎn)所需要的能量，同時還可以把螺桿和機筒的間隙做小，減少物料沿縫隙逆向的漏流，機對高水分、高油分的食品原料也不易發(fā)生逆流和漏流。提高承載壓力的范圍，甚至還可以進行更高溫度的處理。 在單螺桿擠壓機中，物料基本上緊密圍繞在螺桿周圍，形成螺旋狀的連續(xù)帶狀物料。因此，根據(jù)螺桿螺母相似的關(guān)系，在物料與螺桿的摩擦力大于機筒與物料的摩擦力時，物料將和螺桿一起旋轉(zhuǎn)，這就不可能實現(xiàn)物料的輸送。在模頭附近高壓或高濕的情況下，返壓力易使物料逆流，物料的水分、油分越高，這種趨勢就越顯著。因此，單螺桿擠壓機為了解決或避免這些問題會在螺桿采取一些措施。比如增加螺桿的頭數(shù)，就是螺桿旋轉(zhuǎn)一周對物料的作用次數(shù)。頭數(shù)越多，螺桿對物料的推動能力越強。多頭的螺桿適用于粘性較高的物料。不過隨著頭數(shù)的增多，螺桿和機筒之間的空間就會更少，物料輸送的絕對量也就降低了。所以沒有必要從進料口到模頭的螺旋頭數(shù)都保持一致，可以選擇各種螺桿的放置形式以適應(yīng)各個區(qū)段的物料的變化情況。 為避免物料跟隨螺桿一起旋轉(zhuǎn)，可以采用一些方法。在物料上就是降低物料的水分和油分，減少物料與機筒的的潤滑作用。同時，應(yīng)將物料的分布控制在某個范圍之內(nèi)，即當(dāng)物料充滿螺桿與機筒的空間時，應(yīng)使后繼物料的傳輸比例降低，物料各粒子得以分散，從而降低物料在螺桿之間的緊密程度。實際上 ，食品物料一般多是不定型，不均勻，高水分，高油分，多成分的物料，因此，還沒有成熟的方法解決這些難題。不過如果采用自動化控制，會在一定程度上解決問題。單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機的不同之處見表1.1。 表1.1 單、雙螺桿擠壓機的比較 機型 項目 單螺桿擠壓機 雙螺桿擠壓機 物料移動方式 摩擦滑移 具有一定的正向輸送 加工能力 受物料成分的限制 在一定范圍內(nèi)不受限制 物料允許水分 10％～30％（最大40％） 5％～95％ 物料的熱分布 不均勻 均勻 剪切力 強 弱 逆流產(chǎn)生程度 高 低 續(xù)表1.1 加工產(chǎn)品種類 少 多 耐久性 大 比單螺桿稍差 本課題中的單螺桿食品擠壓機，能有效而穩(wěn)定的長期工作，既能保證食品質(zhì)量，減少對原材料的浪費，又能增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，降低食品成本。應(yīng)用這種食品擠壓成型機，減少了人身與食品物料的直接接觸和病菌傳播機會。這種成型機具有結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，清洗維修方便等特點，適合于在餐廳以及各個超市使用單螺桿擠壓機優(yōu)于雙螺桿擠壓機最主要的一點是其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，因此在食品工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，只有當(dāng)單螺桿擠壓機在生產(chǎn)中不能得到完全令人滿意的效果時才改用雙螺桿擠壓機。螺桿擠壓機在膨化食品擠壓應(yīng)用廣泛。目前，美國、日本及西歐等國家對擠壓膨化的理論研究越來越完善，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，各種各樣的擠壓食品遍步超市貨架。美國生產(chǎn)的大型擠壓膨化機生產(chǎn)能力已達每小時幾噸至十幾噸，有關(guān)擠壓膨化和設(shè)備的專利已達百余項 ，擠壓產(chǎn)品遍及世界各地，由于食品工業(yè)日新月異的發(fā)展，擠壓設(shè)備的不斷改進，擠壓理論的不斷完善，擠壓食品在消費者中的地位也越來越重要。 1.4 本課題研究內(nèi)容 在單螺桿擠壓機中，大部分能量在機筒上傳導(dǎo)。這些能量既有通過機筒外熱的傳導(dǎo)，也有由于螺桿本身的剪切作用所產(chǎn)生的機械能。其中機械能的大小是由螺桿轉(zhuǎn)速和螺桿結(jié)構(gòu)所決定的，這是因為剪切率與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而對于一臺確定的擠壓機，螺桿結(jié)構(gòu)一般是預(yù)先確定的，修改的可能性很小。對于大型單螺桿擠壓機，熱交換及其輸送產(chǎn)量和壓力的增加都將變得更加困難，因為擠壓機的尺寸越大，物料的表面積與體積之比就越小。 本設(shè)計名為自熱式單螺桿擠壓機，即是用螺桿本身的剪切作用所產(chǎn)生的機械能而產(chǎn)生的熱量來加熱物料，而不需要在外部通過加熱裝置進行預(yù)熱物料處理。 2 單螺桿擠壓機整體設(shè)計方案 2.1擠壓機的主要部件 典型的擠壓機的構(gòu)成包括以下4個主要部件：供料機構(gòu)、螺桿及其傳動機構(gòu)、機筒、模頭。螺桿的傳動如圖2.1所示。 圖2.1 螺桿的傳動 2.1.1擠壓機的供料部件 有兩種形式，水平型和垂直型，它們都配有一個料斗，用來接收和暫存待擠壓的原料，并將其運送至螺桿。為了確保原料能有暢流的運動和避免產(chǎn)生“架橋”，料斗內(nèi)配裝攪拌機，或者采用寬大的出料口，這樣，將有助于該機構(gòu)保持不間斷的均勻供料工況。 ⑴ 喂料基本要求 按照設(shè)計實際需要及具體條件來決定裝置設(shè)計 ⑵ 重力加料 物料在料斗中依靠本身的重力進入擠壓系統(tǒng)，在料斗上方設(shè)置喂料器，均勻的喂料，且能控制喂料量，滿足各種不同物料加工需要，避免進料不均勻的現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。 2.1.2螺桿 通?？梢赃@樣講，螺桿是擠壓機最重要的部件，它不僅決定擠壓機的熟化和糊化功能強度，而且還決定最終成品的質(zhì)量。不同的螺桿，有不同的擠壓功能。螺桿的擠壓功能，決定于螺桿的設(shè)計參數(shù)。 2.1.3機筒 包圍在螺桿外面的螺套，本設(shè)計采用整體結(jié)構(gòu)。機筒內(nèi)表面通常制成凹槽形狀，有的是直線型凹槽，有的是螺線型凹槽。螺線型凹槽，產(chǎn)生助推的順流，而直線型凹槽，則阻礙順流。因而，直線型凹槽會導(dǎo)致較低的流速，但其機械剪切作用則更大。螺桿與其機筒之間的間隙距離，通常保持在最小程度，藉以減少滲漏流。 2.1.4模頭及模板 在機筒的終端，通常配裝具有各種形狀孔眼的模壓盤，一般被稱之謂模頭。模頭具有雙重功能：將擠壓料模壓成所要求的形狀。確定模頭孔眼的幾何形狀，對于擠壓產(chǎn)品外形及質(zhì)量有很重要的作用。目前，已開發(fā)應(yīng)用多種孔眼形式的單程模壓模頭，例如圓筒形孔眼模頭，狹槽形孔眼模頭，環(huán)狀形孔眼模頭，以及雙程模壓模頭。在雙程模壓模頭內(nèi)的進料，來自兩臺擠壓機單程模壓的出料口，可加工成具有雙重顏色或雙重味道的擠壓制品。 （1） 模板設(shè)計原則為：熔融料的流道呈十分光滑的流線型，不得有突變，更不能有死角和滯留區(qū)；保證模板有足夠的壓縮比，使料能在模板內(nèi)形成必要的壓力；在強足夠的條件下，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工制造和裝拆維修。同時結(jié)構(gòu)盡量對稱，以使傳熱均 勻；材料選用合理。 （2） 對模板材料的要求：耐蝕和耐磨損；在模板的內(nèi)壓作用下有足夠的強度剛度；在高溫下不變形，模板各組成零件視所處位置和工作要求可選不同的材料。對模板的加工裝配要求：模板的裝配要求高，各零件的加工視作用不同而異。所以，選用材料為：38CrMoAl氮化處理。 2.1.5 其他 另外還有的就是動力提供裝置，包括電動機和減速器等等。 2.2擠壓機的驅(qū)動裝置 1) 電動機 可選用結(jié)構(gòu)簡單，價格合理，穩(wěn)定可靠的工業(yè)用機。 2) 變速裝置 擠壓機所生產(chǎn)的產(chǎn)品各不相同，螺桿的速度也會不一樣，變速的方法可以是采用變速電機比如無級變速的，比較先進的是可控硅交流變速。 3) 傳動裝置 擠壓機螺桿的轉(zhuǎn)速一般不會很高，小于500rpm，可以選用減速裝置將其直接減到一定的范圍即可。 4) 推力軸承 在擠壓過程中會產(chǎn)生一定的壓力，通過螺桿傳遞到傳動裝置，因此需要增加一些軸承以平衡這些力。軸承的壽命為小時。 2.2.1 電動機的選用 螺桿轉(zhuǎn)速一個關(guān)鍵性參數(shù)，因此在本設(shè)計中，我們將采用無級調(diào)速電機與有級減速機的組合。 采用無級調(diào)速電機，主要是因為其工作特性曲線與擠壓機的工作特性曲線很接近，如圖3所示。采用它來作原動機，能夠保證有較高的功率因素與效率()，且啟動性能好，運行穩(wěn)定，可得到較合理的使用。為使螺桿獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，電機調(diào)速不應(yīng)太低，控制在1300r/min左右。采用有級減速機，承擔(dān)大部分的傳動比，可滿足這一要求。 為減小整機外形尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊，電機置于下方，通過帶輪傳動帶動減速機。帶輪不僅可以分擔(dān)一定的傳動比，而且還可使整個系統(tǒng)傳動穩(wěn)定，并起到過載保護的作用。 圖2.2 調(diào)速電機的特性工作曲線 所需電動機功率為： (式2.1) 式中：——工作機要求的電動機輸出功率：kw ——工作機所需要的輸入功率： kw ——電動機到工作機之間的傳動裝置總效率 根據(jù)螺桿的轉(zhuǎn)速和螺桿直徑。 直徑 D=45mm轉(zhuǎn)速 n=300r/min 擠壓機輸出功率估算： (式2.2） 選取電機YCT280-4A 額定功率30KW，轉(zhuǎn)矩189，調(diào)速范圍132-1320r/min滿足設(shè)計要求。 2.2.2 傳動比分配 1. 總傳動比 為保證螺桿有較高的轉(zhuǎn)速，滿足一定的螺桿輸入轉(zhuǎn)矩，取電機工作轉(zhuǎn)速1320r/min,擠壓機工作轉(zhuǎn)速300r/min，則總傳動比為： 2. 帶輪傳動比 因為螺桿要高的轉(zhuǎn)速，總傳動比較小而減速器要承擔(dān)大部分傳動比，帶輪將選用較小的傳動比，同時，這樣也可減小機器尺寸和重量，便于安裝。在設(shè)計中，我們初取帶輪傳動比=1.2 3. 減速器選用 參考1157~1158，按強度選用減速機。 計算功率 （式2.3） 工況系數(shù)KA按輕微沖擊查表18-40得 =1 減速機傳遞功率 （式2.4） 則計算計算功率= 1×27.21=27.21 查表9-2-8選用ZDY-100型減速器，其許用輸入功率PP1=28kW，傳動比 7 3擠壓機零部件設(shè)計與計算 3.1 螺桿的設(shè)計 3.1.1 螺桿的結(jié)構(gòu) 普通螺桿按其螺紋升角和螺槽深度分為： 等距變深，等深變距，變深變距。本設(shè)計中將采用等距變深螺桿，即螺桿的螺距不變而螺槽深度變化。 3.1.2 螺桿各部分參數(shù) （1）螺桿直徑 選取螺桿直徑 =45mm根據(jù)， （式3.1） 式中 Q -----生產(chǎn)能力 (kg/h) ------螺桿外徑 (mm) -----螺桿轉(zhuǎn)速 (n/min) ---經(jīng)驗出料系數(shù)，取0.003—0.007 計算出 Q=164kg/h。 （2）螺桿長徑比 從擠壓理論得知，在其他條件一定時，增大長徑比，即等于增加螺桿的長度。結(jié)果物料在螺桿中的停留時間也延長，即保證了物料有充分的熔融時間，但對熱敏性的物料，過大的長徑比易于造成停留時間過長而熱分解。由于本設(shè)計中需要加工的物料只要將其熟化或者半熟化，并擠壓成型即可。所以只取 則螺紋段長 （3）螺桿各段主要幾何參數(shù) 物料在螺桿中的擠壓經(jīng)歷固體輸送、熔融和均化的過程。因此，整個螺桿的設(shè)計通常分為三部分。以下具體計算確定各段的幾何參數(shù)。 a 螺距 S 由于本設(shè)計設(shè)計成等距變深螺桿，從輸送段到均化段統(tǒng)一取螺距S=35mm b 各段長L 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)（Pg75~77），確定各段長如下： 加料段 L1＝15%~30%L＝121.5~243mm，取螺距S＝35mm的整倍數(shù)， L1＝215mm 熔融段 L2＝50%~60%L＝405~486mm。出于段長取螺距倍數(shù)的考慮，取 L2＝420mm。 均化段 L3＝L－L1－L2＝810－215－420＝175 c 螺槽深度 H 輸送段螺槽深度，在理論上大，固體輸送量增大。在確定時要考慮螺桿的機械強度和物料的物理壓縮比大小。一般先確定均化段螺槽深度后，再由螺桿幾何壓縮比來計算加料段的螺槽深度。均化段螺槽深度 =（0.025~0.06）D=1.125~2.7mm （式3.2） 取= 3mm,初步取壓縮比i=3。根據(jù)三段螺紋升程相等，螺棱寬度e也相等。所以=9 取=10mm. d 螺紋升角 參考Pg161公式 螺桿外徑處螺紋升角 （式3.3） 螺桿根徑處螺紋升角 （式3.4） 分別計算出各段的螺紋升角θs、θb，列表3-1如下： 表3-1 各段螺紋升角 第一段 第二段 第三段 θb 24° 19° 16° θs 14° 14° 14° 圖3.1梯形螺紋斷面 （4）螺紋斷面形狀的確定 對于小直徑螺桿，一般選用梯形螺紋，由于其前后緣有較大的傾角，有利于物料的流動，同時具有較好的混合和均化物料的作用。其斷面形狀如圖3.1所示。 本設(shè)計中，各段螺紋統(tǒng)一取傾角 α= 15° 圓角半徑 r=0.5mm,R=(0.5~0.67) 取1mm, （式3.5） 螺棱頂寬 e＝(0.08~0.12)＝3.6~5.4mm （式3.6） 取e=5mm . 壓縮比i 全螺紋螺桿的壓縮比，等于加料段一個螺距的螺槽容積與擠出段一個螺距的螺槽容積之比，不計過渡圓弧的影響，其計算式如下： （式3.7） 式中 S1、S2——分別為加料段、擠出段的螺距 m1、m2——分別為加料段、擠出段的螺紋頭數(shù) e1、e2——分別為加料段、擠出段平均直徑處的螺紋軸向厚度 D、d —— 分別為螺桿外徑、根徑 F1、F2——分別為加料段、擠出段的嚙合面積的一半 由于是單頭螺紋，截面形狀一致， D1=D2，d1=35，d2 =43 e1=e2= e=5，m1=m2=1， 忽略嚙合面積F1、F2，初步估算壓縮比 （式3.8） 由于螺桿等深，截面形狀一致，據(jù)有相關(guān)資料，物料在擠壓過程中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，本身由固體粉料轉(zhuǎn)化為熔體將有兩倍左右的物理壓縮比。如果擠壓機本身的壓縮比過小，將會導(dǎo)致擠壓過程中需要較大的進給速度或更大的螺桿轉(zhuǎn)速，才能滿足所需要的壓力和充滿程度。另外，考慮到化學(xué)反應(yīng)對壓縮比的影響，我們認為估算值還是有一定參考意義的。 圖3.2 螺桿設(shè)計圖 3.2 機筒結(jié)構(gòu)設(shè)計 機筒采用整體式機筒，其特點是長度大，加工要求比較高，在加工精度和裝配精度上容易得到保證（特別是螺桿和機筒的同軸度要求），簡化了裝配工作，在機筒上設(shè)置外加熱不容易受到限制，機筒受熱均勻，應(yīng)用比較廣泛。在機筒和螺桿的加工方面，螺桿的外圍粗糙度定為1.6，在車床上面進行磨削加工，而機筒外層可在主式磨床上采用平行磨進行深孔磨，其粗糙度取3.2。螺桿及機筒的外圍及內(nèi)孔的精度要求，較高是為了減少物料對其表面的磨損，我們要求的是物料被進行高剪切，同時減少對設(shè)備的磨損，延長機器的使用壽命。 螺桿和機筒在擠出機受到高溫，高壓的作用，同時受到機械刮磨及化學(xué)腐蝕作用。從螺桿和套筒的磨損機理中是較為復(fù)雜的，其中主要包括有：粘連磨損，磨料磨損，分層磨損，化學(xué)磨損。 機筒螺桿共同組成了擠壓機的擠壓系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式關(guān)系到熱量傳遞的穩(wěn)定性和均勻性，在設(shè)計機筒時，要考慮到機筒結(jié)構(gòu)形式的選擇，機筒上的加料口形式，機筒和機頭的連接方式以及機筒機械加工的難易等問題。 機筒元件的結(jié)構(gòu)形式分為：帶加料口的機筒元件，帶側(cè)加料口的機筒元件等等。設(shè)計采用的是帶加料口的機筒元件。 料口的結(jié)構(gòu)設(shè)計，加料口的結(jié)構(gòu)必須與物料形狀相適應(yīng)，使被加工的物料能從料斗或加料器中不斷流入螺桿不中斷，對各種粉料和帶狀物都能很好的適應(yīng)，且用的較多。 圖3.3 機筒設(shè)計圖 3.3 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 以下設(shè)計計算參考 設(shè)計功率：電機輸出功率,工作情況系數(shù) 取1.1 小帶輪轉(zhuǎn)速取r/min初定傳動比=1.2 計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果 定 V 帶 輪 型 號 和 帶 輪 直 徑 工作情況系數(shù) 11.5 選帶型號 11.15 選B型 小帶輪直徑 36.1-24 大帶輪直徑 ＝ (設(shè)＝1%) 取基準(zhǔn)直徑 ?。?36mm 大帶輪轉(zhuǎn)速 ＝ =1006.8r/min 計 算 帶 長 求Dm ＝218mm 求⊿ ⊿＝ ⊿＝18 初取中心距 初取中心距： 帶長 ＝=1993 （式3.9） 基準(zhǔn)長度 取 L=2000mm 求 中 心 距 和 包 角 實際中心距 a＝+=657.5 取a＝657mm 小輪包角 α1＝176.86°＞120° 求 帶 根 數(shù) 帶速 傳動比 帶根數(shù) 單根帶功率 ＝4.5kW； ＝0.98； ⊿； ＝0.98； 取z＝6根 求 軸 上 載 荷 張緊力 由 q=0.17 單根帶拉力 軸上載荷 ＝3864N 材 料 與 結(jié) 構(gòu) 帶輪結(jié)構(gòu) 小帶輪采用實體式，大帶輪設(shè)計成腹板式，具體外形結(jié)構(gòu)略 帶輪材料 大、小帶輪均采用HT200鑄造 圖3.4 帶輪設(shè)計圖4 螺桿和機筒強度計算及配合要求 4.1螺桿強度計算 4.1.1螺桿材料選取 螺桿材料選用38CrMoAlA，氮化處理，其綜合性能較好，使用廣泛。主要性能參數(shù)詳見表1。 表4-1 我國螺桿和機筒的常用材料 材料類別 性能 45# 40Cr鋼鍍鉻 38CrMoAlA 屈服極限() 360 800 ＞850 最高使用溫度(℃) — 500 500 熱處理硬度(HRC) — 基體≥45，鍍鉻層＞55 ＞65 耐HCL腐蝕性 不好 較好 中等 熱處理工藝 簡單 較復(fù)雜 復(fù)雜 線膨脹系數(shù) （10-6/℃） 12.1 基體13.8，鉻層8.2~9.2 14.8 相對價格 1 1.5 2.5 4.1.2 螺桿校核計算 圖4.1 螺桿的受力示意圖 螺桿的受力狀態(tài)如圖4.1所示。在螺桿的全長上主要受到物料的壓力p、克服物料的阻力所需的扭矩Mt和自重G的作用。由圖可知，沿螺桿徑向所受的壓力p大小相等，方向相反，因而可互相抵消，計算時只考慮p對螺桿軸向的影響（即軸向力pz）。通過以上分析，對螺桿的強度計算，可歸結(jié)為壓、扭、彎聯(lián)合作用下的復(fù)合計算，由于一般情況下螺桿根徑處的承載能力最差，因此可進一步地歸結(jié)為在上述復(fù)合應(yīng)力作用下螺桿根徑斷面強度計算。 以下參考對螺桿進行強度校核計算： 1) 由軸向力 產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力 (式4-1） 取螺桿軸向最大壓力＝50MPa桿外徑＝45mm,取螺桿內(nèi)徑平均值=32mm，代入上式，得 2) 由扭矩Mt產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ （式4-2） 根據(jù) pg134式（1-5-2b) 對于D≤90mm的擠出機，取K＝0.00354，另取n為螺桿最高轉(zhuǎn)速＝n＝300r/min. 則計算所得擠壓機驅(qū)動功率 取傳動效率＝0.85，則電機輸出功率 查 選用YCT280—4A調(diào)速電機。YCT280—4A機的基本技術(shù)參數(shù)如下表4.2所示： 表4-2 YCT280—4A電機的主要技術(shù)參數(shù) 標(biāo)稱功率 （kW） 輸出轉(zhuǎn)矩 （N·m） 額定轉(zhuǎn)速下調(diào)速范圍（r/min） 轉(zhuǎn)速變化率δ不大于% 30 189 1320—132 3 取擠壓機主電機最大傳動功率=25kw則 3) 螺桿自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 （式4-3） 將L＝0.81mρ＝7.85×103kg/m3代入上式，得 4) 螺桿的復(fù)合應(yīng)力 根據(jù)材料力學(xué)可知，對于塑性材料合成應(yīng)力應(yīng)用第三強度理論計算，即 （式4-4） 式中 （式4-5） 螺桿材料許用應(yīng)力： （式4-6） 由表2-2，?。?50MPa，＝3， 則 所以復(fù)合應(yīng)力 ＝(118.532＋4×1072)1/2＝244.6MPa＜＝283.333MPa 螺桿強度足夠。 4.2 機筒強度校核 根據(jù)式（3-15）得： Pa （式4-7） 根據(jù)式（3-16）得： pa （式4-8） 根據(jù)式（3-19）得： pa （式4-9） 根據(jù)式（3-20）得： （式4-10） = =1.02×10Pa<［］=2.833 Pa 所以，機筒強度足夠。 經(jīng)過上述計算,螺桿機筒部件圖見圖4.2。 圖4.2 螺桿機筒部件設(shè)計圖5 軸承布置與校核計算 5．1徑向軸承 在設(shè)計從動軸時，基于徑向力和軸向力分別由徑向軸承和推力軸承承擔(dān)的考慮，同時由于兩軸中心距較小，限制了徑向軸承的外徑，故本設(shè)計中選用強度和尺寸要求都很好的雙列滾針軸承NA6907,以下我們參考Pg377對其進行動載荷校核計算。 圖5.1 軸承布置 計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果 沖擊載荷系數(shù) 查表(按輕微沖擊選取) ＝1.2 徑向力Fr 分別計算A、B兩處軸承承受的徑向力 ＝[RAx2＋RAy2]1/2 ＝[6358.2452＋1513.9682]1/2 ＝6536.006N ＝[RBx2＋RBy