橡胶密炼机混炼工艺瞬时功率控制法

橡胶密炼机混炼工艺瞬时功率控制法

黄光

株洲时代新材料科技股份有限公司   湖南省株洲市    412007

摘要：随着社会的快速发展，橡胶行业特别是橡胶轮胎行业也紧跟发展潮流，其中初始原配料工序中关键设备——密炼机需求大量增加，而密炼和上辅机中高分子聚合物的碳黑、胶片、胶块、各种药品以及油料的需求生产量所占比例越来越大，仅仅靠人工去搬送上述各种物料会大大的影响炼胶的效率。此外，密炼机需要的物料有很多，如果光靠人工搬运、称量、投料，工人的劳动强度会非常大，而且碳黑粉尘及其他有毒有害原料会对环境造成严重的影响。

关键词：橡胶密炼机；混炼工艺；瞬时功率控制法

引言

密闭式炼胶机（简称密炼机）又称捏炼机，主要用于橡胶或塑料的塑炼和混炼。密炼机是在开放式炼胶机（简称开炼机）基础上发展起来的一种高强度、间隙性混炼设备。开炼机发明于1820年，由于劳动强度大、效率低、粉尘大等缺点，严重影响操作人员健康，因此将其罩起来，这种设计逐步发展出密炼机。自1916年出现真正意义上的本伯里（Banbury）密炼机后，密炼机的优势逐渐被人们所认识。在橡胶混炼过程中，密炼机比开炼机具有更多优点：混炼容量大、时间短、效率高、粉尘飞扬少、配合剂损失小，同时工作环境好、操作安全、劳动强度低、机械化与自动化程度高、胶料质量好等。

1密炼机转子的模态分析

1.1定义材料属性与网格划分

1.1.1橡胶密炼机转子材料

采用45号钢；分析时将其定性为线弹性材料，然后在AnsysWorkbench平台中设置其工程数据，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0.31，密度为7.85g/cm3。在对转子进行有限元分析时，对模型进行网格划分是极其重要的一步，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。为了优化网格，在AnsysWorkbench平台中首先对模型的转子轴以及棱体进行分割，并使用fromnewpart命令将其合并为一个多体，使其节点共享。网格划分方法选择Tetrahedrons（四面体网格），其中转子棱体部分网格平均单元边长设为5mm，转子轴部分网格平均单元边长设为10mm。

1.1.2约束添加

转子轴主要由2个可调心的滚子轴承支撑，其位置为图3中A和B处。在不考虑轴承角刚度的情况下，本次分析可认为轴承只有径向刚度且为常值，则轴承可简化为径向压缩的弹簧单元。本转子的轴承型号选用22215CC/W33，其内径为75mm，外径为130mm，厚度为31mm，额定动荷载为238kN，接触角为12°，滚动体数目为34，滚动体直径为10mm。计算可得22215CC/W33的径向刚度K为1090N/um，又由于轴承与转子轴的接触面积S为7300.5mm2。因此，本次分析在Mechanical中对于转子轴承处分别添加elasticsupport（弹性约束），其值为149.3N/mm（3即K/s）。

2主机技术进展

2.1主机类型

目前世界上主要有3种间歇式密炼机，即美国的本伯里密炼机、德国的GK型密炼机、英国的K型密炼机。

2.1.1本伯里密炼机

本伯里密炼机是1915年美国法雷尔（Farre1）公司生产的以发明人命名的密炼机，几经发展改进，本伯里密炼机型号从D型发展到F型（二棱和四棱），D型密炼机是把开炼机的剪切挤压式圆形辊筒改为棱形曲轴式辊筒（转子），F型密炼机采用线形相切的椭圆形辊筒（转子）。由于辊筒（转子）形状不同，密炼机与开炼机的混炼效果也不同。本伯里密炼机适用于大批量胶料混炼，其用量约占密炼机总用量的1/3。桦林集团股份有限公司1987年引进了两套意大利波米尼（Pomini）公司生产的F270型密炼机。大连橡胶塑料机械股份有限公司是我国最早生产密炼机的厂家，其20世纪50年代引进原苏联技术，1986年研制出了F270L型密炼机。经过30多年的发展，目前我国本伯里密炼机主机关键技术已接近国际先进水平。

2.1.2GK型密炼机

1913年，德国W&P公司最早获得了GK型密炼机的专利技术并投入生产，以后逐步发展为GK型密炼机，简称G型密炼机。GK型密炼机的原理与本伯里密炼机相似，也是把开炼机的剪切挤压式圆形辊筒改进为棱形曲轴式辊筒（转子）。GK型密炼机包括GKN型非啮合切线型椭圆转子密炼机和GKE型啮合型圆筒转子（二棱和四棱）密炼机。GK型密炼机适用于大批量胶料混炼，其用量也较大，约占密炼机总用量的1/3。东风金狮轮胎有限公司1986年从德国引进GK300型密炼机，用其混炼的胶料性能稳定。益阳橡胶塑料机械集团有限公司引进了德国GK型密炼机技术，1986年研制出GK270型密炼机。经过30多年的发展，目前益阳橡胶塑料机械集团有限公司GK型密炼机主机关键技术已接近国际先进水平。

2.1.3K型密炼机

1934年，英国人R．Cook获得与开炼机辊筒形状相同且带齿的咬合式转子密炼机专利，并在英国弗兰西斯-萧（Francis-Show）公司投入生产，即为K型密炼机。1937年意大利波米尼公司对咬合式密炼机进行了改进，研发出与开炼机一样可调整转子间隙的可变辊距K型密炼机，接着又研发出了两个转子转速相同的同步转子K型密炼机。K型密炼机适用于低温、高质量的胶料混炼，其用量约占密炼机总用量的1/10。西北橡塑研究设计院有限公司和枣庄安泰橡胶有限公司在20世纪90年代引进了K2A4型密炼机，该密炼机具有混炼速度快、胶料混炼均匀等优点，能够混炼出邵尔A型硬度达90度的胶料。

2.2主机主要构件

2.2.1转子

由于受到摩擦、挤压、腐蚀、高温以及巨大转矩的作用，密炼机转子要求具有一定的强度、刚度，以及良好的耐磨性能、耐化学腐蚀性能和传热性能。转子材料常选用铸钢（ZG45），转子的突棱顶和其他工作面分别堆焊一层厚度为5～8或2～3mm的耐磨硬质合金。过去由于材质和焊接工艺不能达到要求，国产转子使用一段时间后常出现裂纹、甭口掉块和断裂等情况。经过30多年的发展，我国密炼机转子的使用寿命已接近进口产品。为提高转子性能，近年来我国密炼机生产企业优化了转子突棱长度、角度、间距和转速等指标，许多企业利用计算机技术进行三维模拟设计。为避免混炼死角，达到混炼均匀的要求，目前采用二棱和四棱转子的密炼机较多。近年来国外研制出了断面为三角形的转子并已成功用于生产中，我国研制出了销钉转子，并正在推广中。为保证胶料在临界温度下混炼，必须合理控制转子温度。转子一般采用螺旋夹套式冷却、内部表面开螺旋沟槽（GK型密炼机）冷却和一般强制冷却。国产转子两端一般设有反螺纹与端面接触式自动密封装置，密封装置的摩擦面通过油泵强制注入干油润滑。目前国产转子的密封装置性能不及国外，仍需要改进。

2.3密炼室

由于密炼机部件与胶料接触部位产生磨损，使用一段时间后，密炼机的密炼室净容积增大、转子凸棱边缘磨圆，从而迫使用户调整胶料配方。一般密炼室材质为Q235A钢，壁面堆焊厚度为2～4mm的耐磨硬质合金。为了保证胶料混炼均匀，密炼机的转子、密炼室正面壁、卸料门顶部的温度必须为胶料的临界温度。为使胶料达到最佳分散和混炼效果，胶料与转子、压砣和卸料门之间不应发生粘附，与密炼室壁则应略有粘附。密炼机在长期使用过程中，因受振动、磨损、压力、温度以及反复拆装等影响，各结合面的静密封部位容易出现渗漏，既造成油料浪费，又污染环境，特别是国产密炼机的跑、冒、滴、漏现象比较严重，该问题可以通过更换密封垫等措施来改进。

结语

目前国内外橡胶和塑料行业密炼机发展迅速，国产密炼机转子的材质和结构都有所改进，许多密炼机还配备了自动称量装置、自动切刀和联动冷却胶片装置等，这些装置的技术已接近国际先进水平。但国产密炼机的压砣压力稳定性、整机密封性能、自动称量识别精度、集成电路模块化、胶片厚度均匀性等仍有待提高。

参考文献

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