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2-1开炼机的发展动向
炼胶设备是橡胶工业中的通用设备,在所有橡胶制品加工中都必须经过炼胶加工工序。
开炼机全称开放式炼胶机,是橡胶工业中的基本设备之一。
它是橡胶工业中使用最早,结构比较简单的最基本的橡胶机械。
早在1820年就出现了人力带动的单辊槽式炼胶机。
双辊筒炼胶机于1826年应用在橡胶加工生产中,至今已有180多年的历史。
我国设计制造大型开炼机始于1955年。
近五十年来开炼机的设计和制造水平有了很大提高。
近几年来国产新型结构开炼机不断的涌现。
有力地促进了开炼机地发展。
到目前为止,国产开炼机已成为系列,并完成了部分规格的定型设计工作,并已出口国外。
随着橡胶工业的不断发展,开炼机在逐步的完善和不断的更新。
在自动化流水混炼作业线中,由于挤出压片机、密炼机和连续混炼机等设备的应用和发展,开炼机的使用范围已显著缩小,但在中、小型工厂中,特别在再生胶和小批量特殊胶种以及胶料的生产中,应用仍较为普遍。
国外人士认为,密炼机并没有代替开炼机,密炼机只是制造出接近完成的胶料,而以后的加工,最好还是用开炼机去继续完成。
国外开炼机系列近年来都无多大变化,结构上已趋于定型,只不过是在零部件方面不断创新。
其发展的动向是提高机械化自动化水平,改善劳动条件,提高生产效率,减小机台占地面积,完善附属装置和延长使用寿命等方面。
今后发展方向:
①控制方面,实现自动化操作,改善劳动条件
②调距方面
③轴承方面
④安全装置(全方位刹车)
⑤传动方面,采用双出轴
⑥辊筒的材质及铸造方法。
2-2开炼机的用途与分类
先讲几个工艺的基本概念
1.塑炼(milling):
把弹性生胶转变成可塑状态的工艺加工过程。
特征:
分子量降低,弹性降低,可塑性增大,流动性好,永久变形增大等。
2.混炼(mixing,blending):
将各种配合剂混入生胶中制成质量均匀的混炼胶的工艺过程。
3.压片(millsheeting):
根据工艺要求,在开炼机上把胶料压成一定的宽度和厚度的工艺过程。
4.供胶:
根据工艺要求,在开炼机上把压成一定的宽度和厚度的胶料,送到下一步工艺(挤出、压延)的工艺过程。
5.热炼(millwarm-up):
根据工艺要求,在开炼机上把胶料加工成一定的温度和可塑度,并送到下一步工艺(热喂料、压延)的工艺过程。
一、用途
开炼机主要用于:
1.生胶的塑炼、破碎、洗涤、压片;
2.胶料的混炼、压片以及胶料中的杂质清除;
3.混炼胶的热炼、供胶;
4.再生胶的粉碎、混炼、压片。
此外,它还广泛应用于塑料加工和油漆颜料工业生产中。
从目前来看,开炼机的用途还是很广泛的,现在在许多方面用密炼机可以代替,但开炼机仍有实际意义。
1.在中、小型厂是必备的实用设备。
因为密炼机的投资大,而且密炼机的用途不如开炼机的广泛。
2.某些对热敏性强的混炼胶可避免早期硫化,而便于散热,必须用开炼机混炼。
3.某些生产厂家混炼各种不同颜色的胶料,只用开炼机便于清洗。
4.特殊用途橡胶,如丁腈加强胶
二、类型
由于工艺用途不同,其结构也有差异,为满足工艺操作的要求,一般按其用途来分,如下表:
类型
混面形状
主要用途
混(塑)炼机
光滑
生胶塑炼、胶料混炼
压片机
压片、供胶
热炼机
光滑或沟纹
胶料预热、供胶
破胶机
沟纹
破碎天然胶块
洗胶机
除去生胶或废胶中的杂质
粉碎机
废胶块的破碎
精炼机
腰鼓形
除去再生胶中的硬杂质
再生胶混炼机
再生胶粉的捏炼
烟胶片压片机
烟胶片压片
绉片压片机
绉片压片
实验用炼胶机
各种小量胶料实验
2-3开炼机基本结构
――MainCompositionofmill
开炼机主要由辊筒、轴承、机架、压盖、传动装置、调距装置、润滑系统、辊温调节装置和紧急制动装置等组成(见下图)。
开炼机虽然大小不同,但其基本结构都是大同小异的。
下面我们要了解几种不同结构的开炼机
⒈老式传动开炼机2、新型传动式开炼机
3、双电机传动式开炼机4、带翻胶装置开炼机
5.下面是一个开炼机的三维动画
2—4开炼机的工作原理
开炼机为什么能够把高弹性的生胶转变为具有可塑性状态的塑炼胶呢?
如何把橡胶与各种配合剂均匀混合在一起?
这是因为开炼机在炼胶过程中主要是依靠两个相对回转的辊筒对胶料产生挤压、剪切作用,经过多次捏炼,以及捏炼过程中伴随的化学作用,将橡胶内部的大分子链打断,使胶料内部的各种成分掺和均匀,而最后达到炼胶的目的。
从辊筒间隙中排除的胶片,由于两个辊筒表面速度和温度的差异而包覆在一个辊筒上,重新返回两辊间,这样多次往复,完成炼胶作用。
在塑炼时促使橡胶的分子链由长变短。
弹性由大变小;
在混炼时促使胶料各组分表面不断更新,均匀混合。
在间歇操作的开炼机上,加料后胶料反复通过辊距数次,最后切割下片。
如图2-2所示。
在用作连续操作的开炼机上,胶料从辊筒的一端连续的加入,按炼胶工艺规定的时间反复通过辊筒数次,从辊筒的另一端连续切割所要求胶条。
如图2-3所示。
那么,胶料在开炼机上加工时,应具备哪些条件才能得到良好的炼胶效果呢?
我们将从两个方面进行讨论,即分别从力学角度和流变学角度加以讨论。
图2-2间歇炼胶过程图
1-加料2-捏炼3-切割胶料
图2-3连续炼胶过程图
1-切胶刀2-带状胶条
一、从力学方向来研究胶料进入辊距的条件
在炼胶操作时我们可见,当胶料包覆一个辊筒后两辊筒间还有一定数量的堆积胶,这些积胶不断被转动的辊筒带入辊隙中去,而新的积胶又不断形成。
这些堆积胶对炼胶效果的影响是很大的。
若堆积过多,过多的堆积胶便不能及时进入辊隙,只能原地轻轻抖动,此时炼胶效果显著下降;
若堆积胶过少,则不能形成稳定连续的操作。
可见,确定适量的堆积胶是必要的,为此就需要引入一个称之为接触角的概念。
如图2-4所示。
所谓接触角,即胶料在辊筒上接触点a与辊筒断面圆心连线和辊筒断面中心线的水平线的交角,以α表示。
胶料能否进入辊隙,取决于胶料与辊筒的摩擦系数和接触角的大小。
以胶料为研究对象,以接触点A点作为边缘研究点,在炼胶过程中,胶料对辊筒产生径向作用力(合力)——即横向压力,用P表示,反过来,根据作用力与反作用力的关系,辊筒对胶料产生一个大小相等、方向相反的作用力——横压力的反作用力,用F表示。
把这个力分解成一个水平作用力Fx和切向作用力Ft。
Fx的作用:
是对胶料产生挤压作用,并使其产生变形;
Ft的作用:
是把胶料推出辊距;
图2-4胶料受力分析
另外,胶料与辊筒之间在运动过程中产生摩擦作用,即有摩擦力存在,胶料对辊筒的摩擦力用T'
表示,方向背离辊距。
反过来,辊筒对胶料的摩擦力,用T表示,方向进入辊距,它的作用是把胶料拉入辊距。
若想胶料进入辊距进行炼胶,只有
T>
Ft
T-为摩擦力,应为T=F·
μ,F为正压力,μ为摩擦系数;
μ=tgφ,φ为摩擦角。
∴T=F·
tgφ
从图上可以看出,即从△FtFA得知
Ft=F·
tgαα为胶料接触角
又∵T>
即有T=F·
tgφ>
Ft=F·
tgα
即tgφ>
tgα
∴有φ>
α
从分析可知,只有当摩擦角φ大于接触角α时,胶料才能进入辊距。
只有这个条件满足时,才能保证正常炼胶。
橡胶或胶料与金属辊筒的摩擦角φ与胶料成分及其配方、可塑度、炼胶温度及辊筒表面形状等有关。
Φ=38~420,生胶与金属辊筒摩擦角φ=38041’,炼胶过程中一般采用接触角α=32~400,国内推荐采用α=36~400。
二、从流变角度上主要研究:
1、胶料的挤压作用是如何产生的?
以及与横压力的关系?
胶料在辊隙中得到强烈的挤压和剪切,如下图所示。
挤压作用是由于胶料通过逐渐缩小的辊筒间距而产生,随着横压力的增大而挤压力增大。
2、胶料剪切作用是怎样产生的?
以及剪切力的大小与谁有关系?
剪切作用是由于前、后辊筒有速比而产生,速比越大剪切力越大。
3、辊距大小对胶料的剪切作用以及对炼胶效果有无影响?
对同一机台来说,速比和辊筒线速度是一定的,可用减少辊距的方法来增加速度梯度,从而达到增加对胶料的剪切作用。
如生胶的薄通塑炼,就是这个道理。
速度梯度值大,炼胶的效果就好,特别对破胶及塑炼效果好。
但对胶料剪切变形所需的能量增加时,胶料温度上升的块,所以要加强冷却。
4、炼胶过程中为什么要进行割胶、翻胶?
在炼胶过程中,将胶料进行切割对炼胶过程是十分重要的。
根据流体力学的分析,炼胶过程胶料的流线分布如下图所示。
图2-5胶料流线的分布
根据流体力学的分析,炼胶过程胶料的流线分布如图2-5所示。
从图中可见靠近辊筒处胶料的流线与辊筒转动面平行。
而在楔形断面开始处,有一个回流区域,形成两个封闭的回流线(即ψ-0线),当v1=v2时,这两个封闭回流线对称分布,当v1<
v2时,两个封闭回流线的中性面移向慢速辊筒一侧。
可见当v1=v2时,封闭回流线所受到的剪切作用较v1<
v2时要小,影响了炼胶的效果。
所以,大部分炼胶机都设计成两辊筒速度不同(v1≠v2),但仅速度不同也不能得到最佳的炼胶效果,这是由于v1≠v2时,楔形胶条仍然存在封闭回流。
只有采用切割胶条的办法,促使胶料沿辊筒轴线移动,才能不断破坏回流,加速炼胶作用,取得良好的效果。
胶料在辊隙中得到强烈的挤压和剪切。
挤压作用是由于胶料通过逐渐缩小的辊筒间距而产生,随着横压力的增大而挤压力增大;
三、强化炼胶效果,必须具备四个条件
经过上面分析讨论可知,要想完成炼胶操作及得到较好的炼胶效果,应实现下面四点:
1、使胶料摩擦角大于接触角(φ>
α)以便把胶料带入辊距;
2、使前后辊速(线速度)不想等,以便对辊隙中的胶料进行强烈的挤压和剪切;
3、炼胶时,需要切割翻胶,以破坏胶料的封闭回流线,加强物料的分散效果;
4、炼胶过程中不断调整辊距,以改变速度梯度,提高炼胶效果。
2-5技术特征
一、规格表示
开炼机的规格用“辊筒工作部分直径×
辊筒工作部分长度”来表示,如Φ550×
1500,单位是毫米。
我国部颁标准规定的表示方法是在辊筒直径数字之前冠以汉语拼音符合,以表示机台的用途。
由于国产密炼机以成系列,且绝大部分前后辊筒直径相同,因此,国家标准规定了长径比,一般只用辊筒直径表示。
如
XK-400:
X表示橡胶,K表示开炼机,400表示辊筒直径;
SK-400:
S表示塑料,K表示开炼机,400表示辊筒直径;
X(S)K-400:
X(S)表示橡胶塑料通用,K表示开炼机,400表示辊筒直径。
对于一些特殊用途的专用开炼机,还要增加一个符合,如
XKP-400:
其中P表示破胶机;
XKA-400:
其中A表示热炼机。
二、技术特征
机台的技术特征是我们比较关心的,因为我们在进行厂房设计时,机台的技术特征就显得比较重要,技术特征主要表明机器的性能参数,有些可在产品总目录及样本上查到,较详细的应找说明书。
对开炼机来讲,技术特征应包括:
辊速、速比、功率、炼胶容量、辊距调整范围以及外形安装尺寸和传动方式等。
国产炼胶机的规格与技术特征见下表。
炼胶机规格
(mm)
速比
前辊线速度(m/min)
主电机功率(kw)
一次加料
(kg)
用途
φ650×
2100
φ550×
1500
800
φ450×
1200
φ400×
1000
φ350×
900
φ160×
320
1~1.1
1.2~1.3
1.25~1.35
速比可调
32
28
26
24
19
17
10
可调
115
95
75
55
40
5.5
150
45~70
2000公斤/时
30~50
20~35
15~25
2
压片
塑炼、混炼、热炼
破胶
实验用
第三节主要技术参数
开炼机的主要技术参数确定是进行该设备设计的重要工作,有必要对开炼机的几个重要参数进行认真地讨论。
3-1辊筒工作表面的直径与长度
辊筒是开炼机的主要工作零件。
它的工作表面直径和长度是表示设备规格和生产能力的重要参数之一。
目前,开炼机的辊筒工作表面直径和长度已由国家进行了标准化。
D,L,加工能力,产量Q,
当D一定,L,辊筒变形,挠度,安全性。
对开炼机来讲,主要用于胶料的粗加工,横压力变大,因此,在辊筒设计时,必须保证足够的强度和刚度。
3-2辊筒的辊距
一、定义:
两辊筒表面的最小距离称之为辊距。
单位用mm,me表示。
二、影响因素
辊距e大小对开炼机消耗功率N、炼胶量、和炼胶效果都有影响。
在一定范围内,辊距e越大,胶料通过辊的变形功越大,消耗的功率N越大,模压力P越大。
辊距e越大,胶料通过辊距的变形功越小,消耗的功率N越小,模压力P越小。
与此同时,辊距e越大,通过辊矩的胶料数量增加,消耗的功率N就有增加的趋势。
3-3辊筒回转速度、速比和速度梯度
一、辊筒回转速度
1、定义:
辊筒回转速度,常以辊筒表面的线速度V(m/min)来表示,或以辊筒的转速(1/rad)来表示。
2、影响因素
辊速大小主要取决于开炼机的规格和设备的机械化水平。
规格越大,机械化水平越高,线速度就越大。
V越大,Q越大,N越大,P越大,T上升快,必须解决冷却问题。
V越小,Q越小,N越小,P越小,T上升缓慢。
二、速比f
1定义:
开炼机辊筒的速比即是主动辊(后辊)与其被动(前辊)筒的线速度之比。
一般用f表示,即
f=
式中:
f-两辊筒的速比
v1、v2-分别表示后辊筒和前辊筒的线速度,单位m/min。
速比是开炼机的主要参数之一,它直接影响到炼胶效果、开炼机的功率消耗,以及机台的结构,所以选择速比时要合理。
为了保证操作者的安全,一般将后辊筒的速度选的快一些,前辊筒慢一些,这样,根据定义,f一般是一个大于1的数。
3、具体值:
根据炼胶机的用途不同,其速比也有变化,其值为:
塑炼、混炼f=1.2~1.3,一般是i>
i。
压片f=1.0~1.1。
热炼f=1.20~1.50。
三、速度梯度
由于开炼机两辊筒的线速度不等(速比f≠1),所以胶料在辊隙间的运动是变化的,(即产生速度变化)与后辊接触的胶料比与前辊接触的胶料运动快,所以我们把两辊线速度之差同辊距之比称为速度梯度,即
V梯=
式中--速度梯度(l/min),e--辊距(m)。
从上式我们看到,速度梯度受到前辊线速度、速比以及辊距的影响。
速比增加,速度梯度增加。
前辊筒速度越大,速度梯度越大。
辊距越小,速度梯度越大。
对于一台开炼机来讲,因速比、前辊筒速度都是常数(或仅有几个变化),所以,这时速度梯度仅是e的函数,要改变速度梯度通过改变e是非常有效的。
3、优缺点
从实践中知道,增加速度梯度,胶料所受的剪切作用加强,能够强化炼胶,提高炼胶效果,对提高质量是有利的,但速度梯度增加过大,由于剪切作用强,摩擦生热快,胶料温度T也随之上升,这样,胶料粘度下降,对提高炼胶质量不利。
所以速度梯度不能取很大,也不能取的过小,据一般资料介绍,对于胶料的塑炼、混炼一般取=7500/min左右为最佳。
实际操作可根据工艺要求,在不致产生焦烧的情况下,可短时间内减小辊距。
开炼机的速度梯度规定如下:
计算速度梯度的辊距e
梯度值
塑炼、混炼、热炼、压片
3mm
1500~2200/min
试验用小规格开炼机用
1500/min
生产用大规格开炼机用
2200/min
破碎、粉碎
1.5(破碎)、2(粉碎)
7500/min
3-4接触角
接触角即是二辊筒断面中心的连线和胶料在辊筒上接触点至辊筒断面中心连线的夹角,一般用α来表示。
在同一台炼胶机上,接触角α与一次炼胶量有关。
炼胶量增加,α增大。
炼胶量减少,α减小。
3-5横压力
一、横压力的概念
胶料通过辊隙时,胶料对辊筒产生径向作用力和切向作用力(接触应力)。
如图所示。
径向作用力:
Q=f(y),它力图使两辊筒分离,其方向垂直于辊面,其大小从y4y4→y1y1截面渐增,从y1y1→-y1-y1截面又平滑下降,在y1y1截面为最大值,在y4y4和-y1-y1截面为零。
径向作用力的分布如图中的虚线所示。
切向作用力:
τ=f(y),它力图使胶料拉入辊隙中,其方向取决于胶料的运动速度,其大小从y4y4→y1y1截面由零经最大到零,从y1y1→-y1-y1截面又由零经最大到零,由于在y1y1截面上、下胶料与辊面的相对运动方向不同,故二次出现的峰值相反。
切向作用力的分布如上图中的实线所示。
胶料在辊隙间对辊筒产生的径向作用力亦即横压力,又称分离力。
横压力是机械专业进行强度计算的原始数据,也是分析胶料所受压力作用和剪切作用的原始数据,通过分析它,使我们可以合理的制定操作工艺,合理地利用机台,提高经济效益。
2、分布与效应
横压力是开炼机的主要参数,在炼胶过程中,胶料在整个夹持弧上都产生对辊筒的径向作用力,而分布是不均匀的,随楔形断面的不断减小,横压力也在不断增大。
由试验知,横压力的最大值在夹持弧的5~10°
上,径向作用力的合力作用点要根据实验来确定,合力作用线与水平线的夹角一般在5~10°
范围内,推荐采用10°
。
横压力有使二辊筒分开的趋势,使辊筒产生弯曲变形。
辊筒对胶料的径向作用力与胶料对辊筒的径向作用力大小相等,方向相反。
如下图所示。
二、影响横压力的因素
横压力是开炼机的主要参数之一,它也受到许多因素的影响,因此我们必须了解其影响因素,对我们将来进行设计和分析设备机能很重要,辊筒横压力的大小,主要取决于胶料的性质、加工温度、辊距和辊筒线速度等。
用函数式表示出来,即
P=F(T,V,D×
L,e,t)
要从理论上定量的讨论是很困难的,使用时,只能从现有机台中确定几个参数后,由试验得来,在这里只能定性的分析:
(1)横压力P与辊温T的关系,当T增大,P减小;
当T减小,P增大。
(2)横压力P与辊筒规格D×
L,当D×
L增大,P增大;
当D×
L减小,P减小。
(3)横压力P与炼胶时间t的关系,t越长;
P越小。
(4)堆积胶的多少与横压力的关系,(实际用接触角也可)α越大,P越大;
当α越小,P越小。
(5)胶料性质与横压力的关系,当胶硬度越大,P越大;
当胶硬度越小,P越小。
如图2-13所示。
例如硬胶料的混炼与热炼比天然胶塑炼的横压力要大。
(6)胶料温度与横压力的关系:
温度越低,横压力越大
如图2-14所示。
例如冷破胶比预热70℃后再破胶,横压力大10~15%。
(7)横压力P与辊距e的关系,
对于混炼胶来讲,当e增大,P减小;
当e减小,P增大。
(8)辊筒工作线速度与速比对横压力的影响比较复杂
从流变学观点分析辊速越高,橡胶在短时间内变形,横压力应增加,但与此同时,如胶料温度亦升高,使横压力相对下降,二者相互抵消的作用,故横压力增加不大。
如图2-16所示。
例:
在φ660毫米开炼机上混炼实心轮胎胶料时P=1100公斤/厘米。
但同是胎面胶,在φ305毫米开炼机上测得的横压力P=380公斤/厘米。
因此,一般地可以认为:
同一规格开炼机,加工不同胶料时横压力是不同的;
同种胶料,在不同规格开炼机上加工时横压力也不同。
开炼机规格越大,胶料硬度越高,横压力越大。
三、横压力的分析
如下图所示,总横压力PP可分解为水平分力PPX和垂直分力PPY。
横压力水平分力PPX:
PPX=PP·
cosβ公斤
横压力垂直分力PPY:
PPY=PP·
sinβ公斤
若把辊筒工作部分纵长1厘米上的横压力称为单位横压力,并以P(公斤/厘米)表示,则总横压力PP为:
PP=P·
L公斤(2-3
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