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化工大学毕业设计

化工大学

本科毕业论文

题目：

QLB-D350×350柱式平板硫化机设计

论文提交日期：

年月日

论文答辩日期：

年月日

摘要

柱式平板硫化机全称为柱式液压传动平板硫化机，它的主要结构有底座、工作缸、柱塞、法兰、可动平台、加热板、上横梁和立柱等部件组成。

连接方式为柱塞在工作缸内滑动，为了防止漏油在缸的上方放置两个密封圈，一个与法兰相接触，另一个与柱塞相接触，柱塞上部与可动平台连接，可动平台与下加热板之间有隔热板用螺钉固定，上横梁与上加热板也是中间有隔热板用螺钉固定，上横梁和底座之间用立柱和螺母固定，来确定整个平板硫化机稳定性。

它的基本工作原理是：

油泵通过管道进入缸内使柱塞拖动可动平台缓缓上升（但是它的运动速度比较缓慢，往往在底座上方加入两个辅助油缸，来提高柱塞的上升和下降速度），直至上热板上升到对制品加压的作用，进行保压硫化，完成硫化作用缸内油由管道送出，使可动平台带动下热板放回。

这就是整个硫化过程。

关键词：

柱式平板硫化机；液压传动；底座

第1章概述

平板硫化机是橡胶机械行业中最常见的基本设备之一，它经常用于橡胶模型制品，胶带，胶版等制品的硫化。

在塑料工业中作用加工塑料或者热塑性塑料的压延机，其工作原理和结构与橡胶平板硫化机基本相同。

1.1平板硫化机的分类

平板硫化机的使用范围广泛，所以种类也很多，其分类如下：

1按用途可分为：

橡胶模制品平板硫化机、橡胶平带平板平化机、橡胶三角带平板硫化机、橡胶板平板硫化机。

2按传动系统可分为：

液压式平板硫化机、机械式平板硫化机、液压机械式平板硫化机。

3按操作系统可分为：

非自动式平板硫化机、半自动式平板硫化机、自动式平板硫化机。

4按结构形式可分为：

（1）按支架结构分为：

柱式、框式、侧板腭式、连杆式及回转式平板硫化机；

（2）按加热平板硫化机的加热层数分为：

单层和多层式平板硫化机；

（3）按液压缸的位置分为：

上缸式和下缸式平板硫化机、垂直式和横卧式平板硫化机。

5按平板加热方式可分为：

蒸汽加热、电加热及过热水加热平板硫化机。

平板硫化机作为一种硫化设备，其最大的优点是结构简单，所以至今仍广泛使用，它由柱塞、工作缸、密封装置、压紧法兰盘等组成的传递液压能的部件，将液体的压能转化成带动平台沿立柱运动的动能，利用禁锢在平台和上横梁上的热板给模具加压，加热一定时间，从而满足硫化的三个要求：

温度、压力和时间。

1.2平板硫化机的发展

建国以来，我国橡胶机械行业发展十分迅速，但是由于我们基础差，起步晚，所以在这一领域还十分落后，从平板硫化机的设计方面讲，目前还存在着很多缺点，如操作繁杂、劳动量大、自动化程度低等，所以改进老设备是非常关键、必要的。

近年来，国内对原有的平板硫化机的改进和新型平板硫化机的设计和制造进行了许多工作，主要从热能的合理使用、减少热损失、操作自动化、机械化等方面进行研究改进，以达到高效。

优质和低耗的目的，近年来，已研制出装有程序控制器可以自动控制整个硫化工艺过程平板硫化机，减少了工人的劳动强度，提高了生产效率。

近年来，我国除对一般模型制品平板硫化机在加热板温度均匀性和热板单位积压力等方面提高性能外，还开发了各种结构形式、技术先进、功能完善的模型制品平板硫化机，并将微机技术应用于模型制品平板硫化机的功能控制，使我国模型制品平板硫化机的品种和技术水平提高到了一个新的水平。

对于总体来说，我国平板硫化机的发展存在着一些问题，随着我国交通运输事业的新宿发展，高速公路不断铺设，对汽车轮胎的均匀性提出了越来越高的要求，因此，对硫化机的工作精度要求也随之提高。

1.3我国平板硫化机存在的问题

目前，就我国轮胎行业而言，广泛应用的仍然是50年代发展起来的机械硫化机，由于本身的原因，机械式硫化机存在如下问题：

（1）上下热板的平行度、同轴度、机械手卡抓圆度和对下热板内孔的同轴度等精度等级低；

（2）连杆、曲柄齿轮等主要受力件上运动副是由铜套组成的滑动轴承，易磨损，对精度影响较大；

（3）上下模受到的合模力不均匀，对双模轮胎定型硫化机而言，而外侧的受力大于两侧的受力；

（4）合模力是在曲柄销到达下死点瞬间由个手里构建弹性变形量所决定，而温度变化受力构件尺寸发生变化，合模力也随之发生变化，因此，生产过程中温度的波动将造成合模力的波动。

因此，我国硫化机大多还存在着机器过于老，很多的厂家由于经济的原因，不能购买先进的硫化机，但就技术而言，我国平板硫化机的技术水平在最近十年来有了全面的、显著的提高，大大的缩小了与国家先进水平的差距。

完全有理由相信，再过十年，随着我国的液压件、电器元件等基础元器件的技术进步，我国平板硫化机的整体水平到国际先进水平。

第2章平板硫化机主要技术参数的确定

平板硫化机的主要技术参数如下：

（1）公称合模力0.8MN

（2）热板规格350×350mm

（3）热板层数2层

（4）热板间隔125

（5）加热方式电加热

（6）最高加热温度200℃

（7）主机柱塞最大行程250mm

（8）工作液压16Mpa（160kg/cm2）

第3章平板硫化机主要零部件的基础结构设计

3.1柱塞的设计

柱塞是平板硫化机的主要零件之一，它与工作缸、密封装置、压紧法兰盘等组成了传递压能的部件，将液体的压能装变成带动平台或可动横梁运动的动能。

3.1.1柱塞的结构及材料

柱塞的结构形式是根据平板硫化机的吨位大小、工作缸内液压的变动情况、平台的运动速度及其行程等运动设计。

在材料上，根据柱塞结构形式、规格大小和采用的工作液等条件，可以锻制，业可以用铸钢或铸铁制。

考虑到柱塞在使用上要求有足够的耐弯及抗压缩强度，工作表面积要有足够的硬度，因此，选用HT250。

3.1.2柱塞外径的确定

cm

式中：

D2—柱塞外径，cm

P—平板硫化机的公称吨位，25，000kg

P—工作液的最高压力160kg/cm2

cm

根据《橡胶机械设计》下册P120表8—2

D2=16cm=160mm

当柱塞直径大于150mm时，为了节省材料，减轻重量应制成空心的，所以本设计采用空心柱塞。

3.1.3柱塞壁厚的确定

[

]—铸铁的许用抗压应力kg/cm2

[

]=

/nkg/cm2

式中

—铸铁的抗压强度极限，根据《橡胶机械设计》下册，第八章，当用铸铁制造柱塞时[

]=1000-1200kg/cm2故取

=1000kg/cm2

N—柱塞的安全系数n=5—7取n=5

K：

常数，铸铁的柱塞K=2

r2—柱塞的外半径，r2=D2/2=80mm

P：

工作液的最高压力，P=200kg/cm2

规定

min≥30mm

取

=30mm

柱塞内径D1

D1=D2-2

=160-2×30=100mm

柱塞长度充分考虑工作行程，工作缸长度以及主机安装情况，现暂时无法确定，将在以后的计算中确定。

3.1.4柱塞内径及其它尺寸

柱塞长度应充分考虑工作行程，工作缸长度以及主机安装情况，现暂时无法确定，将在以后的计算中确定。

柱塞与平台的连接方式，采用刚性连接，在柱塞外壁上开槽，利用两个半环将诸塞卡住后，用螺栓固定于平台上，半环尺寸初定：

轴向厚度δ=30mm内径150mm外径200mm

柱塞底部轮廓应与工作缸的底部相适应，为了减少柱塞的内部应力，柱塞的筒壁到底部的轮廓应采用大圆弧渐次过渡连接，壁的厚度应当一致。

由以上设计及计算可得柱塞基本结构，形式如图3-1所示。

3.2工作缸的设计

工作缸是平板硫化机传动力量的主要零件，属于高压下操作的厚壁容器。

3.2.1工作缸的结构及材料

本设计采用最常见的带有外部密封装置的工作缸，密封零件填于工作缸壁上部的凹沟内。

并采用法兰压紧填料，法兰用螺栓固定在工作缸的凸缘上工作缸的周壁到缸底，应采用大圆弧渐次过渡连接，以防止由于缸壁方向变化引起应力集中。

工作缸为铸件，材料选用ZG45.工作缸内腔直径按柱塞的直径选定，较柱塞直径稍大，铸造的工作缸大15到25mm或更大一些，柱塞直径在200mm以上时，工作缸直径比柱塞大25mm。

3.2.2工作缸内、外径及壁厚的确定

工作缸内腔直径按柱塞的直径选定，较柱塞直径稍大。

柱塞直径在以上时，工作缸内腔直径应比柱塞直径大

工作缸内腔直径：

D3=D4+20=180

工作缸壁厚的确定

铸造的工作缸：

式中：

r3—工作缸的内径，

r3=D3/2=90mm

[

]—材料的许用应力，kg/cm2

[

]=

/n

式中

—材料抗拉强度极限，kg/cm2

=5700kg/cm2

n—工作缸的安全系数，n=5—7.取n=5

[

]=

/n=5700/5=1140kg/cm

P—工作液压P=160kg/cm2

因此

=16.12mm

考虑铸造会产生偏心、气孔等缺陷和保证零件有足够的致密度，取

=30mm

工作缸外径D4

D4=D3+2

=180+2×30=240mm

3.2.3工作缸其它各部件尺寸的确定

（1）工作缸底部结构采用球底部，以免应力集中，球底部半径

r′=（1-2）r3

r3—工作缸的半径r3=90mm

取r′=1.6r3=1.6×90=144

取r′=230mm

（2）过渡圆弧半径

r〞=0.4r3=0.4×90=36

取r=40mm

（3）工作缸凸肩部分高度的确定

h=1.5

=1.5×30=45mm

为了避免曲线过渡区产生应力集中，取凸肩处圆角半径

r=（0.15-0.25）

取r=0.22

=0.22×30=6.6mm≈7mm

（4）导向长度

I2=（0.3-0.6）D2

D2—柱塞外径D2=160mm

为使密封件内进油以增强密封效果，应留15mm斜度。

（5）初算工作缸内腔总深度

I′=s+I1+I2+I3

式中：

s—柱塞最大行程，取s=200mm

I1—密封装置长度初选I1=50mm

I2—导向长度I2=80mm

I3—其它长度（球形底间隙、防止冲撞等）

取I3=50mm

I′=380mm

此深度待密封件确定后应适当调整，由工作缸深度可估算柱塞长度，其中考虑到法兰的厚度，取20mm，柱塞伸出的长度100mm，以及伸入平台的长度20mm。

因此I〞=380+20+100+20=520mm

3.2.4工作缸强度校核

柱塞的细长比520/160=3.25<10，故柱塞为短柱，故不必验算其稳定性，其应力应按照纯压缩压力考虑，平板硫化机采用上述形式的柱塞及工作缸。

所存在的主要问题是升降速度较慢，尤其是柱塞下降时完全靠自重下降，下降速度无法控制，为解决这一问题，我们采用了将工作缸与底座整体铸造的形式，即工作缸与底座合为一体，并在工作缸两侧附以两个小的合模油缸固定于底座。

利用两个小油缸来确定快速升降的要求，其油缸的具体结构为标准件。

工作缸的结构已基本确定。

如图3—2所示。

工作缸强度校核（底部部分的校核计算在后面进行说明），工作缸工作时受内压作用。

从而产生周向应力σr，径向应力σr和轴向应力σz，按要求这三种应力均小于许用应力。

此时外压P2=0，内压P=160kg/cm2三向应力为：

（1）径向应力：

（2）周向应力：

式中：

r2—工作缸外半径r2=D2/2=240/2=120mm=12cm

r1—工作缸内半径r1=D1/2=180/2=90mm=9cm

σt=160×（122+92）/（122-92）=571.43cm2

（3）轴向应力：

ZG45的抗拉强度极限

工作缸的安全系数n=5-7,取n=5

∴许用抗拉应力

∴三种应力均小于许用应力。

故本设计安全，校验合格。

所以校验合格。

3.3密封装置

3.3.1密封件

封装置是工作缸与柱塞组合件的重要部分,平板硫化机能否正常工作,在很大程度上取决于工作缸密封结构的完整程度。

对密封装置的要求是：

（1）密封性能要好,密封装置必须保持良好的密封性,以免造成工作液的流失,影响液压的保持。

（2）结构要简单,全部密封结构所消耗饿金属材料要少,制造方便,不要求过高的加工精度和光洁度,制造费用低。

（3）耐久性好,安装和拆卸方便。

（4）摩擦阻力要小。

这采用U型轴用聚氨酯密封圈HG4336—66，盖密封圈的结构及尺寸如图所示；它属于半自紧式密封结构。

其密封程度随液压升高而增强，而预紧螺栓保证初始密封所需要的力就可以，适于在工作压力≤32Mpa工作条件工作。

图3-3密封圈

该密封圈及其支撑环均为标准件。

另外在法兰断面开槽，放入一O型橡胶圈，结构及尺寸如图所示：

图3-4O型密封圈

3.3.2法兰尺寸确定

法兰材料A3钢，如图3-5所示

图3-5法兰

D2—柱塞的外径D2=160mm

D—法兰的内圈外径D=D2=160mm

D2—法兰螺栓的中心线直径D2=210mm

b—法兰压环的厚度b=B=22mm

法兰压盖厚度δ=20mm

3.3.3法兰螺栓的选择

螺栓材料：

A3

=240Mpan=1.2-1.5取n=1.2

螺栓的许用拉应力

[

]=∂/n=240/1.2=200Mpa

试取螺栓：

12个

工作液压为：

160kg/cm2

法兰压环面积：

f=0.785×（2502-1602）=289.67

法兰压盖压力：

P=KPmaxF

式中：

K——密封系数，K为1.25—1.5

取K=1.4

P=1.4×160×289.67=64886kg

单个螺栓承受的载荷：

F=P/12=5407kg

残余预紧力：

取

螺栓的总拉力

根据受力计算单个螺栓直径：

选用12个M35的螺栓。

按GB5783—86选M2680满足要求。

考虑螺栓间距问题，因此只要螺栓个数是14个以上就能满足螺栓间距，选择螺栓个数14个。

3.3.4法兰压盖弯曲应力校核

法兰压盖的受力情况如图所示，当其压紧密封材料时，缸内工作缸液压就经密封材料而传递至法兰压环面上，又因为法兰压盖用螺栓禁锢于工作缸的边缘，因而法兰压盖受力后会产生扭转。

计算时可当做其受力均与在法兰盖周上。

另外，法兰压盖受力后除了受弯矩及内周边偶M使其产生横截面扭转变形外，法兰压盖与工作缸紧靠的周边上受弯曲，剪切及压紧密封圈的环状面上受挤压力，因此在确定法兰压盘的尺寸时，各受力处均需要进行强度校核。

弯曲应力校核：

式中：

P—法兰压盖承受力P=29008kg

D0—法兰压盖外径D0=41cm

D—法兰压盖压环外径D=26cm

D1—法兰压盖内径D1=29cm

D2—法兰压盖螺栓孔中心直径D2=35cm

d0—螺栓孔直径d0=2.6cm

δ—法兰压盖凸缘厚度δ=2.0cm

H—法兰压盖压环部分厚度H=3.0cm

e1—螺栓中心线部分半环重心到法兰盖中心的距离

ew—压环部分半径中心到法兰压盖中心的距离

因此

满足要求。

直径D1处断面上弯曲应力校核：

式中：

L—法兰压盖螺栓中心线至密封圈中心线的距离

Dm—密封圈中径，Dm=29+26/2+27.5cm

因此L=35-2705/2=3.75cm

因此

196.73＜

=200Mp

法兰压盖凸缘处的剪切应力

—法兰材料的许用剪切应力

因此

挤压应力

—法兰材料许用应力挤压应力

=

因此满足各项应力要求。

3.4立柱与螺母

3.4.1立柱材料及尺寸的确定

立柱是连接上下横梁的重要受力件，同时又是活动平台的导轨，因此立柱应有足够的强度和刚度，其结构应保证它与上下横梁之间的连接牢固，以免工作时发生晃动，同时力求加工容易，安放方便。

力柱材料：

45钢。

其结构为一根两端带有一定长度梯形螺纹的细长杆，四根立柱与横梁构成一个密闭的空间框架，工作时机油中心载荷也有偏心载荷，立柱受力属于多次静不定问题，计算复杂，立柱受力状况还与受热温差、制造及装配精度有关，要求精确计算时比较困难的。

为了简化计算，只考虑中心载荷，并假设作用力均分在四根立柱上对偏心载荷及其他因素的影响，用增加安全系数办法处理。

在计算时还应考虑受力拧紧螺母时对立柱产生的剩余预紧力，则每根立柱插入断所受的应力为：

P2—柱塞的公称吨位P=25000kg

K—预紧影响系数K=1.25—1.6K=1.5

n—立柱数n=4

确定立柱螺纹内径。

根据立柱所承受的拉伸力小于立柱材料的许用应力

即：

则螺纹的内直径为：

式中：

—材料的许用应力，kg/cm2

d1—立柱螺纹内直径，cm

P2—立柱所承受的力，P2=9375kg

—材料的屈服强度极限，

=240Mp

n—材料的安全系数取n=3

则：

=240/3=80Mp=800kg/cm2

取内径为69.1mm，梯形螺纹的公称直径为40mm，螺距t=3mm。

立柱的长度随平板硫化机上横梁与平台间的最大间距而定，具体长度由绘图后得出。

四根立柱的分布情况，如图3—6所示：

图3—6立柱分布图

由此可确定平台及上横梁的长度尺寸：

总长1200mm

总宽350mm

立柱与上下横梁的连接形式：

采用外螺母紧固，其特点是结构简单，加工容易，但安装调整比较麻烦，需反复调节螺母才能达到上下横梁平衡，而且螺纹处有应力集中，长期使用后螺母容易松动。

3.4.2螺母的选材及尺寸的确定

材料为A3钢

螺母呈圆柱形，均匀开四个槽，螺纹尺寸与立柱螺纹相配合，外形尺寸为：

外径D=1.5d=1.5×40=60mm

取D=69mm

高度H=60mm

螺母和横梁的接触面应加工精密，使其均匀接触，紧密配合。

3.5热板

3.5.1热板的结构及材料

热板是平板硫化机的重要部件之一。

热板在硫化操作时作为加压及加热制品和模具之用,热板温度分布是否均匀,直接影响被硫化制品的质量。

平板的工作面需经精细加工,要求平面平直光滑。

使被硫化制品或模具与平板接触良好。

以保证制品或模具与平板接触良好,以保证硫化制品受压及加热均匀。

热板材料45钢，采用电加热，初定尺寸为：

长×宽×高

350×350×60（宽*长*高）

3.5.2热板内电加热元件的选择

加热元件的功率：

式中：

C—比热，取C=0.49

G—热板重量

G=

=7.8×103×（0.4×0.4×0.06）≈75kg

t1—最高工作温度取t1=200℃

t0—加热前温度取室温t0=20℃

t—加热时间取t=60min=1h

—热效率取

=0.6

选用管状电加热器,它是一个管内放有金属电阻丝并在空隙部分紧密填满有良好导热性和绝缘性结晶氧化镁的金属管,它可以直接放在固定金属中作为加热元件,此处选择型电加热元件,每个功率为0.5,共选五个,总功率为2.5kw,满足要求。

图3-7电加热器

外径及尺寸如图3-7所示：

直径为

，总长L=390，电压110v

安装方法：

在热板没钻一排等距离的横向孔道,为了安全,装接电线部分应装有罩盖。

平板内应装有温度继电器,以自动控制平板的工作温度，是热板的温度保证一定的范围内。

3.6可动平台

3.6.1可动平台的结构及选择

平台是铸铁件,设有加强筋及立柱的导向孔等。

其工作表面和立柱间的距离随加热平板的尺寸而定。

这里选用HT20-40，材料的弯曲极限应力∂w=3400kg/cm2.安全系数n=5—6，取n=5，许用弯曲应力[∂w]=∂w/n=680kg/cm2。

平台上有立柱的导向孔，平台的设计、制造和使用问题应当注意：

为了避免发生局部应力，平台的厚度应大约一致，没有急剧弯折点，并且在铸造后应当均匀地冷却，在平台使用时，必须严格保持立柱孔的中心轴线垂直于平台的工作表面。

平台的柱塞，除了单柱塞外，期排列方法很多，如两个柱塞并列、双列、多列等组合方式。

这里采用的是单柱塞平台。

3.6.2平台受载荷及弯曲情况

由于平台工作时在框板上自由滑动，故可简化成有两个自由支点的悬臂梁，受力长度为即热板长度，承受均布载荷，两支点间距为柱塞中径，即0.5×（100+160）=130mm。

均布载荷

平台形式及尺寸如图3-8所示

图3-8可动平台

可动平台的方程为：

当x=6.5时，有最大弯矩。

当x=17.5时，平台中心处弯矩为：

由计算可知：

当x=6.5时有最大弯矩。

3.6.3可动平台的校核

（1）I-I截面（可动平台中心处）

如图3-9所示，截面的形心位置为：

图3-9截面图

该截面形心位置为：

截面惯性矩J1

3.6.4可动平台的挠度计算

3.7上横梁

3.7.1上横梁的结构和材料

3.7.2弯矩及弯曲应力的校核

3.7.3上横梁的最大挠度

3.8底座

3.8.1底座的结构及材料

3.8.2底座的强度校核