xk400丨1000开炼机辊筒设计学士学位论文.docx

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xk400丨1000开炼机辊筒设计学士学位论文

摘要

XK-400型开炼机是橡胶、塑料机械中最常用、最基本的设备之一，主要用于生胶的塑炼、胶料的混炼、混炼胶的热炼等。

目前，我国开炼机技术虽然发展很快、生产品种也较多，但与工业发达国家相比还有一定差距，有向着个性化与智能化方向发展的趋势。

在橡胶工业中，混炼车间是整个行业的核心，是橡胶工厂最重要的部门，也是能源消耗大户，占全厂40%，也是目前重点节能的部门或工序之一。

它包括烘箱、切胶机、开炼机、密炼机及其辅机。

近年来，国外橡胶工业有了迅速的发展，不仅在各个加工技术方面有相当的进步，而且设备方面有很大的发展，广泛地应用电子计算机管理和控制炼胶作业，大大地提高了炼胶系统地自动化水平，同时也引起了炼胶系统的变化。

多年来，国外对炼胶系统的技术改革实践证明：

首先改革炼胶机及其装置，并使之现代化，以取得较高的劳动生产率、较高的效率和炼胶作业最佳化，才能真正实现炼胶系统技术创新。

经过多年的改革，当代炼胶系统尤其是轮胎厂的炼胶系统已发展成自动化水平较高的工程系统。

开炼机是橡塑工业中使用历史最悠久的加工设备之一。

随着橡塑工业的产生而诞生，随着橡塑工业的发展而发展。

成为橡塑工业中加工橡胶、塑料的常用设备之一，也是基本设备之一。

据统计，目前我国每年生产开炼机5000台。

每年还有一定量的开炼机供出口到东南亚等地区。

它主要用于天然橡胶的塑炼，生胶与配合剂的混炼，或用作胶料的热炼和胶料的压片之用。

它主要由辊筒、机座、机架、传动齿轮、润滑装置、加热与冷却装置、辊温调节装置、安全制动装置及电动机、减速器等组成。

其辊筒采用冷硬铸铁制成，其表面经过磨削而形成光滑的表面。

辊筒内部为空心结构，根据使用要求，通入蒸汽或者冷却水进行冷却。

XK-400型开炼机的设计包括受力分析、电机和减速器的选用、工作机的计算、主要的零部件和辅助部件设计以及绘制图纸。

开炼机在结构设计方面，采用行星齿轮减速器替代以往的圆柱齿轮减速器，结构更为简单紧凑，降低了生产成本。

并针对安全生产问题，增加了安全装置，为以后该机械的设计提供参考依据。

关键词：

开炼机；星齿轮减速器；辊筒

ABSTRACT

XK-400typeopenmillrubber,plasticsmachineryofthemostcommonandoneofthemostbasicequipment,mainlyforrawrubbermastication,rubbermixing,mixthesoakandthelike.

Atpresent,openmilltechnologyhasdevelopedrapidly,producingmorevarieties,butcomparedwiththeindustrializedcountriesthereisagap,thereisatendencytowardpersonalizationandintelligentdirectionofdevelopment.

Intherubberindustry,mixingplantisthecoreofthewholeindustry,isthemostimportantsectorofrubberfactory,alsolargeenergyconsumption,accountingfor40%oftheplant,isonestep,orthecurrentfocusonenergysector.Itincludesanoven,plasticcuttingmachine,arefiningmachine,mixerandauxiliaryequipment.Inrecentyears,foreignrubberindustryhasdevelopedrapidly,notonlyaconsiderableprogressinthetechnicalaspectsofeachprocessandequipmenthavegreatlydeveloped,widelyusedcomputermanagementandcontrolbatchjobs,greatlyenhancethemixingsystematiclevelofautomation,butalsocausedchangesinbatchsystem.

Overtheyears,foreigntechnologysystemreformpracticeofmixingProof:

Firstmixingmachineandapparatusreformandmodernizeinordertoachieveahigherlaborproductivity,higherefficiencyandoptimizebatchjobs,inordertotrulymixingsystemtoachievetechnologicalinnovation.Afteryearsofreform,thehigherthecontemporarybatchsystem,especiallytirefactoryhasdevelopedintoamixingsystemlevelofautomationengineeringsystems.Openmillisoneoftheoldestrubberprocessingequipmentusedintheindustry.Withtheplasticsandrubberindustriesgenerationbornwiththedevelopmentofrubberindustryanddevelopment.Becomeoneoftherubberprocessingindustryrubber,plasticsequipmentcommonlyusedone,andalsothebasicequipment.Accordingtostatistics,China'sannualproductionof5,000openmill.EveryyearthereisacertainamountofopenmillforexporttoSoutheastAsiaandotherregions.

Itismainlyusedformixingmasticationofnaturalrubber,rawrubberandcompoundingingredients,orasrubbersheetingofsoakandglueused.Itmainlyconsistsofroller,stand,rack,gear,lubricationequipment,heatingandcoolingdevice,rolltemperatureadjustingdevice,safetybrakesandthemotor,reducerandothercomponents.ItsrollerChilledcastiron,thesurfaceaftergrindingtoformasmoothsurface.Internalhollowrollerstructure,accordingtorequirements,steamingorcoolingwaterwas.

ThispaperfocusesonXK-400typemillmachinedesignandcalculations,includingthemotorandgearselection,theworkofthedesign,themainpartsandaccessoriesdesignandproducedrawings.

Inthispaper,thestructuraldesign,theuseofplanetarygearreducerreplaceconventionalcylindricalgearreducer,thestructureismoresimplerandcompact,reducingproductioncosts.Andforsafetyissues,increasedsafetydevice,provideareferenceforthefutureofmechanicaldesign.

Keywords:

MixingMachine;Planetarygearreducer;Roll.

第一章绪论

1.1毕业设计课题的目的、意义、国内外现状及发展趋势

1.1.1目的及意义

开放式炼胶机，简称开炼机。

开炼机产生于20世纪50年代，生产技术基本是沿袭前苏联的，起形式以开放式传动为主。

随着开炼机的出现，我国的橡胶制造业得到了飞速的发展，但是存在着技术发展相对滞后、市场化程度不高、机械加工手段不过现今、接触国际市场较晚一级国产液压元件和系统的稳定性较差等问题。

开炼机一直处在动态的发展之中，所以，我们要依靠自主研发力量推动开炼机的快速发展，逐步完善产品性能，达到国际先进水平，增强开炼机在市场的竞争力，推动我国橡胶事业的发展。

1.1.2国内外开练机的现状及发展趋势

（1）目前我国开炼机的产品量最高，出口也最多。

由于技术简单，国内2/3橡胶机械厂家都生产，产品趋同，造成市场过剩，因杀价致成微利，甚至亏损。

前些年，无锡橡胶机械一厂生产的新型传动开炼机采用汽车传动齿轮，仅因噪音很低，就一直卖得很火，还曾出口到日本美国，至今久卖不衰。

另一种新型辊筒开炼机，辊筒中钻孔电加热，中控仍可以水冷，与当今热门的橡胶共混相适应，且可橡塑一机两用，也曾销的很好，然而，最能代表当今先进水平的大功率热炼压片机，用钻孔辊筒加热滚动轴承配硬齿面全封闭减速器，却因质好而价高，至今很难销售。

既然国情如此，不妨以汽车为鉴。

同样是价高者难销，但其不断推出新车型，以新面貌促进销售，开炼机也开始开发特异功能。

如混炼医用硅橡胶或食品加工用的橡胶，需镀铬辊筒；混炼CR需不黏辊筒；混炼高生热橡胶需要速冷辊筒；还有可以进行反应交联的控温辊筒。

（2）国内开炼机推陈出新；近几年来，随着橡胶共混理念的研究和应用，特别是动态交联共混理念的出现，高分子“合金”的开发，已经成为高分子材料的最经济最有效的途径。

开炼机是一个最古老的炼胶设备。

多年来，开炼机主要适用于天然胶或常规塑料，他的速比恒定，龙纹及测温均不灵敏，如果不加以改造，很难适应橡塑共炼等新要求。

不论是用橡胶增强塑料还是塑料增强橡胶，还是用来热炼，以及某些合成胶或橡胶共混炼的黏滚、脱辊、甚至包后辊的工艺操作，现有开炼机都是无能为力的。

而开炼机新型辊筒的研制，主要针对橡胶共混要求场均匀灵敏，却又通过调温和控温，间接得到适宜的粘度场，以补偿现有开炼机剪切速率难以调节，剪切粘度难以控制的弊端。

实践证明，新型辊筒设计新颖经济适用，技术先进，深受塑料厂和橡胶厂使用者的欢迎。

现已获得实用新型专利，并发布广告。

目前正在进行系列化放大设计，以适应开炼机的多规格、多品种的要求。

（3）新辊筒的设计特点：

传统辊筒存在着局限性，经过反复的是要和研究，在辊筒结果和传热方式上，均采用新颖和使用的设计，其突出的独到之处是实现了高效率的热量传递和灵敏的温度调节。

因而，不仅能够高温快速进行炼胶还可以低温剪切胶料，更加适应了在低温下进行的橡胶共混。

本设计采用沿辊筒周边钻孔加热原件，利用电刷导入（出）的直接加热金属主体的方法。

其辊筒采用钢制结合的结构，表面喷焊硬化处理。

这样既可以保证辊筒的硬度和耐磨性，又可以保证周边钻孔的可行性，且可以保证辊筒中空和周边钻孔后的强度和刚度。

与传统的电热辊筒相比，新辊筒不仅保留了老辊筒应有的功能，在确保其特长前提下有独到之处。

升溫快与传统加热方式相比较，其热量传递路线缩短了8到16倍，且不经过空气等中间杂志，故而升到相同的温度，其时间还不到原来的6%，从而缩短了辅助时间提高了单机的工作效率。

辊温高新设计的辊筒，其节能效果可达250℃以上,比传统辊温增长了25~50%,从而扩大了该辊筒的高温塑炼范围，并使工艺上有了更广泛的使用余地。

节能新设计的滚筒，其节能效果可以达到75%以上，以Φ16×320mm开炼机为例，中心插管式电加热，升温200℃需要18min，整个过程耗电4.32×10000KJ。

工艺适应面广采用新型滚筒的开炼机，投资一台就可以实现炼胶、塑炼、共混以及其他高分子材料的加工等多种功能。

调温快且控温灵由于热源离辊筒面近，故不仅辊面温度均匀，且可以随意快速调节及控温。

易于加工且造价便宜。

（4）将速比齿轮放在减速箱内；在橡胶厂中，速比齿轮的磨损和更新成了一个比较突出的问题。

为了解决这一问题，有些橡胶厂考虑将开炼机的传递路线改为；电机—联轴器—减速器—万象联轴器—辊筒的传递方式。

减速箱内有两个低速输出轴分别带动两个辊筒。

由于辊筒和减速器输出用万象联轴器连接，能保证辊距调节的需要，这种传动形式改变了速比齿轮的工作条件，解决了由于辊距调节带来受力啮合位置变化问题。

这将有效的延长了辊筒的使用寿命，降低了维护成本，提高了开炼机的整体水平。

（5）开炼机的冷却加热方法：

冷却：

多年来开炼机主要用于橡胶的塑炼，加工温度低，温度控制简单而粗糙，主要是通过热传导式温度降低，由于循环水的流速过低，胶料本身导热性差，加之辊内表面的浮渣急速降低导热性，致使胶料难以下降。

目前已有的方法有：

在强度允许的范围内，尽量减薄辊筒的壁厚。

对辊筒内表面机型加工，去除沙皮。

往辊内壁注入稀盐酸，以去除碳酸钙积垢，提高传热效率。

往辊内腔投入小石头，利用石头的搅拌加速水的循环。

目前正采取的方法有：

采用强制循环，使冷却水受迫流动，以加速导热，降低胶温。

将冷却水更换成冷冻水由一台冷冻机向几台炼胶机供水，从而稳定炼胶质量，节约用水。

将中空辊筒改成周边钻孔辊筒，提高冷却效率。

加热：

煤气加热、蒸汽加热、电加热

以上看出开练在冷却加热发那个面虽然有一些改进，但与其他橡胶、塑料加工设备相比较仍然很落后。

面对突飞猛进的科学技术的发展，木料及配合剂等材料的不断更新、橡胶并用的开发和应用，开炼机的改造以成为一种趋势。

相信不久，开炼机将以崭新的面貌展现在橡胶、塑料加工设备的先进行列中。

（6）新型开炼机对老式开炼机的改造：

①调距装置，调距装置采用了手动—蜗杆—丝杠—丝母的调距装置，用指针进行显示。

但规格大的开炼机用手动来进行调距不方便。

后来，在开炼机上采用了电动一行星摆线减速器—蜗杆—涡轮—丝杠传动的调距装置，到达了调距速度快、减轻强度的目的

②润滑系统，老式开炼机用油来润滑。

80年代在开炼机上采用稀有润滑，用齿轮泵对辊筒进行强制润滑并且在管路上安装了油指示器，便于观察和调节油量。

后来，对开炼机的油箱进行了统一的规定。

各种类型的开炼机的构造是大同小异的，主要有辊筒、滚珠轴承、辊距调整装置、上横梁、机架和底座等几部分组成。

并且很多部件是标准件，其规格是一定的，这对开炼机在传统意义上的改进提供了有效的根据。

采用无地脚螺栓底座，开炼机始于大功率，低速转动的机械设备，扭矩大震动也大，整体尺寸大。

以前为了保证开炼机的稳定性采用了深基础，大地脚螺栓的办法，安装费时、费力、费物。

80年代初在开炼机上采用了整体机座，去掉地脚螺栓。

整体机座抵消了电机—减速器—驱动齿轮间的内扭矩，底座下垫入橡胶减少震动的办法是可行的。

它节省了基本的使用费用，加快了安装速度。

1.2开炼机的未来展望

开炼机在技术上经过100年的发展历史，在结构上和性能上取得了很大的进展和提高，但这些改造和提高不可能改进开炼机对橡胶的加工，根据特性和加工的要求目前只能对撕裂和涅炼的方式进行加工，而这种方式进行加工的最好设备

除了密炼机就是开炼机了，因此，根据物料加工的特点，相信开炼机在今后橡胶行业中不但不会退出其应有的地位，而且将到达进一步的发展。

其结构和性能将越来越完善，越来越好。

回顾几十年的历史，开炼机的生产基本上经历了从单一规格型号到多种规格型号的过程；从老式开炼机到现在的生产过程，把比较先进的技术，工艺一级新材料应用到开炼机上。

开炼机在今后相当长的历史时期内仍然是橡塑业最主要的加工设备之一。

第二章开炼机的工作原理

2.1用途

开炼机是橡胶工业中的主要加工设备之一。

它主要用于生胶的塑炼；胶料的混炼、烘胶；胶料的压片；胶料中杂质的清除；生胶的破碎、洗涤；再生胶的粉碎、混炼、压片等。

此外，还广泛地用于塑料加工和油漆颜料工业生产中。

开炼机能够大规模稳定地生产出质量较好的混炼胶料，来满足不同厂家的不同要求，为橡胶产品的生产带来了方便。

2.2基本结构

各种类型的开炼机的基本构造是一样的差别很小。

主要由辊筒、辊筒轴承、辊距调距装置、机架、传动装置、安全制动装置、机座组成。

开炼机的基本结构如图2—1所示。

图2—1开炼机的基本结构

2.3工作原理

开炼机之所以能够把高弹态的生胶转换成具有可塑性的塑炼胶或者把塑炼胶与各种配合剂均匀混合。

是因为开炼机的两个辊筒以不同的表面速度相对回转，胶料在被辊筒挤压的同时，在剪切力和粘附力的作用下被拉入辊隙中，形成楔形断面的胶条。

在辊隙中由于机械力的作用，致使胶料受到强烈的碾压、剪切和撕裂。

同时伴随着橡胶分子链的氧化与断裂。

从辊隙中排出胶片，由于两个辊筒表面速度和温度的差异，胶料包裹在一个辊筒上，并且重新返回到两个辊筒之间，这样多次往复完成炼胶作用。

在塑炼时促使橡胶分子由长变短，弹性由大变小；在混炼时促使各组分表面不断更新，均匀混合。

开练的工作条件：

再炼胶过程中，当胶料包裹一个辊筒后，两辊筒之间还有一定数量的堆积胶，这些堆积胶不断被转动的辊筒拉入辊隙中去，而新的堆积胶又不断形成。

这些堆积胶对炼胶效果的影响非常大的。

若堆积胶过多，过多的堆积胶便不能进入辊隙，只能原地的抖动，此时炼胶效果明显下降，若堆积胶过少便不能形成稳定地操作。

由此可见，确定适量的堆积胶是必要的。

实践证明要使胶料进入辊隙，胶料与滚筒之间的接触角α必须小于摩擦角ρ，如图2—2受力分析的角度看，炼胶是胶料对辊筒产生径向作用，于是辊筒亦对胶料产生一个大小相等方向相反的反作用力Q（正压力）；又由于辊筒相对回转，辊筒表面与胶料接触时，辊筒对胶料产生切向力T（摩擦力）。

把径向力Q分为Qx和Qy；切向力T分解为Tx和Ty。

可见水平分为Qx、Tx用来挤压胶料，称为挤压力；垂直分为Ty则将胶料拉近辊隙中。

为了保证胶料能被拉入辊隙中必须是Ty>Qy.否则胶料只能在辊筒上抖动，不会通过辊距。

图2—2开炼机的工作条件

切向力（摩擦力）T为：

T=Q

式中Q—正压力μ—胶料与辊筒的摩擦系数。

因μ=tgρ,故T=Q·tgρρ—摩擦角

切向分力：

Ty=Q·tgρ·cosα

垂直分力：

Qy=Q·sinα

为使炼胶机正常操作必须：

Ty≥Qy，

即Q·tgρ·cosα≥Q·sinα所以tgρ≥t

即ρ≥α

第三章主要参数的选择与计算

开放式炼胶机的规格用“辊筒工作部分直径×辊筒工作部分长度”来表示，单位为毫米。

国产开炼机的规格系列：

Φ650×2100mm，Φ450×1200mm，Φ160×320mm。

我国颁布标准规定的表示方法是在辊筒直径数字前冠以汉语拼音符号，以表示机台的用途，如XK-160，其中X表示橡胶用，K表示开炼机，160表示辊筒工作部分直径为160mm。

又如XKP-450表示工作部分直径为450mm的破胶机。

根据《橡胶工业手册》第九册（上册）11页，可以确定Φ160×320开炼机，速比为1:

1.35，前辊筒线速度8m/min，主电机的功率为7.5kw，一次投胶量为2—4kg。

3.1辊筒直径与辊距

辊筒直径指辊筒工作部分直径。

在设计时一般符合标准系列的规定。

如有特殊需要可根据机台的用途参照有关资料确定。

两辊筒表面间的最小距离为辊距。

辊距的大小对电能的消耗、一次容量、炼胶效果均有影响。

应指出的是，辊距的变化对功率的消耗的影响是复杂的，一般认为；在一定范围内辊距增大，胶料通过辊距的变形功减小，功率消耗亦小。

3.2辊筒回转速度与速比

辊筒的回转速度，常以辊筒表面回转的线速度（米/分）或辊筒的转数（转/分）来表示。

辊筒线速度的大小取决于开炼机的规格和设备的机械化水平。

由表3-1可得出Φ400×1000mm开炼机的线速度为10-12m/min。

表3-2滚筒直径与线速度

辊筒直径（mm）

辊筒线速度（m/min）

辊筒直径（mm）

辊筒线速度（m/min）

150—200

300—400

400—600

10—12

12—20

20—28

600—660

750—810

25—32

34—40

两辊筒速度之比称之为速比（参见图3-1），其式为：

f=v1/v2（3-1）

式中：

f—速比；

v2—后滚筒（快速辊筒）线速度，米/分

v1—前滚筒（慢速滚筒）线速度，米/分

通过计算得出速比f=1.35.

图3-1辊筒速比

3.3驱动功率的确定

根据《橡胶机械设计手册》第二章中的经验公式：

N=2.7vLD0.4千瓦（3-2）

式中：

V—前后辊平均线速度，米/分

L—辊筒工作部分长度（米）

D—辊筒的直径（米）。

经计算得N=3.32kw。

3.4横压力的确定

横压力是橡胶在辊筒间距对辊筒作用的径向压力，是开炼机的重要原始数据之一。

横压力的大小主要取决于被加工胶料的性质，温度，辊距，辊筒规格和速比等多种因素，一次要精确计算横压力很困难，通常是以测定值计算辊筒1cm长度上的横压力作为设计依据。

横压力的计算如图3-2所示。

图3-2横压力的计算

3.4.1根据胶料涅炼的流体动力学理论基础

p（3-3）

式中：

D—辊筒直径，即为400mm

Kp—剪切计算系数，由于是实验用开炼机，故Kp=176N/cm²。

经计算有：

P=7990N/cm

取推荐值：

P=500kg/cm

故总横压力Pp=PL=799000N

式中：

L=100cm。

3.4.2利用推荐值来计算横压力

Px=Ppcosβ（3-4）

β=10°故Px=Ppcos10°=7.87

10

NPy=

sin10°=1.39×105N

3.5生产能力的确定

有经验公式

Q—生产能力，千克/小时

γ—胶料的重量，千克/升；取0.9-1.2kg/dm3

q—一次容胶量，升；

t—一次炼胶时间，分；取t=40min

α—设备利用系数，取α=0.85-1.90

其中q=KDL=（0.0065-0.0085）×16×32

经计算得：

Q=6.12kg/h