橡胶成型工艺学课程设计正文50《年产130万套全钢载重子午线轮胎混炼胶制备工序路线确定》.docx
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橡胶成型工艺学课程设计正文50《年产130万套全钢载重子午线轮胎混炼胶制备工序路线确定》
北方民族大学
课程设计报告
院（部、中心）材料科学与工程学院
姓名***学号20114***
专业高分子材料与工程班级111班
同组人员马鑫南明辉倪晓军丘管先孙奇
课程名称橡胶成型工艺课程设计
设计题目名称《年产130万套全钢载重子午线轮胎混炼胶
制备工序路线确定》
起止时间 2014年6月10日—2014年6月24日
成绩
指导教师签名
目录
第一章设计方案简介1
第二章全钢载重子午线轮胎简介1
2.1子午线1
2.2子午线轮胎1
第三章工艺流程草图及说明2
3.1工艺流程图2
3.2混炼胶制备工序流程说明3
3.2.1密炼机简介4
3.2.2密炼机上辅机系统5
3.2.3炭黑称量、投料系统6
3.2.4油料输送、贮存、称量、注油系统8
3.2.5胶料导开、称量、投料系统、胶料系统9
3.2.6计算机智能控制系统10
3.2.7密炼机下辅机系统12
第四章工艺计算及主体设备设计计算及选型12
4.1终炼胶密炼机的计算13
4.2母炼胶密炼机的计算14
4.3上辅机系统中储罐的确定14
第五章辅助设备的计算及选型15
5.1检测方案确定15
5.2检测设备的选取16
5.2.1门尼粘度仪16
5.2.2电子比重仪/密度仪17
5.2.3硬度计18
第六章设计一览表19
第七章总结19
第八章附图20
第九章附录22
第十章参考文献22
第一章设计方案简介
本设计书根据任务书中所给年生产130万套的要求，计算出总须炼胶量、日生产量、班产量。
再根据理论单胎用混炼胶重量，配方种类，不同配方的混炼特点，查阅相关资料，找到合适的密炼机类型，再依据需要混炼胶的数量确定密炼机台数。
然后根据对混炼胶的质量控制要求，从质量管理的角度确定各段混炼胶的检测项目和频次，查阅相关资料确定合适的检测设备类型，并依据确定的频次核算所需设备台数。
第二章全钢载重子午线轮胎简介
2.1子午线
为了确定人们各自在地球上位置，科学家们像切西瓜一样，以地球的南极和北极为中心，把地球分为360等份，地球表面从北极到南极通过英国伦敦格林威治天文台的那条经线叫做0度经线。
格林威治以东的等分线叫东经线，以西的等分线叫西经线。
同时，以赤道为基准，把地球分成南北各90条与赤道圈相平行的等分线圈叫纬线。
通过格林威治天文台的这条0度经线叫本初子午线，其他经线通称子午线。
2.2子午线轮胎
轮胎是由胎冠、胎侧、带束层（一般斜交胎称缓冲层，而子午线轮胎则称带束层，以下统称带束层），胎体、胎圈、内衬层（或叫气密层）六个主要部件组成。
斜交胎的胎体帘线和缓冲层帘线是由多层附胶帘布组成，各种轮胎胎体帘线层数和缓冲层的层数各不相同。
但这些帘线是相互斜向交叉排列的，也就是说单数层一个方向，偶数层是相反的另一个方向。
子午线轮胎的胎体帘线排列方向，象地球子午线一样，以轮轴为中心，从一个胎圈到另一个胎圈，经向排列。
带束层帘线虽然也是斜向交叉排列，但与胎冠中心线呈很小的角度（一般在15°～25°之间）。
胎体帘线按子午线方向排列（与胎冠中心线呈90°或接近90°排列），并有帘线排列几乎接近圆周方向的带束层束紧胎体的一类轮胎，叫做子午线轮胎。
这也是子午线轮胎与斜交轮胎的根本区别。
第三章工艺流程草图及说明
3.1工艺流程图
查阅相关资料，确定生产过程图如下：
图3-1-1全钢载重子午线轮胎混炼胶制备工序的工艺流程简图
根据参考资料以及上网查阅，一般子午线轮胎生产流程图如下所示，在此附图仅供参考。
图3-1-2生产车间流程图
3.2混炼胶制备工序流程说明
现代化炼胶系统是以密炼机为中心，并与上、下辅机系统联结成一条完整的炼胶生产线，由计算机进行集中控制与管理。
3.2.1密炼机简介
密闭式炼胶机简称密炼机，主要用于橡胶的塑炼和混炼。
密炼机是一种设有一对特定形状并相对回转的转子、在可调温度和压力的密闭状态下间隙性地对聚合物材料进行塑炼和混炼的机械，主要由密炼室、转子、转子密封装置、加料压料装置、卸料装置、传动装置及机座等部分组成。
如图3-2-1所示：
图3-2-1密炼机示意图
密炼机是在开炼机的基础上发展起来的一种高强度间隙性的混炼设备。
自1916年出现真正意义上的Banbury（本伯里）型密炼机后，密炼机的威力逐渐被人们所认识，它在橡胶混炼过程中显示出来比开炼机优异的一系列特征，如：
混炼容量大、时间短、生产效率高；较好的克服粉尘飞扬，减少配合剂的损失，改善产品质量与工作环境；操作安全便利，减轻劳动强度；有益于实现机械与自动化操作等。
3.2.2密炼机上辅机系统
密炼机上辅机系统用于实现密炼机炼胶所需的炭黑、胶料、油料等的自动输送、贮存、配料称量、投料等工艺过程，是密炼机炼胶不可缺少的的配套设备。
其控制系统包含了对密炼机主机以及上辅机的网络化和智能化管理及控制。
1.上辅机系统组成
密炼机上辅机系统的工艺流程如图3-2-2所示。
密炼机上辅机系统主要由以下几部分组成：
炭黑气力输送系统；
炭黑称量、投料系统；
油料输送、贮存、称量、注油系统；
胶料导开、称量、投料系统、胶料系统；
计算机智能控制系统。
图3-2-2密炼机上辅机系统的工艺流程图
2.炭黑气力输送系统
气力输送是利用空气（或气体）流作为输送动力，在管道中搬运粉、粒状固体物料的方法。
空气或气体的流动直接给输送管内物料粒子提供移动所需要的能量，管内空气的流动则是由管子两端压力差来推动。
气力输送的主要目的是将固体物料由一个位置移到另一个位置。
气力输送系统应配置压缩空气或气体源、把物料投入到输送管道内的设备、输送管道以及从输送物料和空气的混合中将输送物料和气体分离的分离设备。
这些设备的合理选择和布置可使工厂的布局及操作更为灵活。
目前用于输送炭黑及相关粉料的气力输送方式有：
（1）负压式气力输送系统
（2）正压式气力输送系统
（3）脉冲式气力输送系统
3.2.3炭黑称量、投料系统
1.炭黑称量
利用炭黑称对炭黑进行称量，起结构示意图如图3-2-3所示：
1-传感器（3个）；2-铰链；3-气缸；4-气动蝶阀；5-下呼吸口；6-顺料筒；
7-除尘器；8-内衬；9-秤斗；10-炭黑入口
图3-2-3炭黑秤示意图
2.投料系统
利用气力流槽和螺旋输送机进行投料
气力流槽是利用物料的位能，炭黑经压缩空气“流态化”并在炭黑本身重量的作用下进行输送（图3-2-4）。
压缩空气进入空气室5通过过滤板3均匀地进入物料室2，完成炭黑流态化输送。
气力流槽只能将炭黑从高处输送到低处，流槽倾角一般为5-20°。
气力流槽结构简单，输送效率高，适用范围广，对炭黑的破碎率是所有输送方式中最小的。
其输送能力取决于流槽截面积、倾角、压缩空气流量、空气压力、过滤板材质和厚度以及气隙。
过滤板有各种纤维制成的过滤板和塑料微孔板。
输送炭黑所用的过滤板一般采用三防针刺毡（防油、防水、防静电）压制而成。
在密炼机上辅机系统中气力流槽适用于大贮仓向发送罐、炭黑贮仓向炭黑秤喂料和进密炼机后加料等场合。
但由于气力流槽内的气体需分离出来，故须考虑在流槽的出口配置炭黑和气体分离设备。
1-进料口2-物料室3-过滤板4-压缩空气管5-空气室6-检查手阀7-观察孔
图3-2-4气力流槽结构示意图
螺旋输送机是化工、建材、粮食等部门中广泛应用的一种输送设置，主要用于输送粉状、粒状和小块状物料。
不适宜输送易变质的粘性和易结块的物料。
在密炼机上辅机系统中常用来输送不同种类的炭黑和粉料，其输送可靠，输送能力可以采用变频调速控制电机转速来控制。
并可通过电机点动来实现微下料，螺旋输送机在密炼机上辅机系统中多用于向炭黑秤供料，有些情况下可以代替气力流槽输送。
螺旋输送机与其它输送设备相比较，具有结构简单，横截面积小，密封性能好、可以中间多点装料和卸料、操作安全方便、以及制造成本低等优点。
但它由于运动部件多，机件磨损较严重，同时输送距离受限。
对于粘性大的物料，易粘附螺杆，消耗功率大以及物料在运输过程中易被破碎。
螺旋输送机除了对炭黑产生破损外，在更换品种时也不容易清除螺槽中残余的物料。
其示意图如下所示：
1-轴承2-气动蝶阀3-压环4-密封填料5-输送螺旋6-螺旋槽
7-搭扣8-联轴器9-摆线针轮减速电机
图3-2-5螺旋输送器示意图
3.2.4油料输送、贮存、称量、注油系统
油料输送、贮存有输油泵和贮油罐完成。
根据输送距离长短，输油泵可选择齿轮泵（适于短距离）或螺杆泵（适于远距离）；贮油罐的数量由工艺配方确定，容积由有的来源确定（油桶或油罐车）。
油料秤通常由不锈钢材料制成，可有效防止油料秤内部和油料中的杂质对秤体的腐蚀。
油料秤采用斗式结构（图3-2-6）。
进油管路采用粗细两种规格了油管，分别由其上的气动截止阀或球阀控制进油速度。
进油管路数量取决于油种类的多少。
油泵出口装有单向阀、排气阀、空气清扫管等。
注油结束后，通过压缩空气清扫油管中残余油料，保证称量准确。
1-电子台秤；2-进油管；3-秤斗；4-气动截止阀或气动球阀；
5-液位计；6-备油斗；7-加热器；8-注油泵；9-油过滤器；
10-单向阀；11-保温层；12-温控仪表
图3-2-6油料秤及注油管路示意图
3.2.5胶料导开、称量、投料系统、胶料系统
该系统完成胶片的导开裁断、胶块的切断抓取、胶料的称量、投料、塑炼、混炼等功能。
胶料秤实际上是将一台皮带运输机固定在4只称重模块4上（图3-2-7）。
4只称重传感器采用钢球自动调整和复位。
胶料称长度一般为2-6m，由密炼机规格和用户厂房配置决定，宽度由密炼机进胶口宽度确定。
在胶料秤进密炼机口则装有一对光电开关2，控制驱动电机的启停。
在运输带的两侧装有挡板6，防止胶料下落。
1-电动辊筒（电机减速机）；2-光电开关；3-托辊；4-称重模块；5-减振块；6-挡板；
7-被动辊；8-运输带
图3-2-7胶料秤示意图
胶料系统
①生胶塑炼
生胶块经皮带秤计量后放到投料皮带机上投入密炼机进行塑炼。
②胶料混炼
第一段混炼（母炼）所用的天然胶多为标准胶，不需塑炼。
它除整块投入外还切成小块，放在皮带秤上计量后送到投料胶带机上，由计算机按生产指令投料。
第二段混炼（终炼），通常在密炼机中加硫，混炼胶片可由冷却装置直接提升至二楼，叠放在胶料托盘上，再送入供胶皮带机，将胶片连续供给皮带秤计量，在接近给定称量值时胶片自动被切断。
增加密炼机的加料量和以分段加入橡胶的方法，可以提高炼胶设备的生产率20-30％和改善橡胶的规定指标及使用指标。
混炼机如图3-2-1，混炼过程如图3-2-8所示：
图3-2-8混炼示意图
3.2.6计算机智能控制系统
（1）控制原理和控制功能
上辅机智能控制系统采用计算机网络控制，多台计算机之间通过网络进行联系。
系统的主要任务是完成炭黑原料的输送；油料的输送；炭黑、油料、胶料的自动称量、自动投料；配方的编辑；密炼机控制，其中包括温度、时间及能量的控制；配方、批料、产量报表的存贮、打印；故障判断报警等。
计算机自动控制系统从功能上可分为两层。
第一层为网络层，各个计算机都连接在网络上，它们通过网络进行相互间的联系和通讯。
第二层为管理控制层，各个计算机分别管理或控制几个部分。
上位机进行配方的编辑、存贮、批料产量报表的存贮和打印。
在自动操作时，设置各称量配方及密炼工艺，通过网络启动整个系统。
具有动态在线监视和设备故障判断功能；输送PLC控制炭黑及油料的输送；称量、密炼PLC控制炭黑、油料、胶料的自动称量和投料及密炼机的手动、自动操作。
（2）控制和管理软件
1）控制软件
控制软件完成设备各个动作的控制，如PLC中的梯形图程序。
它是上辅机控制系统得以运行的基础，它接受上位管理机的指令并把各类数据送到管理机中。
2）管理软件
管理软件有以下功能：
生产计划:
生产计划主要是为操作员提供对生产计划的管理。
包括当班计划、执行计划、暂停计划。
生产监控:
生产监控包括以下两个选项：
动态混炼监控画面、动态胶料秤监控画面。
整个混炼监控画面如图3-2-9所示。
图3-2-9计算机混炼监控画面
生产管理:
生产管理包括：
修改次数、配方重传、终止称量、终止密炼、生产提示、报表统计等功能。
3.2.7密炼机下辅机系统
密炼机下辅机系统的组成及规格与密炼机的型式、规格和工厂布置密切相关。
下辅机组一般由带辊筒机头的螺杆挤出机、开放式压片机和胶片冷却吹干装置组成。
一般密炼机布置在单独的平台上。
平台下面布置压片机。
炼好的胶料通过密闭通道靠自重直接落在压片机上。
通过压片机将胶料压成一定宽度和厚度的胶片，胶片通过隔离剂水槽、胶片冷却装置冷却并叠放在料盘上，从而使整个炼胶过程联动化和自动化，有利于降低工人的劳动强度，改善操作环境，提高自动化水平和生产效率。
小型密炼机、翻转式密炼机也可采用平装方式，密炼机和压片机布置在一层。
密炼机排出的胶料通过运输带或斗式提升机运至压片机上。
压片用的开炼机或双螺杆挤出压片机规格与所配密炼机的规格相平衡。
目前常用的压片机有开炼机压片或双螺杆挤出压片两种形式。
第四章工艺计算及主体设备设计计算及选型
本设计书是根据下列所给数据进行工艺计算、主体设备设计计算及选型。
表4-1一条标胎所用配方和混炼特性
序号
配方
重量（kg）
段数
1
A
带束
4.90
3.50
2
B
胎体
3.50
2.80
3
C
气密
2.60
2.00
4
D
过渡
4.20
2.80
5
E
胎侧
9.00
3.00
6
F
胎冠
14.70
2.90
7
G
基部
2.60
2.50
8
H
肩垫
3.00
2.50
9
I
三角
5.40
2.80
10
J
其他
1.10
3.00
注：
1.标胎总质量51.00公斤。
2.一条标准胎中含碳黑约15.8公斤
3.一条标准胎中含油约0.23公斤
表4-2每班生产时间安排表
运算项目
TBR
每班
用餐时间min
30
换规格min/次
4
换规格次数次/班
2-5
实际生产时间min
430-442
宽裕时间%
2
设备维修保养%
5
生产时间min
480
回炼率%
1.7
回丝率%
0.3
有效生产时间min
397
说明：
有效生产日期一般按照300天/年，计算终炼胶的混炼周期一般为150-200秒；母炼胶周期为210-270秒
表4-3检测时间
项目
门尼粘度
流变仪
门尼焦烧
硬度
比重
物性
速度
6min
4.2min
21min
10秒
10秒
55min
其中门尼粘度实际测试时间5分钟，操作25秒，加上等待、故障时间。
流变仪实际测试时间3和4分钟，平均3.7分钟，加上操作等待、故障时间。
物性实际测试时间20分钟，操作25秒，加上等待、故障时间，包括制样5min、硫化30min、冷却10min、测试10min。
4.1终炼胶密炼机的计算
年生产量130万，每条轮胎胶体51.00公斤，则日产130万/300=4334条，日需终炼胶4334*51=222吨，根据混炼特点（段数）,平均段数为（4.90*3.50+3.50*2.80+2.60*2.00+4.20*2.80+9.00*3.00+14.70*2.90+2.60*2.50+3.00*2.50+5.40*2.80+1.10*3.00）/（4.90+3.50+2.60+4.20+9.00+14.70+2.60+3.00+5.40+1.10）=2.86，则需母炼胶222*（2.86-1）=413吨。
选定密炼机后核定单车混炼重量：
终炼的比重稍大、母炼稍小，本设计书选定1.140和1.080；终炼用F270密炼机，填充系数为0.82，混炼腔体积255L，则单车混炼重量为255*0.82*1.140=238.3公斤。
每班产量：
每班480分钟，除去维护等其他时间，实际有效时间[480-30-4*（2-5）]*91%=397分钟，按照150秒的周期，可生产158.8车，本设计书按158车计算。
班产158*238.3=37.66吨，日产112.9吨。
选用2台时，剩余112.9*2-222=3.8吨产能，可以提前达到生产产能。
考虑到终炼胶时剩余产能较少，加产60车，平均每台每班加产10车，每班增加25分钟，符合实际。
4.2母炼胶密炼机的计算
选用F370型密炼机，填充系数为0.85，腔室396L。
母炼胶时，选定生产周期T=224秒
每班可生产车数:
车数=397*60/224=106车，选定密炼机后核定单车塑炼重量：
母炼胶比重稍小为1.080，填充系数为0.85，则单车塑炼重量=396*0.85*1.080=363.5kg，班产=106*363.5=38.53吨，日产115.59吨。
413吨母炼胶需4台F370型密炼机，剩余115.59*4-413=49.36吨产能，可以提前达到生产产能。
考虑到母炼胶时剩余产能较少，加产6车，平均每台每班班加产2车，增加时间8分钟，符合实际。
4.3上辅机系统中储罐的确定
4.3.1炭黑储罐数的确定
每条标胎含炭黑约15.8公斤，日产4334条轮胎，则日需炭黑量=4334*15.8=68.5吨，每班需要22.9吨。
选取储量为5吨的储罐，则需要炭黑储罐数为5个，剩余2.1吨的储能。
4.3.2油料储罐的确定
每条标胎含油约0.23公斤，日产4334条轮胎，则日需油料=4334*0.23=997千克，取储量为5吨的油料储罐，由于天然橡胶中增塑剂为硬脂酸，故只需1个储罐作为中间保温储罐，另外需要1-2个加热脱水罐。
然而考虑到轮胎各配件油料有所不同，故需不同的罐来储存。
子午线轮胎配件的油料分别是芳烃油、松焦油、高芳烃油、环烷油、硬脂酸、微晶蜡、石蜡等7种，故需7个5吨的油料储罐。
第五章辅助设备的计算及选型
为确保混炼胶质量符合下一流程，以及最终产品质量达到要求，混炼的胶料需要检测，可以从密度、硬度确定配方组分是否按要求重量加入，门尼粘度确定粘度是否稳定保证加工性能。
5.1检测方案确定
根据各项目的测试目的、数据有效性、数据表征范围的交叉覆盖及对实际生产的指导意义，消除重复性测试，在全钢载重子午线轮胎生产过程中，正常合理的快速检测项目是：
对母炼胶采取密度和门尼粘度测试控制，对终炼胶有两种方案，一是采取硬度、密度、门尼粘度控制，二是采取门尼粘度、流变仪控制。
钢丝抽出、焦烧、炭黑分散、物性检测等项目可以作为某一周期内的例行检查，同时作为现场出现异常时进行即时鉴定、研究分析的工具。
母炼胶采取密度和门尼粘度测试控制。
母炼胶的比重测试项目因为单项投资小,速度快，可以进行逐车次检测,门尼粘度测试频次设置为母炼胶20%（即每10车抽检2车）。
每班实际有效时间为397min，设定每班生产155车。
每车母炼胶的比重测试时间为10秒，每班比重测试时间=106*10/60=17.6min<397min,故只需1台比重测试仪。
每车门尼粘度时间为6min，每班门尼粘度测试时间=6*106*0.2=127.2min<397min,故只需1台门尼粘度计。
对终炼胶采用硬度、密度、门尼粘度控制。
终炼胶的比重和硬度项目因为单项投资小，测试速度快，可以进行逐车次检测，门尼粘度测试频次设置为终炼胶10%即可以满足控制要求。
每班实际有效时间为397min，终炼胶每班可生产158车。
每车终炼胶的比重测试时间为10秒，每班比重测试时间为158*10/60=26.3min<397min,故只需1台比重测试仪。
每车终硬度的测试时间为10秒，每班硬度测试时间为158*10/60=26.3min<397min,故只需1台硬度测试仪。
每车门尼粘度时间为6min，每班门尼粘度测试时间为6*158*0.1=94.8min<404min,故只需1台门尼粘度仪。
由于各个测试时间较有效生产时间短得多，考虑到经济成本问题，可以母炼与终炼共用一台测试仪器，所以门尼粘度仪共1台，比重仪共1台，硬度计共1台。
（以上各种仪器，如果经济条件及各方面允许，可以母炼与终炼各用一台仪器进行测试或适当考虑增加一台作为备用，以为突然出现故障保证其能够正常生产）
5.2检测设备的选取
5.2.1门尼粘度仪
主要用途：
门尼粘度仪用于测定生胶或混炼胶的粘度、焦烧及硫化指数等。
数据分析：
微机控制，数据显示，自动校准，是橡胶工业及科研单位理想的实验仪器。
采用进口智能数字式温控仪表，调整设定简便，控温范围宽。
本设计选用JMN--Ⅲ型门尼粘度仪，如图5-2-1所示：
图5-2-1JMN--Ⅲ型门尼粘度仪
JMN-Ⅲ门尼粘度仪:
是测定各种未硫化的天然橡胶、合成橡胶及再生橡胶的门尼粘度、焦烧时间和硫化指数。
5.2.2电子比重仪/密度仪
电子比重计是将现代微电子技术与阿基米德原理相结合而研发出来的新型比重测试仪器 此仪器改变了传统密度测试的繁琐操作，实现了不规则样品的快速准确测量。
能满足现代产品生产及新材料研究过程中对样品密度的精确测量要求。
电子密度仪用途 广泛应用于粉末冶金、橡胶、塑胶、电线电缆、复合材料、磁性材料、精密陶瓷、五金加工、精密化工等行业的产品及原材料密度检测。
本设计选用MH-200A型电子比重仪（如图5-2-2）。
MH-200A橡胶密度计|塑料密度计直接读取比重、体积、纯度百分比等。
图5-2-2MH-200A型电子比重仪
5.2.3硬度计
定义：
用于测定材料硬度值的试验机。
硬度定义：
表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。
它是金属材料的重要性能指标之一。
一般硬度越高，耐磨性越好。
本设计选用HVS-5Z型自动转塔数显维氏硬度计，如5-2-3所示：
HVS-5Z型自动转塔数显维氏硬度计
HVS-5Z型自动转塔数显维氏硬度计是光机电一体化的高新技术产品，它具有在测试时压头与物镜自动缺换，测试点自动定位精确。
有良好的可靠性，可操作性，是小负荷维氏硬度计的升级换代产品。
硬度计适用于测量微小、薄型试件、表面渗镀层处理后的零件，是科研机构、工厂及质检部门进行研究和检测的理想的硬度测试仪器。
适用范围：
热处理、碳化、淬火硬化层，表面覆层，钢，有色金属，4微小及薄形零件等。
第六章设计一览表
设备表
设备
型号
台数
密炼机
F270（终炼）
2
F370（母炼）
4
炭黑储罐
5吨
5
油料储罐
5吨
7
密度计
MH-200A型
1
门尼粘度计
JMN--Ⅲ型
1
硬度计
HVS-5Z型自动转塔数显维氏
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第七章总结
本次课程设计在坚持自主独立完成的前提下，与同组同学进行了探讨，并得到了老师的大力支持与指导，同时还在设计过程中查阅了大量相关文献以及老师所给的参考资料，从而了解了生产流程，并根据实际情况与生产要求确定生产工艺，在通过生产要求算出日、班产，选出生产设备，再用生产设备推演生产工艺，
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