XK450-1200开炼机设计【含CAD图纸、说明书】
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含CAD图纸、说明书
XK450
1200
开炼机
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目 录前 言1一、文献综述2二 、主要参数的确定92.1 横压力的确定92.1.1 临界角92.1.2 横压力的计算92.2 驱动效率102.3 生产能力10三、传动系统133.1 电动机133.2 减速器133.3 驱动齿轮133.3.1 确定公式中各计算数值143.3.2 计算许用接触应力143.3.3 计算：153.3.4 齿轮主要几何参数的确定163.4 速比齿轮173.4.1 按齿面接触疲劳强度进行初步设计183.4.2 齿轮主要几何参数21四、主要零部件的设计224.1 辊筒224.1.1 辊筒材料224.1.2 机构形状与各部分尺寸224.1.3 辊筒的受力分析234.1.4 辊筒的强度计算254.2 辊筒轴承294.2.1 滑动轴承的结构294.2.2 轴承强度计算304.3 机架与压盖324.3.1 机架与压盖的强度计算324.4 调距装置384.4.1 调距装置的计算384.4.2 螺杆螺纹的自锁条件394.5 辊温调节装置394.5.1 实际冷却水消耗的功率414.5.2 冷却水管进水总管直径的计算41前 言开放式炼胶机的发展回顾和展望 已有100多年历史的开炼机，目前仍然是国内外橡胶企业使用的主要炼胶设备之一，虽然其主机结构无多少变化，但其附属结构却在日新月异地不断改变更新，例如橡胶设置的使用和不断改进，是开炼机逐渐像自动化程方向发展，这些变化，使其在技术水平和性能方面均得到了改进和提高。这样开炼机不但没有被密炼机所取代或淘汰，相反还在不断发展。开炼机不但在一般橡胶企业里大有市场，就是在轮胎生产中也还占有相当的份额。由于轮胎制造的需要，目前开炼机的规格已经达到了710*2200（2540），前辊线速度达40m/min，只惦记驱动功率增至280kw，而且有单电机驱动，双单机驱动和直流电机无限调速等多种驱动方式，另有单机和双机联动两种结构形式。辊筒表面形状有光面和沟槽面两种类型。沟槽面辊筒的沟槽断面形状、大小、分布形式和与轴线的角度有多种多样，可根据工艺需要而定。对于辊面温度控制要求较高者，多采用钻孔结构。辊筒的支承用滚动轴承取代铜瓦滑动轴承和尼龙滑动轴承。利用滚动轴承作为辊筒支承，具有高效、节能的优点。辊筒调距由手动、电动发展到液压调距。液压调距的控制系统由压力传感器、位移传感器、PLC和触摸屏等组成，可用它作精确调距，设定值与实际值的误差在0.2mm以内。一、文献综述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。因此，炼胶设备是橡胶机械中重要的设备之一。目前的炼胶设备主要有开炼机、密炼机（间歇式生产，目前通用），连续混炼挤出机（连续式生产，橡胶方面正在研究之中，塑料方面已工业化）。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。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，如丁腈加强胶开炼机基本结构开炼机主要由辊筒、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1、 老 式传 动 开 炼 机 2、新 型 传 动 3、双电机传动式开炼机4、带翻胶装置开炼机 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22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。 图22间歇炼胶过程图三、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（）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。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5501500，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XK400：X表示橡胶，K表示开炼机，400表示辊筒直径；SK400：S表示塑料，K表示开炼机，400表示辊筒直径；X（S）K400：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XKP400：其中P表示破胶机；XKA400：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650210055015005508004501200400100035090016032016032011.11.21.31.251.351.21.31.21.31.21.31.251.35速比可调32282624191710可调11595755540285.55.515045702000公斤/时3050203515252压片塑炼、混炼、热炼破胶塑炼、混炼、热炼塑炼、混炼、热炼塑炼、混炼、热炼实验用实验用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。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。辊筒的辊距定义:两辊筒表面的最小距离称之为辊距。单位用mm,me表示。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。二、速比f1、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。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：用途计算速度梯度的辊距e梯度值塑炼、混炼、热炼、压片3mm15002200/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传动功率传动电机功率是开炼机传动设计的一个主要依据。1、要求：（1）启动力矩要大；（2）转速要恒定；（3）可以正反转；（4）有耐超负荷的特性；（5）封闭性能要好。2、电机选择：根据上述要求，一般选用Y、YR三相异步电动机。生产能力定义：单位时间内开炼机的产量称为开炼机的生产能力。以公斤/小时表示。传动系统一、传动型式开炼机的传动系统的设计主要包括电动机、减速器、驱动齿轮和速比齿轮的选择与布置。传动系统设计直接影响开炼机的整体布置、结构型式、占地面积、加工制造和使用维护。为此，设计时要给予充分的重视。开炼机的传动型式颇多，大体上按下述方法分类：开炼机工作时负荷变动较大，又考虑到有时需要负载启动。混炼与压片时粉状配合剂飞扬易引起电动机短路，故对开炼机用电动机的要求是：1启动扭矩要大；2具有超负荷特性，要求Mmax/M额定为22.5倍以上；3能够正反转动；4转速要恒定；5制动性能要好；6混炼、压片机电动机应采用封闭型。近年来，国外开炼机有采用低速同步电动机直接驱动的。它的优点是：功率因数高，不需配置减速器。它的缺点是：电动机成本高、体积大，操作与维护都不方便，故在国内产品中尚未采用。参 考 文 献1 机械工程师手册 第二版S 机械工业出版社 2883052 成大先主编，机械设计手册 第四版 第四卷M 化学工业出版社出版2004：53150，192206 3 杨顺根主编，橡胶机械安装 维护 保养和检修M 1999.1，化学工业出版社4 濮良贵，纪名刚主编，机械设计（第七版）M 2002.1，高等教育出版社 5 张美麟，阎华，张莉彦编，机械基础课程设计M 2001.12，化学工业出版社 二 、主要参数的确定开炼机规格：主要参数：1、辊距 取4mm 2、前后辊速比 f=1:1.27 3、前辊筒线速度 24.3m/min 4、主机功率 55千瓦 5、一次加料量 30-50公斤2.1 横压力的确定2.1.1 临界角 取合力作用线与水平作用线的夹角 取2.1.2 横压力的计算a、 建立在经验统计基础上的横压力的计算式中：总横压力，；计算系数，开炼机，=1.31.5；速比；后辊线速度，因此；两辊筒的平均直径，cm；辊筒指数，其值为；辊距，cm；辊筒工作部分长度，cm；b、 建立胶料捏炼流体动力理论上的横压力计算单位横压力式中，剪切计算系数 =17.0；因此 c、 利用推荐值横压力 2.2 驱动效率由经验公式计算： 式中：92计算系数（天然橡胶）：辊筒工作部分长度，米辊筒的半径，米因此选择的电机功率为55千瓦选择电机为Y280M-6 n=980转分 电压=380V2.3 生产能力一次容胶量升生产能力三、传动系统 传动系统的设计包括：电动机、减速器、驱动齿轮和速比齿轮的选择与布置。3.1 电动机Y280M-6 n=980转分3.2 减速器选择标准减速器：ZLY160-9 I=12.643.3 驱动齿轮齿轮材料的选额：小齿轮材料为40钢，经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC大齿轮材料调质硬度为217255HBS后辊速度为24.31.27=30.86 m/min选取小齿轮齿数为 按齿面接触疲劳强度进行初步设计设计公式：3.3.1 确定公式中各计算数值 初选 计算小齿轮传递的转矩 齿宽系数 查得 查得材料的弹性影响系数 3.3.2 计算许用接触应力 计算应力循环次数 查得接触疲劳寿命系数为 计算接触疲劳许用应力 取安全系数，故取3.3.3 计算：取标准模数 (a) 按接触强度校核验算公式：(1) 计算小齿轮分度圆直径 (2) 确定齿宽 取 (3) 计算圆周速度 (4) 计算 (5) 确定(6) 验算 因为与比较接近，故参数不用修正。(b) 按齿根弯曲疲劳强度校核校核公式：(1) 确定公式中各数值 计算(2) 计算弯曲疲劳许用应力 取安全系数(3) 校核齿根弯曲疲劳强度所以，满足强度要求3.3.4 齿轮主要几何参数的确定(1) 基本参数： (2) 分度圆直径计算： (3) 中心距计算：(4) 齿宽： 3.4 速比齿轮速比齿轮的速比。两齿轮中心距，传递扭矩是再通过速比齿轮传动的，当速比很小时，可以近似的认为：量辊筒扭矩相同。速比齿轮的扭矩之和即为大驱动齿轮扭矩 选：小齿轮：钢调质及表面淬火。大齿轮： 调质取： 取： 为满足辊筒调整要求，大辊筒的开炼机速比齿轮应采用渐开线长齿轮其全高，齿顶高，齿根高。齿宽。否则，会由于辊距过大造成齿的啮合条件恶化，影响齿轮的使用寿命。所以全齿高 取 则 齿宽 3.4.1 按齿面接触疲劳强度进行初步设计设计公式：(1) 确定公式中的各计算数值 初选 计算小齿轮传递的转矩选齿宽系数 查得 查得材料的弹性影响系数 (2) 计算许用接触应力 计算应力循环次数 查得接触疲劳许用应力取安全系数 因为 故取(4) 计算取标准模数 (a) 按接触强度校核验算公式：(1) 计算小齿轮分度圆直径 (2) 确定齿宽取 取 (3) 计算圆周速度 (4) 计算 (5) 确定 (6) 验算因比较接近，故参数不用修正，满足强度要求(b) 按齿根弯曲疲劳强度计算中心校核公式：(1) 确定公式中的数值 计算 (2) 计算弯曲疲劳许用应力 计算弯曲疲劳许用应力取安全系数 (3) 校核齿根弯曲疲劳强度所以满足强度要求3.4.2 齿轮主要几何参数(1) 基本参数 (2) 分度圆直接计算 (3) 中心距计算 (4) 齿宽 四、主要零部件的设计4.1 辊筒4.1.1 辊筒材料辊筒是开炼机的主要工作零件，必须具有足够的强度、硬度和导热性能，其材料一般采用冷硬铸铁，这种铸铁表面坚硬，耐磨耐腐蚀，内部韧性好，强度大，易导热，制造容易，造价低。4.1.2 机构形状与各部分尺寸辊筒结构有两种：一种为中空结构，另一种为圆周钻孔结构。本设计采用中空结构。辊筒各部分尺寸为：辊筒工作部分长度： 辊筒内径： 辊筒直径： 辊筒长度： 辊筒传动部分直径： 辊筒传动部分长度： 辊筒肩部直接： 圆角： 4.1.3 辊筒的受力分析开炼机的辊筒工作时受较大的横压力、摩擦力、温度应力、大小驱动齿轮和速比齿轮的作用力。由于胶料横压力的作用，辊筒要承受弯曲应力，由于胶料的摩擦力和轴承的摩擦力作用，辊筒要承受扭转应力，可见辊筒实际上是受有弯曲和扭转的复合应力。此外，辊筒的自重作用都必须给予考虑。由于辊筒内外温度差而引起的温度应力和冷硬铸造产生的内应力都对辊筒强度有影响，在精确计算时都应考虑。但内应力计算困难，一般可在安全系数中考虑即可。(1) 胶料对辊筒的横压力式中： 总横压力，横压力的水平分力、垂直分力，(2) 驱动齿轮的作用力a. 大驱动齿轮的圆周作用力式中：作用在大驱动齿轮上的扭矩，大驱动齿轮的节圆直径，经电机、减速器、大驱动齿轮传动的扭矩是提供前后辊筒前后辊筒加工胶料的需要，故由前、后辊共同承担。即 ，但在炼胶过程中可初略认为： 圆周作用力的水平分力和垂直分力为：式中：大小驱动齿轮轴线与垂直线偏移角 一般取b径向力：式中： 为压力角，取(3) 速比齿轮的作用力在炼胶时前辊筒的扭矩是通过速比齿轮传动的，当速比很小时，可以近似认为两辊筒的扭矩相等，速比齿轮的扭矩之和即为大驱动齿轮的扭矩式中 后辊筒速比齿轮的扭矩， 前辊筒速比齿轮的扭矩，圆周作用力 径向力 (4) 重力 后辊筒 速比齿轮重 大驱动齿轮重 4.1.4 辊筒的强度计算(1) 辊筒支反力的计算 a 水平方向支反力b 垂直方向 c 合成支反力(2) 弯矩的计算辊筒的受力分析情况如上图：辊筒的总横压力：支点反力和为：中间截面的弯矩：其最大弯矩式中：F总横压力，；单位横压力，水平单位横压力，中间截面的弯矩，轴承支点反力； 辊筒工作部分长度；辊筒支点间的距离；(3) 扭矩的计算：由后辊筒传递的全部扭矩式中：电机额定功率，后辊筒转速，从电机至后滚筒的总传动效率，取(4) 强度计算辊筒工作时受有弯曲和扭矩联合作用下的复合应力，根据力学中的强度理论，可按修正后的第二强度理论计算工作应力。a 式中：泊松比，对铸铁； 最大弯曲应力，； 最大扭矩剪应力，；b 式中：辊筒计算断面最大弯应力，； 辊筒计算断面最大弯矩；抗弯断面系数，；式中：辊筒工作部分外径； 辊筒工作部分内径；内外径比，；c 式中：辊筒计算断面最大扭矩，； 抗扭断面系数，；所以(5) 应力计算开炼机炼胶过程中通过冷却水冷却时，对辊筒内表面的影响较大，需要进行温度应力验算。辊筒外表面受热伸张打，产生压应力，但辊筒承受能力大，对温度的影响不大。辊筒内表面冷却后，热伸张少，产生拉应力，与弯矩产生的拉应力跌加，影响强度。内层拉应力为：式中：热应力，由弯矩产生的应力，；式中：辊筒工作部分外半径，； 辊筒工作部分内半径，； 膨胀系数，对于铸铁； 弹性模量，对于铸铁； 辊筒工作部分外表面的温度，； 辊筒工作部分内表面的温度，； 泊松系数，对于铸铁，一般为，温度太大时，热应力也大，易引起辊筒断裂，故冷却时，必须在运转中缓慢进行。(6) 许用应力与安全系数a 辊筒的安全系数式中：安全因数系数，取(按停车事故考虑)； 计算系数，取(按辊筒初略计算考虑)； 载荷性质系数，； 应力集中系数，铸铁辊筒取； 截面系数，取； 工艺系数，考虑冷硬层的影响，；质量验收系数，单位检查取；从而得：b. 许用应力 式中：取。4.2 辊筒轴承开炼机辊筒轴承承受的负荷大，速度低，速度较高，本设计采用滑动轴承，其特点是结构简单，制造方便，成本低。尼龙轴瓦用材料为填充MC尼龙。本设计采用HT200。4.2.1 滑动轴承的结构轴承体的内孔直径： 轴承体高度： 轴衬长度： 辊径长度壁厚： 轴衬外径： 取过盈系数，取间隙选择时应考虑：轴颈与轴承的间隙要适当，间隙过大，影响精度和使用寿命。间隙过小，易卡住和发烧。设计时，间隙的选取在保证具有良好的润滑条件下选择小值。(1) 轴颈的热膨化式中：轴颈线膨胀系数； 轴承最大工作温度 ； 室内温度 ；(2) 保证回转间隙按配合的最小间隙选取。取(3) 制造公差和安装精度， (4) 轴承体热膨胀系数，由于温度不高，该项可以不考虑。由此：最小间隙：最大间隙：辊筒工作面上的两端面与轴承端面的轴向间隙，应考虑辊筒的热膨胀，制造商的长度公差，轴承间隙配合公差，辊筒转时的必要间隙和辊筒端面的不垂直度等。轴向间隙，4.2.2 轴承强度计算按最大单位压力验算： 式中： 轴承上最大压力，； 轴承上的最大支反力，； 辊径直径，； 辊径支撑部分长度，； 轴衬的许用压力，； 取4.3 机架与压盖开炼机机架承受工作时的全部作用力，要求具有足够的强度与刚度，耐中期振动。其材料要求具有良好的铸造性能，价格低廉以吸震抗压能力，通过选用铸铁HT250或HT300。4.3.1 机架与压盖的强度计算(1) 机架的强度计算 机架的主要受力情况如图：为了简化计算，这里吧机架分离成立梁和横梁两部分。 立柱部分 受力如图为了简化计算，忽略辊筒的重量和齿轮等的作用a. 立柱与压盖呈铰链连接，在作用下产生反作用力，与方向相反。b. 立柱与横梁是一个整体，将端视为固定端，当作用后产生反力,与方向相反。为保证不变形，引起一个反弯矩,为顺时针方向。c. 计算支反力和。d. 计算弯矩 对于立柱A点的弯矩： 截面处的弯矩： 截面处的弯矩: e. 计算应力式中：截面模量：立柱的弯矩，或许用应力，；合格 机架底梁应力计算 受力情况如图 底梁的弯矩： 求合成弯矩：在弯矩作用下产生的应力为：式中：根据上诉计算弯矩后绘出弯矩图，求得最大弯矩；截面模量； 所以在立柱受力作用下，底梁同时受到拉力，其拉应力为：式中：拉力，；截面面积，；机架底梁的总应力为：合格(2) 压盖的强度计算压盖的危险截面 如下图的v-v所示，其应力为：；式中；(2) 安全系数与许用应力许用应力式中：安全系数 机架安全系数：；取；式中：安全因素系数，；计算系数，；载荷性质系数，；应力集中系数，；所以 压盖的安全系数： 式中：安全因素系数，其余与机架相同：压盖HT2040 4.4 调距装置开炼机的调距范围一般在之间，常用的调距装置分为：手动调距装置、液压调距装置、电动调距装置。本设计采用手动调距装置，其特点是结构简单，工作可靠，操作方便。4.4.1 调距装置的计算 (1) 螺杆强度的计算机械式调距装置的螺杆和螺母一般采用矩形或梯形单头螺纹，为了是啮合螺纹各圈受力均匀，螺纹工作圈数一般不大于10圈。调距螺杆主要承受横压力的水平分力，其次是扭矩作用，因为本设计采用手动调距，故扭矩可忽略。在验算调距螺杆的积压强度时，其应力为：设计螺杆时，其直径为： 式中：个轴承上的最大横压力，；许用挤压应力，；螺杆材料的剪切系数，梯形或矩形螺纹的，取1.25；螺杆的螺纹内径，；螺杆与螺母的受力均为变载荷，其许用积压应力为：式中：脉动积压疲劳极限；钢材的脉动拉亚疲劳极限为：而螺杆材料一般用，此时为：(2) 安全系数：式中：安全因素系数，；计算系数，；载荷性质系数，；应力集中系数，；许用挤压应力为：4.4.2 螺杆螺纹的自锁条件其自锁条件必须满足；即，摩擦角要大于螺纹升角。通常：，为摩擦系数。钢对青铜的，。螺纹升角一般取。4.4.3 螺母台肩的计算螺母台肩高度式中：一个轴承上的最大横压力，；螺母外胎直径，；螺母外径，；许用应力，；脉动弯曲疲劳极限，铸铁HT200的式中：安全系数安全系数，取；计算系数，取；与的比值，取；式中：应力集中系数，取； 取4.5 辊温调节装置开炼机的平均功率一部分小号在传动装置的摩擦损失上，约占平均功率的20%，向周围空气散失的热量及胶料带走的热量约占平均功率的10%，其余70%平均功率转化为热量，由冷却水道走。4.5.1 实际冷却水消耗的功率由于一般取 (进、出冷却水温差)，故冷却水消耗量可近似计算为：式中：电机功率，冷却水耗水量。查表取 取 4.5.2 冷却水管进水总管直径的计算进水总管的直径式中：冷却水耗水量；水的流速，取；取。50目 录前 言1一、文献综述2二 、主要参数的确定92.1 横压力的确定92.1.1 临界角92.1.2 横压力的计算92.2 驱动效率102.3 生产能力10三、传动系统133.1 电动机133.2 减速器133.3 驱动齿轮133.3.1 确定公式中各计算数值143.3.2 计算许用接触应力143.3.3 计算：153.3.4 齿轮主要几何参数的确定163.4 速比齿轮173.4.1 按齿面接触疲劳强度进行初步设计183.4.2 齿轮主要几何参数21四、主要零部件的设计224.1 辊筒224.1.1 辊筒材料224.1.2 机构形状与各部分尺寸224.1.3 辊筒的受力分析234.1.4 辊筒的强度计算254.2 辊筒轴承294.2.1 滑动轴承的结构294.2.2 轴承强度计算304.3 机架与压盖324.3.1 机架与压盖的强度计算324.4 调距装置384.4.1 调距装置的计算384.4.2 螺杆螺纹的自锁条件394.5 辊温调节装置394.5.1 实际冷却水消耗的功率414.5.2 冷却水管进水总管直径的计算41前 言开放式炼胶机的发展回顾和展望 已有100多年历史的开炼机，目前仍然是国内外橡胶企业使用的主要炼胶设备之一，虽然其主机结构无多少变化，但其附属结构却在日新月异地不断改变更新，例如橡胶设置的使用和不断改进，是开炼机逐渐像自动化程方向发展，这些变化，使其在技术水平和性能方面均得到了改进和提高。这样开炼机不但没有被密炼机所取代或淘汰，相反还在不断发展。开炼机不但在一般橡胶企业里大有市场，就是在轮胎生产中也还占有相当的份额。由于轮胎制造的需要，目前开炼机的规格已经达到了710*2200（2540），前辊线速度达40m/min，只惦记驱动功率增至280kw，而且有单电机驱动，双单机驱动和直流电机无限调速等多种驱动方式，另有单机和双机联动两种结构形式。辊筒表面形状有光面和沟槽面两种类型。沟槽面辊筒的沟槽断面形状、大小、分布形式和与轴线的角度有多种多样，可根据工艺需要而定。对于辊面温度控制要求较高者，多采用钻孔结构。辊筒的支承用滚动轴承取代铜瓦滑动轴承和尼龙滑动轴承。利用滚动轴承作为辊筒支承，具有高效、节能的优点。辊筒调距由手动、电动发展到液压调距。液压调距的控制系统由压力传感器、位移传感器、PLC和触摸屏等组成，可用它作精确调距，设定值与实际值的误差在0.2mm以内。一、文献综述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。因此，炼胶设备是橡胶机械中重要的设备之一。目前的炼胶设备主要有开炼机、密炼机（间歇式生产，目前通用），连续混炼挤出机（连续式生产，橡胶方面正在研究之中，塑料方面已工业化）。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。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，如丁腈加强胶开炼机基本结构开炼机主要由辊筒、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1、 老 式传 动 开 炼 机 2、新 型 传 动 3、双电机传动式开炼机4、带翻胶装置开炼机 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22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。 图22间歇炼胶过程图三、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（）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。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5501500，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XK400：X表示橡胶，K表示开炼机，400表示辊筒直径；SK400：S表示塑料，K表示开炼机，400表示辊筒直径；X（S）K400：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XKP400：其中P表示破胶机；XKA400：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650210055015005508004501200400100035090016032016032011.11.21.31.251.351.21.31.21.31.21.31.251.35速比可调32282624191710可调11595755540285.55.515045702000公斤/时3050203515252压片塑炼、混炼、热炼破胶塑炼、混炼、热炼塑炼、混炼、热炼塑炼、混炼、热炼实验用实验用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。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。辊筒的辊距定义:两辊筒表面的最小距离称之为辊距。单位用mm,me表示。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。二、速比f1、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。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：用途计算速度梯度的辊距e梯度值塑炼、混炼、热炼、压片3mm15002200/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传动功率传动电机功率是开炼机传动设计的一个主要依据。1、要求：（1）启动力矩要大；（2）转速要恒定；（3）可以正反转；（4）有耐超负荷的特性；（5）封闭性能要好。2、电机选择：根据上述要求，一般选用Y、YR三相异步电动机。生产能力定义：单位时间内开炼机的产量称为开炼机的生产能力。以公斤/小时表示。传动系统一、传动型式开炼机的传动系统的设计主要包括电动机、减速器、驱动齿轮和速比齿轮的选择与布置。传动系统设计直接影响开炼机的整体布置、结构型式、占地面积、加工制造和使用维护。为此，设计时要给予充分的重视。开炼机的传动型式颇多，大体上按下述方法分类：开炼机工作时负荷变动较大，又考虑到有时需要负载启动。混炼与压片时粉状配合剂飞扬易引起电动机短路，故对开炼机用电动机的要求是：1启动扭矩要大；2具有超负荷特性，要求Mmax/M额定为22.5倍以上；3能够正反转动；4转速要恒定；5制动性能要好；6混炼、压片机电动机应采用封闭型。近年来，国外开炼机有采用低速同步电动机直接驱动的。它的优点是：功率因数高，不需配置减速器。它的缺点是：电动机成本高、体积大，操作与维护都不方便，故在国内产品中尚未采用。参 考 文 献1 机械工程师手册 第二版S 机械工业出版社 2883052 成大先主编，机械设计手册 第四版 第四卷M 化学工业出版社出版2004：53150，192206 3 杨顺根主编，橡胶机械安装 维护 保养和检修M 1999.1，化学工业出版社4 濮良贵，纪名刚主编，机械设计（第七版）M 2002.1，高等教育出版社 5 张美麟，阎华，张莉彦编，机械基础课程设计M 2001.12，化学工业出版社 二 、主要参数的确定开炼机规格：主要参数：1、辊距 取4mm 2、前后辊速比 f=1:1.27 3、前辊筒线速度 24.3m/min 4、主机功率 55千瓦 5、一次加料量 30-50公斤2.1 横压力的确定2.1.1 临界角 取合力作用线与水平作用线的夹角 取2.1.2 横压力的计算a、 建立在经验统计基础上的横压力的计算式中：总横压力，；计算系数，开炼机，=1.31.5；速比；后辊线速度，因此；两辊筒的平均直径，cm；辊筒指数，其值为；辊距，cm；辊筒工作部分长度，cm；b、 建立胶料捏炼流体动力理论上的横压力计算单位横压力式中，剪切计算系数 =17.0；因此 c、 利用推荐值横压力 2.2 驱动效率由经验公式计算：2.3 生产能力一次容胶量升生产能力三、传动系统 传动系统的设计包括：电动机、减速器、驱动齿轮和速比齿轮的选择与布置。3.1 电动机Y280M-6 n=980转分3.2 减速器选择标准减速器：ZLY160-9 I=12.643.3 驱动齿轮齿轮材料的选额：小齿轮材料为40钢，经调质及表面淬火，齿面硬度为4855HRC大齿轮材料调质硬度为217255HBS后辊速度为24.31.27=30.86 m/min选取小齿轮齿数为 按齿面接触疲劳强度进行初步设计设计公式：3.3.1 确定公式中各计算数值 初选 计算小齿轮传递的转矩 齿宽系数 查得 查得材料的弹性影响系数 3.3.2 计算许用接触应力 计算应力循环次数 查得接触疲劳寿命系数为 计算接触疲劳许用应力 取安全系数，故取3.3.3 计算：取标准模数 (a) 按接触强度校核验算公式：(1) 计算小齿轮分度圆直径 (2) 确定齿宽 取 (3) 计算圆周速度 (4) 计算 (5) 确定(6) 验算 因为与比较接近，故参数不用修正。(b) 按齿根弯曲疲劳强度校核校核公式：(1) 确定公式中各数值 计算(2) 计算弯曲疲劳许用应力 取安全系数(3) 强度3.3.4 齿轮主要几何参数的确定(1) 基本参数： (2) 分度圆直径计算： (3) 中心距计算：(4) 齿宽： 3.4 速比齿轮速比齿轮的速比。两齿轮中心距，传递扭矩是再通过速比齿轮传动的，当速比很小时，可以近似的认为：量辊筒扭矩相同。速比齿轮的扭矩之和即为大驱动齿轮扭矩 选：小齿轮：钢调质及表面淬火。大齿轮： 调质取： 取： 为满足辊筒调整要求，大辊筒的开炼机速比齿轮应采用渐开线长齿轮其全高，齿顶高，齿根高。齿宽。否则，会由于辊距过大造成齿的啮合条件恶化，影响齿轮的使用寿命。所以全齿高 取 则 齿宽 3.4.1 按齿面接触疲劳强度进行初步设计设计公式：(1) 确定公式中的各计算数值 初选 计算小齿轮传递的转矩选齿宽系数 查得 查得材料的弹性影响系数 (2) 计算许用接触应力 计算应力循环次数 查得接触疲劳许用应力取安全系数 因为 故取(4) 计算取标准模数 (a) 按接触强度校核验算公式：(1) 计算小齿轮分度圆直径 (2) 确定齿宽取 取 (3) 计算圆周速度 (4) 计算 (5) 确定 (6) 验算因比较接近，故参数不用修正，满足强度要求(b) 按齿根弯曲疲劳强度计算中心校核公式：(1) 确定公式中的数值 计算 (2) 计算弯曲疲劳许用应力 计算弯曲疲劳许用应力取安全系数 (3) 校核齿根弯曲疲劳强度所以满足强度要求3.4.2 齿轮主要几何参数(1) 基本参数 (2) 分度圆直接计算 (3) 中心距计算 (4) 齿宽 四、主要零部件的设计4.1 辊筒4.1.1 辊筒材料辊筒是开炼机的主要工作零件，必须具有足够的强度、硬度和导热性能，其材料一般采用冷硬铸铁，这种铸铁表面坚硬，耐磨耐腐蚀，内部韧性好，强度大，易导热，制造容易，造价低。4.1.2 机构形状与各部分尺寸辊筒结构有两种：一种为中空结构，另一种为圆周钻孔结构。本设计采用中空结构。辊筒各部分尺寸为：辊筒工作部分长度： 辊筒内径： 辊筒直径： 辊筒长度： 辊筒传动部分直径： 辊筒传动部分长度： 辊筒肩部直接： 圆角： 4.1.3 辊筒的受力分析开炼机的辊筒工作时受较大的横压力、摩擦力、温度应力、大小驱动齿轮和速比齿轮的作用力。由于胶料横压力的作用，辊筒要承受弯曲应力，由于胶料的摩擦力和轴承的摩擦力作用，辊筒要承受扭转应力，可见辊筒实际上是受有弯曲和扭转的复合应力。此外，辊筒的自重作用都必须给予考虑。由于辊筒内外温度差而引起的温度应力和冷硬铸造产生的内应力都对辊筒强度有影响，在精确计算时都应考虑。但内应力计算困难，一般可在安全系数中考虑即可。(1) 胶料对辊筒的横压力式中： 总横压力，横压力的水平分力、垂直分力，(2) 驱动齿轮的作用力a. 大驱动齿轮的圆周作用力式中：作用在大驱动齿轮上的扭矩，大驱动齿轮的节圆直径，经电机、减速器、大驱动齿轮传动的扭矩是提供前后辊筒前后辊筒加工胶料的需要，故由前、后辊共同承担。即 ，但在炼胶过程中可初略认为： 圆周作用力的水平分力和垂直分力为：式中：大小驱动齿轮轴线与垂直线偏移角 一般取b径向力：式中： 为压力角，取(3) 速比齿轮的作用力在炼胶时前辊筒的扭矩是通过速比齿轮传动的，当速比很小时，可以近似认为两辊筒的扭矩相等，速比齿轮的扭矩之和即为大驱动齿轮的扭矩式中 后辊筒速比齿轮的扭矩， 前辊筒速比齿轮的扭矩，圆周作用力 径向力 (4) 重力 后辊筒 速比齿轮重 4.1.4 辊筒的强度计算(1) 辊筒支反力的计算 a 水平方向支反力b 垂直方向 c 合成支反力(2) 弯矩的计算辊筒的受力分析情况如上图：辊筒的总横压力：支点反力和为：中间截面的弯矩：其最大弯矩式中：F总横压力，；单位横压力，水平单位横压力，中间截面的弯矩，轴承支点反力； 辊筒工作部分长度；辊筒支点间的距离；(3) 扭矩的计算：由后辊筒传递的全部扭矩式中：电机额定功率，后辊筒转速，从电机至后滚筒的总传动效率，取(4) 强度计算辊筒工作时受有弯曲和扭矩联合作用下的复合应力，根据力学中的强度理论，可按修正后的第二强度理论计算工作应力。a 式中：泊松比，对铸铁； 最大弯曲应力，； 最大扭矩剪应力，；b 式中：辊筒计算断面最大弯应力，； 辊筒计算断面最大弯矩；抗弯断面系数，；式中：辊筒工作部分外径； 辊筒工作部分内径；内外径比，；c 式中：辊筒计算断面最大扭矩，； 抗扭断面系数，；所以(5) 应力计算开炼机炼胶过程中通过冷却水冷却时，对辊筒内表面的影响较大，需要进行温度应力验算。辊筒外表面受热伸张打，产生压应力，但辊筒承受能力大，对温度的影响不大。辊筒内表面冷却后，热伸张少，产生拉应力，与弯矩产生的拉应力跌加，影响强度。内层拉应力为：式中：热应力，由弯矩产生的应力，；式中：辊筒工作部分外半径，； 辊筒工作部分内半径，； 膨胀系数，对于铸铁； 弹性模量，对于铸铁； 辊筒工作部分外表面的温度，； 辊筒工作部分内表面的温度，； 泊松系数，对于铸铁，一般为，温度太大时，热应力也大，易引起辊筒断裂，故冷却时，必须在运转中缓慢进行。(6) 许用应力与安全系数a 辊筒的安全系数式中：安全因数系数，取(按停车事故考虑)； 计算系数，取(按辊筒初略计算考虑)； 载荷性质系数，； 应力集中系数，铸铁辊筒取； 截面系数，取
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