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x f s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机关键部件的优化设计 摘要 随着橡塑工业及其它高分子材料行业的迅速发展，橡胶密炼机在高分子材料 加工中所占的地位越来越重要，特别是近年来随着新型橡胶产品的开发和广泛使 用，加上橡塑共混制品的不断开发和应用，对橡胶密炼机的性能提出了更高的要 求。因为橡胶密炼机性能的好坏直接影响到混炼胶的质量，也关系着其制品的使 用性能和寿命。 本文在查阅国内外关于密炼机的混炼原理以及实验研究的文献基础上，对 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机进行了设计研究，通过分析研究橡胶密炼机的结构及其 工作原理，主要对橡胶密炼机的主减速器、密炼室、涡轮翻转装置等进行了数字 化设计，使用u g 软件进行了三维建模装配。其次，采用有限元分析方法对关键部 件密炼室的前转子轴进行有限元分析，分析了前转子轴在一定载荷作用下产生的 应力和应变，从分析结果可以看出前转子轴的设计可靠，能满足工作使用的要求。 再次，使用i d a t l a b 软件对密炼室内前后转子速比齿轮的传动参数进行优化设计， 在满足强度、刚度和寿命等条件下，采用前后转子速比齿轮体积最小来进行优化 分析，降低了体积从而减少生产成本。最后，将模型导入到动力学仿真软件a d a m s 之中，进行运动学和动力学仿真分析，并对仿真结果进行研究，以验证设计结果 的可靠性。 本文使用u g 软件对橡胶密炼机的结构进行设计和研究，采用虚拟样机技术对 建立好的模型进行优化设计和仿真分析，从而大大减少了昂贵的物理样机制造及 试验次数，提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用，对密炼机 的结构优化设计具有一定的指导意义。 关键词：橡胶密炼机；三维建模；有限元分析；优化设计；动态仿真 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr u b b e rp l a s t i ci n d u s t r ya n do t h e rm a c r o m o l e c u l e m a t e r i a li n d u s t r y ，h e r m e t i c r e f i n e rp l a y sm o r ea n d m o r e i m p o r t a n t r o l ei n m a c r o m o l e c u l em a t e r i a lm a c h i n i n g 。a l o n gw i t hw i d eu s eo fn e wt y p er u b b e rp r o d u c t a n dr u b b e rp l a s t i cm i x e dp r o d u c t ，e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，i tb r i n g sf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n tt oh e r m e t i cr e f i n e rp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r ，i td e s i g n e da n da n a l y z e dx ( s ) m 5 5 - 3 0r u b b e rh e r m e t i cr e f i n e ri n t h eb a s eo fr e f e r r i n g t ot h eh e r m e t i cr e f i n e r m i x e dr e f i n ep r i n c i p l ea n d e x p e r i m e n t a t i o nl i t e r a t u r e i ts y s t e m i c a l l yd e s i g n e dh e r m e t i cr e f i n e r h o s tr e d u c e r , h e r m e t i cr e f i n e rr o o m ，t u r b i n eo v e r t u r n e q u i p m e n tu n d e rt h ea n a l y s i so f t h es t r u c t u r e a n dp r i n c i p l e i ts e tu pt h r e ed i m e n s i o nm o d e la n da s s e m b l a g eb yu s i n gu g s o f t w a r e t h e n i ta n a l y z e di m p o r t a n tf r o n tr o t o rw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t u d i e ds t r e s sa n d s t r a i nu n d e rc e r t a i nl o a da n df o u n dt h a tt h ed e s i g nw a sc r e d i t a b l e a n df u l f i l l e dt o r e q u i r e m e n t sf r o mt h er e s u l t s i to p t i m i z e dr o t o rr a t i op a r a m e t e rb e t w e e nf r o n t a n d b a c kb yu s i n gm a t l a bs o f t w a r e u n d e rf u l lc o n d i t i o n so fi n t e n s i t y ，r i g i d i t y a n d l i f e s p a n ，i to p t i m i z e dg e a rv o l u m et ot h e l e a s ta n dr e d u c e dp r o d u c t i o nc o s t f i n a l l y ，i t j o i n e dt h eo p t i m i z e dm o d e lt ot h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，a n a l y z e d k i n e m a t i c sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n ds t u d i e dt h er e s u l t st ov e r i f yr e l i a b i l i t y t h i sa r t i c l ed e s i g n sa n da n a l y s e st h er u b b e rh e r m e t i cr e f i n e rs t r u c t u r eu n d e r u g s o f - t w a r ea n dt h er e s e a r c hw h i c hc o n t a i n so p t i m i z e dd e s i g na n ds i m u l a t i o na n a l y s i sb y u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y c a nf i n i s ht h ed e s i g nw i t h o u tc u td o w nh i g h p h y s i c a lp r o t o t y p em o d e lc o s ta n de x p e r i m e n tt i m e s ，a d v a n c ep r o d u c td e s i g nq u a l i t y ， s h o r t e nt h ed e s ig nc y c l ea n dc o s to fp r o d u c t i o na n dg u i d et o s t r u c t u r eo p t i m l z e d d e s i g no f r u b b e rh e r m e t i cr e f i n e rd e f i n i t e l y k e yw o r d s ：r u b b e rh e r m e t i cr e f i n e r ；t h r e ed i m e n s i o nm o d e l ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；o p t i m i z e dd e s i g n ；d y n a m i cs i m u l a t i o n u i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：牡 日期： 砷3年 7 月 ，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：晕譬1 日期： 2 口d8 年 9 月i2 日 导师签名：义冬叭c i 7 日期：7 - o o8 年9 月，z ，日 高教硕士学位论文 1 1 课题背景简介 第1 章绪论 橡胶行业是一个拥有1 6 0 多年悠久历史的传统产业，它是指以橡胶加工或直 接服务于橡胶加工为职业特点的工业门类。 橡胶塑料产业是国民经济的重要产业，是民族经济一大支柱。生活所需、日 常所用都直接或是间接的与橡胶、塑料有着千丝万缕的联系。它不仅为人们提供 日常生活不可或缺的日用、医疗用等轻工橡胶产品，而且向采掘、交通、建筑、 机械、电子等重工业和新兴产业提供各种橡胶制成的生产设备或橡胶部件。因为 橡胶的强度、抗氧化性能的提高和其重量上的优势，其现在在很多领域已经完全 代替钢铁。我国的橡胶塑料产业起步相对较晚，很多先进橡胶、塑料的加工设备 都是依靠进口。技术是第一生产力，只有掌握了核心和先进的技术才能够在国际 竞争中取胜。 2 0 0 3 年中国合成橡胶消费量达到2 1 5 5 万吨，开始超过美国1 9 2 4 万吨和日 本l1 1 1 万吨，成为世界最大的合成橡胶消费国。2 0 0 4 年全球橡胶消费量为2 0 0 2 万吨，其中5 9 为合成橡胶，4 1 为天然橡胶，2 0 0 5 年世界天然橡胶产量增长为 4 8 ，2 0 0 6 年增速放慢为1 6 ，2 0 0 7 年世界合成橡胶产量增速为3 0 2 5 ， 欧洲增速有所减慢，而亚太地区的增长成为产量增长的火车头。到2 0 2 0 年，世界 天然橡胶消费量预计将达到1 0 0 0 万吨左右，合成橡胶消费量达到1 6 0 0 万吨左右， 其中，中国天然橡胶的消费约在2 5 0 万吨以上，合成橡胶的消费约为5 0 0 万吨以 卜【1 6 1 l 0 随着橡胶、塑料产业的进一步发展，相信其特性还会有更大提高，不久其应 用将更加广泛，在国民经济中的地位作用将更加显著。随着经济和社会的发展， 我国橡胶需求量正逐年快速增长，继2 0 0 3 年我国成为橡胶第一大消费和进口大国 之后，对橡胶的依赖程度不断加大，但中国橡胶工业自主创新能力弱，大部分产 品科技含量低，产品档次不高，缺乏大企业和具有知名度的品牌。目前，能源、 资源和技术已成为制约中国橡胶工业快速发展的瓶颈，加快技术创新，是当前的 重要任务。 1 2 密炼机技术的发展 橡胶密炼机是将橡胶粉和各种添加剂原料混合的设备，主要用于天然橡胶、 合成橡胶、再生橡胶以及塑料的塑炼与混炼，橡胶与塑料的共混，及各种低黏度 物料的混炼。 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机关键部件的优化设计 橡胶密炼机自问世以来，经过近一个世纪以来的发展变化，其结构形式和性 能在不断地更新完善，品种在不断增多。橡胶密炼机的发展过程主要经历了以下 六个阶段： 第一阶段：从1 8 2 0 年至1 8 7 6 年，是密炼机的早期发展阶段，这一阶段的主要 代表单转子密炼机、石英碾磨机和旋转搅拌机等。 第二阶段：从1 8 7 6 年至1 9 1 0 年，是建立早期密炼机混炼技术的发展阶段，这 一阶段密炼机的转子形状已经开始接近于现代的剪切型密炼机转子。 第三阶段：从1 9 l o 年至1 9 1 5 年，是橡胶工业用密炼机的早期发展阶段，由于 橡胶工业得到了迅速发展，从而对密炼机的要求变得十分迫切。德国的g k 系列密 炼机出现，密炼机转子的突棱出现了螺旋形。 第四阶段：从1 9 16 年至1 9 3 5 年，是b a n b u r y 密炼机的发展阶段，b a n b u r y 密 炼机是一种剪切型密炼机，其主要特点：一是转子具有两条螺旋突棱，二是有了上 顶栓。这一阶段是密炼机种类发展的最快阶段，开创了密炼机领域的新纪元。 第五阶段：从1 9 3 6 至1 9 8 5 年，是新型密炼机的发展阶段，这一阶段是密炼机 发展的鼎盛阶段，这一阶段转子构型和密炼机整体变化较多，各种新型转子、机 台层出不穷。 第六阶段：从1 9 8 6 一现在，也叫现代阶段，是密炼机技术发展更加完善的阶 段。这一时期，密炼机的新技术、新成果不断涌现，并提出了一系列的混炼理论 和新的专利，丰富和发展了密炼机技术n 幻。 最近二十几年来，世界上生产销售密炼机的厂家大约有2 3 家，其中前几名有 k r u p p 、神户制钢、三菱重工、f a r r e l 和p o m i n i 等，他们在密炼机的研究和发展 方面都取得了较大进展，并申请了多项专利。国内对密炼机的研究工作始于七十 年代初，虽然起步晚，但发展较快，涉及的内容也比较广，尤其是在转子的构型 设计、优化设计、受力分析、造型等方面以及密炼机整体结构设计，还包括性能、 工艺和开发密炼机控制系统等诸多方面也都作出了一定的贡献，丰富和发展了密 炼机技术。 1 3 论文研究的主要内容 本篇论文主要由5 5 l 型密炼机工作原理介绍、总体结构设计与三维建模、密 炼室前转子有限元分析、前后转子速比齿轮的优化计算、虚拟样机动态仿真等五 个部分构成。 本文主要论述了密炼机的工作原理，各主要部件的设计以及在总体结构中的 作用。利用u g 软件建三维模型，为后面利用虚拟样机对模型进行运动动力学分析 仿真分析提供了参数和模型，并对关键部件密炼室前转子进行有限元分析。使用 m a t l a b 软件对橡胶密炼机前后转子速比齿轮进行最优化设计，从成本最低或重量 高教硕 j 学位论文 。最轻等角度来分析计算结果。最后利用a d m a s 动态仿真软件进行动态虚拟，对橡 胶密炼机进行仿真分析，得到仿真结果，借以验证设计结果，对物理样机的设计 和生产具有实际的指导意义。 1 4 本章小结 本章介绍了橡胶行业是以橡胶加工或直接服务于橡胶加工为职业特点的一种 工业门类，拥有16 0 多年悠久的历史。橡胶行业在国民经济中起着重要作用，关 系着国计民生的方方面面，是民族经济一大支柱。 其次，介绍橡胶密炼机的工作原理，密炼机是将橡胶粉和各种添加剂原料混 合的设备，主要用于天然橡胶、合成橡胶、再生橡胶以及塑料的塑炼与混炼，橡 胶与塑料的共混，及各种低黏度物料的混炼。并详细介绍橡胶密炼机从问世以来， 经历的六个阶段的发展变化，以及在六个阶段橡胶密炼机发展的突出地方。 最后，介绍了论文研究的方向和主要内容，主要从密炼机工作原理介绍、总 体结构设计与三维建模、密炼室前转子有限元分析、前后转子速比齿轮的优化计 算、虚拟样机动态仿真等五个方面。 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机关键部件的优化设计 第2 章密炼机数字化设计 2 1 密炼机总体方案的选定 橡胶密炼机主要用于天然橡胶、合成橡胶、再生橡胶以及塑料的塑炼和混炼， 橡胶和塑料的共混，及各种低黏度物料的混炼。主要包括主减速器、密炼室混合 装置、翻转装置、加压装置、机架及防尘装置五个主要分系统。橡胶密炼机工作 时，经配方计量的物料从机架后部投料口加入密闭的混炼室内，在加压控温的状 态下，经过一对转速不相同的差速转子的运转，加之密炼室壁、加压盖的共同作 用，完成搅拌、捏、揉、挤压、剪切等复杂作用，完成混炼作业。转子动力由主 传动系统提供。置于混炼室上方的压料装置在气动系统的控制下，由活塞杆的伸 缩带动加压盖的升降。在工作状态下，加压盖由活塞推入密炼室内，使物料在特 定压力下完成塑炼或混炼。混炼室、转子以及加压盖等部件均为空腔结构，当物 料刚刚加入需要加热温度或是在混炼过程中需要加热的加工过程时，可以通蒸汽 来加热升温，当物料温度达到控制温度时，可以通水进行冷却，使物料在适宜的 温度范围内进行混炼或塑炼，以保证炼胶质量、提高产品的品质。 密炼机机构运动简图如下： 1 主电机2 ，j 、带轮3 v 带4 大带轮 5 输入轴小齿轮6 中间轴大齿轮7 中间轴小齿 轮 8 输出轴大齿轮9 前转子速比齿轮 l o 后转子速比齿轮1 1 蜗杆 12 涡轮1 3 翻转电机1 4 密炼室 图2 1 密炼机机构运动简图 高敦硕+ 学位论文 2 2 主减速器的设计 1 主减速器结构选择 电动机的转速为1 4 5 0r m i n ，前转子轴转速约为2 5r m i n 左右，初定电机皮 带轮的节圆直径为2 5 0 m m ，主减速器皮带轮节圆直径为6 1l m m 。不考虑皮带打滑 造成的转速损失，动力到达主减速器时的转速”，5 9 3 r m i n 。 动力到达主减速器的转速约为5 9 3r m i n ，经过主减速器减速以后转子转速应 该约为2 5r m i n ，因此主减速器的减速比应该约2 3 7 橡胶的混炼是在一定压力下所做的高阻力运转，且主减速器的减速比约为 2 3 7 ，所以主减速器结构采用二级减速器，为减小体积减速器采用输入轴、中间 轴和输出轴三根轴，由于各级主动齿轮的齿数不多，齿轮直径较小，输入轴和中 间轴可设计为齿轮轴。 2 齿轮的设计选择 从前面设计可知，主减速器的总减速比约为2 0 ，对于两级卧式圆柱齿轮减速 器，为使两级的大齿轮有相近的浸油深度，高速级传动比i l 和低速级传动比i 2 可 按下列方法分配： f i = q 1 1 5 芦2 ( 2 1 ) 因此采用选定高速级传动比i l 为5 ，低速级传动比i 2 为4 。 在前面对减速箱的设计采用二级减速器，输入轴和中间轴均采用齿轮轴，通 过计算中间大齿轮和输出轴大齿轮的齿数、模数设计参数如下： ( 1 ) 中间大齿轮 选用左旋斜齿轮，各个参数确定如下： 法向模数m 。取5 ； 齿数z 取7 9 ； 分度圆上螺旋角1 3 取13 。； 齿厚b 取8 0 m m ； ( 2 ) 齿轮的精度 密炼机中工作齿轮的工作条件为中速、大功率工作，其齿轮的圆周速度v ： 由公式v = ，得，1 ，4 7 6 m s 。 根据以上条件，参照齿轮精度等级表，选用7 级精度齿轮。 ( 3 ) 齿厚极限偏差 齿轮分度圆直径为4 0 5 4 m m ，法面模数为5 ，精度等级为7 ，参照齿厚极限偏 差参考值表，选定： 齿厚上偏差：e 。取h 齿厚下偏差：e 。；取k 羔：! 竺：竺璺璧童篁蛩耋量堡丝塑垡兰塞窒 ( 4 ) 误差检验项目 齿圈径向跳动公差，根据分度圆直径4 0 55 m m ，法向模数5 ，精度等级为7 参照圆柱齿轮各项公差与极限偏差分组及其各检查组的应用表： 齿圈径向跳动公差：r 取00 7 1m i l l 公法线长度变动公差：f - 取0 0 4 5m m 齿距极限偏差：f 。、取00 2 m m 基节极限偏差：f 。取- - 0 0 1 8 m m 斜齿轮的公法线长度参照公法线长度表： = 1 4 6 1 8 4 ：监 各个齿轮的三维设计实体图如下： 圄2 2 中问轴大齿轮 3 减速箱轴的设计选择 ( 1 ) 轴的材料的确定 轴的材料主要是碳钢和合金钒两种 图2 3 输出轴大齿轮 合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更 好的淬火性能。由于密炼机的传动动力大，并且要求尺寸小和重量轻，以及较高 的轴颈耐磨性，因此选用合金钢作为轴的材料。 ( 2 ) 输入轴 轴上零件的装配方案：拟定轴上的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它 决定着轴的基本形式。轴装配方案的选定对轴的强度的影响很大，因此轴上的传 动件应该尽量接近轴承。 输入轴的装配方案如下： 高教硕。 j 学位论文 1 轴承端盖2 套筒3 输入轴 图2 4 输入轴的装配结构方案 轴上的零件的定位：为防止轴上的零件的受力时发生沿轴向或圆周的相对运 动，所以用轴承端盖、套筒、轴肩来定位。 齿轮轴的选定：因为齿轮直径和轴的直径差不多，所以选择齿轮轴。对于齿 轮轴上齿轮的各项参数见下面的表2 1 。 表2 1 齿轮轴上齿轮的设计参数 斜齿轮在交替啮合时所受的载荷是逐渐加上，再逐渐卸掉的，因而传动相对 比直齿其传动比较平稳，冲击、振动和噪声较小，适合与高速、重载传动，因此 选择斜齿轮。由于尺寸方面的因素，避免根切现象，在此选用变位齿轮来减小齿 轮的直径。 轴的直径的确定：按扭转强度估算轴的直径： 厣 d 彳 二 y 刀 ( 2 2 ) ：! ! ! 型i ! ：! ! 型塞坚耋篓墨主罂型! ：塑些丝墼些 式中：p 一一轴所传递的功率，在此取其为7 5 k w ： n轴的转速由大小皮带轮的节圆直径和电机的转速可求得1 1 为5 9 l r m i n ； a 一一材料的许用扭转应力所确定的系数，查表得a 取1 0 0 ： 将各个参数代入公式，求得轴的直径d 应该大于等于5 0 2 5 t a m 。此外考虑最 小轴径处有键槽等因素，选定输入轴的最小直径为6 5 r a m 。 ( 3 ) 中间轴和输出轴 中间轴和输入轴的具体设计同输入轴基本相同，在此也不再重复。 4 减速箱其它部件设计 ( 1 ) 主减速器箱体的设计 箱体起着支承轴承、保证传动件和轴系正常运转的重要作用。本设计中箱体 采用剖分式结构，采用铸造箱体，剖分面与减速器内传动轴轴心线平面重舍，以 利于轴系部件的安装和拆卸，外观形状如下； 图25 主臧建器箱体 根据计算和经验公式箱体的各个主要尺寸如表 表2 2 箱体设计参数 箱座和箱盖的三维模型如下 图2 6 箱座 ( 2 ) 轴承的选定 1 ) 轴承类型的确定 在前面的减速器选择的是斜齿轮轴 采用接触角较大的圆锥滚子轴承。 图2 7 箱盖 轴承应该能够承受较大的轴向力，因此 输入轴采用窄型圆锥滚子轴承，其轴承型号为3 0 3 1 4 ： 中间轴采用中窄型圆锥滚子轴承，轴承型号为3 0 3 1 6 ： 输出轴采用承型号为3 0 3 3 0 。 2 ) 轴承的配合 对于变速箱、通用机械的安装轴承的轴的公差带，根据相关设计经验，在此 选取m 5 。对于安装轴承的外壳孔公差带，所设计的轴承外圈是相对于载荷方向静 止的，载荷状态为重型载荷，根据这些条件选择安装轴承的外壳孔公差带取h 7 。 对于轴承的润滑采用脂润滑，密封采用接触式密封。 ( 3 ) 联轴器的选择 联轴器绝大多数都已经标准化，在此任务是选用。 i ) 选择联轴器的类型：本设计的传动为大功率的重载传动，我们选用齿式联轴 器。 2 ) 计算联轴器的计算转矩：因为机器起动时动载荷和运转中可能出现的过载 现象，应该按照轴上的最大转矩作为计算转矩l ，计算公式如下： 乇。丘， ( 2 3 ) 式中：t 一一公称转矩 k 。一工作情况系数，查工作情况系数k 。表，在此按表中工作情况 分类，选取k a 为23 ， 公称转矩t 的计算： x i s ) m 5 5 3 0 型橡胶哲睬机若键利 的优化设计 t = 9 5 5 0 r ” ( 2 4 ) 式中：p 一一额定工作功率，在此我们取电机的额定功率7 5 k w ； n 一一连接轴的转速，根据电机额定转速经过各级减速后，计算得其值 为3 0r m i n ； 将p 和n 的值代入公式得： 公称转矩t = 2 3 8 7 5n * m 联轴器的计算转矩t 卟： t 。一2 3 x 2 3 8 7 5 = 5 4 9 1 2 5n * m 3 ) 确定联轴器的结构尺寸 齿轮联轴器三维设计实体图如下； 固2g 内齿联轴器 ( 4 ) v 带与皮带轮的设计 设计参数见表2 3 表2 3v 带与皮带轮的设计参数 项目 带型 带轮材料 带轮基本直径 中心距a 基准长度，。 带的根数z 窄v 带 h t 2 0 0 d m = 2 4 8 m m 以2 = 6 0 75 m m 口= 1 2 2 0 r a m l = 2 4 8 m m = = 6 根 离教砸学位论立 围2 9 小皮带轮三维图 围21 0 大皮带轮三维围 至此，减速器的各个主要部件结构都已经设计完毕，对于减速嚣的附件如窥 视孔和视孔盖、油面指示器、放油孔和定位销等具体设计在此不再骜述。 主减速器箱体总装配图如下： 2 3 密炼室的设计 图2 1 1 主臧谜器装配囤 l 密炼室的工作原理和性能特点 密炼室是密炼机的另一个重要工作部件，它由上顶栓、卸料门组成的密闭捏 炼空间包容着转子的工作部位并对混炼过程进行热量传递。密炼室应由包容转 子工作部分外周面的前后正面壁与包容转子工作部位轴向端面的左右侧面壁组 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机关键部件的优化设计 成。密炼室的容量是表征密炼机生产能力的主要参数之一，其总容量是指在上顶 栓落下、卸料门关闭时，混炼室与转子之间的空腔容量。密炼室的工作容量是指 每次可被捏炼的物料体积，也称之为额定容量。在加工中工作容量必须适当，一 般为混炼室容量的5 5 7 5 为宜。因为过少的工作容量一方面降低了工作能力， 另一方面由于物料的过度疏散，形成不了足够的物料流动阻力，会削弱转子对物 料的剪切和挤压作用，不利于分散和塑化；若物料填充过多，会使得物料没有足 够的翻动空间，同样不利于物料的混合。 密炼室在炼胶过程中承受着物料的强烈摩擦、挤压与高温等作用，工作情况 复杂，物料对其内室壁面的磨损十分严重。内壁磨损后，转子棱顶和密炼室内壁 的间隙加大，直接影响混炼效果并延长了混炼时间，严重的能够损坏密炼室壁， 使整个机器失去使用价值。因此，密炼室必须具有较大的力学强度和刚度、表面 硬度大而且耐磨、耐腐蚀、导热性能好、便于安装维修等性能，通常对密炼室的 内壁采用镀铬来提高起综合性能。 2 密炼室转子设计 ( 1 ) 转子材料的选定 转子是密炼机混炼的主要工作部件，称之为密炼机的“核心 。转子的工作部 位具有特定的形状，工作时正是由于转子的旋转使得物料得以捏炼，达到塑炼和 混合的目的的。捏炼时，转子直接与物料接触，承受着物料强烈的摩擦、挤压与 高温，因此转子的结构形式、强度等技术性能直接影响着密炼机的捏炼质量、生 产能力及使用寿命。 密炼机的转子除了承受物料强烈的外力作用外，还直接传递巨大的扭矩并承 担弯矩，工作与受力状态十分复杂，因此对其性能要求很高：应该具有足够的强 度和刚度，以确保转子工作的安全可靠；表面硬度大，耐磨性及耐化学腐蚀性好， 以延长转子的使用寿命；良好的穿热性能，以利于混炼温度的控制。因此选定转 子轴用4 5 钢来制造，在其突棱上镀硬铬。 ( 2 ) 转子形状的选定 ， 密炼机的转子横截面形状一般可分为：椭圆形、圆筒、三棱形等。在设计中 采用椭圆形转子，椭圆形转子又称为剪切型转子，是当今密炼机使用最为广泛的 一种转子，其突出的高剪切性能有力的促进了物料的分散混合与分布混合，并且 吃料快，排料干净，生产效率高。 根据经验选定的转子形状为椭圆形转子，转子数目初步确定为2 ，转子轴的基本 形状如下： 高教m 学论i 图2 12 转于轴 胶料加八密炼室后，不仅在两个相对回转的转子问隙中，而且在转子和密炼 室内壁的间隙中，以及转子与上f 顶栓的间隙中受到不断变化的剪切左右，使橡 胶产生剪切变形、搅拌混台等的捏炼，如此循环进行，使橡胶产生紊流，而且具 有一定遮比、相对位置也经常改变的两个转子使得紊流形态更加激烈，胶料受到 更好的捏炼。 转子的工作表面具有2 个方向相反、长短不等的螺旋棱，长转子的螺旋棱的 螺旋角a = 3 0 。，短螺旋棱的螺旋角o - - 4 5 。当转子的螺旋棱表面对胶料产生一 个垂直作用力p ，这个力可分解为轴向分力p 。和圆周力p 。 圆周力p 。使胶料沿转子圆周方向运动，其值为：只= p c o s a 轴向力p ；使胶料沿转子轴线移动，其值为：e o = p s i n d 因为胶料与转子表面的摩擦力t 企图阻止胶料轴向移动，山此可见，要使胶 料产生轴向移动的条件是： 只 t f 2 p s i n a p t a n ac o $ d p t a n a p t a l l d a d 式中巾为胶料与转子金属表面的摩擦角，它随着胶料温度变化。根据经验可 知，橡胶与金属的摩擦角巾一般推荐为3 7 。一3 8 。 因为转子长螺旋段的螺旋角a = 3 0 。，即a 口，所以此处的腔料会产生轴向移动。 两转干的螺旋| 圭段和短段是相对安装的，从而使胶料从转r 的一端移动到另 一端。在炼胶的过程巾，这样往复不断的推移胶料，加剧了胶料的紊流形态。 ( 3 ) 转子转速的计算 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶甯炼机关键部件的优化设计 转子转速是衡量密炼机工作性能的主要指标之一，直接影响密炼机的生产能 力、功率消耗、捏炼质量。 从流变理论分析得知，在混炼室高剪切区内，转子棱顶与密炼室内壁间隙处 的剪切速率y 可概略地从下式求得： ，= v h = z r d n h ( 26 ) 式中：y 一剪切速率； v 一转子突棱回转线速度，m r a i n ； h 一转子棱项与密炼室内壁间隙； d 一转子突棱回转直径； n 一转子转速。 由公式可以看出，物料混合所承受的剪切速率y 随转子转速r l 的增大而增大， 在一定的范围内可以线性的加速物料的剪切应变，随着转速的提高，转子对物料 的切边速率增大，有利于剪切分散，而且使物料在单位时间内可获得更大的总剪 切变形，加快了混炼速度，提高了生产效率。 此外，公式还说明转子突棱的回转直径也与剪切速率有线性关系，转子轴的 直径不仅仅要考虑强度方面的因素，也要综合考虑混炼效率的问题，所以选用的 转子轴直径应选用较大，选定为1 6 6m m 。 ( 4 ) 转子棱顶与混炼室内壁的间隙h 选择 流变分析中已经讲到，间隙h 的大小直接影响胶料的剪切速率与剪切应力。 实践证明，随着密炼机使用，由于磨损导致h 增大，使胶料所承受的剪切作用下 降。所以当密炼机使用时间久了时，一般需要延长混炼时间或是增加装料量，以 弥补因间隙增大给密炼机带来的不利影响。如果h 过小，胶料过大的剪切会使混 炼室的温度不正常的提高，并使密炼机的功率耗费增大。h 值一般用类比分析的 方法得到，根据国内外对密炼机h 值的统计分析，其值的范围在4 1 0 m m 之间。 ( 5 ) 转子的速比 椭圆形转子密炼机的两个转子转速是不等的，其快速转子和慢速转子的转速 之比f 称为速比，以不小于l 的值来表示，其值由速比齿轮而定，经验数据速比一 般为l ：1 1 5 1 ：1 1 9 而资料给的速比为1 2 8 ，因此跟经验数据存在一定的差距，经验公式数据虽然 不是绝对的，但是也有很大的参考价值。因此需要对转子速比进行修改，其具体数 值也不能在经验数据范围内凭空来选择，因为转子速比由速比齿轮决定的，前转子 速比齿轮齿数为2 5 ，后转子速比齿轮齿数修改为2 9 ( 因为根据经验公式在前转子 速比齿轮齿数为2 5 的条件下，后转子速比齿轮的齿数范围在2 8 7 5 2 9 7 5 之间) ， 因此名义转子速比就相应的修改为1 1 6 。 由上面分析可知，前后转子的速比为1 16 ，齿轮的设计过程和主减速器齿轮 高教顺l ：学位论z 的选择基本相同，在此不再端述 齿轮三维设计实体图如下： 圈2 1 5 混炼室外观图囝2 1 6 混炼室刮开示意图 4 密炼室冷却方式和水温的选择 密炼机冷却效果的好坏直接影l 响炼胶的质量，一般应尽量上曾大密烁事的冷却 面积，提高密炼室避的传热系数，增加冷却水的流速和使冷却水通过时尽昔靠近 密椿宣的内表面，也就是要缩小导热的距离。 f = l 水温过低会形成“露水”效应， x ( sj m 5 5 3 0 掣豫垃g 慷机关镕j i 优化让汁 延缓了混炼的过程。冈此选用4 0 。一6 0 。的温水对密炼室进行温度控制。 密炼室冷却方涟较多，主要有水浸式、喷淋式、夹套式、钻孔式等几种。在 设计叶 采用钻孔式冷却，钻j l 式冷却就是在密炼室正面壁厚内沿轴线方向钻许多 小孔，孔在两端面上交叉进行沟通，然后再用弧形板盖盖住，依次构成了一组串 联f l 道，冷却水沿孔循环流动，此种冷却方式，因钻孔的截面积较小，故水流速 度较快。 钻孔式冷却室的原理图如下： 2 4 翻转装置的设计 图2i7 钻孔式密炼室结构原理图 在密炼室结构形式的选择中，选定了翻转式密炼聿。在翻转机构的带动下， 密炼室能够实现正向和反旧14 0 。的翻转，翻转装置的核心部件是蜗轮、蜗杆装 置。对翻转装置的设汁主耍是蜗轮蜗杆传动的参数选定。 1 蜗轮蜗杆装置的设讨 设计参数见表24 表2 4 蜗轮蜗杆的设计参数 项目 蜗柯类型 模数和压力角 分度圆直径d 蜗杆头数 导程角y 蜗轮齿数 数值 圆柱阿基米德蜗杆 端面模数= 8 ，轴向压力角d 。= 2 0 0 d = 8 0 m m 单头 y - 5 。4 2 3 8 蜗轮齿数为6 0 仪墩蜗轮的1 6 8 。部分 高教颂学证论文 少 图2l8 蜗杆 图2 1 9 部分蜗轮 2 蜗轮箱体的设计 蜗轮箱体与减速嚣箱体设计过程基本相同，在此不在骛述，仅给出其设计结果 蜗轮箱座、箱罩三维模型如下： 盼 尸二l 、 蚯潋 圈2 2 0蜗轮箱座图22 i 蜗轮箱罩 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡股密炼目l 关键部件的优化设计 3 翻转装置其他附件的设计 ( 1 ) 长轴承套 长轴承套是蜗轮和边支架之间连接的载体，翻转装置就是通过蜗轮旋转带动 长轴承套的转动，长轴承套随之带动着密炼室来完成翻转动作。 其结构如f 图：轴承套的长段跟蜗轮通过螺栓相连接，小段与边支架相连。 图22 2 长轴承蠢 ( 2 ) 轴承的选择：单向推力球轴承其轴承代号为5 2 1 4 。 ( 3 ) 瓦盖：起着定位长轴承套，承载滑动轴承的作用，其主要尺寸已经由长 轴承套和箱座来确定。 翻转装置的三维模型： 图22 3 翻转装置 密炼机三维总装圈 毒鞋。 2 5 本章小结 图2 2 4 密炼机三维总装图 本章主要介绍橡胶密炼机是主要用于天然橡破、合成橡胶、再生橡胶以及塑 料的塑炼和混炼，橡胶和塑料的共混，及各种低黏度物料的混炼。其结构主要包 括主减速器、密炼室混合装置、翻转装置、加压装置、机架及防尘装置等五个主 要分系统。通过介绍密炼机的工作原理，确定了密炼机总体方案的选定。主要对 主减速器、密炼室、反转装置进行数字化设计。使用u g 软件完成了对主要零部 件如：中间轴大齿轮、箱体、皮带轮、二级减速箱装配图、密炼室转子、蜗杆、 涡轮、翻转装置以及密炼机三维总装图等。 u g 软件具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能， 大又缩短了产品在设计开发的周期，摆脱了传统的手工做作图。增强了产品整个 开发周期中的生产力，使得从概念设计到详细设计直至生产制造全过程的各个阶 段效率都尽可能的提高。也为后续设计进行的有限元分析、机构运动分析、动力 学分析和仿真模拟提供了良好的基础。 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机关键部件的优化设计 第3 章密炼室前转子轴有限元分析 3 1 有限元技术简介 1 有限元技术的介绍 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设 计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的 有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都离不开有限元分析计算。 在机械制造、材料加工、航空航天、汽车工程、土木建筑、国防军工、船舶等各 个领域的广泛使用，使设计水平发生了质的飞跃。例如我国的浦东机场、上海太 空城等大型工程均采用有限元进行了分析、计算。 有限元分析的基本思想，是用一组离散化的单元组集，来代替连续体机构进 行分析，这种单元组集体称为结构的力学模型；如果己知各个单元体的力和位移， 只需根据节点的变形连续条件与节点的平衡条件，来推导集成结构的特性并研究 其性能。由于划分的单元数目是有限的，节点的数目也是有限的，因此称之为有 限元法。有限元的特点是始终以矩阵形式来作为数学表达式，便于程序设计，大 量的工作是通过计算机来完成，只要计算机容量足够，单元的划分可以是任意的， 对于任何复杂的几何形状，多样化的载荷和任意的边界条件都能适应。运用有限 元法分析构件灵活性很大，有限元法是一种数值计算方法，计算结果也是一种近 似解，如果结构离散化恰当，单元位移函数选取合理，随着单元逐步缩小，就可 以改变解的精确度，得到与真实情况无限接近的解。 2 u gc a e 简介 国际上早在6 0 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但 真正的c a e 软件是诞生于7 0 年代初期，而近1 5 年则是c a e 软件商品化的发展阶 段，c a e 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力 推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都 进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的c a e 软件，在功能、性 能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需 求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和 工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的c a e 分析软件主要有n a s t r a n 、 a d i n a 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、m a g s o f t 、c o s m o s 等。 本文就是在u g c a e 下进行建模仿真，用n a s t r a n 解算器进行计算求解。 u g c a e 是一个集成的c a e 工具。它将几何模型转换成有限模型进行分析求解，并 以图形方式显示分析结果。该模块是专门针对设计工程师和用几何模型进行分析 高教硕士学位论文 的专业人员而开发的，其功能强大，使用方便。 u g n x 是当今最流行的c a d c a e c a m 体化软件，它内容丰富、功能强大， 为用户提供了集成最先进的技术和流实践经验的解决方案，能够把任何产品构 想付诸于实际。u g 的c a d c a e c a m 功能模块有复杂的特征建模、装配、运动仿真 和有限元分析功能。在u g 有限元模块中共集成了4 种有限元求解器。这种集成为 u g 提供了一个完整的建模和分析环境，同时它还提供了大量不同类型的解决方 案，包括线性静力分析、普通建模、线性振动、间隙配合和稳态热传导，其支持 的材料类型包括各向同性、横观各向异性和各向异性以及不考虑温度影响的材料 用户可以根据需要选取不同的求解器和对应的分析模式。 u g 有限元分析功能的实现，必须遵从u g 有限元分析的一般过程，即建立一 个有限元分析的环境一有限元分析场景，它作为有限元模型的载体负责存储所有 有限元模型的信息，形成有限分析的原始数据文件，在该场景中构建有限元模型， 包括添加载荷、添加材料、添加边界条件和自动划分网格，向有限元分析工具提 交建立的有限元模型数据，用有限元分析工具进行有限元的分析，在u g 有限元分 析中调出分析结果的数据文件，利用图形方式显示模型的应力、应变分布情况， 并得出各种应力、应变数据。 工程设计中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度和刚度，分析 零部件在一定载荷作用下产生的应力和应变，从而预知所设计的零部件是否满足 要求，保证设计的可靠性。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比 较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。而借助于计算机获得 满足工程要求的数值解成为现代工程学重要方法之一，常用的分析工具是有限元 分析。u g 软件是一个集计算机辅助设计、制造和工程分析的三维参数化软件，其 结构设计了有限元分析功能，在u g 建好模型后可进入该模块进行结构分析和优化 分析。在此5 5 l 密炼机的设计中，密炼室的转子是主要的受力零件，本章主要通 过对前转子的应力应变分析，可以预知该设计的零件是否满足强度条件，满足使 用要求，为密炼机的设计改进方案提供了可靠的数据。 x ( s ) m 5 5 3 0 型橡胶密炼机关键部件的优化设计 有限元分析流程图： 图3 1 转子有限元分析流程图 3 2 前转子轴的有限元分析 靖处理 并控序 3 2 1 建立前转子轴有限元分析模型 进行有限元分析时，首先要建立相应的有限元模型。有限元分析对于计算求 解模型的要求与转子实际工作时存在差异，它要求所构造的模型能够反映零件的 材料、几何形状等所代表的力学性能，又要适合有限元软件的各种要求，可以对 转子进行必要的简化。由于建立的实体模型的一些结构细节对分析结果影响不大， 但却会极大的增加计算的规模和难度，所以需要首先把实体模型的结构细节清除 掉，例如可以忽略转子加工时的倒角，长短棱沿轴向方向的棱宽和棱项高度的变 化，实际中焊接等的影响，而保持原几何尺寸形状。利用u g 软件建立的模型如图 3 2 所示 高教学论i 转于轴的质量特性 围3 2 前转子轴 表31 转于轴的质量特性 特性 值 密度 质量