（机械工程专业论文）液压传动开炼机结构与性能优势研究.pdf

北京化工大学 程硕士研究生论文 液压传动开炼机结构与性能优势研究 摘要 本文简要介绍了开炼机的工作原理、用途及分类情况，论述了开 炼机的结构发展历程和当今世界上的发展情况，说明了我国开炼机的 生产现状，并把开炼机标准与欧洲进行了比较，找出了差距。结合国 产开炼机结构特点的分析和在生产过程中使用状况的研究，指出了各 种结构形式的开炼机在结构上的缺陷和不足。并对液压传动开炼机在 结构上的优越性给予分析和肯定。通过对液压传动开炼机在动力性能、 安全性能和炼胶质量方面的技术优势进行分析，充分说明液压传动开 炼机在性能上的优越性。 本文针对液压传动开炼机在结构和使用性能上的优势，提出了自 主设计液压传动开炼机液压系统的原理和方案。文中介绍了液压马达 的一些基本概念和基本特性。仔细分析了开炼机采用液压马达传动的 技术原理及可行性。提出了液压传动的设计思想，并设计出开炼机采 用液压马达传动的液压系统方案。 本文以m 6 6 0 开炼机具体参数为例，设计出了一套完整的液压马达 传动系统。选取了能够满足中6 6 0 开炼机使用要求的液压马达和液压 泵的规格、型号，并仔细分析了它们的特性曲线和参数。根据液压泵 的最高工作压力、最高工作压力下的最大实际流量及液压泵的总效率 设计出了具体的电机型号及功率。设计出了辊筒转速、速比、反转和 北京化l ：大学t 程硕十研究生论文 急停的具体控制原理和方案。 关键词：开炼机、结构形式、液压传动、原理、方案 北糸化工大学l ：程硕士研究生论文 s t u d yo na d v a n t a g eo fh y d r a u l i cd r i v em l l l l ns t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e a b s t r a c t i nt h i sm e s i s ，m ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，p u r p o s e sa 1 1 dc a t e g 嘶e so ft h e 埘1 1 sa r eb r i e n ya n a l y z e d t h ed e v e l 叩i i l gp r o c e s so f1 1 1 i l l ss 仃u c t u r ea i l d t h ed e v e l o p i n gc o n d i t i o n si nt h ew o r l da r ei n 仃o d u c e d ，a 1 1 dt h ep r o d u c t i v e s i t u a t i o no fm ei i l i l l si 1 1o u rc o u n 研i si l l u s 仃a t e d a tt h es a m et i m e ， c o m p 椭gw i t hm ei i l i l l s s t a n d a r d sw i t ht h o s ei ne h r o p e ，t h e 击f f 醯e n c e b e t w e e nt h e mh a sb e e nf o u i l do u t c o m b i n i n gw i t ht h ea n a l y s i so ft h e m i l l s s t m c t u r a lf e a t l l r e sm a d ei nc h j n aa n dm es t u d yo fu s a g es i t u a t i o ni l l m ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，廿l ed e f e c t sa n ds h o r t c o m j n g si 1 1m es t n l c t u r eo f m em i l l sw i 吐la l lk i n d so fs 仃u c t u r e sa r ep o i n t e do u t m e a n w h i l e ，t 1 1 e s 缸1 l c t u r a la d v a n t a g e sa n dp r a c t i c a l i 够o fh y d r o s t a t i cd r i v e 工i l i l l sh a v eb e e n o v e d b ya 1 1 a l y z i n gt h et e c h l l i c a la d v 趾t a g e so fh y d r o s t a t i c 嘶v e1 1 1 i 1 1 s p o w e rp e r f o r m a n c e ，s a f b t ) rp e r f o n n a n c ea n dm b b e r s i n e l t i n gq u a l i 吼t h e 如n c t i o n a la d v a n t a g e so f t h eh y d r o s t a t i c 嘶v eh a v eb e e nf u h ys h o 、v nu p a i m i n ga tt h ea d v a n t a g e so fh y d r o s t a t i cd r i v er n i l l s s t n j c t u r ea n d w o r h n gp e r f b n n a l l c e ， m e p r i n c j p l e s a 1 1 d p r o g r a m s o f d e s i g n 佃g h y d r o s t a t i cd r i v e “m l s h y d r o s t a t i cs y s t e mo no u ro w na r ep r e s e n t e d s o m eb a s i cd e f i n i t i o n sa n df e a t u r e so fh y d r o s t a t i cm o t o rh a v eb e e n 北京化工大学上程硕士研究生论文 i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h et e c h n i c a lp r i n c i p l e sa 1 1 dp r a c t i c a “t yo f h y d r o s t a t i cm o t o rm v eu s e db yl h em i l l sa r ea l s os t u d i e d a c c o r d i n g 】y m eh y m o s t a t i cs y s t e mp r o g r a m so fh y d r o s t a t i cm o t o rd r i v eu s e di nm e 1 1 1 i 1 1 si sd e v e l o p e d b yt a k i i l gt h ec o n c r e t ep a r a n l e t e r so f 。6 6 0h l i l l f o re x a i 】1 p l e ，a c o m p l e t es y s t e mo fh y d r o s t a t i cm o t o rd r i v ei sd e s i 印e d t h eh y d r o s t a t i c m o t o ra n dh y d r o s t a t i cp u m p ss t a n d a r d sa n ds i z e sw 如c hm e e tt h en e e do f 。6 6 0l n i l l sa f ec h o s e n ，a n dm e i fs p e c i f i cc u ea n dp a r a m e t e rh a v eb e e i l a 1 1 a l y z e d c a r e m l l y a c c o r d i n g t ot h e h i g h e s tw o r k i n gp r e s g u r e o f h y d r o s t a t i cp u i l l p ，t h eh i 曲e s tp r a c t i c a lf l o wa n dt h eg r o s se m c i e n c yo f h y d r o s t a t i cp u m p ，t h ec o n c r e t ee l e c t r i c a lm o d e la n dp o w e r a r ed e s i 盟e d 。 m o r e o v e r ，t h er o l l sc o n c r e t ec o n 订0 1 l i n gp r i n c i p l e sa i l dp m g r a mo fm e r a t eo ft u m i n g ，r a t i o ，r e v e r s i n ga n ds u d d e nh a l th a v eb e e nd e s i g n e d k e y w o r d s ：1 1 1 i l l ，s 仉l c t u r a lf o n n ，h y d r o s t a t i cd r i v e ，p r i n c i p l e ，p r o g r a m 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本人的研究 做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢寄阂琵 加多知咖 北京化1 _ 大学工程硕士研究生论文 1 1 前言 第一章绪论 橡胶是一种具有独特的高弹性能，极好的绝缘性、耐磨性、耐酸碱性以及良 好的疲劳强度的物资，广泛的应用十交通运输、工农业生产、国舫及医疗卫生、 生活用品上。随着世界经济和科学技术的不断发展，橡胶己越来越成为人们无法 离丌的重要物资，半个世纪以来橡胶的消费量每年都不断递增，成为国民经济举 足轻重的重要产业。特别是随着巾国汽车行业的飞速发展，为轮胎生产企业提 供了一个十分广阔的市场空间，轮胎成为橡胶工业的主要产品之一。 开放式炼胶机简称开炼机，是橡胶制品生产过程中应用最广泛的一种设备之 ，至今已有近百年的历史。随着橡胶工业的飞速发展，必然促使开炼机的结构 型式和性能大大提高。通常使用的开炼机都是通过电动机驱动，并经减速装置减 速，实现扭矩放大，最终将动力传递给它的工作元件辊筒，从而实现前后辊筒 的相对转动进行工作。通常，开炼机是作为专用设备，固定地用于某一生产流程 的某一环节，它的各项参数也都是针对这一生产环节而确定的。为满足工艺要求 及产景的需要，一般情况下，一条牛产线上要用到很多台开炼机，由于设备结构 上的原因，这些开炼机的占地空问非常大，而且专业化的程度也很高，很难适应 多种工艺流程的匹配。凶此有的设备使用者提出：能否将开炼机的整体结构进行 改变，在缩小占地空间的同时，实现一机多用，甚至十一机通用。这种思想乍听 想起来显得有些不可思议，仉存当今科学技术高速发展的社会里，很多在过去想 都想不到的事情，都已经成为现实。随着液压技术的发展与成熟0 3 ，上述的设想 也丁f 在逐步被实现。现在，在欧洲市场上，越来越多的人开始认可通过液压马达 用来驱动开炼机，采用这种结构很好的解决了上由所提到的一系列问题，但由于 这种丌炼机的造价相对较高，目前尚未被国内的大多数设备使用有所认可，但从 整个设备的发展趋势来说，这种结构的开炼机今后必将在开炼机r h 场中占主导地 位。因此，对这种结构的开炼机进行设计开发也就成为迪在眉睫的事情，尽早将 这种开炼机推向市场必将给设备制造企业带来无限商机。 这种开炼机推向市场必将给设备制造企业带来无限商机。 北京化t 大学呈硕士研究生论文 1 2 开炼机简介 1 2 1 开炼机的结构特征 早在1 8 2 0 年就出现了人力带动的单辊槽式炼胶机，双辊筒开炼机于1 8 2 6 年 应用在橡胶制品加工过程中，至今已有1 8 0 多年的历史”。我国设计制造大型开 炼机始于1 9 5 5 年。随着科技的发展和新材料、新工艺的不断应用，使得开炼机无 论在结构上，还是性能上都有了突飞猛进的发展。在性能不断提高的同时，生产 适应能力也不断增强。到目前为止，我国开炼机已完成定型设计，并已实现系列 化【4 】。由于其固有的关键作用，尽管丌炼机还存在着操作环境差、劳动强度大等 缺憾，但它仍以其适应性强、炼胶质量好、简便实用等优势被广泛地用于胶料的 塑炼、混炼、压片、热炼以及再生胶的破碎、精炼等多种炼胶工艺。 开炼机常用结构如图所示( 图卜1 ) 。它主要由辊筒、调距装置、机体、传动 装置、切刀装置、安全装置和紧急停车装置组成。 开炼机结构如下“1 ： 两个平行放置相对回转的空心辊筒穿过辊筒轴承，安装在机架上，机架下端 用螺栓固定在机座上。直流或交流电机带动减速箱工作，通过减速箱中的速比齿 轮产生一定的速比，通过万向连轴节传递，使前后辊以不同的速度同时相对回转。 通过进水管把水导入辊筒内腔，调整炼胶过程辊筒的温度。水流从辊筒头端 的喇叭口进入溢流槽再排出。 北京化r 大学工程硕士研究生论文 卜辊温调节装置2 一机体3 一机体底座4 一切刀装置5 一联轴器6 一主电机 7 一减速机8 一减速机润滑装置9 一传动底座l o 一翻料装置l l 一安全装置 1 2 调距装置1 3 一紧急停车装置 图卜l 开炼机原理图 为了加强操作上的安全性，在开炼机的上端装有安全拉杆。当拉动拉杆后， 便自动切断电源。通过电磁抱闸而制动停车。 为防止胶料从辊筒两端挤入辊筒轴承部位，装有挡胶板。为防止胶料落地装 有接胶盘。为防止胶料过硬损伤辊筒，装有安全装置，安全片属于安全装置中一 个关键的部件，起到过载保护的目的。 1 2 2 开炼机的用途与分类 开炼机主要有以下几个用途：生胶的塑炼；胶料的混炼：混炼胶的热炼、供 胶；胶片的压片：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；生胶的压片等。此外，它还应用到塑料加工等工、j k 生产中。 根据开炼机的工艺用途不同，开炼机大致可分为混( 塑) 炼机、压片机和热 炼机等1 1 个系列，各种工艺用途的开炼机的工作辊筒形状也不尽相同，表卜l 将开炼机的类型、辊面形状和主要用途做了简要的描述。 北京化j 人学上程硕士研究生论文 表卜1开炼机类型 类型 辊砸形状主要用途 混( 塑) 炼机 光滑 生胶塑炼、胶料混炼 压片机光滑压片、供胶 热炼机光滑或沟纹胶料预热、供胶 破胶机沟纹破碎天然胶块 精炼机腰鼓形除去再生胶中硬杂质 粉碎机 沟纹废胶块的粉碎 洗胶机 沟纹除去生胶或废胶中杂质 再生胶混炼机光滑再生胶粉的捏炼 烟胶片压片机沟纹烟胶片压片 绉片压片机 光滑或沟纹绉片压片 实验用炼胶机 光滑各种小最胶料实验 1 2 3 开炼机的工作原理与工作条件 1 2 3 1 工作原理 开炼机工作原理如图卜2 所示，辊筒是开炼机的主要部件，丌炼机的两根 辊简，通过电机带动减速箱中的速比齿轮产生一定的速比，使两根辊筒以不同的 表面速度相对回转，胶料在被辊筒挤压的同时，依靠两个相对回转辊简不同的线 速度，在摩擦力和粘附力作用下被拉入辊距，形成楔形断面胶片。在辊筒之间由 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 链的氧化断裂。从辊隙中排出的胶片，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，熏新返回两辊间，这样多次反复，完成炼胶作业。在塑炼时促 使橡胶分子链由长变短。弹性出大变小，在混炼时促使胶料各组分表面不断更新， 均匀混合，达到炼胶的目的。 北京化1 大学工程硕士研究生论文 1 2 3 2 工作条件 图卜2 胶料在辊距中的受力分布情况 在炼胶过程中，当胶料包覆一个辊筒后，两个辊之间还有一定数量的堆积胶 料，这些堆积胶料不断被转动的辊筒带入辊隙中去，而新的积胶又不断形成。这 些堆积胶料对炼胶效果的影响是非常明显的。若堆积胶料过多，过多的堆积胶料 便不能及时进入辊隙，只能原地轻轻抖动，此时炼胶效果显著下降；若堆积胶过 少，则不能形成稳定的操作。可见，确定适量的堆积胶是必要的，为此就需要引 入一个称之为接触角的概念。 所谓接触角，即胶料在辊筒上接触点a 与辊筒断面圆心连线和辊筒断面中心 线的水平线的交角，以。表示。胶料能否进入辊隙，取决于胶料与辊筒的摩擦系 数和接触角的大小。 如图卜3 所示，从辊筒受力分析的角度看，炼胶时胶料对辊筒产生径向作用 力，于是辊筒对胶料亦产生一个大小相等方向相反的反作用力p ( 正压力) ：又由 于辊筒回转，辊筒表面与胶料接触时，辊筒对胶料产生径向力t ( 摩擦力) 。把径 向力分解为q 。与q ：切向力t 分解为t ，与t ，可见，水平分力q ；、t 。用来挤 压胶料，称为挤压力；垂直分力q ，力图阻止胶料进入辊距：而垂直分力r ，则力 图把胶料拉入辊距中。为保证胶料能拉入辊距中去，必须使t ， q ，。否则胶料只 能在辊筒上抖动，不会通过辊距。 北京化上大学工程硕十研究生论文 图卜3 辊筒受力分析示意图 切向力( 摩擦力) t 为： t = q “ ( 1 一1 ) 式( 卜1 ) 中卜正压力 u 一胶料与辊筒的摩擦系数 因p=tgp 故t = q t g p ( 1 2 ) 式( 卜2 ) 中p 一摩擦角 切向分力t ，为： t ，= q t gp c o s o ( 1 3 ) 垂直分力q ，为： q ，= q s i n ( 卜4 ) 为使炼胶机正常操作必须：t ，q ， 即q t gp c o s 2q s i n a ( 1 5 ) t gp t gq 亦即p 由此可见，丌炼机必须具备如下条件，才可以正常工作： ( 一) 胶料卷入辊缝的条件胶料与辊筒的接触角n 必须小于摩擦角p ，即 北京化上人学【。程硕十研究生论文 p 。这样，胶料才能被拉入辊距。在一般条件下胶料与辊筒的摩擦角 p = 3 8 4 2 0 ，生胶与辊筒的摩擦角p = 3 8 0 4 17 。为此，在开炼机设计时，一般采用 a = 3 2 4 0 。，目前国内设计推荐采用= 3 6 4 0 。： ( 二) 胶料在辊缝间能得到强烈挤压和剪切的条件，前后辊筒必须具有不同 的线速度，以一定的速度梯度，使胶料在辊距e 的条件下受到挤压和剪切，如图 卜4 所示。 图1 - 4 速度梯度分布 1 3 开炼机结构形式的历史发展与现状 自从世界上首台开炼机问世以来，至今已近两个世纪。在这段漫长的时间内， 人们经过不断的探索和开发，不断将新技术、新工艺、新结构应用到产品当中。使 开炼机的结构形式不断地发生变化，产品性能不断得到完善，应用的范围不断扩 展。如今开炼机已成为橡胶塑料行业必不可少的设备之一。 开炼机结构形式的发展，与其所处的不同历史时期的科学发展水平息息相关。 最初的开炼机是通过人力驱动来实现辊筒的运转，其结构性能和生产效率的水平 是可想雨知，更谈不上适应大规模的工业生产。 随着工业的发展和进步，电力在工业生产中得到广泛的应用。开炼机的产品 结构也随之发生了重大的变化，电动机和减速机在开炼机上的应用，大大改善了 开炼机的生产条件，生产能力和生产效率出得到了较大的提高。为了满足不同的 生产工艺要求，人们不断地更新开炼机的结构，使之更加趋于合理，尽可能满足 各种生产需求。 目前国内橡胶、塑料行业当中，普遍使用的丌炼机都是通过电动机来驱动， 北京化f ：大学工程硕士研究生论文 但结构却是多种多样。主要有开式传动、闭式传动、双电机传动、双联结构等形 式，其结构特点各自不同，都能够符合炼胶、炼塑的基本要求，规格也比较齐全， 也可以满足不同产量和工艺流程的需要。 国外的开炼机在传动结构上要比我们丰富，尤其是在欧洲，他们将液压技术 广泛地应用到机械设备当中，丌发出了液压马达驱动的开炼机。这种结构的开炼 机利用液压马达直接驱动开炼机的辊筒，取消了电动机和减速机的驱动形式，提 高了开炼机的工作稳定性，而且更加安全可靠。目前，这种结构的开炼机已成为 欧洲该类设备的主流产品。 1 4 我国开炼机的发展状况及特点 据近几年来通过我对开炼机的研究分析，并结合我公司具体实际，概括来讲， 目前我国开炼机具有以下特点： 1 4 1 规格系列化 目前，根据炼胶试验、橡胶制品和轮胎生产的实际需要，我国形成了完整的 开炼机规格系列化生产。以其辊简直径和工作长度系列即可分为：巾1 6 0 3 2 0 ； 中2 5 0 6 2 0 、巾3 6 0 9 0 0 、巾4 0 0 1 0 0 0 、巾4 5 0 1 2 0 0 、由4 8 0 8 0 0 、由5 5 0 ( 5 1 0 、 5 6 0 ) 1 5 0 0 、中6 1 0 2 0 0 0 、巾6 6 0 2 1 3 0 、中7 1 0 2 5 4 0 等。 1 4 2 大型化 随着轮胎工业的发展，特别是子午胎发展的需要，一次炼胶量加大，胶料的 硬度增大，整机负荷增大，故而对开炼机提出了大型化的要求，主要体现在以下 几方面： ( 1 ) 规格大型化 我公司近年来开发的m 7 l o 开炼机就是这方面的具体体现。辊筒直径7 1 0 砌， 工作面长度2 5 4 0 姗，配有空气冷却式2 8 0 k w 电机，小时产量可达1 4 0 0 k g ； ( 2 ) 主电机功率日趋增大 根据客户炼胶工艺的需求，开炼机所配置的主电机功率也在不断地增大。我 北京化1 大学t 程硕研究生论文 公司开发的xkr 一66og 热炼机主电机功率已达2 8 0 k w ，比常用同规格热炼机 的功率配置高出i0 0 k w 。 ( 3 ) 辊筒转速高速化 为了提高炼胶效率和满足炼胶工艺的要求，大规格的开炼机的辊筒线速度也 随之不断增加。我公司生产的巾6 6 0 、巾7 l o 系列丹炼机的前辊简线速度已达4 0 m m i n ，而国外已有采用5 0 m m i n 以上的线速度。这无疑对炼胶操作增加了难度， 也对开炼机的传动系统、冷却系统、可靠性及安全性等提出了更高的要求。 1 4 3 小规格开炼机结构性能精优化 随着橡胶制品对炼胶质量和炼胶工艺的要求越来越苛刻，人们对小规格开炼 机的结构性能亦如对大规格开炼机一样提出了更加齐全的要求。如我公司为国外 公司配套的由4 0 0 开炼机，就有单电机、双电机驱动，可采用交流电机或直流电 机；闭式双出轴减速箱加万向联轴节传动；辊筒轴承为稀油润滑的滚动轴承；最 大辊距可调到3 0 m m ；配有液压调整挡胶板，可实现挡胶板在任意位置和任意距离 可靠使用；带有保护刀套的切片刀可在前后辊上使用；辊筒调距装置增加了消除 问隙结构和光电编码器调测系统使辊距调整更加精准；用型钢制造的机架、压盖 及整体底座使整机更加轻巧美观、安装简便；低中心高、配备齐全的安全系统使 设备操作方便、安全、可靠。这一结构性能精优的小规格开炼机很受国内外橡胶 制品行业的青睐。 1 4 4 结构形式多样化 ( 1 ) 传动形式多样化 其一，驱动电机可采用单电机驱动亦可以采用双电机分别各拖动一个辊筒的 形式。另外根据炼胶工艺多变的需要，采用直流电机驱动以实现辊筒线速度无级 调节的传动形式越来越多，我公司开发的x k y 一6 6 0 g 压片机就采用了2 8 0 k w 的直 流电机使前辊线速度实现0 4 0 m m i n 的无级调速： 其二，除已广泛采用双出轴闭式齿轮减速箱加万向联轴节来替代老式的条件 恶劣的开式齿轮传动外，齿轮减速箱亦更多地采用硬齿面齿轮，不仅体积小、节 北京化t 大学t 程硕士研究生论文 省占地面积，而且提高了传动精度，更加适应大功率驱动的要求。近期我公司又 根据米其林公司生产建设布局的需要，开发了大功率单电机驱动，左右两侧双出 轴的硬齿面减速箱，同时拖动2 台丌炼机( 简称双联式开炼机) 的新机型，比老式 的单电机拖动2 台的双联式开炼机结构新颖、占地省、节能、噪声低，很受市场 欢迎。如：x k y s 一6 6 0 压片机即用1 台3 8 0 k w 电动机通过l 台左右两侧双出轴硬 齿面减速箱，同时拖动2 台巾6 6 0x2 1 3 0 开炼机，前辊线速度近4 0 m m i n ，单侧 一机产量即可达近1 4 0 0 k g h ： 其三，液压技术逐步渗入开炼机中。国外已经采用大扭矩、低转速液压马达 来驱动辊筒，使之结构紧凑、操作简便、调整精准，但因其液压系统复杂、造价 较高，特别是目前国内配套等方面尚存在一定的难点，故在国内还没有正式开发 上市。 ( 2 ) 辊筒结构形式多样化 辊筒结构形式已广泛采用中空式、沿辊面圆周钻孑l 式( 简称钻孔式) 和辊面开 沟槽式( 简称沟槽式) 等多种形式。根据不同的用途和工艺需要，这三种形式的辊 筒又可以形成多种配对组合。沟槽式辊筒不仅沟纹断面形状和螺旋角要求多种多 样，而且沟槽的排布形式也根据不同的用途和工艺需要而多种多样。有沿圆周方 向沟槽与光面间隔分布的，有沿轴向全辊长开槽、半辊长开槽、沟槽与光面分段 间隔分布的，可谓五花八门。这些都为加工制造增加了不少难度。辊筒轴承则由 于辊筒速度的提高、传动效率的提高及运转可靠、方便维修的要求已普遍采用了 滚动轴承，并大多配以稀油润滑装置。这也正在小规格开炼机中推广，在大规格 开炼机中还采用了圆锥调心滚动轴承以便于拆卸。原有的铜瓦、尼龙瓦结构正在 逐步淘汰； ( 3 ) 机架、压盖和底座的多样化 由于炼胶负荷不断加大，开炼机的机架和压盖在材质及结构上也在不断变化， 有用普通铸铁、球墨铸铁铸造的，也有用钢板焊接的：机架和压盖目前仍以二者 分体组立的结构形式为多，亦有如我公司为国外某大公司提供的巾6 1 0 开炼机采 用了闭式整体焊接机架，结构紧凑、受力状态好的整体结构形式。 1 4 5 开炼机更加重视安全化 由于丌炼机操作环境恶劣，劳动强度大，现在更向着高产、高速方向发展 北京化工大学t 程硕十研究生论文 所以，将操作的安全性作为强制性要求束贯彻。当前，实现紧急刹车仍然主要以 机械制动和电气制动为主，但操作机构更加强调安全性，双面的安全拉杆装置的 位的位置更加合理、安全、可靠，配置的紧急拉线开关为精准、安全型的。为了 进一步增强安全可靠性，不少设备除在操作箱上配置紧急停车按钮开关外，还另 配置双面脚踢板式安全装置以增加多重保险。并提出了刹车后允许辊筒旋转的圆 周长度不超过1 0 0 m m 的更加严格的要求。 1 5 我国开炼机标准与欧洲标准的差异 我国于上世纪五十年代开始生产开炼机，并形成了一定的规模。目前国内橡 塑制品行业中所使用的开炼机基本以国产为主。为规范开炼机产品，国家制定了 国产开炼机的相关标准。以保证其使用性能和安全性能。但由于我国机械行业的 发展较晚，所以开炼机的标准的制定与欧洲开炼机的标准有一定的差距，尤其是 在安全方面的规定，其安全程度和防护能力的差异更加明显。 我国开炼机的安全标准规定： ( 1 ) 开炼机的噪声应8 5 d b ( 2 )在开炼机的操作位应设置用于紧急停车的装置，当发生意外情况时驱 动该装置可以实现开炼机的紧急制动。 ( 3 )当开炼机发生紧急制动时，辊筒的回转角度不应超过9 0 。以保护操 作者的人身安全。 上述标准已经在国产开炼机的设备上普遍实施，可以说达到了一定的安全保 护作用。但与欧洲开炼机的安全标准比较而言，这些规定明显不够全面和细致。 在欧洲的相关标准中，有关安全的规定可谓面面俱到。其先进性主要有以下几个 方面： ( 1 ) 开炼机的辊筒上顶面不得低丁1 3 0 0 m m ，以防操作者有跌入的危险。、 ( 2 ) 在开炼机的机体部位，前、后辊筒的前方应装有压杆式的紧急停车装 置和按钮式急停开关。 ( 3 ) 当开炼机发生紧急制动时，辊简的回转角度不应超过5 7 3 。并在停 止回转2 秒内，辊筒自动反转，反转角度必须在5 7 3 。9 0 。之间。 ( 4 ) 在辊筒的工作区域要安装防止卷入、挤压、灼伤等警告标识。 北京化l 大学l 稗硕士研究生论文 ( 5 ) 所有旋转元件不允许裸露，必须进行防护，并安装有连锁式安全开关。 ( 6 ) 距开炼机1 米处的噪声应8 5 d b 从这些标准的规定可以看出，欧洲开炼机安全标准规定相当详细，可以最大 限度地保护操作者的安全。 近年来，我国的机械行业得到了较大发展，与发达国家的差距正在逐步缩小。 为了进一步提高国产丌炼机的安全性能，使国产开炼机在国际市场上具有竞争力， 我国2 0 0 3 年重新修订了开炼机的标准，该标准参考了欧洲开炼机标准内容，并结 合我国机械制造业的具体情况而制定。与欧洲的标准己相当接近。该标准即将颁 布实施。这样就会促使我国开炼机的结构和性能更上一个台阶，增加我国开炼机 的国际竞争力。 1 6 本课题主要研究的内容和意义 1 6 1 研究对象 本课题是针对目前国内普遍使用的开炼机传动结构进行研究分析，指出各种 结构形式的开炼机在性能上的差异和优缺点，并与国外先进的液压传动开炼机进 行比较，提出国产液压传动开炼机开发的必要性。 1 6 2 研究内容 通过对开炼机的传动结构、性能和安全性的分析，建立起液压传动开炼机的 初步原理，并对该原理进行分析、计算，论证其可行性。为今后该开炼机的设计 开发提供理论依据。 1 6 3 研究的技术难点 开炼机是橡胶制品生产上的前端设备，具有生产效率高、较好的生产连续性 和能够承受较大冲击载荷等特点。由于开炼机炼胶过程中载荷的波动较大，液压 传动的丌炼机，容易造成其液压系统压力的振荡，所以保证液压系统的工作稳定 性具有相当大的难度。并且，为满足国际市场的需求，液压传动的开炼机的开发 应按欧洲的标准执行，以进一步提高该产品的技术含量和安全性能。 北柬化工大学i 程硕士研究生论文 1 6 4 研究意义 通过本课题的研究，可进一步了解国外开炼机的发展状况，找出国产开炼机 的差距所在，为我国的开炼机生产水平进行合理的定位，并通过液压传动系统的 研究丌发为国产开炼机的进一步发展打下基础，增加我国丌炼机传动结构的种类， 打破该类产品主要依靠进口的局面。 1 7 小结 本章介绍了开炼机的工作原理、用途及分类情况。简要论述了开炼机的结构、 发展历程和当今世界上的发展情况。说明了我国开炼机的生产现状。并对开炼机 的标准与欧洲进行了比较，找出了差距，为本课题的研究提供了参考依据。 北京化丁大学r 程硕上研究生论文 第二章开炼机传动系统结构分析 2 1 开炼机产品结构特点 随着科技的不断进步，开炼机的产品结构和性能也在不断地发生变化，演变 出了多种多样的结构形式，并且各具特点，下面对普遍使用的几种结构进行分析 研究 2 1 1 开式传动开炼机 在上世纪的七十年代至八十年代初，开炼机的传动结构以开式齿轮传动为主， ( 详细结构见图2 1 ) ”。，这种结构的特点是：结构简单，造价低廉，传动部分比 较分散，安装调整比较麻烦。辊筒轴承一般都是采用铜或尼龙材质的滑动轴承， 调距方式为手动。前后辊筒的速比，是靠安装在辊筒一端的速比齿轮来实现。由 于前后辊筒的动力直接靠速比齿轮来传递，所以丌式传动开炼机的传动齿轮寿命 较短，传动效率较低。而开炼机在工作中两个辊筒必须要留有一定的间隙，并且 能够在一定的范围内调整，一般调整范围为0 5 1 5 毫米，正常工作时，辊隙通 常在3 8 毫米之间，为保证设备能在这种状态下正常工作，就需要对速比齿轮的 齿形进行变位，使得总齿高加大，这样做的结果会使齿轮的根部受力增大，影响 齿轮的强度，加之受当时齿轮材质、加工精度及能力、热处理水平等多种因素的 限制，使开式传动的开炼机主电机功率不可能很大，当时最大规格的中6 6 0 开炼 机主电机功率也只能达到1 1 0 千瓦，另外，由于结构上的原因，驱动部分比较分 散，造成整机外形比较庞大，需占用较大的厂房空间。 2 1 2 整体式开炼机 这种结构的丌炼机取消了比较庞大的减速机和联轴器部份，而将设备的传动 部份安装在机架的空挡内，前、后辊筒的速比仍靠速比齿轮来实现，结构见图2 2 。 北京化t 大学工程硕士研究生论文 图2 1 开式传动开炼机 1 一辊温调节装置2 一调距装置 5 一挡胶板6 一紧急停车装置 9 一机架 l 旺底座 1 1 一电机 3 一液压调距装置压力表 4 一辊筒 7 一辊筒轴承 8 一压盖 1 2 一传动装置 图2 2 整体式开炼机 整体式开炼机的结构比较紧凑，特别是主电机被置于辊筒的下方，大大缩小 了整机的占地空间，机器的整体重量也被大大降低了。比较适合于厂房比较陕小 的工作条件下，但这种结构的开炼机有一个比较致命的弱点，就是维修保养极不 方便，无论是电机接线还是机械维修，都因为空间陕小而造成极大的困难。特别 北京化r l 人学【程硕十研究生论文 是当传动齿轮发生问题需要更换时，甚至要将辊筒令部拆除才能完成，所以这种 结构的开炼机并没有得到广泛的应用。 2 1 3 闭式传动开炼机 这种结构的开炼机是我国于上世纪八十年代开始生产，并迅速得到了用户的 认可和推广，其结构见图2 3 这种结构的丌炼机完全将传动部分统一起来，把全部的传动齿轮及速比齿轮 都集中到一个箱体内，减速机采用双轴输出，其输出轴与辊筒之间是靠万向联轴 器连接。这种传动形式较丌式传动有了很大的进步。首先，将传动部分集中统一 起来，便于安装和维修，而且齿轮的啮合精度和整机的机械效率都大大提高，既 延长了设备使用寿命，又降低了无用功的消耗；其次，设备承载能力大大提高。 辊筒轴承多采用圆柱滚动轴承，运转更加平稳，使用寿命更长，不必经常更换轴 承。但是这种传动方式并没有解决占地面积的问题，仍需要较大的空间，没有能 够很好的解决厂房的布置问题。 仃门n m广 ll茫抽 亡 】i l 洲躺l 1 - i 卜j 必l_ j d堂 | o j 口、 。_ 色鲁岫 2 1 4 双电机驱动开炼机 图2 3 闭式传动开炼机 双电机驱动开炼机是闭式传动开炼机的一种特殊形式，结构见图2 4 。 北京化工人学工程硕士研究生论文 这种开炼机的整体与闭式传动类似。所不同的是，它由两个电机分别对前后 辊筒进行驱动，并且主电机多采用卣流电机。这样就可以实现辊筒线速度和速比 在一定范围内的任意调节，可以满足多种胶料的生产工艺要求，其工艺性能大大 优于普通的闭式传动。但由于该结构的制造成本较高，所以在实际生产中并不多 见。 l 辊筒2 轴承 3 一机架 6 一减速器 7 一万向联轴器 2 1 5 双联驱动开炼机 4 _ 一压盖s 一电动调距装置 旺液压安全装置9 一电机 图2 - 4 双电机传动开炼机 双联驱动开炼机是我国近几年来所开发出的一种特殊结构的开炼机，在国内 最初的用户是沈阳的普利司通公司。结构见图2 5 。 双联结构的开炼机由一台主电机和一台减速机驱动，减速机的双侧出轴，各 驱动两个辊筒，减速机与辊筒之间，用齿型联轴器连接。这种结构的开炼机可以 根据用户的要求使两端的辊筒产生不同的速比，从而实现不同的炼胶的工艺要求。 而且两侧机体的距离较近，缩短了胶料的运输路程，提高了胶料的混炼效率。因 此这种结构的开炼机得到了越来越多的用户认可。但是这种结构存在一个非常致 命的弱点，一旦其中一侧出现问题需要检修时，那么另外一侧也无法正常工作， 北京化工大学工程颁十研究生论文 造成了设备的意外闲置。 图2 - 5 双联结构开炼机 从上述这些开炼机的演变过程来看，在机械传动的基础上，要想即缩小设备 的体积，又能够一机多用，几乎是不可能的。国外的开炼机行业已经将目光转移 到了液压传动系统上，利用液压马达传动，不仅可以减小占地空间，而且在安全 保护方面也有着机械传动方式所无法比拟的优势。 2 2 开炼机在生产中的使用状况 开炼机在橡胶生产流程中，是作为前端设备使用，利用其混炼充分、生产效 率高的特点。开炼机所压制的胶片并不是最终的制品，而是为下一道工序提供胶 片。 通常情况下，在一条胶料生产流程中会多次用到开炼机进行胶料的混炼、塑 炼、供胶片等工艺工序，比较典型的工艺流程如图2 6 所示。 北京化上人学_ _ l 程硕士研究生论文 生胶案料障立曼_ 竺到密探龃i 羞鳖塑曼一开练机l 匡坐塑生一胶片冷却机 警堕等兰毒蔫：鲁! 竺习兰竺竺p 鼍三竺竺卜! ! ! 翌! 堕叫兰竺竺 圈2 - 6 胶料混炼上艺流程图 图2 6 是比较常用的橡胶胶片的生产工艺流程。在此过程中，开炼机被多次 使用，是整个流程中非常重要的环节，它的性能是否稳定、可靠，将直接影响胶 片的生产连续性和生产效率。而产品的结构和安全性能等又是其中不能忽视的问 题。在保证产品使用性能的前提下，使开炼机的结构尽量紧凑，工作更加平衡， 安全保护更加全面、细致，不但可以使用户提高厂房的利用率，减少胶料的运输 费用，也不会因设备出现安全事故而担心。 从前面开炼机的结构分析可以看出，目前开炼机的各种结构很难实现上述要 求。每一种结构都或多或少存在一些缺陷。而国外普遍使用的液压传动开炼机则 能很好地实现上述要求，但在国内还没有生产。如果单纯地依靠进口，就要花费 大量的资金。所以在明确液压传动开炼机技术优势的前提下，进行自主开发是我 们开炼机生产企业的最终选择。 2 3 制约国产开炼机结构发展的客观因素 近些年来，我们国家的橡胶机械行业得到了长足的发展。各种新产品屡见不 鲜，在一定程度上推动了我国的经济发展和进步。但也应该清楚地看到，大部分 被我们看作新产品的橡胶生产设备，在国外已经应用多年并且使用的相当成熟， 而我们还处于不断地摸索和研究之中。之所以出现这种局面，主要由以下几种客 观因素造成。 ( 1 ) 科技的发展相对滞后，特别是科学新技术的应用方面，多数的科技新 成果被束之高阁，难以找到合理的途径将其转化为生产力。 北京化工大学 程硕f 。研究生论文 ( 2 ) 市场化的程度不够。我国正在进行计划经济向市场经济的过渡，但这 种过渡还需要一个相当长的时间来完成。大部分企业还处于一种保守的状态中。 特别是在接受新技术的引进和改造方面，不愿增加投入，更不敢改变过去已经形 成的但己明显落后的生产模式，使得很多的工业新技术失去了市场而夭折。 ( 3 ) 机械加工手段不够先进。一般来说新技术的发展要有新工艺的支持， 而我国在这些方面与发达国家相比还存在着十分明显的差距。由于机械加工精度 和手段的落后，造成了新技术的无法正常应用。 ( 4 ) 接触国际市场较晚。在我国1 9 5 5 的开始生产丌炼机以来，基本上实 现了该类产品的国内自给自足，没有对国际市场给予足够的关注，得不到开炼机 产品的最新发展动态。对于国际上丌炼机的发展和市场需求也无从了解，因此开 炼机产品的国内标准与欧洲标准存在较大的差距。 ( 5 ) 国产液压元件和系统的稳定性差。我国液压行业起步较晚，技术落 后，液压元件的质量不稳定，经常出现跑、冒、滴、漏现象，造成整个液压系统 无法正常工作。液压马达的技术水平更为落后，特别是大扭矩的液压马达，其技 术特性更难实现在低速、重载的情况下稳定工作。 ( 6 ) 国外工业发达国家的技术封锁。由于发达国家的科技防范意识较强， 使得我们无法多渠道地了解国外先进技术的实质，只能通过所搜集到的一些零散 信息和资料进行自主开发。 2 4 发达国家开炼机的发展状况 在与米其林、普利司通等国际知名大公司的接触中了解到，目前在亚洲范围 内普遍使用的仍然是机械传动式的开炼机。而在欧洲市场上出于安全和胶料混炼 质量等几方面的考虑，已经普遍使用液压传动式开炼机。不仅可以节省空间，同 时整机安全性能大大提高。设备维护保养等方面也简单易行。 2 5 液压马达在开炼机上的应用 液压马达具有低转速、大扭矩、工作平稳等特点，而这些特点正好符合开炼 北京化h l 人学上程硕士研究生论文 机的动力要求【7o 。由于开炼机在炼胶过程中是依靠两个辊筒的相向回转，在摩擦 力和粘附力的作用卜- 将胶料拉入到辊隙当中。要完成这样的工作过程，必须要使 辊筒有足够大的扭矩来克服胶料对辊筒形成的反作用力。胶料在混炼过程中，有 一定的流动性，这样就会造成载荷的频繁波动。所以对于开炼机来说其动力系统 必须具备一定的过载能力，而电动机的过载能力有限。虽然可瞬时过载1 8 倍， 甚至最大可达3 倍，但不能在过载情况下长期工作。否则就会将电机烧毁。而使 用液压马达驱动，只要选定的功率因素合适，液压系统提供足够的压力，就可以 实现重载荷甚至过载情况下的长时平稳工作。 在我们收集到的有关液压马达在开炼机的应用实例中，瑞典赫格隆及德国力 士乐公司在这方面都具有很多的实际经验，其结构见图2 7 图2 7 液压传动开炼机外形示意图 2 6 液压传动开炼机在结构上的优势 由图2 7 液压传动开炼机的结构可以看到，液压马达被分别安装在丌炼机前、 北京化上人。学_ l 程硕士研究生论文 后辊筒的轴端。止转连杆被固定在地面上，连接简单的液压管路即可实现开炼机 的正常工作。其结构十分简单。与电机、减速机传动方式相比具有十分明显的优 势，其特点如下； ( 1 )结构简单，占地面积小。液压马达作为丌炼机的动力装置，是将扭矩 直接供给两个辊筒避免了繁复的动力传递过程。节省了大量的空间，对用户厂房 的排稀十分有利。 ( 2 )安装调整方便、快捷。液压传动开炼机因为结构小巧，在安装时只需 调整好机体和辊筒部份的精度就可以实现开炼机的正常运转。不像机械传动形式 那样调整电机、减速机部份的水平度、出入轴的同轴度等参数。 ( 3 )维护保养容易。由于结构简单，在生产过程中液压传动开炼机的维护 保养要容易得多。并且液压马达的安装和拆卸都比较方便。可以节省大量的维护 保养时间，为用户节省大量的资金和精力。 2 7 小结 本章结合国产开炼机结构特点的分析和在生产过程中的使用状况的研究，提 出了各种结构形式的开炼机在结构上的缺陷和不足。根据国外开炼机的使用和发 展状况，客观地指出了限制我国开炼机发展的多方面因素。并对液压传动开炼机 在结构上的优越性进行了较为详细的分析和肯定。 北京化r 大学工程硕士研究生论文 第三章开炼机传动系统性能分析 3 1 开炼机传动系统 开炼机在通常情况下是需要进行人工操作的，所以在确定其主参数时，除了 要考虑到炼胶所需