（机械工程专业论文）开炼机液压调距装置的开发与应用.pdf

北京化i ：人学i 程硕十研究生论文 开炼机液压调距装置的开发与应用 摘要 开炼机调距装置是开炼机设备上非常重要的制品精度控制和安全防护装 置，它的性能直接关系到开炼机的生产效率和稳定性。特别是在大规模的生产 条件下，其稳定性的好坏直接影响整条生产线的连续性，而机械式调距装置在 稳定性方面很容易受到环境温度、安全片的材质和生产工艺等因素的影响，往 往造成安全片安全保护压力值的离散，使正常的生产受到影响。 本篇论文详细对比了机械和液压两种调距方式的性能差别，分析了存在这 些差别的原因，明确地指出：液压调距系统无论在调距精度，还是在安全控制 和稳定性等方面，都具有明显的优势。使用液压调距系统，既可以大大提高开 炼机的生产效率，又可以完全满足欧洲安全标准的要求，同时，国产开炼机的 技术含量也得到了较大提高，增强了国际市场竞争力。 论文中根据开炼机的使用情况，分析了液压调距系统所应达到的控制精度， 给出了完整的液压控制原理，并通过理论计算，对原理进行了详尽的分析和描 述，确定了典型产品的各项主参数。结合试车数据的分析，对液压控制原理加 以验证，用实践证明了液压调距系统在各项性能上的优势。 论文通过严谨的理论分析和实际验证得出结论：液压调距系统在实际生产 中的普遍应用，是国产开炼机未来的发展趋势。 关键词：开炼机、调距装置、液压调距、安全防护 北京化l ：人学j 程硕士研究生论文 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t l 0 no fh y d r a l i c a d j u s t m e n tf o rr u b b e rm i x i n gm i l l a b s t r a c t n i pa d j u s 廿n e n to fm b b e r1 1 1 i x i n g1 1 1 i 1 1i sm ek e yp a nf o rp m d u c t p r e c i s i o nc o n 仃0 1a n ds a f e 田d e f e n s e ，i t sp e r f o n n a n c ed i r e c t l yr e l a t e st o p r o d u c t i o ne 衢c i e i l c ya 1 1 ds t a b i l i 够e s p e c i a l l yi n1 a 唱e s c a l ep r o d u c t i o n ， t h es t a b i l i t yd i r e c ya f r e c t sm ec o n t i n u i 口o fm ew h 0 1 ep r o d u c t i o nl i n e f o rm e c h a l l i c a l a d i u s 缸i l e n t ， i t ss t a b i l i i se a s i l yi n n u e n c e db v c i r c u i 璐t a n c et e m p e r a t l l r e ，s a f e wc u pm a t e r i a la 1 1 dm a l l u f a c t u r ep r o c e s s e t c ，o 矗e nr e s u l t i n gi ns a f cp r e s s u r ev a l u ed i s p e f s i o no fs a f e t yc u ps oa s t oa 饪e c tn o n i l a lo r o d u c t i o n t h i sp 印e rc o n 仃a s t st h em e c h a n i c a la 枷u s 劬e n tw i t hh y d r a u l i c a 由u s 舡1 1 e n to nc a p a b i l i t yd i f f e r e n c e si nd e t a i l ，a n a l y z e sp o s s i b l er e a s o n s c a u s i l l gt h e s ed i f i b r e n c e s ，a n dd e 血l i t e l yp o n s o u th y d r a u l i ca 由u s 缸i l e n t h a sm o r ea d v a n t a g eo na d j u s t m e n tp r e c i s i o n ，s a f e t yc o n 仃0 1a n ds t a b i l i 哆 e t c t h a nm e c h a n i c a l a d j u s t 芏】舱n t t h ea p p h c a t i o n o fh y d r a u l i c a d j u s 扛n e n tn o to n l yi m p r o v e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yb u ta l s om e e t s e u r o p e a l ls a f - e 够s t a n d a r d ， a d d i t i o n a l l yu p g r a d e sm et e c l l i l i c a ll e v e lo f n a d o n a lm b b e rm i x i n g1 1 1 i l ls o1 a r g e l ye n h a n c e sc o m p e t i t i v ep o w e ri n i m e m a t i o n a ln l a r k e t a c c o r d i n gt oe m p l o y m e n to f1 1 1 i x i n g 埘1 1w i mh y d r a u l i ca d j u s n l l e n t ， w ea n a l y z e dc o n 白r 0 1p r e c i s i o nm a t l y d r a u l i ca d l u s 廿n e n ts h o u l dr e a c h a n dg a v em ew h 0 1 eh y d r a u l i cc o n 订0 1p r i n c i p l ei nt h i s p a p e r ，t 1 1 r o u g h m e o r e t i cc a l c u l a t i o na i l dd e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s c r i p t i o no fh y d r a u l i c c o n 仃0 1 p r i i l c i p l e ，a 1 1 m em a i np a r a m e t e r so ft y p i c a lp m d u c tw e r e c o n 矗加e d f i n a l l y ，d 印e n d i n go nt h ea n a l y s e su p o nt e s tm nd a t a ， h y d r a u l i cc o n 们lp r i n c i p l ew a sv a l i d a t e d s ot h ep r a c t i c e 血1 1 yp r o v e d 廿1 ep e r f o n m m c ep r e d o r l l i n a l l c eo f h y d r a u l i ca d j u s t i 】n t t h r o u g ha c c u r a t em e o r e t i ca n a l y s e sa 1 1 dp r a c t i c a lv a l i d a t i o n ，w e c a nd r a wm ec o n c l u s i o nt h a tw i d ee m p l o y m e n to fh y d r a u l i ca d i u s n n e n t s y s t e mi np r a c t i c a lp r o d u c t i o nm u s tb em ei n e v i t a b l e 廿e n di nn a t i o n a l 1 1 l b b e rm i x i n g1 1 1 i ud e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：r u b b e rm i x i n gi i l i l l ，u n i t so f n i pa d j u s t m e n t ， n i pa 由u s t m e n to nh y d r a u l i c ，s a f e t yd e f e n s e 北京化工大学 学位论文原创性声明 土 8 8 2 10 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。 学位论文作者签名：捌 。仰5 年上旯，巷日 北永化l ：丈学工烈硕十研究生论文 1 1 橡胶开炼混塑技术 1 1 1 前言 第一章绪论 本课题来源于橡胶制品生产氽业，特别是为了满足轮胎行业的牛产实际而 定。随着l 卜_ 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，橡胶行业的竞争也日趋激烈。轮胎制造商们不仅在扩大自己的生产规 模和产量，同时，也不断地在更新生产工艺和配方，尤其是橡胶子午轮胎等项 目的发展，大大提高了轮胎的载重能力和使用寿命1 1 j 。与此同时，由于子午胎 胶料的硬度很高，在生产的过程中对设备的承载能力也就提出了更高的要求， 尤其是作为整条生产线前端设备的开炼机，它的性能的好坏直接笑系到整条轮 胎生产线能否连续生产，而在升炼机当中，对设备承受载荷能力起决定因素的 就是安全装置，它能够保证设备在过载的情况下整机不受损坏。在我国，日前 使用的安伞装置都是通过铸铁安全片的破碎来起到安全保护的作用，而这种结 构，因为更换安全片的时问较长，严重地影响到了生产的连续性，特别是在子 午胎生产线上，这种现象更加严重。1 9 9 7 年，沈阳米其林公司首先提出了安全 装置承载能力不足的问题，随后几年，陆续又有其它企业提出了相同的问题， 大连橡塑机械厂曾在原有设备的基础r 做过一些改进，但效果不很理想。在欧 洲的丌炼机设备上，已经普遍采用了液压式调距装置，很好地解决了这一问题， 因此，为了满足市场的需求，对液压式调距装置进行研究丌发，已经成为国内 设备制造企业刻不容缓的问题，如果开发成功，刘于提高开炼机产品的技术水 平和生产能力，进一步扩大国产扑炼机的困际市场占有率，都将有着巨大的促 进作用。 1 1 2 开炼机简介 开炼机是利用两个开放式安装的辊筒对胶料进行混炼的一种设备，通常情 况下，开炼机是由电动机驱动，通过减速机和万向连轴节传递，使前后辊以不 况下，开炼机足由电动机驱动，通过减速机和万向连轴节传递，使前后辊以不 北京化工人学工程硕士研究生论文 同的速度相对回转，将堆积在其上的胶料在摩擦力和粘附力的作用下被拉入到 辊隙当中，进行强烈地挤压和剪切，使橡胶分子链发生氧化断裂，增加胶料的 可塑度j 。 开炼机是橡胶制品加工的基本设备之一，在橡胶制品行业中使用极为广泛。 早在1 8 2 0 年就出现了人力带动的单辊槽式丌炼机，双辊筒开炼机于1 8 2 6 年应 用在橡胶加工生产中，调距装置便是用于调整两辊之间的间距，至今已将近两 个世纪。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。早期的死炼机普遍采用的是开式传 动结构，而现在比较通用的形式则为闭式传动结构( 见图卜1 ) ，并且由于生产 工艺的不同要求，又逐渐衍生出了双联式结构，液压马达驱动等多种结构形式。 在性能不断提高的同时，生产适应能力也不断增强【3 】。 图1 1 闭式传动开炼机 1 1 3 开炼混炼的特点和在橡胶加工过程中的作用 开炼机的特点是具有效率高，工作连续性好，易于控制和操作等诸多优点， 成为橡胶、塑料等行业制品加工工艺流程中的重要组成部分，受到橡胶制品行 业广泛地关注。因为开炼机是生产过程中的一个重要环节，其性能的好坏、是 否安全可靠等因素，直接影响着产品质量，生产的连续性以及操作者人身安全 2 北京化1 ：人学 ：程硕士研究生论文 等一系列重要指标【4 。 在轮胎生产行业当中，开炼机通常是作为密炼机的下辅机使用的较多，但 也有相当数量的开炼机被用于冷胶片的热炼或给压延机供胶用 5 】。作为密炼机 的下辅机使用时，由于密炼机所排出的胶料的温度较高，通常在1 1 0 以上， 此时胶料的硬度较低，不会使开炼机产生很大的横压力，所以设备在使用过程 中相对安全。但当开炼机用于冷胶片的热炼时，由于冷胶的温度一般为室温， 胶料的硬度相对较高，并且，由于目前国内大多数的轮胎生产企业都在更新自 己的生产工艺和配方，胶料的硬度也在不断的提高，这样的胶料投放到开炼机 上就会产生很大的横压力，使开炼机经常处于满负荷运转状态，所以设备的使 用安全性受到很大的考验，尤其是安全片的压力是否准确、稳定，直接关系到 整台设备，甚至整条生产线的工作是否连续，对用户的生产效率也有着直接的 影响。为此，越来越多的用户开始关心起开炼机的承载能力问题，希望开炼机 的制造企业能够对设备的安全防护部分加以改进，以满足他们的使用要求。 1 1 4 开炼机国家安全标准与欧洲安全标准比较 2 0 0 3 年，我国重新起草了开炼机的国家标准，这一标准是以欧洲开炼机制 造标准( e n l 4 1 7 ) 为基础【6 】结合我国的机械制造业的实际情况所制定的，即 将颁布实施，其相关内容的规定与欧洲标准已经相当接近。 在开炼机国家安全标准中规定，出于对操作者和机器设备的安全考虑，当 机器的紧急制动装置被驱动时，从这一时刻起，开炼机的操作辊筒必须在6 0 。 ( 欧洲标准为5 7 3 。) 范围之内停止运转，之后根据机器的配置情况将面临如 下两种选择： ( 1 ) 辊距自动分离，在5 秒内，辊筒间距必须达到2 5 m m ，并可最终达到5 0 咖。 ( 2 ) 在2 秒内，辊筒自动反转，反转角度必须在6 0 。9 0 。( 欧洲标准为 5 7 3 。9 0 。之间) ，并再次紧急制动。 制定开炼机安全标准的目的，就是为了最大限度地保护操作者的人身安全。 而从上述有关紧急制动后的选择，并结合开炼机的结构特点来看，制动后辊距 自动分离应该是首选的合理方案，原因如下： ( 1 ) 辊距的快速自动分离，可以在最短的时间内撤销来自辊筒的挤压力，这 样就能够最大限度地保护操作者的人身安全，从而达到操作者的生命安全免受 3 北京化1 火学f ：程硕士研，生论文 威胁的目的。 ( 2 ) 开炼机在紧急制动后若采用反转的控制方式，在检测到反转角度达到标 准要求后，必须再次进行紧急制动，这样才能够满足安全标准所规定的6 0 。 9 0 。角度要求，如此一来，必然会造成紧急制动的次数翻番，给设备带来较大 的冲击，久而久之，容易造成机器上一些薄弱环节的损坏，不利于设备的保养。 ( 3 ) 开炼机的前、后辊筒的质量较大，具有较大的惯性，即便是在机器空载 的情况下也需要主电机输出较大的扭矩来启动，而开炼机的紧急制动往往是在 带载的情况下发生，这时两辊筒间存在很大的横压力，因此启动阻力很大，再 加上辊筒自身的惯性，非常容易产生机器的“闷车”现象，而无法正常启动反 转，这样也就无法达到安全标准的规定要求。 通过上面的分析，可以得出结论：为达到最佳的安全防护效果，开炼机在 发生紧急制动后，辊距快速自动分离是两种选择中最为合理的一种方式。 1 2 开炼机调距装置的研究进展 1 2 1 开炼机调距装置的作用与特点 开炼机的调距装置是用来调整两辊筒问的间距，以获得不同的辊筒间距， 由于辊筒间距的变化会在炼胶的过程中产生不同的横压力，使胶料的分子链的 断裂程度和温升存在差异，从而满足各种胶料的不同工艺要求。所以，调距装 置的工作是否稳定，将直接影响最终的炼胶效果和产品的质量。 目前，在国产的开炼机设备上普遍采用的调距装置有这样几种基本形式： 手动式、电动式和手一电动一体式三种。 这三种结构的调距装置虽然在使用中都可以达到调距的目的，但在性能上 都存在着缺点和不足：手动调距的劳动强度大，且不能在负荷的条件下调节； 电动调距的准确程度较差，很难准确定位；手一电动一体式的调距装置虽然克 服了上述两种方式的缺点，但操作起来比较繁琐，且与前两种方式一样，均不 能满足安全标准的要求。因此，为了提高开炼机产品的使用性能，并且能够很 好地满足新安全标准的要求，必须进行新的调距方式的开发。 4 北京化i ：人学i 程硕士研究生论文 1 2 2 开炼机调距装置的发展历史 我国开始规模化生产橡胶机械设备的起步较晚。其中，开炼机是从上世纪 五十年代开始生产，基本都是沿袭前苏联的技术，由于当时橡胶工业的技术水 平低，橡胶生产工艺也相对简单，所以，开炼机只有中4 0 0 、中4 5 0 和中5 6 0 等 少数几种规格，结构形式以开式传动为主，调距装置为手动机械调距形式( 见 图1 2 ) 。到上世纪的八十年代，随着全球经济的复苏，汽车工业得到迅猛发 展，带动橡胶工业的生产规模不断扩大，一些新工艺、新设备也随之应运而生， 各种新的橡胶生产设备不断被开发，丌炼机的结构形式也得到发展，手动调距 装置逐渐被电动调距装置所取代，但这种发展仅限于驱动方式的变化，只是由 电机、摆线减速机代替了手轮，其余部分的结构与手动调距相同( 见图l 一3 ) 。 1 一蜗杆2 一蜗轮3 一丝杠4 一调整螺母5 一丝杠头 6 一平衡器7 一安全片8 一刻度盘9 一手轮 图1 2 手动机械涧距 l 一蜗杆2 一蜗轮3 一丝杠4 一调整螺母5 一丝杠头 6 一平衡器7 一安全片8 一刻度盘9 一电机 图l 一3 电动机械调距 由于采用机械式调距装置在每次更换安全片时必须将调距装置拉开、更换 5 北京化r 大学1 ：稃硕士研究生论文 再对辊距进行重新的调整，这样势必就会影响生产的连续性和制品的质量，而 且，由于轮胎生产工艺及配方的不断更新，使得胶料的硬度有了很大的提高， 对设备造成的冲击也就更大，尤其是在北方冬季的时节，在寒冷的气候条件下， 胶料的硬度明显提高，而很多的轮胎制造企业又不具备给胶料进行预热的设备， 经常将冷胶片直接投放到开炼机上，突变的载荷会给机器设备造成很大的冲击， 安全片破碎的频率也会相对提高，经常造成生产的频繁问断，有时甚至会影响 到整条生产线的生产因此而中断，给用户带来很多麻烦和损失。所以，机械式 的调距装置已经不能适应这种工作环境和橡胶工业的发展，应该对其进行更新 换代。 目前，在国内使用的一部分进口开炼机设备上，普遍采用的是液压式调距 装置，在欧洲制造的开炼机当中，液压调距被看作该设备的标准配置，这主要 是因为液压调距系统即可以克服机械调距存在的不足，又能够完全满足欧洲开 炼机安全标准( c e 标准) 的要求，但国产的高性能液压调距系统仍然没有得到 开发。 1 2 3 机械调距与液压调距的比较 采用机械式的调距方式，无论是通过手动驱动还是电机驱动，其调距速度 都比较慢，一般为3 0 i 【f i m i n ，如果调距速度过快，则很难实现对辊距进行精 确的调整。另外，当开炼机带载紧急制动时，调距装置处于自锁状态，即便是 使用电机驱动，启动速度也会受到影响，所以，想要利用机械调距的方式来实 现辊距的快速分离，显然是不可取的。 若采用液压系统进行控制，则上述问题就可以得到解决，因为液压执行元 件速度的快慢是由流量进行控制，如果在液压系统中使用比例调速阀来控制流 量，就可以实现执行元件速度在一定范围内的任意调整。必要时，还可以使用 蓄能器共同参与控制，完全可以满足安全标准的规定要求。也正因为如此，欧 洲制造的开炼机普遍采用的都是液压调距方式，充分说明液压调距装置在保护 操作者人身安全方面的优势。 1 2 4 液压调距系统在设备安全保护方面的优势 液压调距系统是靠压力传感器的检测，并经过控制系统的运算后得出开炼 6 北京化1 大学翻鼙硕士研究生论文 机的实际载荷，根据设定的安全保护压力值进行设备的安全保护，所以，控制 比较准确，安全性较高。 机械式的调距装置在安全保护方面较之液压凋距就要粗略得多，机械调距 的安全防护是使用与调距丝杠相联接的安全装置，安全装置是靠安全片的破碎 来实现其保护功能，而安全片是由铸铁材质制成，在其浇铸、取样、压力试验 等制作过程中，存在着许多不可靠的因素。比如，我们都知道，铁水在浇铸时 的温度及碳、硅、锰、硫、磷等元素成分的比例，都会影响到铸铁结晶后的强 度，且每批浇铸的铁水之间的各种成分的含量不会完全相同，这样就造成了每 一批生产的安全片的强度都不相同【7 1 。即使是同一批产品，因浇铸的棒料在冷 凝的过程中冷却的速度不同，其结晶后的金属晶相组织也不同。棒料两端的冷 凝速度快，相应其强度也会较中问部位高，这就造成在取样时，即使选取同一 试棒不同部位的试片，做出压力试验的结果也不会相同 8 】。可想而知，这样制 造出来的安全片的安全保护能力的可靠性必然会差一些，这也是为什么有时在 生产过程中安全片频频破碎的主要原因之一。正是由于这些原因的存在，用户 每次订购的安全片在厚度上都会存在一定的差别，这使得更换不同厚度的安全 片时，调距装置都要重新进行零点调整，给生产造成了麻烦。大连橡塑机械厂 曾对安全片的结构进行过改进( 见图1 4 ) ，尺寸h 是根据安全装置托架的间 距进行取值，并保持h 值不变。在对安全片做压力试验后，根据试验值确定h 的尺寸，这样就可以保证每一批生产的安全片的厚度尺寸h 相同，只是起保护 作用的厚度尺寸h 不同，因此就尽量避免了繁琐的零点调整过程。尽管如此， 这种改进仍然不能从根本上解决安全片在安全保护压力值的分散性。 勿纫澎笏髟 l 绷 l。，l _ d 图l 一4 安全片结构示意图 7 北京化l 。大学l 程硕+ 研究生论文 1 3 液压调距的国内发展要求 由于机械式调距装置所暴露出的问题在实际生产过程中越来越突出，很多 用户开始以各种方式寻求问题的解决方案，纷纷将目光汇聚到调距装置的改造 上，提出将调距装置改为在国外已经普遍使用的液压调距装置。但是，真正意 义上的液压调距装置在国内并没有开发出来，要想完成改造只能依赖进口，这 样就会浪费大量的外汇，所以，为满足国内橡胶行业的生产需求，进行液压调 距装置的自主开发，已经成为开炼机生产企业的一项重大课题而被提上工作日 程。 1 4 液压调距装置的研究方法 1 4 1 分析机械式调距存在的缺陷和不足 通过对机械式调距装置的结构与原理分析可知，如果单从使用的角度来说， 机械式调距装置是可以实现辊筒间距调整的基本要求的，这也是该装置在我国 的开炼机设备上得到广泛应用的原因，但如果用新的开炼机安全标准进行考核， 那么这种结构就存在下列的缺陷和不足： ( 1 ) 调距精度较差。 ( 2 ) 双侧调距的同步性较差。 ( 3 ) 设备的安全保护压力值控制不准确。 ( 4 ) 更换安全片时间长，影响生产的连续性和制品的质量。 由于机械式调距装置存在以上的问题，而在现有的机械结构上又无法解决， 所以，必须进行液压调距装置的开发，彻底克服这些缺陷和不足，并形成一套 完整的控制系统。 1 4 2 搜集液压调距装置的相关信息 液压调距装置是作为欧洲开炼机的典型配置，在国外开炼机上普遍采用， 但其结构和原理的构成却鲜有报导，完整的技术资料更是无从查询，2 0 0 3 年， 我们在法国米其林总部与相关技术人员进行交流的过程中，简要地了解到液压 部分的基本原理和控制要求，为本系统的开发起到了奠基作用。 8 北京化工人学工程硕十研究生论文 1 4 3 结合国内开炼机使用情况自主研发 目前，我国橡胶行业的生产能力和技术水平与发达国家相比较，还存在一 定的差距，缩小这种差距，直是我们橡胶设备制造企业的奋斗目标。根据我 国开炼机安全标准的要求，并结合用户在使用过程中常出现的问题，进行液压 调距系统的自主研发，形成完整的液压控制原理，并制造样机进行生产实际验 证，可以进一步促进国产开炼机性能的完善。 1 5 液压调距装置的质量要求 1 5 1 安全性方面的要求 液压调距装置的安全性指标，应能满足开炼机的国家安全标准要求。当开 炼机在工作过程中出现较长时间的超载，或出现紧急状况及发生安全事故时， 辊简要快速退回，以达到快速卸荷的目的，液压控制系统应能够准确地进行系 统压力控制、检测和显示，达到开炼机的安全标准要求。 1 5 2 动作精度的要求 液压调距装置的动作精度是否能够满足开炼机的使用要求，将直接影响开 炼机的炼胶质量和生产效率，所以，开炼机的液压调距装置必须要实现辊距的 准确定位，保证两个工作辊筒两端的辊距波动偏差o 5 m ，并且，辊距在经过 反复调整后，其重复定位精度偏差也应在o 5 唧以内。 1 5 3 制品质量的要求 丌炼机作为橡胶制品的重要中间生产环节，其炼胶质量的好坏将对最终的 橡胶制品质量产生很大的影响。而使用液压调距装置来控制开炼机的辊筒间距， 除保证安全性和定位精度两项重要指标外，其对胶料的混炼效果也要优于机械 式调距装置的开炼机，所排出胶料的塑炼程度应更加均匀。 9 北京化l ：大学t 程硕十研究生论文 1 6 研究的主要内容和意义 1 6 1 研究对象 本课题是针对广大开炼机用户在生产过程中所集中反映的调距装置的一系 列问题，参考国外开炼机采用液压调距装置的成功经验，对国产开炼机的调距 装置进行理论剖析，找到其关键问题之所在，解决机械式调距装置在生产过程 中存在的缺陷，开发出液压调距装置取而代之。 1 6 2 研究内容 根据与用户进行开炼机使用方面的技术交流，结合开炼机的安全标准和动 作精度要求，确定液压调距装置所应实现的动作和精度指标，以这些指标为基 础，进行严谨的原理分析和设计计算，开发出可行的液压系统，并对该系统的 原理进行实验验证，最终达到取代机械式调距装置的目的，从而满足橡胶工业 的迫切需要。 1 6 3 技术难点 1 辊距的重复定位精度 开炼机是橡胶制品生产的前端设备，具有高效率、重载荷的使用特点。由 于炼胶过程中胶料对设备产生的冲击较大，这样就会造成液压调距装置液压系 统压力的振荡，在这种工作条件下，要想实现辊距的重复定位精度，具有相当 的难度。 2 检测装置的抗干扰能力 由于以上原因，液压系统的位置和压力的检测装置，还要具有一定的抗干 扰能力，以避免反馈信号的失真。 1 6 4 研究意义 如果液压调距装置开发成功，不仅可以大大降低设备的故障时间，提高生 产效率和安全性，而且，还可以填补我国在这一研究领域的空白，进一步缩小 与欧洲等国家先进技术的差距，使国产开炼机的性能更趋于完善，为我国的开 炼机设备大量地推向国际市场、增强市场竞争力创造条件。 1o j 匕京化f 大学工程硕二 研究生论文 1 7 本章小结 开炼机的调距装置是考核丌炼机的使用性能和安全性能的重要部分，机械 式调距装置只能满足一般的使用要求，却无法满足丌炼机安全标准规定的要求， 随着科技的进步和生产过程中维护自身安全意识的提高，必须对开炼机调距装 置的安全性能加以完善，开发使用性能和安全性能更好的液压调距装置，最大 限度地保护生产人员的安全，真正体现“科技以人为本，科技为人服务”的理 念。 北京化工人学r 群硕七刮f 究生论文 第二章开炼机炼胶理论分析 2 1 开炼机的结构原理与特性参数 2 1 1 开炼机的结构 开炼机常用结构如图2 一l 所示。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等部分组成。 卜辊温调节装置2 机体3 机体底座4 切刀装置5 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 卜安全装置1 2 一调距装置1 3 一紧急停车装置 图2 1 开炼机结构图 开炼机主要有以下几方面用途：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业生产中。 根据丌炼机的工岂用途不同，开炼机大致可分为混( 塑) 炼机、压片机和 热炼机等多个系列，广泛应用于橡胶制品初期加工的各个环节之中。 l2 北京化工大学i 稗硕士研究生论文 2 1 2 开炼机工作原理及其工作条件 1 工作原理 开炼机的工作原理是：两个相对回转的辊筒利用不同的线速度，将堆积在 其上的胶料，在摩擦力和粘附力的作用下被拉入到辊隙当中，胶料在通过两辊 间距的楔形断面时，受到强烈地挤压和剪切，并在一定的温度条件下，发生橡 胶分子链的氧化断裂，增加胶料的可塑度，这样多次往复，从而达到炼胶的目 的，其工作原理图如图2 2 。 图2 2 开炼机工作原理 由开炼机的工作原理可知：辊筒是开炼机的核心工作部件，辊筒在工作过 程中是否稳定，直接关系到开炼机的使用性能。通常情况下，开炼机的两个辊 筒采取的操作方式是移动辊作为操作辊( 即包料辊) ，两辊筒在工作状态下存在 一定的速比。 2 工作条件 在炼胶过程中，当胶料包覆一个辊筒后两辊间还有一定数量的堆积胶，这 些堆积胶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 胶对炼胶效果的影响是非常明显的。若堆积胶过多，过多的堆积胶便不能及时 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u 表示。胶料能否进入辊隙，取决于胶料与辊筒的摩 l3 北京化l 大学l 程硕士研究生论文 擦系数和接触角的大小。 如图2 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) ： 又由于辊简回转，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 t ，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。 纠：霉胁、 i 。1 | l ￥“、， 弋r w 霾 、 图2 3 辊筒受力分析示意图 切向力( 摩擦力) t 为： t 二q p 式中q 一正压力 u 一胶料与辊筒的摩擦系数 因u=tgp 故t = q t gp( 2 2 ) 式中p 一摩擦角 则：切向分力t ，为： t ，= q gp c o s ( 2 3 ) 垂直分力q ，为： q ，= q s i no 为使炼胶机正常操作必须：t ，2q ， l4 匕京化t 大学j ：程硕士研究生论文 即q t gp c o s q s i n 。 t gp t g o 亦即p n( 2 5 ) 由此可见，开炼机必须具备如下条件，才可以正常工作： ( 1 ) 胶料卷入辊距的条件，胶料与辊筒的接触角a 必须小于摩擦角p ，即p a 。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 。，生胶与辊筒的摩擦角p = 3 8 04 1 。为此，在开炼机设计时，一般采 用n = 3 2 4 0 0 ，目前国内设计推荐采用n = 3 6 4 0 。： ( 2 ) 胶料在辊距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 2 4 所示。 2 1 3 开炼机特性参数 图2 4 速度梯度分布示意图 使用在不同工艺流程下的开炼机的特性参数有所差别，通常情况下，开炼 机的主参数是用户根据生产工艺要求，设备的配套情况，整条生产线的生产能 力等因素来确定，用于轮胎生产的开炼机有如下几个主参数。 ( 1 ) 辊筒的规格：即辊筒的工作部分直径和长度。 ( 2 ) 线速度及速比：从操作和安全性等方面考虑，开炼机前辊筒的线速度一 般3 0 m m i n ，速比则根据炼胶工艺要求确定。 ( 3 ) 横压力：即胶料对开炼机辊筒所产生的反作用力，开炼机的安全保护压 力就是根据辊筒所能承受的最大横压力来确定。 l5 北京化i 一人学i ：程硕士研究生论文 ( 4 ) 生产能力：丌炼机的生产能力通常是指单次炼胶时的最大加胶量。 ( 5 ) 主电机功率：开炼机的功率取决于被加工胶料的性质、胶料温度、辊筒 规格、工艺方法、辊距、工作速度和速比等因素。 2 2 轮胎胶片生产过程及开炼机调距装置的作用 2 2 1 轮胎胶料的生产工艺过程 随着近年来轮胎行业的迅猛发展，带动了橡胶机械技术水平不断提高，轮 胎胶片的生产工艺流程也在不断的更新，每个轮胎生产企业的胶料配方不同， 所选择的生产流程也各具特色，但大多数的用户采用的是下面的工艺流程： i 圭竺! 翌产攀兰竺竺卜掣兰竺竺卜剖竺兰兰竺竺 l 存 l 竺 l b l 时 i 问 t 后 图2 5 轮胎胶料的典型生产过程 这是比较典型的轮胎胶料生产工艺过程叭，在此工艺过程中，开炼机被多 次使用，是其中比较重要的环节，它的稳定性和安全性是否可靠，将直接影响 整个工艺流程的生产连续性和效率，而调距装置又是影响开炼机性能发挥的一 个重要因素，现行的国产开炼机的机械式调距装置工作并不十分可靠，更不能 满足国家安全标准的规定，所以，对液压调距装置的开发是十分必要的。 2 2 2 开炼机调距装置在生产流程中的重要作用 轮胎质量的好坏，在很大程度上取决于胶料的质量是否稳定，而在影响胶 料质量的诸多因素中，开炼机调距装置的影响不容忽视。 开炼机在炼胶过程中，辊距的大小与胶料产生的横压力有直接的关系，而 横压力又会影响到胶料的塑炼效果和温升，这些指标又是控制胶料质量的关键， 16 北京化l 一人学j 程硕十研究生论文 若胶料混炼不充分则达不到炼胶的质量要求，若温升过快，就会造成局部胶料 的提前硫化或胶烧，造成废料，这样不仅影响轮胎的产量，同时造成了胶料的 浪费，所以，对开炼机调距装置的要求是：必须能够保证辊距的稳定，调整方 便、准确，并能够满足对设备和人身的安全保护要求。 2 2 3 开炼机调距装置的基本性能 开炼机调距装置的主要功能就是用来调整两个工作辊筒之间的辊距，其基 本的动作如下： ( 1 ) 实现移动辊筒的平稳推进和后退。 ( 2 ) 两套调距装置可实现单动、联动和点动。 ( 3 ) 在辊筒的有效工作范围内，需具有限位功能。 ( 4 ) 具有快速退回的功能。 开炼机作为橡胶生产工艺中的中间环节，所产出的制品并非是最终的成品， 所以，对它的精度要求并不是很高，而其制品的精度主要是由调距装置来控制 和保证，故调距装置应具有如下的基本精度要求： ( 1 ) 最小辊距应可以调整到o 5 唧； ( 2 ) 辊筒两端的辊距偏差 o 5m ： ( 3 ) 带载推进时双侧辊距的最大辊距偏差 5 哪s ； ( 4 ) 调距精度： 最小辊距应可以调整到o 5 咖； 目标辊距与实际辊距的偏差 o 5i i n ； 辊筒两端的辊距偏差 o 5 唧； 反复调整辊距的重复精度与目标辊距的偏差 o 5 岫，双侧辊距重 复精度 0 5m ； 带载推进时双侧辊距的最大辊距偏差 1m ； 在正常炼胶过程中，辊筒位移量 o 3m m ； 正常调距状态下，辊筒两端在移动过程中的同步性偏差 2m ； 快速拉丌辊距的状态下，辊筒两端移动过程中的同步性偏差 5m m ； ( 5 ) 辊距由液压缸上的位移传感器测得； ( 6 ) 当工作载荷达到设备的安全保护压力但低于极限保护压力时，系统开始 计时，并延时3 秒( 时问可根据具体工作情况进行调整) ，3 秒后，实际载荷低 于安全保护压力，设备和系统仍正常工作，否则，主机停机，辊距快速拉开( 5 秒内辊距至少拉开2 5 m m ) ，液压系统停机； 18 北京化小大学l 。程硕f _ 研究生论文 ( 7 ) 当实际工作载荷超过系统极限保护压力时，主机停机，辊距快速拉开， 液压系统停机； ( 8 ) 当出现意外事故而紧急停车时，主机控制系统给液压调距系统信号，使 辊筒快速拉开： ( 9 ) 液压缸的活塞杆推进到最小辊距( 0 5 ) 或拉开到最大辊距( 6 0 姗) 时，液压缸都应自动停止动作； 0 0 ) 整个液压系统不允许出现任何渗漏现象； 以上是在开发液压调距系统时所要满足的技术条件，是根据开炼机的使用 要求、安全标准的相关规定和液压元件的技术精度等因素提出的，如果开发出 的液压调距装置能够完全满足这些技术条件的要求，则说明液压控制技术在抗 重载，耐冲击，高精度和安全性要求比较严格的工况条件下，的确具有单纯的 机械结构所无法比拟的优势，更加可以证明液压调距装置终将取代机械式调距 装置的必然性。 2 4 液压调距装置开发领域的研究进展 在国内高等院校的教材和橡胶机械设计手册上，也可以查询到有关开炼机 液压调距的相关资料1 1 0 】，其原理图如图2 6 ，但在生产实际中极少见到此类产 品。图2 6 是将开炼机的辊筒轴承润滑系统与液压调距系统合而为一，其工作 原理如下： 调距过程中，若需缩小辊距时，先关闭阀门3 ，切断轴承润滑回路，然后 开启两个调距阀门4 ，压力油进入增压油缸，使辊筒随轴承体移动，增压油缸 的压力用压力表5 测定，当辊距达到要求时，立即关闭调距阀门4 ，并迅速开 启阀门3 ，以便保证轴承得到充分润滑；若增大辊距时，则开启两个调距阀门3 ， 辊筒及轴承体在胶料弹力的作用下发生移动，辊距增大，当辊距拉开到要求的 数值时，立即关闭调距阀门，开炼机继续运转工作。 l9 北京化i 大学：【：程硕士研究生论文 55 卜液压泵2 一液压缸3 一阀门4 一阀门5 一压力表 6 一项座7 一安全阀8 一压力表9 一电机 图2 6 液压调距原理 卜接头2 一活塞3 一油压缸4 一防护管 5 一标管6 一标牌7 一压盖8 一支架 图2 7 辊距指示器 增压油缸是用来放大系统压力，以保证辊简在工作过程中能够保持辊距的 稳定，辊距的检测是利用图2 7 所示的辊距指示器，装在轴承体上的接头l 压 紧在活塞2 上，活塞顶头与液压缸3 形成空腔，腔内充满稀油，油缸上部装有 带防护管4 的标管5 ，标管内装有辊距指示标牌6 ，其顶部用压盖7 闭合，油缸 通过支架固定在机体上，工作过程中，当活塞向右移动时，油缸腔体增大，标 管内液压下降，辊距减小，反之，辊距增大。 通过分析上述液压调距系统可以看出，这种液压调距系统虽然可以达到调 2 0 4 塞 2 一 。鬯 t 北京化i 犬学r 程硕 研究生论文 整和显示辊距的目的，但其自动化程度、显示的精度和安全性却较差，系统工 作时，只能实现辊筒的推进动作( 辊距缩小) ，当丌炼机处于空载状态时，无法 实现辊距的自动打开，这样就会给空车调整辊距带来较大的麻烦，而辊距显示 器中通过液压油的液面来显示辊距，也会由于液压油的侵润和表面张力等现象 的存在，无法精确地读出实际辊距，另外，此系统在调整辊距时，两侧轴承体 移动的同步性只能通过图3 中阀门4 的流量来控制，这种控制方法在实际工作 中调整起来比较麻烦，特别是辊简在炼胶过程中所受到的反作用力并不是均布 载荷，经常会产生较大的载荷波动，是一种无规律的动态受力过程，这样就使 两侧液压缸的压力始终处于波动之中，并且难以保持压力一致，而液压泵为两 侧提供的是相同的系统压力，这就造成了两侧液压缸在调距过程中速度的不一 致，甚至出现抖动现象，如此也就很难直接将辊距顺利地调整到预期的数值， 只能通过其他手段单独微调，才能实现目标辊距。同理，在拉开辊距的过程中 也存在同样的问题。 在安全性方面，此液压系统不能满足开炼机现行国家安全标准的规定，并 且液压缸的退回速度完全取决于辊筒载荷的大小，不能保证足够的移动速度， 所以该系统不适合推广使用。 2 5 本章小结 本章介绍了橡胶的生产工艺流程，指出了开炼机的调距装置在流程中重要 地位，及其对胶料生产效率和制品质量的影响，提出了液压调距装置所应实现 的基本功能和参数，并对查询到的液压原理进行了分析，指出了其中的缺点和 不足，为下一步的工作奠定基础。 2l 北京化【一人学i 群硕十研究生论文 第三章开炼机液压调距系统的开发 3 1 开炼机调距系统的受力分析 3 1 1 开炼机安全保护压力的确定 开炼机调距装置在工作过程中所受到的全部载荷，均来自于辊筒在炼胶过 程中所产生的横压力，开炼机辊筒的受力示意图如图3 1 所示。将开炼机辊筒 q ( a ) r b 、 图3 1 辊筒受力示意图 a 在炼胶过程中满负荷工作时受到的载荷近似地简化为均布载荷q ，则均布载荷q 的大小与胶料的特性有着直接的关系。近年来，由于胶料配方的不断更新，使 得胶料的硬度和粘度都有所提高，所以均布载荷q 值也变得更大，通常q 的取 值为1 2 0 0 0n c m ，辊筒辊面的总长度为2 1 3 0m ，除去挡胶板装置的影响，有 效工作长度l 。2 0 5 0m m ，两套调距装置之间的间距为l = 2 6 8 0 册，横压力的合 力角d = 1 0 。 2 2 北京化工大学工程硕士研究生论文 根据上述已知条件，可以计算出辊筒总的横压力： p = p l c o s 台= 1 2 0 0 x 2 0 5 x 0 9 8 4