（机械设计及理论专业论文）螺杆挤出机胶料挤出性能研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 导师签名： 葛 殄钮互 时间：z 伊臼胛 时间缔，月竹日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保 留、使用学位论文的规定，- r 学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意 沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 彩 导师签名：娩予豇丘 时间：砷年月f 日 时间7 年月舻日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 随着现代农业的发展，大功率拖拉机的性能越来越高，这对农用轮胎的要 求也越来越高。在竞争日益激烈的情况下，采用新技术、新方法已成为提高产 品竞争力的主要途径。螺杆挤出机是生产轮胎的关键设备，进行螺杆挤出机系 统的建模与试验研究，是未来挤出系统改进升级的必要环节，对缩短产品开发 周期、降低开发成本、提高产品质量，从而提高产品竞争力有重要意义。 挤出成型过程十分复杂，所涉及的闯题多属流变学和热力学方面的闯题。 挤出成型过程中温度、压力、速度等对产品的产量和质量有很大影响。在挤出 模具设计中要考虑的参数很多，这些参数的选择对挤出制品的产量和质量都有 很重要的影响。但是在传统的模具设计中，许多参数的选择都是凭经验确定， 所设计的模具的合理性要通过试模才能知道。在模具设计好以后要通过多次的 试模和修模来满足设计要求，这样不仅使模具的生产周期很长，而且浪费了大 量材料。本文以单螺杆挤出机机头中的熔体为研究对象，系统的研究了橡胶熔 体在挤出口型中的流动状态。进而反馈到如何快速精确的设计胶料挤出口型， 以及得到恰当的胶料挤出参数。 在试验研究部分，通过改变口型形状，流道种类和螺杆转速对挤出枕头中 的熔体流动进行了试验研究，运用试验设计回归方程对实验数据进行了分析找 出了最佳挤出条件。并利用对挤出产品的检测以及成品轮胎的检测对试验结果 进行了验证。 关键词：农用子午胎； 螺杆挤出机；优化设计；试验研究 塑至 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec o n t e m p o r a r ya g r i c u l t u r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h e h i g h - p o w e rt r a c t o rh a sb e e ni m p r o v e d i tr e q u e s t st oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h e f a n n i n gt y r e u n d e rt h em o r ea n dn k i f cc o m p e t i t i o n , u s i n g n e w t e c h n i q u e sa n dn e w w a y sh a v e b e e nt h em a i na p p r o a c ht oi m p r o v e t h ep r o d u c t sc o m p e t i t i o n t h es c r e w e x t r u d e ri st h ep i v o t a le q u i p m e n to f p r o d u c i n gt y r e t h em o d e l i n ga n dt h e e x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c ho f t h es c r e we x t r u d e rs y s t e ma r et h ee s s e n t i a lt e a c h eo f i m p r o v e m e n ta n du p g r a d e o f t h ee x t r u d es y s t e m s h o r t e n i n gt h ep r o d u c t se x p l o i t a t i o n c y c l e sa n dr e d u c i n gt h ee x p l o i t a t i o nc o s ta n da d v a n c i n gt h ep r o d u c t s 删姆h a v e t h e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n g t h ep r o d u c t sc o m p e t i t i o n t h ep r o c e s so fe x t r u d i n gd i ei sv e r yc o m p l e x ；m o s to ft h ep r o b l e m si n v o l v e db e l o n g t ot h e o l o g ya n de n e r g e t i c s t h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s sa n dt h ev e l o c i t yh a v eg r e a t e f f e c t st ot h ep r o d u c t so u t p u ta n dq u a l i t y w em u s tc o n s i d e rm a n yp a r a m e t e r si n e x t r u d i n gd i ed e s i g n ，a n dt h ec h o i c e so ft h e s ep a r a m e t e r sh a v eg r e a te f f e c tt ot h e o u t p u ta n dq u a l i t yo ft h ee x t r u d i n gp r o d u c t s b u ti nt h et r a d i t i o n a ld i ed e s i g n ，w e c h o o s em a n yp a r a m e t e r sb a s i n go no u re x p e r i e n c e ，a n dw ec a nk n o wt h er a t i o n a l i t yo f t h ed i eb ye x p e r i m e n t s a f t e rt h ed i ed e s i g n , w es h o u l dd ot i m ea f t e rt i m ee x p e r i m e n t s a n d r e p a i rt os a t i s f yt h ed e s i g nr e q u e s t , i tn o to n l yi n c r e a s e st h ep r o d u c t i o nc y c l e ，b u t a l s ow a s t e sm u c hm a t e r i a l t h ep a p e rs i n g l e - s c r e we x t r u d e rd i em e l ts t u d i e sa n d s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h er u b b e rm e l te x u u s i o n - t o - s t a t ef l o w s t h e nh o wf a s t f e e d b a c kt ot h ed e s i g no fp r e c i s i o nr u b b e re x t r u s i o n - t y p em a t e r i a l s ，a n dt or e c e i v e a p p r o p r i a t ec o m p o u n de x t r u s i o np a r a m e t e r s i nt h ee x p e r i m e mr e s e a r c h , w er e s e a r c ht h em e l tf l o wo fh e a do ft h ee x t r u d e rb y c h a n g i n gt h es h a p eo ft h eh e a da n dt h ek i n do fg u i d ea n dt h es c r e wr o t a t es p e e d u s i n gt h ee x p e r i m e n td e s i g nr e g r e s se q u a t i o n , w ea n a l y z et h ee x p e r i m e n td a t aa n d f i n dt h eb e s te x t r u s i o nc o n d i t i o n b yt h e d e t e c to ft h ee x t r u s i o np r o d u c ta n dt h e f i n i s h e dt y r e ，w ev a l i d a t et h ee x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d s ：r a d i a lt i r e ；s c r e we x t r u d e r ；d e s i g no p t i m i z a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 2 沈阳农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 子午线轮胎在农业生产中的意义 随着农业机械化水平的提高，拖拉机的使用数量急速扩增：高速精量播 种、高速田间作业以及高速海量采收技术的应用对农用拖拉机的性能要求也有 大幅提高。例如大庆市政府采购中心d z c 0 5 2 3 项目中，共有十七个采购标段， 其中仅轮式拖拉机采购数量就达到1 2 2 台，而大功率拖拉机的采购数量占采购 总数的7 1 。2 0 0 4 年，全国拖拉机保有量达到1 5 7 9 6 万台，比上年增长 5 7 ，分别比1 9 8 0 年、1 9 9 0 年增长了约5 倍和1 倍。其中大中型拖拉机达到 1 1 1 6 万台，比上年增长1 4 7 。目前国际原油价格居高不下，经济节能也是一 个全新问题。子午线轮胎不但有利于发挥拖拉机性能，同时对节能有一定的帮 助。 我国发展农业子午胎有以下有利条件： ( 1 ) 国内几家橡胶轮胎公司均有多年生产农业轮胎的经验，技术力量比较 雄厚，生产设备比较先进、齐全，还可充分利用现有各种辅助生产设施的潜 力，不足部分加以填平补齐。因此，这些企业进一步扩展生产农业子午胎都是 有基础的。 ( 2 ) 国内已有1 0 多条引进的汽车子午胎生产线，在生产技术、生产管理、 经营方法和基建设计等方面均可借鉴。为了节省外汇投资，其生产技术可与橡 胶工业研究设计院合作开发，并可同时委托该院承担可行性研究和全部工程设 计。 ( 3 ) 生产所需橡胶、化工原材料和钢丝、聚酯帘线等，国内都可以供应。 个别原材料如国内供应不及或不符台软件要求时，则可适当进口。 ( 4 ) 所需生产工艺设备绝大部分均可立足国内配套供应。只有个别工艺设 备( 如大规格农业子午胎一次法成型机) 尚需从国外引进或合作开发研制。 ( 5 ) 有科研院所及农机制造厂的积极配合。 根m j ：述情况和我国大中型拖拉机生产现状，首先开发大中型拖拉机配套 的驱动轮子午线车胎可取得下列几方面经济效益： ( 1 ) 充分发挥拖拉机的牵引效率。大中型拖拉机主要用于长江以北地区。 3 这些地区农田比较干旱、耕种面积大，拖拉机行驶速度较高。这种新机型装子 午线轮胎，可明显提高其牵引力。 ( 2 ) 节省燃料我国拖拉机现在基本上是耕运两用， 在田间作业时，由于 牵引力的提高，必然会节省燃料。当拖拉机运输时，由于轮胎重量较轻胎面剐 度大、径向变形小、轮胎滚动阻力小，所以可减少燃料消耗。 ( 3 ) 胎面耐磨，使用寿命长。由于我国拖拉机一般有6 0 9 6 用于运输，胎面 耐磨性显得尤为重要，而子午线轮胎优点之一是胎面刚度大、滑移小，故胎面 较耐磨，延长了轮胎的使用寿命。 ( 4 ) 乘坐舒适。目前我国的拖拉机很少有专门的减振装置，主要依靠轮胎 吸收振动。子午线轮胎的缓冲性能比斜交胎好，改善了驾驶员的工作条件。 图1 1 安装双并行轮胎的拖拉机 f i g 1 1t r a c t o rw i t ht w ot i r e sa te a c hs i d e 图1 2 安装单扁平轮胎的拖拉机 f i g 1 2t r a c t o rw i t ho n et i r ea te a c hs i d e 4 沈阳农业大学硕士学位论文 如拖拉机使用单一扁平轮胎，由于从数目上减少了轮胎的胎侧和子口，由 四到二，进而减少了轮胎胎肩和子口处的发热区，其发热量可减少到原双轮安 装方式的8 5 。更有利于轮胎使用寿命。 ( 4 nn 图t 3 两种安装方式的发热对比 f i g 1 3h e a ti n s i d et h et i r e f o rt w ot y p ef i xf a s h i o n 1 2 全新概念轮胎制造工艺技术简介 全自动化生产一直是轮胎制造业界追求的目标，也是全球轮胎工业发展的 潮流。近些年来，轮胎生产工艺自动化已朝着两个方向发展：现有传统工艺的 不断完善和全新概念技术的开发应用。 从广义上说，全新概念技术也就是反传统的、革命性的技术。目前，已经 在该领域崭露头角的有米其林c 3 m 技术、大陆m 咿技术、固特异i m p a c t 技术、 三海c c c 技术、普利司通a c t a s 技术和倍耐力- i l r s 技术。 上述6 种全新概念轮胎制造工艺技术，对传统制造工艺技术的地位带来了 威胁和挑战。对此，海外业内传媒虽广泛加以报道，但关键技术披露甚少。现 将收集到的信息加以整理和筛选，粗略勾勒出其中几种全新概念技术的大体轮 廓。 1 2 1 基本情况 众所周知，轮胎工业发展到如今已逾百年。走过上百年的历程，传统轮胎 生产工艺至今已日臻完善，从胶料混炼、都件准备 挤出) 、成型、硫化到成品 质量检验，各个阶段的自动化程度都非常高。任何事物在发展到一定历史高度 之后，再继续往更高的目标迈进，其难度将非常大。这时，若能够从另一个角 度或换一种方法去思考和突破，则往往会有更好的效果和较大的收获。全新概 念轮胎制造工艺技术就是在这样的背景下，遵循这样的思路开发出来的。 5 与传统的轮胎制造工艺技术相比，上述全新概念工艺技术普遍具有节省投 资、设备占地面积少、生产效率高、降低成本的优势，详见表1 1 。 1 2 2 米其林c 3 m 技术 c 踟的全称为：c o m m a n d + c o n t r o l + c o m m u n i c a t i o n m a n u f a c t u r e ；指 挥、控制、通讯及制造一体化系统。 c 3 m 有如下5 项技术要点：连续低温混炼；直接挤出橡胶件；成型 鼓上编织缠绕骨架层；预硫化环状胎面；轮胎电热硫化。 c 3 m 的关键设备是特种编织机和挤出机。c 3 m 技术通过以成型鼓为核心，合 理配置特种编织机组和挤出机组而得以实现。特种编织机环绕成型鼓编织无接 头环形胎体帘布层和带束层，并环绕成型鼓缠绕钢丝得到钢丝圈。挤出机组连 续低温( 9 0 。c 以下) 混炼胶料，挤出胎侧、三角胶条以及其他橡胶件。 c 3 m 的工艺特点是：部件既不经过冷却停放，也不需要再加工或预装 配，直接送到成型鼓上一次性完成轮胎成型。在成型过程中，成型鼓一直处于 加热状态，胎胚在成型的同时被预硫化从而达到定型。 米其林于1 9 8 2 年开始研究c 3 m 技术，1 9 9 2 年宣布研究成功，次年在总部 所在地一克莱蒙费朗( c l e r m o n t f e r r a n d ) 建第一间c 3 m 厂，1 9 9 8 年底已发展到 7 间厂。 6 沈阳农业大学硕士学位论文 1 2 3 大陆m m p 技术 m m p 的全称为：m o d u l a rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ；积木式成型法。 众所周知，传统的轮胎生产工艺由四大工序组成：塑混炼；挤出和 挤出；成型；硫化。现有的轮胎厂，除部分通过购人成品混炼胶而省缺第 一道工序外，大多数是上述四道工序全部齐备。 m m p 打破传统轮胎厂四大工序齐备的模式，将四大工序分割成两大块来操 作。第一块包括了传统工艺的第一道工序( 塑混炼) 、第二道工序( 挤出和挤出) 以及第三道工序的前半部分( 胎体成型) ，第二块包括了传统工艺的第三道工序 的后半部分( 贴带束层、上胎面) 和第四道工序( 硫化) ；执行第一块生产任务的 工厂被称之为“平台”，执行第二块生产任务的工厂被称之为“卫星厂”平 台负责生产轮胎基本构件并进行预装配，卫星厂负责整体装配并完成轮胎制造 工艺最后硫化。通常，一个平台可配置多间卫星厂，构成辐射网络。 换言之，m m p 技术的最大特点就是一种“基本构件生产厂+ 总装厂”的新模 式。平台( 基本构件生产厂) 设在劳动力成本低的地区，降低生产成本；卫星厂 ( 总装厂) 设在技术发达的地区或处于市场战略位置的地区，一来保障产品质 量，二来达到成品就地供货的目的。 平台产品( 轮胎基本构件) 实行标准化，也就是说同一规格，不同品牌、不 同系列的轮胎，除胎面、带束层不同外，其余基本构件全部相同。从平台下线 的胎体已经过预硫化。视产品技术要求不同，贴带束层也可在平台上完成。 m m p 的最初构想为大陆公司采购与战略资源部经理b e r n a d a t t eh a u s m a n r 提出，1 9 9 3 年底获立项，1 9 9 6 年6 月首间全规格m 岫示范厂在德国投产，1 9 9 7 年初m m p 技术通过大陆公司董事会评审，至此拉开了全球范围应用的帷幕。 1 2 4 固特异的i m p a c t 技术 i m p a c t 的全称为；i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o na s s e m b l y c e l l u l a rt e c h n o l o g y ；集成加工精密成型单元技术。若将缩写i m p a c t 看作是 单词i m p a c t ，其英文意思为“碰撞、冲击、影响”因此，海外业内传媒有将 i m p a c t 谑称为i m p a c t 的，意喻对传统制造技术产生冲击的新技术。 i m p a 有四大要素( 又称四大单元) ：热成型机( h o tf o r m e r ) ；改进控制 技术，提高生产效率；自动化材料输送；单元式制造。上述四要素既可以 7 单独使用，也可以组合起来使用，而且无论是某个要素还是整个系统与现有的 轮胎工艺流程都能够紧密结合成一体。i m p a c t 不会像其他新一代轮胎制造系统 那样与现用系统不兼容。 热成型机是由多台微型型材挤出机( m i n ic o n t o u rc a l e n d e r ) 、冷喂料挤出 机和一条钢质运输带构成。挤出机的两个辊简直径在7 0 0 m m 左右，它与传统挤 出机不同之处在于： 有一个辊筒是型辊；双辊温度超过传统挤出工艺温度。 钢质运输带又称移动轨床( m o v i n gt r a c k e db e d ) ，由两个导辊和一条不锈 钢薄带构成，其最高速度为1 5 m m i n ，通常以8 9m m i n 的速度运行。每台挤 出机配备一台冷喂料挤出机，后者负责向前者供料。对冷喂料挤出机没有什么 特殊要求，目前在用的普通型即可，至于它的规格则必须与在该工位挤出贴 合的轮胎部件的体积流量相匹配，保证供给挤出机足够的胶料。 目前固特异已经研制出两种热成型机，其中一种七工位，适用于卡车轮胎 生产，另一种为四工位，适用于轿车轮胎生产。七工位热成型机由7 台微型型 材挤出机组成，移动轨床将这7 台挤出机连接成一个整体，可挤出7 种不同的 轮胎部件并同时完成部件与部件之间的定位和组装贴合。 七工位热成型机的工作流程如下：第一工位的微型型材挤出机挤出气密层 胶片，胶片落在移动轨床，移动轨床将其输送到第二工位；第二位的挤出机挤 出隔离胶片，敷设在气密层胶片之上，型辊同时将其压实，完成两层胶片的热 贴合：第三工位的挤出机挤出胎侧胶，敷设并贴合在上述组件两侧；第四工位 的挤出机挤出胎圈包胶，敷设并贴合在上述组件上的某个特定位置；第五工位 的挤出机挤出三角胶条，敷设并贴合在上述组件上的某个特定位置；第六工位 的挤出机挤出隔离胶条，敷设并贴合在上述组件上的某个特定位置；位于第七 工位的挤出机挤出另一条三角胶条，敷设并贴合在上述组件上的某个特定位 置。至此，组件也运行到了热成型机的末端，在此被卷取。卷材将被送往二段 成型机，在二段成型机上裁断，贴上胎体帘布层、带束层和胎面胶，即得到生 胎胚。一卷这样的卷材可成型1 0 0 1 2 0 条轮胎。七工位热成型机的总长度为 4 5 5 0 m 。 截至2 0 0 0 年1 2 月，固特异已研发成功6 种冠以i m p a c t 的工装设备。这些 设备直在卢森堡、美国丹维尔和加拿大纳帕尼( n a p a n e e ) 三地的中试工厂试 8 沈阳农业大学硕士学位论文 车，并至少己在一间轮胎厂转入正式使用。这些新型工装设备己使全员单位时 间生产指数由1 9 9 8 年的1 0 0 提高到1 1 5 。到2 0 0 2 年有1 5 种i m p a c t 3 2 装设备 落户7 间轮胎厂，上述指数将会提升到1 2 5 。 现有的6 种i m p a c t 2 1 2 装设备分别为：高产量四复合挤出机；精密带 束层裁断机；精密胎体帘布层裁断机；四束钢丝圈卷成机；增强型载重 轮胎成型机；乘用轮胎成型机。 固特异在卢森堡轮胎厂用改进过的b e r s t o r f f 四复合挤出机挤出胎面组 件，挤出速度大约为l o m m i n ，据此可推算其产量将超过2 0 0 k g m i n 。用该法 生产的胎面组件比传统工艺生产的轻1 9 ，这意味着成品轮胎重量减轻5 。 在用热成型机挤出胶片代替外护圈包布取得成功的基础上，固特异大力发 展注压成型钢丝圈三角胶条组件。2 0 0 1 年4 月，钢丝圈三角胶条组件注压 成型机在卢森堡轮胎厂进人最后阶段中试。该机己成功地为5 0 0 0 条载重轮胎提 供钢丝圈三角胶条组件。目前正对工艺进行调整，为更大批量生产作准备。 钢丝圈三角胶条组件注压成型机由4 部分构成：经过改进的带 d r c 2 0 0 0 控制器的d e s m a d 7 1 0 8 0 0 纠r 注压机；平板硫化机；三工位 压紧机；带专用夹具的a b b 机械手。 已按特定尺寸绕成特定形状的钢丝圈挂在专用挂架上。a b b 机械手藉专用 夹具夹持钢丝圈，放入三工位压紧机。经压紧后的钢丝圈，由机械手送入平板 硫化机。注压机通过模型上的1 6 个注胶孔往模腔内注胶，多余的胶料由8 个排 胶孔排出。平板硫化机的热板不像平常那样加热到标准温度2 0 0 摄氏度以上， 而是采用感应加热方式对钢丝圈进行加热，确保钢丝圈从里向外硫化，目的是 既要使钢丝圈三角胶条组件表面保持粘性，能够有效地与其他轮胎组件粘 合，同时又达到减少生胎在硫化工序时的硫化时间。硫化程度达到9 0 时，机 械手将钢丝圈取出。铜丝圈经修边后送成型工序备用。 自1 9 9 7 年以来，固特异己投入5 1 6 亿美元开发i m p a c t 项目。其中大部 分资金( 约3 5 2 亿美元) 用在改进现有的生产工艺和设备上。构成i m p a c t 的其 他三个要素，平均消耗了4 0 0 0 万8 0 0 0 万美元的费用。所取得的成效是目前 已发展到1 3 的卡车轮胎、1 0 的轿车轮胎是用i m p a c t 制造出来的。到2 0 0 4 年，这一比例将提高到卡车轮胎3 3 和轿车轮胎2 0 。固特异自己承认从 1 9 9 7 年算起，大概需要2 0 年时间才能将其遍布全球的轮胎厂改造成都用 9 ， i m p a c t 艺进行生产。 1 2 5 倍耐力m i r s 技术 m i r s 的全称为；m o d u l a ri n t e g r a t e dr o b o t i z e ds y s t e m ；积木式集成自 动化系统。m i r s 的精髓是：以成型鼓为中心，组织生产；多组挤出机配合遥控 机械手，实现从胶料挤出到成型鼓直接成型；用胎胚气密层代替胶囊进行硫 化。 m i r s 只有3 道工序：预制；成型；硫化。 预制工序有多台挤出机，每台挤出机配备规格为l x l 5 m 的卷取轴架，上 挂钢丝或浸渍帘线辊筒；架上的多股钢丝或帘线进入挤出机的直角机头，与胶 料一同挤出，得到补强胶条，供下游工序使用。成型工序有3 组共8 台挤出机 和3 对遥控机械手，分成三工位操作。 成型鼓为可折叠式，中空，鼓身由8 块厚2 0 m m 铝板制成，上有小孔使鼓面 与鼓腔连通。成型鼓经预热进入第一工位，并绕轴旋转；挤出机将胶料挤出到 成型鼓上，机械手反复辊压胶料，挤出空气，使胶料紧贴鼓面，得到气密层； 由于鼓面是热的，胶料被预硫化。接着成型鼓进入第二工位，第二对机械手将 预制工序生产的各种补强胶条缠绕在成型鼓上，同时第二组挤出机将胶料挤出 到成型鼓上，机械手和挤出机交叉操作，逐步形成胎体帘布层、胎圈等。然后 成型鼓进入第三工位，第三对机械手贴预制带束层，挤出机组将隔离胶、胎侧 胶、胎面胶直接挤出到成型鼓上，经压实、整形得到完整胎胚。 胎胚连同成型鼓一起进人硫化工序，硫化机装在六工位圆盘运输带的立柱 上。第一对机械手将未取下成型鼓的胎胚装入硫化机，合模，往成型鼓腔内通 人高压氮气，氮气通过鼓壁的通气孔逸出到鼓面，使胎胚胀大，从而脱离鼓面 并紧贴硫化模内壁，这样已经预硫化的胎胚气密层实际上起到胶囊的作用。和 普通硫化一样，模腔内通入蒸气。经1 5 分硫化后，圆盘运输带到达第六工位， 第二对机械手开模，将轮胎连同成型鼓一起取出，折叠成型鼓，得到成品轮 胎。成型鼓经拼装后送回第二道工序循环使用。至此完成一个生产周期。 1 3 螺杆挤出机在轮胎生产中的意义 要掌握种新结构轮胎的生产， 首先就要建立在生产工艺装备机械化和自 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 动化的前提下，从而生产出具有高精度的半成品即轮胎各组合件。橡胶工业早 期，挤出机已经是橡胶加工的主要设备并被普遍应用。 在现代挤出生产线上，冷喂料挤出机则被广泛运用于胎面、胎侧、内衬 层、复合三角胶、内胎及各种复合形状的空心或实心制品材料的挤出，使挤出 制品材料由单层结构向复合结构发展，挤出制品均匀，能更好地满足轮胎结构 的设计要求。为此，轮胎工业科学研究院对冷喂料螺杆挤出机，复合螺杆挤出 机等挤压和压型设备及其加工过程进行了大量的研究，其中包括双头的可用于 骨架层和带束层中具有金属帘布层的子午线轮胎部件生产用的设备以及具有一 个挤出机头和3 4 个螺杆的挤出机的研究。 研究表明，销钉型复合螺杆挤出机在轮胎工业中的应用，提高了劳动生产 率，并把橡胶加工工艺提高到一个新水平。 螺杆是挤出机的核心部件，可以说挤出机的发展史就是螺杆的发展史。 1 9 世纪8 0 年代就出现了短长径比的普通螺纹( 等距不等深或等深不等距) 螺 杆，产生了热喂料挤出机。由于热喂料挤出机需要一整套庞大的预热供胶系 统，不但使工艺过程复杂化，而且在占地面积、电能消耗、动力浪费等都有不 可克服的缺点，特别是螺杆长径比较短，很难建立起机头压力，导致挤出半成 品质地疏松，直接影响橡胶成品质量。为了克服上述问题，4 0 年代初有入在热 喂料螺杆的基础上加大长径比，出现了普通冷喂料螺杆，从而产生了普通冷喂 料挤出机。这种挤出机可以生产出胎冠、胎侧、三角胶、缓冲层，还可以生产 出钢丝带束层、钢丝圈和子午线轮胎内衬层等等，可以说目前的挤出功能条件 下，已经包括了子午线轮胎相当部分的橡胶部件和轮胎骨架部分。 普通挤出机的螺杆形式有以下三种：主辅螺纹螺杆、高功率混炼( h i m ) 螺 杆和销钉螺杆。 虽然现在较少使用主辅螺纹螺杆，而更普遍地采用销钉螺杆，但主辅螺纹 螺杆在直径小于和等于1 2 0 咖的挤出机中仍有使用价值。其优点包括：对大多 数胶料来说，直径小于和等于9 0 啪的主辅螺纹螺杆挤出机的挤出能力大于相 应规格的销钉式挤出机；由于一条主螺纹在螺杆全长上是连续的因而有自洁 能力；磨蚀寿命等于或高于销钉式挤出机。主辅螺纹螺杆的性能主要取决于螺 纹的设计细节，有两点要着重考虑，即螺杆上的螺旋角和螺纹间距。最通常的 设计采用两段辅螺纹，辅螺纹一端始于主螺纹凸棱后侧，与主螺纹有不同的螺 1 1 旋角，导致其另一端与主螺纹凸棱前侧相接，因此胶料要两次被挤压通过主辅 螺纹形成的螺纹槽，前、后两段辅螺纹的棱高是不同的，补偿胶料粘度在通过 第2 段辅螺纹时相对于通过第1 段时的变化。为了保证主辅螺纹螺杆的使用效 果，选用正确的温度是非常重要的。胶科流过辅螺纹时，适当降低粘度也十分 重要。如果螺杆和机筒温度合适，胶料的挤出能力就能得到提高。喂料段比计 量段温度要高，对于许多胶料，尤其是以n r 为主的胶料，采用反轮廓比较有 利。 h i m 螺杆是一种主辅螺纹螺杆的替代品，即英国l e y l a n d ( 现为n f mi d d o n ) 的i d d o n 兄弟设计的高功率混炼( h i g h - - i n t e n s i t ym i x i n g ) 螺杆。这种螺杆在 翻胎业中比在轮胎制造厂用的更多。如同主辅螺纹螺杆一样，它也有一条不间 断、贯穿整个螺杆的主螺纹。在主螺纹间有一系列小螺纹，具有不同于主螺纹 的螺旋角，切开并重合流动物料，保证聚合物的加热和混炼均匀。与所有物料 都要依次通过辅螺纹与机筒的间隙、很少有纵向混合的主辅螺纹螺杆相比，h i m 螺杆中小螺纹在胶料流动方向上也有混台均匀的作用。主辅螺纹螺杆和h i m 螺 杆一般用在最小型的多复合挤出机上，也用在眙圈钢丝覆胶和翻胎装置上。 在轮胎生产工业中，销钉螺杆挤出机占有重要地位，它的出现使冷喂料挤 出机对n r 基混炼胶的挤出效果大为改观，其挤出效率可与热喂料挤出机相媲 美。在更新的挤出机设计推出之前，这种形式的挤出螺杆在直径大于和等于 1 5 0 砌的挤出机中占有绝对统治地位关于挤出机机筒的销钉，有一点值得一 提，就是在使用时不一定要装满所有的销钉。机器制造商可提供不装销钉的空 位，而只装少到5 0 销钉的挤出机也并不罕见。怎样安排销钉，在很大程度上 要视所挤出胶料的性质而定。通常取消最靠近喂料口的一圈销钉，并且相邻圈 只装一半销钉是相当普遍的，这样能有助于挤出机喂料一般第l 圈销钉有碍喂 料，尤其是硬料。减少一些销钉，能降低胶料通过销钉时的温升。然而一般都 有两圈是装满销钉的，以避免胶料的“短路”和挤出凉胶块。销钉挤出机的挤 出温度除机头外，一般要低于主辅螺纹和h i m 螺杆式挤出机。 最近几年，有两种新概念冷喂料挤出机被橡胶工业所接受。第1 种形式已 在轮胎工业中采用，其基础是传递混炼原理。第2 种形式目前在轮胎行业应用 还有限，其基础是齿轮泵原理。 沈阳农业大学硕士学位论文 图1 4 销钉螺杆挤出机 f i g 1 4s c r e we x t r u d e r 以传递混炼技术为基础的冷喂料挤出机在有多头螺纹的机筒内采用多头螺 纹螺杆段，己在翻胎领域里有效遣使用了近2 0 年。这种机筒和螺杆相互作用称 作“多次剪切传递混炼”。机筒螺旋线方向与螺杆螺旋线方向相反，给机筒螺旋 线内的物料以向前运动的力，并使混合过程从螺杆流向机筒槽然后再返回。以 一段替代了传统主辅螺纹螺杆的辅螺纹，并使螺杆长径比降低到1 0 ：1 传统冷 喂料挤出机( 销钉式、主辅螺纹式) 长径比为1 5z1 或更大 ，能为工厂节省占 地。在原设计中，传递混炼段由进料段平滑的螺杆和机筒供料，其后为平滑的 计量段( 如同传统的主辅螺纹螺杆) ，没有现在周向排列的节流阀。这种形式的 螺杆能满足多种胶料要求，但用于韧性和弹性较大的胶料时，不能使胶料充分 塑化。为克服这一局限性，在混炼段和计量段之间设置了“节流阀”“节流 阀”用以调节螺杆最高处和机筒最深处之间的间隙，因而增大了通过传递混炼 段的“背压”，并改善了对胶料的作用。最初的调节采用简单调节螺杆位置的方 法，但机械系统不能满足要求，因而采用了可移动机筒环。虽然有时不利于输 出，但这样可以更好地控制挤出机的塑化效果。贝尔斯托夫( b e r s t o r f f ) 采用另 一种途径来改善塑化效果。它把销钉和传递混炼原理相结合，设计成销钉传递 式挤出机在喂料段加有销钉，使胶料在传递混炼段前能有一定的塑化并通过调 节销钉安装数量和机筒“节流阀”两方面调节混炼效果。此种机器的优点是： 占地少( 长度比销钉机筒减小5 0 ) ，因此提高了工厂的空间利用率；用“节流 阀”能更好地控制橡胶的塑化；与其它同口径销钉挤出机相比，有更高的挤出 潜力，尤其是对高粘度的n r 胶料a 采用齿轮泵原理的挤出机利用齿轮泵已有很长时间吸引着橡胶工业。其优 点是齿轮泵一般都排量大、能耗低，仅有非常有限的能量输入胶料。但直至最 近，齿轮泵还仅用于各种粘性流体，而不是粘弹性材料如橡胶上。2 0 世纪8 0 年代初，挤出橡胶的齿轮泵已在瑞典使用，但第一次公布的这种机器是r o l l e x 设计并在德国u t h 公司制造的。这种思路后来也被其它公司采用，包括特乐斯 特( t r o e s t e r ) 、m a a g ( 采用s c h i e s s e r 技术) 和贝尔斯托夫。这种挤出机在轮胎 工业中的应用几乎没有被报道过，但无可质疑，齿轮挤出机能节省占地面积， 对改善复合挤出的布局有重大意义。起初它是为挤出小部件设计的，齿轮泵的 挤出精度也备受关注。显然齿轮挤出机正处在“鸡与蛋”的关系中，齿轮泵足 以满足轮胎生产所要求的高效的观点尚未得到轮胎工业界评价，他们在其信任 水准升至一定程度前对订购该设备将持审慎态度。齿轮挤出机与传统挤出机连 接从投资上说是不经济的，但挤出品却更均匀稳定。这种设置也能补偿一些老 式挤出机由于磨损造成的输出轻微波动，但在橡胶行业中没有采用这样设计的 大型挤出泵。 图1 5 齿轮泵螺杆挤出机 f i g 1 5g e a rp u m ps c r e - e x t r u d e r 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 由于销钉冷喂料挤出机螺杆的结构具有塑化性能好并具有排气功能的特 点，因而挤出制品的塑化性能、致密性好的优点非常明显。在子午胎气密层胶 片生产工艺中，当采用挤出法生产工艺时，配用销钉冷喂料挤出机供胶与配用 开炼机供胶，差异十分明显，前者明显优于后者，而且生产速度可以提高。在 输送带覆盖胶生产工艺中，采用配有辊筒机头的销钉冷喂料挤出机直接挤出胶 片，与采用开炼机供胶挤出机挤出胶片的生产工艺相比，前者生产的胶片致密 性明显优于后者。在其它制品生产工艺中，销钉冷喂料挤出机都可以显示出塑 化效果及致密性好的优势。采用销钉冷喂料挤出机生产工艺，在制品生产过程 中，胶温可以得到控制，实现低温挤出，这一点在子午胎生产以及一些对温度 要求较严的制品生产工艺中尤为重要。这类挤出机的挤出质量稳定，排除了人 为因素。在热喂料挤出机挤出生产过程中，必须配用开炼机供胶，而胶料在开 炼机热炼工艺过程中，人为因素直接影响产品质量。采用热喂料生产工艺时， 必须配用开炼机供胶，如一台驴2 0 0 热喂料挤出机，需配2 3 台开炼机供胶， 而采用销钉冷喂料挤出机生产时，不需开炼机供胶，能源消耗差异十分明显。 1 4 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 通过对螺杆挤出机的现状分析与研究，提出挤出生产目前存在的主要 问题，指明未来螺杆挤出机械的发展方向和研究重点，为挤出机的研究与设计 提供理论依据。 ( 2 ) 对螺杆挤出机进行工作原理及工作过程分析，对挤出机的主要工作部 件参数进行了分析研究，进而通过挤出试验，确定了挤出机参数的优化组合， 为提高挤出质量提供了参数设定依据，为高效挤出生产奠定基础。 ( 3 ) 试验研究影响挤出的因素，建立数学模型。根据实践和文献参考表 明，在销钉螺杆挤出机的工作过程中，挤出温度、机头压力、螺杆转数、口型 板形式是影响挤出产品的主要因素。为定量寻求其对挤出的影响程度，寻找最 优解，把上述4 个参数选为试验因子，运用二次正交设计的基本思想和方法对 其进行统计分析。利用计算机规划求解分析方法，对模型进行优化求解，最终 确定各因素的最佳参数。并通过实际试验进行验证 1 5 沈阳农业大学硕士学位论文 2 螺杆挤出机的工艺研究 清晰的了解螺杆挤出机的工艺，对于深入研究螺杆挤出过程，优化设计生 产参数，进而得到最佳的挤出产品，有着极其重要的作用。 2 1 挤出机的基本结构 螺杆挤出机一般含有三个主要部分：螺杆、机筒和机头。 螺杆是挤出机主要工作部件之一，它在挤出过程中使胶料塑化、剪切、混 合，并产生足够的压力，使胶料克服阻力面被挤出，获得密实均匀的半制品。 螺杆的结构分工作部分和连接部分，工作部分的主要参数为螺纹头数、压缩 比、导程、槽深及螺纹升角等。锥形螺杆头无死角，有利于胶料流动。 机筒必需具有足够强度以使胶料在机筒内充分搅拌、剪切和挤压。在喂料 段侧壁螺杆的一旁有旁压辊，保证供胶均匀连续，使挤出制品密实均匀。 机头是胶料挤出过程中将胶料由螺旋运动变为直线运动的关键部件。单螺 杆挤出机采用单一流道，引导胶料通过口型，得到产品。 复合机头采用镶嵌件流道块，设计独特且合理的胶料流道，通过预复合口 型板及1 ：1 型板即可使挤出制品达到设计的形状尺寸。挤出机的上、中、下机头 采用液压锁紧，复合机头操作压力高达2 5 e a a ，机头与机身接合处无任何胶泄 露，从而可保证制品尺寸的稳定性及复合材料的界面尺寸。 整个机头操作灵敏、安全、到位，挤出过程的主要工艺参数，如挤出胶压 力、电机电流及螺杆转速，可通过不同的传感器精确显示，从而保证挤出工艺 的安全。 2 1 1 单螺杆挤出机的结构简析 橡胶挤出设备运用的大都是单螺杆挤出机构，单螺杆上的螺旋结构主要分 为等螺距绞刀和变螺距绞刀。等螺距绞刀的受料部分、输送部分和挤压部分各 段的螺距均相等。理论计算表明，螺旋导角约为2 3 。时，螺旋能获得最大挤出 速度和最大挤出效率。但橡胶是具有黏性的粘塑体所以小螺旋升角更符合橡 胶挤出特性。因此，螺旋升角的选取一般在1 5 。2 0 。之间，这样有利于橡胶 形成一定的致密度。 1 7 螺杆挤出机的工艺研究 变螺距绞刀的螺距自受料部分起逐步减少，是一种逐级加压绞刀。变螺距 绞刀比等螺距绞刀有更高的效率。因此，近年来变螺距绞刀的应用比等螺距绞 刀更为广泛。在螺旋末端一般采用增加一个与末端螺旋等螺距的半螺旋绞刀以 使螺旋末端的压力均衡，提高挤出产品的质量。 单螺杆挤出机的螺杆基本结构和常用参数 图2 1 单螺杆挤出机的螺杆基本结构示意图 f i g 2 1s i n g l e s c r e we x t r u d e rs c r e wb a s i cs t r u c t u r eo ft h em a t r i x 螺旋直径d ：3 0 0 6 0 0 砌 螺距t ：2 2 0 3 8 0m m 螺杆长径比l d , , 3 5 螺杆转数r ：2 3 5r m i n 主电机功率p ：9 0 2 5 0k w 由于单螺杆挤出机与其他挤出机相比，具有结构简单、坚固耐用、维修方 便、价格低廉、操作容易等特点，因此，在相当长的时间内，以单螺杆绞刀为 挤出方式的挤出机在我国仍会占有很大市场。 2 0 世纪7 0 年代，联邦德国的u n i r o y a la g a a c h e n 公司开发了销钉机筒 冷喂料挤出机。这种销钉机筒冷喂料挤出机不但具有普通冷喂料挤出机的优 点，而且生产能力大、排胶温度低、动力消耗和单位功耗低，适用的橡胶种类 达9 0 左右，于是很受橡胶厂的欢迎，迅速得以推广，很有完全取代热喂料挤出 机的趋势。销钉机筒挤出机为单螺杆挤出机，其结构特点是在机筒上安装了6 1 6 排( 圈) 、每排( 圈) 6 1 2 枚销钉，销钉穿过机筒伸向螺杆根部，呈辐射状固定 在机筒上，如图2 2 所示。 1 8 沈阳农业大学硕士学位论文 - _-_ 。 ，tl i 忑 l aa量量 工 li 一。u 图2 2 销钉机简挤出机的机简及销钉结构 f i 9 2 2p i n s re x t r u d e rm a c h i n es ra n d t h ep i ns t r u c t u r e 由于销钉从机筒壁一直插到接近螺杆的根径处，故在螺杆上对应销钉的部 位开有环形切槽，这样在螺杆转动时销钉不会妨碍螺杆的转动。销钉的排数和 每排销钉的个数及销钉的大小、长短均视挤出机的规格大小和使用要求而定。 销钉机筒冷喂料挤出机不仅保留了普通冷喂料( 无销钉) 挤出机螺杆与机筒对胶 料的剪切、混合均化作用，而且插入的销钉改变了普通挤出机螺槽中胶料的运 动状态和剪切生热过程。 图2 3 销钉对螺槽横截面内胶料的分割作用 f i g 2 3p i nr ig l l tl ot r o u g hc r o s s s e c t i o n - i