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双锥双螺杆挤出压片机头研究 摘要 随着轮胎工业的发展，子午线轮胎所占地位越来越重要，所占比 例越来越大。子午胎的精度和强度要求高，故对其加工设备的要求也 越来越高。因此，开发研制高水平、大容量、高速、自动化程度高的 炼胶生产线取代进口设备，是我国橡机工业的发展目标。但是，无论 是进口设备还是国产设备，挤出胶片两端不整的问题始终未能得到解 决，已经成为橡胶机械行业需要解决的当务之急。本课题是国家重大 技术装备研制项目( 科技攻关) “载重子午胎成套设备及工程子午胎关 键设备研制”中的子专题双锥双螺杆挤出压片机组中的重要研究 内容。 本课题理论和实验的研究结果表明，造成胶片边缘不整的主要原 因是压片机头挡胶板流道设计的不合理性。 本课题对积胶控制装置和压片机头挡胶板进行了研究和创新设 计，对压片机头流场进行了模拟计算分析，结果表明胶料在机头流道 中流动时的压力和速度的均匀性均较好，最后通过试验验证，胶片的 边缘和表面质量均有显著地提高。 关键词：子午胎、压片机、积胶控制、挡胶板 摘要 s t u d yo nr o l l e l 0 d l ef o rd o u b l e - c o n e t w i n s c r e we x t r u d e r a b s t r a c t w i 吐lt l l ed e v e l 叩m e n to fn i b b e r 够r ei n d u s 仃y m e r i d i a i lt ) ，r eo c c u p i e s m o r ei m p o r t a 呲p o s i t i o ni ns e c t o ra 1 1 dl a r g e rp r o p o n i o ni i lm a r k e ts h a r e s t h en e c e s s a r yl l i g ha c c u r a c ya n dm g hs 仃e n g d lo fm e r i d i a n 锣r er e q u i r e s m u c ha d v a l l c e dt ) r r e m a c h i n i i l ge q u i p m e n t s ot od e v e l 叩ar u b b e rm i x i l l g p r o d u c t i o n l i n ew i n lh i 曲l e v e l ，1 a r g ec a p a c 咄h i 曲s p e e da n dh i g l l a u t o m a t i o n ，i n s t e a do fi m p o n e de q u i p m e n t ，h 嬲b e c o m eo n ed e v e l o p i n g a i mo f0 1 1 rr u b b e r m a c t l i l l e r yi n d u s 略h o w e v e rn e i t h e ri n t r o d u c e d e q u i p m e n tn o rh o m e r n a d ee q u i p m e mh a sf - o 眦dp r 叩e r 啪y st os 0 1 v e u n e v e ne d g ep r o b l e mo fe x m j d e dr u b b e rs h e e t ，w h i c hh a sb e c o m ea i l u 玛e ma i l dc 商c a lt a s ki nn l b b e rm a c h i n e 巧s e c t o r _ t h i ss u b j e c ti s a i l i m p o n a i l tp a r t o fd o u b l e c 册et w i l l 一s c r e wr o l l e 卜d i e e x 们m e r ， o n e s u b s u 巧e c t o fn a ：t i o n 越c r i t i c a l i n d u s t 叮e q u i p m e n t r e s e a r c h a r l d d e v e l 叩m e n tp 叫e c t ( i e s c i e n c ea n dt e c h i l o l o g yb r e a l ( 1 r o u g ht a s k 广一 r - e s e a r c ha l l dd e v e l o p m e n to fh e a v y l o a dm e r i d i a nt ) c o m p l e t es e ta n d i i 摘要 e l l g i n e e r i i 培m e r i d i a l lt y r ek e ye q u i p m e n t n l e 也e o r e t i c a la n dp r a d i c a lr e s u l t so nm i ss u b j e c ti n d i c a c em a tm e m 咖r e a s o nc a u s i i 培u n e v e l le d g e so fr u b b e rs h e e ti st 1 1 eu n r e a s o n a b l en o w c h 枷e ld e s i g nf o rs t o c k9 1 1 i d e so f r o l l e r - d i e i nt t l i ss u b j e 叹t h ec 陀a t i v er e s e a r c ha n dd e s i g i lo fs t o c kb a n kc o n t r d l d e v i c ea n ds t o c kg u i d e so fr o l l e r l 碰ei sl a u i l c h e d ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i s 0 ns h e e t - p m c e s s e dd i e sn o wf i e l di sa l s oi m p l e m e n t e d 1 1 1 ef i n a lr e s u h s h o w sb e t t c rp r e s s u r e 眦dv e l o c i t ) rw l i f o m l i 哆o fs t o c kn o w i n gi nd i e c h 砌1 e lc 粕b eo b t a i n e d t h ef m a lt e s tv 商f i e st h a tb 劬n l b b e rs h e e te d g e a n ds i 埘a c eq u a l 姆h a sb e e nl a r g e l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：m e r i d i a n 啦，d o u b l e - c o n et w n s c r e wm 1 1 d i ee x 仃u d e r ， s t o c kb a l l l 【c o n 咖l ，a i l ds t o c k g u i d e i i i 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。除文中已经注明 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 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 伽占年f 月山日 北京化工大学工程硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 近年来，随着橡胶及轮胎工业的迅速发展，作为橡胶工业的重要设备一一挤 出压片机，也在不断改进和完善。挤出压片机的发展小仅反映在挤出压片机类型 的增多、挤出推进效果的增强以及产量的提高上，而且反映在挤出压片机关键零 部件的研究也在日盏得以深化和发展。 挤出压片机发展到今天经过了五个发展阶段：两辊压片机、单螺杆挤出压片 机、平行双螺杆挤出压片机、锥形双螺杆挤出压片机、双锥取螺杆挤出压片机。 而双锥双螺杆挤出压片机产生于八十年代末九十年代初，在之后的二十多年中得 到了迅速的发展，我国双锥双螺杆挤出压片机的研究一直紧紧跟踪国外的发展， 几乎与国外的发展同步，这其中凝结了国内橡胶机械研发人员的大量心血和努力， 但是由于种种原因，国内外列挤出压片机挤压过程的理论研究和数学模型的建立 都非常少，目前仪限于螺杆构型和试验结果的分析上，而缺乏深入的理论研究。 现在，双锥双螺杆挤出压片机在国内的应用已经相当普遍，由于它在制品质 量、螺杆输送和冷却能力、自动化程度等方面的优势，已逐渐取代前四代产品， 成为密炼生产线的主流产品，为橡胶及轮胎行业的发展做出了很大的贡献，所以 如何更好地完善挤出压片机的设计，解决其在生产实践中发现的问题，推进其在 牛产中的应用，是所有挤出压片机研发人员的重要和紧迫的任务。 本课题的目的就是对双锥双螺杆挤出压片机的压片机头进行改进，对挤山压 片机积胶控制装置进行研究，并通过以上研究解决在国内外一直没能解决的压片 机出片边缘不整齐、出片表而质量差这一难题，进而使之在产品上推广。 1 2 国内外挤出压片机的发展概况 密炼机生产线主要是由密炼机、挤出压片机或压片机、胶片冷却机组成。经 密炼机生产线主要是由密炼机、挤出压片机或压片机、胶片冷却机组成。经 北京化工大学工程硕士学位论文 密炼机塑炼和混炼的不规则团状胶料，须经挤出压片机或两辊压片机出片，再经 胶片冷却机冷却、涂隔离剂、吹干、叠片或切片，完成炼胶生产线的工艺过程。 挤出压片机发展到今天经过了五个发展阶段：两辊压片机、单螺杆挤出压片 剂、平行双螺杆挤出压片机、锥形双螺杆挤出压片机、双锥双螺杆挤出压片机。 早期的密炼机下辅机的压片工作是由两到三台两辊开炼机来完成的，两辊开 炼机压片的主要缺点：占地面积大、自动化程度低、生产效率低、工人的劳动强 度大、环境污染严重、工人操作水平的高低直接影响炼胶质量等，随着社会的变 革，世界范围内越来越重视环境和人性化的需求，因此单螺杆挤出压片机应运而 生，但是由于在炼胶过程中要添加一些硫磺和一些温度比较敏感的配合剂，两辊 开炼机具有的良好的冷却特性和质量可控性以及某些其它原因，使炼胶生产线的 这种配置方法仍然保留到今天。 第二代是锥形单螺杆挤出压片机主要由锥形不等距、不等深单螺杆挤出机和 立式两辊压片机组成，中间经过机头挡胶板连接，如图卜l 所示。它之所以能取 代两辊压片机，主要是其具有占地面积小、自动化程度高、生产效率高，工人的 劳动强度低、环境污染少等优点，尽管锥形单螺杆的大端直径大且螺距大、螺槽 深有助于物料的进入，但仅靠这种单螺杆与料筒壁的物料拽入是不够的，因此它 加有一个压料装置，通过气控的压料锤往返对物料推压，进行强制喂料。因此能 量消耗大，挤出机的功率消耗大，螺杆的自洁性差，由于这种配置硫磺和小药须 在密炼机中添加，胶料的温度难于控制，影响炼胶质量，同时压料锤运行过程中 又可能出现卡胶现象。在此基础上人们又开发了平行双螺杆挤出压片机。 第三代是平行双螺杆挤出压片机是由平行双螺杆挤出机和立式两辊压片机组 成，如图卜2 所示。挤出部分是由一对轴线平行排列的同直径等深、等距、相互 不啮合的螺杆相向同速回转。与单螺杆挤出压片机相比具有：节能、挤出机的电 机功率消耗低，螺杆的自洁相对较好等优点。但是由于两螺杆是相互平行的，两 螺杆间有一定间隙，压出胶片的致密性差，自洁性差。在此基础上人们又开发了 第四代产品锥形双螺杆挤出压片机。 第四代是锥形双螺杆挤出压片机是由与水平面成1 5 度布置的锥形双螺杆挤 出机和与同样与水平面成1 5 度放置的立式两辊压片机组成，如图卜3 所示。螺杆 出料段为锥形加料段为平行，螺杆为不等距不等深设计，两螺杆轴线平行放置， 加料段两螺杆相互捏合，挤出段两螺杆不捏合。该机型克服了以往设计的缺点， 北京化工大学工程硕士学位论文 图1 1 锥形单螺杆挤出压片机图l _ 2 平行双螺杆挤出压片机 啦l lc o n i c a ls i 咄- s c r e w 帕l l 捌ee 】( 帅d c r f 蝽l 五 p a r a l l e l 铆i n - s c r e wr o l l - d i ee ) 【咖d e r 由于螺杆前段不捏合，螺杆内容易存料。 图1 3 锥形双螺杆挤出压片机 图l - 4 双锥双螺杆挤出压片机 f 酶1 _ 3c o n i c a l 船m - s c m wm l 埘i ee 栅d e rf 罾1 4c i c a l 撕i f l s c r c wm l l - d i ee 栅d e r 3 北京化工大学工程硕士学位论文 第五代是双锥双螺杆挤出压片机是由与水平面成1 5 度布置的双锥形双螺杆挤出机 和同样与水平面成1 5 度放置的立式两辊压片杌组成，如图卜4 所示。螺杆为锥形，螺 杆为不等距不等深设计，两螺杆轴线成一定角度布置，加料段、挤出段两螺杆均相互捏 合。该机型克服了以往设计的所有缺点，是目前世界上该类产品最先进的机型。该产品 具有：自动化程度高、生产效率高、劳动生产率高、冷却效果好、压缩比大，出片质量 稳定、自洁性好等优点。同时由于结构较复杂，给机组的设计带来了一定的难度，尤其 是螺杆、机筒、挡胶板、减速装置等的设计难度大大增加。 1 3 国内外机头挡胶板的发展概况 1 3 1 机头挡胶板的结构型式 随着挤出压片机经历的几代变革，机头挡胶板的结构也同样经历了四次变化。 但是由于挤出压片机出来的胶片只是密炼生产线的中间产品，而不是轮胎或橡胶 制品的最终产品，人们对它的出片质量还不太关注。人们对橡胶挤出机，特别是 挤出压片杌的研究与对塑料挤出机的研究相比，至今为止仍然处于较低的水平。 因此，机头挡胶板的设计还没有被重视起来。 锥形单螺杆挤出压片机挡胶板结构 锥形单螺杆挤出压片机档胶板与机筒连接处示意图如图卜5 所示，从图中可 以看出，胶料经螺杆挤出后，进入挡胶板流道，在这里胶料( 容积) 被迅速放大， 进入挡胶板胶料的压缩比与在机筒时的压缩比相差很大，因此胶料的表面质量和 表面光洁度差；积胶控制装置为滑动式积胶控制装置，如前所述，此装置结构简 单，加工制作容易，使用空闻小，但由于上挡胶板是滑动式，摩擦阻力大，常常 在滑动端板与挤出机口壁间挤入胶料，造成导向轴动作不灵，需经常打开压片机 清理此处的胶料，所以常常是滑动端板被顶上去后，靠气缸压力推不下来，造成 控制失效。 4 北京化工大学工程硕士学位论文 图1 - 5 锥形单螺杆挤出压片机档胶板与机筒连接处示意图 n g 1 5c o n n e c 廿o no f g i l i d cp l 砒ew i mb a m lo f c 呻i c a ls i n g l e 螂r e wr o l m i ee 栅d e r 平行双螺杆挤出压片机挡胶板结构 平行双螺杆挤出压片机档胶板与机筒连接处示意图如图卜6 所示，从图中可 以看出，胶料经螺杆挤出后，进入挡胶板流道，挡胶板流道几乎是机筒的延伸， 机筒与挡胶板连接处的过渡比较合理，其存在的问题主要有三点：第一，挡胶板 流道的内表面截面尺寸略大于机筒的内表面截面尺寸，胶料在此处容易发生胶烧， 这种现象在以往的用户使用时，已经被证实；第二，圆锥面与之后的平面间的过 渡不光滑；第三，积胶控制装置为滑动式积胶控制装置，上挡胶板可以滑动。 图1 6 平行双螺杆挤出压片机挡胶板与机筒连接处示意图 f i g 1 - 6c o 姗e c d o n0 fg l l i d ep 协ew i m 陆t e lo f p a r a l l e lt 、i n - s c 洲r 0 1 1 - d i ee 栅d e r 锥形双螺杆挤出压片机挡胶板结构 锥形双螺杆挤出压片机挡胶板与机筒连接处示意图如图卜7 所示，从图中可 以看出，挡胶板流道同样也是机筒的延伸，机筒与挡胶板连接处的过渡比较合理， 其存在的问题主要有以下三点：第一，挡胶板流道处存在一次突变，胶料在此处 被急剧压缩。第二，虽然挡胶板流道的内表面截面尺寸与机筒的内表面截面尺寸 相同，但是由于机筒和左右挡胶板分别加工，由于加工误差的原因，安装时仍然 存在死角。第三，积胶控制装置采用压力传感器式，压力传感器安装在上挡胶板 北京化工大学工程硕士学位论文 上，上挡胶板上下滑动微小的位移量。 呻k 鹊 蟪：嚣莎 俐 _ n夕 图l 一7 锥形双螺杆挤出压片机挡胶板与机筒连接处示意图 f 毡1 7c o n 眦c t i o i lo f g u i d ep l a i ew mb a n e io f c 伽d c a jt 、v i n s c r e wr o l l _ d i ee x 打u d e r 1 3 2 计算机辅助设计的应用 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 是指以计算机作为技术手段来生成和运用数字信息和图形 信息，进行产品设计和制造。 在发达国家中，c a d c a m 技术已进入普及阶段，商品化软件已趋成熟，并由产 品制造过程自动化发展到产品设计过程，生产过程和经营管理过程的自动化，即 由此出现了计算机辅助集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ) 简称c i 惦，目前一些工业发达国家如美国、日本、欧共体都把c i m s 作 为科学技术 发展的一个重要战略目标，我国在1 9 8 7 年开始实施的“高技术发展纲要”中 也列入了c i m s 的课题。 目前中国机械行业c a d 技术使用相当普及，现已达2 0 ，c a d c a m 系统在机械 制造中的应用最为广泛，约占整个系统的4 9 ，但与之形成鲜明对比的是c a d c a m 技术在我国橡胶机械的设计制造行业却应用的相对较少，寓设计、计算、绘图于 一体的软件包几乎没有，相对来讲模具c a d c a m 技术的发展相对较快，在发达国 家c a d 技术在橡胶塑料机械行业中已得到普及，尤其在模具设计上，c a d 和c a l l 技 术己完全结合，并实现了系统化及设计制造一体化。 近年来国内外橡胶挤出机就结构和品种来讲，有了很大的变化，挤出机设计 技术的最新改革是近十几年的事情，螺杆与机头的设计与制造仍然是目前挤出机 设计制造的关键所在。 挤出机头c a d 已由二维视图向三维造型转化，德国k r u p p 公司单挤出、双复 6 北京化工大学工程硕士学位论文 合、三复合、四复合挤出机头所有可移动部件均为三维设计，并能显示复杂的温 度控制流道布置。所有必须的断面显示均可由c a d 系统做出，大大保证了设计和 制造的精度，所有静态数据如质心、总表面积、容积、质量、惯性矩、惯性轴等 均由三维特性模块来计算，同时将有限元数值方法用于计算挠度、弯曲应力和表 面压力等。 流道设计的结构要求是希望胶料平稳且无死点地通过机头到出口，机头流道 的设计采用c a d c a m 系统，对机头内胶料的流动状态进行分析，在此基础上确定 流道的几何形状，例如板型机头流道设计中c a d c a m 相结合的设计方法较好地揭 示了机头流道内聚合物流动的影响。目前k r u p p 公司客户定制的机头和流道的设 计均由c a d 工作站完成，可减少工程设计的时间和费用。即缩短了设计周期，减 低了产品的成本，又能适应市场快速变化的需求。 1 4 课题研究的目的和意义 予午线轮胎是轮胎工业新一代高科技产品，我国在子午胎在引进技术的同时， 引进了许多先进的工艺装备和检验设备，轮胎企业的装备水平有了很大的提高。 但从子午胎的高精度要求考虑，有一些关键设备尚需引进，国内一些设备也有待 进一步改进和提高。因此开发高水平、大容量、高速、自动化的炼胶生产线来取 代进口，是我国橡机工业的目标。 双锥双螺杆挤出压片机组是与密炼机配套的目前国际上最先进的设备，该机 具有生产效率高、吃料快、出口压力稳定、胶料挤出行程短、冷却效果好等特点， 能满足炼胶生产的自动化和连续化的要求。随着轮胎厂生产规模的扩大，大型密 炼生产线用量的日益增多，而与之配套的锥形双螺杆挤出机压片机的需求会逐渐 增多。 目前国内外的挤出压片机普遍存在炼胶质量差：出片边缘不整齐、表面质量 差、光洁度低的问题，严重地影响设备的正常运行，浪费了大量胶料。边缘带有 碎胶条的胶片进入胶片冷却后，碎胶条进入胶片冷却机的轴承、辊简、浸浆槽中 和地面上，使设备出现故障以至停机，清理这些杂物时亦需停机，给橡胶厂的正 常生产带来麻烦，急需解决。解决以上问题的关键是机头上、下、左、右挡胶板 北京化工大学工程硕士学位论文 的流道设计，它的构型是否合理直接影响着挤出压片机出片的质量。本课题如能 解决此问题经济效益和社会效益显著，定能受到用户的广泛欢迎，为企业和用户 单位创造良好的经济效益，同时可申请专利，为完成国家重大技术装备研制项目： 载重子午胎成套设备及工程子午胎关键设备研制的子专题之一的双锥双螺杆挤出 压片机组，攻克了一道难关，为整机的设计打下坚实的基础。 1 5 本课题研究的主要内容 国家“九五”期间重点攻关项目，国家重大技术装备研制项目( 科技攻关) ： 载重子午胎成套设备及工程予午胎关键设备研制，其中的子专题：s s g j 一4 1 6 9 3 6 双锥双螺杆挤出压片机组研制，是我公司承担的开发和研制项目。该项目的开发 研制将填补国内空白，使密炼机生产线实现自动化、连续化生产，其中双锥双螺 杆挤出压片机机头的研制和积胶控制的研究是该项目的主要技术关键和主要研究 内容之一，而这正是本课题研究的主要内容，具体如下： 通过广泛地查阅国内外文献资料，参考国内引进的国外各大橡胶机械厂生产的 最新型挤出压片机，深入地研究机头挡胶板处物料的流动和积胶控制装置的机 理。 深入研究国内外基于压力传感器技术的积胶控制装置，确定压力传感器的选 型、安装位置和安装方式，计算并确定压力传感器的量程，找出合理的方法， 为机头挡胶板的研究打下基础。 研究物料在机头处的流动规律，并分析其流动机理，利用先进的计算机分析软 件，对改进前后的机头挡胶板流道进行分析比较。 分析国内外现有结构形式，完成新开发机头挡胶板的三维c a d 模拟设计，在 此基础上确定流道的几何形状，找出最佳结构及参数，并转化成二维产品图纸。 确定影响物料流动特性的其他参数：上下、左右挡胶板与辊筒间的间隙、积胶 控制装置的有关参数等。 改进加工工艺，满足流道设计要求。 进行生产加工，应用到产品中去，检验并进行修正，最终得出适合生产并能满 足用户需求的产品。 北京化工大学工程硕士学位论文 1 6 预期达到的结果 对积胶控制装置进行分析，提出改进的方法。 进行挡胶板的结构研究，利用c a d 三维计算机辅助设计，完成改进后的挡胶板 的三维设计。 利用计算机分析软件，对所设计的挡胶板进行强度分析。 利用计算机分析软件，对设计的机头流道进行流场模拟分析。 通过机头流道流场模拟，分析挤出压片机出片质量问题。 在产品上适用并修正，实现商品化。 9 北京化工大学工程硕士学位论文 第二章双锥双螺杆挤出压片机 2 1 双锥双螺杆挤出压片机的基本结构 双锥双螺杆挤出压片机是在两辊压片机的基础上发展起来的一种密炼机生产 线的主要设备之一。挤出压片机主要用作密炼机的配套设备，把密炼机排出的胶 料压成片状。它也可用作代替压延机进行宽幅厚胶片的生产。图2 1 为配有辊筒机 头的双锥双螺杆挤出压片机的结构示意图。由于这种挤出压片机主要起输送作用， 胶料从挤出机挤出后经过机头挡胶板直接送入两个辊筒之间，所以挤出机的螺杆 对胶料的剪切作用较小，挤出压力也低，胶料的温升较小，甚至对有些胶料还能 降温作用。挤出压片机主要由挤出装置、压片装置、加料槽、传动系统、温控系 统、机电控系统等组成。辊筒机头与挤出机之间需要有导胶槽，也就是通常所说 的挡胶板，起引导胶料作用。为了使挤出机的供胶速度与辊筒的压片速度相平衡， 须采用积胶控制装置。 图2 1 双锥双螺杆挤出压片机 f g 2 1 c o n i c a lt w i n _ s c r e wr o l l - d i ee x 加j d e r 1 0 北京化工大学工程硕士学位论文 挤出装置 本机为同步异向相互啮合的锥形双螺杆挤出机，主要由两根螺杆、机筒、轴 承、轴承座、挡胶板等组成。两根螺杆是挤出装置的主要工作零件，它们由一台 直流电机通过两台减速箱分别驱动，两根螺杆作同步异向向内相互啮合运动。电 机与减速箱、两减速箱之间由万向联轴节连接。如图2 2 所示。 传动装置 图2 2 挤出装置 f i g 2 2e x n d i n gd e v i c e 该机共有三个减速器，其中压片装置有一个双出轴减速器，挤出装置有两个 减速器。挤出装置的两个减速器的输出轴分别与挤出机的两个螺杆连接，两减速 箱之间由一个万向联轴器连接，压片装置和挤出装置均有直流电机驱动。减速器 主要由箱体、箱盖、滚子轴承、齿轮等零件组成。 加料槽 加料槽为钢板焊接结构，如图2 3 所示。加料槽的作用为储存胶料供螺杆输送， 加料槽和过渡槽沿高度方向设有两组超声波料位器，按加料槽内存胶多少，可实 现对挤出螺杆和压片辊筒的速度调节。 北京化工大学工程硕士学位论文 图2 - 3 加料槽 f i g 2 - 3h o p p e rd o o r 加热冷却系统 加热冷却系统对挤出压片机非常重要，前几代挤出压片机之所以没能在所有 的炼胶工艺中推广使用，其原因之一是因为挤出压片机的冷却效果差，使得胶料 在挤出压片机中不但没能冷却下来，反而由于胶料在螺杆的推进过程中温度升高， 使得对于那些温度敏感性较大的胶料不能使用挤出压片机，而是采用几台两辊开 炼机。因为冷却水的温度不仅影响生产效率、单位能耗，而且还影响混炼胶质量。 过去人们根据传热学公式q m ( t 2 一t 1 ) 的要求，认为进水温度t l 越小，冷却速度 越快，传热效果越好，所以在二十世纪7 0 年代前，人们把冰放进水槽，使水温t l 接近零度，从而使t 2 - t l 增大，但实际上混炼效果并不好，为什么呢? 这是因为人 们忽略了一个重要因素，那就是胶料在螺杆之间和胶料在螺杆与机筒之间形成剪 切、补充混炼作用，很重要一条是借助于胶料与螺杆表面和机筒内表面的摩擦作 用。当进水温度与机筒、螺杆内温度相差较大时，越容易在机筒的内表面上和螺 杆的外表面上形成“露水效应”。由于“露水效应”使胶料在转子外表面上和机筒 内表面上很容易打滑，形成不了摩擦，这样各种剪切、捏炼作用也就无从谈起了。 通过试验，一般来讲，冷却水温度应以3 0 5 0 度为宜。 压片装置 压片装置主要由上、下辊筒，调距装置、测力传感器及左、右支架等组成， 上、下辊筒是主要工作零件。电机通过双出轴减速器、万向联轴器分别驱动两辊 1 2 北京化工大学工程硕士学位论文 筒相对转动进行工作，如图2 4 所示。 辊筒材料为冷硬铸铁制成，坚硬耐磨，辊筒圆周钻孔通水冷却。辊筒两端由 滚动轴承支撑，两辊之问的距离通过调距装置将上辊筒拉起进行调节。正常工作 时，辊距调节范围为3 1 0 岫；当清理积胶时，最大辊距可调至2 0 0i l i l 。调距装 置还设有安全装置，以保护调距装置及辊筒不受损坏。 电气控制系统 图2 - 4 压片装置 f 嘻2 4s h e e t i n gd e v i c e 由于广泛采用计算机、传感器技术、总线控制技术、可编程控制器等技术， 密炼机生产线的控制系统已可全部实现自动化、连续化生产。特别是加料槽上超 声波料位器、压力传感器l o a dc e l l 和高自动化控制的采用，保证密炼机生产 线全自动化生产。 北京化工大学工程硕士学位论文 2 2 双锥双螺杆挤出压片机的工作原理 密炼机排下的块状胶料排入加料槽，进入到挤出压片机的加料口后，在异向 旋转螺杆的作用下，胶料沿螺槽滚动前进，因螺杆对物料的剪切、捏合、压缩和 搅拌作用，胶料受到进一步的混炼和塑化，温度和压力逐步升高，呈现出粘流状 态，并以一定的压力和温度通过机头挡胶板进入两辊机头，双辊机头亦称压片装 置，相当于一台立式两辊压延机。压片装置将胶料进一步均化、冷却并连续压制 成一定厚度的胶片，输送到胶片冷却机。由挤出压片机得到是所需的一定形状的 半成品。 胶片再经冷却机冷却、涂隔离剂、吹干叠片或切片，完成炼胶生产线的工艺 过程。该产品的特点是：自动化程度高、生产效率高、劳动生产率高、冷却效果 好、压缩比大，出片质量稳定、自洁性好、占地面积小、环境污染小等优点。该 机的研制成功使密炼机生产线的连续化、自动化生产成为可能。 压片机头由机头挡胶板和两辊机头组成，是挤出压片机的成形部件，它的作 用是：使胶料由旋转运动变为直线运动：压实胶料并使胶料进一步塑化均匀；在 一定的压力作用下，将胶料冷却、挤压成所需规格的胶片。 2 3 影响出片质量的重要因素 图2 5 是在沈阳普利斯通的一台挤出压片机生产现场拍下的照片，照片显示 了密炼机排下的胶料经挤出压片机、机头挡胶板、辊筒机头压成一定规格的连续 带状胶片，胶片两边出现不规则、参差不齐的胶条。 挤出压片机出片边缘不光滑，是困扰轮胎厂和橡胶厂的比较致命的问题，令 众多轮胎生产厂家头痛。它不但严重地影响了设备的f 常运行，而且浪费了大量 胶料。目前国内外的各种挤出压片机均存在此问题，该问题需在挡胶板流道设计 和整机的开发、制造和控制中综合解决。 经过对国内外设备的结构研究和生产线的调试及生产实践经验，对双锥双螺 杆挤出压片机出片边缘不整齐等问题进行了分析。 1 4 北京化工大学工程硕士学位论文 图2 5 挤出压片机出片表面质量差、边缘不整齐 f i g 2 - 5b a ds u m i c eq u a l 毋a n du n e v 即e d g es h e e t 2 3 1 挡胶板流道的结构分析 机筒与挡胶板的连接 机筒与挡胶板连接处，存在死角，如图2 6 所示。其原因主要有两个方面：首 先，为了防止胶料在推进的过程中受阻，最初设计时通常都会将连接处机筒一侧 内锥面的尺寸略小于挡胶板一侧工作锥面的尺寸，其优点是可以消除由于加工误 差引起的机筒内径大于挡胶板内径，缺点是必然造成流道区出现死区；其次，如 果将两工件的内径尺寸设计的完全相等，那么，加工误差同样会使两工件的尺寸 存在差异，从而同样存在死区。 图2 6 上、f 、左、右挡胶板与机筒的连接处 f i g 2 6c o n n c 嘶o no f 印p e 川o w e 川e 心g h tg i l i d ep l a f e s 、v i mb 删 北京化工大学工程硕士学位论文 挡胶板流道 左、右挡胶板内腔流道不呈流线型，有突变区，存在死角，易产生积料，且 流道的截面积被急剧地缩小，并由于最后的成型长度不够，造成边缘出胶不光滑， 如图2 7 所示。 挡胶板l 、日连接 图2 7 左、右挡胶板流道 f i g 27l 辱脯g h g u i d e p l a t e 日o wc h a n n e l 左、右挡胶板与上、下挡胶板连接处存在死角，图2 8 为各挡胶板连接的三 维表示，图2 9 为各挡胶板连接的二维表示。从图2 9 的1 处可以明显看出，在 左、右挡胶板与上挡胶板连接处存在死角。同样，下挡胶板与左、右挡胶板流道 连接处也存在死角。 图2 8 挡胶板相互关系三维图 f jg 2 8r e l 砒i v e3 - d 曲1 w m go f g u i d ep 】a t e 1 6 北京化工大学工程硕士学位论文 丁 tt t 广 - i 士： 式厂 一 粉嗣睦 毒 上上 t 固窿签绑 t 哥 r j j + 笨、击 图2 9 挡胶板相互关系二维图 f - g 2 - 9r e l a t i v e2 - dd 娜v i n go fg t l i d ep l a t e 上挡胶板的设计 从图2 9 中的2 处可以明显看出上挡胶板设计存在死角。 2 3 2 工艺参数的分析 当挤出压片的挤出速度和辊筒机头的出片速度不一致时，会造成机头压力过 大或过小。当胶料在机头挡胶板处堆积时，会造成机头压力过大，物料会挤入档 胶板与压片辊筒之间的间隙中，使得出片边缘出现碎胶条。当机头压力值适当时， 胶片密实，胶片表面及边缘光滑。 当胶片的挤出速度过快或成型温度过低时，胶片的表面质量会下降，如表面 粗糙。实践表明，随着挤出速度和流量的增加，在达到一定程度后，依次出现雾 状表面、光泽度下降( 橘子皮) 、垂直于挤出方向出现间隔小的皱纹、进一步发展 为在制品内部发生规则或不规则的破裂，翻花、扭曲、竹节等形式。这是由于随 着挤出速度和出片速度的增加，物料承受的剪切速率和剪应力也相应增加，熔体 产生了破裂。 2 3 3 温度控制系统的分析 加热冷却系统是实现工艺过程对温度的要求而采取的措施，它对保证挤出半 北京化工大学工程硕士学位论文 制品质量有很大的影响。因此，在挤出机操作时，应严格控制机台各部温度。当 温度过高时，挤出半制品表面有麻面，并会引起胶料产生焦烧的小颗粒；反之， 温度过低时，挤出半制品表面粗糙。 2 3 4 挡胶板与压片辊筒之间间隙的分析 如图2 1 0 所示，挡胶板与辊筒的间隙主要有： 上辊筒与上挡胶板及左右挡胶板问隙“a ”； 上辊筒与左右挡胶板间隙“b ”； 下辊筒与左右挡胶板间隙“c ”； 下辊筒与下挡胶板及左右挡胶板间隙“d ”。 图2 一1 0 辊筒与挡胶板的间隙 f 酶2 - 1 0g 印b e t w e e nm l la n dg i l i d ep l a t e 辊筒与挡胶板的间隙确定的是否合理，同样影响出片边缘的质量，间隙过大 胶料较易进入间隙中，造成边缘粗糙。设备冷态间隙过小，设备从启动到达到正 常工作温度，温升会达到几十度，设备受热膨胀，当辊筒和挡胶板的膨胀量大于 挡胶板与两辊压片机头的问隙时，会磨损辊筒和挡胶板，造成设备损坏。 2 3 5 积胶控制装置的分析 积胶控制装置分滑动式和转动式两种，但是无论是哪种形式，积胶控制装置 1 8 北京化工大学工程硕士学位论文 都是靠上、下挡胶板的位移( 滑动、转动) 的变化使传感器发出模拟量信号，控 制螺杆的速度，从而控制挡胶板的压力。 在位移式积胶控制装置中，上、下挡胶板位移大，控制精度低，结构复杂， 易出现误动作，由于挡胶板的大行程的位移，胶料同挡胶板一起上下移动，很容易 使胶料进入间隙中，致使机头死角存胶，影响胶片质量。由于位移传感器技术的 局限，人们很难在结构上有所突破。压力式积胶控制装置，就是在原来位移传感 器的位置上，安装上压力传感器，用压力传感器代替位移传感器，如图2 1 1 所示。 这样虽然上挡胶板的位移量小了很多，但上挡胶板仍然必须是可移动的，胶料仍 然有可能进入到上挡胶板与周围接触零件之间的间隙中，致使机头死角存胶。 陡封 l 一一一一 剂巨 占土 舨j l上 、r 习睡喾严 丫 母母 f 护，：卜。二叁、由j 图2 1 l安装在上挡胶板上的积胶控制装置 f j g 2 一nb 柚kc o n 订dd e v i c e 叻u p p e rg u i d ep l a t e 2 3 6 挡胶板加工工艺的分析 由于加工误差的原因，如果单独加工机筒和各挡胶板，零件组装在一起后， 会使得上、下、左、右挡胶板与机筒的连接处必然存在死区，如图2 9 所示，影 响胶片质量。 对于双锥双螺杆挤出压片机，机筒、上下左右挡胶板的流道表面均为三维曲 面，加工工艺复杂，全部需要在加工中心，数控机床上加工，以提高加工精度。 1 9 北京化工大学工程硕士学位论文 2 4 积胶控制装置的研究 我国从8 0 年代起开始生产第一台单螺杆挤出压片机，经过2 0 多年的不断更 新换代，一直跟踪国外的最新技术，并且在一些技术上有了新突破，机头挡胶板 的技术随着主机的不断改型，积胶控制技术及计算机技术的发展，同样经过了几 代的变化，特别是c a d c a e c a m 技术的出现，使机头挡胶板的设计、制造水平有 了突飞猛进的发展。挤出压片机主要用于密炼机排出的各种胶料的挤出与压片， 而积胶控制装置主要用于控制挤出机与压片机之间的堆积胶料压片，以防止设备 事故的发生，其控制原理是根据挤出机与压片机之间堆积胶的压力，通过积胶控 制装置发出电信号，控制挤出机螺杆的转速。当积胶压力达到一定值后控制螺杆 减速，防止压力过大带来设备故障，所以积胶控制装置是挤出压片机的一个关键 部件，其结构的好坏直接影响着控制的效果。早期的积胶控制装置主要为位移式， 从结构上分，有滑动式和转动式两种。 2 4 1 滑动式积胶控制装置 滑动式积胶控制装置主要由挡胶板、气缸、导向轴、滑动端板，位移传感器 等组成，见图2 1 2 所示。 懈 迪 酬 眵，j ； 图2 一1 2 滑动式积胶控制装置 n 晷2 一1 2s 1 i d c 卸eb a n kc o n t m ld e v i c e 随着挤出机与压片机之间胶料的增加，压力随之增大，当压力大于气缸给定 北京化工大学工程硕士学位论文 的压力( 一般在o 6 o 8 m p a ) 时即推动端板上移，通过导向轴带动位移传感器发 出信号控制螺杆减速，从而减小堆积胶的压力；当胶料减少时，压力随之下降， 在气缸作用下滑动端板下移复位。此装置结构简单，加工制作容易，使用空问小， 但由于是端板滑动式，摩擦阻力大，常常在滑动端板与挤出机口壁问挤入胶料， 造成导向轴动作不灵，需经常打开压片机清理此处的胶料，所以常常是滑动端板 被顶上去后，靠气缸压力推不下来，造成控制失效。有时因积胶压力过大使挤出 机口两侧挡胶板螺栓顶坏，甚至使挤出机与压片机之间8 条m 3 6 锁紧联接螺栓顶 断，造成停机，影响生产。 2 4 2 转动式积胶控制装置 转动式积胶控制装置主要由中间铰轴式可调行程气缸、挡胶板、上下转动盖 板、气缸固定侧板、限位开关等组成，见图2 一1 3 所示。 图2 1 3 转动式积胶控制装置 f g 2 一1 3r 0 枷0 n - 嘲p eb a n l 【c o n 廿0 1d e v i c e 此结构上下转动盖板的气缸所用压缩空气压力，一般上气缸要经过减压调整 在o 2 5 m p a 左右，下气缸不减压为0 6 m p a 。当挤出机与压片机之间的胶料增多时， 随之压力增大，当压力大于上转动盖板气缸的给定压力后，即推动上盖板转动， 使料口张开，同时气缸带动碰块触动限位开关使螺杆减速，从而降低挤出机与压 片机间的堆积胶压力，当堆积压力小后，靠上气缸压使上转动盖板复位。下转动 盖板主要起二次保护作用，即压力大于o 6 m p a 时下盖板打开，泄压。此装置结构 l 北京化工大学工程硕士学位论文 较复杂，制造件较滑动式多些，使用空间也较大，但由于采用了转动式结构，阻 力小，各动作件处无胶料挤出动作灵活。当转动盖板打开后，再次复位容易，且 从盖板处溢出的胶料很容易就被带入压片机，而滑动式结构从端板溢出的胶料基 本不能被带入压片机，需人工从压片机上方清理，同时此结构又有二次保护。所 以从使用过程来看，虽然挤出机与压片机锁紧联接只有4 条由2 8 销子，但此结构 基本没有因积胶压力失控而顶坏联接销或两侧挡胶板现象，减少了设备故障，保 证了生产正常运行。 2 4 3 积胶控制装置的改进 机头挡胶板的结构、挡胶板与两辊压片机辊筒间隙、机头压力控制精度、挡 胶板的流道设计与制造等因素均影响制品的质量，而间隙的确定、压力的控制和 挡胶板的设计均与积胶控制装置是分不开的。 积胶控制装置从控制上分，有位移式、压力式两种。位移式积胶控制装置出 现的最早，它是靠上、下挡胶板的位移( 滑动、转动) 使传感器发出模拟量信号， 控制螺杆的速度，从而控制挡胶板的压力，控制精度低，结构复杂，易出现误动 作，上、下挡胶板位移大，致使机头存在死角存胶。 随着压力传感器( l o a dc e l l ) 技术的出现，可以不再通过位移量来检测机头 压力，而是通过压力传感器直接测出机头压力，发出模拟量信号，控制机头压力， 从而控制挤出装置和压片装置的速度匹配。这样，人们又考虑在原来位移传感器 的位置上，安装上压力传感器，如图2 一l l 所示。当积胶过多时，会导致胶料压力 增加，经上挡胶板，传到压力传感器，通过压力传感器将信号输出，控制挤出装 置电机的转速，即进行螺杆转速的调节，确保螺杆挤出的胶量与压片辊压出胶量 一致。 压力传感器整个量程的压力变化，可以转化成0 一1 0 v 或4 2 0 m a 的模拟量信号， 仅需要0 1 7 一o 2 3 硼的位移量，而不是需要十凡毫米的位移量，这样上挡胶板与 机筒和左右挡胶板间存在的死区就可以通过改进上挡胶板的设计来减小。压力传 感器的采用与位移式的相比存在明显的优点：第一，位移量由原来的0 1 0 0 m m 减 小为0 o 2 3 衄，位移量大大减小。第二，上挡胶板与左、右挡胶板及压片辊筒问 北京化工大学工程硕士学位论文 的死区可以减小。这种结构在国内9 0 年代末期引进的炼胶设备上开始陆续采用这 种结构，经过一段时间的使用后，又发现了新的问题：尽管挡胶板的流道设计得 比以往更合理，出片质量较以往有所改善，但是由于压力传感器内部是一个应变 片，需要上挡胶板有o 1 7 0 2 3 哪的位移量，这样上挡胶板必须是可移动的，因 此，上挡胶板与相邻的机筒和左、右挡胶板之间必须存在间隙，使用一段时间后， 胶料就会进入到这些间隙中，这些胶料达到一定量并冷却后，变成固体塞在机筒 与挡胶板之间，使得挡胶板不能移动，压力传感器即失效，积胶控制装置也就失 效了。这时设备必须停机清理，才能恢复使用。 通过分析可以看出，无论位移式还是压力式积胶控制中的移动部分都不应与 胶料接触，有位移必须有间隙，有间隙就会有胶料进入，就会出现堵塞。因此， 本设计改进为非接触式积胶控制装置，如图3 1 4 所示，将辊筒作