捏合机科学生产设计及生产工艺优化研究.doc

捏合机科学生产设计及生产工艺优化研究 崔田 高级工程师（南京中兵恩索科技有限公司 江苏南京）摘要：从理论依据出发，准确计算捏合机驱动功率，依据桨叶及螺杆构型等设计要领，摆脱了传统捏合机生产需要依据经验设计的盲目性关键词：桨叶构型参数 功率计算 生产工艺1、 设计描述 捏合机是胶类产品较重要的加工设备之一，主要用于橡胶塑料等高分子与配剂的混合。根据捏合机的工作原理可知，加入捏合室的胶料主要受搅拌桨叶与捏合机室壁的剪切和拖拽作用达到混炼效果，因此桨叶形状直接影响高分子材料与各种添加剂的分散和混合的均匀性，另外驱动功率，出料方式等都对生产工艺的效率和优化有着不可忽视的作用。以下我们通过对设计一台2000L丁基热熔胶捏合机来探讨下设计要点：1、 关于桨排列形式(见下图），捏合机桨叶有两种排列形式，一种两桨相切，一种两桨相交，相交型桨叶两桨只能做同速运转，剪切主要发生在桨叶与槽底的小间隙内，两桨交叉部位的物料形成交叉流动，对取得更均匀的混合料更有效，主要适用于粘度较低的粉料为主的物料混合；2、 关于桨型，目前捏合机有4种搅叶形式（见下图），SIGMA双螺旋桨叶,适用于精确分散和强力混合的物料，双拐的空白区可以进入大块的物料，有破碎作用，在食品和橡胶高分子行业较广泛应用，设计和制作比较规范和成熟180单螺旋桨叶，适用于简单式的混合，其对物料的折断和损伤小班步里型桨叶，也称强力型桨叶，跟密炼机的桨型较为类似，适用强力剪切分散的场合，当强力剪切温度升高时这种桨叶中间钻有空心孔，可通冷却水，降低物料的温升鱼翅型，适用于粉体和液体的简单混合 以热熔胶生产为例：热熔胶是大块的丁基胶、聚合物和填充剂的分散混合，恩索公司选用的是SIGMA双桨结构，两只拌桨采用相切式排放，速比为1:1.44，其W结构形成了两个分散混合区:A.SIGMA搅叶与槽壁旋转区域;B.两搅叶相切区域，其采用整体碳钢铸造，具有较高的强度，其双拐的形状能够很好的破碎大块的丁基胶块的，其螺旋式的结构能够使物料进行上升下降动作达到快速混合并分散加入的填充料，从而制得较好的热熔胶产品；SIGMA桨叶 单螺旋桨叶 班布里强力型 鱼翅型2、 关于电机功率的计算与校核 一般来讲，捏合机的驱动功率跟搅拌物料的粘度和物料流量有关，一般厂家都是根据经验所得。恩索公司经过多年的研究发现，这里是有一套完整的理论计算公式的。根据前人研究发现驱动功率，其中代表胶料粘度，Q代表胶料流量，s代表搅叶凸棱总长度，h代表搅叶与槽底的间隙，另外根据英国人Bollen研究发现，搅拌机转子构型参数A与功率P及物料粘度的关系为，对于特定容量和桨型的捏合机，A近似于定值，代表的是修正系数（，V代表的是工作容积），n代表的捏合机转速我们以恩索公司代表客户波士胶芬德利一台制造丁基热熔胶产品2000L-160kw的捏合机为例来验算一下：经过以上公式我们推算可得出2000L捏合机SIGMA桨的构型参数A大约为（计算依据：一台2000L捏合机配置55kw电机，转速40RPM，物料粘度为500ps的成熟配置机型），计算出=18.96，依据丁基热熔胶粘度极限范围为1500ps，转速最高速为40RPM，反推算出波士胶2000L捏合机，投料量1500KG的情况下所需功率为52kw，考虑功率损耗及投料初期因素值系数，这里取2.0，计算得出所需功率大约为,104kw，再考虑到1.5倍的安全系数约为156kw,因此配置160KW的主电机的能够满足要求的，且达到1.5倍以上的安全系数，能够满足高强度的生产工艺要求；3、 关于出料捏合机常见出料方式有翻缸倾倒式、底阀下出料式和螺杆挤压出料三种，丁基热熔胶的成品胶粘度范围2000cps(150)-150000cps(200)，可设计采用螺杆挤压式出料，根据出料连接及效率要求，我们拟定为3T/H，我们采用直径250mm的机加工螺杆，采用渐变式螺距180-120mm，出料效率验算：计算每旋转一周的出料量约为942克，根据螺杆转速62RPM，可以推算出每小时出料量为3504KG（比重为1时），热熔胶成品比重0.9-1.3kg/L，估算可以满足出料速率要求；关于螺杆驱动功率计算与校核：螺杆功率确定计算的方法较多，譬如公式计算，取类比经验值，都是基于熔体输送理论，针对丁基型热熔胶粘度为范围2000cps(150)-150000cps(200)，由于捏合机的螺杆主要功能是输送，一般长径比较小，螺杆与桶壁的间隙也比较大（1mm),一般单螺杆挤出机0.220-0.394mm,根据国产单螺杆挤出机的一些数据统计，得出一个估算挤出机功率的公式，这里D代表螺杆直径，k为系数，n为螺杆转速，根据目前单螺杆行业生产和统计，对系数，当D90mm是，k取0.008，在捏合机行业，因螺杆长径比较小（一般1:4-6，单螺杆挤出机1:7-25），螺杆与桶壁间隙大，挤出阻力较小，根据恩索公司在多年制造和试验过程中推算得知，当D120mm时，k取0.0007(已计入1.5倍的安全系数）；我们将相关数据代入计算，考虑功率损耗，因此选用30KW的驱动功率较为安全可靠。2、 制造工艺捏合机作为一种普通机械，主要应用的工艺有焊接，钻，刨，铣，镗等机械加工工艺。捏合机主要由缸体、缸盖、搅拌桨、底座、驱动系统、电气系统等构成,所有制造节点均按照图纸要求及客户特殊要求加工，焊接件均做应力释放，支撑面均经铣床铣处基准平面，一丝不苟，下面分别介绍下各部件及其关键工艺缸体-缸体是由带夹套的W型锅体及其左右的支撑侧板构成，锅体内衬板是由不锈钢板切割并卷制，在磨具上焊接而成；侧板是由碳钢板按照图纸切割拼接并焊接而成，上分列两支拌桨及螺杆的穿过孔，为了使拌桨和螺杆平稳转动，我们采用的是整体式镗孔加工，即先将侧板和锅体通过螺栓连接，并打好定位销，以W底弧及垂直面为基准面，依照图纸一次镗出侧板上的穿过孔及轴承座位置孔，保证了两桨的平行度和同心度，使得设备运转平稳缸盖-缸盖是由不锈钢板及不锈钢方钢并焊接成弧形状，边框上经铣床加工出平面及嵌条凹槽，盖面上按照客户要求加工出各种接口，为缸体的密封创造了条件搅拌桨-搅拌桨是捏合机最关键的构件，是由厂家经过计算制造出模具并送由铸造厂用45#钢精密铸造成ZG35的铸件，经先后两次车削加工，不锈钢包覆而成底座-底座一般是采用国标槽钢或工字钢焊接而成，在捏合机的关键支撑部位下端均相应有钢构件排放，保证了机身的稳定性，底座焊接在精制平台上焊接，保证了底座的平整度，使得机器能够良好平稳的运转驱动系统-捏合机驱动部分包括轴承，同步齿轮，减速箱及电机，经过整体镗孔加工的锅体在装配后，配套精密的速比齿轮通过内齿套连接减速箱输出端，电机与减速箱采用皮带皮带盘软连接，能够很好的保护电机及减速箱，驱动部分最关键的是选购件的质量及装配的同心度，因此选用一套进口减速箱和电机是保证捏合机安全运转的关键，另外在装配时须调校好减速箱输出端和搅拌轴输入端的同心度，这样捏合机在运转时才能游刃有余，降低噪音，延长使用寿命电气系统-电气系统就像是捏合机的大脑，捏合机所有的动作均通过电气系统来实现，包括加热控制，搅拌桨转动，出料，缸盖启闭，因此电气系统制造业颇为关键，应选用质量过硬的电气化产品，电路设计合理，安全电路完善才能很好的保护好电机及保证捏合机在高强度的作业环境中平稳运行制造工艺详细图解3、 质量控制质量是一个企业的生命，作为捏合机的生产跟许多机械产品一样，按图加工和验收是关键，母机，即加工设备的精度也是保证加工件精度的关键，我们通过下图来了解下恩索公司的质量控制方案：4、 生产及车间管理恩索生产管理制度规范了员工对生产现场的整理，生产作业安全，从而达到优质高效的生产水平。所有员工严格遵守作息时间，上班统一着工装，特殊岗位佩戴相应劳保护具；所有加工岗位加工件均按图加工，车间主任验收跟踪，所有审核须由审核人员签字，有问题向车间主任报告，工艺过程可追溯；操作人员工具和工件在指定区域摆放，设备按章保养及清洁；行吊由专业人员操作，并严格按照安全操作规程；锅体试压严格按照波士胶和国家对压力容器相关规