全液压式实验密炼机中混炼及密封部分的设计及计算-毕业论文

青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言密炼机的全称是密闭式炼胶机。20世纪初期以前人们主要靠开炼机进行橡胶的混炼和塑炼。利用开炼机炼胶存在着很多缺点，炼出的胶料质量差、炼胶效率低下、人工力需求大、环境污染严重等一系列问题。为了克服这些问题密人们逐渐生产了密炼机，密炼机的产生是以开炼机为基础的。随着人们对橡胶和塑料需要的日益增加以及科学技术的不断发展，密炼机越来越受到人们的重视，可用于橡胶塑共混还可以用于其他橡胶材料的共混，再生胶料混炼等。由于其独特的优越性密炼机已成为橡胶机械关键设备之一。当代炼胶工艺的橡胶机械设备已经无法离开密炼机，密炼机的用途在橡胶行业应用非常广泛。普及程度达80%以上。它和之前传统的开炼机相比有很多优越性，生产效率大大提高，节省了大量的人力，混炼出的胶料质量更好，而且污染小，有利于建设环境友好型社会。高分子材料加工时混炼工艺是最基本和最重要的。混炼工艺目前最常用的设备有开炼机、密炼机、和螺杆挤出机三种。对于塑料的加工多用于单螺杆挤出机和双螺杆挤出机，少部分有特殊要求的塑炼混炼用开炼机和密炼机。在橡胶加工过程中，橡胶结构形状和性能的原因，人们很少使用螺杆挤出机作为进行混炼，在过去开炼机是橡胶混炼的主要混炼设备。但是开炼机混炼时气味太难闻，环境污染严重，浪费严重，而且混炼效果不太理想。所以，除了少数特殊需要的胶料混炼使用胶料外，目前，在橡胶混炼工艺中密炼机是主要设备发挥着重要作用。随着社会发展和人们对橡胶应用的不断提高，新型的材料和新型的橡胶制品不断研发和应用，对密炼机的要求也随之增加。以往的老式密炼机已经逐渐落伍。因此，世界各国都积极进行新型密炼机的研究。本次设计主要任务主要介绍X(S)M-1全液压式实验密炼机中混炼及密封部分的设计及计算。1绪论现代炼胶工业已经无法离开密炼机，密炼机已经占据了相当重要的地位。随着橡胶行业的不断发展，密炼机作为橡胶机械的基础设备仍然有广泛的发展前景。为了适应当前社会的需要，我们参观了大连橡塑、青岛双星轮胎、青岛元通模具厂，并查阅的大量的文献和资料，本着节能、高效、环保的思想，兼顾旧机器，设计了这次的小型实验型密炼机。本设计主要是密炼机的混炼和密封装置。1.1密炼机的发展及我国密炼机发展现状1.1.1密炼机的发展密炼机自问世以来人们都没停止对其改造和完善。从密炼机的发展情况来看，可以分为以下六个阶段： 第一阶段是19世纪初期到19世纪末期，这一阶段密炼机刚刚出现，是密炼机初期发展阶段，在这个时期伦敦的Thomas Hancock设计了“单转子密炼机”和美国公司设计的“石英碾磨机”。19世纪末期俄亥俄州出现了“旋转搅拌机”。第二阶段是19世纪末期到20世纪初期，早期的混炼技术开始出现。这个时期德国的工业飞速发展，德国人研发了五种类型的密炼机，像CK技术系类密炼机和F系类密炼机的早期雏形都是在这一阶段研制出来。第三阶段是20世纪初期到20世纪中期，这个时期橡胶工业发展非常迅速，对密炼机的要求越来越高，在这一时期，德国的康斯塔特斯图加特的魏尔纳尔.普佛莱德瑞公司发明了螺旋形凸棱转子密炼机，胶料的捏炼技术快速发展，CK系列密炼机得到快速发展和应用。第四阶段20世纪中期末，这个时期Banbury密炼机问世，并快速发展。这个时期被称为Banabury时代。这个时期椭圆形转子由本伯里研发成功。进一步促进了橡胶机械的发展。当代的密炼机在结构设计和原理上都是根据本伯里密炼机为原型进一步发展的。 第五阶段是20世纪末。这个时期是新密炼机的快速发展阶段，密炼机发展的鼎盛时期也是这个阶段，这个时期密炼机整体基本结构基本定型，满足了高聚物合成工业的迅速发展的需要。 第六阶段是20世纪末之后，这个时期密炼机技术的发展更加完善的阶段。这一时期，密炼机的新技术新成果不断涌现，出现了一系列的混炼理论和新的专利，研究出了许多成果。1.1.2国内密炼机的发展国内的密炼机解放后才逐渐发展起来，解放之前国内没有密炼机。但是发展初期我国炼胶设备的发展与发达国家相比在自动化程度、生产效率、安全性等方面，还有很大的差距。改革开放以后，我国引进许多世界上先进的密炼机和相关技术知识，并通过消化吸收加创新，使我国的密炼机技术得到极大的提高。 我国第一家生产橡胶设备的是大连橡胶厂,仿照苏联的密炼机生产出PC240/20L密炼机。近年来我国又仿照发达国家的F系列密炼机，开发生产了具有现代水平F80、F160、F270密炼机,并且已经出口到国外。此外,还引进了日本的翻转式密炼机，吸收了其技术并自主研发了新型翻转式密炼机，生产了翻转式55L、75L翻转式密炼机。益阳橡胶厂引进了德国的技术，生产了CK系列密炼机。F系列密炼机和CK系列密炼机应经成为当今世界两大主要密炼机，尤其是F系列同步转子密炼机，我们不但掌握这些技术,同时还自主研发了圆筒型转子的技术。随着社会的发展需求，密炼机也在不断改进，改进的主要方向是转子速度之比、转子的结构形状和转子的冷却三个方面。自改革开放以后我国密炼机的发展取得了巨大的成就，并且正朝着高速、高压、高功率方向发展。自动化程度越来越高，整体联动化越来越强。随着计算机技术的发展，密炼机也和计算机技术有机的结合在一起，使密炼机操作过程实现自动化。1.2用途和分类 用途：密炼机是密闭的，可以混炼天然橡胶或者其他合成橡胶的混炼。也可塑料的混炼，沥青的混炼等分类：转子相切型和转子啮合型。按密炼机转子转速不同可分为：低速密炼机（20r/min以下），中速密炼机（30r/min左右），高速密炼机（40r/min以上）。按密炼机转子断面形状可分为：椭圆形转子密炼机，圆筒形转子密炼机，三棱形转子密炼机三种。按密炼机转子转数可变与否可分为：单速密炼机，双速密炼机（转子具有两个速率），四速、变速密炼机等。1.3密炼机的基本结构 密炼机的整体结构主要分为五个系统、六个部分。五个系统：加热冷却部分、气压系统、液压系统、电控系统、润滑系统。六个部分：混炼部分、加料部分、压料部分、卸料部分、传动装置部分、底座。 每个部分的组成及作用如下：1.混炼部分主要有密炼室、转子、密封装置等组成。其中转子的传动端采用圆锥滚子轴承，非传动端采用调心滚子轴承，轴承安装在轴承支座上面。转子的表面堆焊2到3毫米的硬质合金，增加其耐磨性和寿命。2.加料部分主要由加料室和斗形的加料口以及翻板门组成。 3.压料部分主要由上顶栓和为上顶栓提供动力的液压缸组成。上顶栓和胶料直接接触，上顶栓的内表面堆焊硬质合金。 4.卸料装置部分要由下顶栓和锁紧机构组成。下定栓和胶料直接接触需要冷却，其上面有热电偶进行温度控制。内表面焊有硬质合金。5.传动装置部分主要有电动机，联轴节，减速机组成。它的作用是提供动力，使转子克服其所受的摩擦力进行炼胶。6.底座和密炼室焊在一起，它的上面还安装传动部分的部件。 7.加热冷却系统的组成由管道和分配器组成。冷却水通过通过管道进入密炼室壁、转子内部，下顶栓内部对其进行冷却。采用恒水温冷却加热。 8.液压系统主要由油泵、油缸、管道、油箱等组成。它为卸料机构，上顶栓和密炼机的密封装置提供动力。9.电控系统主要由电柜，PLC和仪表盘组成，通过它对对整个密炼机进行操控。 10.润滑系统主要由油泵，分油器和管道组成。润滑系统的作用是润滑各转动和传动装置，减速器轴和轴承的润滑，转子轴承的润滑，转子端面和密炼室密封装置转动换和静环之间的润滑等。采用润滑油使干摩擦变为流体润滑，提高工作效率，提高使用寿命。2 X(S)M-1全液压式实验密炼机简述2.1 X(S)M-1全液压式实验密炼机特点 X(S)M-1实验用密炼机主要用于科研院所的科学实验.与工厂企业。特点： 该机采用整体式式结构，体积较小，容易适用安装场地。2、转子构型为四棱切线形同步转子。（如图2-1）图2-1 四棱剪切形同步转子Fig.2-1 tangential synchronous rotor of four wings 3、炼胶时温度升高，温度过高会影响胶料的质量，所以只要和胶料接触就需要冷却。4、利用PLC进行系统的控制，手动自动相互结合使用，切换方便，可实现时间、温度、能量的控制，能够及时反馈，使密炼机使用更安全高效。5、该机台上顶栓采用液压式控制，转子轴段端密封亦采用液压式。6、密炼室冷却方式采用钻孔式，为了增加耐磨性内壁堆焊耐磨合金。7、转子端面密封装置采用液压拨叉式外压端面密封。8、卸料门采用钻孔式冷却，转子为循环强制冷却方式。9、转子传轴承传动端采用双列圆锥滚子轴承，非传动端采用调心滚子轴承，功率消耗小，使用寿命长。10、转子轴向密封采用液压式密封，且密封比压可调，密封可靠，又可使密封圈磨损为最小值。11、本机台采用液压驱动旋转式卸料门，启闭时间短。2.2 X(S)M-1全液压式实验密炼机结构及工作原理2.2.1结构简述 X(S)M-1实验用密炼机的组成（如图2-2）主要由混炼部分、加料部分、压料部分、卸料部分、液压系统、加热冷却系统、润滑系统、底座等组成。图2-2 密炼机结构图Fig.2-2 the Structure schematic drawing of mixer 密炼机的混炼部分主要由密炼室、转子、转子密封装置组成。密炼室采用钻孔式，孔与孔之间是串联的，这样不仅和胶料接触距离近而且冷却面积大，冷却水流速度快。可直接通冷却水或蒸汽。转子轴向端面采用拨叉式密封装置。插板中间有杠杆螺钉，可利用杠杆原理进行增力，转子端面和动环连在一起，拨叉压紧静环，动环和静环之间有一铜环，可增加其耐磨性，动环和静环通润滑油。密炼室内表面和转子的外表面都直接和胶料直接接触，所受磨损严重，为了提高他们的耐磨性在表面堆焊一层耐磨合金。加压料机构由加料装置及压料组成，能够将物料压入密炼室，并且给胶料一定的压力。物料由加料口加入，上顶栓在液压缸的作用下压紧物料。在加料口上方，安装吸尘器，为达到吸尘效果在吸尘器的上方安装管道和抽风机。上顶栓内表面也堆焊耐磨合金。下顶栓通水进行冷却。2.2.2工作原理简述 在进行炼胶时，胶料或者胶料和配合剂通过加料斗进入密炼室，压在两个转子的上面，这个时候，上顶栓的液压缸给上顶栓压力使它向下一定，压坨压紧胶料。这是转子以相同的速度相向转动，两转子的初始位置有一定的相位角。胶料经过两转子旋转进入两转子之间进行捏炼，又由于凸棱的作用把胶料剪切开，这样进行反复捏炼。然后胶料进入下顶栓和转子之间，经过转子旋转使胶料进入密炼室壁和转子外棱之间再进行捏炼。随之胶料进入又进入两转子之间，这样反复捏炼，最后使胶料混合均匀。 密炼机的混炼大致过程如图2-3所示。图2-3 密炼机混炼过程示意图Fig.2-3 the chart of producement of material in mixer machine 胶料在密炼机内部混炼是很复杂的，大致分析如下：1.转子棱峰与密炼室内表面之间的捏炼作用图2-4 混炼过程中流线和填充情况示意图Fig.2-4 The diagram of flow line and filling in mixing process转子外表面与密炼室内表面之间的间隙是随转子转动而变化的，其间隙在一定范围内变化，最小值是在棱峰与密炼室内表面之间。由于转子之间的速度差别比较大，当物料通过最小间隙时便受到强烈的撕裂剪切与挤压作用。另一个原因是由于转子棱峰与密炼室内壁形成投射角，投射角对炼胶的影响很大，一般投射角越小越好，本次设计的投射角很小。（如图2-4）2.转子棱间的搅拌作用 物料通过加料口进入密炼室后，随后会落在转子的上部，然后压坨向下移动把胶料压紧在两转子之间，两个转子的转速相同并且相对回转，使胶料受到很大的剪切力，随着转子的旋转胶料进入下顶栓之间，然后卸料门的顶部会将物料再次分开，胶料再次进入两个转子之间，又受到转子之间的捏炼和剪切，胶料又随之进入转子的上部，这样循环进行，直到胶料合格。（图2-5）图2-5 两转子之间的混合搅拌Fig.2-5 Mixing between two rotors3.转子轴向的往返切割作用胶料围绕转子旋转的同时，两个转子都有一个初始相位，螺旋棱的旋转方向也不同，这样转子旋转时就会对胶料产生推移作用而且由于转子上的螺旋棱对物料产生轴向推移作图2-6 转子轴向往复切割捏炼作用Fig.2-6 Rotor axial reciprocating cutting kneading effect用，这样胶料就会沿着转子的轴向方向移动。（图2-6）4.转子与卸料门的搅拌作用当胶料进入转子和卸料门之间时卸料门将胶料分开，随后胶料进入转子与密炼室壁的间隙中，使胶料再次捏炼，随后经过捏炼的两边的胶料相聚于两个转子的顶部，再进入转子的间隙中，如此重复循环进行。2.3设计参数及结构要求1.总容积：1L2.主电机功率：12KW3.转子转速：0-120r/min4.速比：1：15.转子构型：同步4棱（转子强制冷却）6.压料方式：液压上顶栓（设置清扫位）7.卸料方式：摆动式卸料（旋转油缸带动）8.冷却加热方式：恒水温加热9.传动方式：速比齿轮要放置在减速箱内，润滑方式为飞溅式10.主机结构：液压站安装在主机下部，要求结构紧凑，外观整洁大方 螺栓全部采用内六角螺栓，注意各部分的倒角和圆角11.主要用途：橡胶、塑料、橡塑共混3 X(S)M-1全液压式实验密炼机转子的设计3.1转子主要参数的确定 转子是密炼机的心脏，其结构与形状直接影响到密炼机的工作性能、生产效率、和炼胶的质量。3.1.1转子的结构设计密炼机转子按端面形状分为三种：椭圆形（剪切型）、圆筒形（啮合型） 剪切型转子混炼 啮合型 三角型 1升实验用密炼机的转子外观图3-1 转子Fig.3-1 Roter和三角形，其中椭圆形转子又有两棱和四棱之分。（如图 3-1）对于密炼机转子的结构我们可以得到几十种不同类型的转子,从2棱到6 棱的切向型转子以及从3棱到4 棱的啮合式转子( IM 转子) 。之所以有这么多转子结构的一个原因是,没有一个转子能适用于所有橡胶的混炼工艺。选用合适的转子结构来混炼相应的橡胶能大大提高橡胶的混炼生产效率。本次设计的是1升小型实验密炼机,经查阅资料和结合实际情本次设计采用同步四棱转子（如图3-1）。本次设计中所设计的同步四棱转子上有四组棱，两个长棱两个短棱，分别分布在转子两侧。长棱和短棱的起始点都和转子端头相连并由两端向中心以螺旋的形状进行延伸。转子的短棱末端和长棱末端有间隙，这样转子在炼胶时能使胶料混合更均匀。转子的结构特征的主要参数有长度，最大回转直径，突棱的长度、宽度及螺旋角。转子其他部分数值的确定都由转子的最大回转直径确定的。1.空容量的计算由公式Kv=V总/V空 得：V空=V总/Kv （3-1）已知V总=1L Kv=0.560.67 参照橡胶技术与装备98.五期P17取Kv=0.6 V空 =1.66L2.转子最大回转直径的确定密炼机工作部分断面空腔的体积如下公式： D= （3-2）=89.75mm其中Kv=0.60 Kl=1.41.72 参照橡胶技术与装备98.五期P17取：Kl=1.5 则得：D=90mm 两转子之间的中心距为：A=D+2h 其中h=2mm 则A=90+4=94mm 转子的工作部分长度：L=1.5D=135mm 根据经验取L=127mm短螺旋棱在主视图上的投影: L1=(0.20.4)L=0.26L=33.02mm 取L1=33mm长螺旋棱在主视图上的投影：L2=(0.60.8)L=0.74L=93.98mm 取L2=94mm3.转子凸棱与密炼室内壁间隙h径，转子端面与侧壁间隙h轴的确定（1）转子凸棱与密炼室内壁间隙h径在设计剪切密炼机转子时，转子棱峰与密炼室内壁间隙h径是一个重要参数。它直接影响到剪切速率的大小，对工作效率的影响十分大。当今世界上对于间隙的大小具有相同的看法，对于以实验为相关资料，并考虑到本机台的设计容量，h径取2mm。（2）转子端面与侧壁间隙h轴考虑到本机台实际设计情况，且转子与混炼室的冷却效果较好，可取两侧间隙相等。根据经验值，取h轴=1mm。4.密炼室容量的计算精确计算密炼室容量 V空=2（D+2h径）（L+2h轴） （3-3）式中 h径转子凸棱与密炼室内壁间隙，mm；h轴转子端面与侧壁间隙,mm。V空=2（90+22）（127+21） =1.90L其中h轴=1mm h径=2mm短棱螺旋角:d=z=33棱宽：s =(0.0350.06)D=0.056D=5mm3.1.2转子工作部分截面尺寸及有关参数的确定本转子在设计过程中充分考虑了工作面及非工作面的形状，对于捏炼效果的不同影响，将棱峰工作面的曲线曲率半径取较小值，增大剪切、挤压区域，非工作面的曲线曲率半径取较大值，扩大填充系数。因此在设计过程中，棱峰宽度尽量取大值。1.转子基圆的确定d基=(0.50.6)D=0.56D=50.4mm 取D=50mm棱峰过渡圆弧半径:R1=75mm R2=53mm2.转子冷却水孔的确定转子冷却水孔根据1.7L密炼机水孔的计算已知1.7L密炼机d1=18mm d基1=70mm 而本机台d基2=50mm类比得d=50=12.8mm 取d=12mm3.密炼室容积确定：转子轴径d：由经验公式d=（0.510.58）D 得:d=45.952.2mm 根据实际需要取d=53mm密炼室体积：V空=2V柱+2V弧=1901499.219+80354.281=1981853.5mm=1.98LV转子=2V棱+V基+V盘=292891.63+249237.5+50892.3 =971826.12mm=0.97LV总= V空- V转子=1982853.5-971826.12=1010027.38mm=1.01L体积误差：=（1.01-1）/1=1%4% 符合要求4.长短棱螺旋角及中心角：为了达到使胶料有轴向移动的目的，并且为了抵消其轴向力，在四棱转子中取相等的螺旋角。根据经验植和本机台的容量取长短棱的螺旋升角都为57。短螺旋棱在侧图上的投影所对中心角为1，长螺旋棱在侧视图上的中心角为2： 1= （3-4） 2= （3-5）式中 L1-短螺旋棱在主视图上的投影； L2-长螺旋棱在主视图上的投影； t1-短螺旋棱螺距t1=Dtg 1; t2-长螺旋棱螺距,t2=Dtg 2; 1-短螺旋棱升角,1=57； 2-长螺旋棱升角，2=57。图3-2 转子工作部分设计原理图Fig.3-2 the reason chart of working part of roter 则 t1= t2=Dtg57=435mm1=26.482=78.625.转子各部分主要尺寸转子最大回转直径 90mm转子工作部分长度 127mm短螺旋棱轴向长度 33mm长螺旋棱轴向长度 94mm 转子工作部分厚度 5mm内孔直径 12mm轴颈直径 53mm装齿轮与联轴器直径 42mm3.1.3转子的材料与技术要求密炼机转子是主要工作零件，转子在工作时直接和被加工物料接触，并将物料进行强烈搅拌，因此有要求足够的强度、刚度，耐磨性和良好的传热性能（制成空心结构），其材料一般为铸钢（ZG45），棱锋堆焊35mm厚的耐磨硬质合金，硬度HRC为5560，其余工作表面也须堆焊23mm厚的耐磨硬质合金，或者焊后整体镀铬，镀层厚为0.1mm（如图3-3）。图3-3 转子截面Fig.3-3 the section of roter3.1.4转子冷却形式的设计 在炼胶时，产热最多的就是转子和密炼室之间，而且产生的热量不容易排图3-4 转子冷却形式结构示意图Fig.3-4 the chart of roters cold structure出，转子的冷却好坏直接影响炼出胶料的质量。尤其是在高压快速密炼机转子冷却更重要。转子的冷却效果取决于转子的冷却形式。过去的密炼机转子，以往的密炼机由于转子形状复杂大都采用内部喷水冷却。但是这种冷却方式不能使棱顶冷却，而且铸造成型后内部不容易清理，内腔表面粗糙，不容易加工，冷却效果不佳。国外某些厂家设计了强制循环冷却结构。这种结构能够使转子棱顶冷却，传热系数也高，冷却效果很好。考虑到本机台的实际情况，该X(S)-1全液压式实验密炼机转子的冷却方式采用强制循环冷却为提高转子的冷却效果，转子内孔设计了强制循环回路，且棱顶凸棱也进行冷却，（结构如图3-4）。3.1.5转子的强度与刚度校核1.受力分析转子在密炼室内受胶料的作用力是相当复杂的，且不断的变化，对这样的作用力进行精确的分析计算是异常繁琐困难的，因此需要作一些简化，对转子进行受力分析和强度计算。从实践证明这种方法计算较为简便，基本上能满足设计、生产的要求。本次设计中对转子的强度计算就以这种受力分析方法来进行。2.强度校核转子承受的作用力：（1）扭矩密炼机前后转子的转速相同，在炼胶时各转子消耗的功相同，其两个转子的扭矩几乎是相等的。后转子消耗的功为: N1=N=9.2199%=9.1179kw前转子消耗的功为: N2=N1=19.1179kw式中 N1 后转子消耗的功，kw ；N2 前转子消耗的功, kw ；N 变速箱每根输出轴的输出功率, kw 。 转子扭矩(Nm)：Mk=9550 （3-6） 式中 N计前、后转子消耗的功率，KW； n转子转速，r/min。 后转子扭矩： Mk1=9550=395.79975Nm前转子扭矩： Mk2=Mk1=395.79975Nm （2）胶料的作用力如图3-5所示，这时转子受力最大，其值可近似按下式计算： P= （3-7）图3-5 胶料对转子的作用Fig.3-5 the force of rubber material to roter式中 P 胶料对转子的作用力, N ； Mk 转子扭矩，Nm ； R转子平均半径，R=（见图3-5），m。P=8975.55N设作用力是沿转子工作部分的长度平均分配的，则单位长度上的q(N/m)为： q= （3-8）式中 L转子工作部分长度，m。q=70673.62N/m（3）弯矩的计算图3-6 弯矩图Fig3-6Bending-moment diagram由图3-6看出转子的最大弯矩在转子的中部，则： Mw=qL（4） （3-9） （3-9）式中 Mw转子的最大弯矩，Nm ； Q转子工作部分均布载荷，N/m ； L转子工作部分长度，mm ； a转子工作部分端部至轴承中心的距离，m 。 Mw=70673.20.127（4+1）=726.68Nm（4）应力计算由扭转产生的剪应力（N/mm） = （3-10） 式中 Mn 纽矩，Nmm ； Wn 空心椭圆性转子的抗扭截面模量，mm。 Wn=（bh-b0h）b、b0、h、h0见图3-5所示，mm。 则 =13.6 N/mmWn =（5070-3434.73） 弯曲应力w (N/mm)w = （3-11）式中 Mw弯矩，Nmm； Ww 空心椭圆性转子的抗弯截面模量，mm。 Ww= （bh-b0h） （3-12）则 w= =49.6 N/mmWw =（5070-3434.73）=14556.26mm = 29112.53mm弯曲应力与剪切应力的合成应力(N/mm)= （3-13）式中 转子许用应力，对ZG45之为80N/mm =56.5 N/mm 该转子的强度满足要求3.刚度校核因为转子的工作长度上的变形会影响其间隙大小等，因而影响到密炼机的工作性能，刚度小，转子的变形大，因为转子与密炼机内壁的间隙只有2mm,转子间的间隙也只有4mm，因此要求转子有足够的刚度，否则稍有变形就会影响到炼胶的质量和时间等。如果转子变形大到一定程度可能会引起转子间、转子棱顶与密炼室内壁相碰的现象，导致设备的损坏与事故的发生。因此，转子的刚度必须要校核。 本转子刚度的校核采用了一种简便的方法，在具体的工程实践过程中证明了这种方法简便可靠。如图所示：图3-7 转子受力变形示意图Fig.3-7 the chart of roters force 根据公式：fc=PL/48EI （3-14）式中 fc转子的最大挠度,mm； P胶料对转子的作用力，N； E 材料的弹性模量，GP；I转子的转动惯量,mm；L转子的工作长度。fc=7.6510mm其中 经查表： E=230GGP，I=261273.6mm转子变形很小，对胶料的影响极小，可忽略。转子间与密炼室内壁有足够的间隙，能满足刚度要求，剪切速度也不受影响，不至于导致非正常工作。因此刚度满足要求。4 密炼室的设计4.1密炼室的结构设计密炼机可以加工不同的胶料，所以密炼室的结构设计也会不同密炼室结构。密炼机在炼胶时密炼室会产生大量的热，所以需要冷却降温，保证炼胶质量。在炼胶时密炼室壁受到强烈的挤压和摩擦。各个部分受力情况也不同，密炼室壁受到物料的磨损情况也不同。当密炼室磨损后转子和密炼室之间的空隙正大，这样使炼胶效率下降。所以密炼室要有一定的强度和耐磨性，要求密炼室材料不低于A3钢。密炼室内壁上面堆焊合金增强其耐磨性。本机台的总容量为1.0L，其主要功能为实验用，根据密炼室内壁堆焊耐磨合金要求应堆焊35mm，端面堆焊厚度为35mm,这里我们依据经验值内表面和端面堆焊了厚度为3mm，硬度HRC40的耐磨合金。密炼室设计时需要考虑其结构和强度。主要有对开式、剖分式、旋转打开式、翻转式等几种类别1.对开式 对开式（也称前后组合式）密炼机的结构主要有前后正面壁和左右壁四件组成，并用螺钉和销钉联结固定，结构简单且制造容易，但拆装不方便。密炼室正面壁承受载荷又和物料接触产生大量的热，如果壁太厚密炼机内部的温度不容易散发出来，这样对胶料非常不利。但是壁太薄强度要求达不到，所以为了使其具有一定的强度，在壳体外部有加强筋，还可以增大冷却面积。2.剖分式结构主要由上下两部分组成，分为上下两个夹套固定在上下机体内，分开面在转子轴线上，制造、安装和检修比较方便。 近几年其他结构的密炼机也不断出现，比如翻转式密炼机，这种结构的密炼机由上机体、前下机体、后下机体三部分构成，其特点是上下混炼室可以翻转打开一定的角度便于拆装转子与维修混炼室，其结构比较简单，操作方便，已逐步推广到中小型橡胶企业。在本次的设计中，密炼室要求体积小、结构紧凑等，结合现有的密炼机，本次设计的X(S)-1全液压式实验密炼机采用整体式结构。如图4-1图4-1整体式密炼机Fig 4-1 Integral-type densely of mixer本次所设计的密炼机的混炼部分大体上由三部分组成，分别为密炼室、底板和轴承座。密炼室为一次铸造件，材料为铸钢。4.2密炼室冷却形式的设计根据加工物料的工艺要求不同，密炼室应加热或冷却。密炼室的温度对胶料影响大。尤其对大功率、高压强胶料和硫磺混炼时，密炼室更需要冷却。为了解决密炼室冷却问题，一般是在设计密炼室时尽量增大冷却面积，提高密炼室壁的导热系数，使通过的流水速度增加，使冷却水道尽量接近胶料。密炼室冷却形式较多，以往密炼室冷却采用内部喷水式或者浸水式等，现在密炼机的冷却形式多采用钻孔式或夹套式。1、夹套式 夹套内部有许多隔板，隔板内通入冷却水，冷却水进入夹套后沿着夹套中间轴线循环流动，再从侧壁流到夹套侧壁的另一边，然后流出。这种冷却方式能对密炼室侧壁冷却，冷却的面积也大。但是，冷却壁太厚，冷却也纯在缺陷。2、钻孔式钻孔式就是在密炼室的轴线方向钻有许多串联的小孔，钻孔后外侧堆焊焊块，冷却水在这些串联的小孔内循环流动。这种方式，钻的孔小，水流速度快。并且使用这种方式使冷却孔和密炼室内壁更接近，冷却效果最理想。钻孔式又可分为大孔串联式、小孔并联式及小孔串联式三种。从实践来看，大孔串联式与小孔并联式冷却效果不佳。大孔串联由于需要铸孔，毛刺和砂子不容易清理，浇注时不均匀，废品率高，造成浪费。铸造的孔太大，水流速度太快。对于小孔冷却并联式，通入冷却水后水会走捷径，有一部分水会停留在里面形成死水，无法循环，而且不容易加工。至于小孔串联方式，先对密炼机进行堆焊，然后在密炼室壳体上进行钻孔。最后两侧焊上弧形板，形成串联通道。冷却水在孔内以34米/秒的速度冷却。进出水温度差为35。此种冷却效果最佳 夹套式 大孔串联式 小孔并联式 小孔串联式图4-2 冷却效果示意图Fig.4-2 he effect of colding通过比较上述密炼室不同种类的冷却形式，结合X(S)-1全液压实验密炼机的特殊要求，密炼室采用小孔串联式的冷却方式。其结构原理如图4-6图4-3 冷却原理图Fig.4-3 Cooling schematic diagram4.3密炼室的材料本次设计中密炼室的材料为ZG45，底板和密炼室焊接，密炼室内壁应耐磨，堆焊一层厚为24mm的耐磨合金。5 密炼机转子密封装置的设计5.1密封装置的设计利用密炼机炼胶时，胶料是在密闭的密炼室中进行的，既然密闭就涉及到密炼室和转子端面密封的问题。根据密封机理可知，影响密封的效能的因素是多方面的,首先是密封面的磨损性能，而磨损与摩擦、润滑又是密切相关的。密封端面的磨损虽然不一定立即造成密封的故障,但密封端面的磨损率关系到密封装置的寿命,它可以使密封逐渐失效,所以密封的效能与密封的磨损性能直接相关。密封端面的磨损性能主要受接触面的形状、表面粗糙度,密封面材质的组成、硬度和弹性模量、相滑、密封面间的压力及其均匀性等因素所影响,此外还与密封装置结构的台理性密切相关。密炼机转子轴端密封装置性能的好坏，直接影响到密炼机的使用性能。密封的形式很多，以往各种形式的转子端面密封装置,其基本结构都是以外压式和内压式机械密封原理为基础的。在设计该机台的密封装置时,充分考虑了其它机台密封特点的基础上，选用了拨叉式液压密封装置其结构非常先进且密封效果好。一、 结构与原理该种类型密封的原理是端面密封，即利用垂直于旋转轴线的两个密封元件动环与静环的两个端面，靠液压油缸传来的压力紧密的贴合而且相互转动。由于动环前端与静环相接触的面和动环一起转动的两个铜环，在压力的作用下，铜环紧靠在静环上和动环一起传动，从而达到密封的目的。图5-1拨叉式密封外形Fig.5-1 formation of cealing拨叉密封和许多其它端面密封装置，机械原理是相同的，结构形式也大同小异，都存在动环加压方式的油缸，但其力的传递是通过杠杆增力后加到静环上的。拨叉密封装置的结构祥见图纸，主要是由弹簧及液压油缸，动、静环及外密封圈组成。拨叉密封的工作原理即油缸通入液压油后将张力通过压板传给动环，使其端面受到均匀的压力作用，而紧密的靠在一起。另外通过调整弹簧处的螺母，调整由于动环磨损而引起的密封压力的减小。二、该装置的特点：1、每个工作面所受的压力是均匀的。压板传递的力的两个着落点均在工作端面中心的外密封圈的直径线上，因此外力加给工作端面的力是均匀分布的。其结构见图纸。2、工作端面磨损均匀，装卸与维修较为方便。为了耐磨损、耐腐蚀。对于动环与静环的工作端面都经过了硬化处理，堆焊硬质合金，且动环硬度比静环高HRC10左右。由于工作端面压力均匀，各处的磨损量也是均匀的。两半密封圈由两半环组成，与内密封圈啮合并用销钉连接，防止发生相对转动，更换清洗较为方便，密封性能好。耐磨套环端部开有喇叭口，便于转子装入。需要调整时，可随时对弹簧的压缩通过调整螺栓调节达到优良的密封效果。3、经济实用该密封装置结构简单，性能与同类产品相比毫不逊色，既经济又实用。三、润滑使用润滑剂的目的在于把两个固体之间的摩擦转换为流体内部的摩擦，以最太限度地降低摩擦系数，减少磨损。所以，能在两密封端面间保持一层润滑油膜是很重要的。若润滑油膜破裂，必然导致固体直接接触，出现干摩擦，从而加速磨损，甚至会发生密封端面烧伤的现象，最终导致密封失效，故这是应避免的。造成润滑油膜破裂的主要原因有密封面的粗糙度、温度、载荷、转速， 润滑油粘度、油膜中存在的气穴的破裂以及寒流润滑等。紊流润滑指油膜的流动从层流转为紊流时， 不仅增大了摩擦， 同时促进发热和气穴的形成， 从而使油膜破裂， 当摩擦面的温度较高时，也会引起油膜的破裂，而这种较高的温度，往往容易出现于摩擦面 的个别地方。所以，必须认识到较高的温度是使润滑油膜不断破裂的原因。这样，保持润滑油以一定的流量和速度注入密封面， 以既保持在密封面内存有一一层油膜，同时使得密封面的温度下降，而又不会导致润滑油膜的破裂足非常重要的。从这个角度出发密封面能进行冷却 也一个非常重要的措施。从密封面的结构设计来看，在密封面上开设一环形沟槽是必要的。因为环形沟槽的存在， 一是利于润滑油膜的形成，增加了润滑效果， 二是起到油封的作用 三是可减少两密封端面的接触面积，从而在一定的外力（如弹簧力）的作用下，增大了接触面上的额单位压力。同心的环形沟槽对润滑油膜的形成和保持，以及油封的作用的效果较好。由于在两密封端面之间不可避免地会有橡胶或配合剂的泄出，造成密封面中存在杂质，改变了密封面的工作状态，是引起密封面加速磨损的一个重要原困。因而除了强制加入软化油迫使进入密封面的杂质软化之外，间断地在密封面上注入清洁的润滑剂冲洗密封面， 这对于保证密封装置的密封效能是不可忽略的又一重要措施。四、密封面的材质及加工对于密封端面要考虑两方面的因素， 低的摩擦系数和高的抗磨损能力 除了采取良好的润滑外， 还涉及到密封端面的硬度、弹性模量，表面层的材质以及粗糙度等因素。假定外表面温度不变， 以及外表面热量的散失可以忽略不计时，则密封面的摩擦系数与两密封面材料的导热系数K 、K。的比例AA= (K1 +K2)和密封面的温升成比例。为防止密封面出现高温和碎裂现象， 当然希望A值要低，要在密封中做到达一点，通常可考虑用一种较软的材料与硬材料组成摩擦付，像聚四氟乙烯铟，石墨钴铬钨合金， 碳碳化钨合金等都是常用的材料。在聚四氟乙烯或碳中常添加金属以增加其导热性。但值得注意的是石墨 石墨摩擦付由于具有低的摩擦系数和高的导热性， 显示出它的潜力。密封表面的粗糙度，既影响摩擦系数的大小，也影响磨损率的高低。过于粗糙的表面会造成高的摩擦系数、严重的磨损并缩短寿命但表面太光滑时，由于缺乏流体的压力或由于表面不能保持润滑的结果， 反而会引起密封的失效。实践表明， 端面密封的配合表面的粗糙度在O5O25pro之间为宜。要达到这一要求， 配合表面应该进行研磨。从转子轴端密封装置在工作状志中有少量料和配合剂从密封端面泄出的情况来看， 密封端面间低的摩擦系数(或减摩性)与高的抗磨损能力(即耐磨性)两者比较起来， 应该说耐磨性比减摩性显得更重要。这就是说在设计密封装置时， 除了对其减摩性要有足够重视之外， 尤其要重视其耐磨性。根据历来研究的结果， 对耐磨性影响最大的是材质的硬度。对钢铁材料而言，往往可以通过各种表面处理方法， 使材料表面形成一层耐磨的表面腰 象渗碳、氮化、渗碳氮化、渗硼、碳化物扩散渗透等在有关摩擦付耐磨性能研究的资料报导中， 已指出钢 青铜摩擦付耐磨性最低， 而BK一15型硬质台金以及喷镀碳化钨镀层， 则有足够高的耐磨性 且碳化钨碳化钨摩擦付的耐磨性比其它材料更高。以上的说明，在较软的基体上复盖一层高耐磨性的硬质台金，对于提高密封面的密封效能是有效的。5.2轴承的选用与校核5.2.1轴承的选用传统的密炼机的转子轴承一般采用滑动轴承，其材质为ZQA19-4铝青铜，近年来则又开始建议使用采用填充MC尼龙，但新结构密炼机上则大多采用滚动轴承。采用滚动轴承可省去转子轴向调整装置和延长使用寿命，还可降低能耗，一般情况下，可比滑动轴承降低510%。本设计机台属于实验用小型密炼机，其主要用于企业或科研院所的实验与研究，因此工作量小，容量小。考虑到密炼机在工作中承受较大的轴向力与径向力，且低速运行，所以选用了滚子轴承。传动端使用了双列圆锥滚子轴承，非传动端则采用了圆锥孔调心滚子轴承，如此设计保证了轴承的使用寿命并最大限度降低了能耗。具体资料祥见装配图5.2.