青科大高分子材料加工机械教案04密闭式炼胶机

第四章密炼机（InternalMixer）第一节本章的教学目的、要求、重点、难点及相关要求§1－1本章的教学目的和要求通过本章的学习，使同学们掌握密炼机的主要用途、分类方法及每种类型密炼机的特点、工作原理、每个部分作用、主要结构及设计过程，特别是转子等主要零部件设计思路和方法，熟悉机台操作方法及相关特点，了解关键部件加工方法，培养在橡胶机械生产过程能独立设计密炼机和在橡胶加工过程中能自己正确使用和指导工人正确使用密炼机的工程技术人员。§1－2本章的重点、难点及要求重点：密炼机的工作原理、主要参数及其影响、转子等关键部件设计思路和方法、同步转子的特点。难点：机台各部件结构及原理、转子等关键部件的设计、参数的选用、机台主要部件的加工安装方法。要求：（1）要求同学们掌握密炼机的用途，分类方法，工作原理，转子等关键零部件加热冷却方式、转子及主要零部件的结构及其区别，上顶拴压力、填充系数、空容量、总容量、工作容量等概念以及它们之间的相互关系。转子及主要部件设计计算方法，受力分析及相关结构，胶料在混炼室中所受到的机械作用。（2）要求同学们熟悉塑炼、混炼各自的优缺点，密炼机基本结构，操作方法，规格表示及主要技术特征，关键零部件的设计过程，设计过程中的参数选择，传动方式及电机的选择。（3）要求同学们了解啮合型密炼机、翻转密炼机等其他各种密炼机的特点，传动功率、产量的计算方法及其区别，密炼机组装过程。（4）要求同学们自学课堂上未讲的书本内容。第二节概述§2－1密炼机的发展方向密炼机全称叫做“密闭式炼胶机”，是在开炼机的基础上发展起来的。1820年发明开炼机以后，使橡胶工业发生了根本的转变，但由于开炼机存在许多缺点，比如劳动强度大，效率低，粉尘大等，严重影响人的身体健康，于是人们开始考虑能否把这一加工设备用一个罩子把它罩起来，就逐步发展成密炼机。因为它在密炼室里面工作，所以称作密闭式。由于开炼机工作是敞开的，故叫做开放式炼胶机。一般介绍均认为密炼机是Banbury在1916年发明的，实际最早是由西德W&P公司的一名商业工程师（英国人）根据该公司的原型机台设计的，由于其发展较快，产量也大应用较广，故人们一直认为Banbury密炼机是最早问世的。自从出现密炼机后，在混炼过程中显示了比开炼机具有的一系列优点，如混炼时间短，生产效率高，操作容易，较好地克服粉尘飞扬，减少配合剂的损失，改善劳动条件，减轻劳动强度等。由于它在很大程度上是凭经验发展起来的，因而在发展早期曾出现过认为塑炼效率低，不能用它来塑炼的说法，但已经为生产实践所否定。因此，密炼机的出现是炼胶机械的一项重要成果，至今仍然成为塑炼和混炼中的典型设备，并处于不断发展完善中。据国外资料统计，在橡胶工业中有88％的胶料是由密炼机制造的，塑料、树脂行业亦广泛应用密炼机。现代密炼机发展的标志之一是高速、高压和高效能机台。通常将转子转速为20rpm的称为低速密炼机，30～40rpm的称为中速密炼机，60rpm以上的称为高速密炼机。近年来，出现了转速达80rpm甚至更高的密炼机，亦有对工艺和效能有广泛适应性和处理手段的双速、三速、变速密炼机，也有转子速比可调节的密炼机。其操作时间大大缩短，从过去慢速机台的8～15min缩短至1.5～3.5min，甚至有的达1～1.5min（包括采用密炼法与补充混炼法配合的工艺过程等）。密炼机的结构也在不断发展。密炼机工作过程及整个机组的机械化、自动化水平也在不断提高，采用了程序控制，现在大型引进机台均采用计算机控制。总之，此种发展是在大大强化混炼过程，提高机台效能，减轻体力劳动和改善工作环境等。在这种剧烈的混炼过程中，当然会带来许多新问题，因此，对机械研究设计来说，从机台的捏炼系统、冷却系统、密封系统、加料及压料系统、卸料系统、传动系统、控制系统、主要零部件、材料到各种参数的技术决定以及理论，都需要相应的发展，以使机台性能优良，为生产过程提供可能的适应性和调节性。我国密炼机发展状况是：解放前是空白，解放后国产密炼机逐步发展起来了。我国第一个制造密炼机的厂家是大连橡塑机厂，首先仿苏生产了PC－2140/20L密炼机，现在改为250L、75/40L密炼机。然后上海等地逐步也生产这些机台，如250/20/40，75/30/60，75/35/70，以及50L密炼机。近年来又仿照F系列密炼机生产F080，F160，F270，均已出口。另外又给日本生产翻转式50L、70L密炼机。益阳橡机厂又从西德引进GK系列技术生产GK系列密炼机。F系列、GK系列是当前世界两大先进系列密炼机。国内橡胶大厂均有引进。我院一直在研究密炼机，销钉转子、销钉混炼室密炼机等。密炼机发展方向：“二大”、“二高”、“一低”，即大规格（大容量）、大功率，高速、高压，单位能耗低，主要问题：端面密封。§2－2密炼机的用途及分类用途主要用于橡胶的塑炼和混炼，同时也用于塑料、沥青料、油毡料、合成树脂料的混炼。它是橡胶工厂主要炼胶设备之一。七十年代以来，国外在炼胶工艺和设备方面虽然发展较快，例如用螺杆挤出机代替密炼机和开炼机进行塑炼和混炼，但还是代替不了密炼机。新的现代工厂中的炼胶设备仍以密炼机为主，混炼方法也仍采用两段混炼法。分类密炼机分类方法较多，主要有以下几种方法：1．按转子端面形状不同（RotorSectionForm）本伯里型（Banbury）过去D型，现在F型（二棱、四棱）椭圆型转子密炼机过去叫做GK－UK型GKN非啮合切线型GK型GKE啮合型圆筒型（二棱、四棱）圆筒型转子密炼机肖氏（Francisshaw）、K型三角型转子密炼机相切型，切线型2．按转子啮合与否（Intermeshing）啮合型，联锁型3．按转子转速不同（RotorSpeed）慢速以XM－250为例≤20rpm中速以XM－250为例30～50rpm高速以XM－250为例≥60rpm转速与其它机械相比，纯属低速范围，但对炼胶作业来讲却是高速了，因炼胶要消耗大量能量，产生大量热量，这两点都限制转速范围。单速4．按转子转速变化与否双速转子具有两个速度变速普通型四棱、两棱5．按转子外表面结构来分销钉型转子特殊型螺旋型普通型6．按混炼室结构来分特殊型销钉密炼室翻转密炼室大容量（规格）密炼机370L7．以密炼机的容量来分中容量80－270L试验用密炼机在10L以下小容量10－50L异步转子8．按转子速比同步转子§2－3生产厂家国外目前世界各国生产密炼机的厂家较多，产量较大，但具有竞争能力的仍是以下三家：美国FarrelBirminghanCo.法勒尔·伯明翰公司D型和F型为其首创；西德Werner&PfleidererCo.（简称W&P公司）维尔纳·普弗莱德瑞尔公司，GK-UK和GKN/GKE系列为其首创；英国FrancisShawCo.弗兰西斯·肖公司，K型属于首创此外还有日本的KobeSteel神户制钢所研制的BB型、D型、F型；意大利伯米尼Pomini公司；西班牙的GuixCo.魁克斯公司的挑担式GK和F结合；苏联布尔什维克厂PC型、椭圆型；意大利依·科未里奥公司ComerioErcoleSPA，MA型密炼机为其独创，1936年生产并取得专利。国内解放前我国不能自己生产密炼机，当时国内橡胶厂也没有使用密炼机的，橡胶作业完全靠开炼机。解放后，五十年代我国从苏联、捷克等社会主义国家进口了一批中型密炼机（11#）,此后我国橡机制造厂逐步走向自主设计制造阶段。目前，国内不少厂家生产各类型密炼机，并有部分出口。大连橡塑机械厂：最早生产国产密炼机的厂家，引进苏联图纸。目前国内橡胶厂大部分都是采用的该厂产品，1986年已仿制出F270L密炼机。益阳橡机厂：是60年代我国新建的大型橡机厂，也生产了不少密炼机。最近从西德引进GK型密炼机制造技术，1987年已生产出GK270密炼机。上海橡机厂（原茶陵机器厂）：是生产中型密炼机的工厂，其产品质量好。上海橡机二厂：生产中小型密炼机西亚机器厂：中小其特点是用行星减速机天津机厂：中小天津电工机械厂：中小桂林机厂：中小此外还有不少塑料机械厂、轻工机械厂生产密炼机。§2－4规格与技术特征1规格：过去采用混炼室的工作容量和主动转子转速表示。现在采用混炼室的总容量/主动转子的转速表示。国产密炼机的规格表示法：XM-250/20XM-75/35╳70美Banbury密炼机，过去D型：3D,9D,11D,27D现在F型：F40,F120,F270,F620西德W＆P密炼机，过去：GK-UK,GK-50UK,GK-160UK现在：GK-N,GK-90N,GK-270NGK-E,GK-90E,GK-270E英FranisShaw密炼机：K0K1K2K5K6K7K2AK4K8K101.85.318.813218935145.584475915苏联布尔什维克250-20，250-30，250-402技术特征见书P15表1-10混炼室总容量分容量，工作容量的区别电机功率随转子转速不同而异转速提高一倍电机功率增加1~4倍转速小规格转速高，大规格转速低，以便胶料能经受同样的剪切速率与剪切应力冷却消耗量很大§2－5基本结构一整体结构组成：密炼机的结构，一般是由六个部分五个系统组成的，六个部分指的是：混炼部分mixingsection（包括转子rotor、混炼室mixingchamber、密封装置duststop、转子轴向调正装置、轴承bear）加料部分Feedmodulesection压料部分Pressureramsection不加压胶吃不进卸料部分Dischargesection传动装置部分Drivesection耗电1.7e-30KW相当100W灯泡300个传动比大电机上千转，转子几十转，转子20rpmI=75五个系统：1〉加热冷却系统Heating＆coolingsystem2〉气压系统Compressedairsestem3〉液压系统Hydrauliesystem4〉电控系统Elestriccontroller(system)5〉润滑系统Lubrication二每个部分组成及作用混炼部分混炼部分主要有转子、混炼室、密封装置等组成，从图上可以看出，主要有上、下机壳6、4，上、下混炼室7、5，转子8，密封装置（图上看不见）等组成，下机壳4用细栓固定在机座1上，上机壳6与下机壳4用细栓紧固在一起。上、下机壳内分别固定有上下混炼室7和5，上、下混炼是带有夹套（新型密炼机采用钻孔冷雀，不必带有夹套）可通入冷却水（当用于炼胶时现在新型的密炼机通入恒温水）或通入蒸汽（当用于炼塑料时）进行冷却或加热，转子两端用双列圆锥滚子轴承安装在上、下机壳中，两转子通过安装在其颈部的速比齿轮的带动，在环形的混炼室内做不同转速的相对回转，上、下密炼室内表面及转子工作部分的突棱及全部椭圆行外表面均堆焊硬质合金，提高硬度，以增加使用寿命。为了防止炼胶时粉料及胶料向外溢出，转子两端设有反螺纹与端面接触式自动密封装置（或其它各种形式密封）。密封装置的摩擦面用油泵强制注入干油进行润滑（国内这一点较差）。干油泵由前转子带动，调节油泵摇杆的长度和油泵活塞的细钉，可调节油泵的供油量。这一部分是密炼机的核心部分，其主要作用是对胶料进行混合、剪切、捏炼。（2）加料部分它主要右加料室和斗形的加料口以及翻板门（加料门）11组成，加料门（翻板门）的开关由风缸带动，安装在混炼是的上机壳6上面，在加料口上方安有吸尘罩，使用单位可在吸尘罩上安置管道和抽风机，以便达到良好的吸尘效果。加料斗的后壁设有方形孔，根据操作需要可将方形孔盖板拿掉，安装辅助加料管道，一般安装炭黑管道，自动加入炭黑，在侧面右一小圆孔，以便安装自动注油管道。这部分作用主要是用于加料和瞬间存料。（3）压料部分：它主要由上顶栓9和推动上顶栓做上、下往复运动的气缸14组成，各种物料从加料口加入后，关闭翻板门（加料门）由气缸14操纵上顶栓将物料压入混炼室中，并在炼胶过程中给物料一定的压力来加速炼胶过程。它的主要作用：给胶料一定的压力，加速炼胶过程，提高炼胶效果。如果不加压，胶料就吃不进去，等于开炼机一样，效率较低，加压后，使胶料能较顺利进入转子之间进行混炼。上顶栓与物料接触的表面，堆焊耐磨合金，增加耐磨性，上顶栓内腔通冷却水冷却，新型现在没有。（4）卸料装置部分：主要由安装在混炼室下面的下顶栓3和下顶栓锁紧机构2所组成，下顶栓固定在旋转轴上，而旋转轴由安装在下机壳侧壁上的旋转油缸17带动，使下顶栓以摆动形式开闭。下顶栓锁紧机构2主要由一旋转轴和锁紧栓所组成。锁紧栓之摆动由往复式油缸16新驱动。在下顶栓上装有热电偶，用于测量胶料在炼胶过程中的温度。所以它的主要作用，就是在炼胶完毕后排除胶料，也就是卸料。下顶栓内可通冷却水冷却，下顶栓与物料接触的‘’形表面可堆焊耐磨合金，增加其耐磨性。（5）传动装置部分；主要有电机22，弹性连轴节21，减速机20和齿形连轴节19等组成。安装在传动底座上，其作用传递动力，使转子克服工作阻力而转动，从而完成炼胶作业。（6）底座主要有机座而组成。有的分为主机底座和传动底座。其作用使供密炼机使用，在其上安装主机和传动系统的部件。（7）加热冷却系统作用：根据工艺要求，控制炼胶过程中胶料的温度主要由管道和分配器等组成，以便将冷却水或蒸汽通人混炼室、转子和上、下顶柱等的空腔内循环流动，以控制胶料的温度。从国外引进的密炼机加热冷却系统配有温控装置，采用恒温水加热冷却。采用恒温水主要优点表现在（1）消灭水露，减轻胶料打滑。因为在炼胶作业中要有放出大量的热，同时要保证一定的温度。当室温一高，混炼室中形成蒸汽，当室用冷却水冷却，就会形成水露，附在混炼室内壁上和转子表面上。这样就会降低胶料与金属表面摩擦系数，形成打滑，降低了炼胶效果。（2）保持恒定的橡胶的摩擦系数提高产品质量。橡胶的摩擦系数是随着金属温度变化的，温度越低，摩擦系数越小。在混炼作业中，突然加入冷却水，使橡胶接触的金属温度太低，就会在冷却的表面打滑。要实现良好的混炼和获得分散度较均匀的质量，必须使剪切应变能施加到混合物上，而只有胶料被夹着，不打滑才能实现，所以片面采用冷却水或冷却水温度较低对密炼室却是不利的。（3）采用恒温水，可以大大降低设备上的热应力，延长机体寿命。采用恒温水循环冷却后，可以发现（1）消灭“露水”，可缩短混炼周期50％（2）峰值功率降低，能耗节省10—20％（3）减少冷却水消耗可达80％（4）大大降低设备的热应力，延长机体寿命（5）改善混炼胶的分散度（6）增大填充系数（7）消除许多操作误差（8）保持每批胶料之间的均匀性（9）为配方人员提供控制参数的新方法国外引进密炼机全部采用温水循环冷却，常温控系统。国内正在研究，当前只有我院我们实验室研究，我们实验室已制造出十几，在全国各大橡胶厂使用，效果很好。同学们回厂后，如想要，可与我们取得联系。（8）液压系统主要由一个双联叶片油泵15，旋转油缸17，往复油缸16，管道和油箱等组成。它是卸料机构动力供给部分。用于控制下顶栓及下顶栓锁紧机构的开闭。（9）气压系统（图上未注）主要有气缸14，活塞13，加料门的气缸，气阀，管道和压缩空气等组成。它是加料，压料机构的动力供给部分。用于控制上顶栓的升降，加压及翻板门的开闭。（10）电控系统主要由控制箱，操作机台和各种电气仪表组成，它是整个机台的操作中心。（11）润滑系统主要由油泵，分油器和管道组成，目的是为了使各个转动部分（如旋转轴、轴承、密封装置的密封环摩擦面等）减少摩擦。增加使用寿命，向这些摩擦面注入润滑油。作用：向每个转动部位，注入润滑油，以致减少运动部件之间的摩擦，延长其使用寿命。第二节工作参数与原理2－1工作原理在混炼室内，生胶的塑炼和混炼胶的混炼过程，比开炼机的塑炼和混炼要复杂的多，物料加入混炼室后，就在由两个具有螺旋棱的，有速比的，相对回转的转子与混炼室壁、上、下顶栓组成的混炼系统内受到不断的变化的反复进行的强烈剪切和挤压作用，使胶料产生剪切变形，进行了强烈的捏炼。由于转子有螺旋棱，在混炼时胶料反复地进行轴向往复运动，起到了搅拌作用，致使混炼更为强烈。胶料在混炼过程中，其经受流动和变形的混炼作用是很复杂的，下面将进行讨论。密炼机转子的形状不同，其作用情况是不同的，下面我们主要椭圆型转子密炼机的工作原理。我们先对混炼过程进行分析：工作原理混炼原理是把生胶看作分散介质（液相），配合剂看作分散相来讨论的。混炼－就是使配合剂分散在橡胶中。如何把配合剂分散在生胶中，主要看生胶的湿润能力及表面张力也要看配合剂是否易被打湿。从工业上－可增加表面活性剂入硬脂酸等，以帮助湿润配合剂。从机械上－必须以一定的作用力，以便将配合剂混入生胶中，并破坏其聚集体。[1]混炼过程：包括一下一些基本步骤：1细分:break将较大的配合剂团块或聚集体再进一步粉碎,分细.2混入(捏炼)intermix,blend,incorporation将粉状或液态物料混入橡胶中形成粘结块(需要较长时间),要使配合剂混入，首先必须使块状橡胶变形，以形成与填充剂接触的新界面.此界面形成的方式，从理论上分析有两种。a在低速下拉伸橡胶时,它可像液体一样的流动。被充分拉伸后，填充剂就会粘着在新生的界面上。然后，橡胶收缩将粘着的填充剂包围起来，并形成一个整体，就像把橡胶的棱边拉伸、包卷，再拉伸等，最后在挤压下形成一个整体。其模型，如下图b在高速下，使橡胶变形时,它呈现固体性质,即发生脆性破坏而成粒状.这些新生成的胶粒表面上就布满了填充剂接着就在压力下,结合成一整体,成为块胶料.其模型如下:由于天然胶强度大,尤其在采用式慢速密炼机时,其混入方式显然属于a)型.而丁苯胶,顺丁胶,乙丙胶等所谓干酪状(与天然胶相比),在密联机转子转速达到某种程度以上时,即不能发挥其弹性,就可能出现b)的形式.(有人做过实验,充油丁苯与顺丁胶并用进行混炼,化1.3kg胶,在混炼初期竟被分剖成1800表面布满碳黑的颗粒.但再进一步混连结合为30块胶料,再进一步混炼,则成为一个整体了.由此可见,b的方式简单又有效.故近代的高速密联机是较理想的混入设备.3分散(微观分散,分散混炼)DispersiveMixing在混入阶段,虽然填充剂混入橡胶中,并形成了一个整体,但填充剂的粒子仍为较大的团聚体(二次汇聚体).要使这些由范德华力(附聚力)而结合的二次汇聚体破坏,则需施加一定外力.由于混炼胶的粘度和转子转速的影响,在填充剂粒子中产生了牵引力(即剪切力),一旦这个力超过了填充剂二次汇聚体的汇聚力后,填充剂就逐渐分散开来,生成的各个粒子(碳黑一次汇聚体)就沿着橡胶滚动的方向而移动.因此在分散阶段,需要一定的剪应力,以便破坏聚集体,若剪应力小于附聚力,则分散难于进行.对于非牛顿流体最大剪切应力:τmax=η1η1–胶料粘度最大剪切速率:max=t=m–流变常数t-转子棱处剪切速率D-n-转速h-间隙则τmax=η1(πDn/h)m由式可见,增大转子直径,转速,减小间隙,均可提高剪切应力,从而提高分散的速度。4简单结合(单纯混合,宏观分散分布混炼)将粒子从一点移到另一点,并不改变其物理形状和大小,主要是使物种进一步分散均匀.均匀化需要使胶料如在开炼机上那样往复捣动(用人工或翻胶装置),在密炼机中则主要考转子螺旋突棱的作用使其在混炼室中往返运动.当剪切应力一旦超过破碎填充剂二次聚集体的吸附力之后,填充剂的分散就与剪切应力无关,而决定于施加给混炼胶数总剪切应变量，总剪切变形=max·t=tt-混炼时间由式可知,剪切速率与混炼时间对剪切应变量影响很大,若要在相同的混炼时间内达到一定的,则需增加D,n减小h。实际上，在密炼过程中，在密炼机的混炼室内，以上几个基本过程是同时进行的。胶料在混炼室中的混炼过程如下：生胶和配合剂由加料斗加入，首先落入两个相对回转的转子口部，在上顶栓的压力及摩擦力的作用下，被带入两转子之间的间隙处，受到一定的捏炼作用，然后由下顶栓的尖棱将胶料分开，进入转子与混炼室壁的间隙中，在此处经受强烈的剪切捏炼作用后，被破碎的两股胶料又相会于两个转子口部，然后再进入两转子间隙处，如此循环往复。（见图1-54）2、胶料在混炼室中所受的机械作用：（1）转子外表面与混炼室内壁间的捏炼作用转子表面与混炼室内壁间形成了一个环形间隙，当胶料通过此环形间隙时，则受到捏炼作用。由于转子表面制有螺旋尖棱，它与混炼室形成的间隙是变化的（如XM-50密炼机间隙为4-80mm,XM-250密炼机间隙为2.5-120mm），最小间隙在转子棱锋与混炼室内壁之间。当胶料通过此最小间隙时，受到强烈的挤压、剪切、拉伸作用，这种作用与开炼机两辊距的作用相似，但比开炼机的效果要大的多。这是由于转动的转子与固定不动的室壁之间胶料的速度梯度比开炼机大的多，而且，转子尖棱与混炼室壁所形成的透射角尖锐。胶料在转子尖棱尖端与混炼室内壁之间边捏炼，边通过，同时，还受到转子其余表面的类似滚压作用。（2）两转子之间的混合搅拌、挤压作用两转子的椭圆形表面各点与转子轴心线的距离不等，因而具有不同的圆周速度。因此两转子间的间隙和速比不是一个恒定值，而是处处不同，时时变化的。速度梯度最大值和最小值相差达几十倍。可使胶料受到强烈的剪切、挤压、搅拌作用。又由于两转子转速不同，其相对位置也是时刻变化的，使胶料在两转子间的容量也经常变化，产生强烈的混合、搅拌作用。（3）上下顶栓分流、剪切和交换作用此外，由于下顶栓棱部的分流作用，及两转子的转速不同，可使胶料在左右混炼室中进行折卷捣换。其中一侧转子前面的部分胶料（高压区）被挤压到对面混炼室转子后面（低压区），并随之带入料斗中。彼此往复捣换，如两台相邻开炼机连续倒替混炼时相似。为了有效交换，一个转子必须把胶料直接拨到相对应的转子棱锋后部间隙中。否则，因压力平衡性阻止交换。这就要求两转子转到适当位置进行交换，这取决于速比。转子在回转运动中，胶料在螺旋突棱处对转子产生正压力为P′。根据作用力于反作用力，转子在突棱处对产生垂直作用力为P，将P分解成圆周力（径向作用力）Pr和切向力Pt，其中Pr边作用是使胶料绕转子轴线转动，Pt作用是使胶料产生轴向移动。Pt=P*tgα胶料在转子突棱产生轴向移动。肯定会有摩擦力阻止胶料作轴向移动。摩擦力T=Pµ=Ptgφ。∵只有Pt＞T，胶料才能作轴向移动。即α﹥φφ=37°-38°α﹥38°45°故胶料在转子短棱处产生轴向的移动。对胶料往复通切割；在长棱处由于α=30°＜φ胶料不会产生轴向移动，仅产生圆周运动，起着运料作用及滚压揉搓作用。（4）转子轴向往返切割作用。密炼机每个转子都具有两个方向相反、长度不等的螺旋突棱。长螺旋突棱的螺旋角α=30°短螺旋突棱的螺旋角α=45°胶料在转子回转的作用力下，不仅转子作用周运动，而且由于转子螺旋突棱的螺旋作用，对胶料产生轴向力，使胶料沿转子轴向移动。现将两部分作用情况分析如下：由于转子的移动，转子螺旋突棱对胶料产生一个垂直作用力P。分为两个力，如图所示。P-转子对胶料产生垂直作用力Pr-P力圆周分力，使胶料绕转子轴线转动。Pr=P/cosα,cosα=P/Prα=45°Pt-P切向分力，使胶料沿转子轴线移动。Pt=Ptgαtgα=Pt/P由于以P力作用于胶料，胶料同时以P这样的反作用力于。实际上P力可以看作是胶料对转子表面的正压力，所以企图阻止胶料作轴向移动的摩擦力T为T-阻止胶料轴向移动的摩擦力T=Pf=Ptgφ只有当Pt＞T时，胶料才能轴向移动即Ptgα＞Ptgφtgα＞tgφα＞φ从试验得知，胶料与金属表面的摩擦角φ=37°-38°。这样即可得出胶料在转子上的运动情况为：在转子长螺旋段。∵α=30°,∴α＜φ即Pt＜T。因此对胶料不会产生轴向移动，仅产生圆周运动。起着送料作用及滚压揉搓作用。在转子短螺旋段。∵α=45°，∴α＞φ即Pt＞T。因此胶料使产生轴向移动，对胶料往复切割。由于一对转子的螺旋长段和短段是相对安装的，从而促使胶料从转子一端移动另一端；而另一端转子又使胶料作相反方向移动。因此，使胶料来回混杂，进行强烈的混炼。四突棱转子和二突棱转子的工作原理对比简介如下：四个突棱转子，即有两个长突棱和两个短突棱。增加两个小短突棱能增加搅拌作用图1-56所示，是转子尺寸图。图中A、C表示长突棱，B、D表示短突棱。二个突棱的两个转子旋转时，胶料沿1、2、3三个方向流动。第一股分流胶料受到突棱A与混炼壁间的剪切捏炼，2、3股分流胶料直接流向突棱C.其中一部分被突棱C所捏炼。可见二突棱转子每一转对胶料的剪切仅一次。但是增加两个小突棱B、D以后，捏炼的情况就不同了。第一股分流经突棱A第一次捏炼后，有相当一部分被突棱B所折回与2、3股与原混合后又经突棱C作第二次捏炼。而且胶料左右来回捏炼的作用也加强了。因此在长段突棱的作用下，对胶料的混炼效果更为显著、缩短混炼的时间。第三节主要参数的确定一、转子的转速与速比（一）转子的转速转子的转速是密炼机主要性能指标之一，它直接影响密炼机的生产能力、功率小消耗、炼胶质量等。从流变分析中知，转子棱顶与密炼室内壁间隙处的剪切速率可概略地从下是求得：=（4-4）式中-----剪切速率，1/秒;u-------转子外圆回转线速度，米/秒；h------转子棱顶与密炼室内壁间隙，米。V=式中D----转子外圆直径，米；n-----转子转速，转/秒。对于某一台密炼机来说，h是个常数，剪切速率的大小，仅有转子的转速而定。即是说，转子转速越高，剪切速率越大，叫料变形越快，捏炼效果越好，且可缩短混炼时间。然而转子转速的提高在一定条件下是有限的，因为，一般来说，随着转子转速的提高，胶料温度也升高，从而胶料粘度下降，使剪切应力减小，结果可能导致降低分散效果。反之，速度过低，因剪切速率小，减少了剪切应力，也会降低捏炼效果。在第一段混炼时，一般排胶温度控制在150~170oC以下，否则除了会引起分散不良外，还易事胶料发生化学变质，如出现热裂解、凝胶，等。最终混炼为防止焦烧，一般排胶温度控制在100~120oC以下。据此，为了获得最有效的混炼，也按不同的胶料选择最适宜的转子转速。目前多速和调速密炼机的应用均被重视。也就是说，在一个捏炼过程中，开始时，转子以较高的转速使胶料迅速升温，降低粘度，以便使胶料迅速变形，尔后，则降低温度，来降低胶料温升，提高粘度，给胶了解快的压碎分散，产生高剪切应力。图4-7所示，为转子转速与混炼时间关系。(二)转子速比两个转子的名义速比则由速比齿轮决定，这个名义速比一般为1：1.07-1:1.12。对圆筒形转子速比为1。因此这个名义速比值表面上与开炼机的速比差不多，但是，又与转子具有突棱，转子表面上每一点具有不同的速度，而两个转子因有速比齿轮而有不同的转速，因此，转子之间间隙处的实际速比也是变化的，物料各部分搅拌速度也在变化，导致紊流加剧，提高捏炼效果。1、转子棱顶与密炼室内壁间隙从流变分析中已讲到，对胶料起分散作用的主要在转子棱顶与密炼室内壁间隙h形成的高剪切区内，间隙大小，直接影响胶料的剪切速率及剪切应力。生产实践证明：密炼机使用年久后，由于磨损，致使h增大，一般要延长混炼时间，或增加装料量，才能得到弥补，以维持炼胶质量。h大小的确定，目前一般用类比分析的方法求得，表4-2时国外若干密炼机的h值。2、生产能力与填充参数密炼机生产能力是由密炼机的工作容量决定的，而工作容量又由密炼室有效容量算出。计算密炼机生产能力，可用下式：(4-5)式中G----生产能力，公斤/小时；V1----密炼机工作容量，升；----胶料的比重，公斤/升；t----一次炼胶时间，分。作为车间生产能力计算时公式（4-5）应乘一个值----机器时间利用系数，因为密炼机属间歇式生产的机械，它主要与生产组织有关，通常=0.8~0.9。工作容量V1由下式计算：V1=Vβ(4-6)式中，V----密炼室有效容量（密炼室总容量减去转子所占体积），升；β----胶料的填充系数。由此可知，填充系数直接影响密炼机的工作容量大小，即影响生产能力的大小。但填充系数过大或过小均会影响炼胶质量，也影响生产能力。影响填充系数值大小的因素很多，如上顶栓压力、转子转速、机器结构、胶料性质、加料方法等等。例如在一定范围内加大上顶栓的压力，增加转子转速，改变转子的结构等以求增大β值。故β值的大小十分重要。β值大小的合理选定，目前尚未有一个确切的计算方法，一般通过类比分析和实验的方法确定。长期以来在普通典型密炼机中一直认为β值在0.54左右为合理，但是现代发展情况是β值却已在0.5~0.75以上。3、上顶栓对胶料的单位压力胶料混炼的关键在于分散，分散好坏的决定因素是剪切应力。增加上顶栓对胶料的压力作用，可以提高胶料中的流体静压力，而不直接影响剪切应力，但是，由于减少了密炼室内胶料的空隙，增加了胶料之间的接触面，并减少了胶料与密炼室内壁及胶料与转子表面的滑动。所以，增加上顶栓压力，能间接的导致较高的剪切应力，加速分散过程，从而缩短混炼时间。如表4-4和图4-8，图4-9所示。当上顶栓压力低时，胶料经常发生滑动，导致剪切应力和剪切速度的下降，从而减少胶料的分散作用，延长混炼时间。上顶栓对胶料单位压力的范围，一般在1~5公斤/厘米2。一般加工硬料的上顶栓压力比加工软料的顶栓压力要高。提高上顶栓压力的措施一般采用加大上顶栓气缸直径，现在也有采用油压的，但要注意渗漏问题。表4-5时列举不同型号密炼机的上顶栓气缸（油缸）的尺寸以作参考。4、功率（1）功率消耗的确定电动机功率主要消耗在：胶料捏炼工程中的剪切、搅拌混合和机器各转动部的摩擦，前者是主要的。功率与使用密炼机的认识有关，实际上密炼机功率消耗与很多因素有关，如胶料的性质、配方、混炼温度、加料方法和顺序、上顶栓压力、转子的转速、转子的结构等等。假定胶料是在粘度不变、等温下捏炼过程，转子单位长度上的功率消耗表示为：N=4•η•u2B/h(4-7)式中N----转子单位上的功率消耗；η----胶料的粘度；u----转子棱顶的回转线速度；B----转子棱顶宽度；h----转子棱顶与密炼室内壁间隙。但是，橡胶属非牛顿型流体，对一台特定的密炼机来说，其功率消耗表示为：N=Cuk+1（4-8）式中k----胶料特性系数，k＜1;u----转子棱顶回转线速度；C----系数。（2）密炼机功率消耗的因素分析1）功率与密炼机工作容量的关系从图4-12知，密炼机工作容量越大，其功率消耗越多。2）功率与转子棱顶和密炼室内壁间隙的关系从图4-13和（4-7）式知，功率消耗与转子棱顶和密炼室内壁间隙（h）成正比。3）功率与转子棱顶宽的关系从（4-7）式知，转子棱顶越宽，功率消耗越大。4）功率与转子转速的关系从（4-8）式和图4-14看，功率与转子转速近似成正比。5）功率与上顶栓压力的关系上顶栓压力的增加，会导致功率消耗的增加。6）功率与转子结构的关系转子由二个螺旋棱增加至四个螺旋棱时，加剧了胶料在捏炼中的分流和增加了胶料的剪切次数，故增加了功率消耗。第四节传动系统与机台配置传动简介传动系统是密炼机重要组成部分之一。密炼机在工作过程中消耗掉大量的功率，但是转子的转速并不高（20～60转／分），而电机的的转速很高（750～1500转／分），这就要求密炼机的传动系统具有传递大功率和大的传动比等特点。密炼机的两个转子的转速是不同的，且多数密炼机的转子的速比是固定不变的，因此需要安装速比齿轮来满足要求。对双速密炼机多采用双速电动机，变速密炼机则多采用直流电动机来驱动。传动型式密炼机传动型式，按密炼机的转子转速分为单速、双速、及变速传动三种；按电机的相对位置分为左传动和右传动。（一）带大驱动齿轮的传动如图4－51所示，电动机1通过弹性联轴节带动减速器2，然后通过齿轮联轴节带动小驱动齿轮3和大驱动齿轮4使后转子8转动，再由装在后转子上的速比齿轮6使前转子7转动。这种传动系统结构比较零散，安装复杂，机器总长度较长。较少采用。(二)没有大驱动齿轮的单独传动如图4－16所示，这种传动与第一种传动不同之处是没有一对大小驱动齿轮，结构紧凑，零件较少，减速器会增大。（三）减速箱采用双输出轴的传动如图4－17所示，将速比齿轮从两个转子上拿下放在减速器中，减速器的两个输出轴与两个转子连接用万向联轴节或齿轮联轴节，从而起到改善润滑，提高机器的安全性能，降低噪音。减速器进一步增大。常用这种结构形式。电机的选择密炼机的工作环境比较恶劣，工作过程中又有高峰负荷，因此对电动机的要求较高：瞬时过载系数要大于2.48，又耐超负荷特性。起动转矩大。可以正反转。用封闭式电动机。第五节主要零部件设计转子转子式密炼机的主要零部件之一。转子结构的好坏，直接影响工作性能、生产效率和炼胶质量。目前普遍采用的是椭圆形二棱或四棱转子，也有圆筒形转子等，如图所示。经实践证明，四棱转子要明显优于二棱转子。（一）转子的结构设计椭圆形转子工作部分的横截面是椭圆形的。转子突棱有转子工作部分的两端呈螺旋形向中心前进，一左旋，一右旋，互不相干；一长一短，互不相连。转子结构特征的主要特征参数主要由转子工作部分回转直径及长度、突棱的长度、突棱的螺旋角、突棱顶的宽度等。转子各部分尺寸是根据转子工作部分回转直径来确定的。表4－6是转子各部分主要尺寸关系。图4－23是转子工作部分设计图，按下列程序绘制：1、当转子工作部分回转直径D确定后，可根据表4－6算出各部分的主要尺寸。2、在主视图上绘出矩形‘D’，在矩形上量出线段I1和I2，将两线段等分为n0～nn。3、算出在侧视图上长短螺旋棱所对应的中心角2和1。2和1为长短螺旋棱在侧视图上投影所对应的中心角。因螺旋线在一个螺距内向侧视图上投影时，其所对中心角为360o，则在I1的范围内向侧视图上投影时，其中心角为：1=(4-9)2=(4-10)式中I1－短螺旋棱轴向长度；I2－长螺旋棱轴向长度；t1－短螺旋棱的螺距，。t2－长螺旋棱的螺距，。4、将中心角2和1分成与主视角相等的n等分：n=或n=5、在A－A剖视图上以线n0、n1、n2……nn为对称线绘出椭圆形截面‘C’的外形，冷顶宽度表示为：；；；……；如图中以n0为对称线，为棱顶宽度所绘出的椭圆形，直到以n0为对称线，以为棱顶宽度所绘出的椭圆形，其棱顶部分的连线为长螺旋棱在A-A视图上的投影。6、将上述，a0，,a1等点投影到主视图的相应截面上，并注上相同的字注，即；；；……；。将点a0,a1,a2,……及，，……分别连成光滑的曲线，这两条曲线即为长螺旋棱在主视图上的投影。7、用同样的方法绘制B－B剖视图和短螺旋棱曲线。（二）转子材料转子是主要工作零件，工作时要求具有足够的强度和刚度，以及表面耐磨等性能。转子材料多采用铸钢（ZG45）。突棱顶堆焊一层5～8毫米厚的耐磨硬质合金，其余工作表面也许堆焊一层2～3毫米厚的耐磨硬质合金。（三）转子的冷却形式在炼胶过程中，转子与密炼室壁间产生的热量最多，而难于散发，转子冷却的好坏，是影响排胶温度和炼胶质量的关键之一。对于高压快速密炼机更显得重要。转子的冷却形式不同，其冷却效果也不一样。过去密炼机转子，由于外形复杂且不规则，一般其冷却形式采用转子内腔喷水冷却，如图2－24a所示。但因冷顶不能进行冷却，内腔也不能进行加工，内腔表面粗糙，致使传热系数低，所以冷却效果很低。为提高转子的冷却效果，国外有些厂家设计了转子强制冷却结构。这种结构不但转子内表面能进行加工，提高传热系数，且突棱也能进行冷却，如图4－24b、c所示，冷却效果好。（四）转子强度与刚度计算1、受力分析由于转子的受力情况复杂，要做一些简化，对于转子的受力分析，目前也有不同的看法，其中有的认为，转子炼胶时在一侧只受到胶料的均布载荷作用，与开炼机类似只受中部横压力的作用。这种方法简便，基本满足设计、生产的要求。如图4－25所示。2、转子承受的作用力（1）扭矩密炼机由于传动型式不同，受力情况也不同。这里介绍，不带大小驱动齿轮的传动型式，分析转子的受力，如图4－25所示，密炼机前后转子的转速不同，在炼胶时各转子消耗的功率是不等的，但其两个转子的扭矩几乎是相等的。后转子消耗的功率为：N1＝N（4－11）前转子消耗的功率为：N2＝N（4－12）转子的扭矩：Mk1＝Mk2＝97500（4-13）式中N1－后转子消耗的功率，千瓦；N2－前转子消耗的功率，千瓦；N－电动机功率，千瓦；n1－后转子转速，转／分；n2－前转子转速，转／分；－传动效率；Mk1－后转子扭矩，公斤，厘米；Mk2－前转子扭矩，公斤，厘米；（2）胶料的作用力假设胶料对转子的作用力是作用在突棱表面法线方向，且设作用力是沿转子工作部分的长度上均匀分布的。这个力可分解成垂直方向和水平方向两个分力：Py＝（4-14）式中Py－胶料对转子作用力的垂直分力，公斤；Mk1－后转子扭矩，公斤，厘米；R1－转子工作部分平均半径，厘米，见图4－26。R1=(4-15)则胶料对转子作用力P和水平分力为：P=(4-16)Px=Pytg(4-17)式中P－胶料对转子的作用力，公斤；Px－P力的水平分力，公斤；－胶料卷入两转子间隙的压力角。再开炼机上测得值为=2~3o，设计时推荐=10o。密炼机未测过，可设=15~20o。转子所受胶料的均布作用力：（4-18）q＝（4-19）式中q－转子受胶料作用力的垂直均布力，公斤／厘米；q‘－转子受胶料作用力的水平均布力，公斤／厘米；I－转子工作部分长度，厘米。（3）速比齿轮的作用力圆周力：（4-20）径向力：（4-21）式中Pa－速比齿轮的圆周力，公斤；Pr－速比齿轮的径向力，公斤；Mk1－后转子扭矩，公斤厘米；Rf－速比齿轮分度圆半径，厘米；a－齿轮啮合角。3、强度计算用后转子为例进行强度计算（参见图4－27）。根据转子受力情况，先求出支反力，再根据转子各断面尺寸，求出各点的弯矩及合成弯矩。以精确的做图比例画出弯矩图。（4-22）式中M－任意点的合成弯矩，公斤厘米；Mx－任意点水平方向的弯矩，公斤厘米；My－任意点垂直方向的弯矩，公斤厘米；对危险截面以疲劳破坏为出发点，进行强度计算，强度条件为：（4-23）式中－任意点断面所受的合成应力，公斤／厘米2；－任意点断面的弯应力，公斤／厘米2；－任意点截面的剪应力，公斤／厘米2；－材料的许用应力，公斤／厘米2；－材料的屈服极限，公斤／厘米2；n－安全系数，一般取2～3。任意点的弯应力为：（4－24）任意点的剪应力为：（4－25）式中W－任意点断面的抗弯截面模量，厘米3；Wp－任意点的抗剪截面模量，厘米3；由于转子形态状复杂且不规则，对二棱转子的断面现在仍近似地当作椭圆形截面来计算W和Wp。对于四棱转子因它的断面比二棱的更复杂。应把该断面复杂的不规则的形状分解成若干个简单的规则的形体；然后应用材料力学求出Wp＝2W（4-26）4、刚度计算转子的形状复杂且不规则，把其作为变断面梁。刚度计算一般有计算法及图解法。下面介绍图解法：做出弯矩图，用一般材料力学的方法进行计算作图。计算出转子各有关部分的主中心惯性距值。将变断面换算为等截面。一任选某一截面主中心惯性距值为基准与其他各断面主中心惯性距的比，修正各有关部分的弯矩值。（4-27）式中Mn－未修正前的n断面的弯距，n＝0，1，2，3，…，公斤厘米；Mn‘－修正后的n断面的弯距，公斤厘米；J0－基准面的主中心惯性距值，厘米4；Jn－任意n断面的主中心惯性距值，厘米4；计算虚载荷做虚梁的载荷（F1，F2，F3………）的索多边形，如图4－28（f）。虚载荷的多变性的机距H为：（4-28）式中EJ－等截面梁的刚度；n－做图的长度比例；m－力的比例；K－放大倍数，其值以左图方便准确为宜。按索多边形找出转子任意点的纵距，用／K即为转子任意点的变形挠度。二．密炼室（一）密炼室结构密炼室是密炼机的另一个主要工作件。在炼胶过程中受着物料的强烈摩擦、挤压等作用，其受力情况复杂，物料对密炼室壁的磨损也是十分严重的。内壁磨损后，转子棱顶与密炼室内壁间隙加大，直接影响混炼效果和延长混炼时间，严重者磨坏密炼室壁，使机器无法使用。因此对密炼室的材料要求有一定的机械强度，又要有耐磨性。一般密炼室材料要求不低于A3钢。为保证其有耐磨性，可在密炼室内壁堆焊耐磨合金，其堆焊厚度及硬度应符合表4—7规定。表4-7密炼室内壁堆焊耐磨合金的要求密炼机有效容量，升4255075150250380内表面堆焊厚度，毫米≥端面堆焊厚度，毫米≥硬度HRC≥3340334033403340334033403340密炼室的结构比较复杂，设计时需要考虑结构设计和强度计算问题。下面介绍几种密炼室的结构。1、对开式图4—29所示为对开式（也称前后组合式）密炼室。正面壁14、17为铸钢件，两个侧面壁1、6为铸铁件。正面壁既承受载荷又承担散热作用，如壁厚过厚则会引起散热条件差，使密炼室内部热量散发困难，堆降低密炼室内脚镣的温度不利，但为了保证一定强度，在壳体外部有加强筋12，并可使密炼室冷却面积增大。加强筋12底部有孔，可使冷却水沿正面壁14、17的上部流下，以防止水聚集在上部的筋上。正面壁是用螺栓和定位销与侧面壁及左、右托架相连结并固定的。2、剖分式图4—30所示为剖分式密炼室。它由上、下两部分组成，分界面在转子轴线位置上。上、下密炼室3、6为焊接件，带有通冷却水的夹套。为了提高内壁的强度和增长冷却水回流的线路，在夹套中焊有加强筋。上、下密炼室3、6是由上、下两个铸钢机壳2、5固定的。剖分式密炼室，制造、安装和检修比较方便。图4—31所示为GK型组合式密炼室示意图。它由左、右上壁，左、右下壁及正面壁组成。3、旋转打开式图4—32为旋转打开式密炼室。这种结构的正面壁均可以转动打开的，这是为了更换物料品种尤其是更换颜料时便利清理，因此结构比较复杂，一般是用于实验室用的小型密炼机上。4、图4—33为倾斜式密炼室结构。（二）密炼室的冷却方式及其相应的结构根据加工物料的工艺要求不同，密炼室应加热或冷却。冷却效果的好坏，直接影响炼胶的质量。特别是对高压快速大功率密炼机或需在密炼室内加硫混炼，冷却问题更是重要。要解决这一问题的途径从设备上来说，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，增加冷却水流速和使冷却水通过，尽量靠近密炼室内表面，即缩小导热距离。密炼室冷却形式较多，过去是采用水浸式或喷淋式等，近代密炼机密炼室的冷却形式有夹套式、钻孔式等。下面简单介绍两种。1、夹套式密炼室壁为一夹套，中间有许多隔板，夹套分两半部，冷却水由一边进入后，在夹套中沿轴线方向循环流动，再由侧壁至另一边循环后流出。如图4—34所示。这种冷却装置一方面能冷却侧壁，增大了冷却面积，另一方面可增大水流速度，冷却效果较好。因壁较厚，冷却效果还不是最理想的。2、钻孔式钻孔式即在密炼室壁沿轴线方向钻有许多小孔，使冷却水沿孔循环流动。此种方式，因钻孔的截面积较夹套的小，故水流速度较快，如钻孔直径为26毫米时，水流速度可达到3～4米/秒；且孔与密炼室内壁距离更接近；导热系数高，传热块，故冷却效果较前一种好。钻孔式又可分为大孔串连式、小孔并联式及小孔串连式三种。如图4—35，图4－36，图4－37所示。从实践来看，前两种冷却效果不太理想。大孔串连式由于在浇铸时是把孔铸出来的，孔有毛刺和砂未清理干净；浇铸时铸件会有不均匀现象；孔大冷却水流速不快，所以冷却效果不佳。对于小孔并联式，当水在空中流动时会走捷径，冷却水在孔中有呆滞现象，故冷却效果也不好。采用这种型式在加工上也较为困难。至于小孔串连方式，是把堆焊后的密炼室壳进行钻孔。如11D型密炼机，在一台密炼室壳钻孔ф26毫米的孔30个，孔间的距离为40～50毫米，距内壁24毫米。孔在两端面上交叉进行沟通，然后再用弧型板盖盖住，这样构成了一个串连孔道。在混炼时通进流速为3～4米/秒的冷却水。一般情况下进出水温度差为3～50C。此种方式冷却效果最佳。（三）密炼室强度计算由于密炼室的形状和受力比较复杂，其受力情况简化成如图4—38所示。对密炼室的强度可用近似的方法进行计算。在计算时假定密炼室的法向力集中在矩形板中心（a/2和b/2）处；密炼室是由很多个周边固定的矩形平板组成；上顶栓对胶料的压力，可均匀的传到密炼室壁上；转子棱顶挤压剪切胶料时产生的作用力，近似地认为等于转子径向力，且均布在矩形平板上。1、受力分析密炼机工作时，密炼室所受的胶料作用力是不断变化的。在密炼室内壁与转子棱顶间隙处，胶料对密炼室壁的作用力pt,它可以看作是均布在矩形平板上的均布载荷qt；此外，还有在上顶栓作用下，胶料对密炼室壁产生的均布载荷qc。（1）胶料对密炼室的作用力式中pt－胶料对密炼室壁的作用力，公斤；p－转子棱顶的圆周力，公斤，由式（4—14算出）；θ－转子法向力与径向力的夹角。式中R1－转子棱顶回转半径，厘米；R2－转子基圆和棱顶间过渡圆半径，厘米；R3－转子基圆半径，厘米、（2）胶料对相邻两板间均布载荷式中q－胶料对相邻两板间均布载荷，公斤/厘米2；qc－上顶栓传来的胶料压力，近似等于上顶栓对胶料的单位压力，公斤/厘米2；qt－转子棱顶与密炼室内壁间隙处，胶料对密炼室的均布载荷，公斤/厘米2。式中Pt－由（4-29）式求出；b相邻两筋板尺寸，厘米。式中D－密炼室壁内直径，厘米；－相邻两筋板间夹角。2、密炼室壁厚计算按受脉动载荷的周边固定的矩形平板计算。式中c0－矩形平板计算系数，当时，co=0.4518；q－由（4-31）式求得；b－由（4-33）式求得；[σ0]－脉动载荷许用应力，公斤/厘米2。式中σ0－弯曲脉动疲劳极限，公斤/厘米2；σs－材料屈服极限，公斤/厘米2；σb－材料强度极限，公斤/厘米2；n－安全系数，n=3。(二)卸料机构计算不同地卸料机构，其受力情况不一样，计算方法也有不同。首先以下落式二头水平平锁地结构为例进行分析计算。如图4-51所示。1、受力分析与计算在工作时，卸料装置受到密炼室内胶料地压力，转子棱顶与密炼室内壁间地挤压剪切胶料时传来地作用力以及胶料、下顶栓地重量等。则下顶栓受到地总作用力为：P＝Pp＋Pq式中P——下顶栓受到地总作用力，公斤；Pp——胶料对下顶栓的压力，公斤；Pq——转子棱顶处传来的胶料作用力由式（4-29）算出。Pp＝pp·F式中Pp——胶料在密炼室的单位压力（可近似当作上顶栓对胶料的单位压力）公斤/厘米2；F——下顶栓受力面积，厘米2。2、下顶栓传动轴的强度计算二头水平平锁的锁紧方式，在工作状态时，传动轴不受总作用力P的作用，当打开下顶栓时，传动轴承受旋转油缸传来的转动力矩以及下顶栓自重引起的弯曲力矩。图4-52为下顶栓传动轴受力情况。图中G为下顶栓自重。强度条件为：式中——由下顶栓自重引起的弯曲应力，公斤/厘米2；——旋转油缸传来的扭矩引起的剪应力，公斤/厘米2；——材料的许用应力，公斤/厘米2。3、锁紧装置的计算图4-53为二头平锁的受力情况。（1）锁紧栓直径的计算下顶栓锁紧时，锁紧栓承受密炼室胶料等对下顶栓的总作用力。因锁紧栓与下顶栓的接触面是斜面，锁紧栓受其中径向力的作用而产生弯曲。则每一个锁紧栓受的力为：P1=式中P1——一个锁紧栓所受的力，公斤；P——下顶栓所受的总作用力由（4-49）式算出； ——锁紧栓受力面与水平线夹角。锁紧栓所受的力P1可分解成径向力Pr与Pt即：Pr＝P1·cosPt＝P1·sin锁紧栓受Pr后引起的弯矩：M＝Pt·l’式中M——弯矩，公斤－厘米； ——许用弯应力，公斤/厘米2。验算剪应力：式中S——锁紧栓受力点的横断面积，厘米2。（2）锁紧油缸的计算图4-54所示为锁紧油缸受力图。当下顶栓开锁时，锁紧油缸的牵引力（开锁力）为：Pk＝Pf－Pt当下顶栓闭锁时，锁紧油缸的牵引力（闭锁力）为：Pb＝Pf＋Pt上两式中Pf——摩擦力，公斤；Pt——锁紧栓作用力的轴向分力由（4-54）式求得。摩擦力Pf由下式算得：Pf＝Pf1+Pf2式中Pf1——锁紧栓与下顶栓解除时，接触面得摩擦力水平分力，公斤；Pf2——锁紧栓与轴套得摩擦力，公斤。Pf1＝P1·fcosPf2＝2式中P1——一个锁紧栓所受得作用力由（4-52）式求得；f——摩擦系数；Pr——锁紧栓作用力得径向分力由（4-53）式求得；l’——锁紧栓伸出得距离，厘米；l——锁紧栓与轴套接触长度，厘米。根据上述得公式求得锁紧油缸内直径为：式中d——锁紧油缸内直径，厘米；Pmax——锁紧油缸得最大牵引力Pmax＝Pb；P——油的压力，公斤/厘米2。当计算处锁紧油缸的内径后，可从表4-9中查出油缸的外径。校核锁紧油缸的应力：式中d——油缸内直径，厘米；D——油缸外直径，厘米；py——试验压力一般py＝1.3p，公斤/厘米2；p——油缸工作压力，公斤/厘米2;[]许用拉应力，公斤/厘米2。4、旋转油缸的计算（1）旋转油缸转动力矩及传动轴的计算图4-55所示为旋转油缸结构图。图4-56所示为旋转油缸受力图。当下顶栓关闭或打开时，由于下顶栓的重量而产生转动力矩，另一方面由于重量还产生摩擦力矩。油缸的总转动力矩为：Mk＝1.5（Mk1＋Mkf）式中Mk1——下顶栓重量产生的力矩，公斤－厘米；Mkf——摩擦力矩，公斤·厘米。Mk1=Q·lMkf=2RA·r·f式中Q——下顶栓重量，公斤；l——力臂，厘米；RA——之反力，公斤；r——转动轴半径，厘米；f——轴与轴套的摩擦系数。根据扭矩公式计算转动轴轴径：式中d——转动轴直径，厘米；Mk——旋转轴扭矩，由（4-65）式算出；[]——许用剪应力，公斤/厘米2。若在轴上开槽时，轴径应增大10％。（2）旋转油缸主要尺寸的确定根据上面的计算，现假设选定油缸内径为D。则转动块的宽度为b，如图4-57所示。式中Mk——油缸总转动力矩，由（4-65）式算出；P——油的工作压力，公斤/厘米2。r1——油缸内半径，厘米；r2——旋转轴半径，厘米。验算油缸输出力矩是否满足油缸实际需要的转动力矩：M‘k＝p·F·r·>Mk式中F——转动块受力面积，厘米2；r——力臂，厘米；——传动效率，一般取0.8～0.9；M‘k——输出力矩，公斤·厘米。F＝（r1－r2）·b现在讲述一下滑动式卸料机构的计算。滑动门打开的条件是滑动门拉出力必须大于移动阻力（摩擦力）并按下式计算：1．拉出力P1＝pn·S’式中P1——滑动门拉出力，公斤；pn——压缩空气压力，公斤/厘米2。S’——气筒面积与活塞杆面积的差，厘米2。2．移动阻力Pc＝（Pp＋G＋Q）·f＋F1＋F2式中Pc——移动阻力，公斤；Pp——胶料对下顶栓的压力，公斤；G——移动部件自重，公斤；Q——胶料重量（一次加料量）公斤；F1——活塞与气筒摩擦力，公斤（计算公式与4-39同）F2——活塞杆与填料摩擦力，公斤（计算公式与4-37同）f——导轨摩擦系数，（有润滑油，钢对钢f=0.12）.第六节密封装置的设计密炼机的密炼室是密闭的，工作时，两个转子相对回转，转子轴径与密炼室侧壁之间的环形间隙在混炼时是容易露料的，为了防止物料的泄漏，在转子轴径处装设密封装置密封装置的结构形式很多，现将常见的几种介绍如下（1）外压端面密封装置如图4-58所示为外压端面密封装置。外压端面密封装置主要由动环6和压紧环3间的接触面起密封作用。动环6固定在密炼室侧壁2上由弹簧8的作用使压紧环3压向转动环6，使其接触面上产生一定的压力，以防止物料的露出。压紧环与转动环相接触的表面经淬火处理，而转动环的相应表面堆焊一层硬质合金，以增加接触面的耐磨性。另外,在两接触面之间还用油泵供给10~25公斤/厘米2的润滑油,以减少接触面之间的摩擦,当密炼机工作时,固定环和转动环间有微量的黑色粘状物流出;如果没有这种现象出现,表示密封装置已发生故障,应停机检修。该密封装置是用于低压低速的密炼机，但具有结构简单、密封可靠，使用寿命长（保持良好的润滑时，可用2~3年）的特点，但使用时要求有良好的维护。（2）内压端面接触式自动密封装置图4-59所示为内压端面接触式自动密封装置它由挡板1、外密封圈2、固定螺钉3、内密封圈4、内套圈5、弹簧6、调节螺钉7、压板8和压板螺钉9及“O”型密封圈10、软化油接管和润滑油管等组成。转子的轴颈上固定一个钢内套圈5，内套圈外径上套一个剖分的内密封圈4并和内套圈5一起回转。端面挡板1固定在机架上，然后把外密封圈2用八个螺钉固定在断面挡板1上。装上外压板8和调节螺钉7及弹簧6。在内密封圈4和外密封圈2的接触面上，堆焊硬质合金。在内密封圈和端面挡板与胶料接触的表面上镀上硬铬。镀铬厚度为0.15～0.2毫米。内压端面接触式自动密封，主要是依靠密炼室在混炼时的胶料向外挤出时的压力5时使内密封圈始终压紧在外密封圈上，以达到良好的密封效果。在每个密封圈上装有三个软化油口，两个润滑油入口，软化油的作用是使橡胶变成粘流态。润滑油用来润滑内外密封圈接触面，两种油的注入压力可达600公斤/厘米2这种密封装置可由胶料的压力变化而自动调整内密封圈的压紧程度，密封效果较好。适用于高压快速密炼机上的密封装置。（3）反螺纹与断面复合式自动密封装置图4-60所示为反螺纹与断面复合式的动密封装置。它由弹簧7拉着旋转密封套3与固定密封套4相接触形成密封面，套3与环4的接触面堆焊耐磨硬质合金。密封面用油泵供给润滑油。在密封面的前面还安装有带螺纹的轴套2，螺纹方向与转子转向相反。当物料从密炼室向外露出时，反螺纹可把它尽量返回到密炼室里面去。（4）反螺纹迷宫式复合密封装置图4-61所示为反螺纹迷宫式复合密封装置。它由两个迷宫环组成，钢制迷宫环1是对开的，用螺钉固定在密炼室侧壁上。迷宫环1有内螺纹，螺纹方向与转子转向相反，可使露出的物料尽量返回到密炼室里面去，迷宫环4用铸铁制造，也是对开的，用螺钉5固定在转子上。迷宫中需注入润滑油。该装置结构简单，制造维护方便，但转子下沉，使两个迷宫圆环接触，则迷宫很快磨损。当转子轴承成为滑动轴承时，不宜采用此种密封装置。（5）外压迷宫式密封装置图4-62所示为外压迷宫式密封装置。密封原理是：当密炼室内的物料外泄时，需通过相当长的很窄的路径才能到达内外密封圈的接触面，起到“迷宫”的作用。密封圈用六个弹簧压紧密封面，保持密封，压力大小可由弹簧调节。如果物料已从密封面泄出，则在密封面外还有一段迷宫，可是物料更缓慢的轻微流出。为了防止物料在迷宫通道中外流时温升过高，除注入软化油外，并在转子轴径内设有冷却水管，通水冷却。该密封装置可以满足高压快速混炼的需要，但结构复杂，装卸、调节和维护工作量较大，如GK型密炼机采用这种密封装置。（6）双重反螺纹填料式复合密封装置图4-63所示为双重反螺纹填料式复合密封装置。在耐磨护板处，由两扣反螺纹，成单线锯齿形，深3～6毫米，宽度8～12毫米。靠近密炼室的转子轴套上设有反螺纹。最后一道密封是采用橡胶石棉材料的密封填料，用端盖压紧。耐磨护板是耐磨材料制成，表面经热处理。这种密封装置，结构简单，拆开压盖便可更换填料。但填料磨损较厉害，寿命不长，需经常更换，只有当物料受中压时，效果较好。第七节密炼机的冷却系统胶料在密炼室内加工时，受到强烈的机械作用，产生大量。为保证炼胶质量和一定排胶温度，对密炼机的有关部位必须进行冷却。一、冷却系统热平衡1、发热量的计算密炼机炼胶时产生的总热量为：Q＝860N·η式中860－热功当量N－电动机平均消耗功率η－传动效率2、热量的分配炼胶时产生的热量主要分配在胶料、冷却水及周围介质和设备中。Q=Q1+Q2+Q3Q1=qC1(t2-t1)Q2=GC2(t4-t3)式中：Q－炼胶时产生的总热量Q1－胶料升温吸收的热量Q2－冷却水带走热量Q3－散失在周围介质及设备中的热量t1-胶料投入时的温度t2－排胶温度q－密炼机的生产能力t3－冷却水进水温度t4－冷却水出水温度C1－胶料比热C2－水的比热二、对冷却水的要求及耗水量计算（一）对冷却水要求通过密炼机的冷却水，最好是软化水或经过磁化器处理的水，以避免热交换中生成水垢，减少导热系数，降低冷却效果。对冷却水进水温度，有的认为要采用制冷水，还有的认为进水速度可为常温，但要适当提高冷却水压力。实际上，要提高冷却效果，不能单纯地将低冷却水进水温度或提高冷却水的压力，更应重视增大设备的冷却面积和改善设备的传热性能。（二）总耗水量由Q的三个公式联立解的：（三）各冷却部件传热面积及冷却水消耗量的计算密炼机需要进行冷却的部件有密炼室、转子、上、下顶栓四个部件，如图4-69、图4-70所示。1、密炼机传热面积F对于夹套式、水浸式按胶料与密炼室接触面积计算：式中F1----密炼室传热面积，米2D――密炼室内直径，米L――密炼室工作长度，米β――角度（见图4-69）对于钻孔式密炼室传热面积F1计算式中d1-钻孔直径，米L－钻孔长度，米K1－钻孔个数。2、转子传热面积F2式中F2－转子传热面积，米2d－转子工作部分基圆直径，米L－转子工作长度，米3、上顶栓传热面积F3式中F3－上顶栓传热面积，因为上顶栓不是始终与物料接触，故取面积一半；a－上顶栓的宽度，米（如图4-69、图4-70）；L-上顶栓长度，米对钻孔式上顶栓传热面积F3式中d1――钻孔直径，米k3---上顶栓钻孔个数L――上顶栓长度，米4、下顶栓传热面积F4式中F4――下顶栓传热面积，米2γ――角度（如图4-69、图4-70）对钻孔式下顶栓传热面积式中F4――下顶栓传热面积，米2K4――下顶栓钻孔数目5总传热面积分FF=F1+F2+F3+F46、单位传热面积上每小时耗水量式中G――总耗水量，公斤/小时F――总传热面积，米2W－－单位传热面积上耗水量，公斤/米2小时7．各部件传热面积上的耗水量密炼室：转子：上顶栓：下顶栓：

第四章密闭式炼胶机第八节密炼机上下辅机系统(第一部分密炼机上辅机系统)8.1概述密炼机上辅机系统用于实现密炼机炼胶所需的炭黑、胶料、油料等的自动输送、贮存、配料称量、投料等工艺过程，是密炼机炼胶不可缺少的的配套设备。其控制系统包含了对密炼机主机以及上辅机的网络化和智能化管理及控制。8.2系统组成及主要技术参数密炼机上辅机系统的工艺流程如图1-3-6-1所示。密炼机上辅机系统主要由以下几部分组成：炭黑气力输送系统；炭黑称量、投料系统；油料输送、贮存、称量、注油系统；胶料导开、称量、投料系统；计算机智能控制系统。图1-3-6-1密炼机上辅机系统的工艺流程图表1-3-6-1和表1-3-6-2列出了密炼机上辅机系统的主要技术参数。表1-3-6-1炭黑气力输送系统的输送能力输送管道直径(mm)输送能力（t/h）φ1004～6φ1256～8φ1508