橡胶连续塑炼设备的设计研究

论文摘要

生胶塑炼是橡胶质品其它生产过程的基础。传统的间歇塑炼存在质量不均匀的问题。开炼机塑炼法自动化程度低、生产效率低;密炼机设备造价高,占地面积大。人们不得不寻求新的、更先进的技术来解决塑炼过程中所出现的问题。塑炼的焦点逐渐转向连续生产。螺杆塑炼机实现了操作的自动化、连续化,但由于排胶温度较高,并且塑炼胶有严重的“夹生”现象,限制了螺杆塑炼机的应用推广。这种现象的原因主要有以下几点:①机筒翻胶刀设置的不合理:胶料在此受到撕裂、摩擦作用产生大量的热量,导致温度升高,甚至出现过炼现象;②螺杆设计不合理:传统的塑炼螺杆采用普通螺纹,没有塑炼元件,生胶由喂料口加入后并未经足够的塑炼就由机头直接挤出,故而出现“夹生”现象;③喂料装置的不合理:采用气缸强制推胶,使得胶料在此产生大量变形热而升温;④强制冷却装置的不合理设置:采用冷却水对机筒冷却,造成胶料粘度增大,从而使摩擦作用更加剧烈反而导致温度的升高;⑤机头阻力过大使胶料摩擦升温。针对以上存在的问题,我们开发出一种新型连续塑炼设备——橡胶单螺杆连续塑炼挤出机,从而得到连续高效、质量均匀稳定的塑炼胶,进一步为橡胶连续混炼技术及装备的实现做好铺垫。本课题符合高性能低成本的发展要求,可以实现提质降耗,这将突破上述生产中的技术难关,推动炼胶工艺及设备的进步。在《橡胶连续塑炼设备的设计研究》课题中,重点所做工作和获得成果如下:1、本文首次设计了特殊的销钉机筒结构,采用“水滴型”销钉对生胶进行强力剪切,一方面使生胶得到剪切分流,将生胶切割成小块,从而实现有效的塑炼;另一方面,“水滴型”销钉一改传统的螺杆塑炼机的翻胶刀依靠弹性形变来分流胶料的方式,阻力明显降低,而实现了低温剪切。2、本文设计的螺杆首次采用复合型螺杆对生胶进行塑炼,通过对螺杆各参数的理论分析以及螺杆构型的合理设计,采用了结合低剪切分流型构型的锥螺杆。其一,锥螺杆有利于提高螺杆根部承载能力,并有利于建立稳定的压缩比,提高了生产的稳定性;其二,低剪切螺纹进一步加强了螺杆机筒系统对胶料的塑化水平。总之所选用的新型螺杆对降低排胶温度、实现低温挤出、得到高质量高效的塑炼胶起着至关重要的作用。3、在本设计中,喂料段采用了螺旋啮合喂料装置,保证了块状生胶连续稳定的喂入,同时为胶料提供强有力的推力,有效地增加了胶料的挤出压力,没有明显的升温,为提高挤出机生产能力和低温挤出提供了有利保证。4、在本设计中,采用恒温热水循环技术对橡胶塑炼过程进行温度控制。热水循环温控装置的使用有效的保证了胶料的温度恒定,实现了胶料性能的稳定,保证了塑炼胶的质量,同时为技术人员提供了高效简便的控制方法,降低了操作人员的劳动量。5、在本设计中,合理设计了机头,并结合有限元分析软件ANSYS对机头胶料的流场进行了模拟,优化机头设计,进一步加强了胶料的塑炼效果,保证挤出塑炼胶的形状的稳定性。综上所述,橡胶单螺杆连续塑炼挤出设备具有广泛的开发和应用前景,相信将会带来明显的经济效益和社会效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题提出的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 橡胶塑炼的目的及机理
• 1.2.1 橡胶塑炼的目的
• 1.2.2 生胶塑炼的机理
• 1.3 橡胶塑炼的设备及其技术进步
• 1.3.1 间歇塑炼设备及其技术进步
• 1.3.2 螺杆连续塑炼机
• 1.4 本课题的研究内容、研究目标及拟解决的问题
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 课题的创新性及研究目标
• 1.4.3 本课题拟解决的关键问题
• 2 橡胶单螺杆连续塑炼机的机理与模型建立
• 2.1 胶料喂入理论分析
• 2.2 固体输送理论分析
• 2.2.1 摩擦拖曳固体输送理论
• 2.2.2 粘性牵附固体输送理论
• 2.3 机头的设计机理及数学模型的建立
• 2.3.1 入口效应
• 2.3.2 出模膨胀
• 2.3.3 不稳定流动——表面粗糙和熔体破碎现象
• 2.4 实现稳定挤出过程的考虑因素
• 2.6 本章小结
• 3 橡胶单螺杆连续塑炼机的设计
• 3.1 螺旋啮合喂料装置的设计
• 3.2 橡胶单螺杆连续塑炼机螺杆的设计
• 3.2.1 螺杆主要几何参数的选择
• 3.2.2 螺杆三功能段结构的设计
• 3.2.3 螺杆材料选择及表面处理
• 3.2.4 螺杆主要性能参数的计算及确立
• 3.2.5 螺杆强度校核
• 3.2.6 螺杆结构设计
• 3.3 橡胶锥螺杆塑炼机机筒设计
• 3.3.1 机筒主要参数的确定及机筒材料的选择
• 3.3.2 机筒冷却水道的设计
• 3.3.3 销钉的尺寸及结构设计
• 3.3.4 挤出段机筒的强度校核
• 3.3.5 机筒的结构设计
• 3.4 机头的结构设计
• 3.5 传动系统的设计
• 3.5.1 电机的选择
• 3.5.2 减速箱的设计
• 3.6 橡胶单螺杆连续塑炼机底座机架的设计
• 3.7 橡胶单螺杆连续塑炼机总图
• 3.8 本章小结
• 4 橡胶单螺杆连续塑炼机控制系统的设计
• 4.1 挤出机各段温度的分布对挤出机性能的影响
• 4.1.1 挤出机各段温度的分布对生产能力的影响
• 4.1.2 挤出机各段温度分布对功率消耗的影响
• 4.1.3 挤出机各段温度分布对挤出温度的影响
• 4.2 橡胶单螺杆连续塑炼机控制系统的设计
• 4.2.1 热水循环温控装置的设计
• 4.2.2 直流可控硅调速系统的选用
• 4.3 本章小结
• 5 橡胶单螺杆连续塑炼机的三维实体造型及有限元分析
• 5.1 三维实体造型的必要性
• 5.2 UG、ANSYS 软件简介
• 5.2.1 UG 软件简介
• 5.2.2 ANSYS 软件主要功能介绍
• 5.3 橡胶单螺杆连续塑炼机螺杆的三维造型
• 5.4 螺旋啮合喂料装置的三维造型设计及有限元分析
• 5.4.1 螺旋啮合喂料装置的三维造型设计
• 5.4.2 喂料装置的ANSYS 有限元分析
• 5.5 机筒的三维造型设计及有限元分析
• 5.5.1 机筒的三维造型设计
• 5.5.2 塑化段销钉机筒的有限元分析
• 5.6 机头部件的三维造型设计及有限元分析
• 5.6.1 机头的三维造型
• 5.6.2 机头流场的有限元分析
• 5.7 其它装置的三维造型图
• 5.7.1 传动装置的三维造型图
• 5.7.2 底座的三维图
• 5.8 整机组装图
• 5.9 本章小结
• 结论
• 一、本文主要结论
• 二、展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文