新型加壓式捏煉機的發(fā)展

王虎法，米鳳龍

(大連第二橡塑機械有限公司，遼寧 大連 116113)

橡膠塑料加壓式捏煉機，在行業(yè)中又叫作翻斗式密煉機。作為橡膠塑煉和混煉設備的一種，其作用與下落式密煉機相同。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、整體性強、安裝方便、經(jīng)濟實用性較高，從1998年開始在我國大多數(shù)中小橡膠制品企業(yè)里得到了廣泛的使用，尤其在電纜、膠管、膠帶、鞋材、密封件、醫(yī)用膠塞、工程橡塑、軟木橡膠等諸多企業(yè)里的應用非常廣泛。

1 加壓式捏煉機的升級背景

近年來，隨著我國汽車工業(yè)和高速鐵路的飛速發(fā)展，制造商對橡膠零部件的要求越來越高，使得原有一些橡膠配件已經(jīng)跟不上市場發(fā)展的需求，逐漸被淘汰。這樣就促成了一批新型高分子材料的使用和發(fā)展，例如人工橡膠、橡塑共混物等。不同的高分子材料對加工設備的性能需求也不完全相同，我們就是針對這些新型材料的工藝需求，對加壓式捏煉機進行二次開發(fā)和改進，完成產(chǎn)品的升級換代，以便在未來更好地服務于市場和廣大客戶。

2 新型加壓式捏煉機的結(jié)構(gòu)改進

2.1 工作原理與結(jié)構(gòu)特征

該機的工作原理與一般密煉機相同，即物料受上頂栓的壓力，在密閉的混煉室內(nèi)經(jīng)過以一定速比回轉(zhuǎn)的兩個轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與混煉室壁之間的剪切、擠壓、攪拌、翻卷等捏煉作用后，塑（混）煉成所需的新物料。它與下落式密煉機的不同之處，主要在于它沒有下頂栓，是將混煉室進行整體翻轉(zhuǎn)卸料。該機主要由密煉裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、壓料裝置、減速器、機架、支座、皮帶傳動裝置、氣控（液壓）系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、底座、電機座、限位支承座等零部件組成。目前已經(jīng)在原有氣動上頂栓的基礎上開發(fā)出了液壓上頂栓結(jié)構(gòu)（如圖1）。

圖1 標準加壓捏煉機與新型加壓捏煉機

2.2 主要部件結(jié)構(gòu)特征與改進

2.2.1 密煉裝置

密煉裝置（圖2）由主電機驅(qū)動V形皮帶傳動，帶動減速器通過內(nèi)齒套聯(lián)軸器驅(qū)動一對速比齒輪，實現(xiàn)前、后轉(zhuǎn)子相對回轉(zhuǎn)運動?；鞜捠遗c左、右側(cè)板形成封閉混煉槽體，前、后轉(zhuǎn)子通過滾動軸承分別固定在左、右側(cè)板上，其中前轉(zhuǎn)子軸承套支承在左（蝸輪箱）、右（滑動）支承座上。后轉(zhuǎn)子軸承套沒有支承，而由兩個限位支承座，頂靠左、右側(cè)板和混煉室底面（在后轉(zhuǎn)子垂直中線處），以保證傳動，工作平穩(wěn)?；鞜捠业淖蟆⒂覀?cè)板均為夾套式焊接結(jié)構(gòu)，與物料接觸的內(nèi)壁表面進行硬化（鍍硬鉻）處理。轉(zhuǎn)子的長、短兩個螺旋棱焊接在轉(zhuǎn)子軸上，用鉆孔方式連通兩個棱體的空腔和轉(zhuǎn)子軸孔，棱峰及工作部位棱側(cè)表面，均堆焊耐磨硬質(zhì)合金，與物料接觸的整個轉(zhuǎn)子外表面進行硬化（鍍硬鉻）處理。由于上述結(jié)構(gòu)，能保證工作部位耐腐蝕、耐磨損、壽命長以及較高的熱傳導率，并使膠料換色容易，清料干凈方便。轉(zhuǎn)子端面密封環(huán)為耐磨銅合金鑲嵌固體減磨劑形式，摩擦工作端面不注潤滑劑，亦能保證良好的密封效果，且不污染物料?；鞜捠业撞恐虚g裝設有熱電偶，并與溫控儀相連，用于監(jiān)控生產(chǎn)過程中物料溫度。

圖2 密煉裝置

作為密煉裝置的核心零件，轉(zhuǎn)子對膠料的混煉質(zhì)量非常關(guān)鍵。在過去各個捏煉機生產(chǎn)廠家基本都是一種結(jié)構(gòu)類型，不利于膠料多樣化的生產(chǎn)。為此我們對轉(zhuǎn)子的螺旋角度、螺棱的形式和轉(zhuǎn)子底徑、外徑做了不同的設計，便于客戶生產(chǎn)工藝的選擇。如圖3所示，對于較硬的膠料選擇A類轉(zhuǎn)子比較好，此類轉(zhuǎn)子具有棱體螺旋角小、轉(zhuǎn)子底徑大，在改善了轉(zhuǎn)子受力狀況的同時并不影響棱體對膠料的剪切混煉性能，并提高了轉(zhuǎn)子對膠料的冷卻面積，加快了膠料的熱傳遞，有利于膠料降溫。目前大多數(shù)橡膠廠都在使用B類轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子對于同一臺機器生產(chǎn)多種膠料比較合適，它兼顧了對膠料攪拌均勻性和物理剪切較高的特點，但是會減弱個別混煉膠料的分散性能。而對于黏度較低需要短時升溫的膠料選擇C、D類轉(zhuǎn)子比較合適，由于棱體螺旋角度大，能有效提升膠料在前后轉(zhuǎn)子間的來回翻轉(zhuǎn)、攪拌，也加大了物料與混煉室壁之間的剪切面積，使得物料在擠壓、剪切、撕裂的過程中能快速升溫，提高煉膠效率，同時也有較大的功率消耗。

圖3 轉(zhuǎn)子螺棱展開圖

另外，隨著現(xiàn)代工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，嚙合型轉(zhuǎn)子（如圖4）也逐步安裝在加壓式捏煉機上使用。這類轉(zhuǎn)子很好地提升了物料的混煉質(zhì)量，對橡膠膠料的分散均勻性、密實性都有了很好的改善，也能更好地控制混煉過程中膠料的溫度。目前生產(chǎn)廠家基本都采用三棱嚙合結(jié)構(gòu)，其中間棱為主棱，長棱和短棱分布在兩頭，長棱和中間棱的螺旋角度基本相等，旋向也相同，但短棱有些與中間棱旋向相同角度不等，有些旋向相反角度相同或不等。也因為這些原因使得每個生產(chǎn)廠制造出來的嚙合轉(zhuǎn)子棱型結(jié)構(gòu)不一樣，這樣也勢必會使混煉出來的膠料性能有所差異。

圖4 嚙合型轉(zhuǎn)子

密封裝置，作為加壓式捏煉機的重要部件，改型前其轉(zhuǎn)子端面的密封結(jié)構(gòu)（如圖5所示）是依靠4根彈簧壓緊密封定環(huán)，同時起到密封環(huán)磨損后的補償作用。由于工人在安裝時對4根彈簧的預緊力不均等，就很容易造成兩個密封端面不能完全貼合的現(xiàn)象。這樣不僅造成密煉機工作時的漏粉現(xiàn)象，還很容使密封環(huán)過快磨損，影響設備的正常使用，也增加了設備正常維護的困難。

圖5 四彈簧式密封（改型前）

為了提升捏煉機轉(zhuǎn)子端面的密封效果，新一代捏煉機開發(fā)設計出了液壓式密封結(jié)構(gòu)（如圖6所示）。這種密封結(jié)構(gòu)使兩根轉(zhuǎn)子端面的密封受力完全一樣，避免了密封面受力不均的現(xiàn)象。液壓密封結(jié)構(gòu)主要是采用撥叉式密封，應用杠桿原理把油缸的力通過撥叉?zhèn)鬟f到密封定圈上，使動、定密封圈的密封面緊密貼合，達到有效的密封效果。這種密封方式最大的優(yōu)點是調(diào)整方便，在密封環(huán)磨損較大時用戶僅僅需要調(diào)整中間螺栓上的螺母，跟進消除密封環(huán)磨損產(chǎn)生的間隙，就能使油缸的力均勻地作用在密封定圈上，不會產(chǎn)生四彈簧密封式由于每個彈簧的作用力不同，而造成密封定圈局部磨損嚴重的現(xiàn)象。

圖6 液壓密封結(jié)構(gòu)

2.2.2 翻轉(zhuǎn)裝置及其液壓傳動系統(tǒng)

新型加壓式捏煉機的翻轉(zhuǎn)裝置（如圖7）主要由液壓站、翻轉(zhuǎn)油缸及連板等組成，液壓站設置了驅(qū)動電機、低噪音油泵、換向閥、溢流安全閥及過濾器等，通過高壓膠管與翻轉(zhuǎn)油缸相連接，油缸后端通過銷軸連接固定支座，可以擺動。翻轉(zhuǎn)油缸前端與連板連接，連板通過轉(zhuǎn)動件與轉(zhuǎn)子連接?；鞜捠倚枰D(zhuǎn)時，啟動液壓站帶動旋轉(zhuǎn)油缸，油缸活塞桿將連板向后推動，使轉(zhuǎn)子和混煉室相應轉(zhuǎn)動一定角度而將膠料卸出；復位時，按動復位按鈕，油缸退回原位。相對于原有的蝸輪蝸桿翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（如圖8），液壓翻轉(zhuǎn)有效的避免了蝸輪蝸桿翻轉(zhuǎn)零件磨損過快的問題，減少了設備維護的困難。另外，在更換翻轉(zhuǎn)零件時無需拆卸密煉裝置，使得設備的維護也更加方便。

圖7 液壓翻轉(zhuǎn)裝置

圖8 蝸輪蝸桿翻轉(zhuǎn)裝置

2.2.3 壓料裝置及液壓系統(tǒng)

本機的壓料結(jié)構(gòu)是融合了標準型捏煉機的氣動結(jié)構(gòu)和下落式密煉機的液壓壓料結(jié)構(gòu)，通過油缸（如圖9）驅(qū)動上頂栓的升降，并保證對物料在一定范圍內(nèi)的壓力；壓料裝置的油缸安裝在機架頂面，上頂栓在油缸活塞桿的推動下對物料進行加壓作用；上頂栓上下運行由電磁換向閥控制，工作時由蓄能器保壓。其結(jié)構(gòu)設計的主要目的是保證捏煉機在工作時上頂栓對物料施加一種相對恒定的壓力，從而獲得更高質(zhì)量的混煉膠料；另外，沒有了氣動上頂栓的排氣噪音，也減少了設備動力源，節(jié)省了設備的投入成本。

液壓系統(tǒng)是新型液壓上頂栓的關(guān)鍵部分，其液壓原理（如圖10）主要是通過電磁換向閥控制油缸活塞桿的伸出縮回，同時對蓄能器進行沖壓補壓，達到設定壓力值后電磁閥斷開；在煉膠過程中蓄能器始終和油缸保持通路，既保證了工作中上頂栓對膠料的壓力又保護了上頂栓上下起伏對設備造成的沖擊。對壓料油缸運行速度通過單項節(jié)流閥調(diào)整其流量的大小來控制整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

圖9 液壓上頂栓（單缸式）

圖10 液壓系統(tǒng)原理圖

另外，在近幾年里隨著橡膠膠料性能的提升，根據(jù)膠料生產(chǎn)工藝的需要，也開發(fā)出了類似于下落式密煉機的雙液壓缸形式的壓料裝置（如圖11），這種結(jié)構(gòu)對于需要大功率高壓強的煉膠工藝（例如在混煉二段膠時）比較適用。

圖11 液壓上頂栓（雙缸式）

2.2.4 加熱冷卻系統(tǒng)

作為加壓式捏煉機的輔助系統(tǒng)，加熱、冷卻兩用的管路裝置及溫控單元（如圖12）也是極其重要的。由于加壓式捏煉機與物料接觸的各零部件均設計有夾套式水腔結(jié)構(gòu)，各進、出水（汽）管路均設有截止閥，隨時可調(diào)整流體流量，故能保證高效的冷卻、加熱效果。近年來，有不少用戶已經(jīng)將總進水管路和上頂栓進水管路安裝自動截止閥，這樣可更有效地通過控制冷卻水流量來調(diào)節(jié)膠料在混煉過程中的熱交換，從而達到控制膠料溫度的目的。

圖12 捏煉機加熱冷卻系統(tǒng)原理圖

2.3 電氣控制系統(tǒng)

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，用戶對加壓式捏煉機的電氣控制系統(tǒng)也提出了一些新需求；基本都要求配備相應的上、下輔機通訊設備，具備有煉膠過程中混煉參數(shù)的實時采集和記憶；也為了完善混煉順序，減少人工因素，對批次處理，混煉規(guī)格條件設定、自動化記錄等等，從而確保對膠料品質(zhì)的管理。

控制系統(tǒng)相較于以前的優(yōu)勢如下：

（1）結(jié)合以前橡膠廠混煉工藝的先進經(jīng)驗，立足于時間、溫度、功率三大要素，確保煉膠品質(zhì)均衡而設計出的一套控制軟件，整個過程可實現(xiàn)全程自動化，確保每一車混煉膠效果始終如一。

（2）系統(tǒng)運行后，每步驟完成使用塔燈及不同聲音提示，工人按提示投完料以后，不需等待， 可去進行配料或開煉等其他工作，步驟完畢后，系統(tǒng)會提示工人再來操作，可提高工人的生產(chǎn)效率。如果配套喂料系統(tǒng)，則會實現(xiàn)全自動化過程。

（3）采用人機界面可以對不同客戶設置不同的配方管理，目前也有很多橡膠廠根據(jù)自己的工藝要求采用非標準定制方式，這樣機械廠家也為客戶提供了一些最優(yōu)化的解決方案。

3 結(jié)束語

目前，加壓式捏煉機的使用區(qū)域主要集中在亞洲，歐美和非洲相對較少；這也促成了設備的生產(chǎn)區(qū)域主要集中在我國大連和華南地區(qū)，另外在日本、韓國、印度等地也有生產(chǎn)，但相對產(chǎn)量較低。隨著橡膠混煉工藝技術(shù)的創(chuàng)新和改進，結(jié)合新材料的廣泛應用,也必定會促使捏煉機的轉(zhuǎn)子形式和控制系統(tǒng)不斷提升和改進。