自動包布V帶硫化裝置的設(shè)計(jì)與節(jié)能研究

摘 要：針對現(xiàn)有包布V帶硫化裝置的不足，開發(fā)一種新型包布V帶硫化裝置，將硫化的不同工序均布設(shè)置在可旋轉(zhuǎn)的圓盤底座上，可實(shí)現(xiàn)套模、硫化、冷卻與脫模自動循環(huán)且同步完成。通過對比分析本硫化裝置與傳統(tǒng)硫化罐蒸汽消耗量，得出本硫化裝置硫化一罐包布V帶可節(jié)省75%的能量。通過紅外測溫儀測量硫化罐體的溫度分布，自動硫化的連續(xù)性降低了硫化罐溫度的下降幅度，硫化開始20 s后即可達(dá)到未開蓋時的溫度場，進(jìn)一步驗(yàn)證了本裝置的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：包布V帶；硫化裝置；節(jié)能；溫度場

中圖分類號：TQ330.4+7" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0171-04

Design and Energy Saving Research of Automatic Coated V-belt Vulcanizing Device

Abstract：A new type of V-belt vulcanizing device is developed to overcome the shortcomings of the existing V-belt vulcanizing device. The different processes of vulcanizing are uniformly set on the rotating disc base to complete the automatic cycle of nesting， vulcanizing， cooling and demoulding simultaneously. Comparison and analysis are made on the steam consumptions of both new vulcanizing device and traditional vulcanizing tank， which concludes that the vulcanizing device can save 75% energy by vulcanizing a cloth-wrapped V-belt canister. By measuring the temperature distribution of vulcanized tank with infrared thermometer， the continuous automatic vulcanization reduces the temperature drop range of vulcanized tank， and the temperature field without open lid can be reached 20 seconds after the beginning of vulcanization， which further verifies the energy-saving effect of the new device.

Keywords：cloth-wrapped V-belt；vulcanization device；energy saving；temperature field

0 引言

帶傳動是三大機(jī)械傳動形式之一［1］。包布V帶在帶傳動中有著廣泛的應(yīng)用，主要用來傳遞動力和運(yùn)動［2］。硫化工序是能量消耗的主要過程。隨著工業(yè)水平的提高，對生產(chǎn)設(shè)備的自動化程度、生產(chǎn)效率和節(jié)能環(huán)保等提出了更高的要求［3］。

目前，我國傳動帶生產(chǎn)廠家規(guī)模較大的有50家左右，具有一定規(guī)模的約100家，有帶產(chǎn)品的則超過1 000家。大多數(shù)廠家采用傳統(tǒng)的硫化罐硫化方式。舜江機(jī)械改進(jìn)的平底平蓋增高型硫化罐較傳統(tǒng)的硫化罐實(shí)現(xiàn)了一定的節(jié)能效果［4］，但自動化程度不高。傳統(tǒng)硫化模具設(shè)計(jì)成環(huán)形，硫化時外表面套上硫化膠套［5-6］。自動化程度低，不利于自動化程度的提高以及節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性發(fā)展。

本硫化裝置具有更高的自動化水平，能夠連續(xù)循環(huán)地完成整個硫化過程［7］。采用立式膠套硫化罐以及新型模具，硫化罐采用即開即合的開罐方式，減少蒸汽的消耗；引進(jìn)機(jī)械手代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工脫模，旋轉(zhuǎn)底座的應(yīng)用提高了自動化程度以及硫化的連續(xù)性，達(dá)到更好的節(jié)能效果。

1 工位分配與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工位分配

完整的硫化包括套模、硫化、冷卻與脫模。根據(jù)傳統(tǒng)硫化工藝過程，將4個工序分別設(shè)置在4個工位上，硫化工位與冷卻工位獨(dú)立完成冷卻工序，脫模工位與套模工位配合完成脫模與套模。

1.2 硫化裝置的結(jié)構(gòu)

圖1為新型硫化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由旋轉(zhuǎn)底座與4個工位組成。硫化工位由立式膠套硫化罐以及控制開合的氣缸組成，冷卻工位由冷卻筒替代硫化罐，脫模與套模工位引入脫模機(jī)械手。

1.3 硫化裝置工作原理

硫化裝置運(yùn)行過程中有3組模具組件處于工作中，分別是硫化組、冷卻組與脫模組，每組60個。生包布V帶在套模工位完成一組套模后，硫化罐向上打開，旋轉(zhuǎn)底座帶動模具組件旋轉(zhuǎn)到硫化工位，硫化罐下降，進(jìn)入硫化過程；硫化完成后，硫化罐向上打開，模具組件旋轉(zhuǎn)到冷卻工位，同時下一組模具組件也旋轉(zhuǎn)到硫化工位，兩組模具組件分別同時進(jìn)行硫化或冷卻；冷卻完成后的模具組件旋轉(zhuǎn)到脫模工位，由脫模機(jī)械手完成脫模，并將模具放在套模工位，包布V帶放在指定位置。

2 節(jié)能分析

2.1 工藝節(jié)能分析

傳統(tǒng)的硫化裝置由硫化罐與冷卻池組成，如圖2所示。由工人將1組（40個）包布V帶轉(zhuǎn)運(yùn)到硫化罐中進(jìn)行硫化7min，硫化結(jié)束后取出模具組件并放置在冷卻池中冷卻10s，隨后人工完成脫模與套模，此過程硫化罐一直處于打開狀態(tài)，再次合蓋時溫度下降至80℃～90℃。

本硫化裝置可在各工位連續(xù)同步進(jìn)行，完成1組套模后，硫化7min也剛好結(jié)束，硫化罐向上開啟，模具組件旋轉(zhuǎn)進(jìn)入硫化工位，隨即硫化罐下降關(guān)閉，整個過程持續(xù)僅20s，硫化罐體溫度下降至130℃～140℃，比傳統(tǒng)的硫化工藝連續(xù)性強(qiáng)且溫度下降得少，再次達(dá)到硫化溫度所需要的蒸汽量下降。

2.2 蒸汽節(jié)能分析

包布V帶的制備過程主要包括混煉、成型、切割、包布與硫化。硫化是包布V帶制備的最后一步，也是能量消耗最多的一步。硫化過程主要的能量消耗是蒸汽。通過硫化罐內(nèi)空隙的計(jì)算并得出所需要的蒸汽質(zhì)量，從而對比所消耗的能量來分析本硫化裝置的節(jié)能效果。包布V帶硫化時蒸汽溫度需要達(dá)到180℃，此溫度下蒸汽的密度為5.16kg/m3，焓為2 777.1kJ/kg。

1）傳統(tǒng)硫化裝置

傳統(tǒng)的硫化裝置每組硫化40個包布V帶，單個模具的有效高度為15mm，可得一組包布V帶有效高度為

H1=a1h=40×15=600（1）

式中：H1為模具組件的有效總高度，mm； a1為模具的個數(shù) ；

h為單個模具的有效高度，mm。

模具組件的最大外徑為d1=158mm，內(nèi)徑為d2=121mm，硫化膠套的厚度e=6mm，可得模具組件的有效體積為

硫化罐的內(nèi)徑d3=242mm，硫化罐的內(nèi)腔高度H2=620mm。即硫化罐內(nèi)的體積為

可得硫化罐內(nèi)的空隙為

V11=V2-V1=2.18×10-2m3（4）

硫化時所需要的蒸汽質(zhì)量為

m1=ρV11=5.16×2.18×10-2=0.112kg（5）

需要的能量為

Q1=m1H=0.112×2 777.1=311.04kJ（6）

2）新型硫化裝置

新型硫化裝置使用立式膠套硫化罐，模具組件主要包括模具和升降套，每組為60個包布V帶，升降套的高度為40mm，模具組件的總高為

H3=a2h+h1=60×15+40=940mm（7）

式中h1為升降套的高度，mm。

模具的外徑為158mm，模具均勻開設(shè)8個孔，孔徑d4=16mm，模具體積為

硫化罐的內(nèi)徑d5=173mm，罐內(nèi)有效高度H4=950mm，硫化罐內(nèi)體積為

可得新型硫化裝置的空隙為

V12=V4-V3=5.4×10-3m3（10）

硫化時所需要的蒸汽質(zhì)量為

m2=ρV12=5.16×5.4×10-3=0.028kg（11）

需要的能量為

本文設(shè)計(jì)的新型硫化裝置相較于傳統(tǒng)硫化裝置的優(yōu)勢如下：

1）旋轉(zhuǎn)底座使套模、硫化、冷卻與脫模自動連續(xù)完成，降低了工人的勞動強(qiáng)度與成本；

2）改變了硫化罐開罐方式，開蓋到合蓋僅持續(xù)了20s，減少了硫化罐溫度的下降幅度；

3）脫模機(jī)械手的脫模與人工套模過程同步進(jìn)行，提高了工作效率，減少了工人的工作量；

4）本硫化裝置硫化1組包布V帶節(jié)省了233kJ的能量，較傳統(tǒng)硫化裝置的能量消耗減少了75%。

3 硫化罐及模具組件的溫度場研究

為了驗(yàn)證此工藝是否可以減少硫化罐溫度的下降幅度，并能在短時間內(nèi)回溫，采用FLIR A320紅外測溫裝置對硫化罐進(jìn)行測溫，如圖3所示。此設(shè)備能夠連續(xù)記錄環(huán)境溫度場，并生成溫度影像。

為驗(yàn)證硫化罐的溫度變化情況，將硫化罐從開啟到下一次開啟劃分為一個連續(xù)的硫化過程。運(yùn)用紅外測溫設(shè)備連續(xù)記錄3個硫化過程，對比分析相同時間段溫度云圖是基本吻合的。所以選取一次硫化區(qū)間對溫度場變化進(jìn)行分析［8］。截取硫化過程中的主要溫度變化節(jié)點(diǎn)來驗(yàn)證本裝置硫化罐的節(jié)能效果。

硫化結(jié)束后，硫化罐向上打開，硫化完成的模具組件如圖4（a）所示。此時的模具組件溫度為130℃～140℃，相對于硫化時的180℃有所下降。在硫化的最后1min時硫化罐的鎖扣裝置打開，硫化罐處于不完全封閉狀態(tài)，硫化罐內(nèi)的溫度下降。當(dāng)硫化罐打開時，模具組件的溫度下降至圖4（b）所示。溫度在30℃～40℃，是整個硫化過程的溫度最低點(diǎn)。

一組新的模具組件轉(zhuǎn)入硫化工位，硫化罐下降關(guān)閉，即正式進(jìn)入硫化。圖5所示為硫化起始點(diǎn)硫化罐的溫度場，將圖中白色的區(qū)域簡稱為高溫場，此區(qū)域的溫度是整個硫化罐的最高溫度。此狀態(tài)下的高溫場范圍較小。

正式開始硫化后，隨著高溫蒸汽的持續(xù)通入，高溫場的范圍不斷擴(kuò)大，蒸汽從硫化罐的上方通入，高溫范圍慢慢變大了，是一個積累的過程。圖6與圖7所示為硫化5min內(nèi)的溫度場變化情況。

硫化6min后硫化罐的鎖扣裝置打開，硫化罐內(nèi)的溫度開始下降，高溫場的范圍縮小。硫化7min時也就是開罐前的溫度場如圖8所示。

通過對整個硫化過程溫度場分析可以得出：

1）硫化20s與開罐前的高溫場范圍非常接近；通入20s的蒸汽就可以將開罐造成的溫度損失補(bǔ)回來；

2）本硫化裝置的開罐與合罐連續(xù)進(jìn)行，硫化罐與外界接觸時間短，溫度下降少，溫度回升所需要的時間短，溫度提升所需要的蒸汽量減少，有利于節(jié)能。

4 結(jié)語

本文所述的自動包布V帶硫化裝置實(shí)現(xiàn)了套模、硫化、冷卻與脫模過程自動連續(xù)進(jìn)行，立式膠套硫化罐與連續(xù)硫化過程的配合，節(jié)省了75%的能量。硫化罐從開啟到關(guān)閉僅用20s，大大減少了罐內(nèi)溫度的下降幅度。紅外測溫儀的驗(yàn)證表明：硫化開始20s后就能將溫度補(bǔ)償?shù)轿撮_罐時的狀態(tài)，溫度提升快，更好地節(jié)省了蒸汽的消耗，有利于節(jié)能。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 秦書安. 帶傳動技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景［J］. 機(jī)械傳動，2002，26（4）：1-2，6.

［2］ 秦書安，周鵬，周玉杰，等. 帶傳動行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r綜述［J］. 機(jī)械傳動，2020，44（8）：1-7.

［3］ 謝忠麟. 關(guān)于我國橡膠工業(yè)環(huán)保和節(jié)能問題的思考（三）［J］. 世界橡膠工業(yè)，2007，34（4）：44-50.

［4］ 楊建強(qiáng)，張繼先. 平底平蓋增高型硫化罐［J］. 橡膠工業(yè)，2013，60（8）：497-498.

［5］ 楊成仁，付振海，劉濤，等. DLB-Q1400X2000X2新型高效節(jié)能環(huán)形帶硫化機(jī)的研制開發(fā)［J］. 橡塑技術(shù)與裝備，2022，48（10）：73-76.

［6］ 葉軍，李曉林，何良. 節(jié)能型V帶圓模硫化裝置：CN106827329B［P］. 2018-01-19.

［7］ 孫竹，宋海峰. 橡膠電纜連續(xù)硫化生產(chǎn)線水汽平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］. 機(jī)械制造與自動化，2014，43（4）：199-201.

［8］ 劉鳴宇，李軍霞，張弘玉，等. 基于正交試驗(yàn)的膠帶硫化機(jī)熱板溫度場研究［J］. 煤炭工程，2021，53（11）：152-157.