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        氟橡膠捏煉機(jī)的研發(fā)與設(shè)計(jì)

        2018-07-05 09:26:26王虎法滕壽峰米鳳龍
        橡塑技術(shù)與裝備 2018年13期
        關(guān)鍵詞:示意圖工藝設(shè)計(jì)

        王虎法,滕壽峰,米鳳龍

        (大連第二橡塑機(jī)械有限公司,遼寧 大連 116113)

        1 氟橡膠的特性與應(yīng)用

        氟橡膠是指在主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成型高分子彈性體。氟橡膠具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性,也有較好的耐高溫、耐老化,耐臭氧及極好的真空性和優(yōu)良的物理機(jī)械性等諸多優(yōu)異性能,使其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,雖然低溫性能和耐輻射性能比較差,但并不影響氟橡膠對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。

        我國從1958年開始至今已經(jīng)開發(fā)了多種類型的氟橡膠,主要有聚烯烴類氟橡膠,隨后又發(fā)展了較新品種的四丙氟橡膠、全氟醚橡膠、氟化磷橡膠。正因?yàn)榉鹉z有較好的耐高溫、耐油,耐多種化學(xué)藥品腐蝕的特性,就使得氟橡膠在現(xiàn)代航空、導(dǎo)彈、火箭、宇宙飛船、艦艇、原子能等尖端技術(shù)及汽車、造船、化學(xué)、石油、電訊、儀表、機(jī)械等工業(yè)部門獲得了非常廣泛的應(yīng)用。例如在汽車和機(jī)動(dòng)車行業(yè),由于它的耐高溫、耐油和耐介質(zhì)性能優(yōu)異,用其做出了油封、密封墊、空調(diào)膠管等等產(chǎn)品,近年來在電動(dòng)汽車電池隔離和減震方面也逐步推廣使用。

        2 氟橡膠的混煉工藝

        橡膠混煉,是指生膠和配合劑在開煉機(jī)、密(捏)煉機(jī)中通過剪切場(chǎng)和拉伸場(chǎng),使之機(jī)械混合并分散均勻的技術(shù)。由于密(捏)煉機(jī)混煉橡膠時(shí)的狀態(tài)極其復(fù)雜,于是就產(chǎn)生了混煉特性難以控制這個(gè)問題。

        氟橡膠的門尼黏度較高,分子鏈剛性大,塑煉加工對(duì)其無太大效果,因此對(duì)氟橡膠都是直接進(jìn)行混煉。由于氟橡膠具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),其混煉過程是發(fā)黏、發(fā)熱和發(fā)脆的一個(gè)過程,加工工藝條件較難控制。以

        前通常采用開煉機(jī)進(jìn)行混煉,但是氟橡膠開煉機(jī)混煉容易黏輥、發(fā)熱量大,導(dǎo)致開煉機(jī)混煉困難,并且要多次打薄通,使得操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率非常低下,且膠料質(zhì)量很難控制均衡。為了解決每一車混煉膠間質(zhì)量波動(dòng)問題以及降低勞動(dòng)力成本和減少環(huán)境污染,從2006年開始,我公司和一些大型橡膠廠共同探討,專門針對(duì)氟橡膠研制出一種采用翻轉(zhuǎn)式密煉機(jī)作為氟橡膠混煉設(shè)備的新工藝,結(jié)合相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)來完成對(duì)氟橡膠的混煉。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)采集和對(duì)工藝的不斷完善,我公司研發(fā)出了一種專門用于氟橡膠混煉的加壓式捏煉機(jī),不僅完全達(dá)到了減少煉膠工序、保證混煉膠質(zhì)量均一性的要求,也大大提高膠料混煉生產(chǎn)效率、并降低了混煉過程中的環(huán)境污染;經(jīng)過多次的工藝調(diào)整和長期大量的產(chǎn)品驗(yàn)證,目前此種機(jī)器在市場(chǎng)已經(jīng)推出較多,整體使用效果非常穩(wěn)定。

        3 氟橡膠捏煉機(jī)

        氟橡膠捏煉機(jī)(如圖1所示)整體結(jié)構(gòu)是在標(biāo)準(zhǔn)型捏煉機(jī)的基礎(chǔ)上強(qiáng)化、改進(jìn)、完善混煉工藝功能的一種新型捏煉機(jī),其結(jié)構(gòu)主要分為:密煉裝置、壓料裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底座、氣控系統(tǒng)及其管路、溫度控制系統(tǒng)及其管路、電氣控制系統(tǒng)等等。其主要工藝特性是針對(duì)氟橡膠生膠門尼黏度高、剛性大、高摩擦生熱等特點(diǎn),研發(fā)設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、強(qiáng)制高效冷卻、混煉膠料壓力可控、方便清掃清潔的一種混煉設(shè)備。

        圖1 氟橡膠捏煉機(jī)

        3.1 氟橡膠捏煉機(jī)主要技術(shù)特性

        由于氟橡膠諸多的化學(xué)性能,在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中融合國內(nèi)外很多關(guān)于密煉機(jī)混煉性能的理論和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),結(jié)合橡膠廠給出氟橡膠的一些混煉數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)出如下特點(diǎn)的氟橡膠捏煉機(jī)。

        (1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、棱體形式獨(dú)特;

        (2)轉(zhuǎn)子、混煉室壁、側(cè)板、上頂栓冷卻效率高;

        (3)與膠料接觸部分均選用耐腐蝕性材料,保證生產(chǎn)過程中不會(huì)污染膠料;

        (4)膠料壓力可分段分壓控制,能有效提高混煉效率;

        (5)可根據(jù)混煉膠料工藝設(shè)定溫度自動(dòng)控制冷卻水流量;

        (6)配置大功率驅(qū)動(dòng)元件滿足氟橡膠混煉時(shí)的動(dòng)力要求;

        (7)輔料口的設(shè)計(jì)理念可滿足粉料的投入和降低粉塵飛揚(yáng)及方便清掃;

        (8)整潔的外觀設(shè)計(jì)最大限度地滿足了設(shè)備的清潔、清掃;

        (9)整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占地面積小、公共基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)線布置和安裝搬運(yùn);

        (10)適應(yīng)現(xiàn)階段我國中小型橡膠制品行業(yè)的現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)承受能力,未來市場(chǎng)前景廣闊。

        3.2 主要結(jié)構(gòu)及性能說明

        3.2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

        氟橡膠混煉轉(zhuǎn)子(如圖2所示)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相較于普通剪切型轉(zhuǎn)子有了很大的改變,從棱形到轉(zhuǎn)子軸的受力都與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子不同。

        圖2 轉(zhuǎn)子圖片

        首先由于氟橡膠膠質(zhì)在冷膠時(shí)比較硬和脆,容易碾碎,此時(shí)需要較大的表面碾壓力(類似開煉機(jī)輥筒橫壓力)將膠料快速切碎,這樣就需要轉(zhuǎn)子能夠承受很大的橫向剪切力;隨著膠料溫度不斷提高,一少部分膠料會(huì)沿著棱體棱頂和混煉室之間的間隙從高壓區(qū)翻轉(zhuǎn)到低壓區(qū)(如圖3所示),形成對(duì)膠料的高壓剪切、拉伸;同時(shí)大部分膠料會(huì)沿著棱體螺旋工作面推向混煉室中間和另一根轉(zhuǎn)子的空隙,形成對(duì)膠料的翻轉(zhuǎn)和攪拌,也有部分的物料內(nèi)部剪切;這樣就使得膠料更快速的升溫。

        其次由于氟橡膠對(duì)溫度的敏感性,使得在混煉過程中要把溫度控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),大多時(shí)候都把溫度控制在40~90℃時(shí)才比較容易實(shí)現(xiàn)混煉工藝,這就要求轉(zhuǎn)子達(dá)到這個(gè)溫度范圍后不能過快的升溫?;谏鲜鲈蛟谵D(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)我們調(diào)整了棱頂寬度及其與混煉室壁的間隙,但主要還是從棱形楔入角[(如圖3所示)轉(zhuǎn)子凸棱工作表面輪廓曲線變化規(guī)律主要是由膠料楔入角的斜率曲線方程式演變得來 ]方面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元模擬分析,在保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的前提下減少膠料翻越轉(zhuǎn)子棱頂?shù)拈g隙,使膠料受剪切力影響而升溫的速度減緩,從而達(dá)到保證工藝設(shè)定混煉時(shí)間的同時(shí)還不讓膠料過快升至工藝設(shè)定溫度,并且同時(shí)要通過熱傳導(dǎo)對(duì)膠料進(jìn)行冷卻。

        另外,氟橡膠在混煉過程中需要加入一些粉料及細(xì)小的促進(jìn)劑,從而達(dá)到氟橡膠使用性能的最優(yōu)化。這就要求混煉膠必須有很好的混煉均勻性、密實(shí)性,并且保證每一車膠料的各種性能指標(biāo)相一致。為了提升煉膠質(zhì)量,讓膠料在復(fù)雜的混煉過程中反復(fù)不斷的翻轉(zhuǎn)、攪拌、剪切和拉伸,通過這些機(jī)械力作用,使得橡膠分子鏈變得更加短小,粉料顆粒更加細(xì)碎,攪拌也更均勻,從而達(dá)到混煉工藝要求,滿足后序的成型加工。鑒于以上要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)加大了轉(zhuǎn)子棱體的螺旋升角,同時(shí)也加大了轉(zhuǎn)子根徑尺寸(如圖4所示)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)雖然使混煉室填充系數(shù)減小,但增強(qiáng)了膠料整體的混煉強(qiáng)度,加大了膠料繞轉(zhuǎn)子的環(huán)形流動(dòng)和分布混煉的軸向環(huán)流;并且使得膠料在混煉過程中團(tuán)狀體積更小,膠料與金屬表面接觸面積增大,也讓熱傳導(dǎo)帶走膠料熱量變得更容易。

        圖3 轉(zhuǎn)子棱型法向截面圖

        3.2.2 溫度控制系統(tǒng)及其部件結(jié)構(gòu)

        一般來說,標(biāo)準(zhǔn)的混煉設(shè)備規(guī)格越大,與混煉容量相對(duì)應(yīng)的裝置的導(dǎo)熱面積的比例越小。另外,裝置內(nèi)膠料的厚度 (轉(zhuǎn)子軸和混煉室壁的間隙)隨之增大,橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)減小,混煉過程中膠料內(nèi)部的熱傳遞也減弱,即使對(duì)其進(jìn)行冷卻,也只能使與導(dǎo)熱面接觸的表面層溫度下降,團(tuán)狀膠料芯部的溫度依然較高。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),氟橡膠溫度控制在40~90℃之間對(duì)于混煉過程和煉膠質(zhì)量都比較理想。因此在使用捏煉機(jī)混煉氟橡膠時(shí),其一設(shè)備有效容積不宜過大,過大的團(tuán)狀膠料會(huì)使其芯部溫度很難降低;其二溫度控制尤為重要,如果溫度過高會(huì)產(chǎn)生不可逆的脆性破壞導(dǎo)致膠料焦燒,溫度過低又會(huì)使膠料在金屬表面打滑形成不了混煉所需要的剪切和攪拌。

        圖4 剪切區(qū)域示意圖

        本機(jī)針對(duì)氟橡膠的特性,主要把與混煉膠料接觸部分的關(guān)鍵零件 (混煉室、兩邊側(cè)板、兩根轉(zhuǎn)子、上頂栓 )都設(shè)計(jì)成夾套或空腔結(jié)構(gòu),這樣就可以給零件通入冷卻水(如圖5所示)進(jìn)行冷卻。并且在各個(gè)回路上設(shè)計(jì)通斷閥,依據(jù)混煉室壁溫和回水溫度的比較,控制低溫冷卻水和水流流速以及冷卻水在不同時(shí)段的水流量來實(shí)現(xiàn)混煉過程中對(duì)膠料溫度的控制。

        (1)密煉室壁和上頂栓:把混煉室和上頂栓的空腔設(shè)計(jì)成迷宮式的熱交換流道,增加冷卻水的流動(dòng)速度,消除原有浸潤式空腔的水流死角,增強(qiáng)混煉室的熱傳遞效率(見圖6、7中:混煉室、上頂栓熱交換流道示意圖)。設(shè)置在物料、密煉室壁和冷卻水進(jìn)出口處的測(cè)溫點(diǎn),保證了在混煉過程中整機(jī)溫度鏈的智能化控制。

        圖5 捏煉機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖

        (2) 轉(zhuǎn)子:2根轉(zhuǎn)子根徑尺寸同時(shí)加大,增加了轉(zhuǎn)子外表面與膠料的接觸面積(見圖4示意圖),從而提升了熱傳導(dǎo)的效率;雙隔套串聯(lián)式的強(qiáng)制流道結(jié)構(gòu)(見圖8示意圖),也加大了冷卻水的流動(dòng)速度,從而使轉(zhuǎn)子體整個(gè)傳熱效率增強(qiáng)。

        圖6 密煉室水流道示意圖

        圖7 弧形壓砣頂面及水流道示意圖

        圖8 轉(zhuǎn)子冷卻水流道示意圖

        (3)混煉室側(cè)壁(側(cè)板):特殊的流體通道(見圖9示意圖)增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)效能, 在帶走部分膠料熱量的同時(shí),也保證了轉(zhuǎn)子軸密封圈周邊溫度在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定性,提高了轉(zhuǎn)子軸密封效果和密封裝置的整體使用壽命。

        圖9 密煉側(cè)壁水流道示意圖

        3.2.3 氣控系統(tǒng)

        本臺(tái)機(jī)器的氣控系統(tǒng)要求也比較高,需要控制的壓力點(diǎn)主要有上頂栓氣缸、前護(hù)罩吹風(fēng)噴嘴、冷卻管路流量調(diào)節(jié)閥等等。在設(shè)計(jì)時(shí)有氣源壓力調(diào)節(jié)裝置,可根據(jù)混煉工藝調(diào)節(jié)和監(jiān)控膠料壓力,方便后序的膠料質(zhì)量的跟蹤。對(duì)于控制精度要求更高的工藝,在上頂栓氣缸下壓管路處安裝比例調(diào)壓閥,可通過PLC設(shè)定程序自動(dòng)調(diào)節(jié)上頂栓在混煉過程中不同階段的物料壓力,從而實(shí)現(xiàn)打膠時(shí)的分步控制。

        前護(hù)罩設(shè)計(jì)有吹風(fēng)噴嘴(見圖10所示),在總進(jìn)氣口處設(shè)計(jì)有壓力調(diào)節(jié)閥,每一個(gè)接口處安裝流量調(diào)節(jié)閥,氣壓可根據(jù)要求調(diào)節(jié)吹氣風(fēng)量和壓力,方便上頂栓頂部粉料的清理和清掃;也便于更換物料顏色、適合多品種規(guī)格的生產(chǎn)。

        圖10 前護(hù)罩吹風(fēng)裝置

        另外本機(jī)還設(shè)計(jì)有氣控調(diào)節(jié)閥,通過氣控調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻水流量大小的方式達(dá)到更精確的控制混煉過程中膠料的工藝溫度(見圖11所示)。

        圖11 氣控調(diào)節(jié)閥

        3.3 電氣控制系統(tǒng)

        在電氣方面,結(jié)合生產(chǎn)工藝和混煉現(xiàn)場(chǎng)的操作方便靈活性,我們?cè)O(shè)計(jì)有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”等控制方式,能按工藝設(shè)定完成投料、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、上頂栓上下移動(dòng)位置和次數(shù)、上頂栓壓力的調(diào)節(jié)、冷卻水流的控制以及翻轉(zhuǎn)卸料和復(fù)位等全過程的工序控制。由工藝工程師對(duì)不同的混煉膠料進(jìn)行工藝設(shè)定,每步溫度、功率、時(shí)間、壓力控制都可以選擇,并對(duì)清掃位和冷卻水通斷等進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。通過工控電腦系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄混煉過程中設(shè)定的每一個(gè)工藝參數(shù)及其曲線記錄圖,所有歷史數(shù)據(jù)可定期查詢追溯,也可在局域網(wǎng)內(nèi)共享進(jìn)行查看記錄。

        本系統(tǒng)是參考橡膠混煉工廠的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),立足于時(shí)間、溫度、功率三個(gè)主要因素,確保品質(zhì)均衡設(shè)計(jì)出的一套工藝控制軟件,全部控制要素均可由工藝工程師設(shè)置,現(xiàn)場(chǎng)完全按照設(shè)計(jì)工藝程序進(jìn)行操作,確保每一車膠料的混煉工藝和膠料性能始終如一。系統(tǒng)運(yùn)行后,每個(gè)步驟完成時(shí)都會(huì)有聲光報(bào)警提示,現(xiàn)場(chǎng)操作工人按照提示進(jìn)行工序操作,有效提高了工人的生產(chǎn)效率。通過市場(chǎng)驗(yàn)證,我公司也可按照不同的工藝要求為橡膠生產(chǎn)廠提供最優(yōu)化的解決方案。

        4 結(jié)束語

        現(xiàn)階段我國橡膠制品行業(yè)已在飛速發(fā)展,尤其在航空和汽車密封零部件制造方面已經(jīng)大量的使用氟橡膠材料。近幾年隨著石墨烯的推廣和應(yīng)用,氟硅膠與納米級(jí)粉料的共混及應(yīng)用也逐步提上科研日程,這無論是對(duì)橡膠廠還是橡膠機(jī)械廠都是一個(gè)新課題,現(xiàn)在已有一些企業(yè)和院校已經(jīng)聯(lián)合研制和開發(fā)更高層次的氟橡膠材料。相信隨著橡膠材料性能的提升,對(duì)混煉工藝和混煉設(shè)備的要求會(huì)更高。因此,對(duì)于我們橡膠機(jī)械廠還需要努力學(xué)習(xí)和了解新工藝,進(jìn)一步改良和完善現(xiàn)有的混煉設(shè)備,以適應(yīng)新型膠料的混煉工藝要求。

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