一、概述

1、 課題提出的背景及依據(jù)必要性

現(xiàn)代橡膠工業(yè)的主流煉膠設(shè)備是密煉機及其上下輔機，已經(jīng)過了近百年的發(fā)展。目前應(yīng)用的混煉膠工藝方法主要有以下三種：

種是常用的兩段或多段的煉膠方法。膠料的混煉和加硫終煉均在密煉機中反復(fù)完成。它的缺點是膠料需要多次搬運及中間存儲環(huán)節(jié)，膠料有反復(fù)升溫和降溫的過程，效率不高。

種是在密煉機完成混煉，在開煉機中加硫磺等劑完成終煉。它的缺點是周圍環(huán)境差，密煉機和開煉機的混煉周期有差異，產(chǎn)量不容易匹配。

第三種是膠料的混煉和終煉均在一臺嚙合型密煉機上實現(xiàn)。由于嚙合型密煉機相比切線型密煉機具有更優(yōu)越的冷卻能力和混煉作用，因此有的膠料能在嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機上實現(xiàn)一段混煉和終煉，在加硫之前，膠料能夠冷卻到一定程度，目前此工藝也于在橡膠制品，在輪胎膠料配方上使用的并不多。

隨著汽車工業(yè)和高速公路的快速發(fā)展，對于輪胎性能的技術(shù)要求日益提高，輪胎正向著高技術(shù)含量和精細化方向發(fā)展，尤其是節(jié)能型和環(huán)保型汽車綠色輪胎日益普及。“綠色輪胎”憑借其優(yōu)于普通輪胎的更高的燃油效率，性能以及耐久性能，是輪胎行業(yè)中發(fā)展迅猛的細分市場，有著約10%的全球年增長率。到2020年，中國綠色輪胎的市場占有率將有可能提高50%。

根據(jù)歐盟近日出臺的輪胎標(biāo)簽法規(guī)，自2012年11月1日起，在歐盟銷售的轎車胎、輕卡胎、卡車胎及公共汽車輪胎加貼標(biāo)簽，標(biāo)示出輪胎的燃油效率、滾動噪聲合濕抓著力的等級。輪胎標(biāo)簽法對輪胎的制造工藝，尤其是高性能橡膠生產(chǎn)提出了極高的要求，為了增加抗?jié)窕芰Α⒔档洼喬サ臐L動阻力，降低噪音，白碳黑將被越來越多地應(yīng)用于輪胎中，尤其是胎面膠中。

而采用傳統(tǒng)工藝進行大份量白碳黑混煉是很困難的，其他混煉膠如胎側(cè)膠等也需要多段混煉，而每段煉膠都需要高溫混煉、冷卻、儲存、搬運等環(huán)節(jié)，能耗大、效率低。

根據(jù)國外對白碳黑、難分散的硬膠料的混煉技術(shù)研究認為，采用串聯(lián)式密煉機煉膠工藝，可以滿足這種膠料的混煉，經(jīng)過實驗研究，串聯(lián)密煉機及生產(chǎn)線煉膠工藝技術(shù)具有、節(jié)能、環(huán)保優(yōu)點，可以實現(xiàn)大份額白碳黑胎面膠的一段混煉，并膠料混合質(zhì)量均一性好，白碳黑分散性好，同時實現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)約原料等目的。隨著橡膠輪胎制造技術(shù)的發(fā)展，子午化率不斷提高的情況下，對高質(zhì)量輪胎的需求也隨之增加，引發(fā)了對白碳黑工藝的研究和推廣，對串聯(lián)密煉機的需求也悄然興起。

2、科學(xué)意義和社會經(jīng)濟意義

根據(jù)國外對高質(zhì)量、高科技含量的輪胎技術(shù)研究，節(jié)能、環(huán)保、是輪胎技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，也是當(dāng)今輪胎技術(shù)發(fā)展和追求的方向，要求具有、環(huán)保、節(jié)能特性，如輪胎的滾動阻力小、耐磨性、抓地性、防滑性、抗穿刺等性能，而這些性能需要有較好的輪膠膠料。在膠料中加入白碳黑就是一種較好的選擇，而白碳黑在膠煉過程中被認為是一種難分散，難混煉的物料，它對普通混煉設(shè)備的損害較大，快速磨損，甚達不到質(zhì)量要求，所以需要一種新型的煉膠設(shè)備來適應(yīng)加入白碳黑的煉膠工藝，國外技術(shù)研究認為，串聯(lián)密煉機可以混煉參有大量白碳黑的膠料，而煉膠質(zhì)量均一性好、白碳黑的分散均勻性好，可提高煉膠質(zhì)量，可以保證高質(zhì)量輪胎對生產(chǎn)對膠料的要求。因此，串聯(lián)密煉機的研發(fā)，對輪胎企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，對輪胎技術(shù)水平和質(zhì)量的提高，對輪胎工業(yè)的發(fā)展，具有重要意義，也對我國汽車的行駛，節(jié)能環(huán)保等具有重要意義。也是對我國橡機行業(yè)的鞭策和要求，研制串聯(lián)密煉機及生產(chǎn)線意義重大。

3、項目研究與開發(fā)概述

本公司是專門生產(chǎn)密煉機設(shè)備的公司，從上世紀(jì)80年代就開始生產(chǎn)密煉機、擠出壓片、膠片冷卻和開煉機等，在橡膠機械的開發(fā)和應(yīng)用有著深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗，本公司的密煉機規(guī)格齊全，從25L-650L，具有各種形式的轉(zhuǎn)子(包括嚙合型、切線型、同步轉(zhuǎn)子、四棱、六棱和八棱轉(zhuǎn)子)、液壓式頂栓、硬齒面?zhèn)鲃酉洹⒂不押讣夹g(shù)等，技術(shù)，在享有很高信譽。特別是公司經(jīng)過多年的技術(shù)積累和實踐，已建立了完善的煉膠機械的研發(fā)平臺，相關(guān)設(shè)計計算軟件、實驗機臺。加工工藝、檢測手段等齊全，是實力強的煉膠機械生產(chǎn)和供貨商。

根據(jù)國外煉膠機工藝的發(fā)展，串聯(lián)密煉機由于節(jié)能、環(huán)保、煉膠質(zhì)量好、節(jié)省操作場地、能夠煉白碳黑硬膠等優(yōu)點，輪胎企業(yè)已經(jīng)開始試驗這種煉膠工藝，已對串聯(lián)密煉機提出了要求，另外，在新掀起的低溫節(jié)能煉膠工藝中，串聯(lián)密煉機也有重要的作用，可以成為白碳黑等難以混煉、難以分散、硬度較高的煉膠工藝中的一種上佳設(shè)備，我公司與輪胎制造用戶進行了廣泛的交流與合作，進行了串聯(lián)密煉機煉膠工藝和技術(shù)的跟蹤研究，主要了解了串聯(lián)密煉機的主要生產(chǎn)工藝和技術(shù)參數(shù)要求，各設(shè)備需要的功能和環(huán)境要求等。確定了串聯(lián)密煉機上位機和下位機、擠出壓片及膠片冷卻機的主要技術(shù)參數(shù)和控制要求，從滿足工藝要求出發(fā)，配置產(chǎn)品的水平和檔次，并經(jīng)過多次的工藝試驗等，基本掌握了串聯(lián)密煉機煉膠的主要技術(shù)要求和裝備性能要求，完成了串聯(lián)密煉機及生產(chǎn)線的整體方案設(shè)計，目前正在進行工程圖紙設(shè)計，可以滿足橡膠和輪胎加工企業(yè)用戶的新的煉膠工藝需求。

二、外現(xiàn)狀、市場調(diào)查和需求預(yù)測

隨著新工藝和新配方的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新特征的膠料(例如加入白碳黑和硅烷偶聯(lián)劑的膠料)。這些膠料主要有兩個新的特征，一是對溫度敏感，二是煉膠過程中會產(chǎn)生大量水汽，對設(shè)備有一定的腐蝕性。為了滿足大規(guī)模橡膠加工，適應(yīng)特殊工藝要求，提高煉膠質(zhì)量，解決低效和排汽問題。國外橡膠機械企業(yè)首先發(fā)明了雙工位串聯(lián)組合式密煉機，以復(fù)合方式取代以前單工位密煉機作用方式，將升溫混煉和恒溫反應(yīng)兩個工藝階段安排在兩個容積不同的工位上完成。雙工位串聯(lián)組合式密煉機主要由三部分組成，部分是上工位完整的傳統(tǒng)密煉機，部分是下工位去掉上頂栓的密煉機，第三部分是上、下工位密煉機連接起來的連接料筒。上工位采用容量小填充系數(shù)大的密煉機，下工位采用容量大填充系數(shù)小的密煉機，通過提高散熱性來減慢生熱速度，保證下工位的恒溫反應(yīng)，上工位采用普通低溫轉(zhuǎn)子，下工位采用快速吃料型低溫轉(zhuǎn)子。主要還是應(yīng)用在大產(chǎn)量的密煉機組上。

近年來，橡膠煉膠行業(yè)的發(fā)展新趨勢是努力使橡膠機械產(chǎn)品向節(jié)能、降耗和環(huán)保的方向發(fā)展，特別是在研發(fā)代表當(dāng)前煉膠設(shè)備發(fā)展主流方向的一步法煉膠設(shè)備上邁出了積極的步伐，串聯(lián)式密煉由于其比原有的密煉機提高煉膠效率，節(jié)省能源等有點，已被企業(yè)認識到，開始尋找串聯(lián)式密煉機的生產(chǎn)廠家，已有生產(chǎn)企業(yè)開始研發(fā)串聯(lián)密煉機，該串聯(lián)式密煉機主要用大生產(chǎn)量煉膠生產(chǎn)廠家或煉膠中心。據(jù)有關(guān)資料介紹，采用串聯(lián)式密煉機生產(chǎn)效率可意提高50%以上，節(jié)約電能60%以上，極大地提高了膠料的分散性和均勻性，從而大大提高輪胎的使用壽命。相對于原有的煉膠生產(chǎn)線，采用串聯(lián)式密煉工藝可以較少密煉機的數(shù)量，提高煉膠效率，減少廠房投資和設(shè)備投資約30%，這樣的優(yōu)勢，很快會在橡膠和輪胎行業(yè)推廣和普及，市場需求很快興起。

三、技術(shù)可行性分析

1、 課題研究與開發(fā)論述

1.1、主要研究與開發(fā)內(nèi)容

本課題主要研究內(nèi)容是：開發(fā)一條、節(jié)能、環(huán)保串聯(lián)密煉機及生產(chǎn)線。該密煉機生產(chǎn)線是由一臺帶有上頂栓密煉機(上位機)與下方一臺不帶上頂栓的大容量密煉機、加擠出壓片和膠片冷卻的聯(lián)合煉膠裝置組成。將升溫混煉和恒溫反應(yīng)兩個工藝階段安排在兩個容積不同的工位上完成。

在上位機以相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速和上頂栓壓力進行混煉，然后膠料不經(jīng)存放直接放到下位機，在下位機完成完成冷卻和終煉。因為下位機是無上頂栓的密煉機，且填充系數(shù)很低，通常在0.4左右，因此要采用嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機，才能實現(xiàn)無壓下的自喂料，達到良好的煉膠效果。起到進一步冷卻和補充煉膠作用。后下位機排放的膠料在開煉機或擠出壓片出片。

這次研究開發(fā)的方向是上位機采用320L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機，下位機采用無上頂栓的580L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機。實現(xiàn)項目研發(fā)產(chǎn)品替代進口，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。該項目研制成功后將填補空白，主要技術(shù)指標(biāo)達到世界前沿技術(shù)水平，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.2、 主要技術(shù)參數(shù)

a)上位機：XMN-320×(5—50)Y 密煉機

密煉室總?cè)莘e：332L

密煉室填充系數(shù)：0.65

轉(zhuǎn)子形式：節(jié)能嚙合型

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：5—50r/min

轉(zhuǎn)子速比：1：1

上頂栓對膠料單位面積壓力：0—0.6mpa

主電機功率：AC1400kw

b)下位機：XMN-580×(5—50)Y 密煉機

密煉室總?cè)莘e：590L

密煉室填充系數(shù)：0.37

轉(zhuǎn)子形式：節(jié)能嚙合型

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：5—50r/min

轉(zhuǎn)子速比：1：1

主電機功率：AC800kw

1.3、 主要技術(shù)關(guān)鍵

a)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子間呈嚙合狀態(tài)，轉(zhuǎn)子外形采用CAD三維造型，CAM數(shù)控加工，保證了轉(zhuǎn)子正確的嚙合間隙，轉(zhuǎn)子間嚙合作用增強。壓砣下表面與卸料門表面均為半徑與密煉室半徑相同的雙圓弧面，增大了轉(zhuǎn)子棱與密煉室煉膠的包角。

b)國外公司密煉室的典型結(jié)構(gòu)是上下剖開的八件所組成(前后混煉室兩件、左、右下邊支架兩件、上支架四件)，而本機臺設(shè)計，考慮到我廠設(shè)計生產(chǎn)密煉機的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝條件，大膽采用了四件式混煉室結(jié)構(gòu)(前后混煉室兩件，左、右邊支架兩件)，而整體落地式邊支架具有更佳的強度、剛度和精度，且大大簡化了鑄造，機械加工和裝配的工作量。

c)轉(zhuǎn)子由合金鑄鋼的轉(zhuǎn)子體與鍛鋼長軸熱裝而成的。轉(zhuǎn)子的強度和剛度大大提高。轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔為單向螺旋槽強制循環(huán)冷卻，冷卻水直接通過各個棱的空腔內(nèi)，冷卻效果好。

d)轉(zhuǎn)子由雙向推力調(diào)心軸承承受軸向力并確定軸向位置，了雙列向心滾子軸承的受力情況，提高了其使用壽命，軸承處及轉(zhuǎn)子端面密封處設(shè)有測溫電阻以監(jiān)測軸承和密封圈的溫度。

e)的冷卻。密煉室內(nèi)壁及卸料門均為鉆孔冷卻，壓砣，、前、后轉(zhuǎn)子、擋圈均通水冷卻，能有效帶走煉膠過程中產(chǎn)生的熱量。

f)的抗磨。轉(zhuǎn)子工作表面、密煉室內(nèi)壁，卸料門表面均堆焊耐磨硬質(zhì)合金，壓砣及其它與膠料接觸面采用硬化處理。

g)主驅(qū)動用高壓交流電機變頻技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的無級調(diào)速。高壓變頻裝置針對電網(wǎng)特殊設(shè)計，能夠更大限度的提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，使設(shè)備在不加任何功率補償設(shè)備的情況下，功率因數(shù)接近1。因此高壓變頻密煉機功率因數(shù)，諧波污染少，相應(yīng)設(shè)備發(fā)熱較少，電機效率達到，節(jié)能效果。

h)上頂栓采用液壓式(我公司專利技術(shù))，上、下行平穩(wěn)可靠，可根據(jù)煉膠工藝要求無級調(diào)壓。轉(zhuǎn)子端面密封裝置采用液壓式密封，且密封比壓可調(diào)，密封可靠。液壓驅(qū)動下落式卸料門，采用雙齒條驅(qū)動，運行平穩(wěn)、可靠，開閉時間短。卸料門鎖緊采用曲拐式鎖緊，鎖緊力強，卸料快、密封好。

i)整個生產(chǎn)線實現(xiàn)膠料混煉生產(chǎn)工作的全自動化，從而提高了生產(chǎn)效率，采用可編程控制器和觸摸屏來控制整個操作自動化，提高煉膠合格率?，F(xiàn)場可實現(xiàn)手動操作及自動控制的切換;同時具有完善的報警系統(tǒng)。

1.4、 主要創(chuàng)新點及效果

a)新型節(jié)能嚙合型轉(zhuǎn)子的研發(fā)

上、下位機均采用結(jié)構(gòu)的節(jié)能嚙合型轉(zhuǎn)子。依靠我公司生產(chǎn)設(shè)計密煉機50余年的經(jīng)驗完全獨立自主開發(fā)設(shè)計。轉(zhuǎn)子的研制是核心部分，由于兩轉(zhuǎn)子在設(shè)計的三維間隙下互相嚙合旋轉(zhuǎn)，對轉(zhuǎn)子嚙合棱工作表面的精度要求，遠高于傳統(tǒng)的相切型轉(zhuǎn)子，因此轉(zhuǎn)子的嚙合參數(shù)、轉(zhuǎn)子各棱工作曲面的設(shè)計，均應(yīng)用CAD三維立體造型設(shè)計。在確保密煉室有效總?cè)莘e和轉(zhuǎn)子機械強度前提下，由二維平面設(shè)定，初步計算到三維立體造型，創(chuàng)成轉(zhuǎn)子各部的輪廓曲面，來驗證二維初步設(shè)定的正確性，再由三維轉(zhuǎn)化到二維，求得各部截面的二維曲線，以驗證由CAM數(shù)控自動加工成形的終制品的正確性。相比傳統(tǒng)的嚙合型轉(zhuǎn)子，增強了兩個轉(zhuǎn)子間的嚙合作用，轉(zhuǎn)子的受力情況更加合理，由過去的單一向一側(cè)的推力改為了兩側(cè)力的平衡，有助于提高密封裝置的壽命。單向螺旋冷卻水面積更大，更接近轉(zhuǎn)子表面，可有效帶走煉膠中產(chǎn)生的熱量，有效地控制膠料溫升和排膠溫度，提高生產(chǎn)效率。

b)變頻技術(shù)的應(yīng)用

主驅(qū)動電機采用我公司自主研發(fā)設(shè)計的高壓交流電機變頻技術(shù)，相比于直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，具有節(jié)能降耗，維護簡單等優(yōu)勢。

2、課題技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)品可靠性論述

我公司具有30多年研制和生產(chǎn)密煉機的歷史，密煉機的整體性能已達到水平，。炭黑分散度、制品品質(zhì)及均一性和產(chǎn)能等關(guān)鍵指標(biāo)可與同期進口設(shè)備相媲美。各關(guān)鍵件的材質(zhì)組分、加工及檢查手段，與國外無明顯差異，如關(guān)鍵件的合金堆焊工藝為，;核心技術(shù)液壓上頂栓、同步及六棱轉(zhuǎn)子和大型密煉機主電機變頻控制為，與進口產(chǎn)品相當(dāng)。產(chǎn)品均按歐盟CE標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計制作，外觀緊湊整潔，標(biāo)識明顯，操作性能優(yōu)異。擁有幾十項密煉機的專利技術(shù)。

2004年繼成功地研制開發(fā)出臺270L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機開始，之后又陸續(xù)開發(fā)了90L、135L、160L、190L、430L、580L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機，目前售出幾十臺，用戶使用情況良好。

、節(jié)能、環(huán)保串聯(lián)密煉機生產(chǎn)線是以320L、580L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機作為主機，具有的節(jié)能型轉(zhuǎn)子技術(shù)，核心液壓上頂栓技術(shù)、變頻技術(shù)、合金硬化處理技術(shù)等技術(shù)于一身的高新技術(shù)產(chǎn)品。

四、實施課題所需條件及解決措施

a)應(yīng)用計算機仿真技術(shù)對密煉機煉膠過程的流程進行動態(tài)模擬，包括密煉過程溫度場的模擬、轉(zhuǎn)子外形輪廓的變化、煉膠壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等對煉膠的影響等方面，為、節(jié)能、環(huán)保密煉機生產(chǎn)線的設(shè)計與模擬放大提供自主創(chuàng)新的平臺。

b)建立煉膠實驗室，配備必要的實驗設(shè)備、檢測儀器和人員。對公司現(xiàn)有各類型轉(zhuǎn)子進行煉膠試驗，積累包括密煉過程溫度場的模擬、轉(zhuǎn)子外形輪廓的變化、煉膠壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等對煉膠質(zhì)量的影響等方面數(shù)據(jù)，總結(jié)現(xiàn)有轉(zhuǎn)子對煉膠的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果不斷修正計算機仿真模型。

c)根據(jù)前兩方面的結(jié)果設(shè)計新型節(jié)能嚙合型轉(zhuǎn)子，再經(jīng)過試驗驗證。同時研究新的轉(zhuǎn)子鑄造技術(shù)、加工技術(shù)、合金堆焊技術(shù)、檢測技術(shù)、機電、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)、聯(lián)鎖控制和在線監(jiān)測技術(shù)。對、節(jié)能、環(huán)保密煉機生產(chǎn)線的研發(fā)設(shè)計、加工工藝、生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試等全過程進行質(zhì)量監(jiān)控。

五 課題實施方案

1、研究與開發(fā)技術(shù)方案

、節(jié)能、環(huán)保串聯(lián)密煉機生產(chǎn)線是由一臺帶有上頂栓的密煉機(上位機)與下方一臺不帶上頂栓的大容量密煉機(下位機)、一臺擠出壓片機和一臺膠片冷卻機和輸送裝置的聯(lián)合煉膠裝置組成。將升溫混煉和恒溫反應(yīng)兩個工藝階段安排在兩個容積不同的工位上完成。上位機可以是嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機，也可以是切線型轉(zhuǎn)子密煉機，通常在上位機以相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速和上頂栓壓力進行混煉，然后膠料不經(jīng)存放直接放到下位機，在下位機完成冷卻和終煉。因為下位機是無上頂栓的密煉機，且填充洗漱很低，通常在0.4左右，因此要采用嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機，才能實現(xiàn)無壓下的自喂料，達到良好的煉膠效果。做好下位機排放的膠料擠出壓片機上進行通常方法的操作。

2、主要方案及工藝流程

整條生產(chǎn)線上位機是320L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機、下位機為580L嚙合型轉(zhuǎn)子密煉機、一臺擠出壓片機、一套膠片冷卻裝置、輸送裝置和其他輔助設(shè)備組成。