开放式炼胶机（炼胶机）
―Mill―Mühle
第一节
本章的教学目的、要求、重点、难点及相关要求
§1－1 本章的教学目的与要求
通过本章的学习，使同学们掌握开炼机的主要用途、工作原理、主要结构及设计过程，特别是主要零部件设计思路和方法，熟悉机台操作方法及相关特点，了解关键部件加工方法，培养在橡胶机械生产过程能独立设计开炼机和在橡胶加工过程中能自己正确使用和指导工人正确使用开炼机的工程技术人员。
§1－2 本章的重点、难点及要求
重点：开炼机工作原理、强化炼胶的条件、关键部件设计思路和方法。
难点：机台各部件结构及原理、关键部件的设计、参数的选用、机台加工方法。
要求：（1）要求同学们掌握开炼机的重要用途，分类方法，工作原理，主要结构及其区别，横压力及相关概念，辊筒及主要部件设计方法，受力分析及相关结构，强化炼胶的条件。
（2）要求同学们熟悉塑炼、混炼等工艺概念，开炼机基本结构，操作方法，规格表示及主要技术特征，关键部件的设计过程，设计过程中的参数选择，传动方式及电机的选择。
（3）要求同学们了解当代炼胶车间的特点，横压力、传动功率、产量的计算方法及其区别，开炼机组装过程。
（4）要求同学们自学课堂上未讲的书本内容。
§1－3 辅助教学情况
多媒体+板书
§1－4 授课内容
1 开炼机概述（分类、用途、基本结构、工作原理、技术特征等）。
2 开炼机的主要性能参数（辊筒直径和长度、辊距、速比、接触角、横压力、传动功率、生产能力等）。
3开炼机的传动系统（传动型式、电机选择等）。
4开炼机主要零部件的设计（辊筒、辊筒轴承、机架与横梁、调距装置、安全与制动装置、挡胶板及翻胶装置等）。
§1－5 主要外语词汇
开炼机——mill
辊筒——mill roll
包辊（现象）——mill
banding
橡胶——rubber
塑炼——milling
薄通——mill run
混炼——mixing， blending
热炼——mill warm-up
横压力——horizontal pressure
辊距——mill clearance
挡胶板——mill
cheek
翻胶装置——mill
blender
开炼机辊筒速比——mill
roll ratio
接料盘——mill pan
轴承——bearing
冷硬铸铁——chilled cast iron
划胶刀——mill knife / mill
blade
开炼机容量——mill
batch / mill cpacity
§1－6 作业
1. 了解当代炼胶车间的特点。
2. 掌握开炼机主要用途及分类方法。
3. 掌握塑炼、混炼、压片、供胶及热炼等工艺的概念及他们之间的区别，分别采用什么方法可以达到目的。
4. 了解开炼机基本结构，掌握几种典型的开炼机的主要区别。
5. 掌握开炼机的工作原理。
6. 掌握开炼机强化炼胶效果应具备的条件。
7. 了解开炼机规格表示方法和主要技术特征。
8. 掌握横压力的概念及其影响因素。
9. 了解横压力计算的几种方法及其区别。
10. 掌握开炼机功率消耗的特点。
11. 了解开炼机传动功率几种计算方法及其区别。
12. 了解开炼机产量计算方法及其影响因素。
13. 掌握开炼机辊筒的作用、要求、所用的材料、结构和分类方法以及辊筒受力分析计算方法。
14. 掌握开炼机辊筒轴承的作用、位置、类型及润滑方法。
15. 掌握开炼机辊筒调距装置的作用、位置、调整范围、分类及其具体结构。
16. 了解开炼机的传动型式以及电机选择要求。
17. 了解开炼机的组装过程。
§1－7
参考教材或资料
1、《聚合物加工原理》Z.塔德莫尔等编著 耿孝正等译 化学工业出版社
2、橡胶机械（苏联）
4、相关杂志，例如：《橡塑技术与装备》、《橡胶工业》、《世界橡胶工业》、《特种橡胶制品》、《Rubber World》等等。
炼胶设备是橡胶工业中的通用设备，在所有橡胶制品加工中都必须经过炼胶加工工序。因此，炼胶设备是橡胶机械中重要的设备之一。目前的炼胶设备主要有开炼机、密炼机（间歇式生产，目前通用），连续混炼挤出机（连续式生产，橡胶方面正在研究之中，塑料方面已工业化）。本章主要学习炼胶设备之一开炼机。
在橡胶工业中，混炼车间是整个行业的核心，是橡胶工厂最重要的部门，也是能源消耗大户，占全厂40%，也是目前重点节能的部门或工序之一。它包括烘箱、切胶机、开炼机、密炼机及其辅机。近年来，国外橡胶工业有了迅速的发展，不仅在各个加工技术方面有相当的进步，而且设备方面有很大的发展，广泛地应用电子计算机管理和控制炼胶作业，大大地提高了炼胶系统地自动化水平，同时也引起了炼胶系统的变化。
多年来，国外对炼胶系统的技术改革实践证明：首先改革炼胶机及其装置，并使之现代化，以取得较高的劳动生产率、较高的效率和炼胶作业最佳化，才能真正实现炼胶系统技术创新。经过多年的改革，当代炼胶系统尤其是轮胎厂的炼胶系统已发展成自动化水平较高的工程系统。
当代炼胶车间（milling room）的特点
1）中心化
大的橡胶或轮胎厂都有或正在筹建大型、集中的炼胶中心。
2）使用大容量的炼胶设备
优点：①可减少炼胶车间设备台套数，可减少炭黑等材料的泄漏点；同时可提高生产效率，降低能耗，降低生产成本；②可提高胶料质量稳定性，机台减少，单台容量加大，从而减少批次数量，可以保证胶料质量稳定性；③有利于设备控制现代化。
3）采用双螺杆挤出机代替开炼机压片
优点：无泄漏、效率高、劳动强度低、胶料质量好。
4）实行计算机和网络远程管理
设有监控装置，可使操作人员和管理人员在办公室作异地了解和控制炼胶设备的运行。
5）胶料生产线机械化、联动化、自动控制水平越来越高.。
§2－1 开炼机的发展动向
开炼机全称开放式炼胶机，是橡胶工业中的基本设备之一，也是三大炼胶设备之一，它是橡胶工业中使用最早，结构比较简单的最基本的橡胶机械。早在1820年就出现了人力带动的单辊槽式炼胶机。双辊筒炼胶机于1826年应用在橡胶加工生产中，至今已有180多年的历史。我国设计制造大型开炼机始于1955年。近五十年来开炼机的设计和制造水平有了很大提高。近几年来国产新型结构开炼机不断的涌现。有力地促进了开炼机地发展。到目前为止，国产开炼机已成为系列，并完成了部分规格的定型设计工作，并已出口国外。
随着橡胶工业的不断发展，开炼机在逐步的完善和不断的更新。在自动化流水混炼作业线中，由于挤出压片机、密炼机和连续混炼机等设备的应用和发展，开炼机的使用范围已显著缩小，但在中、小型工厂中，特别在再生胶和小批量特殊胶种以及胶料的生产中，应用仍较为普遍。国外人士认为，密炼机并没有代替开炼机，密炼机只是制造出接近完成的胶料，而以后的加工，最好还是用开炼机去继续完成。国外开炼机系列近年来都无多大变化，结构上已趋于定型，只不过是在零部件方面不断创新。其发展的动向是提高机械化自动化水平，改善劳动条件，提高生产效率，减小机台占地面积，完善附属装置和延长使用寿命等方面。
今后发展方向：
①控制方面，实现自动化操作，改善劳动条件
②调距方面
③轴承方面
④安全装置（全方位刹车）
⑤传动方面，采用双出轴
⑥辊筒的材质及铸造方法。
§2－2 开炼机的用途与分类
先讲几个工艺的基本概念
1.塑炼（milling）：把弹性生胶转变成可塑状态的工艺加工过程。
特征：分子量降低，弹性降低，可塑性增大，流动性好，永久变形增大等。
2.混炼（mixing， blending）：将各种配合剂混入生胶中制成质量均匀的混炼胶的工艺过程。
3.压片（mill sheeting）：根据工艺要求，在开炼机上把胶料压成一定的宽度和厚度的工艺过程。
4.供胶：根据工艺要求，在开炼机上把压成一定的宽度和厚度的胶料，送到下一步工艺（挤出、压延）的工艺过程。
5.热炼（mill warm-up）：根据工艺要求，在开炼机上把胶料加工成一定的温度和可塑度，并送到下一步工艺（热喂料、压延）的工艺过程。
一、用途
开炼机主要用于：
1.生胶的塑炼、破碎、洗涤、压片；
2.胶料的混炼、压片以及胶料中的杂质清除；
3.混炼胶的热炼、供胶；
4.再生胶的粉碎、混炼、压片。
此外，它还广泛应用于塑料加工和油漆颜料工业生产中。
从目前来看，开炼机的用途还是很广泛的，现在在许多方面用密炼机可以代替，但开炼机仍有实际意义。
1.在中、小型厂是必备的设备。因为密炼机的投资大，而且密炼机的用途不如开炼机的广泛。
2.某些对热敏性强的混炼胶可避免早期硫化，而便于散热，必须用开炼机混炼。
3.某些生产厂家混炼各种不同颜色的胶料，只用开炼机便于清洗。
4.特殊用途橡胶，如丁腈加强胶
二、类型
由于工艺用途不同，其结构也有差异，为满足工艺操作的要求，一般按其用途来分，如下表：
|
类型 |
混面形状 |
主要用途 |
|
混（塑）炼机 |
光滑 |
生胶塑炼、胶料混炼 |
|
压片机 |
光滑 |
压片、供胶 |
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热炼机 |
光滑或沟纹 |
胶料预热、供胶 |
|
破胶机 |
沟纹 |
破碎天然胶块 |
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洗胶机 |
沟纹 |
除去生胶或废胶中的杂质 |
|
粉碎机 |
沟纹 |
废胶块的破碎 |
|
精炼机 |
腰鼓形 |
除去再生胶中的硬杂质 |
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再生胶混炼机 |
光滑 |
再生胶粉的捏炼 |
|
烟胶片压片机 |
沟纹 |
烟胶片压片 |
|
绉片压片机 |
光滑或沟纹 |
绉片压片 |
|
实验用炼胶机 |
光滑 |
各种小量胶料实验 |
§2－3 开炼机基本结构
――Main Composition of mill
开炼机主要由辊筒、轴承、机架、压盖、传动装置、调距装置、润滑系统、辊温调节装置和紧急制动装置等组成（见下图）。开炼机虽然大小不同，但其基本结构都是大同小异的。
下面我们要了解几种不同结构的开炼机
5.下面是一个开炼机的三维动画
§2—4 开炼机的工作原理
开炼机为什么能够把高弹性的生胶转变为具有可塑性状态的塑炼胶呢？如何把橡胶与各种配合剂均匀混合在一起？这是因为开炼机在炼胶过程中主要是依靠两个相对回转的辊筒对胶料产生挤压、剪切作用，经过多次捏炼，以及捏炼过程中伴随的化学作用，将橡胶内部的大分子链打断，使胶料内部的各种成分掺和均匀，而最后达到炼胶的目的。从辊筒间隙中排除的胶片，由于两个辊筒表面速度和温度的差异而包覆在一个辊筒上，重新返回两辊间，这样多次往复，完成炼胶作用。在塑炼时促使橡胶的分子链由长变短。弹性由大变小；在混炼时促使胶料各组分表面不断更新，均匀混合。在间歇操作的开炼机上，加料后胶料反复通过辊距数次，最后切割下片。如图2－2所示。在用作连续操作的开炼机上，胶料从辊筒的一端连续的加入，按炼胶工艺规定的时间反复通过辊筒数次，从辊筒的另一端连续切割所要求胶条。如图2－3所示。那么，胶料在开炼机上加工时，应具备哪些条件才能得到良好的炼胶效果呢？我们将从两个方面进行讨论，即分别从力学角度和流变学角度加以讨论。
图2－2 间歇炼胶过程图
1－加料 2－捏炼 3－切割胶料
图2－3 连续炼胶过程图
1－切胶刀 2－带状胶条
一、从力学方向来研究胶料进入辊距的条件
在炼胶操作时我们可见，当胶料包覆一个辊筒后两辊筒间还有一定数量的堆积胶，这些积胶不断被转动的辊筒带入辊隙中去，而新的积胶又不断形成。这些堆积胶对炼胶效果的影响是很大的。若堆积过多，过多的堆积胶便不能及时进入辊隙，只能原地轻轻抖动，此时炼胶效果显著下降；若堆积胶过少，则不能形成稳定连续的操作。可见，确定适量的堆积胶是必要的，为此就需要引入一个称之为接触角的概念。如图2－4所示。所谓接触角，即胶料在辊筒上接触点a与辊筒断面圆心连线和辊筒断面中心线的水平线的交角，以α表示。胶料能否进入辊隙，取决于胶料与辊筒的摩擦系数和接触角的大小。
以胶料为研究对象，以接触点A点作为边缘研究点，在炼胶过程中，胶料对辊筒产生径向作用力（合力）——即横向压力，用P表示，反过来，根据作用力与反作用力的关系，辊筒对胶料产生一个大小相等、方向相反的作用力——横压力的反作用力，用F表示。把这个力分解成一个水平作用力Fx和切向作用力Ft。
Fx的作用：是对胶料产生挤压作用，并使其产生变形；
Ft的作用：是把胶料推出辊距；
图2－4 胶料受力分析
另外，胶料与辊筒之间在运动过程中产生摩擦作用，即有摩擦力存在，胶料对辊筒的摩擦力用T'表示，方向背离辊距。反过来，辊筒对胶料的摩擦力，用T表示，方向进入辊距，它的作用是把胶料拉入辊距。
若想胶料进入辊距进行炼胶，只有
T>Ft
T－为摩擦力，应为T＝F·μ，F为正压力，μ为摩擦系数；μ＝tgφ，φ为摩擦角。
∴T＝F·tgφ
从图上可以看出，即从△FtFA得知
Ft＝F·tgα α为胶料接触角
又∵T>Ft
即有T＝F·tgφ> Ft＝F·tgα
即tgφ> tgα
∴有φ>α
从分析可知，只有当摩擦角φ大于接触角α时，胶料才能进入辊距。
只有这个条件满足时，才能保证正常炼胶。橡胶或胶料与金属辊筒的摩擦角φ与胶料成分及其配方、可塑度、炼胶温度及辊筒表面形状等有关。Φ=38~420，生胶与金属辊筒摩擦角φ=
二、从流变角度上主要研究：
1、胶料的挤压作用是如何产生的？以及与横压力的关系？
胶料在辊隙中得到强烈的挤压和剪切，如下图所示。挤压作用是由于胶料通过逐渐缩小的辊筒间距而产生，随着横压力的增大而挤压力增大。
2、胶料剪切作用是怎样产生的？以及剪切力的大小与谁有关系？
剪切作用是由于前、后辊筒有速比而产生，速比越大剪切力越大。
3、辊距大小对胶料的剪切作用以及对炼胶效果有无影响？
对同一机台来说，速比和辊筒线速度是一定的，可用减少辊距的方法来增加速度梯度，从而达到增加对胶料的剪切作用。如生胶的薄通塑炼，就是这个道理。速度梯度值大，炼胶的效果就好，特别对破胶及塑炼效果好。但对胶料剪切变形所需的能量增加时，胶料温度上升的块，所以要加强冷却。
4、炼胶过程中为什么要进行割胶、翻胶？
在炼胶过程中，将胶料进行切割对炼胶过程是十分重要的。根据流体力学的分析，炼胶过程胶料的流线分布如下图所示。
图2－5胶料流线的分布
在炼胶过程中，将胶料进行切割对炼胶过程是十分重要的。根据流体力学的分析，炼胶过程胶料的流线分布如图2－5所示。从图中可见靠近辊筒处胶料的流线与辊筒转动面平行。而在楔形断面开始处，有一个回流区域，形成两个封闭的回流线（即ψ－0线），当v1＝v2时，这两个封闭回流线对称分布，当v1<v2时，两个封闭回流线的中性面移向慢速辊筒一侧。可见当v1＝v2时，封闭回流线所受到的剪切作用较v1<v2时要小，影响了炼胶的效果。所以，大部分炼胶机都设计成两辊筒速度不同（v1≠v2），但仅速度不同也不能得到最佳的炼胶效果，这是由于v1≠v2时，楔形胶条仍然存在封闭回流。只有采用切割胶条的办法，促使胶料沿辊筒轴线移动，才能不断破坏回流，加速炼胶作用，取得良好的效果。
胶料在辊隙中得到强烈的挤压和剪切。挤压作用是由于胶料通过逐渐缩小的辊筒间距而产生，随着横压力的增大而挤压力增大；剪切作用是由于前、后辊筒有速比而产生，速比越大剪切力越大。
对同一机台来说，速比和辊筒线速度是一定的，可用减少辊距的方法来增加速度梯度，从而达到增加对胶料的剪切作用。如生胶的薄通塑炼，就是这个道理。速度梯度值大，炼胶的效果就好，特别对破胶及塑炼效果好。但对胶料剪切变形所需的能量增加时，胶料温度上升的块，所以要加强冷却。
三、强化炼胶效果，必须具备四个条件
经过上面分析讨论可知，要想完成炼胶操作及得到较好的炼胶效果，应实现下面四点：
1、使胶料摩擦角大于接触角（φ>α）以便把胶料带入辊距；
2、使前后辊速（线速度）不想等，以便对辊隙中的胶料进行强烈的挤压和剪切；
3、炼胶时，需要切割翻胶，以破坏胶料的封闭回流线，加强物料的分散效果；
4、炼胶过程中不断调整辊距，以改变速度梯度，提高炼胶效果。
§2－5 技术特征
一、规格表示
开炼机的规格用“辊筒工作部分直径×辊筒工作部分长度”来表示，如Φ550×1500，单位是毫米。我国部颁标准规定的表示方法是在辊筒直径数字之前冠以汉语拼音符合，以表示机台的用途。由于国产密炼机以成系列，且绝大部分前后辊筒直径相同，因此，国家标准规定了长径比，一般只用辊筒直径表示。如
XK－400：X表示橡胶，K表示开炼机，400表示辊筒直径；SK－400：S表示塑料，K表示开炼机，400表示辊筒直径；X（S）K－400：X（S）表示橡胶塑料通用，K表示开炼机，400表示辊筒直径。
对于一些特殊用途的专用开炼机，还要增加一个符合，如
XKP－400：其中P表示破胶机；XKA－400：其中A表示热炼机。
二、技术特征
机台的技术特征是我们比较关心的，因为我们在进行厂房设计时，机台的技术特征就显得比较重要，技术特征主要表明机器的性能参数，有些可在产品总目录及样本上查到，较详细的应找说明书。
对开炼机来讲，技术特征应包括：辊速、速比、功率、炼胶容量、辊距调整范围以及外形安装尺寸和传动方式等。国产炼胶机的规格与技术特征见下表。
|
炼胶机规格 （mm） |
速比 |
前辊线速度 （m/min） |
主电机功率 （kw） |
一次加料 （kg） |
用途 |
|
φ650×2100 φ550×1500 φ550×800 φ450×1200 φ400×1000 φ350×900 φ160×320 φ160×320 |
1～1.1 1.2～1.3 1.25～1.35 1.2～1.3 1.2～1.3 1.2～1.3 1.25～1.35 速比可调 |
32 28 26 24 19 17 10 可调 |
115 95 75 55 40 28 5.5 5.5 |
150 45～70 2000公斤/时 30～50 20～35 15～25 2 2 |
压片 塑炼、混炼、热炼 破胶 塑炼、混炼、热炼 塑炼、混炼、热炼 塑炼、混炼、热炼 实验用 实验用 |
第三节 主要技术参数
开炼机的主要技术参数确定是进行该设备设计的重要工作，有必要对开炼机的几个重要参数进行认真地讨论。
§3－1 辊筒工作表面的直径与长度
辊筒是开炼机的主要工作零件。它的工作表面直径和长度是表示设备规格和生产能力的重要参数之一。
目前，开炼机的辊筒工作表面直径和长度已由国家进行了标准化。
D ，L ,加工能力
，产量 Q ，
当D一定，L ，辊筒变形
，挠度 ，安全性 。
对开炼机来讲，主要用于胶料的粗加工，横压力变大，因此，在辊筒设计时，必须保证足够的强度和刚度。
§ 3-2 辊筒的辊距
一、定义:两辊筒表面的最小距离称之为辊距。单位用mm,me表示。
二、影响因素
辊距e大小对开炼机消耗功率N、炼胶量、和炼胶效果都有影响。
在一定范围内，辊距e越大，胶料通过辊的变形功越大，消耗的功率N越大，模压力P越大。
辊距e越大，胶料通过辊距的变形功越小，消耗的功率N越小，模压力P越小。
与此同时，辊距e越大，通过辊矩的胶料数量增加，消耗的功率N就有增加的趋势。
§ 3-3辊筒回转速度、速比和速度梯度
一、辊筒回转速度
1、定义：辊筒回转速度，常以辊筒表面的线速度V（m/min）来表示，或以辊筒的转速（1/rad)来表示。
2、影响因素
辊速大小主要取决于开炼机的规格和设备的机械化水平。规格越大，机械化水平越高，线速度就越大。
V越大，Q越大，N越大，P越大，T上升快，必须解决冷却问题。
V越小，Q越小，N越小，P越小，T上升缓慢。
二、速比f
1定义：开炼机辊筒的速比即是主动辊（后辊）与其被动（前辊）筒的线速度之比。一般用f表示，即
f=
式中： f-两辊筒的速比
v1、v2-分别表示后辊筒和前辊筒的线速度，单位m/min。
2、影响因素
速比是开炼机的主要参数之一，它直接影响到炼胶效果、开炼机的功率消耗，以及机台的结构，所以选择速比时要合理。为了保证操作者的安全，一般将后辊筒的速度选的快一些，前辊筒慢一些，这样，根据定义，f一般是一个大于1的数。
3、具体值：根据炼胶机的用途不同，其速比也有变化，其值为：
塑炼、混炼 f=1.2~1.3,一般是i>i。
压片 f=1.0~1.1。热炼f＝1.20~1.50。
三、速度梯度
1、定义：由于开炼机两辊筒的线速度不等（速比f≠1）,所以胶料在辊隙间的运动是变化的，（即产生速度变化）与后辊接触的胶料比与前辊接触的胶料运动快，所以我们把两辊线速度之差同辊距之比称为速度梯度，即
V梯 =
式中 --速度梯度(l/min)，e--辊距(m)。
2、影响因素
从上式我们看到，速度梯度受到前辊线速度、速比以及辊距的影响。
速比增加，速度梯度增加。
前辊筒速度越大，速度梯度越大。
辊距越小，速度梯度越大。
对于一台开炼机来讲，因速比、前辊筒速度都是常数（或仅有几个变化），所以，这时速度梯度仅是e的函数，要改变速度梯度通过改变e是非常有效的。
3、优缺点
从实践中知道，增加速度梯度，胶料所受的剪切作用加强，能够强化炼胶，提高炼胶效果，对提高质量是有利的，但速度梯度增加过大，由于剪切作用强，摩擦生热快，胶料温度T也随之上升，这样，胶料粘度下降，对提高炼胶质量不利。所以速度梯度不能取很大，也不能取的过小，据一般资料介绍，对于胶料的塑炼、混炼一般取=7500/min左右为最佳。
实际操作可根据工艺要求，在不致产生焦烧的情况下，可短时间内减小辊距。开炼机的速度梯度规定如下：
|
用途 |
计算速度梯度的辊距e |
梯度值 |
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塑炼、混炼、热炼、压片 |
|
1500~2200/min |
|
|
试验用小规格开炼机用 |
1500/min |
|
|
生产用大规格开炼机用 |
2200/min |
|
破碎、粉碎 |
1.5(破碎)、2（粉碎） |
7500/min |
§ 3-4接触角
接触角即是二辊筒断面中心的连线和胶料在辊筒上接触点至辊筒断面中心连线的夹角，一般用α来表示。
在同一台炼胶机上，接触角α与一次炼胶量有关。
炼胶量增加，α增大。
炼胶量减少，α减小。
§ 3－5 横压力
一、横压力的概念
1、定义：
胶料通过辊隙时，胶料对辊筒产生径向作用力和切向作用力（接触应力）。如图所示。
径向作用力：Q＝f（y），它力图使两辊筒分离，其方向垂直于辊面，其大小从y4y4→y1y1截面渐增，从y1y1→－y1－y1截面又平滑下降，在y1y1截面为最大值，在y4y4和－y1－y1截面为零。径向作用力的分布如图中的虚线所示。
切向作用力：τ＝f（y），它力图使胶料拉入辊隙中，其方向取决于胶料的运动速度，其大小从y4y4→y1y1截面由零经最大到零，从y1y1→－y1－y1截面又由零经最大到零，由于在y1y1截面上、下胶料与辊面的相对运动方向不同，故二次出现的峰值相反。切向作用力的分布如上图中的实线所示。
胶料在辊隙间对辊筒产生的径向作用力亦即横压力，又称分离力。
横压力是机械专业进行强度计算的原始数据，也是分析胶料所受压力作用和剪切作用的原始数据，通过分析它，使我们可以合理的制定操作工艺，合理地利用机台，提高经济效益。
2、分布与效应
横压力是开炼机的主要参数，在炼胶过程中，胶料在整个夹持弧上都产生对辊筒的径向作用力，而分布是不均匀的，随楔形断面的不断减小，横压力也在不断增大。由试验知，横压力的最大值在夹持弧的5～10 °上，径向作用力的合力作用点要根据实验来确定，合力作用线与水平线的夹角一般在5～10°范围内，推荐采用10°。横压力有使二辊筒分开的趋势，使辊筒产生弯曲变形。辊筒对胶料的径向作用力与胶料对辊筒的径向作用力大小相等，方向相反。如下图所示。
二、影响横压力的因素
横压力是开炼机的主要参数之一，它也受到许多因素的影响，因此我们必须了解其影响因素，对我们将来进行设计和分析设备机能很重要，辊筒横压力的大小，主要取决于胶料的性质、加工温度、辊距和辊筒线速度等。用函数式表示出来，即
P=F(T,V,D×L,e，t )
要从理论上定量的讨论是很困难的，使用时，只能从现有机台中确定几个参数后，由试验得来，在这里只能定性的分析：
（1）横压力P与辊温T的关系，当T增大，P减小；当T减小，P增大。
（2）横压力P与辊筒规格D×L，当D×L增大，P增大；当D×L减小，P减小。
（3）横压力P与炼胶时间t的关系,t越长；P越小。
（4）堆积胶的多少与横压力的关系，（实际用接触角也可）α越大，P越大；当α越小，P越小。
（5）胶料性质与横压力的关系，当胶硬度越大，P越大；
当胶硬度越小，P越小。如图2－13所示。例如硬胶料的混炼与热炼比天然胶塑炼的横压力要大。
（6）胶料温度与横压力的关系：温度越低，横压力越大
如图2－14所示。例如冷破胶比预热
（7）横压力P与辊距e的关系,
对于混炼胶来讲，当e增大，P减小；当e减小，P增大。
（8）辊筒工作线速度与速比对横压力的影响比较复杂
从流变学观点分析辊速越高，橡胶在短时间内变形，横压力应增加，但与此同时，如胶料温度亦升高，使横压力相对下降，二者相互抵消的作用，故横压力增加不大。如图2－16所示。例：在φ
三、横压力的分析
如下图所示，总横压力PP可分解为水平分力PPX和垂直分力PPY。
横压力水平分力PPX：PPX＝PP·cosβ 公斤
横压力垂直分力PPY：PPY＝PP·sinβ 公斤
若把辊筒工作部分纵长
PP＝P·L 公斤 （2－3）
式中 P——单位横压力，公斤/厘米；
L——辊筒工作部分长度，厘米。
辊筒上的总横压力，被辊筒两端的两个轴承承担，这样一个轴承的横压力，即为总横压力，即为总横压力的一半。
P‘P＝PP/2 公斤 （2－4）
式中 P‘P——一个轴承上的横压力，公斤。
在实际炼胶过程中最大横压力数值上是变化的。例如φ550×
四、横压力的计算
从理论上计算横压力，较早的方法是借助于辊压金属的理论来计算的，但它没有考虑胶料性质对横压力的影响，故计算结果与实际相差很远。后来曾采用相似论和因次分析的方法建立横压力计算公式。但若将实验研究机台所得结果应用到其他规格炼胶机上去，必须借助于转换系数。要准确的确定这个系数也是困难的。此外也曾采用建立在流体力学捏炼理论基础上的横压力计算法。由于它考虑了胶料的流变性能，较前述各种方法前进了一步。但因在计算中涉及流变系数，公式又很复杂，实际上应用仍有一定的困难。总之，由于橡胶本身所具有的性质所决定，要从理论上准确的计算横压力在目前来说还是困难的，有待进一步研究。这里介绍几种方法，以供参考。
1经验统计基础上的横压力计算
在实验统计的基础上，苏联A.H.库兹涅佐夫推荐用下列公式计算总横压力的最大值：
公斤 （2－5）
式中 PP——总横压力，公斤；
K——计算系数；
ƒ——速比；
v——后辊线速度，米/秒；
I——后辊指数，其值为D0/e；
D0——两辊平均直径，厘米；
е——辊距，厘米；
L——辊筒工作部分长度，厘米。
（2－5）式中计算系数K，库兹涅佐夫原推荐采用1.5，根据国内设计实践，可采用如下数值：
φ650×2100开炼机 K＝1.1～1.3 φ550×1500开炼机 K＝1.2～1.4
φ450×1200开炼机 K＝1.3～1.5 φ400×1000开炼机 K＝1.4～1.7
φ360×900开炼机 K＝1.7～2.5
上列计算系数是统计数据，供在计算时参考，可根据炼胶机用途具体分析选用。
2建立在胶料捏炼流体动力理论基础上的横压力计算
流体捏炼理论认为：在辊隙中的胶料看作非牛顿型流体。通过辊隙时呈粘性流动体流动。在推导计算过程中假设：由于胶料粘性很大，视通过辊隙的胶料为层流流动；靠近辊筒表面上的胶层与辊筒表面无滑动，在辊面处胶料的运动速度与辊筒线速度相等；通过辊距时胶料沿y方向流动速度近似相等；通过辊距的胶料等温、稳定流动；胶料进入或离开辊隙时压力等于零；胶料的重力与惯性力远比表面力小，故可忽略不计。
奈维－斯托克斯方程是该计算式的导出基础。在辊隙中流动的胶料可近似的用下式来表达：
这里，
式中 vy——垂直方向胶料的分速度；
vx——水平方向胶料的分速度；
P——胶料的压力；
μ效——胶料的有效粘度。参考上图。
在最大压力区域中， 即 为常数。把上式二次积分后得：
当x＝－e/2时，胶料速度v＝v1，当x＝e/2时，胶料速度v＝v2。由于v2/v1＝f，故v2＝fv1。再利用边界条件分别求出积分常数c1和c2，代入前式，整理后得：
按上式和胶料在辊距中的流速，可获得压力的微分方程式：
对上式积分，便可求出加料对辊筒的单位横压力P：
公斤/厘米 （2－6）
式中 P——单位横压力，公斤/厘米；
ƒ——速比；
μ效——胶料的有效粘度,公斤·秒·厘米2；
v1——前辊筒线速度，厘米/秒；
R——辊筒半径，厘米；
еk——辊距，厘米。
在应用（2－6）时，必须测得μ效的有效值。工程上，为简化计算引入一个剪切计算系数KP，KP＝f（τ）c，其中τ∝dv/dy，c为流变常数，故kP取决于胶料的性质和剪切速度梯度，在引入kP后（2－6）式可写为：
公斤/厘米 （2－7）
式中 D——辊筒直径，厘米；
kP——剪切计算系数。
对邵氏硬度为55～65度的胎面胶，通过实测取得kP值如下：
实验用开炼机 kP＝26.5
塑炼（混炼）机 kP＝17.0
压片机 kP＝12.0
破胶机 kP＝23.5
3建立在相似理论基础上的横压力计算
以相似理论为指导，利用因次分析的方法，通过大量的实验，研究加料对辊筒的横压力。对加工混炼的开炼机，计算横压力的方程式总的形式如下：
（2－8）
（2－9）
式中 PP——总横压力，公斤；
B——胶料的还原性；
M——胶料的柔软性；
γ——加料比重，公斤/厘米3；
D——辊筒直径，厘米；
L——辊筒工作部分长度，厘米；
е——辊距，厘米；
c1、c2、x1、x2、y1、y2、z1、z2、K1、K2——计算系数。
利用上述方程，根据实验和曲线分布分析找出各计算系数，可相应的得到横压力的计算方程式。
对天然胶：
公斤
公斤
对丁腈胶：
公斤
公斤
系数：丁腈－
丁腈－
对于其他牌号的橡胶也可求得类似的计算式。
五、横压力的确定
由于横压力是开炼机设计的基本参数，所以合理的选择横压力是十分重要的。
从前面的讨论中可见，从理论上准确的计算横压力是困难的。在设计时一般时所设计开炼机的规格和主要用途，根据实际资料选择单位横压力，再跟据辊筒工作长度去计算总横压力；另一种方法是按经验统计公式计算横压力，再对计算结果进行充分的分析对比，最后确定横压力，再一种方法是当所设计开炼机规格与所掌握的资料不符时，也可根据已知某种规格开炼机的横压力，按比例法拆算来考虑设计开炼机的横压力值。
横压力数值是用专门的测力计测量的，在实验研究中，为准确测取不同条件下的横压力，目前多彩用传感器、示波器系统测量和记录横压力。下图所示为具有三个传感柱销的测力计。柱销与测力顶盖3上的孔研磨配合，并感受胶料的压力。中央的
传感柱销与辊筒表面垂直，作用再弹簧环4上。环上贴有应变电阻丝，两旁的两个传感柱销6与辊筒2法向成30°角。感受材料的压力传递给弹性元件。而导向块7用于传感柱销导向。
§ 3－7 传动功率
传动电机功率是开炼机传动设计的一个主要依据。
一 、功率消耗的特点
1、在炼胶过程中，传动电动机的功率消耗是不均匀的。
在炼胶开始很短时间内达到最大值。其值常为工作数分钟后电动机负荷的2～3倍。这是由于炼胶开始时胶料为块状，弹性与硬度都较高，故必然消耗较大功率，随着炼胶时间的加长、胶料升温变软，功率消耗下降。如上右图所示。
φ650×
2、消耗的功率大。
炼胶车间是整个橡胶厂消耗电能最大的车间，占整个厂的40％～60％。
二、影响功率消耗的因素
影响功率消耗的因素是多方面的，也是比较复杂的。如辊筒直径、转速、速比、辊距、一次容量、胶料性质、炼胶温度、加工方法等。
1、辊筒线速度增大后，增加了单位时间内胶料的过辊次数，即增大了胶料变形次数，这样变形功增大。但在辊速增高时，如胶温升高胶料变软，使功率消耗有所下降；然而，辊速增大后，功率仍有所上升，如下左图所示。
2、辊距对功率消耗的影响是复杂的，一般情况下，辊距增大，胶料通过辊距时的变形减少，变形功小，功率消耗下降。同时，由于辊距增大横压力下降多，引起摩擦扭矩下降，功率消耗下降。φ160×320毫米开炼机混炼时，辊距与功率的关系，如上右图所示。
3、胶料的硬度越大，功率消耗越大。如前图所示。冷胶块比预热
单台传动的开炼机传动功率如下表所示。
|
规格 毫米 |
换算 系数 |
功率 马力 |
规格 毫米 |
换算 系数 |
功率 马力 |
|
300×300×660 |
1.0 |
20 |
450×450×1200 |
3.7 |
75 |
|
360×360×800 |
1.5 |
30 |
560×510×1530 |
4.5 |
100 |
|
400×400×1000 |
2.5 |
50 |
600×610×2130 |
5.0 |
150 |
三、功率的计算
由于影响传动功率的因素颇多，到目前为止，还没有一个十分准确的计算方法来计算开炼机传动功率。下面简要介绍几种方法，供设计时参考。
1按辊筒旋转阻力矩计算
辊筒旋转时产生的阻力矩，有两个：一个使克服胶料变形的阻力矩；另一个是克服摩擦阻力矩。而总阻力矩：
M＝M1＋M2 公斤•厘米
式中 M——辊筒旋转的总阻力矩，公斤•厘米；
M1——克服胶料变形的阻力矩，公斤•厘米；
M2——克服轴承摩擦阻力矩，公斤•厘米。
克服胶料变形的阻力矩：
M1＝PPx••D•sinβ 公斤•厘米
式中 PPx•——横压力水平力，公斤；
D——辊筒直径，厘米；
β——横压力合力角（10°）。
克服轴承摩擦阻力矩：
M2＝（P＋G）·d·μ 公斤•厘米
式中 P——横压力，公斤；
G——辊筒重力，公斤；
D——辊筒直径，厘米；
μ——轴承摩擦系数。
若两个辊筒平均转数为n（转/分），传动效率为η，则电动机功率为：
千瓦 （2－10）
式中 n——两辊筒平均转速，转/分；
η——机械传动效率（0.9）。
值得注意的，按（2－10）式计算的功率是最大值。实际选择电动机的功率应比上述计算值小1.5～2.0倍。
2、按胶料捏炼的流体动力学理论计算
捏炼的流体动力学理论认为：炼胶过程中功率消耗在克服胶料的剪切变形上，故可按混炼时胶料所产生的剪切应力来求出。
在变形轴的方向两辊筒的剪切应力按下述方程计算，参照上左图。
对慢速辊筒：
对快速辊筒：
式中 μ效——胶料的有效粘度,公斤·秒·厘米2；
е——辊距，厘米；
v1——慢速辊线速度，厘米/秒；
ƒ——速比；
δ——无因次系数，（δ＝еk/е）；
δ0——无因次系数，（δ＝е1/е）。
粘性摩擦力的阻力矩可按下式计算：
总扭矩为：
传动电动机功率按下式计算：
式中 a、a1、a2——计算系数，
L——辊筒工作部分长度，厘米；
R——辊筒半径，厘米；
C1、C2、t、t1、t2、E——经验系数；
K、n——流变系数。
系数a、E、k、n是根据具体条件决定的。为便于应用，这里令K＝3Ekan－1v1n－1，这样上式可写为功率的一般计算式为：
（ 2－11）
式中 K——计算系数。
计算系数K与胶料的性质和加工工艺条件有关，可由实验来确定。当最小辊距为
3、按经验公式计算
千瓦 （2－12）
式中 92——计算系数（天然橡胶）；
L——辊筒工作部分长度，米；
R——辊筒半径，米。
应指出（2－12）式对φ400×
但对φ360×900毫米以下规格的开炼机计算结果是偏高的。规格越小，差距越大。
千瓦 （2－13）
式中 v——前后平均线速度，米/分；
D——辊径，米；
L——辊筒工作部分长度，米。
由（2－12）、（2－13）式计算的功率为开炼机平均功率，炼胶过程功率峰值较大，故它可以作为电动机的额定功率。
4、按相似理论的计算
（1）天然橡胶
（2－14）
（2－15）
（2）丁苯橡胶
（2－16）
（2－17）
其中 CKC－30 K1＝0.115；K2＝0.0145
CKC－10 K1＝0.084；K2＝0.0140
（3）丁腈橡胶
（2－18）
（2－19）
其中 CKC－40 K1＝0.11；K2＝0.0195
CKC－26 K1＝0.10；K2＝0.020
式中 N——功率，千瓦；
γ——胶料比重，公斤/厘米3；
ω——辊筒回转角速度，1/秒；
D——辊径，毫米；
L——辊筒工作部分长度，毫米；
е——辊距，毫米；
ƒ——速比；
B——胶料还原性；
M——胶料柔软性。
上述公式的试验条件：辊筒直径D＝200～400毫米；辊筒工作部分长度L＝450～1050毫米；速比f＝1～3；辊筒线速度v＝6028～
四、功率的确定
由于影响功率的因素很多。上述计算方法都具有一定的局限性。但在某些条件下这样的计算又是可却的。因此，在设计时往往采用调查研究、分析对比的方法，把计算作为确定电动机功率的参考，综合各种条件最后确定电机的额定功率。
若有相同规格与型号的开炼机最好进行实际测量，根据测量结果，经过分析再选择电动机的功率。
五、电机的选择：
1.要求：
（1）启动力矩要大；
（2）转速要恒定；
（3）可以正反转；
（4）有耐超负荷的特性；
（5）封闭性能要好。
2、电机选择：
根据上述要求，一般选用Y、YR三相异步电动机。
§ 3－8生产能力
1、定义：单位时间内开炼机的产量称为开炼机的生产能力。以公斤/小时表示。
2、开炼机生产能力计算：
1）常用开炼机的生产能力可按下式计算：
公斤/小时 （2－20）
式中 Q——生产能力，公斤/小时；
q——一次加胶量，升；
γ——胶料的重度，公斤/升；
t——一次炼胶时间，分。
在进行机台选择计算时，还应乘以设备时间利用系数a，一般a＝0.85～0.90。
一次加胶量是指开炼机一次炼胶的数量。一次加胶量是否合理不仅影响生产能力，同时影响炼胶的质量。合理的加胶量，可根据胶料全部包覆在前辊上并在两辊间存在有一定数量的积胶来确定。下边的经验公式可作为确定一次加胶量时的参考。
升 （2－21）
式中 q——一次加胶量，升；
D——辊筒直径，厘米；
L——辊筒工作部分长度，厘米；
0.0065～0.0085——计算系数。
2）对连续作业的开炼机：
理论生产能力按下式计算：
公斤/时 （2－22）
式中 D——辊筒直径，厘米；
n——辊筒转数，转/分；
h——胶片厚度，厘米；
b——胶片宽度，厘米；
γ——胶料重度，公斤/厘米2。
实际生产能力，要乘以设备时间利用系数a。
3）对破胶机（或沟纹的洗胶机）其生产能力：
Q＝F·L·β·i·γ
式中 F——辊筒沟纹间面积，分米2；
L——沟纹长度，分米；
β——填充系数，（0.7～0.8）；
ⅰ——快速辊筒角分钟通过间隙的沟纹数；
γ——胶料重度，kg/分米3；
Q——角分钟的生产能力，kg/分钟。
3、影响因素：
从以上的分析公式可以看出，开炼机的生产能力与一次炼胶容量、辊筒规格D×L、辊距、炼胶温度、炼胶时间、操作方法等有关，
当q↑↓时，Q↑↓，
当D×L↑↓时，Q↑↓，
当辊距e（h）↑↓时，Q↑↓，
当t↑↓时，Q↓↑ ，
当v↑↓时，Q↑↓。
因此，在实际工作中，采用计算与分析对比相结合的方法来确定生产能力。
第四节 传动系统
一、传动型式
开炼机的传动系统的设计主要包括电动机、减速器、驱动齿轮和速比齿轮的选择与布置。传动系统设计直接影响开炼机的整体布置、结构型式、占地面积、加工制造和使用维护。为此，设计时要给予充分的重视。
开炼机的传动型式颇多，大体上按下述方法分类：
1、按一台电动机驱动开炼机的台数可分为：
单台传动——系一台电动机驱动一台开炼机，
成组传动——系一台电动机驱动2～4台开炼机。近年来，成组技术已很少采用，国内外生产的开炼机多为单台传动。
2、按电动机与开炼机的相对位置可分为：
左传动——电动机在操作人员左侧；
右传动——电动机在操作人员的右侧。
左、右传动开炼机性能不变。
开炼机常见的传动型式主要有：
图a所示为用异步电动机通过圆柱减速器的传动，采用圆柱齿轮减速器，制造简单，工作平稳无噪声，但占地面积大。
右图b所示为用异步电动机通过圆锥－圆柱齿轮减速器的传动，其整体布置下左图所示。采用圆锥－圆柱齿轮减速器，结构紧凑，占地面积小，但工作时易发生噪音，使用寿命较短。
图c所示为用异步电动机通过圆弧齿轮减速器的传动，其整体布置如下图所示。它的特点是采用整体机座，取消地脚螺钉，便于迁装。减少了占地面积，采用圆弧齿轮传动较少了噪音，结构简单。
图d 所示为用异步电动机通过行星摆线减速器的传动，其整体布置如下图所示。它的特点是取消了大小驱动齿轮，采用万向连轴节，减速比较大，但摆线齿轮加工困难，使用寿命低。
图e 所示为用铰链连轴节的传动，其整体布置如下图所示。它的特点是保证辊筒在单一受力状态下工作，传动主动轴轴线与辊筒轴线交角可达8～100。
图f为用双电动机通过圆弧齿轮减速器的传动，其整体布置如下左图所示。它的特点是取消了速比齿轮和大驱动齿轮。采用双电动机，通过减速器分别驱动二个辊筒，减速器与辊筒间用万向连轴节，结构紧凑，占地面积小，操作方便。
图g为用异步电动机通过圆锥－圆柱减速器的双台传动，其整体布置如下右图所示。它的特点是比较有效地利用车间占地面积。传动轴大大缩短，检修和操作都很方便。
在装有驱动齿轮的开炼机上，小驱动齿轮装在减速器的轴上或主轴上，而大驱动齿轮装在后辊筒的轴颈上，驱动齿轮的模数为18～22毫米，小驱动齿轮的齿数为18～20，大驱动齿轮的齿数多达100，传动比为4～6。
速比齿轮为满足辊距调整要求，大辊距的开炼机速比齿轮应采用渐开线长齿形，其全齿高h=2.5～2
二、传动电动机的选择
开炼机工作时负荷变动较大，又考虑到有时需要负载启动。混炼与压片时粉状配合剂飞扬易引起电动机短路，故对开炼机用电动机的要求是：
1．启动扭矩要大；
2．具有超负荷特性，要求Mmax/M额定为2～2.5倍以上；
3．能够正反转动；
4．转速要恒定；
5．制动性能要好；
6．混炼、压片机电动机应采用封闭型。
常用电动机为三相异步交流电动机。一般选用鼠笼式转子封闭自扇冷式异步电机，也有选用绕线式异步电动机的。后者启动性能比前者好。但可靠性差、价格高。前者结构简单。防尘启动性能虽然不如绕线型异步电动机来得大，但由于开炼机多用空车启动的，故启动性能可以满足开炼机的要求。
近年来，国外开炼机有采用低速同步电动机直接驱动的。它的优点是：功率因数高，不需配置减速器。它的缺点是：电动机成本高、体积大，操作与维护都不方便，故在国内产品中尚未采用。
第四节 主要零部件设计
开炼机的主要零部件包括：辊筒、辊筒轴承、调距装置、机架、安全刹车装置和挡胶板。
开炼机的使用特点和各主要零部件在炼胶机中的重要程度是不同的，实践证明，安全系数的选择原则是：安全垫片（1.5）<辊距调整螺母（2.0）<辊距调整螺杆（2.3）<辊筒（2.5～3.1）<机架上的横梁（4.0～5.0）<机架（5.0）。
注：括号中的数值为推荐的安全系数。
下面具体的介绍各个主要零部件。
一、辊筒 （mill roll ）
(一)作用：辊筒是开炼机的主要零部件。在工作过程中，它直接与胶料接触，对胶料产生挤压和剪切作用。因此，它的结构及质量将直接影响炼胶的效果和开炼机的使用寿命。
(二)要求：由于辊筒对胶料挤压和剪切作用。所以辊筒也受到胶料对辊的挤压、摩擦、弯曲以及化学腐蚀和热应力的作用。同时还要受到传动系统输入的扭矩作用，其受力状态比较复杂且负荷又大。根据其受力特点一般对辊筒有下列要求：
1.要具有一定的机械强度、刚度，能承受胶料的作用力；
2.辊筒的工作表面要有较高的耐磨性和耐腐蚀性，且表面硬度不低于肖氏650；
3.从结构上来讲，具有合理的几何形状，防止应力过度集中；
4.具有较好的导热性能，便于胶料的加热和冷却；
5.制造工艺简单、造价低；
6.直径误差为1～
（三）材料：根据以上要求，一般选用冷硬铸铁作材料，它的特点是内部韧性好，强度大，表面层的组织硬、耐磨损、白口层的硬度不低于肖氏650。白口层的深度可根据其规格而定，一般Φ
冷硬铸铁辊筒的化学成分如下表：
|
序 号 |
化学成分 ％ |
||||
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
|
|
1 |
3.2~3.7 |
1.4~1.8 |
0.6~1.2 |
<0.20 |
<0.10 |
|
2 |
3.4~3.6 |
0.5~0.7 |
0.2~0.4 |
0.4~0.6 |
<0.15 |
|
3 |
3.0~3.2 |
1.0~1.5 |
0.5~0.8 |
0.3 |
0.05 |
|
4 |
3.03~3.77 |
0.7~0.8 |
0.5~0.7 |
<0.5 |
－ |
冷硬铸铁辊筒的物理机械性能如下：
灰口部分的抗拉极限不低于
灰口部分的抗弯极限不低于
灰口部分的压缩强度为
灰口部分的弹性系数为
白口部分的弹性系数为
辊筒在对称循环下的弯曲极限强度为
近年来，也开始采用铬钼合金或低镍铬合金，以提高辊筒的机械强度。国外两种均采用金属离心浇铸的方式铸造。合金辊筒的化学成分见下表：
|
序号 |
化学成分 ％ |
|||||||
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
Cr |
Mo |
|
|
1 |
3.3~3.8 |
0.4~0.8 |
0.3~0.5 |
0.55 |
<=0.12 |
－ |
0.2~0.3 |
0.2~0.4 |
|
2 |
3.3~3.8 |
0.4~0.8 |
0.3~0.5 |
0.55 |
<=0.12 |
0.4~0.8 |
0.2~0.3 |
－ |
|
3 |
3.3~3.8 |
0.5~0.8 |
0.3~0.5 |
0.45~0.55 |
<=0.12 |
－ |
0.15~0.25 |
0.2~0.4 |
|
4 |
3.25~3.4 |
0.5~0.7 |
1.25 |
<=0.05 |
<=0.05 |
3.5~4.5 |
1 |
－ |
（四）结构和分类：
1.结构：见下图，辊筒主要由直径为D的工作部分（称为辊筒体）；直径为d1的支持部分，称为辊径和直径为d3的传动部分组成。
轴径部分与辊筒轴承相连，且在轴承中回转；联接部分与速比齿轮和大驱动齿轮相连接；内部有调整温度的空腔。
2、各部尺寸：根据经验资料确定，一般以工作部分的直径D为基础而得到：
辊筒工作部分长度 L=(1.3~3.2)D
辊筒内径 d=(0.55~0.70)D
辊颈直径 d1=(0.65~0.70)D
辊颈长度 l1=(1.0~1.2) d1
辊筒传动部分直径 d3=(0.85~0.95)d1
辊筒传动部分长度 l3=(1.06~1.10) d3
3.分类：
①其分类方法主要根据辊筒的表面形状。一般分为：
a.光滑圆柱辊筒（圆柱面）：用于塑炼、混炼、压片、热炼（用于热炼和压片的辊筒，为了提高炼胶效果，前辊为光滑的，后辊为带沟纹的，沟纹螺旋角为40，深度为
b.光腰鼓辊筒（凹凸）：用于再生胶精炼
c.带沟纹的辊筒：破胶、洗胶
②按加热冷却形式来分：中空式、钻孔式
③按加热介质来分：电加热、蒸汽加热、油加热、恒温水
④按前后辊筒直径是否相同来分：同径、异径
辊筒圆周钻孔冷却加热流道过去主要用于压延机辊筒。
近年来，越来越多的国家在开炼机上采用钻孔流道的辊筒，据介绍，大多数情况下，后辊筒为中空的，而前辊筒为钻孔的，这有利于控制混合物的温度及调节操作条件。
（五）辊筒的受力分析
开炼机的辊筒工作时受有较大的横压力、摩擦力、温度应力、大小驱动齿轮和速比齿轮的作用力。由于胶料横压力的作用，辊筒要承受弯曲应力，由于胶料的摩擦力和轴承的摩擦力作用，辊筒要承受扭转应力，可见辊筒实际上是受有弯曲和扭转的复合应力。此外，辊筒的自重作用都必须给予考虑。
由于辊筒内外温度差而引起的温度应力和冷硬铸造产生的内应力都对辊筒强度有影响，在精确计算时都应考虑。担内应力因计算困难，一般可在安全系数中考虑即可。
辊筒在工作状态下的负荷如下图所示。
1.胶料对辊筒的横压力
Pp=p·L 公斤
Ppx=Pp·cos 公斤
Ppy＝Ppsin 公斤
l 式中Pp——总横压力，公斤；
l P——单位横压力，公斤/厘米；
l Ppx，Ppy——横压力的水平分力，垂直分力，公斤。
2.驱动齿轮的作用力
大小驱动齿轮在传动过程中，齿轮间便产生相互作用的力（如上图所示）：圆周作用力P的方向与节圆相切；径向作用力T的方向与齿轮的半径方向一致。
大驱动齿轮圆周作用力：
P＝
公斤
式中Mk——作用在大驱动齿轮上的扭矩，公斤厘米；
d1——大驱动齿轮的节圆直径，厘米。
这里应指出：经电动机、减速器、大驱动齿轮传来的扭矩，是供前后辊加工胶料的需要，故由前后辊筒共同承担。
即 Mk＝Mk1+Mk
Mk1=97400 公斤厘米
Mk2=97400 公斤厘米
式中 Mk---大驱动齿轮的扭矩，公斤厘米；
Mk1、Mk2——前、后辊扭矩，公斤厘米；
N1、N2——后、前辊消耗功率，千瓦；
n1、n2——后、前辊转数，转/分。
在炼胶时可粗略地认为Mk1＝Mk2
圆周作用力的水平分力和垂直分力分别为：
Px＝P·cos 公斤
Py＝P·sin 公斤
式中 ——大小驱动齿轮轴线与垂直线偏移角（一般 ＝15～20）。
径向作用力按齿轮的种类计算。
3．速比齿轮的作用力
在炼胶时前辊筒的扭矩是通过速比齿轮传动的。当速比很小时，可近似的认为：两辊筒的扭矩相等，速比齿轮的扭矩之和即为大驱动齿轮扭矩Mk。
Mk＝M＇k1+M＇k2
式中M＇k1——后辊筒速比齿轮的扭矩，公斤－厘米；
M＇k2——前辊筒速比齿轮的扭矩，公斤-厘米。
圆周作用力：
P1＝ 公斤
式中d1——后辊筒速比齿轮节圆直径，厘米。
径向作用力按齿轮的种类计算。
4．重力
速比齿轮（后辊筒）重量：G1
辊筒重量：G2
大驱动齿轮重量：G3
(六）辊筒的强度计算
辊筒的强度计算包括：支反力、弯矩、扭矩和危险断面强度的计算。在计算时，虽然前后辊筒工作条件相似。为安全起见，看做后辊筒沿全长传递全部扭矩。此外，它的一端要承受驱动齿轮的作用力，另一端又承受速比齿轮的作用力，其工作条件较前辊恶劣。所以，一般只对后辊计算就可以了。
1．辊筒支反力的计算
计算辊筒的支反力是分别求出水平方向和垂直方向的，最后合成。
（1）水平方向支反力
从图可见，后辊筒受力为平面平行力系，故可建立 ＝0和 ＝0两个方程式。分别计算RBx和RCx：
RCx＝ 公斤
RBx＝
公斤
（2）垂直方向支反力
RCy＝ 公斤
RBx＝ 公斤
（3）合成支反力
分别按下式计算：RB＝
公斤
RC＝ 公斤
2． 辊筒弯矩和弯应力计算
这里以辊筒中部为计算断面，其最大弯矩为：
M=R·b/2-p·L2/8公斤·厘米
式中 R——支反力，公斤；
b——辊筒轴承间的中心距，厘米；
p——单位横压力，公斤/厘米；
L——辊筒工作部分长度，厘米。
按上式分别计算水平面和垂直面弯矩Mx、My。再以M＝ 计算出合成弯矩。并绘出弯矩图。这样对空心圆柱辊筒的最大弯应力：
公斤/厘米2
式中 ——辊筒计算断面最大弯应力，公斤/厘米2；
M——辊筒计算断面最大弯矩，公斤·厘米；
L——抗弯断面系数，厘米3。
0.1D3H（1－
）
W＝ ＝
其中 DH——计算外径（DH＝D－2），厘米；
——白口层厚度，厘米；
——内外径比，（d/DH）。
3.剪应力计算
公斤/厘米2
式中 Mk——辊筒计算断面最大扭矩，公斤·厘米；
0.2D3H（1－
Wp——抗扭断面系数，厘米3。
）
Wp＝ ＝
厘米3
4．辊筒的强度计算
根据辊筒的受力状态，是属于弯曲与扭转联合作用下的复合应力。根据力学中的强度理论，可按修正后的第二强度理论计算工作应力。
式中 ——泊松比，对铸铁＝0.33；
——最大弯曲应力，公斤/厘米2；
——最大扭转剪应力，公斤/厘米2；
5.在所选择的截面上，辊筒的强度应满足的条件
[ ]
根据辊筒的工作条件，可视其受对称循环载荷。以疲劳极限为基础，其许用应力按下式计算：
[ ]＝
式中 ——材料的疲劳极限，公斤/厘米2；
n——安全系数。
(七）温度应力及其对强度的影响
辊筒的温度应力是由于辊筒内外表面的温度差产生的。机械应力和温度应力同时作用于辊筒。若此二部分应力迭加后超过材料的许用应力时辊筒就会产生破坏。故考虑温度应力对辊筒强度的影响时，其强度条件应符合：
式中 ——辊筒的机械应力，公斤/厘米2；
——辊筒的温度应力，公斤/厘米2；
——辊筒材料的许用应力，公斤/厘米2；
图2－34所示为辊筒的温度应力状态。当辊筒受热后，辊筒就要发生膨胀。但由于内外表面温度不同，膨胀也不同。当内部冷却时外部伸长大而内部伸长小。就整个辊筒而言，外部的伸长受内部限制，而产生压应力；反之内部则产生拉应力。可见温度应力的产生是由于热膨胀受到限制而引起的。在辊筒内取一小单元体，这个单元体在受热时便产生膨胀，同时这一膨胀在三个方向受到限制。故它的主应力为三向应力，即环向应力，轴向应力和径向应力。如图2－35所示。
因径向应力对机械强度的影响不大，而环向应力与扭矩引起的剪应力相迭加。但剪应力大大小于弯应力，故在计算温度应力的影响时可忽略。可见，真正对强度有影响的是轴向应力。
温度应力按下式计算：
公斤/厘米2
式中 R——辊筒外半径，厘米；
r——辊筒内半径，厘米；
——线膨胀系数，铸铁 ＝1×10－51/
E——弹性模数，铸铁E＝1.2×106公斤/厘米；
tH——辊筒外表面温度
tB——辊筒内表面温度
——泊松系数，铸铁 ＝0.33；
在炼胶机正常操作时，辊筒内部通水冷却。因而，温度应力 使外层受压。内层受拉。在外层：由弯矩引起的拉应力为 ；由温度引起的压应力为
。
则总应力： ＝ －
可见，考虑温差应力后更加安全。
在内层：由弯矩引起的拉应力为 。由温差引起的拉应力为 。则总应力：
＝
＋
可见，考虑温度应力后，工作应力增加，因为需要进行强度校核。
这样，辊筒内层的强度条件： ＝
＋