一、概述

1、 课题提出的背景及依据必要性

现代橡胶工业的主流炼胶设备是密炼机及其上下辅机，已经过了近百年的发展。目前应用的混炼胶工艺方法主要有以下三种：

种是常用的两段或多段的炼胶方法。胶料的混炼和加硫终炼均在密炼机中反复完成。它的缺点是胶料需要多次搬运及中间存储环节，胶料有反复升温和降温的过程，效率不高。

种是在密炼机完成混炼，在开炼机中加硫磺等剂完成终炼。它的缺点是周围环境差，密炼机和开炼机的混炼周期有差异，产量不容易匹配。

第三种是胶料的混炼和终炼均在一台啮合型密炼机上实现。由于啮合型密炼机相比切线型密炼机具有更优越的冷却能力和混炼作用，因此有的胶料能在啮合型转子密炼机上实现一段混炼和终炼，在加硫之前，胶料能够冷却到一定程度，目前此工艺也于在橡胶制品，在轮胎胶料配方上使用的并不多。

随着汽车工业和高速公路的快速发展，对于轮胎性能的技术要求日益提高，轮胎正向着高技术含量和精细化方向发展，尤其是节能型和环保型汽车绿色轮胎日益普及。“绿色轮胎”凭借其优于普通轮胎的更高的燃油效率，性能以及耐久性能，是轮胎行业中发展迅猛的细分市场，有着约10%的全球年增长率。到2020年，中国绿色轮胎的市场占有率将有可能提高50%。

根据欧盟近日出台的轮胎标签法规，自2012年11月1日起，在欧盟销售的轿车胎、轻卡胎、卡车胎及公共汽车轮胎加贴标签，标示出轮胎的燃油效率、滚动噪声合湿抓着力的等级。轮胎标签法对轮胎的制造工艺，尤其是高性能橡胶生产提出了极高的要求，为了增加抗湿滑能力、降低轮胎的滚动阻力，降低噪音，白碳黑将被越来越多地应用于轮胎中，尤其是胎面胶中。

而采用传统工艺进行大份量白碳黑混炼是很困难的，其他混炼胶如胎侧胶等也需要多段混炼，而每段炼胶都需要高温混炼、冷却、储存、搬运等环节，能耗大、效率低。

根据国外对白碳黑、难分散的硬胶料的混炼技术研究认为，采用串联式密炼机炼胶工艺，可以满足这种胶料的混炼，经过实验研究，串联密炼机及生产线炼胶工艺技术具有、节能、环保优点，可以实现大份额白碳黑胎面胶的一段混炼，并胶料混合质量均一性好，白碳黑分散性好，同时实现节能降耗、节约原料等目的。随着橡胶轮胎制造技术的发展，子午化率不断提高的情况下，对高质量轮胎的需求也随之增加，引发了对白碳黑工艺的研究和推广，对串联密炼机的需求也悄然兴起。

2、科学意义和社会经济意义

根据国外对高质量、高科技含量的轮胎技术研究，节能、环保、是轮胎技术发展的主要趋势，也是当今轮胎技术发展和追求的方向，要求具有、环保、节能特性，如轮胎的滚动阻力小、耐磨性、抓地性、防滑性、抗穿刺等性能，而这些性能需要有较好的轮胶胶料。在胶料中加入白碳黑就是一种较好的选择，而白碳黑在胶炼过程中被认为是一种难分散，难混炼的物料，它对普通混炼设备的损害较大，快速磨损，甚达不到质量要求，所以需要一种新型的炼胶设备来适应加入白碳黑的炼胶工艺，国外技术研究认为，串联密炼机可以混炼参有大量白碳黑的胶料，而炼胶质量均一性好、白碳黑的分散均匀性好，可提高炼胶质量，可以保证高质量轮胎对生产对胶料的要求。因此，串联密炼机的研发，对轮胎企业的技术创新，对轮胎技术水平和质量的提高，对轮胎工业的发展，具有重要意义，也对我国汽车的行驶，节能环保等具有重要意义。也是对我国橡机行业的鞭策和要求，研制串联密炼机及生产线意义重大。

3、项目研究与开发概述

本公司是专门生产密炼机设备的公司，从上世纪80年代就开始生产密炼机、挤出压片、胶片冷却和开炼机等，在橡胶机械的开发和应用有着深厚的技术基础和经验，本公司的密炼机规格齐全，从25L-650L，具有各种形式的转子(包括啮合型、切线型、同步转子、四棱、六棱和八棱转子)、液压式顶栓、硬齿面传动箱、硬化堆焊技术等，技术，在享有很高信誉。特别是公司经过多年的技术积累和实践，已建立了完善的炼胶机械的研发平台，相关设计计算软件、实验机台。加工工艺、检测手段等齐全，是实力强的炼胶机械生产和供货商。

根据国外炼胶机工艺的发展，串联密炼机由于节能、环保、炼胶质量好、节省操作场地、能够炼白碳黑硬胶等优点，轮胎企业已经开始试验这种炼胶工艺，已对串联密炼机提出了要求，另外，在新掀起的低温节能炼胶工艺中，串联密炼机也有重要的作用，可以成为白碳黑等难以混炼、难以分散、硬度较高的炼胶工艺中的一种上佳设备，我公司与轮胎制造用户进行了广泛的交流与合作，进行了串联密炼机炼胶工艺和技术的跟踪研究，主要了解了串联密炼机的主要生产工艺和技术参数要求，各设备需要的功能和环境要求等。确定了串联密炼机上位机和下位机、挤出压片及胶片冷却机的主要技术参数和控制要求，从满足工艺要求出发，配置产品的水平和档次，并经过多次的工艺试验等，基本掌握了串联密炼机炼胶的主要技术要求和装备性能要求，完成了串联密炼机及生产线的整体方案设计，目前正在进行工程图纸设计，可以满足橡胶和轮胎加工企业用户的新的炼胶工艺需求。

二、外现状、市场调查和需求预测

随着新工艺和新配方的发展，出现了许多新特征的胶料(例如加入白碳黑和硅烷偶联剂的胶料)。这些胶料主要有两个新的特征，一是对温度敏感，二是炼胶过程中会产生大量水汽，对设备有一定的腐蚀性。为了满足大规模橡胶加工，适应特殊工艺要求，提高炼胶质量，解决低效和排汽问题。国外橡胶机械企业首先发明了双工位串联组合式密炼机，以复合方式取代以前单工位密炼机作用方式，将升温混炼和恒温反应两个工艺阶段安排在两个容积不同的工位上完成。双工位串联组合式密炼机主要由三部分组成，部分是上工位完整的传统密炼机，部分是下工位去掉上顶栓的密炼机，第三部分是上、下工位密炼机连接起来的连接料筒。上工位采用容量小填充系数大的密炼机，下工位采用容量大填充系数小的密炼机，通过提高散热性来减慢生热速度，保证下工位的恒温反应，上工位采用普通低温转子，下工位采用快速吃料型低温转子。主要还是应用在大产量的密炼机组上。

近年来，橡胶炼胶行业的发展新趋势是努力使橡胶机械产品向节能、降耗和环保的方向发展，特别是在研发代表当前炼胶设备发展主流方向的一步法炼胶设备上迈出了积极的步伐，串联式密炼由于其比原有的密炼机提高炼胶效率，节省能源等有点，已被企业认识到，开始寻找串联式密炼机的生产厂家，已有生产企业开始研发串联密炼机，该串联式密炼机主要用大生产量炼胶生产厂家或炼胶中心。据有关资料介绍，采用串联式密炼机生产效率可意提高50%以上，节约电能60%以上，极大地提高了胶料的分散性和均匀性，从而大大提高轮胎的使用寿命。相对于原有的炼胶生产线，采用串联式密炼工艺可以较少密炼机的数量，提高炼胶效率，减少厂房投资和设备投资约30%，这样的优势，很快会在橡胶和轮胎行业推广和普及，市场需求很快兴起。

三、技术可行性分析

1、 课题研究与开发论述

1.1、主要研究与开发内容

本课题主要研究内容是：开发一条、节能、环保串联密炼机及生产线。该密炼机生产线是由一台带有上顶栓密炼机(上位机)与下方一台不带上顶栓的大容量密炼机、加挤出压片和胶片冷却的联合炼胶装置组成。将升温混炼和恒温反应两个工艺阶段安排在两个容积不同的工位上完成。

在上位机以相当高的转速和上顶栓压力进行混炼，然后胶料不经存放直接放到下位机，在下位机完成完成冷却和终炼。因为下位机是无上顶栓的密炼机，且填充系数很低，通常在0.4左右，因此要采用啮合型转子密炼机，才能实现无压下的自喂料，达到良好的炼胶效果。起到进一步冷却和补充炼胶作用。后下位机排放的胶料在开炼机或挤出压片出片。

这次研究开发的方向是上位机采用320L啮合型转子密炼机，下位机采用无上顶栓的580L啮合型转子密炼机。实现项目研发产品替代进口，具有自主知识产权。该项目研制成功后将填补空白，主要技术指标达到世界前沿技术水平，实现可观的经济效益和社会效益。

1.2、 主要技术参数

a)上位机：XMN-320×(5—50)Y 密炼机

密炼室总容积：332L

密炼室填充系数：0.65

转子形式：节能啮合型

转子转速：5—50r/min

转子速比：1：1

上顶栓对胶料单位面积压力：0—0.6mpa

主电机功率：AC1400kw

b)下位机：XMN-580×(5—50)Y 密炼机

密炼室总容积：590L

密炼室填充系数：0.37

转子形式：节能啮合型

转子转速：5—50r/min

转子速比：1：1

主电机功率：AC800kw

1.3、 主要技术关键

a)转子与转子间呈啮合状态，转子外形采用CAD三维造型，CAM数控加工，保证了转子正确的啮合间隙，转子间啮合作用增强。压砣下表面与卸料门表面均为半径与密炼室半径相同的双圆弧面，增大了转子棱与密炼室炼胶的包角。

b)国外公司密炼室的典型结构是上下剖开的八件所组成(前后混炼室两件、左、右下边支架两件、上支架四件)，而本机台设计，考虑到我厂设计生产密炼机的传统结构和工艺条件，大胆采用了四件式混炼室结构(前后混炼室两件，左、右边支架两件)，而整体落地式边支架具有更佳的强度、刚度和精度，且大大简化了铸造，机械加工和装配的工作量。

c)转子由合金铸钢的转子体与锻钢长轴热装而成的。转子的强度和刚度大大提高。转子体内孔为单向螺旋槽强制循环冷却，冷却水直接通过各个棱的空腔内，冷却效果好。

d)转子由双向推力调心轴承承受轴向力并确定轴向位置，了双列向心滚子轴承的受力情况，提高了其使用寿命，轴承处及转子端面密封处设有测温电阻以监测轴承和密封圈的温度。

e)的冷却。密炼室内壁及卸料门均为钻孔冷却，压砣，、前、后转子、挡圈均通水冷却，能有效带走炼胶过程中产生的热量。

f)的抗磨。转子工作表面、密炼室内壁，卸料门表面均堆焊耐磨硬质合金，压砣及其它与胶料接触面采用硬化处理。

g)主驱动用高压交流电机变频技术实现转子的无级调速。高压变频装置针对电网特殊设计，能够更大限度的提高网侧的功率因数，使设备在不加任何功率补偿设备的情况下，功率因数接近1。因此高压变频密炼机功率因数，谐波污染少，相应设备发热较少，电机效率达到，节能效果。

h)上顶栓采用液压式(我公司专利技术)，上、下行平稳可靠，可根据炼胶工艺要求无级调压。转子端面密封装置采用液压式密封，且密封比压可调，密封可靠。液压驱动下落式卸料门，采用双齿条驱动，运行平稳、可靠，开闭时间短。卸料门锁紧采用曲拐式锁紧，锁紧力强，卸料快、密封好。

i)整个生产线实现胶料混炼生产工作的全自动化，从而提高了生产效率，采用可编程控制器和触摸屏来控制整个操作自动化，提高炼胶合格率。现场可实现手动操作及自动控制的切换;同时具有完善的报警系统。

1.4、 主要创新点及效果

a)新型节能啮合型转子的研发

上、下位机均采用结构的节能啮合型转子。依靠我公司生产设计密炼机50余年的经验完全独立自主开发设计。转子的研制是核心部分，由于两转子在设计的三维间隙下互相啮合旋转，对转子啮合棱工作表面的精度要求，远高于传统的相切型转子，因此转子的啮合参数、转子各棱工作曲面的设计，均应用CAD三维立体造型设计。在确保密炼室有效总容积和转子机械强度前提下，由二维平面设定，初步计算到三维立体造型，创成转子各部的轮廓曲面，来验证二维初步设定的正确性，再由三维转化到二维，求得各部截面的二维曲线，以验证由CAM数控自动加工成形的终制品的正确性。相比传统的啮合型转子，增强了两个转子间的啮合作用，转子的受力情况更加合理，由过去的单一向一侧的推力改为了两侧力的平衡，有助于提高密封装置的寿命。单向螺旋冷却水面积更大，更接近转子表面，可有效带走炼胶中产生的热量，有效地控制胶料温升和排胶温度，提高生产效率。

b)变频技术的应用

主驱动电机采用我公司自主研发设计的高压交流电机变频技术，相比于直流电机驱动系统，具有节能降耗，维护简单等优势。

2、课题技术基础和产品可靠性论述

我公司具有30多年研制和生产密炼机的历史，密炼机的整体性能已达到水平，。炭黑分散度、制品品质及均一性和产能等关键指标可与同期进口设备相媲美。各关键件的材质组分、加工及检查手段，与国外无明显差异，如关键件的合金堆焊工艺为，;核心技术液压上顶栓、同步及六棱转子和大型密炼机主电机变频控制为，与进口产品相当。产品均按欧盟CE标准进行设计制作，外观紧凑整洁，标识明显，操作性能优异。拥有几十项密炼机的专利技术。

2004年继成功地研制开发出台270L啮合型转子密炼机开始，之后又陆续开发了90L、135L、160L、190L、430L、580L啮合型转子密炼机，目前售出几十台，用户使用情况良好。

、节能、环保串联密炼机生产线是以320L、580L啮合型转子密炼机作为主机，具有的节能型转子技术，核心液压上顶栓技术、变频技术、合金硬化处理技术等技术于一身的高新技术产品。

四、实施课题所需条件及解决措施

a)应用计算机仿真技术对密炼机炼胶过程的流程进行动态模拟，包括密炼过程温度场的模拟、转子外形轮廓的变化、炼胶压力、转子转速等对炼胶的影响等方面，为、节能、环保密炼机生产线的设计与模拟放大提供自主创新的平台。

b)建立炼胶实验室，配备必要的实验设备、检测仪器和人员。对公司现有各类型转子进行炼胶试验，积累包括密炼过程温度场的模拟、转子外形轮廓的变化、炼胶压力、转子转速等对炼胶质量的影响等方面数据，总结现有转子对炼胶的影响，并根据试验结果不断修正计算机仿真模型。

c)根据前两方面的结果设计新型节能啮合型转子，再经过试验验证。同时研究新的转子铸造技术、加工技术、合金堆焊技术、检测技术、机电、智能化和网络化控制技术、联锁控制和在线监测技术。对、节能、环保密炼机生产线的研发设计、加工工艺、生产制造、安装调试等全过程进行质量监控。

五 课题实施方案

1、研究与开发技术方案

、节能、环保串联密炼机生产线是由一台带有上顶栓的密炼机(上位机)与下方一台不带上顶栓的大容量密炼机(下位机)、一台挤出压片机和一台胶片冷却机和输送装置的联合炼胶装置组成。将升温混炼和恒温反应两个工艺阶段安排在两个容积不同的工位上完成。上位机可以是啮合型转子密炼机，也可以是切线型转子密炼机，通常在上位机以相当高的转速和上顶栓压力进行混炼，然后胶料不经存放直接放到下位机，在下位机完成冷却和终炼。因为下位机是无上顶栓的密炼机，且填充洗漱很低，通常在0.4左右，因此要采用啮合型转子密炼机，才能实现无压下的自喂料，达到良好的炼胶效果。做好下位机排放的胶料挤出压片机上进行通常方法的操作。

2、主要方案及工艺流程

整条生产线上位机是320L啮合型转子密炼机、下位机为580L啮合型转子密炼机、一台挤出压片机、一套胶片冷却装置、输送装置和其他辅助设备组成。