淺談橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組的研發

吳丹，劉亞楠(大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116039)

淺談橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組的研發

Research and development of rubber expansion drying twinscrew extruding unit

吳丹，劉亞楠(大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116039)

結合已經成功開發的機組，對橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組的研發原則、工作原理進行介紹，列舉了機組的主要性能指標，對其主要組成部分的技術關鍵點及難點進行了具體介紹。

橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組；技術關鍵點；難點；研發

橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組主要用于丁基橡膠的后處理干燥生產上，是丁基橡膠后處理生產線中的關鍵設備。原因在于：技術關鍵點多，技術含量高，精度要求高，成本比重高，自動化聯動控制程度高。

為此，2009年，大連橡膠塑料機械股份有限公司（以下簡稱“大橡塑”）依據中國石化工程建設公司和中國石化燕山分公司對該項目國產化的要求，把公司多年生產橡膠擠出機和橡膠機械的研發與制造經驗和中國石化燕山分公司長期使用進口橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組的實踐經驗有機結合，根據特有的工藝技術要求，融合進口同類設備的先進技術，自主研發，并對多項關鍵技術進行攻關，研制出具有自主知識產權的國內首臺“XJPG-150×16/150×15橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組”（見圖1）。本文對其研發原則、工作原理、主要性能指標、主要組成部分的技術關鍵點及難點進行具體介紹。

1 橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組的研發原則

（1）機組性能必須達到進口同類設備的水平，可以替代進口；

（2）滿足各工序特殊的工藝要求；

（3）設計的各項要求必須符合國家標準和有關的國際標準；

（4）安全性高，人性化，自動化程度高，適應整條生產線聯動控制；

（5）經濟實用，節能環保；

（6） 全部的配套件均選用質量可靠、技術先進的產品。

2 主要性能指標及組成

2.1 工作原理

橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組主電機提供動力，帶動減速箱兩根輸出軸旋轉，從而帶動通過直聯方式連接在減速箱兩根輸出軸上的螺桿異向轉動。利用兩根異向旋轉的螺桿，在最小剪切力下(防止降解)，將膠料在機筒內進行混煉、擠壓，使膠料經模頭時發生閃蒸、膨化現象，并由切刀輔助完成黏連處的切削。切粒系統中，調節模板與固定套裝在一起，調節模板的轉動動力由螺旋升降機提供，使調節模板沿它們的中心進行轉動，實現模板開孔率的調節。切刀動力由液壓裝置中的液壓馬達提供，能夠實現無級調速。

2.2 主要性能指標

橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組入口膠粒性質：

實際水含量 5%～8

溫度 ＜130℃

其他性質 不變

橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組出口膠粒性質：

實際水含量 2%～3

溫度 ＜160℃

其他性質 不變

2.3 主要組成

橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組主要包括：主電機、聯軸器、減速箱、減速箱潤滑裝置、擠壓系統、切粒裝置、溫控系統、液壓系統、風送系統等［1］，如圖1所示。

圖1 橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組

3 機組技術關鍵點及難點

3.1 技術關鍵點

由于機組擠壓系統的懸臂結構，切膠料溶液中含有酸性介質，使得筒體和螺桿耐磨、耐腐材質的選擇非常關鍵，尤其是與膠料接觸的部分；為了保證膠料在擠壓系統內不長時間停留，螺桿自潔性設計非常關鍵；機組自動化控制點、聯鎖多，對電控聯動精確性要求非常關鍵。

3.2 技術難點

受兩個輸出軸窄中心距的限制，用來平衡軸向力的減速箱的設計、制造有一定難度；即要達到設備的各性能指標，又要滿足設備的使用要求，擠壓系統中螺桿的結構設計和加工、機筒和襯套的焊接、襯套的加工存在一定難度；要實現切下膠料切不黏結，顆粒均勻，切刀裝置的結構設計存在一定難度。

4 機組技術關鍵點及難點的研發概述

4.1 減速箱

基于減速箱的技術難點，“大橡塑”設計上采用不同結構、不同形式的軸承，平衡了軸向推力，解決窄中心距限制下，確保兩根螺桿受力均衡的難點；增加齒輪寬度，加大接觸強度及彎曲強度的安全系數，并對速比齒輪的修形。這樣，雖然速比齒輪寬徑比較大，但是通過嚴格設計要求、控制好材料、制造關，最終提高了速比齒輪的承載能力，延長了減速箱的使用壽命；整體中分式結構設計，使其成本低，占地面積小，結構緊湊，裝配簡單、方便，如圖2所示。

圖2 減速箱

4.2 擠壓系統

擠壓系統主要由螺桿、機筒組成。

4.2.1 螺桿

基于螺桿難點，依據溴酸掛片耐腐蝕試驗，初步確定材質，以系統的理論計算為設計基礎，經有限元分析優化設計后，“大橡塑”最終擇優確定機組螺桿幾何結構、材質。

主、輔螺桿幾何結構采用異向非嚙合錯列式，均由不等距等深、不等距不等深、等距等深多段螺旋組成，螺棱表面全部進行硬化處理，如圖3所示。

圖3 螺桿

主、輔螺桿材質采用哈氏合金B系列。因為它力學性能非常突出，具有高強度高韌性的特點，即使在焊接狀態下也有良好的耐蝕性能，粗加工后固溶處理，處理后其機械性能指標能達滿足設計要求，這樣也就提高了螺桿的使用壽命。優選了耐磨、耐腐特性，給機加工方面帶來一定的難度，因為哈氏合金B的硬度約為普通不銹鋼的兩倍，螺棱上堆焊合金的硬度還要比它高些。這樣，通過反復試切試驗，攻關出最合適的刀具材料及切削參數，最終大大提供材料的可加工性。

使膠料在擠壓系統內停留時間不要過長，就必須提高螺桿自潔性。具體執行方法：一是螺桿由數控車床加工，光潔度能達到0.8以上，這樣，膠料與螺桿一起旋轉時，摩擦力較小，很容易作軸向移動，有利于吃料，減少軸用功率。二是螺桿上螺棱推力面與根徑需要有一定的角度β（見圖4），推力面與根徑圓弧采用較大過渡半徑R，利于提高螺桿的自潔性能，更利于膠料的環流，使熱量傳遞均，減少外部加熱能耗。

圖4 螺桿螺棱截面剖視圖

4.2.2 機筒

機筒采用焊接組合式結構（見圖5），機筒外側焊有蒸氣夾套，內孔鑲襯套。機筒、襯套形式采用“∞”字型，襯套內表面硬化處理。機筒的難點是焊接面積大，要求高，操作不當極易產生延遲裂紋。“大橡塑”經多次試驗，攻關出了適合此機筒的焊接、焊后去應力的工藝規范。為保證焊接質量的穩定性，焊前預熱、焊后保溫，并從選材入手，選擇合金焊材、合適的堆焊結構，規范操作流程；襯套利用攻關出的專用工裝進行組立、焊接后，有效的控制焊接變形量，降低其質量控制難度。

襯套的后續加工也是非常關鍵。刀具材料、切削參數選擇不合理就會降低效率增加刀具損耗，切削方式選擇不當就會產生“崩牙”。經過多次的分析研究與試驗，采取“壓銑”的方式，且使用合理刀具材料、控制切削參數，解決了加工難題。

圖5 機筒組合

4.3 切粒系統

切粒系統主要由模板調節裝置、切刀裝置等組成（見圖6）。切刀裝置是關鍵。

圖6 切粒系統

切刀裝置的難點是膠粒極易相互黏結在一起，成塊團，橡膠顆粒過大或過小，這些對后序干燥效率有很大影響。因此，切刀裝置的設計就變得尤為難。“大橡塑”對比、分析多種切粒形式，進行優化設計，最終采用螺旋切刀形式的切刀裝置。其轉速可在線無級調速，最高轉速達到4 100 r/min；切刀與動力提供件―液壓馬達的連接方式為漸開線花鍵直連。這樣，使整個的傳動副精度高、平穩，承載的扭矩大；經實際生產驗證，切刀系統解決了磨面切粒普遍存在粒子極易相互黏結，甚至成塊團的現象。原因在于：其一，模板孔的排列角度與滾切刀的螺旋相位角相匹配，實現一粒一粒切割膠料，而不是同時，避免了同時切割帶來的黏連。其二，用以輸送橡膠顆粒用的壓空氣流方向與剛切下的粒子的初速度方向匹配，使橡膠顆粒沿切下方向順勢被冷卻、輸送。

4.4 電氣控制系統

基于電控的難點，“大橡塑”控制系統采用PLC程序控制、PROFIBUS總線技術、主控雙冗余技術、遠程I/O、以太網接入、人機界面等控制技術。

整個電控采用網絡式的控制結構，由控制室的操作員站或現場的操作柜來監視、控制機組的運行情況。機組的控制系統采用PLC，控制室的操作員站與PLC之間通過以太網進行數據交換；PLC主從站之間、PLC與現場的操作柜之間、PLC與傳動柜之間采用PROFIBUS通訊。

機組設有安全狀態監控聯鎖。開機前機組未達到開機條件不允許開機（主操作臺上有顯示）；工作過程中工藝條件未滿足則機組自動停機，并報警，在人機界面上進行相應顯示。

機組配有工控機。實現運行中機組重要參數的顯示和設定，也可以存儲歷史運行數據供日后分析使用；報警記錄的存儲功能可供日后查看，作故障分析和維護修復使用。

所有的緊急停止開關都獨立于PLC控制，即采用獨立控制回路完成急停功能，并將急停信號送入PLC顯示和相關的聯鎖控制，便于機組維護和檢修，具有多方位安全防護意外事故及故障的報警功能。

5 結束語

目 前，“大 橡 塑”已 生 產6套“XJPG-150×16/150×15橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組”，交付用戶使用。通過正式生產運行證明，原設計主要技術性能參數的確定、部分裝置功能和電控系統設計等方面是合理、先進的；能夠達到當代國際先進水平，實現了丁基膠后處理生產線關鍵設備的國產，填補了國內空白，替代了進口產品，形成了具有自主知識產權的橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組。此機組成為公司的新產品，也是公司新的經濟增長點。但相比國外，在整機設備的技術含量上，我們還是有差距，為此，我們會總結預生產、正式生產過程中存在的問題，進一步消化和吸收先進的技術成果，大膽走技術創新之路，國產化的橡膠雙螺桿膨脹干燥擠出機組趕超發達國家的目標早日實現。

［1］ W E L D I N G E N G I N E E R S LT D.《I N S T R U C T I O N MANUAL》.

(R-03)

TQ320.663

1009-797X(2016)16-0019-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.003

吳丹（1975-），女，高級工程師，1998年畢業于沈陽化工學院機械設計與制造專業，主要從事合成橡膠后處理設備的研發設計工作。

2016-03-18