第 二 章 开放式炼胶机（炼胶机） ― Mill―Mühle

1. 第 二 章 • 开放式炼胶机（炼胶机） ―Mill―Mühle

2. 第一节 本章的教学目的、要求、重点、难点及相关要求 • §1－1 本章的教学目的和要求 • 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。

3. §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。

4. 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。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。

5. §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）。

6. §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 • 混炼——mixing， blending • 热炼——mill warm-up • 横压力——horizontal pressure • 辊距——mill clearance • 挡胶板——mill cheek

7. 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

8. §1－6 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） • 3、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。

9. 第二节 概述 • 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。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），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。

10. 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。

11. 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。

12. 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。

13. 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

14. §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。

15. 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。在自动化混炼作业流水线中，由于挤出机、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。

16. 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

17. §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。 • 挤出机（连续混炼机） • 高温 密炼机 • 机械塑炼法 • 低温 开炼机 • 塑炼方法 物理塑炼法――增塑剂 • 化学增塑法――化学药品

18. 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。 • 连续混炼――挤出机 • 方法 • 间歇混炼―― 开炼机 • 密炼机

19. 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。

20. 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、烘胶； • 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。

21. 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。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、小型厂是必备的实用设备。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。

22. 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：

24. §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。

25. 压盖 调距装置 轴承座 旋转接头 传动装置 辊筒 机架

26. 下面我们要了解几种不同结构的开炼机⒈老式传动开炼机下面我们要了解几种不同结构的开炼机⒈老式传动开炼机 大驱动齿轮

27. 双输出 • 2、新型传动式开炼机

28. 3、双电机传动式开炼机 电机 减速箱

29. 翻胶装置 • 4、带翻胶装置开炼机

30. 5.下面是一个开炼机的三维动画

31. § 2—4 开炼机的工作原理 • 1.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？ • 2.如何把胶料与各种配合剂均匀混合在一起？ ？ ？

32. ☆1.用开炼机进行塑炼，主要就是通过两个相对回转的辊筒对胶料产生的剪切、挤压作用，使胶料原有的大分子链被打断,从而使得胶料原有的弹性降低，可塑度提高，有利于下面加工工序地进行。☆1.用开炼机进行塑炼，主要就是通过两个相对回转的辊筒对胶料产生的剪切、挤压作用，使胶料原有的大分子链被打断,从而使得胶料原有的弹性降低，可塑度提高，有利于下面加工工序地进行。 • 目前实验室使用的塑炼方法主要是包辊塑炼法和薄通塑炼法。

33. ☆2. 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，使配方中的各种成分掺和均匀，而最后达到炼胶的目的。从辊筒间隙中排出的胶片，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。如图所示。

34. 间歇炼胶过程图 1－加料 2－捏炼 3－切割胶料

35. 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的胶条。如图所示。 连续炼胶过程图 1－切胶刀 2－带状胶条

36. ？ • 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 。

37. 一、从力学角度来研究胶料进入辊距的条件 • 在炼胶操作时我们可以看到，当胶料包覆一个辊筒后两辊筒间还有一定数量的堆积胶，这些堆积胶不断被转动的辊筒带入辊隙中去，而新的堆积胶又不断形成。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。

38. 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。 • 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。如图所示。 胶料受力分析图

39. 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。 • 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。

40. 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。

41. 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=38041’，炼胶过程中一般采用接触角α=32~400，国内推荐采用α=36~400。

42. 剪切力 • 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 • 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。 挤压力

43. 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？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。

44. 3、辊距大小对胶料的剪切作用以及对炼胶效果有无影响？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。

45. 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图所示。

46. 胶料流线的分布图

47. 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）。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）。

48. 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。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。

49. 胶料在辊隙中受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。胶料在辊隙中受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。

50. 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，胶料温度上升的快，所以要加强冷却。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，胶料温度上升的快，所以要加强冷却。