1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）1前言橡胶工业历经 180 多年发展已成为世界各国产业经济的重点。橡胶制品业已渗透到人们日常生活的各个方面。尤其是 20 世纪 90 年代以来，随着材料科学突飞猛进的发展大大推动了橡胶混炼技术的完善与提高。混炼过程是橡胶加工的核心环节，直接影响最终产品的质量与性能。高质量混炼胶既是满足高质量橡胶制品的必须条件，又是后继成型高质量半成品生产的前提，因此均匀一致的混炼胶是橡胶制品成功加工制造的关键条件。目前，主要使用开炼机和密炼机来完成橡胶的混炼，但这些设备均存在着诸多缺点，因此高效、低耗和稳定的混炼技术成为橡胶加工的发展趋势，亦是多年来橡胶加工业的梦想。要实现混炼
2、，炭黑是必不可少的添加剂，而要在混炼时添加炭黑，炭黑加料装置是就成了混炼装置中必不可缺的设备了。当然为了紧跟世界发展的步伐,加料装置也应敏锐地跟踪国外自动化技术的发展,掌握加料装置的推广应用及先进的自动化技术。现今，加料装置己沿着精度高、性能强的方向发展，加料系统日益走向复杂化、精确化，加料生产中的过程控制、管理和决策任务越来越繁重，因此，加料装置自动化是很多动力设备非常重要的组成部分，根据现有的加料装置完全是按照经验设定的曲线来进行控制，容易造成资源浪费，再加上传统闭环控制只适用于十分简单且偏差变化慢的控制系统，而且一般控制系统开始时稳定性差，传统控制稳定性差且受到外界影响变化剧烈，这样很影
3、响加料装置控制系统精度，复杂的控制系统不易建立，且控制参数难确定，跟不上时代潮流。这就要求我们在加料装置控制系统中加入新的控制方法。本课题是以橡胶行业中炭黑加料装置的自动称量为研究对象，旨在设计一套精度高、故障率低、效率高、节能环保的新型全自动炭黑加料称量系统，探讨加料装置在炭黑加料中的应用，以解决目前炭黑加料存在的问题: 提高炭黑加料的自动化程度，提高生产效率并保障工人的操作安全;实现更高准确度的定量配料，满足更高的生产要求。本文虽然炭黑加料装置的结构设计做了一定的探索，但由于虽然炭黑加料装置研究本身的复杂性以及本人实践经验和理论水平有限，论文中定存在诸多瑕疵，恳请各位专家、学者不吝斧正。炭
4、黑加料装置的结构设计21 绪论1.1 课题来源和背景橡胶行业是一个有 160 年悠久历史的传统产业，它是指以橡胶加工或直接服务于橡胶加工为职业特点的工业门类。因此，橡胶行业属于一个庞大的体系。橡胶行业是国民经济的重要基础产业之一。它不仅为人们提供日常生活不可或缺的日用、医用等轻工橡胶产品，而且向采掘、交通、建筑、机械、电子等重工业和新兴产业提供各种橡胶制生产设备或橡胶部件。可见，橡胶行业的产品种类繁多，后向产业十分广阔。近几年来，橡胶行业得到不少发展，已有细分行业稳中有升，新生橡胶细分行业则飞速发展。橡胶制品的主要原料是生胶、各种配合剂、以及作为骨架材料的纤维和金属材料，橡胶制品的基本生产工艺
5、过程包括塑炼、混炼、压延、压出、成型、硫化 6 个基本工序。橡胶的加工工艺过程主要是解决塑性和弹性矛盾的过程，通过各种加工手段，使得弹性的橡胶变成具有塑性的塑炼胶，在加入各种配合剂制成半成品，然后通过硫化是具有塑性的半成品又变成弹性高、物理机械性能好的橡胶制品 1。而在这些工艺过程中,需要加入一种非常重要的粉料-炭黑,要加入炭黑,就需要一套加料装置.当然为了紧跟世界发展的步伐,加料装置也应敏锐地跟踪国外自动化技术的发展,掌握加料装置的推广应用及先进的自动化技术。现今，加料装置己沿着精度高、性能强的方向发展，加料系统日益走向复杂化、精确化，加料生产中的过程控制、管理和决策任务越来越繁重，因此，加
6、料装置自动化是很多动力设备非常重要的组成部分，根据现有的加料装置完全是按照经验设定的曲线来进行控制，容易造成资源浪费，再加上传统闭环控制只适用于十分简单且偏差变化慢的控制系统，而且一般控制系统开始时稳定性差，传统控制稳定性差且受到外界影响变化剧烈，这样很影响加料装置控制系统精度，复杂的控制系统不易建立，且控制参数难确定，跟不上时代潮流。这就要求我们在加料装置控制系统中加入新的控制方法 2。1.2 加料装置控制技术简介加料装置又名送料机，专门用于粒料，粉料，片状料，带状，液状等材料的自动化，数控化，精确化的输送;加料装置就是输送材料的机器，是无论是轻工行业还是重工业都不可缺少的设备。传统观念，送
7、料器是借助于机器运动的作用力加力于材料，对材料进行运动运输的机器。目前加料器使用最多的是螺旋结构。螺旋输送机结构简单、成本低廉、进卸料灵青岛科技大学本科毕业设计（论文）3活，设计、生产、制造工艺发展较成熟。螺旋进料器有两种基本结构形式:饥饿型和充满型。饥饿型进料器进料溜槽的截面大，进料螺旋的几何压缩比为 3:13.5:1，螺旋直径大，采用定速电机，有计量器控制和定量给料，其特点是向进料螺旋的供料量少于螺旋的推送量，料片在进料溜槽中不允许停留和堆积。它适用于稻麦草、芦苇、蔗渣，经粉碎的棉杆和竹丝等流动性较差，溶重小，易于“架桥”堵塞的物料。而充满型进料器恰好与之相反，进料螺旋的几何压缩比为 1.
8、8:1 一 2:1，螺旋直径，进料溜槽比饥饿型小的多，要求进料槽充满一定的料片量，还装有振动器，采用调速电机。它具有计量功能，能完成充满，成塞和适应不同产量的要求。我国的加料装置，经过多年的改进有了一定基础，已经可以独立生产多种物料的加料装置，且有一定的精度和稳定性。但是同种机型与国外同类机型相比稳定性和精度仍就落后，主要是由于我们国家对加料装置还停留在传统控制方法中，没有在工程中加入先进的控制方法。定量加料是许多工业生产过程中的重要环节之一，因为工业现代化水平的不断提高，定量加料告别了传统的陈旧模式，向着高精度、高速度、高可靠性和劳动生产率高的方向高速发展 3。1.3 国内外研究现状1.3.
9、1 物料定量方式研究现状1.3.1.1 传统定量方式一一容积式定量原理与常用装置:以定量装置的容积来计量物料的数量。定量过程: 开始一一加料一一放料一一下一循环(结束)。定量速度与准确度: 定量速度 40 包/分，定量误差士 3%左右。优缺点: 适于流动性好，容积密度稳定的粉、粒物料，定量速度快而结构简单、造价低廉;对密度变化大、有粘性、微粉类物料误差大。1.3.1.2 传统定量方式一一称重式定量原理与常用装置: 以称得的重量来计量物料的数量。定量过程: 如图 1-1 所示。称重式定量又有单级、多级加料方法，一般的二级加料过程如图 1-2 所示。1.3.1.3 混合式定量原理与常用装置: 容积
10、式定量为主，辅助适当的称重过程进行物料的计量定量过程: 如下图 1-3 所示。速度与准确度: 定量速度 50 每分，定量误差士 1%。炭黑加料装置的结构设计4优缺点: 适于流动性较好的粉、粒物料定量。兼有容积式与称重式的长处。对有粘性的微粉的定量过程受装置性能的影响较大。图 1-1 称量式定量过程Fig.1-1 Dosing process of weighing quantifying图 1-2 二级加料过程Fig.1-2 Dosing process of two-stage mold青岛科技大学本科毕业设计（论文）5图 1-3 混合式定量工艺过程Fig.1-3 Dosing proces
11、s of hybrid quantifying1.3.1.4 组合式定量原理与常用装置: 以称得的重量为重量单元，从中找到最接近目标的组合值作为物料的量，其实质是称重式定量 9。定量过程: 如图 1-4 所示。速度与准确度: 定量速度 100 包/分，定量误差 1%以内。优缺点:适于流动性较好的粉、粒、混合物料、不规则物料的定量。对粘性微粉的定量准确度易受到装置影响，满足高准确度需要的组合模块多，造价高。图 1-4 组合式定量工艺过程Fig.1-4 Dosing process of knockdown quantifying综上所述，容积式定量的特点是速度快而准确度较低，只适用于对计量准确度
12、要求不高的场合;称重式定量的准确度较高，但是定量准确度越高其速度越慢，不能二者兼顾; 组合式适用范围广，准确度高，但是造价太高不适于推广使用 ;混合式定量综合了容积式与称重式定量的优点，在一定程度上解决了速度与准确度不能同时提高的矛盾，其定量装置结构简单、造价低廉，只要对结构进行适当改进就能满足各种物料的不同定量要求 3。1.3.2 加料方法研究现状加料是实现定量的手段，不同加料方法的选择主要取决于不同的定量方式。此外的影响因素还包括所要定量处理的物料性质、客户对定量性能的要求、工厂实际。比较成熟的加料方法包括以下几种:l)螺旋加料器加料:利用螺旋的容积空间实现外力驱动加料。速度快、结构简单、
13、可实现加料，工作中可随时起停，能够适合多种类型的物料，尤其是流动性差的物料加料;准确度一般，不适于纤维状物料，功率损耗大，磨损快。2)柱塞式加料:利用柱塞筒的容积空间及柱塞杆的往复运动实现外力驱动加料。速度快、结构简单，能够适合包括粘性粉体在内的多种粉体的加料。准确度一般，对密度变化大的物料不适用。炭黑加料装置的结构设计63)计量泵(转鼓)加料:利用泵体空间填充物料，利用叶片的旋转提供动力进行加料。速度快、适于加料;准确度一般，不适于流动性差的物料加料。4)电磁振动给料器加料:加料速度快，适于流动性好的物料;准确度一般。5)插管加料:利用插管的小容积空间实现加料。准确度较高，多用于医药行业的微
14、粉定量加料;速度慢、容积小，加料能力有限。6)皮带秤、核子秤等:速度快、加料量大、加料;不适于小剂量加料。7)手工加料等其他方法:准确度高、速度慢，对产品有人工污染，损害工人身体健康，自动化程度低。上述的每一种加料方法都具有各自的优点与缺点，其中加料速度与准确度的矛盾是不能完全调和的，具体选择加料方法的时候要综合考虑多种因素的影响，以实际情况为依据，选择最优的加料方法，谋求效益的最大化。1.4 炭黑的性质对橡胶的影响1.4.1 补强及填充的意义填料是橡胶工业的主要原料之一,属粉体材料。而炭黑是橡胶工业中最重要的补强剂填料。可以毫不夸张的说，没有炭黑工业便没有现代蓬勃发展的橡胶工业。炭黑耗量约占
15、橡胶耗量的一半。许多无机填料主要来源于矿物，价格较低，它们的应用范围也越来越广泛。在橡胶工业中它们的用量几乎达到了与炭黑相当的程度。特别是近来无机填料表面改性技术的研究与应用，使无机填料的应用领域更加广泛。如果没有炭黑的补强，许多非自补强合成橡胶便没有使用价值。补强指能使橡胶的拉伸强度、撕裂强度及耐磨耗性同时获得明显提高的作用。目前使用的补强剂通常也使橡胶其他性能发生变化，如硬度的提高、定伸硬度的提高，而且还常常产生一些不良副作用，如应力松弛性能变差、弹性下降、滞后损失增大、压缩永久变形增大等。橡胶工业用的主要补强剂是炭黑及白炭黑。如果没有炭黑的补强，许多非自补强合成橡胶便没有使用价值。炭黑可
16、以使这些橡胶的强度提高约 10 倍，炭黑对橡胶拉伸强度的提高幅度见表 1-4。1.4.2 炭黑粒径和结构对混炼的影响炭黑性质对混炼过程的影响: 粒径越细的填料混炼越困难,吃料慢,耗能高,生热高,分散越困难.这主要是因为粒径小,比表面积大,需要的湿润的面积大.炭黑分散的难易往往以达到要求的混炼效果时”单位面积胶料所消耗的功 ”来表示.在相同的填充体积分数时, 越细的填料单位耗能越大。炭黑结构对分散的影响见图 1-5，高结构比低结构吃料慢，但分散快。这是因为结构高，其中空隙体积比较大，排除其中的空气需要较多的时间，而一旦吃入后，结构高的炭黑易分散开。青岛科技大学本科毕业设计（论文）7表 1-4 炭
17、黑使橡胶拉伸强度提高的幅度Table 1-4 Carbon black improve rubber tensile strength of range胶种 未补强的拉伸强度/MPa炭黑补强的拉伸强度 /MPa补强系数SBRNBREPDMBRNR2.5-3.52.0-3.03.0-3.08.0-10.016.0-24.020.0-26.020.0-27.015.0-25.018.0-25.024.0-35.05.7-10.46.6-13.52.5-8.31.8-3.11.0-2.2炭黑胶料混料时间与分散程度、流变性能。橡胶物理机械性能的关系见图 1-5。炭黑性质对混炼胶粘度的影响：混炼胶的流动
18、粘度在加工过程中十分重要。一般填料粒子越细、结构度越高、填充量越大、表面活性越高，则混料胶粘度越高。炭黑粒径对粘度同样有着重要的影响，粒子越细则胶料粘度越高，因为粒子小，比表面积大，结合胶增加 4。图 1-5 混炼时间与胶料流变性及硫化胶强伸性能的关系Fig.1-5 the stretch of relationship compare mixing rubber time with compound rheology and vulcanizates1.4.3 炭黑称量投料系统炭黑运到厂后，或向炼胶车间输送过程中，需要暂时或长时间的贮存在贮仓中。贮仓的下部以圆锥形或近似圆锥形居多，贮仓的出口
19、一般与给料机（如螺旋输送机、气力输送流槽等）直接相连。贮料仓的按常压容器标准设计，材料为碳钢或不锈钢。如选碳钢材料，内表面应涂防静电油漆；如选不锈钢材料，内表面应抛光。容积一般为 6m3-30m3。炭黑加料装置的结构设计8为配合炭黑自动输送和输送的安全，贮料仓应配备料位计、压力传感器、压力平衡阀等检测仪器。由于炭黑的力学性能、流动性、水分含量、粉粒大小等物性差异较大，使炭黑在贮仓内极易出现料拱或鼠洞等问题，增加了炭黑从贮仓内排出的困难。料拱和鼠洞均为黏性物料的特征，料拱现象发生在整体流动料斗的排料后期，在贮仓的锥部出现并逐渐增强；鼠洞现象发生在中心流动的贮仓中，在一开始就会出现。炭黑在贮仓内出
20、现料拱或鼠洞，除了与炭黑的性质有关外，还与贮仓的形状和结构尺寸、仓壁倾角及出料口的大小等因素有关。因而要使炭黑在贮仓内流动通畅，除了合理正确的设计贮仓（如选择合理的仓形、仓壁倾角和出料口尺寸等参数）外，还应有赖于其它设备的辅助，设法破坏炭黑的起拱条件或者在料拱（或鼠洞）形成之后立即破拱，破拱装置就是解决该问题的比较好的方法。1.5 加料装置流程介绍在加料装置控制系统中实际设备有:加料罐、补料阀、补料罐、出料装置、直流伺服电动机、称重装置等。如图 1-6 所示。图 1-6 系统监控界面Fig.1-6 system monitoring interface青岛科技大学本科毕业设计（论文）9在程控监
21、控系统中有:物料上限值、物料当前值、物料下限值、系统启动、系统停止、系统运行指示灯、系统补料指示灯、产量值设定、当前产量设定。高精度加料装置: 此加料装置是使用在军工上的一个多种物料混合的加料装置，在每秒钟只有 3-5 克的出料情况下并且误差要达到 1%，因此它有很高的精度要求。它的物料分为固相物料和液相物料。固相物料: 固相物料的精度除了受到伺服电动机的影响还受外界环境的影响，比如加料罐中物料的高低，当电动机以相同的转速振动，物料高时要比物料低时出料口会出更多的物料。液相物料: 液相物料除了固相物料提到的加料罐中物料的高低的问题会影响到出料的精度，还有外界温度也会影响液相物料的精度。当温度升
22、高，流动相的粘度降低，因此泵在同样的功率，不同液体的温度下，抽出的液体物料的量也是不一样的。基于此种情况下我们需要对加料装置不断地控制，使其流出的物料可以维持在一个给定值下，使其有很高的精度。若忽略温度，重力等外界环境的影响，以不断的调节和控制直流伺服电机使物料维持在一个给定值下。用调节电压来控制直流伺服电动机振动，通过振动加料罐里的料落到了称重机构上。为了保证物料以较高的精度控制流入称重机构，控制系统可以预先设定一个用户需要的设定值，在给定值上设定几条误差曲线，如超过误差曲线上限就相应的减少加料，如超过加料量误差曲线下限就多加点量，使其不断向设定值靠拢。1.6 自动配料系统的设计思路自动配料
23、系统的原理如图 1-7 所示，图 1-7 控制系统硬件组成框图炭黑加料装置的结构设计10Fig.1-7 the diagram of hardwares control system它可以采用 、单片机等方法控制 考虑到在实现目的的基础上尽量降低成本，我们选择单片机控制的方式。首先通过信号采集装置（传感器或变送器） ，将非电量（重量）转换为电量。由 /转换器，将模拟量转换为系统所能处理的数字量。 然后在系统内部，对数字量进行相应的处理与运算。与预定的参数比较判断后，发出指令控制料斗门的打开或关闭 从而控制原料的落下与否，最终达到准确定量加料的目的。1.7 本课题的研究内容和研究意义橡胶生产中经
24、常需要加入各种各样的物料来改善或提高橡胶制品性能。由于橡胶生产中加入的物料品种繁多, 物料流动性各异, 加料量不同，称量范围小, 要求精度高，就要求给料装置能提供均匀、的供料,并能够在后续过程中进行精确的控制。螺旋加料器是一种常用的粉体处理设备，从螺旋输送机演变而来，采用管状料槽能实现比输送机更大的充填率，可用于处理多种类型的粉体。但是,螺旋加料器对粉体的小剂量计量准确度较差,所以需对其进行改进。本课题是以橡胶行业中炭黑加料装置的自动称量为研究对象，旨在设计一套精度高、故障率低、效率高、节能环保的新型全自动炭黑加料称量系统，其中包括对加料器转子、加料料斗及控制部分和其相应零部件的设计与分析。还
25、附有总体布置图的二维及三维设计图纸，并对设备元件的选型、整个系统的设计进行了分析说明。炭黑加料器在炭黑加料中占有最重要的地位，加料器的性能直接决定了加料系统的最终性能，对加料器进行结构设计分析是设计定量系统的必要前提条件。本课题研究的目的是通过对炭黑加料装置进行设计和性能分析，探讨加料装置在炭黑加料中的应用，以解决目前炭黑加料存在的问题: 提高炭黑加料的自动化程度，提高生产效率并保障工人的操作安全;实现更高准确度的定量配料，满足更高的生产要求，保证产品质量，减少次品率，增加企业效益等等。青岛科技大学本科毕业设计（论文）112 炭黑加料装置主要参数的确定橡胶生产中经常需要加入各种各样的小料来改善
26、或提高橡胶制品性能。由于橡胶生产中加入的小料品种繁多, 物料流动性各异, 加料量不同，称量范围小, 要求精度高，就要求给料装置能提供均匀、的供料,并能够在后续过程中进行精确的控制。螺旋输送机是一种常用的不具有挠性牵引构件的输送机械 10，是利用工作构件即螺旋体的旋转运动使物料向前运送，通过螺旋叶片的结构（如直径、螺距等）以及给料机转速的变化，可以调节原料输送量，结构简单，工作可靠，, 而且在实际生产应用中易于变频调速,通过对电的选用和控制较容易实现对供料进行准确控制，因此, 在橡胶生产中选用螺旋输送器根据配方的要求来输送和称量各种粉状、颗粒状和小块状小料，以提高称量精度和速度、降低工人的劳动强
27、度，提高生产的自动化水平、提高经济效益。但是，螺旋输送机设计和选择工作复杂、难度大，尤其是一些主要参数，如果选择和组合不当，将会严重影响螺旋输送机的生产效率和工作性能，影响各种小料的准确配料和称量，影响橡胶产品的最终质量。2.1 螺旋输送器主要设计参数分析与确定 2.1.1 螺旋进料器的进料量 Q输送量是衡量螺旋输送机生产能力的一个重要指标，一般根据生产需要给定，但它与其他参数密切相关 7。螺旋输送机的物料输送量可粗略按下式计算：Q=47D2snr (2-1)式中 s 一进料螺旋距,mm n 一螺旋转速,r/min D 一进料端螺旋直径，mm 一物料填充系数，r 一物料填积重,g/cm 3由式
28、(2-1)可以看出，螺旋输送机的物料输送量与 D、s、n、r、有关，当物料输送量 Q 确定后，可以调整螺旋外径 D、螺距 S、螺旋转速 n 和填充系数 四个参数来满足 Q 的要求。初定炭黑进料量为:Q=10kg/min。设计时螺距取螺旋直径的 0.8 倍，螺旋进料器的一般转速为 30-100r/min，要调节适当的进料量，可由调节变速器来改变螺旋的转速来实现。即 :s=0.8D， 取值 0.3，转速取中间 40r/min，炭黑填积重为 1.86-1.90g/cm3 ，取 r=1.88g/cm3。将以上相关数据带入式(2-1):10.000=47D20.8D0.31.8840由此求得：D=22.
29、7mm炭黑加料装置的结构设计12实体螺旋直径应圆整为下列标准螺旋直径:30，45，65，90，120，150，200按螺杆直径系列取 D=30mm螺旋叶片直径是螺旋输送机的重要参数，直接关系到输送机的生产量和结构尺寸。一般根据螺旋输送机生产能力、输送物料类型、结构和布置形式确定螺旋叶片直径，由 2-1 式可得出螺旋叶片的直径计算公式：(2-2)2.5QDKC式中 n-螺旋轴转速, r/min；A-物料综合特性系数，见表 2-1。由此式验算的 D14mm，所以得 D=30mm。螺旋轴径的大小与螺距有关，因为两者共同决定了螺旋叶片的升角，也就决定了物料的滑移方向及速度分布，所以应从考虑螺旋面与物料
30、的摩擦关系以及速度各分量的适当分布来确定最合理的轴径与螺距之间的关系。螺旋轴径与螺距的关系应是输送功能与结构的综合，在能够满足输送要求的前提下，应尽可能使结构紧凑。由于螺旋输送机的填充系数较低，只要保证靠近叶片外侧的物料具有较大的轴向速度，且轴向速度大于圆周速度即可。一般轴径 d 取(0.2-0.3 5)D。此处取 D 为 0.35，所以进料端 d1=10.5mm。如图 2-1所示。图 2-1 螺杆叶片直径示意图Fig.2-1 screw blade diameter schematic diagram2.1.2 螺旋轴转速 n螺旋轴的转速对输送量有较大的影响。一般说来，螺旋轴转速加快，输送机
31、的生产能力提高，转速过小则使输送机的输送量下降。但在满足输送能力的条件下螺旋转速也不宜过高，以免物料会因为离心力过大而向外抛，以致无法输送。根据实验,螺旋输送物料的极限转速可以由以下公式确定:青岛科技大学本科毕业设计（论文）13(2-3) AnD式中 n-螺旋轴转速, r/min；物料综合特性系数，见表 2-1,A 为 75按上式计算得出的 n 值得：n43.3r/min结合(2-3)中假设得：n=40r/min由上式可以看出,为降低转速,延长使用寿命,宜选择较大的螺旋直径,可得到更高的产量 2。表 2-1 常用物料的参数Tab 2-1 Material parameter 物料的块度 物料的
32、磨琢性 举例 填充系数螺旋面型式 K 值 A 值粉状无磨琢性半磨琢性石墨、石灰 0.30-0.40 实体螺旋面 0.0415 75粉状 磨琢性 水泥、石膏粉0.25-0.3 实体螺旋面 0.0565 35粒状 无磨琢性半磨琢性谷物、锯木屑、泥煤0.25-0.35 实体螺旋面 0.0490 50粒状 磨琢性 型砂、炉渣粒0.25-0.30 实体螺旋面 0.0600 30小块a60mm无磨琢性半磨琢性块煤、块状石灰 0.20-0.25实体螺旋面或带式螺旋面0.0600 30大块a60mm磨琢性 干粘土、硫矿石、焦炭 0.125-0.20实体螺旋面或带式螺旋面0.0795 15固状 粘性、易结块 含
33、水的糖、淀粉质的团0.125-0.20 带式螺旋面 0.0710 202.1.3 螺距 s 及螺纹头数（1）螺距不仅决定着螺旋的升角，还决定着在一定填充系数下物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料输送过程。输送量 Q 和直径 D 一定时，螺距改变，物料运动的滑移面随着改变，这将导致物料运动速度分布的变化。螺距应满足下列两个炭黑加料装置的结构设计14条件：即考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系两个条件，来确定最合理的螺距尺寸。通常可按下式计算螺距：S=K1D (2-4)对于标准的输送机，通常螺距为 K1=0.81.0；当倾斜布置或输送物料流动性较差时 K10.8；当水
34、平布置时，K 1=0.81.0。变螺距时最小螺距要大于或等于 0.8D（螺旋叶片直径） ，最大螺距不要大于 1.5D，在实际应用中，需要根据不同物料和不同螺距通过大量的实验数据才能得出较为理想的结果。此处取 K1 为 0.8，所以 s=24mm。如图2-4 所示。（2）在螺杆直径、螺槽深度和螺纹升程相同的条件下，多头螺纹与单头螺纹相比，多头螺纹对物料的正推力较大、攫取物料的能力较强，并可降低物料的倒流现象。而本课题的目的只是加料，因此加料段螺纹头数取 M=l。2.1.4 螺杆长径比 L/D、螺峰的轴向宽度:（1）螺杆工作部分长度与直径之比（L/D）称为螺杆长径比 2。较大的长径比有利于炭黑的均
35、匀给料，并可使炭黑升温过程较为缓和，这就为提高螺杆转速提供了可能性，有利于产量的提高。但过大的长径比，螺杆加工困难，功耗消耗要增大，且过大的长径比还会由于螺杆一端固定，另一端玄伸，增大重量弯曲而造成螺杆端部与机筒之间的间隙不均，严正时产生刮研而降低机械使用寿命。不同长径比的螺杆对产量、单位能耗的影响则十分显著。螺杆长径比小，单位能耗低，产生的温度也低。综合上述，此处取 L/D 为 12。所以 L=360mm。（2）螺峰的轴宽度会影响螺纹沟槽的容积，导致产量和功率消耗的变化。在保证强度的前提下，螺峰轴向宽度取小一些比较好。一般螺峰轴向宽度 e=(0.06-0.08)D。此处取 e=0.06D=1
36、.8mm。如图 2-2 和图 2-3 所示。2.1.5 螺纹形状与螺纹槽深 h：（1）常见螺纹断面形状有矩形、锯齿形、梯形、半圆形。矩形断面的螺纹，螺纹根茎表面与螺棱推进面成 90“夹角，用小圆弧过渡，螺槽容积较大，适宜于加料段之用。锯齿形断面的螺纹，其后缘有较大的倾角 (45,镀鉻层硬度 HRC55。(2) 螺旋筒的也是加料装置的重要组成部分，其应有足够的强度，能保证炭黑能顺利的被输送。螺旋筒的材料常选用铸铁或铸钢，其拉伸强度不低于 2N/mm2，须经退火处理 2。青岛科技大学本科毕业设计（论文）213 加料料斗的设计3.1 料斗的形状料斗应该是归属于加料器的一个部件，这里单独讨论是因为其重
37、要性和复杂性。最初料斗是圆锥形的，后来为了解决物料架桥问题，出现了多种形状的料斗，见图 3-1。图 3-1 几种不同形状的料斗结构图Fig.3-1 several different shapes of hopper 如图 3-1a 锥形料斗，图 3-1b、图 3-1C、图 3-1d 都是为解决架桥问题而设计的新型料斗，其原理是利用一个垂直面来破坏物料的架桥条件。但它们料斗相对容积都较小。所以这里选择类似方案 c，只不过加料斗上半部分为圆形，这样即增大了容积，也降低了制造难度。3.2 料斗的设计加料器的料斗是炭黑加料系统的主要部件，起着暂存炭黑和为给料器提供稳定均匀的炭黑粉料的功能，设计合理的
38、料斗结构对加料系统的效率有着直接的影响，通过分析炭黑在料斗中的粉料流动形式及整体流料斗的流动性理论，为炭黑加料系统设计一套整体流料斗，并根据不同的粉料性质设置相应的破拱装置，直接避免人工敲击料斗破拱，延长料斗的使用寿命。料斗功能主要是储存炭黑，为螺旋加料器提供物理化学性质稳定的粉料。但通过对橡胶轮胎行业加料料斗的应用情况来看，通常料斗的主要问题有：（1）粉料的流动不畅，起拱（2）仅作有限的流动，穿孔。炭黑加料装置的结构设计22（3）粉料的力度分离，即偏析。（4）流速与容量都不够大要使得称量系统能够高效低故障率运转，必须要解决上述问题，根据所储存粉料的物性进行设计，在结构上设计相应机构，从而解决
39、上述料斗中常出现的问题，来保证加料系统的效率及加料的精度。3.3 贮仓内流型的确定炭黑加入料斗后，在重力作用下形成料流为螺旋加料器供料。炭黑在料斗中的流动形式主要有整体流动和中心流动（也称为漏斗流） ，整体流动是指炭黑在料斗内各部分都一起向下流动，粉料是流动特点是“先进先出，后进后出”,优点是炭黑在料斗内不会形成炭黑粉料的流动死区。而中心流动料斗中，流动的炭黑粉料只限于料斗中心的“漏斗”区，其余范围为非流动区，炭黑粉料的流动特点是“先进后出” ，这样在非流动区域会导致炭黑粉体的积压而不能排出。如图 3-2 所示。整体流的优点如下：1）流动均匀而平稳；2）料斗内没有死角；3）粉料“先进先出”的流
40、动方式，最大限度的减少了存贮期间炭黑粉料的结块、变质及偏析等问题。4）炭黑在卸料时，炭黑粉料的密度是常数，料位的高低不对其密度产生影响。不利的方面有：需要陡峭的仓壁而增加了料斗的高度，具有磨损性的粉料，由于沿着料斗壁滑动而增加了对仓壁的磨损。目前，大多数料斗的设计，无论是已在使用的或是正在设计中的，都忽视了漏斗流的问题。所有料斗角度较小而尖锐的料斗，其中包括不够陡峭的圆锥形料斗，它们都会产生漏斗流。凡是倾斜度为与水平线夹角小于 60的圆锥形料斗具有恒定的漏斗流。在漏斗流中，粉料只在从料斗出口向上伸展，穿过粉料的正直通道里流动。在卸料口上方通道的截面积是恒定的，但其炭黑粉料流动却不均匀，所以漏斗
41、流贮仓的下料速率是不稳定的。这样，沿通道流下的炭黑粉体容易形成拱顶空穴。随着拱的破裂，粉体落入空穴。在这种冲击之下，粉体又会因密实而再度起拱。冲击状流动是漏斗流料斗的规律，在炭黑粉体贮存时，如果空穴一直延伸到给料器的话，冲击流动就会导致泛溢流。这种具有流体特性而充了气的落下料块会冲出加料器。通过上述两种流动类型的料斗的特点对比，整体流型料斗的料流平稳均匀，无死角等特性比较满足高精度粉料称量系统的需要，故采用整体流型贮仓。3.4 整体流型贮仓粉料的流动性研究整体流料斗必须保证料斗内的每个部位的炭黑粉料都处于流动状态，否则将会出青岛科技大学本科毕业设计（论文）23现死区，詹尼克整体流贮仓的设计理论
42、已经得到粉体行业的认可，其流动与不流动判据理论，对预测整体流型的料斗的颗粒是否流动极为有效。图 3-2 料斗内炭黑粉体的流动形式Fig.3-2 the flow form of carbon black in hopper由图 3-3 可知随着密实主应力先是增加，在筒仓转折处密实应力达到稳定的状态，然后转折应力开始减少，到达顶点时应力为零，屈服强度 fc 也是随着密实主应力的变化而变化。作用在料拱支角处的主应力与料拱的跨距 B 成正比，其主应力 1 可以表示为：（3-1）1BH式中 B 卸料口的宽度；粉料的容积密度；H ( )料斗半顶角 的函数，可由图 3-4 查得。当粉料的屈服强度 fc 小
43、于粉料内的料拱支脚的主应力 1 时，粉料的就是呈现重力流动状态，否则就会结拱。由图 3-3 可见，料斗 1 值和屈服强度 fc 的值相交于一点。此点就是粉料起拱的临界值，只要取得的 B 值大于交点对应的料斗跨距值，炭黑粉料就会发生重力流动。粉料的开放屈服强度可以再相应的密实应力下，进行剪切试验测得。对于料斗的流动性，工程中常用流动因数 ff 进行描述。流动因数定义为比值炭黑加料装置的结构设计24 1/ 当作用在料斗的密实主应力越高，或者作用在料拱上的应力 1 越低，那么该种料斗的流动性就越差，根据理论分析及实验的研究 ff 的表达式为：(3-2)1sin2SfH式中， 为有效内摩擦角，S ()
44、 为对应于壁面摩擦角 、料斗倾角 以及 的应力函数。流动因数 ff 及屈服强度 fc 的关系可在图中 3-5 中表示，由图中可知密实主应力 1 和粉料的的屈服强度 fc 相交于一点，当密实主应力 1 大于屈服强度 fc 时，粉料的屈服强度不够支撑其运动力，粉料开始流动，当密实主应力 1 小于屈服强度fc 时，作为驱动力的密实主应力 1 低于屈服强度，故粉料不能流动，交点为临界点。通过上述分析，料斗中粉料的流动性主要取决于粉料的屈服强度、料斗的开口径以及壁面的倾斜角。对于特定的炭黑粉料而言，增加料斗壁面的倾斜角及增大开口直径都可以增大料斗中的粉料流动性。图 3-3 整体流料斗内的流动单元体应力F
45、ig.3-3 the flowing unit stress in hoppers overall flow青岛科技大学本科毕业设计（论文）25图 3-4 料斗半顶角函数 H（ ）Fig.3-4 hoppers half-apex Angle function H ()图 3-5 流动因素与流动函数的关系Fig.3-5 the relationship between the flow factors and the flow function炭黑加料装置的结构设计263.5 料斗开口孔径的确定整体流料斗口径的大小直接影响着料斗是否容易成拱，根据粉料的流动性条件，由图 3-5 可知，结拱的临界
46、条件为 ,而料斗为整个流动的条件为 。如以表示结拱时的临界开放屈服强度，则可写成：(3-3)将上式（3-3 ）代入（3-1 ）式，即得贮仓的开口孔径为：(3-4)按式(3-4)计算其开口孔径最小应为 60mm，考虑料斗和螺旋加料器的连接等其他因素的影响，开口孔径 B 确定为大于等于60mm。增大料斗的出口直径和料斗壁倾角，可以有效提高粉体料斗的流动性。虽然提高加料斗的倾斜角会增加了料斗的高度，但确实能够有效避免粉料的成拱，改善粉料流动。这与缩短的加料斗相比，避免了因为粉料成拱影响生产，生产的效率高很多。3.6 料斗破拱装置虽然在设计整体流料斗时，已经完全考虑到了避免炭黑粉料成拱，但是由于炭黑粉
47、料所处环境的温度变化及空气湿度变化等因素的影响，难免会出现粉料粘度增大，颗粒空隙减少，接触面积增加，也会使排料困难，从而形成起拱。为了解决料斗中粉料起拱、架桥、粘壁、结团等问题，国内经常需人工敲击料斗，使设备的使用性能降低。根据粉料性质不同，在充分对比分析的基础上，分别采用脉冲式破拱，特制振动料斗式破拱，螺旋式破拱等形式。1）振动破拱振动料斗是料斗上增加振动驱动器（如图 3-6 所示）使下料斗（料斗仓下部）产生振动，将贮仓的底部振动部分与上料斗通过柔性构建连接，斗内有圆锥体，外壁上安装振动电机，使料斗下部做回旋振动，增大料斗仓中的粉料流动，这种方式只要采用 1500-1600 次/分的频率振动
48、，就能解决结拱和间歇性流动等问题，该装置特别适用于流动性很差的粉料。较适合此种破拱方式的粉料如表 3-6 所示。青岛科技大学本科毕业设计（论文）27图 3-6 震动破拱装置Fig.3-6 vibration arch breaker device表 3-6 适合用振动破拱的粉料table 3-6 powder is suit for vibration arch breaker device2）脉冲侧吹破拱料斗破拱器被紧贴安装在炭黑粉料仓的内壁上，助流器的表面为独特设计的导流凹槽，特殊材质的胶垫具有极好的弹性，耐磨性和抗疲劳性。当空气被导入料斗仓内，会沿着仓壁流动，以减少料斗仓内粉料和仓壁的摩
49、擦，同时胶垫会由于高压空气的导入产生剧烈的高频振动，彻底破坏粉料产生的堆积或悬挂，使粉料顺畅的流动起来。料斗破拱器的运行不受粉料或管道内所含少量水份的影响，对于一些流动性差的粉料有着其他助流装无法比拟的使用效果。流化器的双重密封设计能彻底防止粉料进入管道内，确保了助流器能够长时间免维护运行。如图 3-7 所示。3.7 仓壁倾斜角的确定料斗仓壁倾角或曲线各点的切线的倾角 （也就是料斗仓壁与水平面的夹角）要大于粉料对仓壁的摩擦角 （休止角）, 值一般是：粉体 45-55，一般选择料斗仓倾角的原则是 值要大于休止角 15。,采用合适的 ，可以防止料拱的出现，减少由料斗仓壁倾角设计不合适导致漏斗流情况的发生。虽然在增大料斗仓壁倾角的同时，增大了料斗仓的高度，但是从使用角度上来讲，其节省的人工破拱的人力物力方面的收益，要远远大于一次性的设备投资费用。本课题炭黑粉料的休止角较大，按照最大炭黑加料装置的结构设计28的休止角，设计贮仓统一倾斜角的大于等于 75。图 3-7 侧吹
