摘要：對GN300重型密煉機的主要技術參數、結構特點和性能進行分析，并與GK270N輕型密煉機進行了簡單對比。GN300重型密煉機的性能決定了該機型適用于各種膠料的塑煉、混煉和終煉，特別適用于子午線輪胎膠料的混煉和終煉。
1 前言
GN300重型密煉機是益陽橡膠塑料機械集團有限公司（以下簡稱益陽橡塑機公司）在GK270N輕型密煉機和GN255N重型密煉機基礎設計生產的一種用途較廣的密煉機，該機型不但適用于各種膠料的塑煉、混煉和終煉，而且特別適用于全鋼及半鋼子午線輪胎膠料的混煉和終煉。
GK270N輕型密煉機是一種比較適合斜交輪胎膠料生產的輕型密煉機，該機型是益陽橡塑機公司最早消化吸收國外技術研發生產的，雖然目前國內現存數量較多，但是不太適用于生產硬度和粘度都較高的子午線輪胎膠料。針對這種情況，益陽橡塑機公司研發生產了GN255N重型密煉機，通過加大轉子基圓尺寸，并采用穿軸式轉子結構，提高了轉子的強度和剛度。但是經使用驗證，GN255N重型密煉機更適合全鋼及半鋼子午線輪胎膠料的終煉，而不太適用于混煉。為此，益陽橡塑公司結合GK270N和GN255兩種型號密煉機的特點，設計和生產了GN300型重型密煉機。下面對GN300型重型密煉機的主要技術參數、結構特點和性能進行分析，以供同行參考。
2 技術參數及結構特點
2.1主要技術參數
拖動形式、傳動方式和電機功率。GN300重型密煉機的拖動形式有直流電動機和交流變頻電動機兩種形式，其傳動方式有左傳動和右傳動兩種方式，用戶可以根據本企業工藝要求、資金狀況和廠房布局等情況進行選擇。采用直流電動機時，一般采用2臺功率為900KW的直流電動機，其價格雖然稍低，但是電機的故障率和能耗較高，設備的性價比偏低。采用交流變頻電動機時，一般采用1臺功率為1800KW的交流電動機，配置高壓變頻器進行控制，其價格雖然較高，但是電機的運行故障率較低，而且節能效果較好，設備的運行費用低，性價比較高。
轉子轉速、結構形式和中心距。GN300重型密煉機在用于塑煉、混煉時，轉子轉速為10-60 r/min；在用于終煉時，轉子轉速為10-40 r/min，主要是在終煉時，必須控制膠料的溫度不能超過工藝要求的最高溫度。轉子結構目前有標準四棱型、ZZ-2、4W VCTM型同步轉子（穿軸式）三種型式。前后轉子中心距為615mm。
混煉室總容量、填充系數、工作容積、壓砣對膠料壓力。GN300重型密煉機混煉室的總容量為280L，其填充系數為0.75，工作容積210L，壓砣對膠料壓力0.1-0.56 MPa。
冷卻水耗量、單位膠料耗電量及最大生產能力。GN300重型密煉機需要冷卻的部位包括主機、減速機、主電機三部分，冷卻水總耗量為105 m3/h，其中主機冷卻水耗量約為50 m3/h、減速 15 m3/h、主電機為40 m3/h 。該機單位膠量耗電量190 kw.h/t ，最大生產能力約為5.3t/h ( 膠料相對密度為1.2)。
外形尺寸及主機重量。GN300重型密煉機包含電機和減速機在內的總體尺寸為長7800 mm，寬4400 mm，高5693 mm；主機重量為32t。
2.2結構特點
2.2.1機體部分
GN300重型密煉機機體部分的結構如圖1所示，主要由底板、前后密煉室、軸承支架、軸承蓋、圓耐磨板及混煉室壓板等組成，而GK270N輕型密煉機則由底座、前后密煉室、軸承座、軸承蓋、上側板、圓耐磨板等組成。
GN300重型密煉機用于安裝耐磨板、轉子及軸承的軸承支架安裝在一塊整體底板上，軸承支架為焊鋼式結構，水平剖分式。而GK270N輕型密煉機則前、后密煉室以及軸承座安裝在鋼板焊接而成的底座上，軸承座為鑄鋼結構，水平剖分式。

圖1 GN300重型密煉機機體結構

為便于安裝和維護轉子防塵密封，GN300重型密煉機在機架的中部沒有設計筋板和連接螺栓，因此該結構具有足夠的強度和剛度，焊后消除應力退火以及噴丸處理，防止機架變形。該結構簡單，便于加工，安裝拆卸方便。而GK270N輕型密煉機兩半混煉室則利用平鍵支承在底座上，用于混煉室的上下定位。
GN300重型密煉機兩半混煉室利用組合楔鍵支承在軸承支架上，用于混煉室的上下定位；混煉室的冷卻水接管直接焊接或用螺紋擰在內套上，焊接區域小，水管連接方便，不易漏水。而GK270N輕型密煉機混煉室的冷卻水進出口都開在中間筋板上，而中間筋板與內套須全方位焊接，容易漏水。
與GK270N輕型密煉機相同，GN300重型密煉機不需要將整個混煉室結構和其它重要零部件分開，就可將前后密煉室拉出；每個軸承支架上都有兩塊垂直方向剖分的耐磨板，該板可冷卻。
2.2.2轉子及支承部分
GN300重型密煉機轉子及支承部分的結構如圖2所示。GN300重型密煉機轉子主要有ZZ-2、標準四棱型、4W VCTM（四棱變間隙型）3種；GK270N輕型密煉機轉子主要有ZZ-2、標準四棱型2種。

圖2 GN300重型密煉機轉子及支承部分的結構

GN300重型密煉機轉子由合金鑄鋼鑄成的轉子體和合金鋼長軸裝配而成，轉子體內部鑄有單向大螺旋溝槽，鑄后便于清砂，壁厚均勻，熱交換效果好。同時，由于采用穿軸式轉子，轉子具有較高的抗彎曲強度和剛度，再加上良好的熱傳遞效應，使得該密煉機的煉膠質量明顯優于GK270N輕型密煉機。GK270N輕型密煉機轉子由合金整體鑄造而成，轉子鑄造時必須留有兩個清砂孔，堆焊合金前必須焊堵。因此，兩處清砂孔在轉子煉膠過程中，由于應力集中，經常產生裂紋和漏水現象。轉子為中空式冷卻形式，內表面由于鐵包砂層無法清理干凈，熱交換效果不理想，溫升較快。另外，由于轉子的抗彎和抗剪模量相對較小，無法適應高硬度和高粘度的全鋼及半鋼子午線輪胎膠料的混煉及終煉。
GN300重型密煉機ZZ-2、標準四棱型密煉機前后轉子速比為1:1.103；4W VCTM（四棱變間隙型）前后轉子速比為1:1；GK270N輕型密煉機ZZ-2、標準四棱型密煉機前后轉子速比為1:1.103。
與GK270N輕型密煉機相同，GN300重型密煉機轉子支承在自動潤滑的雙列球面滾子軸承上；轉子由推力軸承承受軸向力并確定軸向位置，這種裝置軸承受力情況良好，溫升低；與膠料直接接觸的部分堆焊了一層硬質耐磨合金，抗磨損能力提高。
2.2.3轉子防塵密封裝置
GN300重型密煉機轉子防塵密封裝置如圖3所示。GN300重型密煉機采用YCH液壓密封結構主要由動環、靜環、彈簧、彈簧壓塊、密封油缸及密封油缸座板、指示桿等組成；GK270N輕型密煉機采用的液壓密封結構則主要由動環、靜環、撥叉、油缸及球型調整墊等組成。

圖3 GN300重型密煉機轉子防塵密封裝置的結構

GN300重型密煉機的4組密封分別通過直接加壓在壓環和靜環的4個油缸作用而成，4個油缸固定在沿圓周均勻分布的油缸支板上。由于彈簧安裝在油缸內，4個油缸的垂直作用力使動、靜環密封表面總能緊緊地貼合在一起，磨損速度較慢。安裝在壓環和油缸壓板上的指示桿可以直觀地觀察密封裝置的磨損程度，以便確定何時需要更換靜環。GK270N輕型密煉機的密封油缸在油壓的作用活塞下向前進，此時彈簧壓縮，當活塞到達頂端時，油缸體帶著撥叉向后運動，撥叉對壓環和靜環產生壓力，使得動靜環貼合在一起。彈簧的作用是在沒有油壓時首先有一個預緊力，使動、靜環靠在一起。而在加壓的過程，撥叉與壓環并不垂直，動靜環摩擦面易磨損。
GN300重型密煉機動靜環總的磨損量為10 mm；GK270N輕型密煉機動靜環總的磨損量為7-14 mm。
GN300重型密煉機采用焊接式機架結構，安裝和維護空間較大，操作方便；而且此種密封形式可以節省潤滑油，降低成本消耗。GK270N輕型密煉機整個密封結構復雜，安裝拆卸以及調整十分麻煩。
與GK270N輕型密煉機相同，GN300重型密煉機靜環外表面的接觸壓力可以通過調整減壓閥來控制油缸的壓力，靜環和壓環為剖分式結構，便于拆卸。動環一般固定在轉子端面，為整體式結構，如果動環損壞，需要拆下轉子進行修理或更換。液壓系統中，通過調整減壓閥來控制工作系統的壓力。在不漏粉料的前提下，壓力不宜調得太大，一般油壓力控制在1-5MPa的范圍內即可。靜環一般采用銅合金，而動環密封面則堆焊硬質耐磨合金。為延長密封裝置的使用壽命更長，將動環的圓周面以及圓耐磨板與轉子軸頸配合部位堆焊硬質耐磨合金，要求耐磨合金層均勻、無裂紋，厚度在3mm左右。轉子液壓密封裝置適用于加工各種膠料時的密封。密封潤滑油在兩個不同的位置以高壓注入環形通道，即環形間隙的粘流化和密封環的潤滑。轉子環形間隙采用軟化油潤滑，因為這種潤滑能使粉塵和橡膠形成膏狀物然后與膠料混合；密封環的潤滑必須采用礦物油，油液通過一個注油管到達滑動環表面。密煉室內的粉料在高壓油的作用下，被密封在混煉室內。密封環的使用壽命在很大程度上依賴于接觸面的壓力調整以及潤滑油的品質和粘度。潤滑油由靜環的注入口進入到工作端面接觸處，形成一層極薄的油膜起潤滑、冷卻、密封作用。兩種型號密煉機均可選擇外壓式機械密封形式。
2.2.4加料裝置及液壓壓料裝置
GN300重型密煉機加料裝置及液壓壓料裝置的結構如圖4所示。GN300重型密煉機采用液壓上頂栓，加料斗兩側的油缸支座采用雙耳焊接式，加強了與油缸的連接強度；GK270N輕型密煉機加料斗兩側的油缸支座則采用單耳焊接式。
GN300重型密煉機采用改進型的活塞桿密封形式，在法蘭及法蘭壓蓋處設有兩組密封圈，防止冷卻水從連接法蘭處泄漏。當桿與砣之間地密封圈被損壞時，只需更換在法蘭及法蘭壓蓋處的密封圈，而不必將上頂栓裝置拆下。GK270N輕型密煉機活塞桿與壓砣采用卡套、 法蘭連接，桿與砣之間設有三組密封圈被，防止冷卻水從連接法蘭處泄漏。

圖4 GN300重型密煉機加料裝置及液壓壓料裝置的結構

為了防止壓砣的轉動，GN300重型密煉機在桿和壓砣之間增加了安全銷，銷子采用法蘭連接，上有密封圈以防漏水，并且便于拆卸；當桿和壓砣之間連接失效時，可以防止重砣掉進混煉室。GK270N輕型密煉機在桿和壓砣之間也采用了安全銷，在上頂栓重砣和桿裝配后，配鉸銷孔，打入銷子，頂部堆焊滿，以防漏水，但該結構使得更換上頂栓砣體較困難。
為了防止壓砣桿與橫梁的松動，在GN300重型密煉機橫梁的上部，采用2個自鎖性能好的梯形螺紋螺母，可有效防止螺母松動；GK270N輕型密煉機采用2個細牙螺紋的圓螺母固定，在煉膠過程中，由于膠料對壓砣機構的作用，壓砣桿容易轉動，導致螺母松動。
在喂料斗喉部位置，GN300重型密煉機混煉室和側墻板上均鑲有堆焊了硬質合金的可更換的耐磨板，維修方便快捷，并能減少或避免粉料泄漏；GK270N輕型密煉機的混煉室和側墻板采用自然配合，磨損較快，易漏粉料。
GN300重型密煉機設有較大的加料口，加料速度快；而GK270N輕型密煉機的加料口尺寸較小，加料速度慢。
與GK270N輕型密煉機相同，GN300重型密煉機液壓上頂栓連接在水平橫梁上，并通過兩根表面鍍鉻的鋼柱導向，其壓力控制是通過安裝在加料斗兩側的油缸驅動上頂栓對膠料施加壓力。上頂栓重砣可以通水冷卻，冷卻水由活塞桿中間通過。上頂栓的四角用螺釘固定了4塊耐磨鑲條，和膠料接觸的部位堆焊了一層硬質耐磨合金。喂料門后側開口用于炭黑進料，左壁或右壁開口用于小料進料。加料門的位置開關裝在墻板外側，并設有安全銷，用于檢修時的安全保險。加料門與兩側墻板之間的密封采用銅條彈簧結構；加料門軸的密封采用銅條加彈簧結構。側墻板上有耐磨扇形板，便于更換。上頂栓提升、下降、緩沖和清掃四個位置通過無觸點限位開關控制。上頂栓對膠料的壓力可以根據煉膠工藝要求在0-0.55MPa范圍內任意設定。上頂栓可以停留在任意位置。上頂栓的位置可以通過線性位移傳感器，數字顯示上頂栓的操作位置，控制煉膠質量。
2.2.5卸料裝置
GN300重型密煉機卸料裝置的結構如圖5所示。GN300重型密煉機鎖緊裝置為油壓肘桿上撐式，亦稱曲拐式。鎖緊油缸通過支架支承在主機底板上，它的活塞桿通過曲拐推動翻板門，當卸料門關閉后，鎖緊塊通過油壓的作用，向前頂住下頂栓座上的鎖緊墊塊；而GK270N輕型密煉機鎖緊裝置為插板式結構。卸料門在關閉位置由鎖緊油缸通過鎖緊塊鎖緊。在煉膠過程中膠料對卸料門產生的壓力主要由鎖緊滑塊支承。

圖5 GN300重型密煉機卸料裝置的結構

GN300重型密煉機鎖緊裝置的鎖緊角可以作一些微調，控制鎖緊角度在自鎖角度內為最佳；而GK270N輕型密煉機鎖緊裝置的鎖緊角一般保持在8°-10°的范圍為最佳。
GN300重型密煉機在下頂栓座和混煉室底邊上各固定有止動板，以防卸料門在關閉時對混煉室刃口沖擊以及鎖塊鎖過頭。GK270N輕型密煉機鎖緊滑塊安裝底座內，上下均裝有銅導板，并通過干油泵間隙式地注入潤滑油脂。在裝配時，鎖緊滑塊和上下銅導板必須保證有75％以上的接觸面積。
GN300重型密煉機鎖緊接觸部位進行了表面硬化處理，可以長期使用。鎖緊墊和鎖緊栓的對稱結構允許其在一邊使用后，可以換邊重新使用，從而延長了鎖緊裝置的使用壽命；GK270N輕型密煉機在開鎖過程中，由于鎖緊滑塊兩側的間隙過大，鎖緊滑塊擺動，開鎖速度慢，將導致鎖緊墊與滑塊的磨損過快。
GN300重型密煉機在維護時，旋轉油缸可將卸料門打開約180°；GK270N輕型密煉機維護時，旋轉油缸可將卸料門打開約165°。
GN300重型密煉機由于采用曲拐鎖緊結構，卸料門的打開和關閉的時間為1-3 s；GK270N輕型密煉機卸料門的打開和關閉的時間約需3-5 s。
與GK270N輕型密煉機相同，GN300重型密煉機的卸料門都是翻轉式，開關門由往復式齒輪齒條旋轉油缸驅動。卸料門頂部和膠料接觸部位堆焊了一層硬質耐磨合金，邊緣鉆有冷卻孔，可以由通過卸料門軸內孔引入的介質組成循環回路，進行冷卻和加熱。卸料門的開關門由液壓站實現快慢速控制，這樣即可保證運動的快速性，減少輔助時間，提高煉膠效率，又能實現無沖擊運動，有效地保護了設備。為避免卸料門在排料開門時產生瞬時高壓，在旋轉油缸的進出油口增加一個直動式溢流閥，防止壓力沖擊引起油缸和膠管的損壞。
2.2.6傳動部分
GN300重型密煉機的減速機為全硬齒面減速機，由專業生產廠家設計和制造。減速機齒輪通過滲碳、磨削加工以保證精度,具有精度高、噪音低、壽命長等特點。減速機帶有自冷卻潤滑循環過濾系統，設有流量、壓力、溫度檢測報警裝置；減速機高速軸軸承設有溫度檢測報警裝置，冷卻潤滑循系統中潤滑油的流量、壓力、油液低溫及軸承溫度也是主電機驅動運行必要連鎖條件。減速機輸出軸有單輸出和雙輸出兩種方式，由鼓形齒聯軸器與密煉機轉子相連接。
GN300重型密煉機主驅動電機為全封閉風—水冷卻式直流電機(水風冷卻與電機一體)，防護等級為IP54 ，絕緣等級為F級；與之相配套的直流調速柜，采用PLC控制，帶DH+網絡接口，用于和上輔機的通訊聯絡。
2.2.7電氣控制部分
GN300重型密煉機的電氣控制控制系統主要分為3部分，即主機控制系統、直流控制系統和水溫控制系統。
主機控制系統采用PLC控制，包括對密煉機主機的控制、信號采集和處理，并有同下輔機、直流驅動系統、溫控系統的信號通訊接口。對液壓系統的控制采用完全閉環控制，其控制結果是保證壓砣對物料的壓力與操作設定一致。按照手動工作方式時，可實現密煉機按照時間、溫度控制進行煉膠；按照自動工作方式，主機控制系統提供與上輔機的聯絡接口，由上輔機實現全自動煉膠控制，并可實現時間、溫度、能量排膠。
直流控制系統也是采用PLC控制，具有數字量和模擬量控制，且控制電路與電源完全隔離。直流調速裝置均采用國內技術水平較高、性能比較穩定的產品，控制精度完全滿足設計要求。該系統的特點是全數字恒轉矩調節方式；采用先進的自優化PID，具有自適應、自整定功能的電流環，可以達到最佳動態性能；可調整的PID速度環，具有積分分離功能；模擬測速發電機或旋轉編碼器可用于電機速度控制，并具有保護、診斷功能；設有與主控系統的通訊接口，并互相聯絡保護。
水溫控制系統主要控制密煉機混煉室、耐磨板、轉子、上頂栓、下頂栓等可通入熱媒水的部位，其溫度由水溫控制系統調節，采用電加熱或蒸汽加熱方式。該控制系統有三個獨立的開式或閉式回路，一個回路供給轉子，一個回路供給混煉室及耐磨板，另一個回路供卸料門、上頂栓等。該系統分別調節各回路介質的流量和速度，平衡介質循環溫度。每個回路都有必要的冷卻和加熱系統作為一個單獨的集成單元獨立操作，并帶有過載、缺相等保護系統，以及流量、壓力、溫度報警單元。
3 性能分析
GK270N輕型密煉機的轉子強度較低，轉子之間的中心距小。在用于生產斜交輪胎膠料時，該機型的性能比較穩定，一直是國內長期使用的主要煉膠設備；但是在用于生產硬度和粘度都較高的子午線輪胎膠料時，其轉子在較短的時間內就會出現裂紋、漏水現象，最終導致轉子斷裂。因此GK270N輕型密煉機從性能上講，不太適用和滿足硬度和粘度都較高的子午線輪胎膠料的工藝要求。
而GN300重型密煉機則是基于GK270N和GN255N兩種型號的密煉機不能滿足子午胎膠料工藝要求的現實，而進行有針對性的結構改進和性能提高。首先，GN300重型密煉機的整機強度普遍加強，這點可從上述幾方面的比較可以看出。其次，GN300重型密煉機在設計和制造過程中應用了多項密煉機專利技術，僅轉子就有ZZ2、標準四棱以及四棱變間隙（4W VCTM）等多種形式可供選擇，可以適應子午胎膠料的各段工藝。特別是4W VCTM四棱變間隙同步轉子的開發和應用，進一步提高了GN300重型密煉機的煉膠質量。
4W VCTM四棱變間隙同步轉子意味著能調整和改變轉子尖端部位間隙，在圓周和頸線方向設有大、中、小三類間隙，可以起到不同的作用。其中，大量混煉膠料通過轉子的大間隙，可以在混煉室內實現均勻和分布式混煉；中間隙則是通過轉子軸向改變的間隙，能夠加速膠料在轉子軸向和圓周方向的流動，可以全面提高混煉室內膠料的混煉效果；以轉子的小間隙所產生的高剪切應力可以有效降低膠料的門尼粘度，并能提高膠料的分散度；同時，轉子的小間隙能夠刮掉混煉室內壁的粘著物，可以有效提高混煉室的冷卻效果。
轉子是密煉機的關鍵部件，轉子的結構及使用性能直接影響密煉機的工作性能、生產效率及膠料的質量。通過生產實踐證明，同步轉子密煉機具有吃膠快、剪切拉伸作用強、分散分布效果好、炭黑分散度高以及各批次膠料之間均勻性好、溫差小等優點。而GN300型四棱變間隙同步轉子密煉機除了有以上特點外，還具有膠料在軸向流動性好、混煉溫度低、膠料粘性較好等優點。
4 結語
從上述分析可以看出， GN300型重型密煉機將GK270N和GN255兩種型號密煉機的優點糅合在一起，具有吃料快、生產效率高、分散均勻、安裝維護簡單等特點，完全可以替代GK270N和GN255型密煉機，目前已廣泛應用于子午線輪胎膠料的混煉和終煉，是橡膠生產企業較好的選擇。
（王其營）
（山東慧通輪胎有限公司）