橡胶混炼多相物料连续计量机理及实验装备研究

发布时间：2018-07-02 19:36

本文选题：误差 + 粉体物料　；参考：《青岛科技大学》2017年博士论文

【摘要】：随着各种新型高分子材料和绿色轮胎等高档次橡胶制品的相继研发,人们迫切希望能生产质量优良、稳定性高的混炼胶。对橡胶连续混炼工艺装备和胶料及碳黑等物料计量系统提出更高要求,新的配料系统和混炼工艺装备革新需求越来越迫切。传统的混炼方式采用上辅机对碳黑等添加料进行计量和配料,用密炼机和开炼机进行混炼。橡胶原料和碳黑等粉料的计量、橡胶混炼过程都属于非连续状态,这种间歇式计量和混炼方式已经非常成熟。但随着对橡胶质量和生产自动化要求的提高,间歇式计量和间歇式混炼方式存在固有缺陷无法满足对产品质量和加工工艺日益提高的要求,如混炼胶质量不均一、效率低、能耗高、间歇加工造成热量的损失以及密炼机上辅机系统相对复杂等问题。为解决间歇式混炼存在缺陷,研究人员将研究重点放在连续混炼工艺和装备上,并取得重要成果。然而,由于橡胶原材料的粘弹性及配料的复杂性,给橡胶和碳黑等配料的连续计量及加料配比的准确性带来了极大的难题,目前解决方法主要是通过橡胶原材料加工成粉末或颗粒状实现连续供料,但由于其加工成本问题高、难以实现大工业应用。研究一种快速而又准确的连续计量新方法和新技术成为当前连续混炼工艺亟待解决的问题。研制新型自动连续进料和计量系统并进行计量及混炼实验研究,实现橡胶物料和相关配料快速准确自动计量,对于丰富和完善连续计量和连续混炼理论,具有十分重要意义。本课题主要是通过对固体橡胶、颗粒粉体配料、油料三种物料的物理性能和计量特性分析,针对上述难题,提出了针对不同类型物料的连续计量方法,建立了连续计量及连续混炼机理,研发了实现多相物料的智能连续加料计量系统,并同连续混炼机实现无缝结合,研制出了橡胶、碳黑及小料、油料的连续配比计量智能实验平台。完成的主要工作如下:1、通过对天然橡胶、碳黑等颗粒粉料、油料三种不同物理形态物料的自动连续计量方法和工作机理的研究,提出了橡胶的供料系统、碳黑及小料连续混合和计量系统、油料自动供料方法的新思路、新方案。提出了固-液-粉三相物料混合式自动计量机理,研制出了实现物料连续混合及计量的结构模型,对多相物料连续计量系统和结构进行了总体设计。2、建立了多相物料连续计量机理和连续混炼机理,针对橡胶和碳黑等性能和结构特点,建立了动态连续计量数学模型;从碳黑等物料的物性入手,研究物料颗粒的大小、物理特性等,构建粉体和颗粒的流动性、堆积性的数学模型,探究颗粒几何特性对动态连续计量性能的影响。3、通过对多相连续计量系统分析,建立了自动计量装置连续加料动力学方程,研究了物料特性对配比准确性和连续性影响。通过动力学分析表明:对于休止角大于30°的粉料,流动性较差,可选择螺距较大的螺杆;对于休止角小于30°的粉料,流动性较好,可选择螺距较小的螺杆;对于密度较轻的物料如碳黑,在非稳定运动状态下工作时,需要适当加大响应速度、电机转速和输料螺杆直径;对于密度较大的粉料,在非稳定运动状态下工作,在需要适当减小电机转速、螺杆直径和螺旋升角。通过上述分析,建立了橡胶和碳黑等物料的配比计量数学模型。4、通过对连续计量和连续混炼机理研究的研究,利用EDEM有限元软件分析了碳黑及小料在计量中的物料的分散性和均匀性,并在计量过程中对各物料及计量装备进行了颗粒模型分析、运动分析、受力分析及结构分析,优化了物料输送和混合结构设计方案。5、研制了混合式自动连续计量和连续混炼装置。通过自主研发的连续塑炼机,将天然橡胶进行预塑炼,并将塑炼胶压成均匀条形,再通过胶条输送和测量系统计算橡胶输送体积,得到胶料添加质量;针对碳黑等粉粒物料,采用失重式计量方式,将物料经混合装置混合均匀后经连续测量系统实现物料的配比输送;对油料采用体积式计量方式添加质量并进行连续配比计量。通过三种不同的测量装置完成三相物料的配料和连续计量。6、采用迭代算法实现PID控制,并经LABVIEW编程,实现多物料连续计量系统闭环式控制,可将连续计量和连续混炼同一个控制平台上进行整体控制,提高了配料计量精度,连续计量、连续混炼整体工作性能。并通过计量稳定性实验和连续混炼胶性能实验,对多相物料连续计量系统进行了验证和优化。7、实验证明碳黑等粉料添加时间同橡胶原料配比存在时间滞后性,通过均匀化胶条尺寸和提高装置的快速反应时间,消除时间滞后性引起的添加误差,优化连续计量及连续混炼胶密度误差控制在0.3%。8、通过对配合连续计量系统的工艺条件实验表明:对于本实验机台最佳工艺条件为:机筒温度80°C、机头温度70°C,螺杆转速30r/m,混炼条件最佳。实验数据表明:连续式混炼在门尼黏度、剪切模量等物理机械性能相当或高于密炼机混炼;连续混炼胶的拉伸强度比传统密炼机混炼胶性能要略强一些;对于撕裂强度具有明显的优势;对于分散度,虽然分散度性能会低于间歇式混炼,但连续混炼所得混炼胶分散度稳定性具有非常显著的优势。综合各方面指标能够证明,采用连续计量和连续混炼工艺能够提高橡胶的质量和稳定性。本课题通过对颗粒模型研究、计量方法机理分析、混合和计量仿真模拟和实验,研制了固-粉-液三相物料连续计量装备,丰富了物料动态连续计量理论,完善了橡胶连续配料和连续混炼工艺装备。并通过相关实验进一步验证,论述了三相动态连续计量理论和实验方案是合理正确性,所研制的动态连续计量系统及实验装置和方案的可行性。对于多种行业的工业配料和连续计量技术研究有着一定的理论研究价值和工程应用价值。
[Abstract]:In order to solve the problems of continuous mixing and continuous mixing of rubber , carbon black and other materials , it is very important to study the continuous metering and mixing of rubber , carbon black and other materials . A mathematical model of dynamic continuous metering is established . The particle size , physical properties , etc . are studied from the physical properties of materials such as carbon black . The continuous metering system of multiphase materials is verified and optimized by means of measuring stability experiment and continuous mixing rubber performance experiment . The experimental data show that the continuous metering and continuous mixing process can improve the quality and stability of rubber .
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ330.43

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