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密煉機,密封圈,無油潤滑

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    摘要:密煉機是塑煉和混煉中的典型設備,處于不斷發展完善中,各種發展主要為了強化混煉過程,提高機臺效能,降低生產成本,減輕體力勞動和改善工作環境等為最終目的。本文是針對串聯式密煉機的密封系統中下位密煉機更換頻繁的密封圈進行相應專項改良研發的簡要說明,對目前串聯式密煉機無油潤滑系統的無油潤滑密封圈進行了實驗描述。
    1 行業背景
    據國外資料顯示,在橡膠工業中有88%的膠料是由密煉機制造的,塑料、樹脂行業亦廣泛應用密煉機。我國密煉機行業隨著不斷發展,整個行業朝著“二大”、“二高”、“一低”方向發展,即大規格(大容量)、大功率,高速、高壓,單位能耗低。在劇烈的混煉過程中,當然會帶來許多新問題,因此,對機械研究設計來說,從捏煉系統、冷卻系統、密封系統、加料及壓料系統、卸料系統、傳動系統、控制系統、主要零部件、材料到各種參數的技術決定以及理論,都需要相應的發展,以使整機性能優良,為生產過程提供良好的適應性和調節性。
    串聯煉膠工藝是德國大陸輪胎公司于20世紀80年代后期在傳統煉膠工藝基礎上開發出來的,英國Francis show 公司率先生產出串聯密煉機生產線,當時該串聯密煉機生產線僅應于橡膠制品生產。隨著英國Francis show公司、意大利Pomini公司、美國Farrel公司這些老牌密煉機生產企業被德國Harburg-Freudenberger公司并購以后,串聯密煉工藝開始被越來越多的輪胎企業所接受。近年來,隨著以“綠色輪胎”生產技術為代表的輪胎生產新工藝、新配方的出現,為滿足煉膠工藝要求,串聯密煉機組在國內輪胎企業得到了推廣使用,主要原因是白炭黑膠料的廣泛應用以及對煉膠效率、節能減排、混煉膠質量要求的不斷提高。
    基于以上,大連橡膠塑料機械股份有限公司(下稱大連橡塑)開發了國產化的串聯密煉機組,并成功售出了三條生產線(目前正在設備制作過程中)。
    2 研發無油潤滑的動因
    在目前國外進口的串聯式密煉機中,其下位機密封環采用的無油潤滑密封圈,這給了我們很好的提示。我們通過尋找相關的無油潤滑材料,進行相關的初步實驗,獲得了比較滿意的結果。
    所謂的無油潤滑,指的是將密煉機密封圈中的定圈合金層采用一種有機復合材料層進行替代的一種變革方式。這種改變的結果是,利用具有自潤滑效果的材料,可以不再使用原有密封系統中動圈與定圈合金層間的潤滑油。這樣,無論是在設備維修,還是在材料消耗,尤其是對煉膠中受門尼粘度影響較大的配方,無油潤滑的方式有著許多天然優勢,同時也將帶來相當可觀的經濟效益。
    3 研發簡介
    從我司既有的技術資料看,標準的密煉機(下落式卸料門)動定圈均為有油潤滑結構(十幾年前,曾特別為某企業制作過無油潤滑的80L密煉機密封圈,定圈在鋁青銅中鑲嵌了石墨。但該設備開機率及連續運行時間不高,不具備參考價值),加壓式捏煉機使用無油潤滑結構(定圈為酚醛或電木)。考慮到工況要求,分析認為加壓式的無油潤滑結構和材質在串聯密煉機的下位機上不適用,必須考慮其它的技術方案。
    像所有的高新技術一樣,目前關于密煉機無油潤滑方面的技術,國外對我們是禁止出口的,技術上是存在著重大壁壘的。針對于此,我們進行了數次的海外實地考察,以及在國外高校友人及其圖書館中有針對性的查找后,我們獲得了良好的收獲,PEA-180是一種鏈狀優良的雙高復合材料,其比較有代表性的物性值如表1所示。

表1  PEA-180物性 

 

物性(一)

材料最大允許的工作溫度

180℃

無效使用溫度

200℃

滑動軸承套的最大連續耐溫性

150℃

熔融溫度

320℃

玻璃化溫度

210℃

100攝氏度內的膨脹系數

4

150攝氏度內的膨脹系數

5.8

HDT溫度穩定性

195

導熱性

0.25

比熱容

1.85

UL94燃燒特性(3.2mm)              

V-0

氧指數

47

物性(二)

20攝氏度下的統計學摩擦系數

0.2

20攝氏度下的動力學摩擦系數

0.16

100攝氏度下的統計學摩擦系數

0.23

20攝氏度的磨損系數

0.23

100攝氏度的磨損系數

0.33

200攝氏度的磨損系數

0.3

240攝氏度的磨損系數

1.49

物性(三)

拉伸模量

3368MPa

彈性范圍

71MPa

拉伸下的屈服強度

101MPa

拉伸強度極限

101MPa

斷裂強度極限

82MPa

彈性層膨脹范圍

1.50%

伸長率

5.50%

相對極限伸長率

5.50%

斷裂相對伸長率

25%

    在上面數據可以看出該類材料具有良好的塑性和機械強度,同時在這種基礎結構中復合添加纖維補強材料等改性物質后可以得到性能更加突出的定向選擇性新材料,可以表現出更好的非極性結晶度、熔點高、耐磨耐腐蝕,同時可以具有自潤滑效果。在固體潤滑過程中,固體潤滑材料和周圍介質要與摩擦表面發生物理、化學反應生成固體潤滑膜,降低磨擦磨損,從而達到潤滑效果。通過以上的材料找尋,初步確定了兩種改性后的PEA-180材料,我們選用這兩種材料分別在模擬環境中進行了正交試驗。
    正交試驗選取2個變量因子,按照L4(29)排列進行。大連橡塑原有的合金密封圈加工的基礎上,進行資源整合,選用三大類共9種合金材料制作與兩類無油潤滑定圈配套的合金動圈,試加工以及現場模擬實驗逐步展開進行。該無油潤滑密封圈配對方案采用的是動圈為合金堆焊,定圈則是采用兩種以改性PEA-180材料代替原有合金層的做法,從實驗的結果中我們選取了實驗效果最好的一組進行了系統全面的功能完善,形成了全新一代的無油潤滑密封圈產品。
    產品初步定型后,我們進行了耐磨耗實驗(如圖1所示)。經試驗梳理,形成一批具體數據(如表2所示)。

表2 實驗數據 

時間( h)

溫度(℃)

密封面壓強(MP)

轉速(rpm)

定圈磨耗量(%)

實驗(一)

0

9.2

0.027

40

≈0

0.5

12.8

0.027

40

≈0

1

17.1

0.027

40

≈0

3

42.3

0.027

40

≈0

4

40.5

0.027

40

≈0

24

40.8

0.027

40

≈0

實驗(二)

0

9.4

0.035

40

≈0

0.5

16.6

0.035

40

≈0

1

24.8

0.035

40

≈0

3

47.3

0.035

40

≈0

4

45.2

0.035

40

≈0

24

45.3

0.035

40

≈0

實驗(三)

0

9.4

0.027

40

≈0

0.5

13.5

0.027

40

≈0

1

18.1

0.027

40

≈0

3

44.3

0.027

40

≈0

4

42.9

0.027

40

≈0

24

42.5

0.027

40

≈0

    因實驗條件有限,實驗數據參考價值不大,但仍然能夠從以上實驗數據看出以下幾個特點:⑴,經過在同金屬密封環的摩擦過程中,4個小時候基本上就可以達到熱平衡,基礎面溫度不再升高;⑵密封壓力大小對最終的熱平衡溫度有所影響。因實驗環境比較理想,磨耗數據都非常小,幾乎可以忽略不計。
    4 預期使用壽命
    經推算,基于以上技術研發的無油潤滑密封圈的預期使用壽命為9-36個月(目前,傳統有油潤滑的密封圈,合金對銅配對方式使用壽命大概為6個月,合金對合金配對方式使用壽命大概為一年),具有工業應用價值。
    5 經濟效益
    上述品類無油潤滑密封圈能夠帶來的經濟效益,首先也是最直接的就是潤滑油方面的費用節省。按每臺密煉機潤滑油費用60萬元/年計算,在剔除密封圈成本后,每臺密煉機節約的成本費用約為40萬元以上。同時,更關鍵的是,可以把煉膠過程中因為油的混入所造成的不良影響降到最低,尤其是對丁苯膠料混煉過程中品質的提升有明顯作用。其次,可在新型密煉機結構的改變中獲得的成本降低,因為原有的潤滑系統中,密封圈的供油系統的減除,對整臺密煉機的成本勢必會降低,這都會對未來的整個行業產生良好的影響。最后則是該品類密封圈在使用中的維護保養、環境保護等方面也較以往的合金密封圈更加便利,使用成本將進一步降低。
    目前,上述品類無油潤滑密封圈已在某用戶的密煉機上進行工業實踐應用。經過幾個月的負荷使用,效果較理想。我們將進行更深入的研究和優化,爭取早點將該技術在行業內推廣應用,以期為民族橡膠工業的升級和發展做出貢獻。
    (張津  韓幫闊)
    (大連橡膠塑料機械股份有限公司)

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