摘要：对GN300重型密炼机的主要技术参数、结构特点和性能进行分析，并与GK270N轻型密炼机进行了简单对比。GN300重型密炼机的性能决定了该机型适用于各种胶料的塑炼、混炼和终炼，特别适用于子午线轮胎胶料的混炼和终炼。
1 前言
GN300重型密炼机是益阳橡胶塑料机械集团有限公司（以下简称益阳橡塑机公司）在GK270N轻型密炼机和GN255N重型密炼机基础设计生产的一种用途较广的密炼机，该机型不但适用于各种胶料的塑炼、混炼和终炼，而且特别适用于全钢及半钢子午线轮胎胶料的混炼和终炼。
GK270N轻型密炼机是一种比较适合斜交轮胎胶料生产的轻型密炼机，该机型是益阳橡塑机公司最早消化吸收国外技术研发生产的，虽然目前国内现存数量较多，但是不太适用于生产硬度和粘度都较高的子午线轮胎胶料。针对这种情况，益阳橡塑机公司研发生产了GN255N重型密炼机，通过加大转子基圆尺寸，并采用穿轴式转子结构，提高了转子的强度和刚度。但是经使用验证，GN255N重型密炼机更适合全钢及半钢子午线轮胎胶料的终炼，而不太适用于混炼。为此，益阳橡塑公司结合GK270N和GN255两种型号密炼机的特点，设计和生产了GN300型重型密炼机。下面对GN300型重型密炼机的主要技术参数、结构特点和性能进行分析，以供同行参考。
2 技术参数及结构特点
2.1主要技术参数
拖动形式、传动方式和电机功率。GN300重型密炼机的拖动形式有直流电动机和交流变频电动机两种形式，其传动方式有左传动和右传动两种方式，用户可以根据本企业工艺要求、资金状况和厂房布局等情况进行选择。采用直流电动机时，一般采用2台功率为900KW的直流电动机，其价格虽然稍低，但是电机的故障率和能耗较高，设备的性价比偏低。采用交流变频电动机时，一般采用1台功率为1800KW的交流电动机，配置高压变频器进行控制，其价格虽然较高，但是电机的运行故障率较低，而且节能效果较好，设备的运行费用低，性价比较高。
转子转速、结构形式和中心距。GN300重型密炼机在用于塑炼、混炼时，转子转速为10-60 r/min；在用于终炼时，转子转速为10-40 r/min，主要是在终炼时，必须控制胶料的温度不能超过工艺要求的最高温度。转子结构目前有标准四棱型、ZZ-2、4W VCTM型同步转子（穿轴式）三种型式。前后转子中心距为615mm。
混炼室总容量、填充系数、工作容积、压砣对胶料压力。GN300重型密炼机混炼室的总容量为280L，其填充系数为0.75，工作容积210L，压砣对胶料压力0.1-0.56 MPa。
冷却水耗量、单位胶料耗电量及最大生产能力。GN300重型密炼机需要冷却的部位包括主机、减速机、主电机三部分，冷却水总耗量为105 m3/h，其中主机冷却水耗量约为50 m3/h、减速 15 m3/h、主电机为40 m3/h 。该机单位胶量耗电量190 kw.h/t ，最大生产能力约为5.3t/h ( 胶料相对密度为1.2)。
外形尺寸及主机重量。GN300重型密炼机包含电机和减速机在内的总体尺寸为长7800 mm，宽4400 mm，高5693 mm；主机重量为32t。
2.2结构特点
2.2.1机体部分
GN300重型密炼机机体部分的结构如图1所示，主要由底板、前后密炼室、轴承支架、轴承盖、圆耐磨板及混炼室压板等组成，而GK270N轻型密炼机则由底座、前后密炼室、轴承座、轴承盖、上侧板、圆耐磨板等组成。
GN300重型密炼机用于安装耐磨板、转子及轴承的轴承支架安装在一块整体底板上，轴承支架为焊钢式结构，水平剖分式。而GK270N轻型密炼机则前、后密炼室以及轴承座安装在钢板焊接而成的底座上，轴承座为铸钢结构，水平剖分式。
图1 GN300重型密炼机机体结构
为便于安装和维护转子防尘密封，GN300重型密炼机在机架的中部没有设计筋板和连接螺栓，因此该结构具有足够的强度和刚度，焊后消除应力退火以及喷丸处理，防止机架变形。该结构简单，便于加工，安装拆卸方便。而GK270N轻型密炼机两半混炼室则利用平键支承在底座上，用于混炼室的上下定位。
GN300重型密炼机两半混炼室利用组合楔键支承在轴承支架上，用于混炼室的上下定位；混炼室的冷却水接管直接焊接或用螺纹拧在内套上，焊接区域小，水管连接方便，不易漏水。而GK270N轻型密炼机混炼室的冷却水进出口都开在中间筋板上，而中间筋板与内套须全方位焊接，容易漏水。
与GK270N轻型密炼机相同，GN300重型密炼机不需要将整个混炼室结构和其它重要零部件分开，就可将前后密炼室拉出；每个轴承支架上都有两块垂直方向剖分的耐磨板，该板可冷却。
2.2.2转子及支承部分
GN300重型密炼机转子及支承部分的结构如图2所示。GN300重型密炼机转子主要有ZZ-2、标准四棱型、4W VCTM（四棱变间隙型）3种；GK270N轻型密炼机转子主要有ZZ-2、标准四棱型2种。
图2 GN300重型密炼机转子及支承部分的结构
GN300重型密炼机转子由合金铸钢铸成的转子体和合金钢长轴装配而成，转子体内部铸有单向大螺旋沟槽，铸后便于清砂，壁厚均匀，热交换效果好。同时，由于采用穿轴式转子，转子具有较高的抗弯曲强度和刚度，再加上良好的热传递效应，使得该密炼机的炼胶质量明显优于GK270N轻型密炼机。GK270N轻型密炼机转子由合金整体铸造而成，转子铸造时必须留有两个清砂孔，堆焊合金前必须焊堵。因此，两处清砂孔在转子炼胶过程中，由于应力集中，经常产生裂纹和漏水现象。转子为中空式冷却形式，内表面由于铁包砂层无法清理干净，热交换效果不理想，温升较快。另外，由于转子的抗弯和抗剪模量相对较小，无法适应高硬度和高粘度的全钢及半钢子午线轮胎胶料的混炼及终炼。
GN300重型密炼机ZZ-2、标准四棱型密炼机前后转子速比为1:1.103；4W VCTM（四棱变间隙型）前后转子速比为1:1；GK270N轻型密炼机ZZ-2、标准四棱型密炼机前后转子速比为1:1.103。
与GK270N轻型密炼机相同，GN300重型密炼机转子支承在自动润滑的双列球面滚子轴承上；转子由推力轴承承受轴向力并确定轴向位置，这种装置轴承受力情况良好，温升低；与胶料直接接触的部分堆焊了一层硬质耐磨合金，抗磨损能力提高。
2.2.3转子防尘密封装置
GN300重型密炼机转子防尘密封装置如图3所示。GN300重型密炼机采用YCH液压密封结构主要由动环、静环、弹簧、弹簧压块、密封油缸及密封油缸座板、指示杆等组成；GK270N轻型密炼机采用的液压密封结构则主要由动环、静环、拨叉、油缸及球型调整垫等组成。
图3 GN300重型密炼机转子防尘密封装置的结构
GN300重型密炼机的4组密封分别通过直接加压在压环和静环的4个油缸作用而成，4个油缸固定在沿圆周均匀分布的油缸支板上。由于弹簧安装在油缸内，4个油缸的垂直作用力使动、静环密封表面总能紧紧地贴合在一起，磨损速度较慢。安装在压环和油缸压板上的指示杆可以直观地观察密封装置的磨损程度，以便确定何时需要更换静环。GK270N轻型密炼机的密封油缸在油压的作用活塞下向前进，此时弹簧压缩，当活塞到达顶端时，油缸体带着拨叉向后运动，拨叉对压环和静环产生压力，使得动静环贴合在一起。弹簧的作用是在没有油压时首先有一个预紧力，使动、静环靠在一起。而在加压的过程，拨叉与压环并不垂直，动静环摩擦面易磨损。
GN300重型密炼机动静环总的磨损量为10 mm；GK270N轻型密炼机动静环总的磨损量为7-14 mm。
GN300重型密炼机采用焊接式机架结构，安装和维护空间较大，操作方便；而且此种密封形式可以节省润滑油，降低成本消耗。GK270N轻型密炼机整个密封结构复杂，安装拆卸以及调整十分麻烦。
与GK270N轻型密炼机相同，GN300重型密炼机静环外表面的接触压力可以通过调整减压阀来控制油缸的压力，静环和压环为剖分式结构，便于拆卸。动环一般固定在转子端面，为整体式结构，如果动环损坏，需要拆下转子进行修理或更换。液压系统中，通过调整减压阀来控制工作系统的压力。在不漏粉料的前提下，压力不宜调得太大，一般油压力控制在1-5MPa的范围内即可。静环一般采用铜合金，而动环密封面则堆焊硬质耐磨合金。为延长密封装置的使用寿命更长，将动环的圆周面以及圆耐磨板与转子轴颈配合部位堆焊硬质耐磨合金，要求耐磨合金层均匀、无裂纹，厚度在3mm左右。转子液压密封装置适用于加工各种胶料时的密封。密封润滑油在两个不同的位置以高压注入环形通道，即环形间隙的粘流化和密封环的润滑。转子环形间隙采用软化油润滑，因为这种润滑能使粉尘和橡胶形成膏状物然后与胶料混合；密封环的润滑必须采用矿物油，油液通过一个注油管到达滑动环表面。密炼室内的粉料在高压油的作用下，被密封在混炼室内。密封环的使用寿命在很大程度上依赖于接触面的压力调整以及润滑油的品质和粘度。润滑油由静环的注入口进入到工作端面接触处，形成一层极薄的油膜起润滑、冷却、密封作用。两种型号密炼机均可选择外压式机械密封形式。
2.2.4加料装置及液压压料装置
GN300重型密炼机加料装置及液压压料装置的结构如图4所示。GN300重型密炼机采用液压上顶栓，加料斗两侧的油缸支座采用双耳焊接式，加强了与油缸的连接强度；GK270N轻型密炼机加料斗两侧的油缸支座则采用单耳焊接式。
GN300重型密炼机采用改进型的活塞杆密封形式，在法兰及法兰压盖处设有两组密封圈，防止冷却水从连接法兰处泄漏。当杆与砣之间地密封圈被损坏时，只需更换在法兰及法兰压盖处的密封圈，而不必将上顶栓装置拆下。GK270N轻型密炼机活塞杆与压砣采用卡套、 法兰连接，杆与砣之间设有三组密封圈被，防止冷却水从连接法兰处泄漏。
图4 GN300重型密炼机加料装置及液压压料装置的结构
为了防止压砣的转动，GN300重型密炼机在杆和压砣之间增加了安全销，销子采用法兰连接，上有密封圈以防漏水，并且便于拆卸；当杆和压砣之间连接失效时，可以防止重砣掉进混炼室。GK270N轻型密炼机在杆和压砣之间也采用了安全销，在上顶栓重砣和杆装配后，配铰销孔，打入销子，顶部堆焊满，以防漏水，但该结构使得更换上顶栓砣体较困难。
为了防止压砣杆与横梁的松动，在GN300重型密炼机横梁的上部，采用2个自锁性能好的梯形螺纹螺母，可有效防止螺母松动；GK270N轻型密炼机采用2个细牙螺纹的圆螺母固定，在炼胶过程中，由于胶料对压砣机构的作用，压砣杆容易转动，导致螺母松动。
在喂料斗喉部位置，GN300重型密炼机混炼室和侧墙板上均镶有堆焊了硬质合金的可更换的耐磨板，维修方便快捷，并能减少或避免粉料泄漏；GK270N轻型密炼机的混炼室和侧墙板采用自然配合，磨损较快，易漏粉料。
GN300重型密炼机设有较大的加料口，加料速度快；而GK270N轻型密炼机的加料口尺寸较小，加料速度慢。
与GK270N轻型密炼机相同，GN300重型密炼机液压上顶栓连接在水平横梁上，并通过两根表面镀铬的钢柱导向，其压力控制是通过安装在加料斗两侧的油缸驱动上顶栓对胶料施加压力。上顶栓重砣可以通水冷却，冷却水由活塞杆中间通过。上顶栓的四角用螺钉固定了4块耐磨镶条，和胶料接触的部位堆焊了一层硬质耐磨合金。喂料门后侧开口用于炭黑进料，左壁或右壁开口用于小料进料。加料门的位置开关装在墙板外侧，并设有安全销，用于检修时的安全保险。加料门与两侧墙板之间的密封采用铜条弹簧结构；加料门轴的密封采用铜条加弹簧结构。侧墙板上有耐磨扇形板，便于更换。上顶栓提升、下降、缓冲和清扫四个位置通过无触点限位开关控制。上顶栓对胶料的压力可以根据炼胶工艺要求在0-0.55MPa范围内任意设定。上顶栓可以停留在任意位置。上顶栓的位置可以通过线性位移传感器，数字显示上顶栓的操作位置，控制炼胶质量。
2.2.5卸料装置
GN300重型密炼机卸料装置的结构如图5所示。GN300重型密炼机锁紧装置为油压肘杆上撑式，亦称曲拐式。锁紧油缸通过支架支承在主机底板上，它的活塞杆通过曲拐推动翻板门，当卸料门关闭后，锁紧块通过油压的作用，向前顶住下顶栓座上的锁紧垫块；而GK270N轻型密炼机锁紧装置为插板式结构。卸料门在关闭位置由锁紧油缸通过锁紧块锁紧。在炼胶过程中胶料对卸料门产生的压力主要由锁紧滑块支承。
图5 GN300重型密炼机卸料装置的结构
GN300重型密炼机锁紧装置的锁紧角可以作一些微调，控制锁紧角度在自锁角度内为最佳；而GK270N轻型密炼机锁紧装置的锁紧角一般保持在8°-10°的范围为最佳。
GN300重型密炼机在下顶栓座和混炼室底边上各固定有止动板，以防卸料门在关闭时对混炼室刃口冲击以及锁块锁过头。GK270N轻型密炼机锁紧滑块安装底座内，上下均装有铜导板，并通过干油泵间隙式地注入润滑油脂。在装配时，锁紧滑块和上下铜导板必须保证有75％以上的接触面积。
GN300重型密炼机锁紧接触部位进行了表面硬化处理，可以长期使用。锁紧垫和锁紧栓的对称结构允许其在一边使用后，可以换边重新使用，从而延长了锁紧装置的使用寿命；GK270N轻型密炼机在开锁过程中，由于锁紧滑块两侧的间隙过大，锁紧滑块摆动，开锁速度慢，将导致锁紧垫与滑块的磨损过快。
GN300重型密炼机在维护时，旋转油缸可将卸料门打开约180°；GK270N轻型密炼机维护时，旋转油缸可将卸料门打开约165°。
GN300重型密炼机由于采用曲拐锁紧结构，卸料门的打开和关闭的时间为1-3 s；GK270N轻型密炼机卸料门的打开和关闭的时间约需3-5 s。
与GK270N轻型密炼机相同，GN300重型密炼机的卸料门都是翻转式，开关门由往复式齿轮齿条旋转油缸驱动。卸料门顶部和胶料接触部位堆焊了一层硬质耐磨合金，边缘钻有冷却孔，可以由通过卸料门轴内孔引入的介质组成循环回路，进行冷却和加热。卸料门的开关门由液压站实现快慢速控制，这样即可保证运动的快速性，减少辅助时间，提高炼胶效率，又能实现无冲击运动，有效地保护了设备。为避免卸料门在排料开门时产生瞬时高压，在旋转油缸的进出油口增加一个直动式溢流阀，防止压力冲击引起油缸和胶管的损坏。
2.2.6传动部分
GN300重型密炼机的减速机为全硬齿面减速机，由专业生产厂家设计和制造。减速机齿轮通过渗碳、磨削加工以保证精度,具有精度高、噪音低、寿命长等特点。减速机带有自冷却润滑循环过滤系统，设有流量、压力、温度检测报警装置；减速机高速轴轴承设有温度检测报警装置，冷却润滑循系统中润滑油的流量、压力、油液低温及轴承温度也是主电机驱动运行必要连锁条件。减速机输出轴有单输出和双输出两种方式，由鼓形齿联轴器与密炼机转子相连接。
GN300重型密炼机主驱动电机为全封闭风—水冷却式直流电机(水风冷却与电机一体)，防护等级为IP54 ，绝缘等级为F级；与之相配套的直流调速柜，采用PLC控制，带DH+网络接口，用于和上辅机的通讯联络。
2.2.7电气控制部分
GN300重型密炼机的电气控制控制系统主要分为3部分，即主机控制系统、直流控制系统和水温控制系统。
主机控制系统采用PLC控制，包括对密炼机主机的控制、信号采集和处理，并有同下辅机、直流驱动系统、温控系统的信号通讯接口。对液压系统的控制采用完全闭环控制，其控制结果是保证压砣对物料的压力与操作设定一致。按照手动工作方式时，可实现密炼机按照时间、温度控制进行炼胶；按照自动工作方式，主机控制系统提供与上辅机的联络接口，由上辅机实现全自动炼胶控制，并可实现时间、温度、能量排胶。
直流控制系统也是采用PLC控制，具有数字量和模拟量控制，且控制电路与电源完全隔离。直流调速装置均采用国内技术水平较高、性能比较稳定的产品，控制精度完全满足设计要求。该系统的特点是全数字恒转矩调节方式；采用先进的自优化PID，具有自适应、自整定功能的电流环，可以达到最佳动态性能；可调整的PID速度环，具有积分分离功能；模拟测速发电机或旋转编码器可用于电机速度控制，并具有保护、诊断功能；设有与主控系统的通讯接口，并互相联络保护。
水温控制系统主要控制密炼机混炼室、耐磨板、转子、上顶栓、下顶栓等可通入热媒水的部位，其温度由水温控制系统调节，采用电加热或蒸汽加热方式。该控制系统有三个独立的开式或闭式回路，一个回路供给转子，一个回路供给混炼室及耐磨板，另一个回路供卸料门、上顶栓等。该系统分别调节各回路介质的流量和速度，平衡介质循环温度。每个回路都有必要的冷却和加热系统作为一个单独的集成单元独立操作，并带有过载、缺相等保护系统，以及流量、压力、温度报警单元。
3 性能分析
GK270N轻型密炼机的转子强度较低，转子之间的中心距小。在用于生产斜交轮胎胶料时，该机型的性能比较稳定，一直是国内长期使用的主要炼胶设备；但是在用于生产硬度和粘度都较高的子午线轮胎胶料时，其转子在较短的时间内就会出现裂纹、漏水现象，最终导致转子断裂。因此GK270N轻型密炼机从性能上讲，不太适用和满足硬度和粘度都较高的子午线轮胎胶料的工艺要求。
而GN300重型密炼机则是基于GK270N和GN255N两种型号的密炼机不能满足子午胎胶料工艺要求的现实，而进行有针对性的结构改进和性能提高。首先，GN300重型密炼机的整机强度普遍加强，这点可从上述几方面的比较可以看出。其次，GN300重型密炼机在设计和制造过程中应用了多项密炼机专利技术，仅转子就有ZZ2、标准四棱以及四棱变间隙（4W VCTM）等多种形式可供选择，可以适应子午胎胶料的各段工艺。特别是4W VCTM四棱变间隙同步转子的开发和应用，进一步提高了GN300重型密炼机的炼胶质量。
4W VCTM四棱变间隙同步转子意味着能调整和改变转子尖端部位间隙，在圆周和颈线方向设有大、中、小三类间隙，可以起到不同的作用。其中，大量混炼胶料通过转子的大间隙，可以在混炼室内实现均匀和分布式混炼；中间隙则是通过转子轴向改变的间隙，能够加速胶料在转子轴向和圆周方向的流动，可以全面提高混炼室内胶料的混炼效果；以转子的小间隙所产生的高剪切应力可以有效降低胶料的门尼粘度，并能提高胶料的分散度；同时，转子的小间隙能够刮掉混炼室内壁的粘着物，可以有效提高混炼室的冷却效果。
转子是密炼机的关键部件，转子的结构及使用性能直接影响密炼机的工作性能、生产效率及胶料的质量。通过生产实践证明，同步转子密炼机具有吃胶快、剪切拉伸作用强、分散分布效果好、炭黑分散度高以及各批次胶料之间均匀性好、温差小等优点。而GN300型四棱变间隙同步转子密炼机除了有以上特点外，还具有胶料在轴向流动性好、混炼温度低、胶料粘性较好等优点。
4 结语
从上述分析可以看出， GN300型重型密炼机将GK270N和GN255两种型号密炼机的优点糅合在一起，具有吃料快、生产效率高、分散均匀、安装维护简单等特点，完全可以替代GK270N和GN255型密炼机，目前已广泛应用于子午线轮胎胶料的混炼和终炼，是橡胶生产企业较好的选择。
（王其营）
（山东慧通轮胎有限公司）