В промышленности по изготовлению и переработке резины эксплуатируются разнообразные машины, аппараты, линии и автоматизированные системы для производства резиновых смесей, а на их основе шин и резиновых технических изделий.

Заводы обычно состоят из производственных и вспомогательных цехов, различных служб и отделов. Отдельные производства заводов организуют по принципу единства или общности технологических процессов, что и предопределяет более или менее однородный характер технологического оборудования его цехов и участков.

Склады, подземные пути и погрузочно-разгрузочные средства являются важной составной частью предприятия. Система складов сырья имеет разнообразное оборудование, приспособленное для приема большого числа штучных грузов (каучуки, полуфабрикаты и большое число ингредиентов в различной таре), а также сыпучих (технический углерод, мел, тальк) и жидких (пластификаторы, мягчители, растворители) материалов.

Особую сложность представляют прием, хранение и транспортирование технического углерода вследствие его высокой дисперсности. При небольшом ассортименте и значительном потреблении технического углерода, для его хранения применяют специальные бункерные склады (БС), в которых технический углерод хранится в герметичных емкостях, объемом 200-300 м3. Технический углерод из железнодорожных хопперов на склад подается с помощью закрытой системы скребковых и винтовых транспортеров и элеваторов. Применяются и пневматические системы подачи, но они требуют сложной системы очистки воздуха. При большем ассортименте и меньшем расходе гранулированный технический углерод можно транспортировать в мешках или контейнерах, которые могут подаваться непосредственно к системе развески [1].

Количество бункеров склада ТУ рассчитывают в соответствии с мощностью подготовительного цеха. На шинных заводах количество бункеров на складах ТУ достигает 16-20 шт.

Системы транспортирования ТУ в бункерные склады и к расходным емкостям, состоящие из винтовых, скребковых или ленточных конвейеров имеют следующие недостатки: малую производительность, ненадежность в работе, громоздкость, сложность в обслуживании.

Пневмоподъемник имеет значительные преимущества и перед винтовыми конвейерами с ковшовыми элеваторами. По герметичности, исключающий

загрязнение окружающего воздуха ТУ и не ухудшающий санитарно-гигиенические условия в цехе. По производительности пневмоподъемник в два раза выше производительности элеватора. По стоимости значительно ниже стоимости системы шнеков и элеваторов.

Оборудование для приема, хранения и подготовки сыпучих материалов является громоздким и сложным из-за специфических свойств высокодисперсных материалов. Перспективно использовать пылящие материалы в гранулированном виде или в виде композиции с жидкими компонентами (пасты), максимально сокращать число их перегрузок и все операции с пылящими материалами проводить в закрытых агрегатах, а также стремиться максимально механизировать и автоматизировать производственный процесс.

В настоящее время для хранения ТУ используют автоматизированные склады. Они могут, как правило, принимать лишь несколько (3-5) сортов этого материала. Сыпучие материалы, используемые в больших объемах, хранятся в различных емкостях (бункеры, силосные банки и др.). Светлые материалы хранятся в таре на поддонах в высотных складах. Разгрузка, заполнение бункеров, подача технического углерода и светлых наполнителей в производство проводится закрытыми механизмами автоматически. Бункеры для светлых сыпучих материалов отличаются от бункеров для технического углерода более развитым вертикальным размером. В бункерах для облегчения высыпания из них материала и разрушения образующихся сводов устраивают ворошители-гребенки. Успешно работают в качестве сводообрушителей пневматические устройства.

В тех случаях, если внутренняя поверхность бункеров находится под разрежением или небольшим избыточным давлением, ее необходимо изолировать от окружающей среды, обеспечив при этом возможность выгрузки материала. Эти функции выполняют затворы. Затвор также может выполнять функцию объемного дозатора. Используются различные конструкции затворов-дозаторов: винтовые, шлюзовые и другие. Однако объемное дозирование не может обеспечить высокой точности. Поэтому созданы системы, где главным элементом являются весы. Объем материала в бункере контролируют указателями уровня, которые играют важную роль при автоматизации работы складов и транспортерных систем. В системах бункеров применяются сигнализаторы уровня мембранного, емкостного типов и типа вертушек.

В поточных автоматизированных линиях (ПАЛ) для приготовления резиновых смесей применяют различные системы дозирования: индивидуальные, централизованные и комбинированные. Индивидуальные системы предназначены для обслуживания одного резиносмесителя, а централизованные - нескольких смесителей. Комбинированные системы используют в тех случаях, когда часть компонентов развешивается централизовано и подается по специальным транспортным каналам к каждому резиносмесителю, а оставшиеся компоненты развешиваются непосредственно у смесителя.

При централизованной системе дозирования применяют только один комплект бункеров и весов для обслуживания всех смесителей (из расчета 3-4 бункера на одни весы), но при этом осложняется транспортирование навесок компонентов к резиносмесителям.

В современных производствах дозирование материалов за время, соответствующее продолжительности цикла смешения в резиносмесителе (по 2-3 мин на каждую стадию при двух - и трехстадийных режимах, 6-12 мин при одностадийных режимах), возможно только при использовании автоматической или полуавтоматической систем дозирования. Полуавтоматическими системами поточные линии оборудуют в тех случаях, когда некоторые компоненты (чаще всего каучуки и небольшие по объему добавки ингредиентов) целесообразнее взвешивать вручную [2].

1.2 Индивидуальная децентрализованная система дозирования

При подаче сигнала материал из бункеров через питатели поступает в массоизмерительные устройства, а затем в соответствующие сборные емкости, из которых они по мере необходимости попадают непосредственно в загрузочную емкость под верхний затвор резиносмесителя через боковые стенки. Технический углерод, через отверстие в задней стенке в загрузочной воронке, загружают под приподнятый верхний затвор резиносмесителя в камеру смешения. Жидкие компоненты загружают непосредственно из емкости под давлением 0,8-1,0 МПа в камеру смешения. Остальные компоненты ранее, а на некоторых производствах до настоящего времени, сначала ссыпались на загрузочный ленточный сборный транспортер, который подавал их через конусную часть в загрузочную воронку. Такая система дозирования предусматривала полуавтоматический режим работы и вела к значительным колебаниям содержания компонентов от смеси к смеси.

В случае применения негранулированных каучуков последние развешивают вручную, и в резиносмеситель поступают через загрузочный транспортер. Управление такой системой производится с ручного пульта управления. Все устройства и транспортер герметизируют. К ограждающим кожухам подведены трубопроводы централизованной системы дозирования, отсасывающие пылевоздушную смесь в пылесборное устройство.

Вследствие громоздкости оборудования, применяемого для индивидуальной развески, при создании мощных поточных линий приготовления резиновых смесей, включающих несколько смесителей, применяют централизованные системы дозирования, основным элементом которых является конвейер для транспортирования контейнеров с автоматическим адресованием. В этой системе основными являются: участок развески каучуков, где установлены весы для каучуков, и участок развески ингредиентов на развесочно-упаковочных установках АУ-2, АУ-5, АУ-10 и другие с использованием для изготовления пакетов ПВА пленки с температурой 46-82 ⁰С. Каучуки подают к месту развески ленточными конвейерами, а ингредиенты в бункера АУ пневмотранспортом или конвейерами.

Участки развески связаны с резиносмесителями толкающим конвейером. Конвейер имеет ответвления для доставки контейнеров к месту загрузки на централизованном участке и выгрузки на загрузочный транспортер резиносмесителя. Контейнер снабжен специальным устройством, по которым его опознают механизмы, управляющие адресованием, и по конвейеру направляют на требуемый участок трассы. В каждом контейнере содержится определенное количество навесок пакетов материала, которые загружаются в него на участке развески. Контейнеры транспортируются конвейером к тому смесителю, для которого предназначена навеска. Контейнер останавливается над загрузочным транспортером, подающим навеску в резиносмеситель. Контейнер разгружается и по обратной линии толкающего конвейера возвращается к участку загрузки. Для обеспечения непрерывной работы, у каждого резиносмесителя предусматривается одновременное нахождение не менее 5-ти готовых навесок [3].

резиновая смесь автомобильная покрышка

На специализированных шинных заводах и производствах РТИ технический углерод и жидкие ингредиенты дозируют непосредственно у каждого смесителя. Для этого около машин устанавливают бункера для технического углерода и весы с системами для сбора навесок в загрузочные емкости и ввода компонентов через заднюю стенку загрузочной воронки под приподнятый верхний затвор резиносмесителя. Эта система позволяет сократить число необходимых бункеров и взвешивающих устройств. Недостатком ее является сложная система транспортирования контейнеров, большое число их и сложность герметизации при их загрузке и выгрузке.

При использовании негранулированных каучуков развеску приходится производить вручную. При этом на рабочем месте кроме крупных кусков каучука должен иметься и измельченный продукт для точного набора навески.

Дозирование жидких и легкоплавких компонентов чаще всего производится с помощью весовых дозаторов. Полученные навески материала собирают в специальную емкость, из которой они передавливаются сжатым воздухом через инжектор в резиносмеситель непосредственно в камеру.

Представляет сложность дозирование ингредиентов, масса которого на одну загрузку составляет от 0,2 кг до нескольких килограммов. В последнее время эти компоненты дозируют и упаковывают в полимерную пленку с температурой плавления 76-82⁰С на специальных автоматических развесочно-упаковочных автоматах типа АУ-2, АУ-5, АУ-10, с одновременным изготовлением мешков из пленки определенной ширины в рулоне.

Сыпучие материалы подают, как правило, на весовые дозаторы виброшнековыми питателями. С большой скоростью подается основная масса материала, а с малой - остаток для точной остановки подачи в момент, когда масса навески достигнет нужной величины, что и обеспечивает точность навесок до 0,02 % (ранее до 2,0 %).

Оборудование и приборы для систем автоматического дозирования, включая бункеры, питатели, транспортеры, весы и дозировочные автоматы, выпускают серийно. Их типоразмеры нормализованы. Для материала каждого типа применяют специальные дозаторы, бункера и питатели различной конструкции.

Ранее сырье, поступающее со склада перед развеской и смешиванием, при необходимости, подготавливали: сыпучие материалы просеивали и подсушивали. В последнее время требования поставки в строго кондиционированных, как правило, в гранулированном виде, не требует подготовки. Жидкие и вязкие компоненты подогревают для снижения их вязкости; каучуки в кипах отделяют от упаковки материала и очищают от загрязнений, а НК еще при необходимости, особенно в холодное время и декристаллизуют (подогревают до 45⁰С и выше). После декристализации кипы каучука (обычно массой до 100 кг) режут на части для облегчения развески и смешения.

Установка для кристаллизации каучука представляет собой устройство для разогрева кип или кусков материала тем или иным способом с целью снижения его твердости и облегчения дальнейшей переработки.

Установки декристаллизации могут быть периодического и непрерывного действия. В зависимости от потребляемой энергии их подразделяют на воздушные, использующие в качестве теплоносителя подогретый воздух и электрические, использующие энергию токов высокой частоты.

При воздушной декристаллизации кипы каучука на специальных металлических поддонах помещают в камеру, куда непрерывно подают воздух, подогретый в калорифере и выдерживают в течение 35 - 70 ч. В процессе декристаллизации каучук переходит в аморфное состояние и его дальнейшая переработка облегчается.

Однако производительность таких установок мала вследствии медленного разогрева больших кип каучука. Причем кипы прогреваются неравномерно в зависимости от расположения по камере: внешние слои их перегреваются. Для устранения этих недостатков используют воздушные декристаллизованные установки непрерывного действия в виде непрерывного подвесного конвеера с люльками для разрезанных кип.

Для резки каучуков в промышленности широко используют гильотинные многолезвинные, или многолучевые в основном для НК И ХПК, адля СК в основном четырехдисковые ножи. Привод ножей может быть как гидравлический, так и электромеханический. При использовании многолучевых ножей кипа разрезается сразу на 4 - 10 кусков. Промышленностью выпускаются: горизонтальный десятилучевой нож НГ-2 и вертикальный шестилучевой нож 5291-1Б с гидроприводами, применяемые для резки распаренного каучука; однолезвенный нож марки 547-5 с пневмоприводом для нарезки кусков каучука, используемых в качестве довесок; однодисковый нож НД-500 и четырехдисковый нож марки 548-6 для нарезки СК, регенерата.

Резка каучука - это трудоемкая и опасная операция.

В настоящее время используются различные устройства и приспособления для механизации подачи каучуков под ножи, автоматизации резки и дозирования. При этом кипы каучука автоматически подаются по рольгангу. Имеется возможность регулирования величины куска в зависимости от массы навески.

При использовании гранулированного каучука значительно упрощается автоматизация операциями дозирования. Но использование гранулированных и негранулированных каучуков нерационально: возникает опасность перепутать гранулы, требуется частая чистка грануляторов, вызывающая большие потери производственной мощности и времени [4].

Введение в процесс операции гранулирования увеличивает расход электроэнергии и капитальные затраты на оборудование. Считается рациональнее каучуки подавать к резиносмесителю в виде брикетов.

Существует несколько способов подачи и развески каучуков. Подача осуществляется в контейнерах с помощью подвесного конвейера, нарезают и развешивают у резиносмесителей на ленточных полуавтоматических весах с последующей подачей через загрузочный транспортер в резиносмеситель. При централизованной развеске непосредственно на участке резки поддоны с навесками доставляются вилочными погрузчиками или с помощью конвейера к резиносмесителям и подаются за загрузочный транспортер через контрольные весы. Основным недостатком является трудоемкость несмотря на простоту.

Более рациональным является способ с использованием толкающего конвейера: резка каучуков на куски, их централизованная развеска на ленточных весах, транспортировка навесок к резиносмесителю толкающим конвейером, с помощью которого они попадают через контрольные весы на загрузочный транспортер резиносмесителя. Толкающий конвейер имеет автоматическое адресование посылаемых навесок и отводные петли у каждого резиносмесителя для создания запаса навесок примерно на один час работы. Недостаток: опасность прекращения работы всего подготовительного цеха при выходе из строя всего толкающего конвейера [5].

1.3 Подача и дозирование мягчителей

Жидкие и легкоплавкие мягчители подают насосом с центрального склада на промежуточный, расположенный в подготовительном цехе. Отсюда мягчители по кольцевой циркуляционной системе обогреваемых трубопроводов поступают к автоматическим дозаторам, установленным у резиносмесителя. Навески всех мягчителей из весовых бункеров в соответствии с рецептами резиновых смесей поступают в обогреваемые сборочные продувочные емкости, откуда под давлением сжатого воздуха передаются в обогреваемые инжекторы. С целью повышения производительности резиносмесителя и улучшения качества смеси следует подавать мягчители под давлением до 1,0 МПа, создаваемым с помощью насоса или инжектора при закрытом верхнем затворе смесителя при температуре 60-70 ⁰С.

Легкоплавкие материалы со склада сначала подаются к расходным обогреваемым емкостям, в которых они плавятся и фильтруются, а затем уже в жидком виде поступают на автоматические весы, взвешиваются и через продувочный бак подаются в камеру резиносмесителя. Все трубопроводы циркуляционной системы и внутрицеховые трубопроводы выполнены с обогреваемым спутником, где используются вторичные теплоносители, что более экономично, чем электрообогрев [5].

1.4 Система автоматического управления линиями приготовления резиновых смесей

Для управления процессами управления резиновых смесей ранее, а на отдельных производствах до настоящего времени, используются автоматические системы трех типов с использованием температурно-временного принципа управления.

Система СУРД разработана в блочном исполнении на основе релейно-контактной аппаратуры. Блоки системы взаимозаменяемы, датчики весовых дозаторов - сельсинного типа. Программа задается с помощью штекерного коммутатора или устройства считывания с перфорированной карты. Такая система управления в настоящее время сильно устарела.

Система САД разработана в блочном исполнении на основе бесконтактных элементов. Блоки полностью взаимозаменяемы. В системе применены фотоэлектрические датчики массы типа УВФ. Система используется на шинных заводах и заводах РТИ. Она обеспечивает: программное управление дозировкой основных компонентов резиновых смесей в соответствии с рецептурой, регистрацию и программирование числа навесок; автоматическую смену перфокарт после выполнения заданного числа ответов; автоматическое управление работой весов с компенсацией массы столба свободно падающего материала; автоматическое программирование процесса загрузки и смешения в заданной последовательности и разгрузке по времени и температуре; автоматическую проверку правильности взвешивания с помощью устройств обегающего контроля; контроля операций по мнемосхеме; управление питателями, имеющими одну или две скорости, возможность двукратных навесок на одних весах. Система САД - Р сложнее системы СУРД, но надежность ее выше [5].

В настоящее время выпускаются более надежные системы САД - ИК - 1 на микропроцессорах, хотя они тоже значительно устарели.

Завершение процесса по заданному времени и максимально допустимой температуре (особенно на заключительных стадиях с вводом вулканизующих агентов) не обеспечивает как высокую степень диспергирования, так и допустимый их разброс от смеси к смеси.

Современная схема автоматического управления на основе микро-ЭВМ осуществляется с пошаговым принципом управления с учетом действующих рецептов по следующим параметрам: продолжительность смешения, затрачиваемая суммарная и мгновенная энергия, частота вращения роторов, температура смеси. Возможно, управление одновременно по нескольким параметрам Завершение процесса по вязкости как функции потребляемой мощности с учетом частоты вращения роторов и температуры, т.е. µ= f (N,T,n).

Память системы на основе программы состав-свойства рассчитана на несколько сотен рецептов, которые, как и другие технологические параметры в режиме диалога, могут быть вызваны на экран дисплея.

Система обеспечивает требуемую последовательность подачи компонентов, высокое качество смесей, стабилизацию параметров процесса смешения, т.е. разброса показателей от смеси к смеси, а также исключает влияние производственного персонала на процесс смешения. Система технологического процесса делится на следующие подсистемы: дозирование ингредиентов, контроль за показаниями весов-дозаторов, разгрузка в промежуточные емкости, ввод ингредиентов в смеситель, собственно процесс смешения, выгрузка содержимого смесителя на дорабатывающее оборудование.

Фирмой "Монсанто" (США) создана автоматизированная лаборатория для контроля качества смесей, а именно, контроля исходного сырья и качества смешения. При этом определяют чистоту сырья и размеры частиц.

После установления качества сырья проводится проверка очередности и времени введения в смеситель ингредиентов в требуемом количестве. Точность дозирования во многом зависит от выпускной формы продукта. Идеальная выпускная форма продукта - гранулы.

Наиболее эффективный способ введения микрокомпонентов, обеспечивающий исключение колебаний по их содержанию от смеси к смеси, дозировка и ввод вместе с пакетами с низкой температурой плавления полимера (76-82 ⁰С).

Наиболее эффективен контроль за процессом смешения по расходу энергии, с учетом первичной вязкости и вязкости при выгрузке (с учетом колебаний температуры на пластикацию).

Освоение ОАО "Белшина" контроля качества резиновых смесей с помощью автоматической контрольной лаборатории позволило повысить уровень качества резиновых смесей на 4-5% и стабильность свойств - на 30-50%, сократить количество первичного брака резиновых смесей в 2 раза, повысить производительность труда работников контрольной лаборатории на 37% и сократить их численность на 23,6%.

Для повышения эффективности, производительности и качества смешения впервые в мировой практике на Бобруйском ЗМШ испытано использование трехстадийного смешения в резиносмесителях большой единичной мощности (БЕМ) - 370 и 620 дм³ с управляемыми приводами.

В настоящее время наиболее эффективным способом приготовления резиновых смесей является приготовление в две или три стадии смешения с использованием резиносмесителей периодического действия РС 270/15.60, которые обеспечивают необходимое качество смешения. При использовании данных резиносмесителей обеспечивается герметичность процесса, благоприятные условия при перемешивании материалов, высокая производительность (по сравнению с резиносмесителями с нерегулируемыми по частоте вращения приводами), возможность автоматического контроля и стабилизации протекающего в нем процесса.

В резиносмесителе РС-270/15.60 загрузка и выгрузка смеси происходит периодически. Порядок смешения следующий: при закрытом нижнем затворе загружают каучук, твердые мягчители, затем через определенный промежуток времени в 2-4 приема загружают порошкообразные ингредиенты и остальные мягчители. После очередной загрузки верхний затвор каждый раз закрывают. По истечении необходимого времени открывают нижний затвор и выгружают резиновую смесь [5].

Основной частью резиносмесителя является смесительная камера, собранная из двух полуцилиндров и двух боковых стенок, внутри которой навстречу друг другу вращаются два фигурных ротора, а боковые стенки своей внутренней частью закрывают камеру, а наружная часть служит опорой для подшипников роторов. Камера устанавливается на станине и имеет верхнее загрузочное окно. Загрузочное окно закрывается и поднимается при помощи поршня воздушного цилиндра. В смесительной камере имеются отверстия для ввода мягчителей. В нижней части загрузочной воронки для техуглерода и компонентов, развешиваемых децентрализовано, под приподнятый верхний затвор. Роторы при помощи шарнирных муфт соединяются в блок с редуктором. Применяется 4-ех контурная система охлаждения роторов, Гребнев верхнего и нижнего затворов смесительной камеры, имеющей отверстие в стенках полукамер для принудительного термостатирования водой с температурой 25-35 ⁰С, и компенсацией перепада температуры до 0,5 ⁰С разбавлением свежей водой.

Техническая характеристика резиносмесителя 270/15…60 приведена в табл.1.1.

Таблица 1.1 - Техническая характеристика резиносмесителя 270/15…60

В автоматизированных процессах приготовления резиновых смесей наряду с основным технологическим оборудованием (резиносмесители, вальцы) применяется разнообразное оборудование для механизации вспомогательных процессов, связанных с хранением, подготовкой, дозированием и подачей в смесительные агрегаты твердых и жидких материалов. Для приготовления резиновых смесей к резиносмесителям необходимо подать со складов сырья компоненты, входящие в состав смесей, дозировать их строго в соответствии с рецептами приготовления смесей и загружать полученные дозы в резиносмеситель в определенной последовательности и в заданное время. Расходные бункера предназначены для промежуточного хранения порошковых или гранулированных ингредиентов смесей перед подачей их при помощи питателей к дозирующим устройствам. Разгрузка и подача техуглерода в производство осуществляется автоматически. Расходные бункера для техуглерода устанавливают в виде комплекта по два бункера с одной общей стенкой. Бункера бывают каркасной и бескаркасной конструкции. Расходные бункера каркасного типа изготавливаются из листовой стали (2,5 мм), бескаркасные - 6 мм со сваркой под углом.

В бункерах для облегчения вытекания из них сыпущих материалов и разрушения образующихся сводов устраивают гребенки. Вытеканию материала также способствуют вибраторы, расположенные вблизи отверстия бункера. Дозирование материалов производится с применением автоматических порциальных или непрерывно взвешивающих автоматических дозаторов. В зависимости от степени механизации и автоматизации производственных процессов и требований технологии системы дозирования подразделяются на самостоятельные группы: индивидуальное, централизованное, комбинированное [5].

1.5 Пластикация каучуков