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青岛科技大学研究生学位论文 密炼机混炼过程中内部流场和温度场的模拟研究 摘要 在聚合物加工的混炼设备中，密炼机是应用最为广泛的问歇式混炼设备。密炼 机转子作为密炼机的核心部件，一直是人们研究的重点。为了更好地提高密炼机的混 炼效率和炼胶质量，使人们更加清楚地掌握混炼过程、混炼机理以及密炼室内胶料 的流场和温度场变化情况，人们丌始运用有限元等相关软件对此进行模拟计算。本 文利用a d i n a 有限元软件对密炼机的流场和温度场首次进行了有益的探讨研究。 本文首次建立了不同胶料流场的三维模型和同步转子密炼机的二维有限元模 型，对全充满状态下包含不同转子构型的胶料流场进行了三维等温、非牛顿模拟计 算，对得到速度场、压力场和粘度场等云图进行了分析，同时还对密炼机二维流场 有限元模型进行了流固耦合计算，从而得出了转子在混炼过程中的应力和应变变化 状态。 同时本文还对三维转子温度场和密炼机二维温度场的分布进行了分析，通过对 温度场的模拟，得出了胶料在各个瞬时的温度以及密炼机不同部位的温度变化情况， 对密炼机各部分的传热性能有了更进一步地了解。 通过对密炼机流场和温度场的分析，可以得出以下结论： 1 通过流场横截面剪切应力场的分析，可以得到在转子棱的顶部间隙、楔形区域和 切向间隙内均存在着有利于分散的高剪切区。 2 通过对两转子流场啮合区域截面上的压力场和速度矢量场分析，首次直观地得出 了在啮合区同步转子的混合能力和效率要高于异步转子的结果。 3 通过对同步转子流场在一个周期内的轴向流动分析，可以了解到，每个转子流场 都有一个围绕转子的小循环流动，二者的小循环在啮合区发生混合，在两转予转 过了大约1 3 转的时候，流动趋势变缓，并开始转向，这个过程大概持续1 6 转 的时间，最后的1 3 转呈与前1 3 转相反的循环流动，这样在一个周期内就出现 了一次完整的往复混合。通过对异步转子流场在一个周期内的轴向流动分析，左 右转子流场构成一个大的单向循环流动，在过了大约i 3 转的时候，流动趋势变 密炼机混炼过程中内部流场和温度场的模拟研究 换，局部丌始出现反向流动，出现一个比较平稳的时期，大体趋势还是正向流动， 但是不太明显，每个小部分都出现类似紊流的流动，最后正向循环流动重新加强， 完成一个周期的循环。 4 首次通过在转予流场中释放粒子流，观察胶料的流动情况和存在流动的死角。通 过对比同步四棱和异步四棱流场的粒子流情况，明确了二者不同的混合机理。通 过对0 - 9 0 0 帽位排列得同步转子粒子场的分析，得知胶料在整个混炼区域做8 字 型流动，从流动混合性的角度来看，这种排列方式要优于o o o o 相位的情况。 5 通过四棱和功能性二棱同步转子温度场有限元结果的对比分析，在同等条件下四 棱转子的传热及换热性能要明显优于功能性同步二棱转子。 6 混炼过程的温度曲线是随时间变化的，在一个混炼周期内会出现波动和峰值，呈 抛物线形式上升，炼胶初期温度变化缓慢，炼胶中期温度上升较快，在炼胶后期 温度上升最快，几乎成线性增加。首次使甭菲线性功率加载方式，模拟得出的胶 料温度更加接近实验结果。 最后本文对密炼室的二维温度场进行了一系列的实验测试，实验结果表明用有限 元软件a d i n a 模拟同步转子密炼机的温度场方法可行，得到的结果可靠。关于流场 的模拟实验还需要进一步改进设备进行验证。 关键词：同步转子密炼机三维造型有限元方法流场温度场 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo nm i n gp r o c e s ss i 瑚l a t i o n o fm i x e ri n t e r n a lf l o wf i e l d a n dt e m p e r a t u r ef i e l d a b s t r a c t t h e r ea r em a n ym i x i n ge q u i p m e m sb e i n gu s e di np o l y m e rp r o c e s s i n g t h ei n t e r n a l m i x e ri so n eo f t h em o s tp o p u l a rb a t c hm i x i n ge q u i p m e n t s t h er o t o r sw h i c ha r et h eh e a r t p a r to fm i x e ra r ea l w a y sb e e ns t u d i e do nb yp e o p l e i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f c o m p o u n d ，m i x i n ge f f i c i e n c y , a n dm a k i n gc l e a r l ya b o u tm i x i n gm e c h a n i s ma n dv a r y s t a t u so ff l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di nc h a m b e r p e o p l es t a r tt os i m u l a t ei tw i t hf e m a n dr e l a t e ds o f t t h i st e x td i ds o m es i m u l a t i o n so ff l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw i t h a d i n af o rt h ef i r s tt i m e t h ep h y s i c a lm o d e l sa n d3 - df e mm o d e l sf o rt h e s er o t o r sf l o wf i e l dh a db e e nb u i l t f o rt h ef i r s tt i m e a n dt h et e x ta l s oh a db u i l t2 df e mm o d e l sf o rf s is i m u l a t i o n t h e a r t i c l eh a dm a d ei s o t h e r m a lf l o wf i e l ds i m u l a t i o nw i t hd i f f e r e mr o t o r st y p e ，t h ep r e s s u r e f i e l d v e l o c i t yf i e l da n dv i s c o s i t yf i e l dh a db e e no b t a i n e d 曲mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a t t h es a m et i m e ，r o t o r s s t r e s sa n ds t r a i nh a db e e na c q u i r e db yp o s t - p r o c e s s i n g o t h e r w i s et h i st e x tm a d es i m u l a t i o nf o r3 - dr o t o r st e m p e r a t u r ef i e l da n d2 - dm i x e r t e m p e r a t u r ef i e l d m i x i n gr u b b e r st e m p e r a t u r et r a n s i e n tv a l u ea l s oh a db e e ng a i n e df r o m t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n t e m p e r a t u r ev a r i a b l ev a l u eo f d i f f e r e n tp a r t st e m p e r a t u r eo f m i x e rg o tt o o t h et e x tp r o v i d e dab e t t e rw a yt of i n do u te v e r yp a r t sh e a tt r a n s f e r c a p a b i l i t y t h es i m u l a t j o nr e s u l t si n d i c a t ea sf 0 1 l o w s ： 5 密炼机泄炼过榉中内部流场和温度场的模拟研究 t h r o u g ha n a l y s i sa b o u ts h e a rs t r e s si nt h ec r o s ss e c t i o no fm i x e rf l o wf i e l d ，t h e r e w e r et h r e eh i g hs h e a rr e g i o n s ，l o c a t e da tf l i g h tt i pc l e a r a n c e s ，w e d g er e g i o na n d n i pc l e a r a n c e t h r o u g hs t u d i e so np r e s s u r ea n dv e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o no be f g hc r o s s s e c t i o no ft h et w or o t o r sm e s h i n ga r e a ，c o n c l u d e dt h a ts y n c h r o n o u sr o t o r sh a d b e t t e rm i x i n ga b i l i t ya n de f f i c i e n c yt h a na s y n c h r o n o u sr o t o r sf o rt h ef i r s tt i m e t h r o u g ha n a l y s i sa b o u ts y n c h r o n o u sr o t o r sa x i a ld i r e c t i o nf l o w , w ef i r s tg a i n e d t h ef l o wm e c h a n i s ma sf o l l o w s ：e a c hr o t o rf l o wf i e l dh a das i n g l el o o pa n dg e t m i x i n ga tm a t ez o n e a f t e rt h eo n em i r dp e r i o df l o w sv e l o c i t yg e td o w na n dg e t r e v e r s e d ，t h i ss t a t u sl a s t e do n es i x t hr e v o l u t i o nt i m e ，f l o wg o e si nr e v e r s ed i r e c t i o n i nt h el a s tp e r i o d w i t ha s y n c h r o n o u sr o t o r ，t h ef l u i dw e r ed r a g g e df r o mt h ef r o n t t ot h eb a c ko f t h em i x e rc h a m b e ra l o n gr i g h ta n df r o mt h eb a c kt ot h ef i o n to f t h e m i x e rc h a m b e ra l o n gl e t tr o t o rd u r i n gr e v o l u t i o n a f t e ra b o u to n et h i r dr e v o l u t i o n ， t h e r ew i l lb eas t a t i o n a r yp e r i o d ，a n dt h e nt h ef l o wr e f o r m e dg o e so n r e l e a s i n gp a r t i c l ea tr o t o r sf l o wf i e l dt ow a t c hr u b b e r sf l o ws t a t u sa n ds t a t i o n a r y z o n ef o rt h ef i r s tt i m e c o m p a r e dw i t ht h ep a r t i c l es t a t u so f t h et w ok i n df l o wf i e l d s ， f o u n dt h a ts y n c h r o n o u sr o t o r s m i x i n ge f f i c i e n c yi sd i f f e r e n tw i t ha s y n c h r o n o u s r o t o r s t h e yh a dd i f f e r e n tm e c h a n i s mf r o mt h ep a r t i c l et r a c i n gf i e l d ，w ek n e wt h a t r u b b e rf l o w e dt r a c ej u s tl i k en u m b e r8w h e nr o t o rw e r ea r r a n g e da to - 9 0d e g r e e w i l lo b t a i nb e t t e rm i x i n ge f f e c tt h a na t0 - 0d e g r e ep h a s e c o m p a r e dw i t ht w o w i n ga n df o u r - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r ss i m u l a t i o nf i e l d r e s u l t ，t h ef o u r - w i n gr o t o r sh a v eb e t t e rh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yt h a nt w o w i n g r o t o r s m i x i n gr u b b e r st e m p e r a t u r er a i s e df o l l o wt h et i m e i th a dt h em a xv a l u ea n d m o v e dw a v yi nap e r i o d i c r u b b e r st e m p e r a t u r er a i s e dl o wa te a r l yt i m e ，a n dr i s e q u i c k l ya tm i d d l ep e r i o d ，t h e nr i s e f a s tj u s tl i k el i n e a ri n c r e a s ea tt h ee n d u s e d n o n l i n e a rl o a d e dp o w e ra si n p u tf i r s t ，t h e nw ec o u l dh a v eac l o s e rs i m u l a t i o n r e s u l t st ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s 。6 青岛科技人学研究生学位论文 a tl a s t ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt ot e s t i f yt h et e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h es tr o t o rm i x e r i tp r o v e dt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n w i t ha d i n aw a sf e a s i b l ea n dc r e d i b l e t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o u l dh a v et h e i m p r o v e de q u i p m e mt od i s c u s s k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sr o t o ri n t e r n a lm i x e r3 - dm o d e l i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o df l u i df e ht e m p e r a t u r ef i e l d 7 青岛科技犬学研究生学位论文 前言 2 0 世纪以来，随着高分子材料科学的发展以及人类社会对高分子材料的大量需 求，各种功能的高分子材料己在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，橡胶作为 高分子材料的重要一员，其作用越来越显得重要，橡胶产业己成为国民经济支柱性 产业，其产品遍布社会的每个领域，同时橡胶又是非常重要的战略物资。而橡胶混 炼又是高分子材料加工研究领域的重要的工序之一，自f h b a n b u r y l g l 6 年发明密 炼机以来，间歇式密炼机时至今同仍是橡胶工业生产中的关键设备，因此其结构的 改进和整体性能的提高成为橡胶行业追逐的目标。 随着计算机技术的不断发展，计算机辅助设计已经可以代替人完成很多复杂的 工作，就密炼机的设计而言，可以利用计算机进行绘图，进行复杂的转子构型设计， 进而进行结构强度计算：还可以对胶料在转子和密炼室壁之间的流动情况进行模拟， 从而得出对转子构型是否利于炭黑分散和提高橡胶物理机械性能的评价指标，进改 进原设计方案，实现转子的优化设计；此外，通过对密炼机传热机理的研究，对密 炼机温度场进行分析，从而更加自如地布置冷却水通道，以预测实际工作过程中胶 料温升以及热传递情况。 本文把注意力集中放在密炼机密炼室内胶料的流场和温度场分布研究上，建立 起了相关的物理模型、数学模型和有限元模型：利用有限元程序对其进行了求解计 算，通过后处理，最后得到温度场、压力场、粘度场等各个场量的分布云图和粒子 流动模型。对比相关分布云图和粒子流场，得出不同转子构型对胶料的不同影响和 作用机理，从而找出影响胶料流动和温度升高的关键变量，为优化转子构型设计和 实现优化混炼提供了相关理论数据。 本文虽然对密炼室内流场及温度场的分布进行了探索，做了大量工作，但是由 于密炼机流场和温度场本身所具有的复杂性和本人有限的理论水平和实践经验，文 中定有瑕疵，恳请专家不吝斧f 。 密炼机混炼过程中内部流场平| j 温度场的模拟研究 符号说明 n 一粘滞热，k j h 或w 6 一胶料升温所吸收的热量，k j h 或w 晓一冷却水带走的热量，k j h 或w 酿厂一密炼室壁、转子等零部件吸收的热量，r j h 或w 酿，一密炼室向周围介质散发的热量，x j h 或w n 电机功率，k w c 。胶料的比热容，k ( 酶k ) t 胶料的温度，。c 口换热系数w 埘2 k v 速度，i i 】s p 压力，p a p 密度，k g m 。 g 重力，n 野粘度( p a s ) n 幂律指数 m 稠度( n s “m 2 ) r 剪应力( p a ) ，剪切速率( 1 s ) 可。一初始粘度，也就是零剪切速率时的粘度 兄一粘弹性的特征时间 r 。一无穷剪切粘度 。一努谢尔特准则，其大小反映对流换热强度； 月。一雷诺准数，其大小反映流体状态对换热的影响； p 一普朗特准数，其大小反映物性对换热的影响。 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论 1 1 密炼机的发展概况及混炼时胶料状态 1 1 1 密炼机的发展概况 密炼机是在开炼机基础上发展和完善起来的釉高剪切间歇式混炼设备，主要 用于橡胶的塑炼及混炼，其次用于塑料、沥青等其它高分子材料的混合以及橡塑共 混等。由于密炼机的密炼室是完全密闭的，混炼过程中物料不会外泄，因而可避免 混合物中添加剂的飞扬及损失，并且可以加入液态添加剂。密炼室的密闭性有效地 改善了工作环境，降低了劳动强度，缩短了生产周期，提高了生产效率并为自动化 技术的应用创造了条件，因此它已经成为橡塑工业中最关键的混炼设备。 自密炼机问世以来，其结构和性能在不断地发展和完善，品种不断增多。密炼机 发展过程总的来说可以分为六个阶段u ，： 第一阶段：从1 8 2 0 年到1 8 7 6 年，是密炼机发展的早期阶段，这一阶段主要以 英国的t h o m a sh a n c o c k 设计的“单转子密炼机”、美国n a t h a n i c e lg o o d w in 公司发 明的“石英碾磨机”以及俄亥俄州的j a m e sb a r a d e n 和c r u d d e n 发明的“旋转搅拌 机”为代表。 第二阶段：从1 8 7 6 年到1 9 1 0 年，是建立早期密炼机混炼技术的发展阶段，这 一阶段研发了出五种类型的密炼机，并申请了五项专利，这个时期转子的构型开始 接近现代的剪切型密炼机转子。 第三阶段：从1 9 1 0 年至1 9 15 年，是橡胶工业密炼机的早期发展阶段”1 。这一 阶段共有4 项专利申请，德国的g k 系列密炼机开始出现在历史舞台上。r 棚。 第四阶段：从1 9 1 6 年到1 9 3 5 年，是f e r n l e yb a n b u r y 密炼机的发展阶段“1 ， 这一阶段b a n b u r y 发明了真正意义上的橡胶密炼机，它是一种剪切型密炼机。1 9 3 4 年，英国的弗兰西斯邵公司又发明了另- - f $ 类型的密炼机即啮合型密炼机“3 。这 一时期是密炼机种类发展最完全的时期，共申请了l o 多项专利。 第五阶段：从1 9 3 6 - - 1 9 8 5 年，是新型密炼机发展阶段，这一阶段是密炼机发 展的鼎盛阶段，这一阶段转子构型和密炼机整体变化较多，各种新型转子、机台层 出不穷，突出的有拉区和弗莱的“横向剪切型密炼机”“、“四棱转子”，伯伦能 的“啮合式同向旋转转子密炼机”“”，史密斯肯姆士和焦纳等人的“排气密炼机”： 麦克利德的“允许液体排放出来的改进型密炼机”，福特的“啮合式转子密炼机”和 依奴等研制的“双螺棱转子密炼机”和日本翻转式密炼机等十几种新型结构“! “。 密炼机混炼过群中内部流场平温度场的模拟研究 专利申请也比较多，共有3 0 余项。 第六阶段：从1 9 8 6 一现在，也叫现代阶段，是密炼机技术发展更加完善的阶段。 这一时期，密炼机的新技术、新成果不断涌现，从事密炼机方面研究的单位和人员 办不断增加，并提出了一系列的混炼理论和新的专利，研究出了许多成果，发表了 许许多多的有关密炼机方面的论文。最具有代表性的成果有：一是美国法勒尔公司 的n 0 诺泰( n 0 n o r t e y ) 又提出一系列新的密炼机转子设计专利，其中，最具有 代表性的是1 9 8 6 年提出的两棱”“和四棱。”同步转子。二是同本神户制钢所的阿萨 ( a s i a ) 和哈其瓦拉( h a g i n u a r a ) 等提出了二项新的转子专利。其中一项专利“”涉及到 两棱转子设计，该专利的目的是增大转子棱峰与密炼室壁的间隙，以提高转子的转 速和生产效率。三是1 9 8 7 年1 月1 6 日意大利波米尼公司的g c 帕索尼 ( g c p a s s o n i ) 申请的改变啮合间隙( v i e ) 的啮合型转子密炼机的专利”，该机 可以在不同的混炼阶段，或根据生产工艺和配方不同来改变转子的啮合间隙，这种 密炼机有希望成为新一代的密炼机的前驱。四是青岛化工学院在1 9 8 7 年、1 9 8 9 年、 1 9 9 5 年研制的销钉转子密炼机、销钉密炼室密炼机、新型同步转子密炼机和同速同 向转子密炼机“”等。前三者己产业化，并通过了部级鉴定。最近开发出的新型调 距式密炼机也通过了省级鉴定，目前正在研究开发v c m t 同步转子。五是波米尼公司 开发的h d m ( h i g hd i s t r i b u t i v em i x i n g ) 高分布混炼型转子，它是把剪切型和啮 合型转子的优点结合在一起“。，还有一种n t t ( n e wt e c h n o l o g yt a n g e n t i a l ) 转子， 一种新型切线转子。另外，近十几年来，美国、英国、意大利、德国、日本、前苏 联等国家，在密炼机研究开发方面都做了不少工作，又申请了多项专利”、1 “。 1 1 2 密炼机转子构溅概述 面对橡胶工业中的各种产品，众多的原料及配方，各异的工艺要求与a n - q ：方法， 任何一种先进的密炼机都难以适应这所有情况的混炼要求，对转子构型的改进使得 各式各样的密炼机得以产生和发展。转子是密炼机的心脏部件，在混炼过程中，主要 依靠密炼机的转子功能以及转子与密炼室壁问的相互作用向胶料施加强烈的摩擦、 挤压、剪切等作用，从而达到混炼的目的，因此转子的结构及使用性能直接影响密炼 机的工作性能、生产效率进而影响混炼胶的质量。从密炼机发展的早期阶段到密炼 机发展的现代阶段，或者说从出现第一台单转子密炼机( 1 8 2 0 年) 到现在的同步转 子密炼机，形式上是密炼机发展演变的过程，但实质上都是转子发展演变的过程。 人们针对密炼机开展的各种研究，实际上绝大部分是对转子的研究，不同的转子构 型所产生的胶料的流动性是大不相同的。本文主要研究由不同的转子构型所形成流 场的独特流动性，就是要分析研究哪种转子构型更能适合不同加工工艺的要求。 4 青岛科技大学研究生学位论文 密炼机转子种类繁多，按转子的断面形状大致可分为三类，即椭圆形( 剪切型) 、 圆筒形( 啮合型) 和三角形“。1 9 1 6 年b a n b u r y 发明了两棱转子的橡胶密炼机，丌 创了密炼机发展史的新纪元，从此，以生产能力和混炼效率为目标，基于相切和啮 合这两种类型密炼机的设计活动不断增加，各密炼机制造商采取了不同的密炼机转 子设计思路来达到这些目标，密炼机转子构型层出不穷。所有的转子设计都依据同 样的基本操作原理去获得所企求的密炼机性能水平，转子使胶料获得更为复杂的流 动性，即在更短的时问内达到使胶料受到剪切、捏练而达到分散和均匀混合的目的。 1 1 2 1 剪切型转子 早期最典型的椭圆形转子密炼机是b a n b u r y 型密炼机，现在已经从早期的两棱 转子，逐步发展出现了四棱、六棱、s 型转子、销钉转子、同步转子及其突棱功能 技术转子( n s t ) 。等。剪切型密炼机的混炼作用主要发生在转子棱峰的工作表面与 混炼室壁的间隙之间，其次是转子之间对物料产生的剪切、拉伸和折卷作用。 美国f a r r e l 公司的f 系列密炼机和德国k r u p p 公司所研制的g k n 型密炼机在 我国的橡胶工业生产中得到了广泛应用，成为剪切型密炼机的主要代表。随后，k r u p p 公司八十年代初在g k n 异步四棱转子的基础上，又开发了具有九十年代先进水平 的z z 。转子，同时美国的f a r r e l 公司开始研制同步转子密炼机，并于1 9 8 8 年正式生 产，同步转子密炼机和z z 2 转子密炼机代表了当今时代的先进水平，这两类转子密 炼机特别适合于轮胎尤其是子午线轮胎行业，是该行业中最佳和首选的混炼设备， 但用途也有差异，同步转子密炼机剪切捏炼作用特别强，适合全钢子午胎胶料的混 炼，z z 2 转子密炼机属于低剪切混炼设备，适合二次混炼加工( 加硫磺和易挥发性 的促进剂) 。 1 1 2 2 啮台型转子 英国的f r a n c i ss h a w 公司的科克于1 9 3 4 年首先研制出了第一代啮合型转子密 炼机及其转子，即现在k 系列密炼机，它是啮合异向旋转密炼机。该密炼机吸取了 丌炼机良好的分散和易于温控的特点，以及剪切型密炼机高效混炼的特点，白其问 世以来已经有了很大的发展。同年，德国w p 公司的拉区和斯屈洛默开发出了 第二代啮合转子，1 9 6 7 年美国的伯伦能开发出了啮合同向旋转密炼机，1 9 8 7 年意大 利波米尼开发出可变间隙啮合式密炼枫( v i c 密炼机) 。同时，转子的构型也有了进 一步的发展，最具代表性的是英国f r a n s s h a wc o 所研制的k 系列和德国现在k r u p p c o 的g k e 系列，g k - - e 系列密炼机目前比较先进的是p e s 3 和p e s 5 转子，主要应 用于橡胶制品行业，特别适合加工热敏性橡胶，如切割带的底胶( 氯丁胶) 等。 密炼机混炼过科中内部流场和温度场的模拟研究 1 1 2 3 三角形转予 主要以三 年代坎普特发明的三角形转子及其密炼机为代表。它主要用于塑 料混合及共混。山于用途限制，所以目前其构型不是太多。 1 1 2 4 青岛化工学院设计的转子构型 青岛化工学院在1 9 8 2 年至1 9 9 8 年期间开发出了多种构型的转子，其中具有 代表性的有： 销钉转子( 如图l 一1 所示) 、销钉密炼室密炼机转子( 如图1 2 所示) 、 新型同步转子( 如图1 3 所示) 、同速同向转子( 如图l 一4 所示) 、w z ( z z ：型) 转子( 如图1 5 所示) v m c t 转子( 如图l 6 所示) 等。这些转子都已成功地用在 不同的橡胶行业上。 | l | ：i 、“： 图1 1 销钉转子 f i g 1 - 1p i n e d r o t o r 渤一 h 飞n 掣 图i 一3 新型同步转子图i 一4 同速同向转子 f i g i 一3n e wt y p eo f s y n c h r o n o u sr o t o rf i g 1 4e q u a lr a t ea n dd i r e c t i o nr o t o r 图1 - - 5w z ( z z 2 型) 转子图1 - - 6v c m t 转子 f i g i - 5 w z ( z z 2 t y p e ) r o t o rf i g 1 - 6 v c m tr o t o r 总之，转子设计五花 k l q ，转子的创新与发展是密炼机进步的标志和追求，为 了更好地、更加快速地判断一个新的转子构型能否更加有效地提高分散、分布混炼 6 青岛科技人学研究生学位论文 性能和传热特性，是当前进行密炼机流场和温度场模拟的主要目的。 1 1 3 橡胶在混炼过程中主要的形态 在开始本文研究之前，首先要明确研究对象的特性，众所周知，橡胶是种高 弹性的聚合物，它在混炼过程中所表现出的特性很大程度上关系到进行爿算机模拟 所采用的方法和机理，下面简要介绍下进行模拟混炼过程中所需要相关的基本知 识。 橡胶是一种粘弹性物质，固体时主要呈现弹性，液体时呈现粘性，当它主要呈 现粘性时，它是粘流体。它在密炼机中与各种配合剂混炼时呈现什么状态，目前说 法不一，实际上情况很复杂。研究学者为了研究方便都有不同的假设，如中岛伸之 认为在密炼时橡胶表现出固体的行为，b e r g e n o ”等在研究时把橡胶看做是流体在 密炼机中流动。 橡胶在密炼机中混炼过程各个阶段的状态如何? 根据张海。”等人在实验室中 0 1 l 本伯旱密炼机试验观察可知，试验开始时投入事先切好的胶条，它落在两转子 之间和卸料门之上，两转子的突棱将其带入下顶栓与突棱间的间隙中，转子突棱与 下顶栓压紧的部分胶条局部达到拉伸极限而断裂，产生胶料小块：继续进行，全部 胶料都断裂为小块，这是橡胶在密炼室中的状态为固体。随着混炼的进行，不同橡 胶表现可分为三类：一类如天然橡胶，由于其生胶断裂强度大，在密炼室中变形有 限，末达到断裂极限，不发生断裂，这时胶料紧紧缠在转子周围，这时胶料已表现 为流体行为。二类如顺丁胶，生胶断裂极限强度小，产生的小块落在密炼室底部， 温度较高时小块开始相互粘结在一块，这时胶料己表现为向液体转变。三类r 睛橡 胶，由于它的玻璃化温度很高，小块之间还不时粘结在一起，这时仍为固体。如继 续混炼一二类橡胶，随着胶料温度的升高，胶料粘结为一整块，这时胶料在密炼机 中的流动己从粒子流动转变为分子流动，密炼机转子功率升高，渐趋平稳，胶料表 现液体( 流动) 特征。三类特别是丁腈一4 0 ，可以仍为小块固体。投入填料后，总 的来蜕一二类橡胶粘结为整块表现为流体的时间会有所延迟，延迟时间的长短与填 料投入量的多少有关，量大则延迟时间较长。如天然橡胶，投入填料量较多，胶料 温度又较低，这时填料无法混入胶料，胶料在密炼室有限变形条件下不能断裂，这 是密炼机转子功率很低，不能上升，这是典型的粒子流动的表现，混炼也无法进行。 综上所述，在混炼过程中，各种橡胶( 除个别胶种外) 在开始投入密炼室时， 都不同程度地表现为固体行为，随着混炼的继续进行，胶料都转变为流动状态，以 后的混炼过程也均呈现流体行为，而不可能是固体。这对于本文的研究非常重要， 本文就针对上述情况，研究对象为密炼机混炼过程的后期，胶料的热量传递逐渐趋 7 密炼机混炼过程中内部流场和温度场的模拟研究 于平衡，流体性质特性大体分布均匀，流场的模拟假设就有了前提和意义。 1 2 胶料在转子上的运动机理研究 密炼机的混炼作用主要是依靠转子的机械作用，对于剪切型转子密炼机而言， 胶料在密炼室内受到四种机械作用，即转子棱峰与密炼室壁之间强烈的撕拉、挤压、 摩擦和剪切作用；转子之间的剪切、拉伸、折卷及滚压捏炼作用；转子之间的轴向 往复切割作用；上、下顶栓处的分流、混合、交换及剪切作用。对异步转子密炼机 来讲，起主要作用的是胶料环向剪切运动和轴向运动。环向剪切作用可以提高物料 的分散效果，但物料的混合、均化程度如何，则主要依靠轴向往复切割作用。转子 与密炼室壁之间和转予之间的强烈剪切作用，可以破坏生胶块的原有形状，将较大 的块料细分，促进了生胶对粉料的包围和湿润。剪切作用的强度不够，就不能有效 地将胶料块破碎，延缓了炭黑等粉料的混入时间( 彪乃。在分散阶段，也只有依靠 强烈的剪切作用所产生的巨大剪切力，才能打破橡胶与炭黑的聚集体，使胶料的粒 块减小到极限，以达到初步分散效果。如果剪切应力太小，则难以达到良好的分散。 其次，转子的转速以及转子与密炼室壁之间的问隙也将影响对物料的剪切、分散效 果。但是这些剪切、捏炼作用，只能完成对胶料和粉料的细化、分散，要想达到全 部胶料的分散、混合的均匀性，还必须使胶料产生一定的轴向运动，辅之转子对胶 料的折卷作用，使得物料不断地从转子一侧运动到另一侧，从一个转子上运动到另 一个转子上。如此往复循环，造成胶料的各层频繁更新，最后才能使粉料和橡胶形 成基本均匀分布的体系。本文就几种典型的剪切型转子，对物料在其上的运动机理 作了探讨性描述，并在前人的基础上提出些新的见解。 1 2 1 胶料在同步四棱转子上的流动机理 对于同步四棱转子，该转子的两个长棱和两个短棱具有相同的螺旋角，且两个 长棱的轴向长度相等，两个短棱的轴向长度也相等。长棱1 和短棱3 的螺旋角的旋 向相同，并与另一端的长棱2 和短棱4 的螺旋角的旋向相反，如图l 一7 所示。 露露； 青岛科技大学研究生学位论文 图1 7 转子截面标注图 f i g 1 - 7m a r k i n gs k e t c ho f c r o s ss e c t i o na b o u tr o t o r s 图1 8 转子流场示意图 f i g 1 8s k e t c ho f f l o wf i e l da b o u tr o t o r s 从图1 8 可以看出，各流场口的流量是相等的，即： q l = q 2 = q 3 - q 4 ( 1 1 ) 式中： q i 、q 2 、q 3 、q 4 一为各流场口的流量。 由于通过流场口的流量一致，所以在密炼室里的物料相互混合的概率是相等的， 从而保证了物料混合的均匀性，提高了分布混炼的效果。 图1 9 为胶料在转子突棱上的流动情况，足可以证明上述观点。 图1 - - 9 胶料在转子突棱上的流动情况 f i g 1 9 r u b b e r f l o wc o n d i t i o no i l t h e w i n g so f t h er o t o r s 另外，当螺旋角不相同，即a l 彳2 时，也有一定的优点，它有利于胶料混合效 果的提高。因为螺旋角不同，轴向输送能力不同，胶料在轴向上的移动速度不同， 这样胶料问相互混合的机会增加，有利于“横向混合”。 1 2 2 胶料在异步四棱转子上的流动机理 f 系列四棱异步转子的结构型式虽然较多，但类型只有以下几种，如图1 1 0 、 图l 1 1 所示。 9 密炼机魁炼过样中内部流场和温度场的模拟研究 萤啻露 ( a )( b )( c ) 图1 - - 10f 系列四棱转子外形图 f i g 1 1 0o u t s i d ed r a w i n go f fs e r i e sf o u r - w i n gr o t o r s ( b ) 新式四棱转于 图1 1 lf 系列四棱转予展开图 图1 1 2 密炼机内胶料流动的方向 f i g 1 - 1 1 u n f o l d e , ds k e t c h o f fs e r i e s f o u r - w i n gr o t o r sf i g 1 - 1 2 r u b b e r f l o w i n t h ec h a m b e r f 系列四棱异步转子的特点体现在以下三个方面：一是短棱螺旋角；二是短棱 的长度；三是长短棱交界处的重迭度问题，其长短棱的排列方式是一样的，即两个 长棱在一端，两个短棱在一端。大部分转子是两个长棱或两个短棱之间的相位差为 1 8 0 0 ，长短棱之间的相位差为9 0 ”，少数为7 0 0 左右。短棱螺旋角目前主要有四种： 一是借鉴两棱转子，短棱较长，螺旋角为4 5 5 2 0 ；另外三种就是所谓的新型转子” ，短棱较短，其螺旋角有3 0 0 、2 1 0 、o o 三种“。常用的是短棱螺旋角为3 0 0 ，长棱 螺旋角3 0 3 5 0 的转子，如图1 一1 1 ( b ) 所示。但如按长短棱交接处有无重迭可分 为三种类型：一是长短棱之间有一定间隙，这种结构的转子虽然有利于胶料的环向 流动，但容易在空隙处形成一环形的胶带。从图1 1 1 ( a ) 可以看出，当转子每转 一周，大部分胶料受到两次强烈挤压、剪切等捏炼作用，只有一部分物料通过环形 间隙时没有受到挤压、剪切作用，这虽有利于物料的混合，但不利于物料的分散， 将影响到混炼胶的质量。同时，这种结构的转子强度较低，容易在此处断裂，国内 已发生多起这样的事故；二是长短棱正好相接，其间无空隙，如图1 1 1 ( b ) 所示。 三是长短棱之间有一定的重迭，如图1 一1 1 ( c ) 所示。作者通过实验发现，后两种 类型的转予产生的剪切作用强，消耗的功率比第一种类型要大，分散效果好，且转 鞫圜 青岛科技人学研究生学位论文 子的强度和刚度与前者相比都有很大程度的提高。从理论上来讲，由于通道狭窄， 物料流动困难，尤其是第三种比第二种更难一些，故其排胶温度稍高一些。从图1 - - 1 1 ( b ) 、( c ) 可以看出，这两种类型的转子，当转子每转一周，物料都受到两次 强烈的挤压、剪切等捏炼作用，有利于打碎炭黑等二次聚集体，并有利于物料的分 散。 对于胶料的轴向运动来讲，传统的四棱转子( 如图l 一1 2 ( a ) 所示) ，短棱较 长，物料是在接近工作长度的中部汇集，。由于物料在中间堆集，流动时互相碰撞， 影响了转子间的折转作用，故混炼效果并不是很理想。新型的四棱转子短棱较短， 长棱较长，物料从转子的一端流向另一端时，其轴向移动距离较长，从丽使物料的 主要轴向运动发生在长棱上，再和转子间的折卷作用相结合就形成了一个平稳的封 闭循环运动，如图1 1 2 ( b ) 所示。按中岛的观点“，互相碰撞的流动对于低粘度、 非弹性的流体的混合是有效的，但对于弹性体，反方向的流动会产生不必要的阻力 而造成能量的浪费，所以，人们认为在这种新型的转子上产生的胶料循环运动是较 理想的。 在后面的章节中，本文将研究利用这些转子进行混炼时，密炼室内流场变化情 况，从而进一步确定它的运动机理。 1 3 有限元分析技术 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计 和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效 途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都己离不开有限元分析计算，目 前己在机械制造、材料加工、航空航天、汽车工程、土木建筑、电子电器、国防军 工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用，已使设计水平发 生了质的飞跃。 随着计算机技术的迅速发展，计算机模拟技术作为一门新减学科在聚合物成型 加工中的应用也已经显示出其重要的科学意义及经济价值，现已成为聚合物加1 二计 算机辅助工程( c a e ) 的主要研究体系。利用高分子流变学、传热学、数值计算方法 及计算机图形学等基础理论对聚合物的加工过程进行数值模拟，可以实现在计算机 屏幕上模拟实际加工过程，并能预测制品的结构与性能，了解工艺条件对产品性能 的影响，发现制造过程中的问题