嚙合型轉子的結構和特點介紹

張仁廣，呂明龍，錢金寶，郝海龍

(1.大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 大連 116036; 2.大連慧川環?？萍加邢薰?，遼寧 大連 116033)

嚙合型轉子的結構和特點介紹

Structure and characteristics of meshing rotor

張仁廣1，呂明龍1，錢金寶2，郝海龍1

(1.大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 大連 116036; 2.大連慧川環保科技有限公司，遼寧 大連 116033)

闡明了切線型轉子與嚙合型轉子的結構和工作機理上的不同之處，著重介紹了嚙合型Ⅰ代轉子（類似國外的PES-3嚙合型轉子），嚙合型Ⅱ代轉子（類似國外的PES-5嚙合型轉子）各自的結構和特點。

切線型轉子；嚙合型Ⅰ代轉子；嚙合型Ⅱ代轉子；結構；特點

轉子是密煉機的重要組成部分，它的形狀直接影響密煉機的特性，決定著密煉機的煉膠性能和煉膠質量，而煉膠性能和質量又是衡量密煉機好壞的主要指標。目前密煉機的轉子主要有兩大類，一類是切線型轉子，另一類就是嚙合型轉子。行業里普遍把切線型轉子稱之為產量型轉子，而把嚙合型轉子稱之為質量型轉子。因為與切線型轉子相比，使用嚙合型轉子的密煉機工作時，除了發生在轉子棱峰與密煉室間膠料的剪切作用之外，更多的擠壓攪拌作用還發生在兩個轉子之間，尤其是兩個轉子的嚙合區域，在這個區域內，一個轉子的凸棱依次嚙入另一個轉子的棱間（即轉子凹處）。由于轉子凸棱外直徑和凸棱根部（轉子圓柱形本體）直徑不同，因而在旋轉時形成不同的圓周速度，產生速比和速度梯度，從而形成高剪切分散混煉，同時由于螺旋凸棱作用，轉子旋轉時，膠料環繞密煉室作逆向循環運動。

由于兩種轉子的結構和工作機理有顯著不同，所以它們的特性也不一樣，嚙合型轉子吃料慢，溫升慢，煉膠周期相對長一些，但膠料的分散性，均勻性普遍比切線型轉子要好，所以稱之為質量型轉子，而切線型轉子普遍吃料比較快，煉膠周期短，煉膠質量沒有嚙合型轉子好，但效率相對高，所以稱之為產量型轉子。

嚙合型轉子經過多年的發展，已經出現多種結構形式，目前在國內，行業里嚙合型密煉機普遍采用的依然是類似國外PES-3的嚙合型Ⅰ代轉子；但近年來，隨著進口設備的越來越多，出現了新形式的PES-5轉子，大連橡膠塑料機械有限公司（以下簡稱大橡塑）通過對PES-5的研究和理解而制造的類似轉子，即嚙合型Ⅱ代轉子，其使用性能也得到了用戶的認可。

下面就介紹一下嚙合型Ⅰ代轉子與嚙合型Ⅱ代轉子各自的結構和特點。

1 嚙合型Ⅰ代轉子

嚙合型Ⅰ代轉子是目前橡膠行業中應用最廣泛的嚙合型轉子，其來源于國外的PES-3型轉子，PES-3型轉子開發于20世紀90年代。嚙合型Ⅰ代轉子的轉子凸棱的前導角為緩坡形，減小了大凸棱頂部的面積，改善了膠料的流動模式，增強了膠料的分散性和均勻性，其外觀如圖1所示。

1.1 嚙合型Ⅰ代轉子的結構

該型轉子由3條螺旋棱組成，分別稱之為中間棱，長棱和短棱，三條螺旋棱的軸向截面均保持一致，見圖2所示，其與切線型轉子的顯著區別就是嚙合型轉子的棱寬（示意圖中的粗實線）遠遠大于切線型轉子的棱寬（示意圖中的細實線）。

圖1 嚙合型Ⅰ代轉子三維示意圖

圖2 嚙合型Ⅰ代轉子螺旋棱截面示意圖

三條螺旋棱的位置布置關系見圖3。三條螺旋棱的螺旋方向一致，均為右旋，但螺旋升角大小卻不同，其中中間棱的螺旋角a1，長棱的螺旋角a2，短棱的螺旋角為a3，其數值關系為a1=a2＜a3。中間棱的位置以轉子體中間截面左右對稱布置，棱長軸向方向上投影長度L1；長棱從轉子體左側端面開始，以棱長軸向方向上投影長度L2結束；短棱從轉子體右側端面開始，以棱長軸向方向上投影長度L3結束，三者大小關系為L1＞L2＞L3。

由于嚙合型轉子工作時是2個轉子互相嚙合工作的，必須滿足相位要求，其速比必須是1∶1，否則會發生干涉碰撞。這里需要注意的是，這2個互相嚙合的轉子體是相同的，只是擺放時，一根轉子不動，另外一個轉子以轉子體中間截面翻轉180°，見圖4。

圖3 嚙合型Ⅰ代轉子螺旋棱展開示意圖

圖4 嚙合型Ⅰ代轉子副工作狀態三維示意圖

轉子副在工作狀態時，一根轉子的中間棱就會與另一根轉子的長棱、短棱互相嚙合，如圖3中陰影部分就是單個轉子體的長、短棱的嚙合面，能保證工作時與另一個轉子的中間棱之間的嚙合側隙均勻。在轉子副中，二者之間的嚙合區域如圖5所示，膠料在嚙合區域內收到兩個轉子棱之間的相互擠壓，并且由于嚙合面上的半徑不同而形成不同的圓周速度，產生速比和速度梯度，從而形成高剪切分散混煉，大大提高了煉膠質量。

嚙合型Ⅰ代轉子的冷卻方式采用的是強制循環冷卻方式，其冷卻水腔呈螺旋管狀且直接通到各棱的頂部，見圖6。該結構（已經申請專利并授權，專利號CN200710158516.9）能夠使冷卻水道更大且更貼近工作表面，并且采用單向強制循環冷卻，大大提高了

冷卻效果，使轉子高剪切區域獲得了更多、更直接到的冷卻，能有效地帶走混煉過程中產生的熱量，能量轉換高，可以改善膠料表面的黏著性，排膠溫度低，適用于熱敏性膠料的加工。

圖5 嚙合型Ⅰ代轉子副工作橫截面上嚙合側隙示意圖

圖6 嚙合型Ⅰ代轉子冷卻水流道三維示意圖

1.2 嚙合型Ⅰ代轉子的特點

從上面的介紹和分析中，我們不難看出嚙合型Ⅰ代轉子具有如下特點：

（1）三條轉子棱的軸向截面保持一致，均為同一截面，棱的螺旋方向一致，均為右旋，其中中間棱與長棱的螺旋角一致，有別于短棱的螺旋角。

（2）長棱與短棱交匯處為嚙合區，工作時與另一轉子的中間棱互相嚙合。當中間棱嚙合在長棱與短棱之間時，中間棱的前側面和后側面與另一根轉子的嚙合面之間的縫隙均勻（見圖5所示），且不隨轉子旋轉而發生變化，一直到嚙合作用結束。

（3）由于短棱的螺旋方向與中間棱、長棱一致，這樣膠料在旋轉過程當中，膠料會沿著螺旋棱從左側推動到右側（見圖7）；對于中間棱，膠料從左側推動到右側之后，會順著棱端面與轉子端面之間的縫隙流出進入嚙合區，同時也會在另外一根轉子棱的作用下在反方向推動，繼續推動到嚙合區；對于長棱，膠料會從端面開始一直推動到嚙合區，在嚙合區被擠壓后分流后進入下一循環；而對于短棱，膠料在嚙合區內擠壓分流后，一部分膠料會在另外一根轉子的長棱作用下繼續推動到嚙合區，而另一小部分膠料會由于其螺旋方向的原因，在螺旋棱作用下一直推動到端面，在端面夾角處形成積膠現象，如圖7所示。

圖7 嚙合型Ⅰ代轉子工作時膠料流動示意圖

雖然在短棱端面處的積膠的一小部分會繞過棱峰外徑參與剪切作用，但此處積膠不利于膠料的整體攪拌和分散，對膠料的分散性和均勻性有一定的影響，也最終影響了膠料的煉膠效果，可以說此處產生積膠是嚙合型Ⅰ代轉子在性能上的一個最大不足。

2 嚙合型Ⅱ代轉子

近年來，隨著全球經濟一體化的快速發展，國外密煉機也越來越多的進入到國內市場，這些密煉機當中有部分機臺配備了新結構的PES-5嚙合型轉子，大橡塑通過對其研究和自己的理解研制出了嚙合型Ⅱ代轉子，其外觀如圖8所示。

2.1 嚙合型Ⅱ代轉子的結構

嚙合型Ⅱ代轉子同樣具有三條螺旋棱，在這里中間棱和長棱的布置與嚙合型Ⅰ代轉子基本相同，只是短棱的螺旋方向有了明顯變化，其螺旋方向為左旋，也是從端面開始向中間延伸。三條轉子棱的位置布置關系見圖9，螺旋角關系為中間棱a1=長棱螺旋角a2＜短棱螺旋角a3；同時對整個轉子棱的棱形進行了修整，使其不再具有嚙合面。

圖8 嚙合型Ⅱ代轉子三維示意圖

圖9 嚙合型Ⅱ代轉子螺旋棱展開示意圖

同樣，由于是兩轉子工作時互相嚙合，所以兩轉子必須滿足相位要求，且轉動速比為1∶1，轉子副兩轉子擺放方式同嚙合型Ⅰ代轉子，見圖10。

圖10 嚙合型Ⅱ代轉子副工作狀態三維示意圖

轉子副在工作狀態時，一根轉子的中間棱就會與另一根轉子的長棱、短棱互相嚙合，但由于取消了嚙合面，且棱形做了調整，所以中間棱與長棱、短棱之間的間隙并不均勻，如圖11所示，故發生在此區域內的棱與棱之間對膠料的擠壓作用基本沒有，但嚙合區域內，半徑不同而形成圓周速度的不同還是存在的，所以依然有速比和速度梯度，依然能夠使膠料發生紊流混煉攪拌，保持良好的膠料分散性和均勻性。

圖11 嚙合型Ⅱ代轉子副工作橫截面上嚙合側隙示意圖

嚙合型Ⅱ代轉子的冷卻方式同樣采用強制循環冷卻方式，其冷卻水腔呈螺旋管狀且隨著棱形的變化而變化，見圖12。該結構（已經申請國家專利并授權，專利號為CN201210399342.6）具備嚙合型Ⅰ代轉子同樣良好的冷卻效果，并且更容易加工，水道形狀更容易控制。

圖12 嚙合型Ⅱ代轉子冷卻水流道三維示意圖

2.2 嚙合型Ⅱ代轉子的特點

從上面的介紹和分析中，我們不難看出嚙合型Ⅱ代轉子具有如下特點：

（1）中間棱、長棱的布置基本同嚙合型Ⅰ代轉子，且螺旋方向均為右旋，且螺旋角一致；短棱的螺旋方

向則為左旋。

（2）長棱與短棱交匯處為嚙合區，工作時與另一轉子的中間棱互相嚙合。兩個轉子互相嚙合時，中間棱的前側面和后側面與另一根轉子的長棱、短棱之間的縫隙隨轉子旋轉而變化（見圖11所示）。

（3）由于嚙合型Ⅱ代轉子的中間棱和長棱的布置方式基本同嚙合型Ⅰ代轉子，所以其工作機理與嚙合型Ⅰ代轉子中的中間棱、長棱一致，在這里不再重復。而對于短棱，其螺旋方向改為左旋，所以其在工作過程當中，膠料就會在螺旋棱的作用下從右側推動到左側，即從轉子端面往中間推動，見圖13。這樣，膠料在長棱、短棱作用下推動到嚙合區，在嚙合區又在另一轉子的中間棱的作用下分流，流向兩端面，然后又在長棱、短棱作用下推動到嚙合區，如此往復，膠料能夠實現從兩端面到中間的嚙合區，再從嚙合區分流到兩端面，再從兩端面回到中間的嚙合區的這樣一個循環過程，有利于膠料的來回折返，增強了往返攪拌功能。

嚙合型Ⅱ代轉子在結構上雖然取消了嚙合面，工作時基本沒有棱與棱在嚙合面之間的互相擠壓紊流作用，但更改了短棱的螺旋方向，能夠將膠料從端面推動到中間，不存在積膠死角，加強了膠料的往返攪拌作用，也能保證高品質的煉膠質量。

3 結語

嚙合型轉子的使用性能已經得到廣泛的認可，尤其是在高品質的橡膠制品行業，其優良的煉膠性能是橡膠制品質量的有力保證。嚙合型Ⅰ代轉子是當前使用最廣泛的嚙合型轉子；而嚙合型Ⅱ代轉子的出現無疑給廣大用戶增加了一種選擇，大橡塑也適時的根據市場需要研制出了多種規格密煉機的嚙合型Ⅱ代轉子，而且由于嚙合型Ⅱ代轉子還特別適用于混煉白炭黑膠料，而白炭黑又是綠色輪胎工藝中的不可或缺的重要組成部分，隨著綠色輪胎市場需求量越來越大，嚙合型Ⅱ代轉子一定會具有廣闊的市場。

圖13 嚙合型Ⅱ代轉子工作時膠料流動示意圖

(R-03)

TQ330.43

1009-797X(2016)22-0016-08

B DOI∶10.13520/j.cnki.rpte.2016.22.006

張仁廣（1980-），男，高級工程師， Buzuluk公司密煉機項目組中方負責人，已累計在捷克工作近9個月。

2016-09-06