雙行星動力混合機分散器結構改進及溫度場分析

于志強 柴永生 陳會金 劉 光

(煙臺大學機電汽車工程學院)

雙行星動力混合機分散器結構改進及溫度場分析

于志強*柴永生 陳會金 劉 光

(煙臺大學機電汽車工程學院)

通過對同載荷下實心與空心分散器軸扭轉強度和最大剪切應力的計算分析，表明在分散器實心軸中心加工孔徑為其直徑1/2的空心分散器時，最大剪切應力增加量約為2.5%。利用有限元方法對雙行星動力混合機溫度場進行數(shù)值仿真分析,分別計算了攪拌桶側壁冷卻、分散器軸內部冷卻等因素對攪拌桶內部溫度場的影響。分析表明,通過附加分散器軸內部冷卻，使溫度變化范圍由65℃減小為15℃，有效改善了混合環(huán)境，為雙行星動力混合機的研究提供理論依據(jù)。

雙行星動力混合機 分散器 溫度場 Workbench

在化工生產(chǎn)中，物料往往要經(jīng)過混合、分散以及反應等過程，混合是在外力的作用下將兩種以上不同物料摻雜在一起的物理過程[1,2]。這種摻雜往往要采用先進混合設備才能得到較好的效果，由于物料特性不同，尤其對一些高粘度、非均相流體物料的混合，采用通常的液相混合裝置不易達到理想的效果，需要更成熟的設備來滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

雙行星動力混合機作為一種重要的混合設備被廣泛應用[3]，它是一種新型高效混合分散設備, 具有獨特的混合形式, 由攪拌槳、分散器和攪拌桶主要部件組成。

攪拌槳和分散器在繞攪拌桶軸線公轉的同時, 又以不同的轉速繞自身軸線自轉, 使物料在攪拌桶內作攪拌、剪切和分散運動,物料受到強烈的剪切和搓合。攪拌桶采用特有密封結構設計, 可實現(xiàn)抽真空混合, 具有良好的排除氣泡效果，并可根據(jù)需要借助攪拌桶側壁的螺旋槽進行加熱或冷卻操作[4]。

對于攪拌桶溫度場的研究，以往的混合設備多著重于實際經(jīng)驗，往往很難把握住混合設備溫度場的實際分布情況。筆者研究了攪拌桶的熱傳遞過程，從實質上深入理解溫度傳遞的原理，以便更好地指導實際的操作[5]。

1 攪拌桶溫度傳遞方式及分析

高粘度物料混合的難點在于高粘度物料傳熱能力不足，易產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，因此高粘度、高滯留量和低速回轉攪拌一般采用熱交換器(加熱器、冷卻器)，使物料的溫度均勻、反應濃度均一[6]。

攪拌桶是用來實現(xiàn)物料的混合、分散、剪切、反應及溶解等工藝并暫時存儲混合物料的一種裝置，其結構如圖1所示。通過周圍的螺旋槽構成熱交換器，通過在螺旋槽內通入流動的、具有一定溫度的流體，通過熱傳導作用，實現(xiàn)攪拌桶壁附近物料溫度控制，再經(jīng)過攪拌和分散作用，完成溫度向攪拌桶內部的傳遞過程。

圖1 攪拌桶三維模型

圖2為300L雙行星動力混合機攪拌桶內部混合物流場走向圖，在設備啟動后，攪拌槳首先通過下層槳葉的上翻作用使物料產(chǎn)生沿攪拌槳軸向上的爬升運動，再伴隨公轉的進行，使物料在攪拌桶內形成軸向對流。在物料軸向運動的同時，會受到上層槳葉的下壓作用，迫使混合物料產(chǎn)生徑向移動，流向分散器，同時，分散器上部的蝴蝶攪拌槳會下壓物料，防止高粘性物料沿軸線方向的爬升。

圖2 攪拌桶混合物流場走向

分散器會對混合中的物料進行強力的剪切和搓合，并將分散后的物料沿徑向拋出，最終由刮邊器將物料收回。攪拌槳和分散器的運動使物料產(chǎn)生軸向和徑向的復合運動，將溫度傳遞到物料的大部分區(qū)域，實現(xiàn)混合物料溫度的傳遞。

2 分散器結構改進及強度分析

在混合增稠(膨脹)型流體時，由于流體的粘度隨剪切速率的增加而增加。普通的混合機會出現(xiàn)混合驅動器和攪拌槳的損壞,因為當混合器中固體含量高于正常值而產(chǎn)生粘稠現(xiàn)象時,就會產(chǎn)生出乎意料的高扭矩，并產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象[7，8]。在混合固體推進劑時存在同樣的問題，固體推進劑是各種氧化劑與丁羥膠的混合物,丁羥膠是粘度很高的膠體,使得固體推進劑成為流動性較差的非牛頓流體,各種氧化劑在丁羥膠的粘帶力下形成大量團狀顆粒,并且不斷交換相互粘帶,使得推進劑粘度越來越大,所需的攪拌槳葉剪切力也不斷加大,槳葉所受扭矩也急劇增加,因此會造成槳葉的應力變形[9],對這類物料,最好再施加剪切和揉捏。

在300L雙行星動力混合機中，為滿足剪切和揉捏，需加裝一對高速分散器，主要完成對物料的剪切和分散，提高混合均勻度。高速分散器主要由分散器上壓蓋、下壓蓋、分散盤、分散軸及蝴蝶攪拌槳等部件組成，結構如圖3所示。

圖3 高速分散器示意圖

安裝分散器后的混合機，盡管可以實現(xiàn)對物料產(chǎn)生強烈的剪切作用，減輕分散器軸的高扭矩，但由于其轉速較高，使分散器軸的外圓周面溫度升高較快，較難控制在適宜溫度。為此，對現(xiàn)有的300L的雙行星動力混合機分散器進行結構改進，通過在高速分散器軸內部加工冷卻通道并通入流動的冷卻流體，配合測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)分散器溫度控制，改進后結構如圖4所示。

圖4 改進后的分散器軸剖面

為保證加工冷卻通道后的分散器在高轉速下仍有足夠的扭轉強度，對加工孔徑的大小進行合理性計算。

對于實心軸:

對于加工冷卻通道空心軸：

圖5 加工孔直徑d與最大剪切應力τmax關系

鑒于分散器軸處于攪拌桶的內部，為解決正常工作時分散器軸既要高速轉動，又要實現(xiàn)冷卻液的循環(huán)問題，裝備采用雙通道旋轉接頭實現(xiàn)。旋轉接頭通過高精密軸承進行準確的定位，保證較高的旋轉精度，在密封塞的作用下，實現(xiàn)轉動軸與旋轉接頭安裝體的動密封，確保通道內流體的順利交換，旋轉接頭結構如圖6所示[10]。

圖6 旋轉接頭示意圖

3 攪拌桶溫度場建模及結果分析

為改善攪拌桶內溫度的分布，避免混合失效情況發(fā)生，筆者借助有限元分析軟件Workbench對攪拌桶進行穩(wěn)態(tài)熱力學分析，得到僅有攪拌桶側壁降溫和增加分散器軸輔助降溫后的攪拌桶內部溫度場分布曲線圖，驗證了分散器降溫的重要性，很好地解決了因分散器軸壁面溫度過高造成高粘度混合失效的情況。

3.1溫度場分析模型及邊界條件設置

根據(jù)300L雙行星動力混合機攪拌桶的實際尺寸,建立攪拌桶三維模型，選取單只分散器與攪拌桶構成分析模型，為得到僅攪拌桶側壁降溫與附加分散器軸后的攪拌桶溫度分布情況，數(shù)值仿真分析模型的邊界條件設置如圖7所示。

圖7 攪拌桶溫度場分析模型及邊界條件

根據(jù)攪拌桶實際使用情況，設置溫度場仿真實驗參數(shù)為：

攪拌桶側壁及分散器軸壁溫度 5℃

物料初始溫度 30℃

物料上側對流傳熱系數(shù) 0.02W/(mm2·K)

攪拌桶內壁與物料傳熱系數(shù) 15W/(mm2·K)

物料粘度 50Pa·s

分散軸旋轉速度 26 000r/min

為簡化計算模型，作以下合理假設：

a. 由于物料溫升較慢，冷卻液流速較快，認為攪拌桶壁與分散器軸側壁面溫度保持為流體溫度恒定不變；

b. 不考慮分散器和攪拌槳繞攪拌桶軸線公轉引起的溫度場變化，僅對模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析。

3.2結果分析

在攪拌桶底面垂直向上200mm過分散器軸線與攪拌桶軸線的平面處取15個觀察點，繪制攪拌桶側壁面與附加分散軸冷卻溫度對比曲線如圖8所示。

可以看出，在僅有攪拌桶側壁冷卻的情況下，分散器軸附近的溫度最高達到70℃，溫差變化范圍為65℃；附加分散軸冷卻后，最高溫度僅有20℃，溫差變化范圍為15℃，改善了物料的混合環(huán)境，提高了溫度可控性，降低了混合失效的概率。

4 結論

4.1在分散器軸內加工冷卻孔直徑為實心軸直徑的1/2時，最大剪切應力增加量僅為2.54%，即在分散器軸內加工出適宜大小的冷卻孔，分散器的扭轉強度變化較小。

4.2通過攪拌桶側壁控制攪拌桶內部溫度時，分散器壁面溫度較高，最高達到70℃，易造成混合失效；附加分散器軸冷卻后，攪拌桶內溫度環(huán)境得到改善，最高溫度僅為20℃，溫差變化范圍從65℃降低為15℃，有效提高了混合機的控溫效果。

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DisperserStructureImprovementandThermalFieldAnalysisofDualPlanetaryMixer

YU Zhi-qiang, CHAI Yong-sheng, CHEN Hui-jin, LIU Guang

(SchoolofElectromechanicalandAutomobileEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

Calculating and analyzing torsional strength of both solid and hollow disperser shafts under the same load indicates that the maximum shear stress can be increased by about 2.5% when the cooling hole’s aperture is half of the solid shaft’s diameter. Making use of the finite element method to simulate and analyze the thermal field of dual planetary shaft mixer, the effects of mixing bucket’s wall cooling and dispersed shaft’s internal cooling on the mixing bucket’s internal thermal field were calculated respectively and other factors were calculated to show that the temperature range can be reduced from 65℃ to 15℃ by attaching dispersed shaft’s internal cooling which can effectively improve the mixed environment and provide theoretical basis for the study on dual planetary mixer.

dual planetary power mixer, disperser, thermal field, Workbench

TQ051.7

A

0254-6094(2016)01-0089-05

*于志強，男，1988年12月生，碩士研究生。山東省煙臺市，264005。

2015-08-19)