串聯式密煉機嚙合轉子混煉過程有限元對比分析

汪傳生，胡紀全，邊慧光，呂煒帥

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

串聯式密煉機嚙合轉子混煉過程有限元對比分析

汪傳生，胡紀全，邊慧光，呂煒帥

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

主要介紹了自行設計的新型嚙合轉子和日本PP-3轉子，運用專業黏彈性流體軟件Poly fl ow對膠料在兩種不同類型嚙合型轉子內的混煉過程進行動態模擬對比分析，得到兩種轉子的流場參數的變化規律，由此得出，新型嚙合轉子是一種性能優良的嚙合型轉子，更適合串聯式混煉工藝要求，對今后轉子構型的優化設計提供一定理論依據。

黏彈性；嚙合型轉子；動態模擬

0 前 言

密煉機已成為現代橡膠工業煉膠工序中重要的煉膠設備。采用密煉機煉膠可極大地降低煉膠工序的勞動強度、改善勞動條件、縮短煉膠周期和提高生產效率。近年來 ，由于新聚合物、新添加劑的不斷研制和輪胎工業、塑料橡膠工業的高需求，促進了設備生產廠家不斷生產更好的密煉機來加工新的膠料，滿足塑料工業和橡膠工業的需求[1]。

轉子是密煉機的核心部件，轉子結構的設計好壞，直接影響工作性能、生產效率和煉膠質量。轉子與混煉室一起完成對膠料的混合剪切和捏煉作用。常用的密閉式煉膠機的轉子有相切型和嚙合型兩種。西方國家現在非常重視嚙合型密煉機的應用，這種轉子吸取了開煉機的一些優點，如良好的分散性能和易于溫控等特點[2]，西方輪胎工業發達國家成功應用嚙合型密煉機的實例，使嚙合式轉子密煉機成為繼ST轉子密煉機之后被輪胎工業所青睞的又一優秀通用混煉設備[3]。

文中采用的兩種轉子分別為自行設計的新型嚙合轉子和日本PP-3轉子，為了能夠更清楚地了解兩種轉子流場特點，從黏彈性流體理論出發，運用專業黏彈性流體軟件Polyflow對膠料在嚙合型轉子內的混煉過程進行模擬，將兩種轉子進行對比分析，得到兩種轉子的流場參數的變化規律。

1 模型的建立

這里對兩種嚙合型轉子轉動180 s的流場進行動態模擬，對轉子每混煉18 s均勻選取10個瞬態流場模型進行分析，探討兩種嚙合轉子流場變化情況。在模擬前，首先要建立相應的有限元模型，即相應的物理模型和數學模型。

1.1 物理模型及有限元模型的建立[4]

采用Pro/E軟件對兩嚙合型轉子及流場進行結構的設計。圖1為自行設計的嚙合轉子，圖2為日本PP-3嚙合轉子，其中轉子的根徑為340 mm，外徑470 mm，軸向長度為648 mm，兩轉子中心距為420 mm，流場內徑340 mm，外徑492 mm，軸向長度640 mm。建立有限元模型則是對相應的物理模型進行有限元網格劃分，見圖3和圖4所示。

圖1 新型嚙合轉子的嚙合造型

圖2 日本PP-3嚙合轉子的嚙合造型

圖3 新型嚙合轉子及流場的網格實體模型

圖4 日本PP-3嚙合轉子及流場的網格實體模型

1.2 數學模型的建立

在進行三維計算時，考慮到流場的幾何形狀、物料性質、流動狀態、加工條件等因素造成的流場復雜性,同時流動過程能滿足工程的近似要求，做以下基本假設[5]：

①物料在整個流道是完全充滿的；

②流體為穩定流動，即流動過程與時間無關；

③流體為等溫流動，即流場中各點溫度一樣，各個物性參數不變；

④流體為層流流動，雷諾系數較??；

⑤流體的慣性力、重力等體積力遠小于黏滯力，忽略不計；

⑥由于物料為橡膠，所以假定熔體為不可壓縮流體；

⑦流體的壁面無滑移；

⑧流體為非牛頓流體，其本構黏度方程為Bird-Carreau模型。

根據以上假設可得描述流場的連續性方程、運動方程以及廣義本構方程，如式（1）、（2）、（3）所示。

式中：ν—速度，m/s；Ρ—壓力，Pa；τ—應力張量，Pa；γ˙—剪切速率，s-1；D—形變速率張量，s-1；η—剪切黏度，Pa·s。

為了既描述在高剪切速率下的假塑性流體的流變性質，又描述在低剪切速率下牛頓流體的流變性質，本文采用Bird-Carreau模型：

式中，η0—零剪切速率時的黏度，Pa·s；η∞—無窮剪切黏度，Pa·s；λ—膠料的黏彈性的特征時間，s；n—非牛頓指數。

本次模擬采用膠料的參數值為：η0=1×106Pa·s，η∞=10 Pa·s，λ=3.02，n=0.385。

1.3 邊界條件的確定

采用轉子旋轉、密煉室靜止的真實速度邊界條件，采用壁面無滑移假設；轉子表面無滑移，表面流體速度等于轉子邊界的線性速度。轉子表面的速度隨著轉子轉速的變化而變化，兩轉子異向向內旋轉，轉速為60 r/min，左右兩轉子轉速比為1:1。

2 模擬結果分析

2.1 速度矢量分布

圖5、6分別為兩種轉子混煉36 s時不同軸向截面的速度向量分布。

圖5 新型嚙合轉子軸向截面的速度向量分布

圖6 PP-3轉子軸向截面的速度向量分布

圖7、8分別為兩種轉子混煉36 s時不同軸向截面的Z向速度向量分布。

由圖5、6、7、8可見，密煉室中的膠料熔體有：密煉室中膠料的周向運動、轉子嚙合區的交換運動和軸向運動三種流動狀態。而且轉子的運動主要以周向運動為主。從圖5和圖6可以發現，各個截面中膠料的最大速度場均出現在中間的嚙合區域，而且每一個混煉腔體中隨轉子轉動產生的周向運動是膠料熔體的主要運動速度。由于壁面無滑移，嚙合區速度衰減產生了明顯的剪切和拉伸作用。在嚙合區可以發現，轉子兩側物料存在明顯的交換流動。另外，由兩圖對比可見，PP-3轉子周向速度值比新型嚙合轉子大，但新型嚙合轉子周向速度值比PP-3轉子更為均勻。由圖7和圖8可見，轉子的軸向運動明顯，這是由于轉子的運動產生了軸向壓力梯度，從而引起了軸向運動。而且，由于轉子各段棱角度不同，所以在不同截面上轉子之間的Z向速度有正值與負值。這說明在該處存在回流運動，即返混作用。這種返混可以獲得優異的分散混合效果和軸向混合特性，有利于抵消物料軸向組分的不均勻性。另外，由兩圖對比可見，PP-3轉子的軸向速度值比新型嚙合轉子大，但新型嚙合轉子軸向速度分布比PP-3轉子更為均勻。

圖7 新型嚙合轉子軸向截面的Z向速度分布

圖8 PP-3轉子軸向截面的Z向速度分布

2.2 剪切速率

圖9～12為計算得到的混煉162 s時的剪切速度場。

圖9 混煉162 s時新型嚙合轉子剪切速率分布

圖10 混煉162 s時PP-3轉子剪切速率分布

圖11 新型嚙合轉子混煉162 s時不同軸向截面的剪切速率分布

圖12 PP-3轉子混煉162 s時不同軸向截面的剪切速率分布

由上圖可見，剪切速率的等值線繞轉子呈現層狀分布。在棱峰附近區域產生的剪切速率就很大，而在轉子基圓附近速度梯度小。剪切速率的等值線繞轉子呈現近似同心圓分布。而且，貼近轉子很薄一層膠料熔體的剪切速率也很小，這是由于轉子的拖曳作用使得這一層膠料熔體隨轉子轉動。而其他區域剪切速率分布相對均勻。由圖11和圖12對比發現，PP-3轉子最大剪切作用力比新型嚙合轉子大，但新型嚙合轉子對膠料的剪切作用更加均勻。

2.3 混合指數分布

為了更好地觀察混煉過程中不同時刻、轉子轉動不同角度的混煉情況，選取18.10 s、90.15 s、126.20 s和162.00 s。圖13、14為兩種不同轉子不同混煉時間及轉子角度下，在Z=0 mm截面的混合指數分布。

圖13 新型嚙合轉子不同轉子角度在Z=0mm截面的混合指數的分布

圖14 PP-3轉子不同轉子角度在Z=0 mm截面的混合指數的分布

由Cheng Hongfei, Y. Chin. Hsiang等引入的混合指數理論，對圖13和圖14分析可得：混合指數大于0.5值的區域始終出現在兩轉子之間，隨轉子的轉動偏向左側或右側。這是由于在轉子轉動過程中，轉子中間的空隙體積產生了一個從小到大再從大到小的過程。聚合物熔體為不可壓縮流體，當受到擠壓時的物料被迫運動到空隙較大地方時，這個擠壓流動過程是一個拉伸流動的過程[6]。由圖可見，從轉子流場不同時間的混合指數來看，兩種類型轉子帶動膠料混合，既有剪切流動，又有拉伸流動，但仍以剪切流動為主。而通過對比發現新型嚙合轉子比PP-3轉子的拉伸作用稍強些。

3 結 論

由嚙合轉子的動態流場模擬分析得到以下結論：

（1）膠料的最大速度場均出現在中間的嚙合區域，而且每一個混煉室中膠料隨轉子轉動產生的周向運動是主要運動速度。另有，PP-3轉子周向、軸向速度值比新型嚙合轉子大，但新型嚙合轉子速度分布比PP-3轉子更為均勻。

（2）PP-3轉子最大剪切作用力比新型嚙合轉子大，但新型嚙合轉子對膠料的剪切作用比較均勻。

（3）兩種嚙合轉子的混合指數都不是太高，說明兩種嚙合轉子剪切作用較強。而通過混合指數參數對比發現新型嚙合轉子比PP-3轉子的拉伸作用強。

由此可得，串聯式密煉機在煉膠過程中要獲得膠料更加均一、質量更加穩定的效果，新型嚙合轉子是一種優良的嚙合型轉子，更適合串聯式混煉工藝要求。

[1] Nortey, N. O. 新型嚙合型密煉機與傳統密煉機的比較[J]. 橡塑技術與裝備, 2004, 30(6): 10.

[2] Liz White. 經濟適用的串聯混煉方法[J], 橡膠技術與裝備, 1992(4): 5-20.

[3] Ghafouri, S. N. Operational characteristics of the in terlockingrotorinteral miXer[J]. Rubber World, 2000, 221(6): 32.

[4] 呂煒帥. 串聯式密煉機的混合機理與實驗研究[D]. 青島: 青島科技大學, 2012.

[5] 錢欣, 許王定, 金楊福. Polyflow基礎及其在塑料加工中的應用[M]. 北京: 北京化學工業出版社, 2010:311-318.

[6] 占誠部亮, 關于密煉機的放大[J].日本橡膠協會志, 1981(54): 437.

TQ 330.4+3

B

1671-8232(2017)11-0049-03

汪傳生（1960— ），男，安徽安慶人，教授，博士生導師，主要從事高分子材料加工機械等方面的教學和科研工作。

[責任編輯：鄒瑾芬]

2016-09-25