密煉機新型微肋轉子的設計及其混煉流場模擬分析

林廣義，趙輝績，劉 峰，孔令偉，于曉東，張士杰

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

現有密煉機轉子一般分為剪切型和嚙合型兩種，而剪切型轉子以高剪切特性在橡膠行業中占據主要市場[1-2]，其中四棱剪切轉子是剪切型轉子的典型代表。轉子結構構型直接影響混煉效率和混煉膠質量[3-8]。為提高混煉效果，傳統方法一般是增大轉子長棱和短棱數量，加劇膠料紊流。但轉子棱的增多必然會增加轉子的制造成本，而且研究表明，六棱轉子對橡膠混煉效果的提高并不顯著[9-10]。

本工作汲取銷釘轉子的設計理念[11]，對原有的四棱剪切型轉子進行改進，在長棱與短棱之間增加若干微肋結構，其形狀與轉子短棱的形狀相似且均有一定螺旋角度。微肋對稱分布在轉子兩側，同側微肋間的螺旋方向相反，同時微肋凸棱的最大回轉直徑小于轉子長棱和短棱的最大回轉直徑。微肋轉子在不增加長棱和短棱的前提下，通過微肋結構強化轉子的剪切分流作用，從而提高橡膠的混煉效果。

1 模型建立

1.1 物理模型

本研究所建立的微肋轉子模型是在傳統四棱剪切型轉子的長棱與短棱之間加上兩對微肋結構，如圖1所示。

圖1 四棱微肋剪切轉子的物理模型

選用材質為不銹鋼，轉子棱峰、棱側及端面堆焊耐磨硬質合金，經打磨、鍍硬鉻后拋光。四棱剪切型轉子和微肋的參數[12]如下：中心距 320 mm，回轉直徑 370 mm，長棱軸向長度 480 mm，短棱軸向長度 120 mm，長棱螺旋角度 32°，短棱螺旋角度 45°，微肋螺旋角度 40°。

兩對微肋對稱分布在轉子兩側，微肋棱長與短棱的棱長比為3/5，其中一對微肋的螺旋方向與短棱相反，另一對則與短棱相同，使膠料在微肋區域受到方向相反的軸向力，從而加劇膠料紊流，加強橡膠與填料混合。

1.2 基本假設

在綜合考慮流場的幾何特征、膠料特性、流動狀態和加工條件等因素的基礎上，進行以下簡化假設：（1）膠料為不可壓縮非牛頓流體，且忽略重力、慣性力等體積力；（2）膠料流動狀態為冪律型層流，雷諾數較小，膠料充滿整個密煉室，流體本構粘度方程符合Bird-Carreau模型；（3）膠料在密煉室內壁和轉子外表面上無滑移；（4）流場各點等溫，各物性參數不隨溫度變化。

1.3 有限元模型

密煉室內的空間減去兩轉子的體積形成膠料的流場。本研究運用Gambit中的網格重疊技術對密煉機內的膠料部分和微肋轉子分別進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 膠料和微肋轉子的有限元模型

膠料部分運用膠料邊界條件設置單元網格，邊界劃分成100份。微肋轉子選擇四面體網格，網格尺寸為4 mm。膠料和微肋轉子劃分網格后共有872 786個單元、274 918個節點。

1.4 邊界條件

（1）壁面邊界條件：根據壁面無滑移假設，轉子外表面膠料的速度與轉子表面相同。

（2）壓力邊界條件：混煉過程中密煉室處于完全封閉狀態，且膠料完全充滿，流體沒有進出口，因此轉子高速轉動時會產生較大的壓力峰值，容易造成模型不穩定，故應對流場壓力較低的區域進行零點壓力設定，通過設置約束條件使模型求解過程穩定。

綜上所述，對微肋轉子流場進行有限元分析所設置的邊界條件和膠料物理性能參數如下：密度 1.066 Mg·m-3，非牛頓指數 0.75，零剪切粘度 10 000 Pa·s，無窮剪切粘度 0，轉子轉速60 r·min-1，密煉室內表面速度 0。

2 結果與討論

對比模擬分析微肋轉子和普通四棱轉子的混煉流場。

2.1 壓力場

普通轉子和微肋轉子混煉流場的壓力分布分別如圖3和4所示。

圖3 普通轉子混煉流場的壓力分布

圖4 微肋轉子混煉流場的壓力分布

壓力場對比分析如下：

（1）混煉過程中膠料的壓力分布比較均勻，局部出現高壓區和低壓區，加速了膠料流動，有利于膠料混合及配合劑分散；

（2）混煉過程中存在負壓區域，且微肋轉子負壓壓力較小，普通四棱轉子較大，這是由于轉子棱增多使膠料從容積大的區域到容積小的區域次數比較多，導致負壓區域增多，負壓減小；

（3）在吃料一側壓力比較大，另一側的壓力比較小，這是由于在吃料一側膠料剪切面的楔形區域受到擠壓和剪切，從而產生較大壓力；

（4）中間截面處的壓力最高，越往轉子側面壓力越小，這是由于轉子轉動時膠料沿轉子楔形面從一側向中間流動；

（5）在相同位置的截面處，微肋轉子混煉流場的截面壓力大于普通的四棱轉子，這是由于微肋使膠料流動受阻，從而導致混煉壓力增大。

2.2 速度場

普通轉子和微肋轉子混煉流場的截面速度分布分別如圖5和6所示。

圖5 普通轉子混煉流場的截面速度分布

對比分析速度場如下：

（1）膠料在兩轉子之間和長短棱頂端與密煉室內壁之間的速度最高，在容積較大處膠料的流動速度最低，這是由于膠料在間隙較小處受到強烈擠壓，迫使膠料流速加快；

（2）微肋轉子混煉膠料沿軸向速度差值遠大于普通四棱轉子混煉膠料，且呈現從減小到增大的循環模式，其原因是微肋有一定的傾斜角度，且靠近短棱處微肋的旋轉方向與短棱相反，造成流經微肋處時部分膠料受阻，流動速度下降，而另一對微肋的傾斜角度與短棱相同，促進膠料流動，造成膠料速度從減小再增大的趨勢，使膠料的拉伸效果得到增強，膠料混合更均勻。

速度是矢量，在Polyflow模擬中可以用速度矢量云圖表征膠料流動速度的方向，如圖7所示。

從圖7可以看出，上下兩個面上的膠料向左流動而轉子中間的膠料向右流動，使得膠料在混煉過程中可以沿著轉子楔形面往復流動，而且微肋的加入并沒有影響膠料的整體流動方向。另外，膠料流動速度從轉子中心到兩側呈減小趨勢，使上下層膠料間產生速度梯度，有一定拉伸作用。

圖6 微肋轉子混煉流場的截面速度分布

圖7 轉子混煉流場的速度分布

2.3 粘度場

普通轉子和微肋轉子混煉流場的粘度分布分別如圖8和9所示。

圖8 普通轉子混煉流場的粘度分布

從圖8和9可以看出，長棱和短棱棱頂部位膠料的粘度最小，這是由于棱頂部位是混煉高剪切區域，膠料受到強剪切作用而致粘度下降。

對比圖8和9可知：兩種轉子混煉流場的粘度最高值相差不大，但在兩轉子之間捏合區域膠料的粘度有一定差異，微肋轉子中間捏合區域的膠料粘度較小；微肋的加入使轉子的低粘度范圍擴大，說明微肋使膠料受到的剪切作用增強。

2.4 混合指數

普通轉子和微肋轉子混煉流場的混合指數分布分別如圖10和11所示。

圖9 微肋轉子混煉流場的粘度分布

從圖10和11可以看出，膠料混合指數最高的區域在兩轉子中間，最高值可達到0.9以上，而膠料混合指數最低區域一般集中在短棱和長棱棱頂及密煉室內壁區域，其值一般在0.5以下，說明在兩轉子中間部位膠料主要受拉伸作用，而在轉子棱頂與密煉室內壁部位主要受剪切作用。

對比圖10和11可知：用微肋轉子混煉膠料時，膠料的最大混合指數增大，混合指數值在0.6以上的區域減小，說明微肋使膠料拉伸區域得到集中和加強；微肋的加入使膠料的高混合指數區域減少，尤其是在微肋處膠料混合指數明顯下降，膠料受到高剪切的區域增多，這說明微肋使轉子的剪切作用加強，而且膠料受剪切、拉伸交替變化區域增多，有助于填料在膠料中的混合和分散。

圖10 普通轉子混煉流場的混合指數分布

3 結論

利用有限元分析方法并運用計算流體動力學分析軟件Polyflow對比模擬分析微肋轉子和普通四棱轉子的混煉流場，得到以下結論。

（1）壓力場：兩種轉子在混煉膠料過程中壓力分布比較均勻，局部出現高壓區和低壓區，且微肋轉子高壓區壓力最大值大于普通四棱轉子，低壓區的低壓值則較小。

（2）速度場：微肋轉子混煉流場在軸向截面上速度變化梯度較大，有助于提高膠料的拉伸效果。速度矢量云圖顯示，微肋的加入沒有對膠料的整體流動趨勢產生影響，且使上下層膠料產生速度梯度，有助于提高膠料的拉伸效果。

（3）粘度場：在兩轉子之間膠料粘度最小，說明該位置是高剪切拉伸區域；微肋的加入使轉子中間捏合區域膠料粘度減小，且低粘度區域擴大。

（4）混合指數：微肋的加入使膠料高混合指數區域明顯減少，尤其是在微肋處膠料混合指數明顯下降，膠料受到高剪切的區域明顯增多，且使膠料受剪切、拉伸交替變化區域增多，有助于填料在橡膠中的混合和分散。

圖11 微肋轉子混煉流場的混合指數分布