電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)四棱異步剪切型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及模擬分析

林廣義，呂寧寧，艾沖沖

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.山東省高分子材料先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

在高分子材料加工行業(yè)中，密煉機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的間歇式混煉設(shè)備。由于傳統(tǒng)密煉機(jī)存在功率消耗高和體積龐大等缺陷，因此需要改進(jìn)密煉機(jī)的結(jié)構(gòu)，以減小體積和降低能耗，而電磁動(dòng)態(tài)技術(shù)在密煉機(jī)上的應(yīng)用為解決此問題提供了新途徑[1-3]。電磁動(dòng)態(tài)技術(shù)利用能量轉(zhuǎn)化的原理將電磁場引起的振動(dòng)場引入聚合物加工成型的全過程，引起高分子材料相變、填料聚集態(tài)變化、高分子產(chǎn)生自補(bǔ)強(qiáng)等一系列新的物理化學(xué)作用，從而增強(qiáng)膠料混煉效果并降低混煉能耗[4-5]。

轉(zhuǎn)子是密煉機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究不斷擴(kuò)展和深入[6-9]。本工作設(shè)計(jì)密煉機(jī)四棱異步剪切型轉(zhuǎn)子，建立在電磁振動(dòng)條件下轉(zhuǎn)子的三維數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用專業(yè)流體軟件Polyflow動(dòng)態(tài)模擬轉(zhuǎn)子流場，分析在電磁振動(dòng)條件下轉(zhuǎn)子流場各參數(shù)的變化規(guī)律。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的密煉機(jī)容量為3 L，四棱異步剪切型轉(zhuǎn)子速比為3∶2，轉(zhuǎn)子一端加上周期性的軸向振動(dòng)（通過電磁激振器實(shí)現(xiàn)），振動(dòng)頻率在0～10.8 Hz之間。該轉(zhuǎn)子由電磁繞組裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)部件的軸向電磁支承以及與運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成物料工作容積的固定部件組成，具有吃料能力和適應(yīng)性強(qiáng)、排膠速度快、破膠性能好、填料分散和膠料混煉均勻等特點(diǎn)[10-12]。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Rotor structure

1.2 電磁振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式

電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)是將電磁振動(dòng)引入膠料的混煉過程，在轉(zhuǎn)子軸端加上電磁激振器，使其能夠在軸向進(jìn)行微小的來回轉(zhuǎn)動(dòng)。振動(dòng)在工程學(xué)科領(lǐng)域有兩個(gè)重要的分支：振動(dòng)抑制和振動(dòng)利用[13-15]。

1.3 轉(zhuǎn)子模型

轉(zhuǎn)子的三維模型如圖2所示，其特點(diǎn)是長棱在一側(cè)，短棱在另一側(cè)。前后轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)有一定的速比，即轉(zhuǎn)速不相同，使得工作時(shí)轉(zhuǎn)子對膠料的剪切作用增大。

圖2 轉(zhuǎn)子的三維模型Fig.2 Three dimensional model of rotor

密煉室和轉(zhuǎn)子的幾何形狀及轉(zhuǎn)子的長短棱沿基圓展開如圖3所示。轉(zhuǎn)子的基本幾何參數(shù)為：中心距 140 mm，內(nèi)徑 85 mm，外徑 136 mm，長度 210 mm（長棱長度為168 mm，短棱長度為42 mm）。

圖3 密煉室和轉(zhuǎn)子的幾何形狀及前后轉(zhuǎn)子展開示意Fig.3 Geometry of mixer chamber and rotor and deployment of front and rear rotors

在混煉過程中膠料充滿整個(gè)密煉室，因此以轉(zhuǎn)子基圓和密煉室尺寸（轉(zhuǎn)子突棱與密煉室內(nèi)壁的間隙為2 mm）確定轉(zhuǎn)子流場的三維網(wǎng)格模型，如圖4所示。

圖4 四棱異步轉(zhuǎn)子流場網(wǎng)格模型Fig.4 Grid model of four edge asynchronous rotor flow field

轉(zhuǎn)子混煉模型流場的物理參數(shù)為：密度（ρ）1 066 kg·m-3，牛頓指數(shù)（n） 0.385，零剪切粘度（η0） 1 000 000 Pa·s，無窮剪切粘度（η∞） 10 Pa·s，粘彈性特征時(shí)間（λ） 10 s；邊界條件的設(shè)定為：轉(zhuǎn)子速比 60∶40（3∶2），流體內(nèi)壁表面速度為 0 m·s-1。

本研究針對前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)1周的流場進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，設(shè)置前轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)9°就輸出1個(gè)結(jié)果，可以得到40個(gè)模擬結(jié)果。為簡化模擬數(shù)據(jù)，選取0.1，0.4，0.7和1.0 s（分別對應(yīng)36°，144°，252°，360°）時(shí)的流場模擬結(jié)果進(jìn)行分析。在其他條件不變的情況下，根據(jù)電磁振動(dòng)頻率在0～10.8 Hz間，本次設(shè)計(jì)選擇在10 Hz振動(dòng)頻率下進(jìn)行模擬分析。在研究轉(zhuǎn)子三維流場的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬時(shí)，最能說明密煉機(jī)轉(zhuǎn)子混煉特性的區(qū)域是轉(zhuǎn)子螺棱混合區(qū)域的流場，因此選取兩轉(zhuǎn)子螺棱匯合的截面來作為模擬結(jié)果的軸向截面，這3個(gè)平面依次對應(yīng)1-1，2-2和3-3軸向截面，如圖5所示。

圖5 1-1，2-2和3-3軸向截面Fig.5 The 1-1，2-2 and 3-3 axial sections

2 結(jié)果與分析

對電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子在振動(dòng)條件下的三維轉(zhuǎn)子流場進(jìn)行了模擬分析，關(guān)于傳統(tǒng)密煉機(jī)的研究報(bào)道已經(jīng)較多，限于篇幅，本文只列出電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)的模擬分析結(jié)果。

2.1 壓力場

在研究電磁振動(dòng)條件下轉(zhuǎn)子流場的壓力場時(shí)，選取轉(zhuǎn)子分別在0.4和0.7 s時(shí)流場的整體壓力分布（見圖6）及1-1，2-2和3-3軸向截面的壓力分布（見圖7），探討轉(zhuǎn)子流場的壓力分布的規(guī)律。

圖6 轉(zhuǎn)子流場的整體壓力分布Fig.6 Overall pressure distributions of rotor flow field

圖7 1-1，2-2和3-3軸向截面的壓力分布Fig.7 Pressure distributions of 1-1，2-2 and 3-3 axial sections

由圖6和7可以看出，與傳統(tǒng)密煉機(jī)（相應(yīng)轉(zhuǎn)子流場圖略，下同）相比，電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子流場的壓力場出現(xiàn)最高壓力的時(shí)間縮短，即電磁振動(dòng)可以縮短煉膠時(shí)間。同時(shí)，加入電磁振動(dòng)的轉(zhuǎn)子流場的最高壓力比沒加電磁振動(dòng)的轉(zhuǎn)子流場的最高壓力大，電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)的工作效率提高，能耗降低。

2.2 速度場

選取轉(zhuǎn)子在0.4和0.7 s時(shí)的速度矢量和速度分布，分別如圖8和9所示，研究在電磁振動(dòng)條件下轉(zhuǎn)子流場的速度分布情況。

圖8 轉(zhuǎn)子流場的速度矢量Fig.8 Velocity vectors of rotor flow field

圖9 轉(zhuǎn)子流場的速度分布Fig.9 Velocity distributions of rotor flow field

從圖8和9可以看出，與傳統(tǒng)密煉機(jī)相比，電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)使轉(zhuǎn)子流場的最大速度較早地出現(xiàn)，更快地完成膠料的混煉過程。

2.3 剪切速率分布

選取轉(zhuǎn)子在0.4和0.7 s時(shí)的剪切速率分布，如圖10所示，研究電磁振動(dòng)條件下轉(zhuǎn)子流場的剪切速率分布情況。

圖10 軸向截面的剪切速率分布Fig.10 Shear rate distributions of axial sections

由圖10可以看出，在電磁振動(dòng)條件下，轉(zhuǎn)子流場的最大剪切速率會(huì)較早地出現(xiàn)。與傳統(tǒng)密煉機(jī)相比，電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中膠料更早地經(jīng)歷最大剪切速率。

2.4 粘度分布

在電磁振動(dòng)條件下，研究轉(zhuǎn)子流場的粘度分布規(guī)律時(shí)選取了轉(zhuǎn)子在0.4和1.0 s時(shí)的粘度分布，如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)子流場的粘度分布Fig.11 Viscosity distributions of rotor flow field

由圖11可以看出，在轉(zhuǎn)子突棱處的粘度很小而在轉(zhuǎn)子平滑處的粘度較大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在振動(dòng)條件下，膠料更容易向平滑區(qū)域流動(dòng)，這說明電磁振動(dòng)對于膠料的混煉非常有利，并且能夠加快這一過程。

2.5 混合指數(shù)分布

在電磁振動(dòng)條件下，選取1-1軸向截面的轉(zhuǎn)子流場的混合指數(shù)分布，如圖12所示，分析在0.1，0.4，0.7和1 s時(shí)轉(zhuǎn)子流場的混合指數(shù)的分布規(guī)律。

圖12 1-1軸向截面的混合指數(shù)分布Fig.12 Mixing index distributions of 1-1 axial section

從圖12可以看出，在0.1，0.4，0.7和1.0 s時(shí)，在兩轉(zhuǎn)子的嚙合部分轉(zhuǎn)子流場的混合指數(shù)達(dá)到0.7及以上的區(qū)域較多。在電磁振動(dòng)條件下，轉(zhuǎn)子對膠料的混煉產(chǎn)生更大的作用，轉(zhuǎn)子流場的混合指數(shù)比不加振動(dòng)條件的要小一些，這說明更多的膠料在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到了剪切作用。

2.6 質(zhì)量濃度場

在電磁振動(dòng)條件下，轉(zhuǎn)子流場的質(zhì)量濃度場分布如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)子流場的質(zhì)量濃度分布Fig.13 Mass concentration distributions of rotor flow field

從圖13可以看出，隨著時(shí)間的延長，不同質(zhì)量濃度的流體不斷地互相混合。與傳統(tǒng)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子流場的質(zhì)量濃度場相比，電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子流場出現(xiàn)最大質(zhì)量濃度的時(shí)間縮短，這是因?yàn)殡姶耪駝?dòng)使轉(zhuǎn)子形成的軸向振動(dòng)，提高膠料相互交換速度，使膠料更快地完成混煉過程。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)電磁動(dòng)態(tài)密煉機(jī)四棱異步剪切型轉(zhuǎn)子，用流體分析軟件對密煉機(jī)混煉過程中的流場進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，并研究了在電磁振動(dòng)條件下流場的變化規(guī)律。在電磁振動(dòng)條件下，轉(zhuǎn)子流場出現(xiàn)最高壓力、最大速度、最大剪切速率和最大質(zhì)量濃度的時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)子突棱處的粘度很小，轉(zhuǎn)子平滑處的粘度較大，混合指數(shù)較小，從而使膠料快速完成混煉，提高混煉效率，降低混煉能耗。