電磁動態密煉機四棱異步剪切型轉子的設計及模擬分析

林廣義，呂寧寧，艾沖沖

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.山東省高分子材料先進制造重點實驗室，山東 青島 266061）

在高分子材料加工行業中，密煉機是應用最為廣泛的間歇式混煉設備。由于傳統密煉機存在功率消耗高和體積龐大等缺陷，因此需要改進密煉機的結構，以減小體積和降低能耗，而電磁動態技術在密煉機上的應用為解決此問題提供了新途徑[1-3]。電磁動態技術利用能量轉化的原理將電磁場引起的振動場引入聚合物加工成型的全過程，引起高分子材料相變、填料聚集態變化、高分子產生自補強等一系列新的物理化學作用，從而增強膠料混煉效果并降低混煉能耗[4-5]。

轉子是密煉機的核心部件，其結構領域的研究不斷擴展和深入[6-9]。本工作設計密煉機四棱異步剪切型轉子，建立在電磁振動條件下轉子的三維數學模型，并運用專業流體軟件Polyflow動態模擬轉子流場，分析在電磁振動條件下轉子流場各參數的變化規律。

1 模型設計

1.1 轉子設計

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

轉子結構如圖1所示。

圖1 轉子結構示意Fig.1 Rotor structure

1.2 電磁振動的驅動方式

電磁動態密煉機的創新點是將電磁振動引入膠料的混煉過程，在轉子軸端加上電磁激振器，使其能夠在軸向進行微小的來回轉動。振動在工程學科領域有兩個重要的分支：振動抑制和振動利用[13-15]。

1.3 轉子模型

轉子的三維模型如圖2所示，其特點是長棱在一側，短棱在另一側。前后轉子在旋轉時有一定的速比，即轉速不相同，使得工作時轉子對膠料的剪切作用增大。

圖2 轉子的三維模型Fig.2 Three dimensional model of rotor

密煉室和轉子的幾何形狀及轉子的長短棱沿基圓展開如圖3所示。轉子的基本幾何參數為：中心距 140 mm，內徑 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 密煉室和轉子的幾何形狀及前后轉子展開示意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密煉室，因此以轉子基圓和密煉室尺寸（轉子突棱與密煉室內壁的間隙為2 mm）確定轉子流場的三維網格模型，如圖4所示。

圖4 四棱異步轉子流場網格模型Fig.4 Grid model of four edge asynchronous rotor flow field

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

本研究針對前轉子轉動1周的流場進行動態數值模擬，設置前轉子的轉速為60 r·min-1，轉子每旋轉9°就輸出1個結果，可以得到40個模擬結果。為簡化模擬數據，選取0.1，0.4，0.7和1.0 s（分別對應36°，144°，252°，360°）時的流場模擬結果進行分析。在其他條件不變的情況下，根據電磁振動頻率在0～10.8 Hz間，本次設計選擇在10 Hz振動頻率下進行模擬分析。在研究轉子三維流場的動態數值模擬時，最能說明密煉機轉子混煉特性的區域是轉子螺棱混合區域的流場，因此選取兩轉子螺棱匯合的截面來作為模擬結果的軸向截面，這3個平面依次對應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 結果與分析

對電磁動態密煉機轉子在振動條件下的三維轉子流場進行了模擬分析，關于傳統密煉機的研究報道已經較多，限于篇幅，本文只列出電磁動態密煉機的模擬分析結果。

2.1 壓力場

在研究電磁振動條件下轉子流場的壓力場時，選取轉子分別在0.4和0.7 s時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），探討轉子流場的壓力分布的規律。

圖6 轉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，與傳統密煉機（相應轉子流場圖略，下同）相比，電磁動態密煉機轉子流場的壓力場出現最高壓力的時間縮短，即電磁振動可以縮短煉膠時間。同時，加入電磁振動的轉子流場的最高壓力比沒加電磁振動的轉子流場的最高壓力大，電磁動態密煉機的工作效率提高，能耗降低。

2.2 速度場

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

圖8 轉子流場的速度矢量Fig.8 Velocity vectors of rotor flow field

圖9 轉子流場的速度分布Fig.9 Velocity distributions of rotor flow field

從圖8和9可以看出，與傳統密煉機相比，電磁動態密煉機使轉子流場的最大速度較早地出現，更快地完成膠料的混煉過程。

2.3 剪切速率分布

選取轉子在0.4和0.7 s時的剪切速率分布，如圖10所示，研究電磁振動條件下轉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，在電磁振動條件下，轉子流場的最大剪切速率會較早地出現。與傳統密煉機相比，電磁動態密煉機轉子轉動過程中膠料更早地經歷最大剪切速率。

2.4 粘度分布

在電磁振動條件下，研究轉子流場的粘度分布規律時選取了轉子在0.4和1.0 s時的粘度分布，如圖11所示。

圖11 轉子流場的粘度分布Fig.11 Viscosity distributions of rotor flow field

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

2.5 混合指數分布

在電磁振動條件下，選取1-1軸向截面的轉子流場的混合指數分布，如圖12所示，分析在0.1，0.4，0.7和1 s時轉子流場的混合指數的分布規律。

圖12 1-1軸向截面的混合指數分布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，在兩轉子的嚙合部分轉子流場的混合指數達到0.7及以上的區域較多。在電磁振動條件下，轉子對膠料的混煉產生更大的作用，轉子流場的混合指數比不加振動條件的要小一些，這說明更多的膠料在轉子轉動過程中受到了剪切作用。

2.6 質量濃度場

在電磁振動條件下，轉子流場的質量濃度場分布如圖13所示。

圖13 轉子流場的質量濃度分布Fig.13 Mass concentration distributions of rotor flow field

從圖13可以看出，隨著時間的延長，不同質量濃度的流體不斷地互相混合。與傳統密煉機轉子流場的質量濃度場相比，電磁動態密煉機轉子流場出現最大質量濃度的時間縮短，這是因為電磁振動使轉子形成的軸向振動，提高膠料相互交換速度，使膠料更快地完成混煉過程。

3 結論

設計電磁動態密煉機四棱異步剪切型轉子，用流體分析軟件對密煉機混煉過程中的流場進行了動態模擬，并研究了在電磁振動條件下流場的變化規律。在電磁振動條件下，轉子流場出現最高壓力、最大速度、最大剪切速率和最大質量濃度的時間縮短，轉子突棱處的粘度很小，轉子平滑處的粘度較大，混合指數較小，從而使膠料快速完成混煉，提高混煉效率，降低混煉能耗。