汪傳生，胡紀(jì)全，邊慧光，呂煒帥

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

串聯(lián)式密煉機(jī)嚙合轉(zhuǎn)子混煉過程有限元對比分析

汪傳生，胡紀(jì)全，邊慧光，呂煒帥

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

主要介紹了自行設(shè)計(jì)的新型嚙合轉(zhuǎn)子和日本PP-3轉(zhuǎn)子，運(yùn)用專業(yè)黏彈性流體軟件Poly fl ow對膠料在兩種不同類型嚙合型轉(zhuǎn)子內(nèi)的混煉過程進(jìn)行動態(tài)模擬對比分析，得到兩種轉(zhuǎn)子的流場參數(shù)的變化規(guī)律，由此得出，新型嚙合轉(zhuǎn)子是一種性能優(yōu)良的嚙合型轉(zhuǎn)子，更適合串聯(lián)式混煉工藝要求，對今后轉(zhuǎn)子構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定理論依據(jù)。

黏彈性；嚙合型轉(zhuǎn)子；動態(tài)模擬

0 前 言

密煉機(jī)已成為現(xiàn)代橡膠工業(yè)煉膠工序中重要的煉膠設(shè)備。采用密煉機(jī)煉膠可極大地降低煉膠工序的勞動強(qiáng)度、改善勞動條件、縮短煉膠周期和提高生產(chǎn)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(yè)、塑料橡膠工業(yè)的高需求，促進(jìn)了設(shè)備生產(chǎn)廠家不斷生產(chǎn)更好的密煉機(jī)來加工新的膠料，滿足塑料工業(yè)和橡膠工業(yè)的需求[1]。

轉(zhuǎn)子是密煉機(jī)的核心部件，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)好壞，直接影響工作性能、生產(chǎn)效率和煉膠質(zhì)量。轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)子有相切型和嚙合型兩種。西方國家現(xiàn)在非常重視嚙合型密煉機(jī)的應(yīng)用，這種轉(zhuǎn)子吸取了開煉機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)，如良好的分散性能和易于溫控等特點(diǎn)[2]，西方輪胎工業(yè)發(fā)達(dá)國家成功應(yīng)用嚙合型密煉機(jī)的實(shí)例，使嚙合式轉(zhuǎn)子密煉機(jī)成為繼ST轉(zhuǎn)子密煉機(jī)之后被輪胎工業(yè)所青睞的又一優(yōu)秀通用混煉設(shè)備[3]。

文中采用的兩種轉(zhuǎn)子分別為自行設(shè)計(jì)的新型嚙合轉(zhuǎn)子和日本PP-3轉(zhuǎn)子，為了能夠更清楚地了解兩種轉(zhuǎn)子流場特點(diǎn)，從黏彈性流體理論出發(fā)，運(yùn)用專業(yè)黏彈性流體軟件Polyflow對膠料在嚙合型轉(zhuǎn)子內(nèi)的混煉過程進(jìn)行模擬，將兩種轉(zhuǎn)子進(jìn)行對比分析，得到兩種轉(zhuǎn)子的流場參數(shù)的變化規(guī)律。

1 模型的建立

這里對兩種嚙合型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動180 s的流場進(jìn)行動態(tài)模擬，對轉(zhuǎn)子每混煉18 s均勻選取10個瞬態(tài)流場模型進(jìn)行分析，探討兩種嚙合轉(zhuǎn)子流場變化情況。在模擬前，首先要建立相應(yīng)的有限元模型，即相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)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(zhuǎn)子及流場進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖1為自行設(shè)計(jì)的嚙合轉(zhuǎn)子，圖2為日本PP-3嚙合轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)子的根徑為340 mm，外徑470 mm，軸向長度為648 mm，兩轉(zhuǎn)子中心距為420 mm，流場內(nèi)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(yīng)的物理模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，見圖3和圖4所示。

圖1 新型嚙合轉(zhuǎn)子的嚙合造型

圖2 日本PP-3嚙合轉(zhuǎn)子的嚙合造型

圖3 新型嚙合轉(zhuǎn)子及流場的網(wǎng)格實(shí)體模型

圖4 日本PP-3嚙合轉(zhuǎn)子及流場的網(wǎng)格實(shí)體模型

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

在進(jìn)行三維計(jì)算時，考慮到流場的幾何形狀、物料性質(zhì)、流動狀態(tài)、加工條件等因素造成的流場復(fù)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(shè)[5]：

①物料在整個流道是完全充滿的；

②流體為穩(wěn)定流動，即流動過程與時間無關(guān)；

③流體為等溫流動，即流場中各點(diǎn)溫度一樣，各個物性參數(shù)不變；

④流體為層流流動，雷諾系數(shù)較??；

⑤流體的慣性力、重力等體積力遠(yuǎn)小于黏滯力，忽略不計(jì)；

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(gòu)黏度方程為Bird-Carreau模型。

根據(jù)以上假設(shè)可得描述流場的連續(xù)性方程、運(yùn)動方程以及廣義本構(gòu)方程，如式（1）、（2）、（3）所示。

式中：ν—速度，m/s；Ρ—壓力，Pa；τ—應(yīng)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(zhì)，又描述在低剪切速率下牛頓流體的流變性質(zhì)，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(shù)。

本次模擬采用膠料的參數(shù)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、密煉室靜止的真實(shí)速度邊界條件，采用壁面無滑移假設(shè)；轉(zhuǎn)子表面無滑移，表面流體速度等于轉(zhuǎn)子邊界的線性速度。轉(zhuǎn)子表面的速度隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化，兩轉(zhuǎn)子異向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為60 r/min，左右兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比為1:1。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 速度矢量分布

圖5、6分別為兩種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸向截面的速度向量分布

圖6 PP-3轉(zhuǎn)子軸向截面的速度向量分布

圖7、8分別為兩種轉(zhuǎn)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(yùn)動、轉(zhuǎn)子嚙合區(qū)的交換運(yùn)動和軸向運(yùn)動三種流動狀態(tài)。而且轉(zhuǎn)子的運(yùn)動主要以周向運(yùn)動為主。從圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，各個截面中膠料的最大速度場均出現(xiàn)在中間的嚙合區(qū)域，而且每一個混煉腔體中隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的周向運(yùn)動是膠料熔體的主要運(yùn)動速度。由于壁面無滑移，嚙合區(qū)速度衰減產(chǎn)生了明顯的剪切和拉伸作用。在嚙合區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子兩側(cè)物料存在明顯的交換流動。另外，由兩圖對比可見，PP-3轉(zhuǎn)子周向速度值比新型嚙合轉(zhuǎn)子大，但新型嚙合轉(zhuǎn)子周向速度值比PP-3轉(zhuǎn)子更為均勻。由圖7和圖8可見，轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動明顯，這是由于轉(zhuǎn)子的運(yùn)動產(chǎn)生了軸向壓力梯度，從而引起了軸向運(yùn)動。而且，由于轉(zhuǎn)子各段棱角度不同，所以在不同截面上轉(zhuǎn)子之間的Z向速度有正值與負(fù)值。這說明在該處存在回流運(yùn)動，即返混作用。這種返混可以獲得優(yōu)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(zhuǎn)子的軸向速度值比新型嚙合轉(zhuǎn)子大，但新型嚙合轉(zhuǎn)子軸向速度分布比PP-3轉(zhuǎn)子更為均勻。

圖7 新型嚙合轉(zhuǎn)子軸向截面的Z向速度分布

圖8 PP-3轉(zhuǎn)子軸向截面的Z向速度分布

2.2 剪切速率

圖9～12為計(jì)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(zhuǎn)子剪切速率分布

圖10 混煉162 s時PP-3轉(zhuǎn)子剪切速率分布

圖11 新型嚙合轉(zhuǎn)子混煉162 s時不同軸向截面的剪切速率分布

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

2.3 混合指數(shù)分布

為了更好地觀察混煉過程中不同時刻、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子不同混煉時間及轉(zhuǎn)子角度下，在Z=0 mm截面的混合指數(shù)分布。

圖13 新型嚙合轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)子角度在Z=0mm截面的混合指數(shù)的分布

圖14 PP-3轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)子角度在Z=0 mm截面的混合指數(shù)的分布

由Cheng Hongfei, Y. Chin. Hsiang等引入的混合指數(shù)理論，對圖13和圖14分析可得：混合指數(shù)大于0.5值的區(qū)域始終出現(xiàn)在兩轉(zhuǎn)子之間，隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動偏向左側(cè)或右側(cè)。這是由于在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)子中間的空隙體積產(chǎn)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(dāng)受到擠壓時的物料被迫運(yùn)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(zhuǎn)子流場不同時間的混合指數(shù)來看，兩種類型轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)新型嚙合轉(zhuǎn)子比PP-3轉(zhuǎn)子的拉伸作用稍強(qiáng)些。

3 結(jié) 論

由嚙合轉(zhuǎn)子的動態(tài)流場模擬分析得到以下結(jié)論：

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

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

（3）兩種嚙合轉(zhuǎn)子的混合指數(shù)都不是太高，說明兩種嚙合轉(zhuǎn)子剪切作用較強(qiáng)。而通過混合指數(shù)參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)新型嚙合轉(zhuǎn)子比PP-3轉(zhuǎn)子的拉伸作用強(qiáng)。

由此可得，串聯(lián)式密煉機(jī)在煉膠過程中要獲得膠料更加均一、質(zhì)量更加穩(wěn)定的效果，新型嚙合轉(zhuǎn)子是一種優(yōu)良的嚙合型轉(zhuǎn)子，更適合串聯(lián)式混煉工藝要求。

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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(dǎo)師，主要從事高分子材料加工機(jī)械等方面的教學(xué)和科研工作。

[責(zé)任編輯：鄒瑾芬]

2016-09-25