雙行星動(dòng)力混合機(jī)分散器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及溫度場(chǎng)分析

于志強(qiáng) 柴永生 陳會(huì)金 劉 光

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院)

雙行星動(dòng)力混合機(jī)分散器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及溫度場(chǎng)分析

于志強(qiáng)*柴永生 陳會(huì)金 劉 光

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院)

通過對(duì)同載荷下實(shí)心與空心分散器軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和最大剪切應(yīng)力的計(jì)算分析，表明在分散器實(shí)心軸中心加工孔徑為其直徑1/2的空心分散器時(shí)，最大剪切應(yīng)力增加量約為2.5%。利用有限元方法對(duì)雙行星動(dòng)力混合機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析,分別計(jì)算了攪拌桶側(cè)壁冷卻、分散器軸內(nèi)部冷卻等因素對(duì)攪拌桶內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響。分析表明,通過附加分散器軸內(nèi)部冷卻，使溫度變化范圍由65℃減小為15℃，有效改善了混合環(huán)境，為雙行星動(dòng)力混合機(jī)的研究提供理論依據(jù)。

雙行星動(dòng)力混合機(jī) 分散器 溫度場(chǎng) Workbench

在化工生產(chǎn)中，物料往往要經(jīng)過混合、分散以及反應(yīng)等過程，混合是在外力的作用下將兩種以上不同物料摻雜在一起的物理過程[1,2]。這種摻雜往往要采用先進(jìn)混合設(shè)備才能得到較好的效果，由于物料特性不同，尤其對(duì)一些高粘度、非均相流體物料的混合，采用通常的液相混合裝置不易達(dá)到理想的效果，需要更成熟的設(shè)備來滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

雙行星動(dòng)力混合機(jī)作為一種重要的混合設(shè)備被廣泛應(yīng)用[3]，它是一種新型高效混合分散設(shè)備, 具有獨(dú)特的混合形式, 由攪拌槳、分散器和攪拌桶主要部件組成。

攪拌槳和分散器在繞攪拌桶軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí), 又以不同的轉(zhuǎn)速繞自身軸線自轉(zhuǎn), 使物料在攪拌桶內(nèi)作攪拌、剪切和分散運(yùn)動(dòng),物料受到強(qiáng)烈的剪切和搓合。攪拌桶采用特有密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 可實(shí)現(xiàn)抽真空混合, 具有良好的排除氣泡效果，并可根據(jù)需要借助攪拌桶側(cè)壁的螺旋槽進(jìn)行加熱或冷卻操作[4]。

對(duì)于攪拌桶溫度場(chǎng)的研究，以往的混合設(shè)備多著重于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，往往很難把握住混合設(shè)備溫度場(chǎng)的實(shí)際分布情況。筆者研究了攪拌桶的熱傳遞過程，從實(shí)質(zhì)上深入理解溫度傳遞的原理，以便更好地指導(dǎo)實(shí)際的操作[5]。

1 攪拌桶溫度傳遞方式及分析

高粘度物料混合的難點(diǎn)在于高粘度物料傳熱能力不足，易產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，因此高粘度、高滯留量和低速回轉(zhuǎn)攪拌一般采用熱交換器(加熱器、冷卻器)，使物料的溫度均勻、反應(yīng)濃度均一[6]。

攪拌桶是用來實(shí)現(xiàn)物料的混合、分散、剪切、反應(yīng)及溶解等工藝并暫時(shí)存儲(chǔ)混合物料的一種裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過周圍的螺旋槽構(gòu)成熱交換器，通過在螺旋槽內(nèi)通入流動(dòng)的、具有一定溫度的流體，通過熱傳導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)攪拌桶壁附近物料溫度控制，再經(jīng)過攪拌和分散作用，完成溫度向攪拌桶內(nèi)部的傳遞過程。

圖1 攪拌桶三維模型

圖2為300L雙行星動(dòng)力混合機(jī)攪拌桶內(nèi)部混合物流場(chǎng)走向圖，在設(shè)備啟動(dòng)后，攪拌槳首先通過下層槳葉的上翻作用使物料產(chǎn)生沿?cái)嚢铇S向上的爬升運(yùn)動(dòng)，再伴隨公轉(zhuǎn)的進(jìn)行，使物料在攪拌桶內(nèi)形成軸向?qū)α鳌Ｔ谖锪陷S向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)受到上層槳葉的下壓作用，迫使混合物料產(chǎn)生徑向移動(dòng)，流向分散器，同時(shí)，分散器上部的蝴蝶攪拌槳會(huì)下壓物料，防止高粘性物料沿軸線方向的爬升。

圖2 攪拌桶混合物流場(chǎng)走向

分散器會(huì)對(duì)混合中的物料進(jìn)行強(qiáng)力的剪切和搓合，并將分散后的物料沿徑向拋出，最終由刮邊器將物料收回。攪拌槳和分散器的運(yùn)動(dòng)使物料產(chǎn)生軸向和徑向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，將溫度傳遞到物料的大部分區(qū)域，實(shí)現(xiàn)混合物料溫度的傳遞。

2 分散器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及強(qiáng)度分析

在混合增稠(膨脹)型流體時(shí)，由于流體的粘度隨剪切速率的增加而增加。普通的混合機(jī)會(huì)出現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)器和攪拌槳的損壞,因?yàn)楫?dāng)混合器中固體含量高于正常值而產(chǎn)生粘稠現(xiàn)象時(shí),就會(huì)產(chǎn)生出乎意料的高扭矩，并產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象[7，8]。在混合固體推進(jìn)劑時(shí)存在同樣的問題，固體推進(jìn)劑是各種氧化劑與丁羥膠的混合物,丁羥膠是粘度很高的膠體,使得固體推進(jìn)劑成為流動(dòng)性較差的非牛頓流體,各種氧化劑在丁羥膠的粘帶力下形成大量團(tuán)狀顆粒,并且不斷交換相互粘帶,使得推進(jìn)劑粘度越來越大,所需的攪拌槳葉剪切力也不斷加大,槳葉所受扭矩也急劇增加,因此會(huì)造成槳葉的應(yīng)力變形[9],對(duì)這類物料,最好再施加剪切和揉捏。

在300L雙行星動(dòng)力混合機(jī)中，為滿足剪切和揉捏，需加裝一對(duì)高速分散器，主要完成對(duì)物料的剪切和分散，提高混合均勻度。高速分散器主要由分散器上壓蓋、下壓蓋、分散盤、分散軸及蝴蝶攪拌槳等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高速分散器示意圖

安裝分散器后的混合機(jī)，盡管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，減輕分散器軸的高扭矩，但由于其轉(zhuǎn)速較高，使分散器軸的外圓周面溫度升高較快，較難控制在適宜溫度。為此，對(duì)現(xiàn)有的300L的雙行星動(dòng)力混合機(jī)分散器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過在高速分散器軸內(nèi)部加工冷卻通道并通入流動(dòng)的冷卻流體，配合測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分散器溫度控制，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的分散器軸剖面

為保證加工冷卻通道后的分散器在高轉(zhuǎn)速下仍有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，對(duì)加工孔徑的大小進(jìn)行合理性計(jì)算。

對(duì)于實(shí)心軸:

對(duì)于加工冷卻通道空心軸：

圖5 加工孔直徑d與最大剪切應(yīng)力τmax關(guān)系

鑒于分散器軸處于攪拌桶的內(nèi)部，為解決正常工作時(shí)分散器軸既要高速轉(zhuǎn)動(dòng)，又要實(shí)現(xiàn)冷卻液的循環(huán)問題，裝備采用雙通道旋轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)接頭通過高精密軸承進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，保證較高的旋轉(zhuǎn)精度，在密封塞的作用下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)接頭安裝體的動(dòng)密封，確保通道內(nèi)流體的順利交換，旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖6所示[10]。

圖6 旋轉(zhuǎn)接頭示意圖

3 攪拌桶溫度場(chǎng)建模及結(jié)果分析

為改善攪拌桶內(nèi)溫度的分布，避免混合失效情況發(fā)生，筆者借助有限元分析軟件Workbench對(duì)攪拌桶進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析，得到僅有攪拌桶側(cè)壁降溫和增加分散器軸輔助降溫后的攪拌桶內(nèi)部溫度場(chǎng)分布曲線圖，驗(yàn)證了分散器降溫的重要性，很好地解決了因分散器軸壁面溫度過高造成高粘度混合失效的情況。

3.1溫度場(chǎng)分析模型及邊界條件設(shè)置

根據(jù)300L雙行星動(dòng)力混合機(jī)攪拌桶的實(shí)際尺寸,建立攪拌桶三維模型，選取單只分散器與攪拌桶構(gòu)成分析模型，為得到僅攪拌桶側(cè)壁降溫與附加分散器軸后的攪拌桶溫度分布情況，數(shù)值仿真分析模型的邊界條件設(shè)置如圖7所示。

圖7 攪拌桶溫度場(chǎng)分析模型及邊界條件

根據(jù)攪拌桶實(shí)際使用情況，設(shè)置溫度場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：

攪拌桶側(cè)壁及分散器軸壁溫度 5℃

物料初始溫度 30℃

物料上側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù) 0.02W/(mm2·K)

攪拌桶內(nèi)壁與物料傳熱系數(shù) 15W/(mm2·K)

物料粘度 50Pa·s

分散軸旋轉(zhuǎn)速度 26 000r/min

為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，作以下合理假設(shè)：

a. 由于物料溫升較慢，冷卻液流速較快，認(rèn)為攪拌桶壁與分散器軸側(cè)壁面溫度保持為流體溫度恒定不變；

b. 不考慮分散器和攪拌槳繞攪拌桶軸線公轉(zhuǎn)引起的溫度場(chǎng)變化，僅對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。

3.2結(jié)果分析

在攪拌桶底面垂直向上200mm過分散器軸線與攪拌桶軸線的平面處取15個(gè)觀察點(diǎn)，繪制攪拌桶側(cè)壁面與附加分散軸冷卻溫度對(duì)比曲線如圖8所示。

可以看出，在僅有攪拌桶側(cè)壁冷卻的情況下，分散器軸附近的溫度最高達(dá)到70℃，溫差變化范圍為65℃；附加分散軸冷卻后，最高溫度僅有20℃，溫差變化范圍為15℃，改善了物料的混合環(huán)境，提高了溫度可控性，降低了混合失效的概率。

4 結(jié)論

4.1在分散器軸內(nèi)加工冷卻孔直徑為實(shí)心軸直徑的1/2時(shí)，最大剪切應(yīng)力增加量?jī)H為2.54%，即在分散器軸內(nèi)加工出適宜大小的冷卻孔，分散器的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度變化較小。

4.2通過攪拌桶側(cè)壁控制攪拌桶內(nèi)部溫度時(shí)，分散器壁面溫度較高，最高達(dá)到70℃，易造成混合失效；附加分散器軸冷卻后，攪拌桶內(nèi)溫度環(huán)境得到改善，最高溫度僅為20℃，溫差變化范圍從65℃降低為15℃，有效提高了混合機(jī)的控溫效果。

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DisperserStructureImprovementandThermalFieldAnalysisofDualPlanetaryMixer

YU Zhi-qiang, CHAI Yong-sheng, CHEN Hui-jin, LIU Guang

(SchoolofElectromechanicalandAutomobileEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

Calculating and analyzing torsional strength of both solid and hollow disperser shafts under the same load indicates that the maximum shear stress can be increased by about 2.5% when the cooling hole’s aperture is half of the solid shaft’s diameter. Making use of the finite element method to simulate and analyze the thermal field of dual planetary shaft mixer, the effects of mixing bucket’s wall cooling and dispersed shaft’s internal cooling on the mixing bucket’s internal thermal field were calculated respectively and other factors were calculated to show that the temperature range can be reduced from 65℃ to 15℃ by attaching dispersed shaft’s internal cooling which can effectively improve the mixed environment and provide theoretical basis for the study on dual planetary mixer.

dual planetary power mixer, disperser, thermal field, Workbench

TQ051.7

A

0254-6094(2016)01-0089-05

*于志強(qiáng)，男，1988年12月生，碩士研究生。山東省煙臺(tái)市，264005。

2015-08-19)