密煉機新型微肋轉(zhuǎn)子的設(shè)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(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

現(xiàn)有密煉機轉(zhuǎn)子一般分為剪切型和嚙合型兩種，而剪切型轉(zhuǎn)子以高剪切特性在橡膠行業(yè)中占據(jù)主要市場[1-2]，其中四棱剪切轉(zhuǎn)子是剪切型轉(zhuǎn)子的典型代表。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)構(gòu)型直接影響混煉效率和混煉膠質(zhì)量[3-8]。為提高混煉效果，傳統(tǒng)方法一般是增大轉(zhuǎn)子長棱和短棱數(shù)量，加劇膠料紊流。但轉(zhuǎn)子棱的增多必然會增加轉(zhuǎn)子的制造成本，而且研究表明，六棱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的設(shè)計理念[11]，對原有的四棱剪切型轉(zhuǎn)子進(jìn)行改進(jìn)，在長棱與短棱之間增加若干微肋結(jié)構(gòu)，其形狀與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子兩側(cè)，同側(cè)微肋間的螺旋方向相反，同時微肋凸棱的最大回轉(zhuǎn)直徑小于轉(zhuǎn)子長棱和短棱的最大回轉(zhuǎn)直徑。微肋轉(zhuǎn)子在不增加長棱和短棱的前提下，通過微肋結(jié)構(gòu)強化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子模型是在傳統(tǒng)四棱剪切型轉(zhuǎn)子的長棱與短棱之間加上兩對微肋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 四棱微肋剪切轉(zhuǎn)子的物理模型

選用材質(zhì)為不銹鋼，轉(zhuǎn)子棱峰、棱側(cè)及端面堆焊耐磨硬質(zhì)合金，經(jīng)打磨、鍍硬鉻后拋光。四棱剪切型轉(zhuǎn)子和微肋的參數(shù)[12]如下：中心距 320 mm，回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子兩側(cè)，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(qū)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(shè)

在綜合考慮流場的幾何特征、膠料特性、流動狀態(tài)和加工條件等因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下簡化假設(shè)：（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(tài)為冪律型層流，雷諾數(shù)較小，膠料充滿整個密煉室，流體本構(gòu)粘度方程符合Bird-Carreau模型；（3）膠料在密煉室內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外表面上無滑移；（4）流場各點等溫，各物性參數(shù)不隨溫度變化。

1.3 有限元模型

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

圖2 膠料和微肋轉(zhuǎn)子的有限元模型

膠料部分運用膠料邊界條件設(shè)置單元網(wǎng)格，邊界劃分成100份。微肋轉(zhuǎn)子選擇四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為4 mm。膠料和微肋轉(zhuǎn)子劃分網(wǎng)格后共有872 786個單元、274 918個節(jié)點。

1.4 邊界條件

（1）壁面邊界條件：根據(jù)壁面無滑移假設(shè)，轉(zhuǎn)子外表面膠料的速度與轉(zhuǎn)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(tài)，且膠料完全充滿，流體沒有進(jìn)出口，因此轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生較大的壓力峰值，容易造成模型不穩(wěn)定，故應(yīng)對流場壓力較低的區(qū)域進(jìn)行零點壓力設(shè)定，通過設(shè)置約束條件使模型求解過程穩(wěn)定。

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

2 結(jié)果與討論

對比模擬分析微肋轉(zhuǎn)子和普通四棱轉(zhuǎn)子的混煉流場。

2.1 壓力場

普通轉(zhuǎn)子和微肋轉(zhuǎn)子混煉流場的壓力分布分別如圖3和4所示。

圖3 普通轉(zhuǎn)子混煉流場的壓力分布

圖4 微肋轉(zhuǎn)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(xiàn)高壓區(qū)和低壓區(qū)，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(fù)壓區(qū)域，且微肋轉(zhuǎn)子負(fù)壓壓力較小，普通四棱轉(zhuǎn)子較大，這是由于轉(zhuǎn)子棱增多使膠料從容積大的區(qū)域到容積小的區(qū)域次數(shù)比較多，導(dǎo)致負(fù)壓區(qū)域增多，負(fù)壓減?。?/p>

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

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

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

2.2 速度場

普通轉(zhuǎn)子和微肋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子之間和長短棱頂端與密煉室內(nèi)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(zhuǎn)子混煉膠料沿軸向速度差值遠(yuǎn)大于普通四棱轉(zhuǎn)子混煉膠料，且呈現(xiàn)從減小到增大的循環(huán)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(zhuǎn)方向與短棱相反，造成流經(jīng)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(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子楔形面往復(fù)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(zhuǎn)子中心到兩側(cè)呈減小趨勢，使上下層膠料間產(chǎn)生速度梯度，有一定拉伸作用。

圖6 微肋轉(zhuǎn)子混煉流場的截面速度分布

圖7 轉(zhuǎn)子混煉流場的速度分布

2.3 粘度場

普通轉(zhuǎn)子和微肋轉(zhuǎn)子混煉流場的粘度分布分別如圖8和9所示。

圖8 普通轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)子混煉流場的粘度最高值相差不大，但在兩轉(zhuǎn)子之間捏合區(qū)域膠料的粘度有一定差異，微肋轉(zhuǎn)子中間捏合區(qū)域的膠料粘度較??；微肋的加入使轉(zhuǎn)子的低粘度范圍擴(kuò)大，說明微肋使膠料受到的剪切作用增強。

2.4 混合指數(shù)

普通轉(zhuǎn)子和微肋轉(zhuǎn)子混煉流場的混合指數(shù)分布分別如圖10和11所示。

圖9 微肋轉(zhuǎn)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(shù)最高的區(qū)域在兩轉(zhuǎn)子中間，最高值可達(dá)到0.9以上，而膠料混合指數(shù)最低區(qū)域一般集中在短棱和長棱棱頂及密煉室內(nèi)壁區(qū)域，其值一般在0.5以下，說明在兩轉(zhuǎn)子中間部位膠料主要受拉伸作用，而在轉(zhuǎn)子棱頂與密煉室內(nèi)壁部位主要受剪切作用。

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

圖10 普通轉(zhuǎn)子混煉流場的混合指數(shù)分布

3 結(jié)論

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

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

（2）速度場：微肋轉(zhuǎn)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(chǎn)生影響，且使上下層膠料產(chǎn)生速度梯度，有助于提高膠料的拉伸效果。

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

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

圖11 微肋轉(zhuǎn)子混煉流場的混合指數(shù)分布