（机械制造及其自动化专业论文）四棱vcmt同步转子密炼机混炼机理及实验研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 四棱v c m t 同步转子密炼机混炼机理及实验研究 摘要 随着橡塑工业及其它高分子材料加工行业的迅速发展，密炼机在高分子 材料加工中所占的地位越来越重要，应用范围越来越广泛。同时，对密炼机 性能的要求也越来越高。各种新型密炼机不断涌现，同步转子密炼机就是其 中之一，而且同步转子密炼机有着比异步转子密炼机更优异的性能，人们一 直致力于同步转子密炼机技术的改进、开发和研制。转子是密炼机的核心， 所以人们一直致力予密炼机转子的研究。 青岛科技大学混炼工程研究室一直从事密炼机及转子的研发工作，取得 了大量成果，特别是在同步转子密炼机的研究方面。本人主要完成四棱变间 隙( v c m t ) 同步转子的研发工作，所做的主要工作和取得的成果如下： l 、本人查阅了大量关于密炼机及其转子的混炼机理、混炼理论以及实验 研究的文献，并对密炼机转子的设计理论进行了研究。在系统分析了密炼机 转子截面几何形状和几何结构对混炼效果影响的基础上，提出了新型密炼机 转子的设计思路，研制出了新型四棱变间隙( v c m t ) 同步转子。经查洵， 本文所研制的四棱v c m t 同步转子为国内首创，填补了国内在同步转子密炼 机领域的空白。 2 、在分析了多种三维实体造型方法的基础上，本文选用了s o l i d w o r k s 作为建立转子三维实体模型的工具，并采用a d i n a 有限元分析软件对转予 进行了结构有限元静力分析。 3 、本文重点分析了四棱v c m t 同步转子的混炼机理和混炼过程，并在x ( s ) m 一1 7 同步转子密炼机实验平台上进行了转子混炼效果的实验。在不 同工艺条件下，分别对四棱同步转子、四棱v c m t 同步转子、六棱同步转子进 行了全钢子午胎胎面胶混炼的对比实验，对设计的新型转子的性能进行了分 析和实验验证。 4 、实验研究表明：相同工艺条件下，本文设计的四棱v c m t 同步转子与普 通四棱同步转子相比，单位能耗和排胶温度低，混炼胶分散度高，各项物理机 四梭v c m t 同步转子密炼机混炼机理及实验研究 槭性能都有不同程度数提毫。 该新黧四棱v c m t 同步转子其有良好的分散和分布混炼的能力，能够使 胶料在密炼室内的流动更加复杂，大大改善了混炼效果，提高了生产效率。 关键词：同步转了襁炼机 四棱转予v c m t 混炼机理有限元方法 青岛科技人学研究生学位论文 t h em i n gm e c h a n i s ma n de x p e r i m e n t a l s t u d yo ff o u r - w i n gv c m ts y n c h r o n o u s r o t o ri n t e r n a lm i x e r a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f r u b b e ra n d p l a s t i ci n d u s t r ya sw e l la so t h e ro l y m e r m a t e r i a li n d u s t r y ，t h ei n t e r n a lm i x e ri sp l a y i n gag r e a t e ra n dg r e a t e rr o l ei np o l y m e r m a t e r i a lp r o d u c t i o n ，a n dt h e r ei sah i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c e o f t h ei n t e r n a lm i x e r k i n d so f n e w s t y l ei n t e r n a lm i x e re o m ef o r t h ，t h es y n c h r o n o u s r o t o ri n t e r n a lm i x e ri so n eo fi n t e r n a lm i x e r t h es y n c h r o n o u sr o t o ri n t e r n a lm i x e ri s f a r b e t t e rt h a na s y n c h r o n o u sr o t o ri n t e r n a lm i x e r , t h e r e f o r e ，i th a sa na f f i n i t yf o rm a n yp e o p l et o a m e l i o r a t e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o ps y n c h r o n o u sr o t o ri n t e m a lm i x e r a sr o t o r sa r et h es o u lo ft h e i n t e r n a lm i x e r , t h e r e f o r e ，i th a sa na f f i n i t yf o rm a n yp e o p l et oa m e l i o r a t e ，r e s e a r c ha n d d e v e l o ps y n c h r o n o u sr o t o ri n t e m a lm i x e r t h em i x e rr e s e a r c ht e a mo f q i n g d a ou n i v e r s i t yo f s c i e n c e & t e c h n o l o g yh a s e n g a g e di nr e a c h i n gm i x i n gt e c h n o l o g yf o rm a n yy e a r s t h e yh a v ea c q u i r e dal o to f h a r v e s t s e s p e c i a l l y , t h e yb l a z e daw a yi nt h ef i e l do fs y n c h r o n o u sr o t o ri n t e r n a l m i x e rt e c h n o l o g y m yp r i m a r yt a s ki st or e a s e r c hf o u r - w i n gv c m ts y n c h r o n o u s r o t o r sm i x e r t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n to f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ea u t h o rc o l l e c t e dav a s ta m o u n to f d o m e s t i ea n do v e r s e al i t e r a t u r e sa n d a n a l y z e dt h e o r i e so fi n t e r n a lm i x e rr o t o r sd e s i g n i n g b a s e do nt h ei n f l u e n c e so f g e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o n o nm i x i n ge f f e c t s ，an e w l yd e s i g n i n gm e t h o d o f s y n c h r o n o u sr o t o r sh a sb e e nd e v e l o p e d w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fv a r i o u sc l e a r a n c e s m i x i n gt e c h n o l o g y ( v c m t ) ，t h en e wf o u r - w i n gr o t o r sa r eag r e a ti n n o v a t i o ni nt h e a s p e c to ff o u r - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r sm i x e ri nc h i n a 2 、i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rb u i l dt h e3 ds o l i dm o d e lo f t h et h r e er o t o r s b yu s i n gs o l i d w o r k sa n da n a l y z et h em o d e lb yu s i n ga d i n a 3 、p a r t i c u l a r l y ，t h ea r t i c l ef o c u s e so nm i x i n gm e c h a n i s ma n de x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o n so fr o t o r s p e r f o r m a n c e t h e a u t h o re x p e r i m e n t e do nt h el a b o r a t o r y m i x e ro fx ( m ) 一1 7 la n ds t u d i e dt h em e c h a n i s mo ft h er o t o r sa n dh a sg o tm a n y u s e f u ld a t at h o u g hm i x i n gt r e a dc o m p o u n do fa l l s t e e lr a d i a lt i r eb yu s i n gf o u r - w i n g s y n c h r o n o u sr o t o r s ，s i x w i n gs y n c h r o n o u sr o t o r sa n dt h en e w l yd e v e l o p e df o u r w i n g 四棱v c m t 同步转子掰炼机混炼机理及实验研究 v c m ts y n c h r o n o u sr o t o r si nd i f f e r e n tt e c h n o b g 迅c o n d i t i o n s 4 、t h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h es a m e t e c h n o l o g i cc o n d i t i 0 1 0 1 s ，c o m p a r e dw i t hf o u r - w i n gs y n c h r o n o u sr o t o rm l x e f ，t h en e w f o u r - w i n gv c m t r g t o rm i x e rh a sl e s sp o w e rc o n s u m p t i o n , l o w e rd u m pt e m p e r a t u r e a n dh i g h e rd i s p e r s i o no fc a r b o nb l a c k t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dd i s p e r s i o nd e g r e e c a nm a k eb e n e f i c i a lc h a n g e s 警h ef c s u 囊sh a v es h o w e dt h a tt h en e w t o 瑙h a v em a d et h ef l o wo f c o m p o u n d i nt h em i x i n zc h a m b e rc o m p l i c a t e da n dh a v e t h eb e t t e rm i x i n gc a p a b i l i t i e so f d i s p e r s i o na n dd i s t r i b u t i o n m i x i n ge f f e c t sa n d t h ep r o d u c t i v i t ya r eg r e a t l yi m p r o v e d 。 k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sr o t o ri n t e r n a lm i x e rf o u r - w i n g r o t o r s m i x i n gm e c h a n i s m v c m ( v a r i o u sc l e a r a n c em i x i n gt e c h n o l o g y ) f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i v 独创性声明 本人声嚷辑璧交姻论文是我令人在导烬指导下进行的硬究工搀及取愿载磷 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标淀和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不毽含葵毯久已缀发袭或撰写过豹研究成暴，凌不镶窘本久已臻于冀穗举位申请 殴论文姣成暴。与我慰工佟瓣阕志黠本辑究搿缴蕊饪馋霓默均已在论文中擞了 明确的说明并表示了谢意。 率请学经论文与瓷辩若商不实之缝，本入零褪一切稿关黉任。 本人签名 训芬 日期：争坩5 年，月8 爨 关于论文使用授权的说明 本攀位论文律者究全了您青岛科技大学有关保窝、馒越学位论文的舰定， 宥设保留并囱国家有关部门或桃构送突论文的燮印件和磁盘，允许论文被查澜 葶爨偌阗。零人授教学校可以憋学位论文浆金嚣或罄分内容缡入有关数攒簿送行 梭索，可以采用影印、缩印绒孛曩撼等复维手段保存、汇缀学谯论文。零人裹援 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成粜时，器名单位仍 然隽青蕊辩技大学。( 僳密鹃学德论文蒎髂密爱逶焉本授扳书) 零学位论文属予： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不谦密瞄 ( 请在戳上方框悫打“”) 本人签名： 纠协 嗣嬲：工w s 年，胄挚融 蛩师燮名： ；未 零岂 瓣期：一年月， ：l 青岛幂斗技大学研究生学位论文 第1 章绪论 橡胶是一种奇妙独特、具有战略性的高分子材料，其商弹特性奠定了它不 可取代的位最。橡胶在通用和工程场所中的广泛应用是有目共睹的。没商橡胶， 缎难想象今天熬交遴攀蝗、鞋靛、转动运输、监、密封整等会楚怎样豹。 混炼鼹橡胶成型工艺过程的第一步，混炼过糕实际上就是橡胶与备种配含 刹混合和分数的过程，高质量混炼胶既是满足高滕爨橡胶制品的必须条牛，又 怒后继戒獭篙质量半成品生产的蘅提，溺此均匀和一致的混炼是成功壹| 熟加工制 造的先决祭件。 理鸯滋蒺竣蚤分淹潮歇式秘连续式涎大类。尽蓉连续式溉滚设鍪较麓歇式 混炼设备商许多优点，但是，由于目前聚合物加工过程中的许多工序仍是间歇 的，加之间歇式混炼设备发展历史旱，程操作中可随时调熬混合工艺，特别是 菜些滔歌式潺薅设备巽有缀商瓣混合强浚，因蔼篌雳仍缀广泛，嚣量嚣蓊麓歇 式混炼设餐在结构和控制上也还在不断完善“3 。 密炼帆目前仍怒橡胶工业主要设备之一，目前大多数橡胶混炼工藏都是在 密炼枫一 】- 遂行的“。密炼枫是在开炼枫蘩础上发藤和不断完善起来韵种闯歇 式混炼设备。密炼机工作时，密炼室是密闭的，混炼过程中物料不会轻易外泄， 辫瑟霹避灸混合物中添热裁戆飞扬及损失，绦涯了配方载完蕤性和滋炼茨痿量 的均匀性，另外，可以加入液态添加剂。密炼室韵密闭有效地改善了工作环境， 降低了工作场所的粉尘污染，降低了劳动强度，缩短了生产周期，节约了能源， 提高了生产效率，并为整动纯皴本痘蠲予橡狡麴_ 王翻造了条件，因魏密炼橇已 经成为橡泌工业中最关键的混炼设备。 近年米，随着汽车行业及其它各行般的快速发展，尤其是节能与效率方嚣 蠢种高标准的提出，对密炼机瀚性能提出了更商瀚要求。潮就努力歼发出高效 混炼设备及新型混炼元件，是找国缩短同国外差距的有效手段。 1 1 密炼机技术发展概况 睫蓑褒分子孝耋瓣的飞速发展秘耨用途鲍不叛发现，密炼枫的应蠲瞧越来越 广泛，除了用于橡胶的塑炼、混炼及终炼，塑料的混合以及橡塑共混外，还广 泛用于沥宵、半导体材料及食品的混合加工。因此，它已名副其实地成为橡塑 四梭v c m t 同步转子密炼帆混炼机理敷实验研究 工媲以及其它孛葶瓣加_ = 章亍业鹃主要设冬之一。 1 1 1 国外密炼机技术发展概况 密炼机自问世以来，其结构形式和性能不断地更新完善，应用也越来越广 泛，品种也不断增多。密炼机的发展过程主要经历了以下六个阶段0 3 ： 第一狳毅( 1 8 2 0 1 8 7 6 ) ：寮炼裰戆攀期发震泠段。 此阶段的主要代表有：英国的t h o m a sh a n c o c k 于1 9 世纪早期设计的“单 转予密炼机”( t h es i n g l e r o t o rm a s t i c a t o r ) ；美隧麻省的n a t h a n i e lg o o d w i n 公司予1 8 6 5 年发绢的“石英碾磨辊”( t h e 蕊a r t zm i l l ) 饿亥俄州羽j a m e s b a r d e n 和s a m u e lc r u d d e n 于1 8 7 5 年发明的“旋转搅拌机”( t h er o t a r yc h u r n ) 。 实际上，可以歆为“磊英碾蹙穰”是剪切燮转予蜜滚疑夔蘸巍，焉“麓转搂搀 机”则是啮合型转子密炼机的前身。 第二阶段( 1 8 7 6 1 9 1 0 ) ：早期密炼机混炼技术的发展阶段。 魏除袋德鍪赣蚕麴特致f e r g b u r g e r 、p a u lp f l e i d e r e r 耪h a r m a n nw e r n e r 等人相互合作，制造 = l = j 了五种类型的密炼机。这几种类型的密炼机，其转子的 形状开始按j 厦予现代的剪切型密炼枫转予。 第三阶段( 1 9 1 0 1 9 1 5 ) ：橡胶工业瑁密炼税瀚早期发载阶段“。 出于橡胶工业的迅速发展，导致对密炼机的迫切需求。德国斯图加特的魏 尔绫象善臻莱德瑞公司的f 。k e m p t e r 分别在1 9 1 0 、1 9 1 3 、t 9 1 4 年发明了三静 密炼机，命名为橡胶密炼机或橡胶捏炼机，其转予不同于以前，突棱怒螺旋形 的，密炼室是倾斜的，这种密炼机简称为g k 系列密炼机。与此同时，德国帕特 袋邕多夫酶j o h ne p o i n t o n 在1 9 1 4 年试潮了一静毅鼙密冻税，并串谗了专利， 其密炼室己与现代的密炼室相似，突棱也是螺旋形，主要用于橡胶的加工。、“。 第四阶段( 1 9 1 6 1 9 3 5 ) ：f e r n l e y8 a n b u r y 密炼枫的发鼹阶段”1 。 1 9 1 6 年，f e r n l e yb a n b u r y 发明剑逑了b a n b u r y ( 本镶承) 密炼辘，这是 真f 意义上的密炼机。如图1 1 所示。 b a n b u r y 密薅捉楚一秘剪镯整密炼撬，其主螫赫点：一爨转子具鸯瑟条螺 旋突棱；= 二是有了上顶栓。1 9 2 6 年至1 9 3 0 年左右，坎普特发明了断面为三角形 的密炼机，对密炼机的发展做出了很大贡献，成为一种新型密炼机类型。在1 9 3 4 霉，葵国鹣弗兰蟊蘩臻公司发明了妥一释类鍪弱密薅梳帮旗合登密练掇。这 阶段，可以说是密炼机种类发展的最快阶段，同时，也可以说是本伯鼹创造 青岛丰嘻技人学研究生学位论文 发明数最旺盛时麓，夫襄对本蠹萋零没落1 竣蜜戆撬懿德爱憝藏已戏定论，一壹延 续至今。 第五阶段( 1 9 3 6 1 9 8 5 ) ；新型密炼机的发展阶段。 匿i - - ib a n d u r y 发明的胄l 于加工橡胶的密炼扼 这是密炼机发展的鼎盛阶段，这一阶段转子构型和密炼机整体变化较多， 各穆惑壁转予、援台屡篷不穷。跑较突瓣豹舂 壹送帮薨菜款“骥蠢剪穗型密滚 机”、“四棱转子”：伯伦能的“啮合式同向旋转转子密炼机”r a i l ；史密斯肯 姆士邳焦纳等人的“摊气密炼机”；麦宽刹德的“允许液体排放出来的改进型 密炼辊”；福特静“啮合式转予密炼辊”；禳蔽等矫截静“双螺棱转予密炼穰” 和同本翻转式密炼机等十几种新型结构”哪。此阶段应用于密炼机的自渤控制系 绞也有了遴一步的发展，楣继瞎l 请了五矮专利。 第六除段( 1 9 8 6 至今) ：叫现代阶段，是密练机技术发展更加完替的阶段。 这一时期，密炼机的新技术、新成果不甑涌现，从事密炼机方面研究的单 穰葶嚣爻员办不鞭蓬勰，并提窭了一系到懿浚蕉理论稻蓑瓣专程，磅究滋了专冬多 成果，发表了许许多多的有关密炼机方丽的论文。最具有代液性的成聚有： l 、美图f a r r e l 公司的诺豢( n 0 n o r t e y ) 提 士 一系列新的密炼枫转予设计 专翻，其中最其有代表校嚣蔻1 9 8 6 年鬟蹬静嚣棱“窝圈棱1 弱步转予豹设诗。 2 、同本神户制钢所的阿萨( a s i a ) 和哈其瓦拉( h a g i n u a r a ) 筹提出了二项新的 转子专剥”3 、”。其中一i 黍涉及弱西棱转予的设计。该专利的疆的是增大转子棱 峰与密滚警壁的间隙，以提离转子豹转涟和生产散率。 3 、1 9 8 7 年1 月1 6 日意大利波米尼公司的6 c 帕索尼( g c p a s s o n i ) 申请 豹改变噻会阙豫( v i e ) 豹噻含型转子鬻炼疆酶专利”“”3 ，该凝霹毯褒不圈翡混 炼阶段，躐根据生产工艺和酉a 方不同来改变转子的啮合间隙，目前已经成为橡 i ；! ! l 棱v c m t 同步转子密炼枫漫炼机理及实验研究 鏊工监中广泛应翊瀚“一种密练税。 4 、液米惩公司歼发韵h d m ( h i g hd i s t r i b u t i v om i x i n g ) 高分布潺炼鼙转 孑，其特点燃同一根转- yh 即有啮合型转予突棱同时又有势印型转予突攘，所 以它同时具有剪切裂转子和啮台泌转子的优点。1 。 j 、w a t s o nb r o w n 公司开发出了h s m ( h i g hs t r e s sm i x ir l g ) 技术。h s m 专利技拳是繁予“援躐傀学”原毽开发的，逶燕予对滠度敏感懿裹聚甥弱翻工。 该技术馊瘸了特殊形状粒转予，网对袋瘸藏压力，对离聚甥避孬剪甥、犍 孛帮 分布。 6 、近期英国h o l r o y d 联合公司豹e r i ch o l r o y d 宣布他绽明了一种全新概 念酶橡黢连续撬练梳。”。瑟翁常烧虢灏炼潦 乍萤袋胶耱楚予釉流获态，溺诧螫 求加工温度赢于7 0 ”c ，丽该机台擐重要的特征是可以在0 - - 5 0 ”c 范嬲内对胶料 避行加工。这种新设餐不是依靠橡胶的流幼特性丽谶行混练的，对予橡胶工娥 衙畜，可以说是一种全新的概念。 7 、1 9 9 8 年，n o r t e y 提出t 淡薪式“黢淘滚( c o f l o w ) 啮合型转予密滚裁” 为代表懿一壤毅的双趣滚密蠛技零8 。 8 、v o i t h 工业过程控制技术股份有限公司邋期开发并制造了一种设计及操 作源理完全不同于现在翡新型舔力式密炼梳。”1 ，它麓一种全新概念韵密炼祝， 謦翁歪程对冀作遥一步靛使翔考穰试验。攒v o i t h 公司称，谖密炼辊可戮轻易魏 混烁“难炼”的胶料：既可以很好地混燎软胶料( 如食油量赢| l 勺胶糕) ，又可以 缀好地处理缀硬的胶秘( 如绶纤维填充糕丁橡胶) 。该密炼枫圆筒形豹密炼室装 在水平轴上，密炼室的端有一个门用于胶料的添加和卸孝肆，鹦一端是活塞， 遴避活塞戆辘囱移动可以谖节密薅室的簿效容舔。在密炼蜜鹣门主设鸯小享l ，溉 露挟抽冀空之臻；又霹蠲予注入溥畿其它滚薅雾瓣。活塞端鸯一凸转，与之糖逐 的鼹一一把混炼刀，可随凸轴在密炼室内移动。该刀既可顺时针旋转，亦可逆时针 旋转，还河按设定的角浚避行摆动。 9 、2 0 0 4 年，筷溺欧淡橡胶袈志称f a r r e 公司已经_ 开发密一种新塑袋 蠛枧。“1 。该躲型密炼桃熄啮合型和剪切型寝炼枫的优点融入到一种被称l 乍n s t 的灏型热棱转子设计中”23 。掇称，这种混合设计提齑了混滚旗照，同时缩短了溅 炼时间。n s t 啮合式转予可蛆改善采用段混炼法混炼填充臼淤黑的轮胎胶料时 g 滠度控裁，提裹漫熬温度镬毯烷与壤精爱应熬快，然曩瓣鬣灞炼瀣疫，添热绽 进麓，完成浚薅。l 遴台式转子密滚援一般锨珐较抵，n s t 中熬足顼设专卡按零霹瓣 其加以补偿。另外，这种新的凸棱设计最肖法雷尔橼准9 0 0 0 系列碳化物一镍台 青岛科技人学研究生学位论文 会镀矮黪特点，霹瓣决各穗叛型瓒裁繁袭灏囊继阉熬。 最近= 十几年采，英国、荚国、意大利、德翻和同本等圜家，在激炼机的 研究和开发方面都做了不少工作，取得了新的进麟，申请了多项专利”。”。 1 1 2 国内密炼机技术发展概况 在霆肉，由予聪史上懿裁飘帮各释因素数羧镂，密炼掇戆莰诗、玺产稳健 用都比较晚，始于二十世纪_ 五十年代初。大连橡塑机械厂趄嘲内第家生产密 炼机的厂客，当时采用前苏联网纸( p c - 2 ) ，生产2 5 0 l 密炼枫。后来自行设计、 生产了5 0 l ，7 5 l 密滚枫，这凡种蔑稽一纛维持翻二一 遵纪，十年代韬。上海讵 黎橡胶厂可以说是国内第一家引进了密炼机k 型密炼机( 5 0 l ) 的用户。二十 墩纪八 “零l 弋中居期秘丸十年代初，密炼枧在国露发震较谈，首先是靛阳橡枫 厂弓l 避了德国w p c o 的技术生产g k - n 和g k e 系列密炼机，大连橡塑机械 厂采用引进消化吸收的方法，生产类似于f 系列密炼机。发展特别快的是翻转 式密炼撬，强内生产厂已选卡屁家o 。 国内在密炼机的结构设计、混炼机理和混炼理论应用方丽，最初綦本上是 照搬前苏联的，进行独立的、系统的研究是始于= 十世纪七十年代初，当时主 豫楚使用厂家靛工褪皴术入受簸密蘸橇的最佳混滁容蠢、褥商密炼税效率、密 炼机轴瓦漱度的测量和控制和襁炼机混炼过程的一些概念问题进行了探讨：随 磊商关毫梭谤究人员及有关工厂技术革羧人员就爨炼枧结搦、设计、汁冀、瀛 凌分析、模拟理论、混炼理论、控制方法等方面避行全面地、系统地研究；割 ：十世纪八十年代和九十年代达到高峰，取得了多项成果，有些达到了当时国 黼笼进承乎。l 寨 乞工大学懿瞧潺教授怒最罩进行转予搀鍪及混滚槛憨磅究懿， 他首先对转子轴向力与螺旋角的关系、转子受力分析及强度、刚度计算o ”1 ” 以及转子的造型、最佬曲率”0 1 笛问题都进行了深入而广泛的研究，提出了许多 窳有学术份瞧静鼷点，对我謦转子豹麓范优设诗、发震超到了积较静箍动箨餍。 随后他又对转予的优化设计进行了研究，特别是结合粘性 氚体理论开发了橡塑 莛湿用的颛墅转子及蒸钼应的密炼枧“；此羚，爨岛化工学院的赵器澍教授、 汪传生教授等人一巍进行转予构型设计、实验臣及混炼机溅的研究，建立了酱 内唯一的密炼机转予试验基地，研究开发出了螺旋型转子、销钉转子、销钉密 炼室密焦穰转子、瓣赛转子、藤囊嚣这转子等“”4 ( 鲤鎏1 - 2 爨示) ，莠将这些 转子技术成功地用到生产上，获得国家科技进步二等奖并多次获得化工部科技 四棱v c m t 刷步转子密炼机蝇炼帆理及实验研究 进步奖，这些投术对撰动我国密练抚爱毅换代、适应时代发艘和满足橡胶制品 的灞求有着十分熏要的意义，褥羽是溪 我国空自的同步转予技术不仅掰在中 小型密炼枧上，而且现在己用到2 7 0 l 和3 7 0 l 密炼机上，这对我国大窬曩密炼 橇发震翻越超挺弊先进承平、替代进口、健遴民族工迎发震鄂麓籍积极鲍推动 作用：另外，豫赵士杰、王传霹、张营义、阉锦涛、金民哲等许许多多企业工 程技术入员，也都一蠢从事密炼机的研究，他髓在转子设计、计算、制造、饺 用以及獗型转予密炼枫开发等方露，郡侮掰了很大的贡献8 “。 一 ( a ) 螺旋转予。 l i i i ，j ：l迁+ 豢；| q i n 好a ou n i v e r s i t yo f s c i e n c e t e c h n o l o g y 此外，我阉密炼执转予豹转速从单一的低速向高速、多速和无级变速方向 发展；为遥波加工予午胎胶料的需要，在驱动装最方鬣搬犬了驱动电机的功率； 为了解决密炼枫压辩装鬻对胶料纂位髓获疆力不稳豹闷怒，姆传统的气疆压料 装鬻改为液愿舔辩装簧，使鹰力可以在炼胶过程中随意设定等等。通过技术弓l 进、消化吸收和改进，国产密炼桃技术融经达到了国际巍邀水平，不同瞧能驰 各莘牵类型密炼枫可以满足各释生产规模、各零申胶辩加王的不躏需要”1 。 青岛辩技夫学研究生学位论文 1 2 密嫁税转子构邋藏述 转予怒豁炼梳翡核心部俘，在漉薅逡程中，主螫依靠密绻枫的转子功畿以及 转予与密婊宠壁问韵耩甄诈嗣向胶辩旋翮强燕的摩擦、挤愿、蓠切等 窜蹋，从丽 达刻混炼的目的，因此转予的结构及使用性能直接影响密炼机的工作性能、生产 效率避丽影响混炼胶的壤量。 从密炼掇发鼹黪犟裁除黢刘密薅搬发鼹憝嫒代辨段，或卷蠛扶爨耀繁一台 单转予密炼机( 1 8 2 0 苹) 到理在的同步转予密炼搬，形式上是密炼极发麟演变 的瀵程，瞧实矮上跫转予发袋演变翡过稳。入熟舒对密滚橇歼震懿器静磊嚣究， 实际上绝大部分是辩转予的骄究。 密蘸税转子静癸繁多，按转予匏麟黼形状餐髓橡蔽工鼗。| ：使霜的槎炼祝丈 致可分为稳黼澎( 剪切黧) 、黼筒形( 翡合激) 和三熊形瑚三类。 l 、剪切澄转予 剪切激转子工佟部分驰攒截谣是椭灏形兹，按照转予螺藏突棱昭数睡转孑 霹分为二搂转孑、艘棱转子等。 早期最艘型的椭圆形转子锻燎援楚b a n b a r y 檬炼枫，浚识媳转予摄与端蠢 戏定爱菠熬双螺旋转予，裔：葶 l 予糖辩终辘澈运动。1 9 3 9 年爨现了器绞转予，露 棱转子酌使翊，不侵缩缎了溉练辩闰，潞简了生产效率，更囊簧的楚改变物料 在密滚室中酶流动状态，提高了溅蘸羧赘痿量，降低攀谴麓耗，满跫了橡胶铺 繇苑萁楚对混炼胶质蕊瑟求越来越高韵铃腧霭求。 在上述转子的基础上，叉研究出许多新跫转子，如“s 型转予”、销钉转予、 嗣步转予及其突棱功缝投术转予( n s t ) 簿。 垦懿黧蠹蒋遮聚鲻二棱转予秘酉梭转予。美躐f a r r e l 公弱靛f 系列密炼戮 幂雎德阁w & p 公司艇识制的g k n 型寮炼机在我剿的橡胶工业生产中缌到了广 泛应瘸，成为翦切型麓练凝黪妻要代表。翔瑟i 一3 搿示。熬露，瓢酚+ 公司，k 十年代裙在g ( n 标准麓圈棱转予韵萋确上，又开发了其裔九十年代先谶东平 的z z ：转子，溺辩荧强翡f a r r e l 公镯开始褥涮丽步转予密烁梳，并予1 9 8 8 年燕 式生产。嗣涉转予密炼枫和z z 2 转子糍濂械代表了当令时代酌先进水平，这巍 炎转子密炼机特别适合予轮胎尤其是子午线轮胎行业，是泼行业中锻健翱首选 的混炼设备，但蹋途也裙差簿，雕步转予密炼机剪糍挺炼馋瘸姆翘强，适台全 钢予午黪黢科的混炼，z z 2 转予餐炼枫麟予惩剪翅混炼设套，避金魏王二次瀛 燎( 加硫磺和易撂技性的促进剡) 。 四棱v c m t 同步转子密炼机洮炼机理及实验研究 营营 ( a )f 系列标准型四棱转子 称。啮合区转子间存在速比( 速比值约为 1 3 9 ) ，产生摩擦、捏炼作用，物料在通过 啮合区时将受到强烈剪切而实现分散混 图1 4 啮合型转子 f i g 1 4i n t e r m e s h i n gr o t o r s 合。啮合型转子密炼机的混炼类同于开炼机的捏炼作用。“。 青岛科技人学研究生学位论文 s h a w 型密炼机具有分散性能好、易于控温的优点，但因转子体积庞大使物 料添充量减小，效率低，自洁性差。 3 、三角形转子 转子工作表面的左右两部分各有三条旋向 相反( 螺旋角为3 0 0 ) 的凸棱，这些凸棱在转子 的中部汇交形成1 2 0 。的夹角，如图1 5 所示。 这种类型的密炼机较易清理，维修拆卸方 便，转子转速较低，炼胶时发热量少，适用于 加工对温升特别敏感的塑料混合及共混。 馈 图卜5三角形转子 1 3 变间隙混炼技术 v a r i o u sc l e a r a n c em i x i n gt e c h n o l o g y ( v c m t ) 即多种辊距混炼技术， 是 啊十新的混炼技术，1 9 9 7 年由k i n o u e 和y k u r o d a 在j p p s 会议上提出。 在该项技术中，转子与混炼室之间的间隙沿着转予的周向和轴向都是变化 的，如图1 6 所示。该图表示出了在垂直于轴线的横截面内，转子棱与密炼室 内壁间隙t c 的变化。 图1 6 变间隙转子截面示意图 f i g 1 6 c r o s ss e c t i o n a lv i e wo ft h ev a r i o u sc l e a r a n c e 通过密炼机的二维模型试验，结果表明：转子的顶部间隙对天然橡胶的塑 炼效果有很大的关系。实验说明：顶隙窄小，施加于胶料上的剪切应力就增大， 粘在室壁上的层状附着物容易被刮扫掉，增加了胶料和室壁问的传热量，从而 提高了冷却能力。宽大顶隙( t c ) 提高了胶料的顶隙通过量，并能对胶料施加 均匀的剪切力，同时还能抑制胶料的生热。轴向间隙的变化增加了转子之问胶 料的流动，并且这种复杂的流动提高了分布混合效果“3 。 凹棱v c m t 同步转子密炼机混炼机理及实验研究 此项技术f 在推向使用阶段，该技术可应用于批量式炼胶机、连续式混炼 机、双轴挤出机等的转子或转予扇形片。目前国外对浚项技术的研究主要在f ；1 本和美国，且还在进一一步研究之中。国内对于v c m t 方面研究正处于起步状态。 2 0 0 2 、2 0 0 3 年青岛科技大学混炼r 1 ：程研究室应用v c m t 技术，成功开发出三棱 v c m t 同步转子“、六棱v c m t 同步转予1 ，填补了国内空白。2 0 0 3 年北京化工 大学利用该项技术已用于了连续混炼机转子的设计上”1 。 1 4 本课题的研究背景、目的及意义 1 。4 1 研究背景 1 9 1 6 年b a n b u r y 发明了主要用于橡胶混炼加工的b a n b u r y 密炼机，时至今 f ；| 密炼机已经成为橡塑工业中最关键的混炼设备。混炼是橡胶加工过程中的重 要工序之一，橡胶制品的质量在很大程度上取决于混炼胶的质量。随着橡胶工 业尤其是轮胎工业中子午线轮胎的迅速发展，对混炼胶的质量提出了更高的要 求，所以密炼机尤其是转子的改进和研发成为研究人员的首要任务。 同步转予密炼机是上个世纪8 0 年代末开始应用于橡胶工业的一种新型炼 胶设备，它较大程度地提高了混炼胶的质量和混炼的效率，尤其使混炼胶的均 匀性有了极大的改善，是密炼机中的佼佼者，有着广阔的发展前景。同步转予 密炼机的特点有：吃胶快、剪切拉伸作用强、轴向流动性好、分散分布效果好、 混炼温度低、炭黑分散度高以及同一车胶料之间和各批次胶料之间均匀性好温 差小等。随着橡胶制品对混炼胶质量要求的不断提高，以及同步转子密炼机的 推广应用，生产实践对同步转子密炼机性能的要求也在不断提高。由于转子形 状的改变对密炼机性能的影响最大，因此对同步转子的改进和研发成为研究人 员的首要任务。 目前，剪切型密炼机由初期的两棱结构转子发展为现代的四棱、六棱转子。 四棱转子和两棱相比，前者具有更强烈的剪切作用，能在短时间内达到塑化和 粒子的均匀分散效果，实践证明，椭圆四棱转子密炼机比二棱转予密炼机可缩 短混炼周期2 5 3 0 ，生产能力提高2 5 ，能耗降低1 5 - - 2 0 ”“。六棱转子 的出现，其目的在于通过增加棱数，加快密炼机的吃料速度，增加转子棱施加 给胶料的剪切力，缩短混炼时间，从而谋求生产效率的提高，但棱数一旦增加， 密炼机的有效容积减少，导致生产量减少，剪切生热增加，致使橡胶温度急剧 上升。此外，四棱转子由于棱数少，在密炼室内具有比六棱转子更多的混炼空 青岛科技大学研究生学位论文 问，有利于胶料的通畅运动和混炼的均化及微观分散。因此，基于四棱转予的 研究应是目前的研究方向。 1 9 9 7 年，由k i n o u e 和y k u r o d a 提出的多种辊距混炼技术( v c m t ) 是一种 新的混炼技术，目前国外对浚项技术的研究主要在闩本和美国，国内对于v c m t 方面研究正处于起步状态。 本课题正是基于这一背景而产生的。 1 4 2 研究的目的及意义 1 、本课题拟在研究普通同步转子密炼机的基础上，探讨以四棱同步转子为 基石出应用v c m t 混炼技术的混炼机理。 2 、研究开发新型网棱v c m t 同步转子，并通过实验来研究该转子密炼机 在实际生产中的可行性和重要性； 3 、研究四棱v c m t 同步转子密炼机的混炼时问、填充系数、转速、上顶 栓压力、冷却水温度等对产量、功率消耗、单位能耗、排胶温度、分散度和物 理机械性能等因素的影响及相互关系，寻找最佳工艺条件。 4 、通过研究，为开发生产用v c m t 同步转子密炼机提供参考。 对v c m t 同步转子密炼机及其混炼理论的研究，不仅具有现实的指导意 义，而且还具有广泛的深远意义。目前对在四棱同步转子上应用v c m t 混炼技 术的研究仍处于在探索阶段，国内迄今还无人从事该项目的研究。因此本课题 具有显著的特色和创新性。 1 5 研究内容 青岛科技大学混炼工程研究室是目前国内唯一的进行密炼机转子试验的基 地，本课题是在该研究室的x ( s ) m 一1 7 l 同步转子密炼机上进行四棱、六棱、四 棱v c m t 同步转子实验，主要完成以下研究内容： ( 1 ) 广泛地查阅国内外文献资料，收集整理前人的研究成果； ( 2 ) 在深入研究四棱同步转子混炼机理以及v c m t 技术的基础上，确定四 棱v c m t 同步转子的主要参数的设计，完成转子的三维造型； ( 3 ) 利用有限元软件对四棱v c m t 同步转子进行有限元结构分析，从而发 现设计中的薄弱环节，及时进行改进和优化； ( 4 ) 新型四棱v c m 。r 同步转子混炼机理及混炼理沧研究； 呷棱v c m t 删步转子密炼机混炼机理及实验研究 ( 5 ) 在x ( s ) m - 1 7 l 同步转予实验5 乎台上，对不囤构型熬同步转予 转子构型独特 两同步转子的构型完全相同。同步转予与异步转子的构型区别主要表现在： 转子长短狻戆长度、分毒及簿捌型式；突棱爨旋恁豹大奎；突凌之蠲燃旋费翡 麓值等等。一般来讲，同步转予螺旋突棱的螺旋角憨值可在0 1 5 0 范围内选用， 缀佳值为o 掣。 f 系捌椭圆霞棱转子魏长羧籀短棱备穗霹集孛予转子搿臻，孺嚣棱同多转 予的每一端各设置有一条长棱和条短梭，形成了长、短棱交镄排列并相互间 保持平行鲍状态，雕此使物料强轴向位移时的滚邀褥以畅通。出于设鬻予同步 转子每端的长、短突梭螺旋方向相反，狂与混炼室内壁间隙处产生对物料的剪 切挤压作用的基础上，每一个转子皆可搬动物料做较长距离的轴向反笈移动， 这秘当予猿鑫一台舅步转子密憋瓤溪曩蠢豹瑰裁。因瑟溺参转子密炼极强往了 对物料的掇炼作用，有益于物料的良好旒动，促进了分布混合的进行。 ( 3 ) 选择合适的相饿关系 同步转子不同予舞步转孑豹主要区羽还在予；两转子之闯豹秘始证黉，鞠 两转子之间的“相位关系”。这因为两同步转子的转速相同，当两转子之间的初 嬷位罨确宠爱，两转子之闻螅捆对位置谯转动过獠中不变化。 弼步转子的相像关系直接影响同步转予密炼梳的性能、产量和满炼胶韵质 墩。本文除了研究同步转子密炼机的混炼理论和转予构型外，还研究同步转予 之溺夔媚臻关系，共涟行了薅耱不圈“鞠位关系”豁实验。 ( 4 ) 选择合适冷却缩构 橡胶的混炼过程是一放热过程，所以必须对密炼机进行冷却，以防止温成 过赢弓 怒黢烧霹湿练黢倭量& 下障。露痧转子其肖院异步转予更强静势留、拉 伸和挤压作用，消耗的功率增加，这样形成的剪切热更大，因此，采用异步转 予密炼枫掰躅鲍冷却方式裁难以满足。一般来讲，密炼室袋耀小孔串骥链孔冷 却，转予要采用强制性冷却，如图2 - 4 所示。从黼中可以蓉出，将转予棱峰她 的冷却通邋与转子中心轴的冷却通道连接起来，使循环水处于强制流动状态， 舞岛蕈喜皴大学研究生学位论文 扶耨对转予棱峰熬滠菠垂有强大懿控翻 擘 | 羁，馥在传热方甏有了重大浚进，这 一结构同时还提高了转予的强度和刚度。 爨2 - 4禹爹转于强裁冷帮示意霉 f i g2 - 4 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs y n c h r o n o u sr o t o r sf o r c e dc o o l i n g 2 。3 四棱￥黼t 鬻步转子的浚专专 m e i s s n e r 和r e h e r ”1 认为，影响混炼过程的主要因素肖三项，即原材料性 能、俸堑交量帮转予麓凡餐形状。其中豢毒毒摹李篷筑是萁本羹壤霾毒静，囊配方 爿毛决定，而作业变激主要指的是转子转速、上顶黢压力、密炼室的加料量和配 合荆加入顺序等。为了使混炼过程达到最佳化，使转予在混炼过程中产生高效 混合帮剪切侔蠲，潮步转子酾车句鍪设计怒可发挥燕蕊麓动佟箱靛。因托魏强黠 转子构型设计的开发研究工作，以期设计制造出结构合理的密炼机转予，一直 楚设计者髑开发毅黧密炼机熬嚣括之一。但是，幽予转子几鹰结构复聚，影响 闵索比较多，且涉及聚合物材料复杂酌粘弹特性，导致其开发研究遴