（机械设计及理论专业论文）相切型转子混炼过程物料温升变化规律的研究.pdf

摘要 摘要 密炼机是轮胎工业中的主要加工设备之一，密炼机混炼质量的高低对轮胎的 质量具有决定性的影响。 理想的混炼过程，应是一个均匀剪切、混合和均匀受热的过程，不应出现打 滑或局部高热的现象，必须使各种配合剂完全而均匀的分散于生胶中，保证胶料 的组成和性能均匀一致。还应使胶料具有一定的可塑度，以保证各项加工操作能 顺利进行。这样才能保证胶料具有良好的加工性能和物理机械性能。 在混炼过程中，混炼温度分布对混炼胶的质量有很大影响。胶料温度较高， 胶料较软，有利于配合剂与橡胶的混合，但混炼温度过高，反而会降低机械的混 合剪切作用，使混炼不均匀，并会使胶料的氧化破坏加剧，降低胶料的物理机械 性能，同时亦会促使橡胶与碳黑之间产生过多的化学结合作用而产生过多凝胶， 使胶料的可塑度下降。局部温度过高，胶料还会产生焦烧现象。因此研究混炼过 程的温升过程及温度产生的规律，对于精确控制胶料的质量，减少甚至杜绝焦烧 现象的产生是一项很重要的工作。 本论文对机械力导致的生热现象进行了深入研究，采用简化的物理模型，通 过对剪切型密炼机的胶料温升分布的分析，建立起剪切温升随剪切强度变化的数 学模型，使用计算机拟合实验数据得出密炼机温升曲线。 利用不同的转速、填充系数、胶料进行实验，实验结果与数学模型基本吻 合。通过实验分析可得到天然橡胶和丁苯橡胶剪切温升变化率随剪切速率的变化 规律。发现存在一个剪切速率转折点，在剪切速率转折点之前，随着剪切速率的 增加，剪切温升增幅逐渐加大；剪切速率转折点之后，剪切温升增幅迅速下降。 提出了“最佳剪切速率范围”的概念，当剪切速率达到某一范围时，剪切生热效 果最为明显。 利用此模型可分析相切型( 或称剪切型) 密炼机结构参数对温升分布的影 响，并对其中的机台几何参数做优化组合变化，在总功率一定时得到最好的剪切 生热效果。对特定的相切型( 或称剪切型) 密炼机而言，可利用此模型来确定最 佳的转速、工艺，提高功耗利用率，提高了产品质量的均匀性。 本论文结合密炼机机械结构，研究混炼过程温度分布变化规律及预测，这在 国内和国际上还未见类似的报道。 本论文的结论和建议，对密炼机的设计具有一定的指导意义。 关键词：密炼机；混炼过程；温度分布 。扛南耻i 人学预十学位沦文 i i i a b s t a c t m ix e ri so n oo ft h em a i ne q u i p m e n t st h a ta r ec o m m o n l yu s e dint h e t i r e p r o d u c i n gi n d u s t r y ，a n dt h eq u a l i t yo fm i x i n gp l a y st h ek e yr o l ei n t h eq u a l i t yo ft i r e s t h eid e a lp r o c e s so fm i x i n gi st h eo n ew h i c hi n c l u d e sa v e r a g es h e a r i n g h l e n djn g ，a n dh e a ts u f f e r i n g ：d o e s n tc o n t a i nt h ep h e n o m e n o no fs k i d d i n g a n d1 0 c a l i z e do v e r h e a t i n g ：e n d o w sr u b b e rm a t e r i a lw i t hp l a s t i c i t yn u m b e r i no r d e rt oe n s u r et h ep r o d u c i n go p e r a t i o nc a nb es u c c e s s f u l i yc a r r i e d t h r o u g h i nt h ep r o c e s so fm i x i n g ，t e m p e r a t u r ep l a y st h ev i t a lr o l ei nt h e q u a i i t yo ft h er u b b e r ar e l a t i v e l yh i g ht e m p e r a t u r ec a ns o f t e nt h er u b b e r m a t e r i a l ，w h i c hi sa v a i l a b l et ot h eb l e n d i n go fa d m i x t u r ea n dr u b b e r b u t a ne x c e s s i v e l ym u c hh i g h e rt e m p e r a t u r ew i l l a g g r a v a t et h eo x i d a t i o n ， w b ic hc a nl o w e rt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc a p a b i l i t yo ft h er u b b e r m a t e r i a l ，a n di tw i l lc a u s ei n c l p i e n tc u r e s o ，i ti sas i g n i f i c a n tt a s k t or e s e a r c hf o rt h et e m p e r a t u r e r i s i n ga n dt h eo r d e ro fh e a t f o r m n gi n t h ep r o c e s so fm i x i n g ，a sc o n c e r n e da st h ee x a c tc o n t r o lo ft h er u b b e r q u a l i t ya n dg e t t i n gr i do fi n c i p i e n tc u r e ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep h e n o m e n o nc a u s e db ym e c h a n ：, 赶1 p o w e ri s d e e p l ys t u d i e d b yt h eu s eo fs i m p l ep h y s i c a lm o d e l s ，t h r o u g hw h i c ht h e t e m p e r a t u r e r i s i n g d i s t r i b u t i o n a n a l y s i s o f s h e a r i n g m i x e ri s a c c o m p l is h e d ，t h em a t h e m a t i c sm o d e li nw h i c ht h ev a r i a b l e o f s h e a r i n g t e m p e r a t u r e r i s i n gc h a n g e sa l o n gw i t ht h eo n eo fs h e a r i n gi n t e n s i t yi s s t r u c t u r e d t h e nt h et e m p e r a t u r e r i s i n gg r a p ho fm i x e rc a nb eg a i n e db y p r a c t i c i n gr e g r e s s i o ni nc o m p u t e r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ti n c l u d i n gd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d s ，f i l l i n g m o d u l u sa n dr u b b e rm a t e r i a l s ，t h er e s u t tp r o v e st oc o i n c i d e w i t ht h e m a t b e m a t i c sm o d e l ，t h eo r d e rt h a tt h ed i v e r s i f i c a t i o i lr a t eo fs h e a r i n g t e m p e r a t u r e f i s i n go fn a t u r er u b b e ra n ds b rc h a n g e sa l o n gw i t h t h e s h e a r i n gs p e e dc a nb ee d u c e d i nt h eo r d e r ，t h e r ei sat u r n i n gp o i n t ， b e f o r ew h i c ht h ee x t e n to fs h e a r i n gt e m p e r a t u r e r i s i n ge x p a n d sa l o n gw i t h t h es h e a r i n gs p e e d ，a n da f t e rw h i c hi ts h r i n k ss h a r p l y s o ，ac o n c e p to f t h eb e s ts h e a r i n gs p e e dr a n g e ”t h a tw h e nt h es h e a r i n gs p e e di si na c e r t a inr a n g et h es h e a r i n gh e a t f o r m i n gi st h em o s te f f e c t i v ec a nb e r a i s e d b y t h eu s eo f t h i sm o d e l ，t h ee f f e c to n t e m p e r a t u r e r i s i n g d i s t r i b u t i o nc a u s e db yt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs h e a r i n gm i x e rc a nh e a n a l y z e d ，w h i c hc o u l db eo p t i m i z e di no r d e rt oo b t a i nt h eb e s te f f e c to f s h e a r i n gh e a t f e r m i n gw i t ht h es a m ep o w e r a sc o n c e r n e da sg i v e nm i x e r s ， t h i sm o d e lc a nb eu s e dt od e c i d et h eb e s tr o t a t i n gs p e e da n dt h ep r o c e s s ， a d v a n c eu t i l i z i n gr a t e ，a n di m p r o v et h ee q u a l il yo fp r o d u c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eo r d e ro ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o i 3c h a n g i n g a b s l _ j 乇a cj i ss t u d i e da n df o r e c a s t e db a s e do nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fm i x er s s i m i l a rt h e m e sh a v e n tb er e p u b l i s h e dy e t t h ec o n c l u s i o na n da d v i c e si nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa v a i l a b l et od e s i g o i n g j t i x e r s k e yw o r d s ：m i x e r ：m i x i n g ：t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 华南理r 人学硕士学位论文 符号表 q 一凸棱根( 槽) 的拖动体积流量 q ：一凸棱顶的拖动体积流量： q 。一凸棱根( 槽) 压力体积流量； 瓯i j 棱顶的乐力体积流母： g 凸棱顶与混炼室壁之问的问隙 h 一突棱根与混烁室壁之间的间隙 e 凸棱顶部的宽度； s 转子的突棱总跃度s = y ，； j = i m 转子棱数： n 转子的转速： d 。一转轴的直径( 凸棱根部直径) ； d 。凸棱顶部直径； u 胶料的粘度； 凹一沿凸棱顶部宽度e 的压力降，p = 只一只 p l 一凸棱棱峰的后面压力； p 2 一凸棱棱峰的前面压力： v 混炼室壁的线速度； “一凸棱棱顶的拖动流动流速； v ，：一凸棱棱顶的压力流动流速 v 。一凸棱棱根的拖动流动流速 v 。一凸棱棱根的压力流动流速； w 密炼机输入功率； i v , 混炼胶剪切生热量； w 广一混炼胶传导生热量： w 广冷却水带走的热量； t 一绝对温度，k ； t 时间，s ； a t 趋于无穷时的粘度常数； e 一粘流活化能，千卡克分子k ； r 一气体常数，r = i 9 8 7 卡克分子k p 一胶料的密度，千克米3 ； c 。一胶料的热容，千焦千克k a 一与胶料性质、填充系数、机台结构、转速有关的常数 b 一与胶料性质有关的常数； k 一与a 、b 有关的常数； b 一填充系数； y 剪切速率； m u l t i p l er 一复合相关系数： rs q u a r e 一相关系数的平方； a d j u s t e drs q u a r e - - 调整的相关系数的平方值； s t a n d a r de r r o r 一标准误差 b 一各变量对应的待定系数的拟合值； s 阴一待定系数拟合值的标准误差； b e t a 一标准化回归系数： t t 值； s i g t t 值的显著性概率。 v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：她卫华日期：9 0 0 3 年占月3e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密6 i j ，在3年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：3 阳3 年占月3 日 日期：知v 0 3 年月3 日 第一章绪论 i i 课题研究的背景 随着我国国民经济的迅速发展，促进了社会总需求的快速发展，又因为我国 铁路运输货运量近期难以有较大提高，航空运输成本较高而又难当大任，运输在 很大程度上要依靠公路来承担，以公路为主的汽车运输有较大幅度的增长，对于 轮胎的需求也越来越大。1 9 9 4 年我国汽车胎的产量已经达到5 7 6 0 万条f ”，居于世 界第三位。由于劳动力低廉，世界轮胎生产逐渐向皿洲地区转移，这是我国轮胎 工业发展的机遇同时也是严峻的挑战。 为了能在轮胎行业中生存和发展，国内轮胎生产厂家只有通过一个途径，就 是在保证质量的基础上降低成本，从而提高利润。进行技术革新，采用更加先进 的生产设备以提高生产效率是一个不可忽视的领域。 密炼机是轮胎工业中的主要加工设备之一，由于具有工作密封性好，工作条 件较好和胶料质量较高，混炼周期短，生产能力高，工作安全；易于与下道工序 组织连续化、自动化生产嘲等优点，在各大轮胎工厂实际混炼生产中得到广泛 的采用，而密炼机结构的改进发展对混炼胶料质量的影响成为橡胶工业科学工作 者研究的主要目标。 橡胶混炼“，就是将各种配合剂混入生胶中制成质量较为均一的混炼胶的过 程。混炼胶料的质量对半成品的工艺加工性能和成品质量具有决定性的影响。胶 料混炼不好，会出现配合剂分散不均匀、胶料可塑性过低或过高以及焦烧和喷霜 等觋象，这不仅使成形和硫化等后序加工难以进行，而且会导致成品性能下降。 所以，混炼过程是橡胶加工中最基本和最重要的工艺过程之一。 自1 9 世纪末，多种型式的剪切型密炼机，已被用于混炼橡胶物料，直到1 9 1 6 年后，有了上顶栓、下顶栓，各种对密炼机的特性有实际改善价值的研究才不断 出现。之后的半个世纪，无啮合的剪切型密炼机得到了不断的改进，主要是对转 子的几何形状的改进，其中最具代表性的就是f a r r e l ( 法雷尔) 公司的典型产品 一一b a n b e r y ( 本伯里) 剪切型密炼机“3 。 1 9 3 4 年，r u p e r tc o o k e ”1 发明了啮合型转子，直到今天，啮合型密炼机还是 标准剪切型密炼机的最好的替代者。1 9 8 7 年，意大利的p o m i n i s p a 发明了可调 啮合间隙的密炼机”1 一一又称v l c ( v a r i a b l ei n t e r m e s h i n gc l e a r a n c e ) 密炼 机，并于1 9 8 8 年正式投产，从而将密炼机的研究及发展推进了一个新的阶段。 到目前为止，全世界大约还至少有5 0 “3 的混炼胶仍然在双棱剪切型转子的 华南理【人学硕十学位论文 密炼机上加工。这是因为相比于其它类型密炼机而言，剪切型密炼机具有密炼室 可用容积大；填充系数高；进料、排料快：生产力高等优势。因此研究剪切型转 子密炼机对于轮胎工业的发展具有广泛的研究意义。 1 2 当前的研究情况 1 2 1 橡胶混炼过程及其研究 1 、密炼机的混炼作用 剪切型密炼机的混炼作用，主要靠转子的机械作用。在炼胶时，物料从加料 斗加入以后，首先落入两个相对回转的转子上部，在上顶栓压力及摩擦力的作用 下被带入两转子之间的间隙中，受到捏炼作用。然后由下顶栓的突棱将胶料分开 为两部分，分别随着转子的回旋通过转子表面与密炼室正面壁之间的间隙。在此 处受到强烈的机械剪切、撕拉、挤压作用后，到达密炼室的上部，在转子速度不 同的影响下，两股胶料以不同的速度会合于两转子上部，然后进入两转子之间的 间隙中，如此往复循环进行。由此可见，在密炼机中，全部胶料在整个密炼室中 同时受到机械捏炼作用。机械捏炼作用不仅发生在两转子之间的间隙中，而且发 生在两转子与密炼室室壁以及转子与上、下顶栓之间。研究 6 1 认为，胶料在密炼 室内受到四种作用： ( 1 ) 转予棱峰与密炼室壁之间强烈的剪切、撕拉、挤压作用 ( 2 ) 转子之间的搅拌作用 ( 3 ) 两个转子之间的折卷作用 ( 4 ) 转予上螺旋棱产生的往返切割作用 2 、密炼机橡胶混炼过程 从一个典型的胶料混炼功率消耗( 转矩) 曲线，能判明混炼过程的各个阶 段。可将功率曲线大致分为三个区域f 7 ，8 】：控制填料浸润区域、控制分散区域和 控制塑化区域( 见图1 1 ) 。 混炼过程主要有混入、分散、单纯混合这三个阶段，而这三个阶段在实际混 炼过程中又可看作主要有两步：混入( 浸润) 和分散【9 l ( 见图1 1 ) 。混炼开 始，橡胶被强制曳入转子之间以及转子与密炼室内壁之间的作用区域，受到剪 切、挤压和撕拉作用；这时呈自由状态的配合剂开始附着在橡胶表面，随着转子 的搅拌和折卷，为生胶所包围，润湿，形成细的生胶一配合剂团块。此即为混入 鹕私拼论 阶段。在转予突棱与密炼室内壁之间的强烈剪切作用f ，这些新的混合团块被4 i 断地压碎、分离以致细化，辅之以转子螺棱作用f 而形成地胶料轴向循环运动和 轴向运动胶料各层频繁更新，使配合剂和橡胶形成基本均匀分布的体系。此即 为分散阶段。由于橡胶分子受机械一化学作用因素的作用而断链，在混炼过程中 还伴随着塑化的产生。 槲 督 j j ， l ，曼润二坌散。塑化 7 c 混炼时间一一一 图1 1混炼过程典型的功率曲线 f i g 1 1 at y p i c a l 。p o w e rg r a p ho fm i x i n g 1 2 2 密炼机混炼过程的流变理论分析 对密炼机混炼过程进行流变理论研究，建立数学模型并求解，主要有两方面 的目的：在机械方面是研究在密炼室内转予、流道的几何形状对物料受力、变 形、流动的作用及比例放大的规律：在工艺方面研究各种因素的影响，找出最佳 的控制方法。总之，是为了寻找高效密炼的途径，提高混炼质量，降低能耗等。 1 9 5 8 年b o l e n 和c o l w e l l l l 0 1 首先发表了关于密炼机分析的论文，对凸棱棱顶与 密炼室壁之间间隙的高剪切区进行流变分析。他们结合拖曳流与压力流对等间隙 情况进行了分析，得出了密炼机转子的消耗功率和粘度成正比的关系。公式如 下： p ：丁，n ：坐a 一一一一f 1 1 1 2 式中：t 为密炼机转子转矩；n 为转速；a 是密炼机几何尺寸有关的参数根 据上面的公式，对于特定的密炼机，a 为常数因此，密炼机转子的瞬时功率p 和 密炼机中的胶料粘度u 成正比。 华南理上大学硕士学位论文 之后，有人【8 j 则利用b o l e n 和c o l w d ! 的方法对变闻隙的情况进行了讨论。得 出相似的结论。 b e r g e n 】对凸棱棱顶与密炼室壁之间问隙的高剪切区域的等间隙情况和变间 隙情况均进行了流变分析。他认为物料的流动分为拖曳流和反压流两部分。 对等间隙的情况，功率p 为： p ：翌堕：4 _ r l q 2 l ， h oh ； 式中：n 为粘度； 炼室壁之间间隙。 v 为转子棱项线速度：l 为转子棱宽；h o 为凸棱棱顶与密 对变间隙( 线性递减) 的情况，可求得相应的p ： p = 垄辫p ( 口一1 ) 一( a 十p i n c z i 一一一一( 1 - 3 ) 式中：q 为通过凸棱单位棱宽的体积流量；口= ；生为间隙锲比；最小自j 隙为h o ； 吼 最大间隙为h l 。 以上的分析，是建立在粘性流体、润滑近似、按粘度不变和等温的基础上， 与实际情况有很大的差别，应用时应进行必要的修正。 前苏联学者在对密炼机迸行分析时认为：仅考虑转子棱顶与混炼室壁之间的 高剪切区域是不够的，还应考虑凸棱前整个镰刀形的剪切区域。 古别尔1 1 2 , 1 3 通过测定混炼时混炼室内的压力，他发现在整个镰刀区都存在较 高的压力( 而不是以往所认为的只有在凸棱棱顶和室壁之间才存在) 因此，他认 为混炼是物料的基本变形是在整个镰刀区内发生的，导出了如下的适于幂律流体 的计算密炼机所耗功率p 的方程： p = 2 k ( 鲁) l + ” f l ( 时8 6 5 l 2 f 2x 0 7 5 1 + 扩+ ( 鲁) l + ( + f 2 ) ( 1 - 4 ) 式中：k 一稠度，n s “m 2 ： i 卜流变指数； z r 转子平均转速，r m i n ； i i 一转子长棱的长度，c m 或m ： 1 2 一转子短棱的长度，c m 或m 3 d l r 密炼室的内直径，c m 或m 。 h r 转予凸棱棱顶与密炼室的间隙c m 或m 。 卜转子凸棱棱顶宽度，c m 或m ： s 一转子凸棱与密炼室壁之间镰刀形空间的有效截面积c m 2 或m 2 。 此外，古别尔还提出了如下简化的计算式： 语节绪论 n = 0 3 日0 f = 0 0 3 9 k z3 一一一一( 1 5 ) n = 0 2 时p = 0 0 4 3 4 k z ，一一一一( 1 - 6 ) 上两式中的0 0 3 9 和0 0 4 3 4 的量纲为体积量纲。 它提供了以实验室密炼机获得数据而进一步确定工业用密炼机功率的可能 性 古别尔研究了密炼时物料对密炼室壁的压力与切应力的关系，认为在最小间 隙处的压力与平均切应力t + m 之间存在线性关系；镰刀区内任意点的物料所受 压力均为剪切应力的三倍： 啤均3 r 平均 一一一一( 1 7 ) 另一学者乌达利佐夫2 1 通过研究两种颜色分层物料在镰刀区内的形变力学， 认为p 平均“3 r 平均的关系只有取平均值时才成立在室壁附近，因为料层发生松弛 滑动，t 局限在0 3 0 4 m p a 的水平，而不会随着p 的增加而成比例的增加他认 为转子轴上的功率计算式为 p = 2 r z m = 2 r l r z r s k 一一一一( 1 8 ) 式中：z 为转子转速；研为靠近密炼室壁料层的切应力；& 为镰刀形问隙中 室壁的表面积：r 为密炼室的内半径。 国内不少学者也作了大量的工作。有人 1 4 1 沿用了伯根的粘流理论体系对密 炼过程进行了分析，在得出与伯根相同的结论的同时，进行了类比放大，并为实 验放大和类比设计提供了重要的理论根据。他们认为：对大小不同的密炼机，转 子凸棱与混炼室壁之间的间隙应当相同；对大小不同的密炼机，转子转速与转子 凸棱棱顶宽度的乘积应当相同。 国内有些学者( 1 5 】则沿用b o l e n 、c o l w e u 和f u n t 的理论体系建立用于密炼机 计算的数学模型，他将以前忽路的e 引入q 3 中( 即q 3 中的项碱变为蛾e ) ， 而f u n t 等人则可能认为蛾 e ( 棱宽)，故将g d c p 考虑成s r d c 通过计算得 出转矩t 的公式为： ，e r l q 2 d f 1 5 = 一 1 + 生r 生 胛已 经简化，得转子轴功率为： j d = 2 叫2 y 匕一鲁i a ( 破叫) ( 3 一删) j 一一( j 1 o ) i 口 门 l 其中脚= 鲁， = 尝 ( 此处h 为凸棱根与密炼室壁之间间隙) 式中：n 一粘度； 善 3一， ) 华南理j 人? 硕十学位论文 n 一转子转速平方； v 一密炼室容积； 卜转子凸棱棱顶宽度； a - 转子凸棱顶与密炼室壁之间间隙； d c 一转轴的直径( 凸棱根部直径) ； d t _ 凸棱顶部的直径； h - - 转予棱顶高度， = 半。 从上式可知，功率消耗与物料粘度n 、转子转速平方n 2 、密炼室容积v 和转 子棱宽e 成正比，但与转子凸棱与密炼室壁的问隙h 成反比。 詹茂盛”“”1 采用柱坐标系，将物料在密炼机混炼室内的流动简化为柱坐标系 下的两圆筒间的流动，得出密炼机转予消耗总功率公式为： n = 确矿洋) 【牛】( n ? + ，z ；) 厶 一一一一( 1 - 1 1 ) 疗f 用于实际计算时，采用以下公式： ：， n = 2 7 8 x1 0 “叩矿( 兰) p 一】( 行? + 窿) 一一一一( 1 - 1 2 ) 厅 但是公式的计算值与实际功率值有很大误差，詹茂盛对公式进行修正后，提 出了以下的半经验公式： e， = 2 7 8 x l o - s er r 吼矿白牛恸? + ；) ，一( i - 1 3 ) 式中：j r 0 ，z ： i l 气体常数； t _ 绝对温度，k ； 一胶料的粘度，p a s ： v 一密炼室容积： 有些学者 1 8 1 在计算密炼机功率时，认为在密炼机转子与混炼室壁问的月牙 形区域内，胶料的流动模型是一个二维非等温流动模型。采用划分单元的方法求 解了这一模型，得到转子转一圈的时间内( 已考虑到温度的假设) 密炼机的平均 功率，虽然精确度欠佳，但是足可用于密炼机的功率定量计算，其精确程度远比 目前的经验公式高的多。 第一啦绪滏 i v ：世l 堕 2 鲁 s - s ? + l ( * 列u , 、前u , a x 2 卜等卜参( 南+ 鑫舞刮 一一一一( 1 1 4 ) 上述历做的工作，大多是从密炼机混炼过程的功率推导出发，研究密炼机混 炼过程机械参数、机台结构对胶料混炼过程中混合、分散及剪切变形的影响的宏 观分析。 1 2 3 橡胶混炼温度的研究 1 、混炼胶的热过程 混炼过程的总能耗计算和热量是根据热力学第一定律进行的。整个胶料内的 温度分布与下列因素有关：边界表面的给热条件、导热情况、物料的热物理性 质、物料内部自生热的强度和生热的分布情况( 自生热过程中的热源分布情 况) 。 在密炼机混炼过程中热量平衡1 1 9 可以写成下述形式：， 嵋一= + + + k _ _ _ 一( 1 - 1 5 ) 式中：w i 电动机所耗能量，； w 2 电动机损失能量和密炼机传给建筑物所耗去的震动能，脚； w 3 - - 耗于橡胶升温的能量，； w 4 冷却水带走的能量，k j ； w 5 蓄存在转子和密炼机的机械能，； w 6 一由于密炼机的辐射和对流散失到空气中的能量， k j 。 w i 是每次炼胶过程中逐次累积的输入功能量，可以根据功率一时间曲线准 确测定出该值。w 2 约为w l 的1 0 一1 5 左右。w 3 可根据胶料重量、比热 容、胶料进出温差等值计算。w 4 可根据冷却水的流量和进出水的温差计算。由 于密炼机中大的钢件起着吸热的作用，并能大幅度的控制运行时的温度波动，重 复5 i 0 个周期之后，热量几乎达到平衡状态即w 5 = 0 。由于机械的环境温度 接近室温，w 6 可忽略不计。 上式可简化为：暇= + 吼一( 1 - 1 6 ) 式中，u 为电动机效率，是电动机的特定参数。 有温度差存在时，便发生传热过程。对于物料在混合时粘滞生热的过程，其 热传导方程o ”为： 格磊 孵 华南理1 入学硕 “￥：位论文 塑：订v 2 丁+ 旦一一一一( 1 1 7 ) o t 瞳 式中t 一温度： t 一时间； a 一导热系数； g 一内部生热强度； v 2 一拉普拉斯算子。 对于混炼加工弹性体时，热传导的解是： ”邓孝 4 s i n i n m 丽卜2c o s ( 等 ( 1 - 1 8 ) 其中毋一无因熄岛= 器； t 、1 ，一分别为介质和胶料的温度o w 一胶料层的半个厚度： m 一超越方程m t g m = q w k 的根。 当胶料的表顽温度恒定时，这个方程( 1 - 1 8 ) 的数值解的形式为： 岛= 昙爿铅膏f m 2c o s 陪) 一( 1 - 1 9 ) 对于胶料的中部，x = o ，可得到： ”昙车降p 一( 1 - 2 0 ) 当d = 1 时， 良：l 一1 8 二厅一一一一( 1 2 1 ) 式中f o = a t 万2 一无因次加热时间。 从公式( 1 - 2 1 ) 可知，物料无因次平均温度岛仅是f o 准数的函数。 在制备胶料时，胶料温度的升高主要是由于粘性物料变形时内摩擦造成的机 械能耗散”。在数学上，使用有限差分法近似求解混炼过程不稳定的传热过程。 对于混炼过程准稳定完成阶段，胶料的最高温度砭铲 和热载体( 冷却剂) 的最 高温度可以根据下述公式”导出。 正轳碣y ，y , 叫丽i + 去j + 硝一( 1 - 2 2 ) 毋蛙啬+ 碟一( 1 - 2 3 ) m 带绪论 式中k 。一功的热当量； v 一第1 个组分的加料容积； n 一一在混炼周期单元时间内的平均比功率； f t 一传热表面积： g b 、c b 、q * 一分别为热载体的流量、比热和带走的热量； 掣一热载体的起始( 入口湿度) ； k t 一总的传热系数，对密炼机的传热能力起决定作用。 上述研究混炼温度的数学模型，是对混炼过程总热量和冷却剂带走的热量进 行了研究。 有人 1 9 l 在分析密炼机的功率推导的同时也推导出了由传导热引起的胶料温 升和混炼时问的关系式，见公式( 1 2 4 ) ，但是对混炼室内温度分布的产生未见 分析。 k 2 一l 缈一绋一o 一b 口”) a t 一 + 再) f 删一) “ 一一一一n - 2 4 ) 式中出一转子旋转一圈的时间，s ； s 一混炼时间，s ； t r 、t r k 1 一分别为s + 缸时刻和s 时刻胶料的温度，； q w 一冷却水的流量，k g s ； c p w 、c p r 一分别为水、胶料的比热容，j k g ： 一冷却水进、出口温差，； f v 、f r 一分别为密炼机前后壁和左右侧壁的表面积，m 2 ； 口疆、一分别为圆形表面和平面的对流传热系数，w m 2 。 耳。一密炼机室壁和空气间的温差，； a 、c 一实验常数； m r 一混炼室内胶料的质量，k g 。 张志荣 2 q 研究了密炼室壁导热性以及冷却水流对温度分布的影响，利用有 限元法建立了数学模型，并对实例进行了计算。他认为密炼室的温度场是随着时 间变化的，密炼室内壁以及转子外缘上的耐磨层对密炼室的温度影响较大，冷却 水的水流速度尤其是转子内腔的冷却速度对温度场的分布也有影响。从研究结果 来看，虽然对密炼室的温度分布进行了一定的研究，但是未曾从温度的产生作出 分析。 9 华南理上火学硕士学位论文 2 、混炼过程温度的研究 混炼温度是影响混炼过程的主要因素之一。混炼过程中，胶料受到转予与室 壁间的剪切、搅拌挤压及摩擦作用，物料在变形时产生内摩擦而剧烈发热，又是 在密闭条件下操作，生热量大而且散热比较困难，所以胶温升高很快，胶料温度 较高。若炼胶温度太高，胶料过分软化，则使密炼机难以发挥作用，而且更重要 的是局部过热，易产生焦烧，从而降低胶料的物理机械性能，严重的会使胶料失 去用途：若炼胶温度过低，则会因胶料与密炼机工作部件的相对滑动而降低生产 能力，且消耗更多的能量，所以，为了保证炼胶质量和降低能耗，在密炼机生产 中，控制其炼胶温度是非常重要的措施。 根据流变学原理，橡胶经受最大变形而未断裂时。”为最佳混炼状态。对于每 种橡胶都有最佳混炼温度范围。研究 2 2 】表明，剪切速率为2 0 0 s 1 时( 密炼机 中) 最佳混炼温度为5 0 - 6 0 ；剪切速率为2 0 0 s 1 时，最佳混炼温度为室温。对 于密炼机混炼来说，一般采取的温度范围为1 0 0 1 3 0 。为了很好的控制混炼温 度，必须采取有效的冷却措施。 e l l w o o d o ”研究了混炼过程中的温度控制。他主要研究了金属一橡胶之问产 生的摩擦热。他强调在胶料混炼过程中，必须严格控制温度。如果温度控制不理 想，混炼过程中的胶温容易偏高，其结果不仅使分散性欠佳，而且导致排出的混 炼胶的粘度误差变大，这就有可能给后道工序带来不利影响，为了避免这个问 题，必须随时将胶料产生的高热量排放到机体外面去。 由于橡胶是热的不良导体，其热量只能通过与橡胶接触的金属表面传导出 去，因此，为了更好的排出热能，就必须使橡胶剧烈的流动，并尽量与冷金属面 相接触。最有效的办法是靠转子棱峰作用，使胶料紧紧贴在混炼室内壁表面。如 果橡胶与金属之间产生滑移，则橡胶很难进入转子棱峰与内壁间的区域，因此， 不但产生了摩擦热，也影响炼胶作业的正常进行。 e l l w o o d 认为密炼机在塑炼时，须避免温度过低，如果金属表面的温度过 低，因橡胶的粘度增加，反而促进胶料内部发热量增大，温度上升，结果不但 混炼时间没有缩短，而且分散性也不理想。应保持某种程度的最合适的高温区 域。 因此e l l w o o d 的结论是，为充分利用本伯里密炼机的剪切应力，必须将混炼 室内壁和转子等金属的温度控制在2 0 一4 0 范围之间。推荐冷却温度以2 5 3 0 。 m i c h a n e l 2 5 j 也作了类似的研究，他认为冷却水温度过低会导致密炼室壁上出 现冷凝水，大大降低其摩擦系数，使胶料对金属的浸润性降低，对混炼过程不 利。采用可控温度的水作为冷却剂，可提供充分的热传递来消除混炼时的剪切生 筘一事绪论 热，保持很好的密烁室壁面侵润陛( 基本较高的摩擦系数) ，将使混炼快速而有 效。 m i c h a n e 还发现在不同温度设定下，对天然胶进行混炼，所有胶料都大致得 到相同的门尼粘度，在整个混炼过程中。使用较热的冷却剂会更有效。较高的温 度会显著降低输出功率平均值和峰值，直至温度达到某一点时，也会降低输入功 率。 f a r r e l 公司的g r a n d y 【2 6 j 研究了自7 0 年代以来采用的冷却方式。研究发现冷却 不足会导致混炼胶温度上升太快，混炼时间不足，产生局部焦烧现象( 尤其在过 热的密封部位) ，产品质量下降。而且机械设计人员欲使转子端部产生更大剪切 作用的设计受到限制。过度冷却使在混炼室内胶料承受剪切时，出现打滑现象， 致使混炼分散不均匀。胶料与室壁间产生摩擦，使混炼胶局部的温度迅速升高。 在混炼室内产生冷凝胶致使混炼时间延长，加工困难。到了8 0 年代初，人们认识 到混炼室内表面温度较高会带来一些实际好处。他们研究得出结论，混炼的生产 率和质量都有提高1 2 。当循环冷却水从2 0 c 上升3 0 时，胎面合成母炼胶的生 产率能够上升1 6 。对于大型密炼机来说，循环水温必须从2 4 上升5 5 ，混炼 时间才能从3 分4 5 秒降低到2 分4 2 秒，生产率提高了2 8 ，碳黑分散率达n 9 8 。另外研究还发现由于整个混炼过程循环水温一直恒定，所以能使逐批混炼胶 料获得更加一致的加工性能。 吕柏源1 2 7 l 对热水循环温控装置及其在密炼机中的使用效果进行了实验研 究。研究表明循环热水对排胶温度、混炼周期、能耗、冷却水消耗量都有影响。 不同胶种、不同混炼周期以及不同温度的冷却介质对排胶温度均有影响。在 相同混炼周期的条件下，采用循环热水的排胶温度高于采取冷却水的捧胶温度， 然而循环热水降低了混炼周期，因此从混炼周期的角度来看，循环冷水降低了排 胶温度。循环热水提高了排胶温度，但并不显著，一般在5 的范围内。 在混炼过程中，混炼室处于较高温度的状态下。如使用低温冷却水，容易使 混炼室内壁造成致露效应。导致混炼室内壁形成一层露膜。使混炼胶与混炼室内 壁之间无形中形成“润滑层“，使胶料打滑，影晌了混炼效果。具有一定温度的 混炼室内壁和转子表面，使混炼胶料容易变软，促进各配合剂相互的掺合作用， 如果混炼室内壁和转子表面温度较低，各配合剂相互的掺合就比较困难。因此， 使用低温冷却水要达到一定的分散度，必须延长混炼周期。 采用循环热水比采用冷却水混炼胶的分散度有明显的提高；混炼周期长的分 散度高于混炼周期短的分散度。在相同分散度质量的条件下，采用循环热水比采 用冷却水混炼周期降低了2 5 。 在混炼过程中，使用循环热水能够降低混炼过程各个阶段的峰值功率9 ， 由于峰值的降低，使设备的工作状态比较平稳，有利于操作合整机运转的平稳 华南理i 。入学硕十学位论文 性。 热水循环是使热水在系统中不断循环，如果系统温度高于设定温度，供水系 统使系统温度降低，但是热水循环装置的控制系统供冷却水的时间只能小于控制 循环周期的1 5 ，其余时间除加热外，均为死带( 既不加热，也不冷却) 。因 而，在整个过程中使用的冷却水比通常连续冷却操作的消耗水量降1 l 8 5 。 有人【2 8 j 通过选用通用胎冠胶料母炼胶进行混炼，水温控制在3 0 - 7 0 范围 内进行试验，以找出冷却水温度变化对混炼工艺性能及胶料物理机械性能的影响 规律，在保证胶料物理机械性能、加工工艺性能和胶料性能稳定的前提下，节约 能源，提高机械效率。经研究发现如下变化规律： 随着冷却水温度的上升，混炼胶所消耗的能量、峰值电流、混炼加压时间均 有下降趋势，而混炼室的初始温度上升。 随着冷却水温度的上升，胶料的拉断伸长率下降，耐磨耗性能下降，碳黑分 散性下降。胶料的物理机械性能随着冷却水温度的变化规律表明，冷却水低于5 0 能使填料分散性较好，冷却水温度提高则会由于碳黑分散效果变差致使胶料物 理机械性能明显下降。 随着冷却水温度的上升胶料的粘度下降、剪切力减小，对碳黑的分散不 利，混炼胶的粘度误差变大。胶料混炼的均一性随着冷却水温度的上升而下降。 但低于5 0 的硫变仪曲线重叠性较好。 最后得出结论，对于常用的天然橡胶和顺丁胶并用胎冠胶料母炼胶混炼时的 冷却水温度可在3 0 一5 0 范围内选择，根据气候条件和原材料温差的影响，冬天 选用4 5 5 0 、夏天选用3 5 - 4 0 ，可得到所需要的物性、加工性及胶料的稳定 性。不同胶料配方可根据配方温升的快慢参照上述温度范围适当选择，不宜固定 不变。适当提高冷却水温度，除满足使用要求外，还可节约能量和混炼时间，提 高设备利用率。 有些学者1 2 9 在全钢载重子午线轮胎胶料混炼过程的研究中也提出了在密炼 机中混炼时胶料生热快、排胶温度高、安全操作时间短，极易产生焦烧和喷霜现 象。为了控制炼胶温度，可采取以下措施：确保密炼机冷却水的压力和温度，循 环冷却水温度控制在( 3 0 5 ) ，压力不低于o 3 9 mpa 。应定期清洗冷却水过 滤网及冷却系统中的污垢。 巫晓飞【30 】等人通过变换试验机台冷却水温度对炼胶温度的影响进行分析和 探讨。他们认为由密炼机在炼胶过程中的热平衡计算公式( 卜1 5 ) 可知，冷却水 带走的热量，主要取决于冷却水的温度、流速和流量。通过研究可知，全钢子午 胎胎面胶和静电复印机传送带胶料的混炼温度都是随着冷却水温度的上升而上= 升。这主要是冷却水与胶料的温差( at ) 增大，强化了热传导，提高了冷却效 聚。 第一章绪论 而且他们认为温差越大既冷却水温度越低越好的观点是错误的。因为冷却水 温度对炼胶温