（机械设计及理论专业论文）密炼机混炼过程物料粘度变化规律的研究.pdf

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。除了文中特另t l d n 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。 。l 作者躲翔 李、日期川年6 肌日 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，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 囱保密，在弓年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 本人签名： 导师签名：覃鱼型 日期： 21 兰：垒：! 三 日期：翌丕! 墨：! 三 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 符号表 1 寸丐衣l v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 橡胶制品的需求1 1 1 2 密炼机的发展2 1 2 当前的研究情况5 1 2 1 橡胶混炼过程及其研究5 1 2 2 密炼机混炼过程的流变理论分析6 1 2 3 橡胶混炼过程中粘度的研究1 0 1 3 本论文研究的主要内容及意义1 4 1 4 本章小结1 4 第二章相切型转子物料粘度变化模型1 5 2 1 胶料的流动分析1 5 2 2 混炼过程的粘度变化j 1 9 2 3 混炼过程的流动模型2 1 2 3 1 物理模型2 l 2 3 2 数学模型2 3 2 4 本章小结3 1 第三章实验3 2 3 1 实验目的3 2 3 2 实验设备3 2 3 2 1 实验设备的准备3 2 3 2 2 实验设备的标定3 3 3 3 实验材料和配方3 3 3 4 实验工艺条件的确定3 4 3 4 1 填充系数的确定3 4 华南理工大学硕士学位论文 3 4 2 上顶栓压力的确定3 4 3 4 3 转速的确定3 4 3 5 实验方案3 5 3 5 1 橡胶混炼实验3 5 3 5 2 门尼粘度测试实验3 5 3 6 实验数据处理3 5 3 6 1 拟合阶数的选择3 8 3 6 2 拟合结果4 4 3 6 3 粘度变化规律分析5 3 3 6 4 门尼粘度测定实验数据处理6 1 3 6 5 修正后的门尼粘度模型公式6 5 3 7 本章小结6 7 第四章结果分析及意义6 8 4 1 实验结果分析6 8 4 1 1 与数学模型的对比分析6 8 4 1 2 误差分析7 0 4 2 研究的理论意义7 2 4 3 工艺参数的优化选择7 4 4 4 本章小结7 9 结论8 0 参考文献8 2 致谢8 5 摘要 摘要 在橡胶混炼过程中，粘度是混炼胶的重要质量特征之一，好的混炼 胶料内部必须拥有均一的粘度。在混炼过程中进行有效的粘度控制将直 接影响后续的加工过程以及最终产品的质量；同时，在当前的实际混炼 过程后期，由于缺乏相应的粘度预测和反馈手段，极有可能在胶料已经 达到理想的粘度之后，混炼过程仍将继续，直到到达设定的生产周期为 止，这便导致了生产率的降低以及密炼机功耗的增加。因此，对混炼过 程中胶料粘度的变化规律进行研究，并对其进行有效的控制和预测对于 提高混炼胶的质量和降低密炼机混炼过程的能耗都有非常重要的意义。 本论文对密炼机混炼过程中胶料粘度的变化规律进行了深入研究， 采用简化的物理模型，通过流变学能量方程与本构方程，建立起混炼过 程中胶料粘度随时间变化的数学模型。然后通过改变实验配方、混炼转 速以及填充系数的方式进行混炼实验，利用计算机拟合实验数据得出混 炼过程中温度一时间变化曲线以及相应的函数表达式。在此基础上，再 通过计算得出粘度一时间模型的数学表达式。然后利用实验得到的门尼 粘度值对所得模型的数学表达式进行修正，得出在特定的混炼阶段中胶 料的门尼粘度一时间的数学模型，实验证明该模型表达式与混炼过程中 胶料实际的粘度变化规律基本一致。 根据该粘度模型，可以对混炼末段胶料的粘度进行预测。在混炼过 程中，当粘度变化率减小、且相对平稳的混炼区段，若利用该模型建立 相关的混炼过程控制系统，可以找出中止混炼周期的时间段。因此，本 模型可以用于合理地确定混炼周期时间，从而起到节能的作用。 利用该模型还可对混炼过程的工艺参数进行合理选择。在对模型进 行变参数实验的对比分析中，可以发现各种工艺参数的粘度变化规律。 在不同的填充系数下，模型的四阶系数值有一个相近的转速交会区域， 这表明不同的填充系数在该转速区域内有近似相同的粘度变化率。因此， 该区域可用来选择不同填充系数下最佳的转速区域。 本论文以混炼过程中的物料粘度变化为主题，研究影响功率的相关 因素对粘度的影响，并建立了混炼胶粘度随时间变化的数学模型。 本论文的结论和建议，对于建立密炼机混炼过程的粘度均匀性预测 和控制系统以及工艺参数的优化具有一定的指导意义。 关键词：密炼机；混炼过程；粘度 a b s t r a c t i nr u b b e rm i x i n gp r o c e s s ，v i s c i d i t yi so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tc r i t e r i o n s o fm i x e dr u b b e rw h i l eh i g hs t a n d a r do n e sm u s t h a v ea v e r a g ei n t e r n a l v i s c i d i t y i nm i x i n gp r o c e s s i n g ，e f f e c t i v ev i s c i d i t y c o n t r o lw i l ld i r e c t l y i n f l u e n c et h ef o l l o w i n gp r o d u c i n gp r o c e s s e s a n dt h e q u a l i t y o ff i n a l p r o d u c t s o nt h eo t h e rh a n d ，i nt h ee n d i n gp h a s eo fc u r r e n tm i x i n gp r o c e s s ， t h o u g ht h ev i s c i d i t yc r i t e r i o no fm i x e dr u b b e rh a sb e e nr e a c h e d ，t h em i x i n g p r o c e s sw i l ln o tc e a s eu n t i lt h es e t t l e dm i x i n gp e r i o di sf i n i s h e d ，b e c a u s eo f t h el a c ko fe f f e c t i v ep r e d i c t i o na n df e e d b a c ko fv i s c i d i t y ，w h i c hw i l ll e a dt o l o wp r o d u c t i v i t ya n dh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，r e l e v a n tr e s e a r c h o fc h a n g i n gp r i n c i p l eo fm i x e dr u b b e rv i s c i d i t y ，a n dt h ee f f e c t i v ep r e d i c t i o n a n dc o n t r o lo fi tp l a yav i t a lr o l ei nq u a l i t ye n h a n c e m e n to fm i x e dr u b b e r a n de n e r g yr e d u c t i o no fm i x i n gp r o c e s s i nt h i s t h e s i s ，t h ec h a n g i n gp r i n c i p l e o fm i x i n gr u b b e rv i s c i d i t y i s p e n e t r a t i n g l ys t u d i e d ；w i t hs i m p l i f i e dp h y s i c a lm o d e la n dr e l e v a n tr h e o l o g y e q u a t i o n s 。t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fv i s c i d i t y t i m e r e l a t i o ni n m i x i n g p r o c e s si se s t a b l i s h e d t h e n ，v i am i x i n ge x p e r i m e n t si nw h i c hp a r a m e t e r s ， s u c ha si n g r e d i e n t s ，r o t a t i o ns p e e d ，a n df i l l i n gr a t i o ，a r ec h a n g e d ，r e l e v a n t r e s u l t sa r eo b t a i n e d t h e y ，t h e n ，a r ee m p l o y e di nt h ef o l l o w i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，t h r o u g hw h i c ht h e f u n c t i o ne q u a t i o no fm a t h e m a t i cm o d e li s a c c o m p l i s h e d b a s e do nt h i s ，t h ef u n c t i o ne q u a t i o n i sm o d i f i e dw i t ht h e m o o n e yv i s c i d i t y ( m v ) o b t a i n e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s ，a n d t h e nt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fm v t i m er e l a t i o nc a nb ee s t a b l i s h e d ，w h i c hh a sb e e n p r o v e d t om e e tt h e c h a n g i n gp r i n c i p l e o fm i x i n gr u b b e rv i s c i d i t yb y e x p e r i m e n t s b a s e do nt h i sm o d e l ，p r e d i c t i o no fr u b b e rv i s c i d i t yi ne n d i n gp h a s eo f m i x i n gp r o c e s si sf e a s i b l e i nm i x i n gp r o c e s s ，w h e nv i s c i d i t yc h a n g i n gr a t i o d e c l i n e sa n db e c o m e sr e l a t i v es t a b l e ，r u b b e rv i s c i d i t yc a nb em o n i t o r e d ， t h r o u g hw h i c hm i x i n gp e r i o dc a nb ec e a s e da c c u r a t e l y c o n s e q u e n t l y ，t h i s m o d e lc a nb eu t i l i z e dt od e c i d eap r o p e rm i x i n gp e r i o dt oa c h i e v et h e p u r p o s eo fe n e r g ys a v i n g b e s i d e s ，b a s e do nt h i sm o d e l ，p r o p e rm i x i n gp a r a m e t e r sc a nb ec h o s e n i n i i a b s t r a c t t h ea n a l y s i so fm i x i n ge x p e r i m e n t s ，d i f f e r e n tv i s c i d i t yc h a n g i n gp r i n c i p l e s c a nb ef o u n do u t t h r o u g ht h i s ，i tc a nb en o t i c e dt h a tc o e f f i c i e n t si nt h i s m o d e lh a v ea na p p r o x i m a t e l ys a m er o t a t i o ns p e e di n t e r s e c t i o na r e a ，w h i c h m e a n st h a ti nt h i sa r e ad i f f e r e n tf i l l i n gr a t i o sh a v ea p p r o x i m a t e l yt h es a m e v i s c i d i t yc h a n g i n gr a t i o s t h i s ，t h e r e f o r e ，c a nb em a d et h eu s eo fc h o o s i n g t h eb e s tr o t a t i o ns p e e dw h e nf i l l i n gr a t i oi ss e t t l e d t h et o p i co ft h i st h e s i si so nt h ec h a n g i n gv i s c i d i t yi nm i x i n gp r o c e s s ， w h e r et h ee f f e c t so ff a c t o r sr e l a t e dw i t hp o w e rt ov i s c i d i t ya r es t u d i e d ，a n d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fv i s c i d i t y - t i m ei se s t a b l i s h e d c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n so ft h i st h e s i s a r ea v a i l a b l et ot h e v i s c i d i t yu n i f o r m i t yp r e d i c t i o no fm i x i n gp r o c e s sa n dt h e e s t a b l i s h m e n to f r e l e v a n tc o n t r o ls y s t e m k e yw 0 r d s ：m i x e r ；m i x l n gp r o c e s s ；v i s c i d l t y 一一一 l i i i 华南理工大学硕士学位论文 符号表 q 。一突棱根( 槽) 的拖动体积流量； q 。一突棱顶的拖动体积流量； q 。一突棱根( 槽) 压力体积流量： q 一突棱顶的压力体积流量： g 一突棱顶与混炼室壁之间的间隙； h 一突棱根与混炼室壁之间的间隙； e 一突棱顶部的宽度； s 一转子的突棱总长度s = 罗，。； 百。 m 一转子棱数； n 一转子的转速： d 。一转轴的直径( 突棱根部直径) ； d 。一突棱顶部直径； p 一胶料的粘度； f l 一胶料的门尼粘度； p 一沿突棱顶部宽度e 的压力降，a p = 足一只； p 1 一突棱棱顶后的压力； p 2 一突棱棱顶前的压力； v 一混炼室壁的线速度； 1 ，一突棱棱顶的拖动流动流速； 1 ，：一突棱棱顶的压力流动流速； v 。，一突棱棱根的拖动流动流速； 1 ，。：一突棱棱根的压力流动流速； t 一绝对温度，k ； t 一时间，s ； p 一胶料的密度， c ，一胶料的热容， b 一填充系数； 千克米3 ： 千焦千克k ； k 一与机台几何参数、b 、c ，、p 、1 1 有关的常数 i v 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 橡胶制品的需求 第一章绪论 我国国民经济的迅速发展，促进了社会总需求的快速发展。目前， 虽然高速铁路计划已经提上了日程并进入了实质性阶段，但铁路运输货 运量在三到五年内难以有较大幅度提高；由于我国特定的国情，航空运 输业相对并不发达，覆盖面有限，成本又较高，因此陆上运输主要靠公 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 越来越大。早在19 9 4 年，我国汽车轮胎产量就已经达到5 7 6 0 万条，居 世界第三位。 与此同时，随着人民生活水平的提高，轿车作为一种普通的消费品 和代步工具已经开始广泛进入普通中国人的家庭。2 0 0 3 年，我国轿车产 量达到创纪录的2 01 8 9 万辆，同比增长8 3 2 5 ，比上年净增91 71 万辆， 销售19 7 16 万辆，同比增长7 5 2 8 t 2 1 。同时，随着中国轿车工业的发 展和轿车保有量的增加，轮胎生产呈现出迅猛发展的态势：2 0 0 4 年轮胎 产量为2 39 2 6 3 万条，比上年增长18 7 。其中子午线轮胎l0 4 3 6 6 万条， 比上年增长36 ；2 0 0 5 年1 5 月份全国轮胎累计产1 18 4 5 6 8 万条，比上 年同期增长2 8 6 t3 。另外一组统计数据表明：2 0 0 4 年我国消耗橡胶4 2 0 万吨，连续三年成为世界橡胶消耗大国( 2 0 0 2 年起超过美国) ，其中橡胶 消耗的近6 0 用于生产轮胎，当年我国轮胎产量居世界第二1 4j 。然而与 此同时，世界排名前l0 位的跨国轮胎公司，目前已有普利司通、米其林、 固特异等8 家落户中国，最近德国大陆公司也准备在中国投资建厂；原 国有重点轮胎企业，目前已有5 0 被外资并购；国内子午胎市场7 0 以 上的份额已被外资轮胎厂商所占有1 5 】。 上面的数据清晰的表明，轮胎工业已经成为我国重要的经济组成元 素之一，其发展存在可预见的将来仍存在着重大的机遇【49 1 ，尤其是子午 线轮胎的普及和制造精度的进一步提高，还有新概念轮胎及其生产线的 出现和推广，对新型轮胎机械的需求量必将不断扩大。销售额将从目前 占橡机的2 3 ，有可能增加到7 0 8 0 ，成为橡胶机械生产增长的最重要 的来源。同时，由于国际竞争的加剧以及跨国轮胎公司的到来，为我国 华南理工大学硕士学位论文 的轮胎工业带来了巨大的挑战。为了能在轮胎行业中生存和发展，国内 轮胎厂家只有通过在保证质量的基础上降低成本，才能提高利润。因此， 该问题就可以分为两个方面：一是进行技术革新，采用更加先进的生产 设备以提高生产效率，如对密炼机等橡胶机械的结构进行进一步的研究 和改进等等；二是提高产品质量，如对橡胶混炼过程1 6 1 中混炼胶的粘度 进行更好的跟踪和预测。上述两个方面的问题是当前包括轮胎生产厂家 在内的所有橡胶制品生产厂家同时面临的挑战，而这种挑战也为橡胶机 械工业的发展提供了难得的机遇。 1 1 2 密炼机的发展 根据最新统计【48 1 ，全国橡胶机械企业已达到4 0 0 家，主要骨干企业 3 0 家，其中密炼机是主要的产品之一。作为轮胎工业中的主要加工设备， 密炼机主要应用于橡胶的混炼。胶料混炼的优劣，会影响配合剂分散的 均匀性、胶料的可塑性、以及焦烧和喷霜等现象产生的程度，这不仅使 成型和硫化等后序加工难以进行，而且会导致最终的产品质量下降。所 以，混炼过程是橡胶加工过程中最基本和最重要的工艺过程之一，而密 炼机在其中充当着极为重要的角色。由于密炼机具有工作密封性好，工 作条件好，胶料质量高，混炼周期短，生产能力高，工作安全，易于与 下道工序相衔接，以及组织连续化、自动化生产【7 】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。其中，转子 是密炼机的核心部件，它的构型直接影响着密炼机的特性，影响着密炼 机混炼的质量。可以说密炼机的发展史亦是一部密炼机转子的发展史【s 】。 从世界流行应用最早最广、至今仍在世界橡胶工业上占有重要地位的美 国f a r r e l ( 法雷尔) 公司f 系列b a n b e r y ( 本伯里) 密炼机开始，人们为 密炼机转子设计付出了巨大的努力，走过了艰苦的历程。 b a n b e r y 密炼机1916 年由f e r n l e yh b a n b u r y 设计开发成功并申请了 专利，名为“处理橡胶和其他高分子材料的机器 【9 】。b a n b e r y 密炼机 是根据两辊开炼机的工作原理设计的，其转子有两个特点：一是转子突 棱双螺纹与表面呈一定的角度；二是装入一个上顶栓( 或称压砣) ，当转 子旋转时可将橡胶压入混炼室。 在b a n b e r y 密炼机发明2 0 多年后，19 3 4 年6 月英国f r a n c i ss h o w 公 司员工r t c o o k e 申请了逆向旋转式双转子密炼机的英国专利，称为 i n t e r m i x 。随后德国w e r n e r & p f l e i d e r 公司的l a s c h 和s t r o m e r 也于19 3 4 2 第一章绪论 年l0 月申请了啮合型转子密炼机的专利。美国的m i l l a u e r 于19 7 3 年及 19 7 7 年对c o o k e 的啮合式转子作了改进并申请了专利。美国阿克隆大学 聚合物工程研究所的研究人员针对r t c o o k e 的啮合型转子进行了混炼 室流动的模拟显示研究，在于b a n b u r y 分离型两棱转子的比较中发现， c o o k e 啮合型转子密炼机内的胶料流动循环速度、胶块均化速度、炭黑混 合速度都更快，并且吸油时间更短【1 0 l 。但啮合式转子密炼机由于填充系 数偏小，生产率不高，因此在用胶量最大的轮胎工业中应用较少。 与此同时，传统的剪切型转子的设计研究仍在继续。19 7 9 年，日本 学者改进了传统的日本实用标准规范，他们通过研究发现【l1 1 连续的突棱 结构并不能适应预混的要求，而将突棱结构分成长棱和短棱两部分不仅 能够将混炼过程中作用在转子的推力减小一半，还能提高转子的机械和 物理性能。同时，他们还提出了一种不同于传统螺旋型突棱的一种新的 与转子旋转轴相互平行的突棱结构【】，该结构可以使物料的轴向流动在 转子中心部位得以无阻碍地加快，以使物料流在收到转子的折流作用时 得以整体地转动。 19 87 年，意大利c a s t e l l a n z a 的p o m i n i 公司申请了可变转子间隙密 炼机的专利权，并于l9 9 6 年在美国注册了专利，将这台密炼机命名为可 变啮合间隙( 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 简写为v i c ) 型密炼机。v i c 密炼机的技术特征主要是两点 1 2 1 ：转子之间的间隙可大可小；可获得最 大的换热效果。对某一给定容量的密炼机而言，v i c 的换热面积比标准 简切型密炼机大7 0 以上。v i c 密炼机的转子为相互啮合式的，但啮合 的间距可以通过转动一根套在轴承上的偏心套筒在一定范围内进行调 节。当混炼开始时，可使转子间隙尽可能的增大，以改善原料的进料状 况，从而在较短的时间里使混合物的各个组分得到更好的分散，缩短混 炼时间；混炼时，通过调整转子的间隙，可根据物料的实际粘度，将能 量以最适当的程度传递到物料上。许多实验证实，v i c 密炼机的这个特 点，使其将开炼机的质量优点和密炼机的产量高的优势集于一身。 19 9 8 年，f a r r e l 公司又提出了更新式的挤压流( c o f l o w ) 啮合式密 炼机，并于2 0 0 2 年申请了美国专利，其混炼方式极为独特，胶料在各混 炼腔中呈逆时针和顺时针挤压、释放流动。通过分析和实验表明，最新 的c o f l o w4 啮合转子密炼机对各种胶料的混炼效果比所有老式啮合型和 传统相切型密炼机都好，它的设计集中了相切型和老式啮合型密炼机的 各种优点【1 3 】： 1 更好的混炼质量； 2 生产效率比传统切向四棱转子和齿式三棱啮合型密炼机提高 3 华南理工大学硕士学位论文 2 0 4 5 ( 取决于转子的长径比) ； 3 转子的热传递控制更好； 近年来，随着子午线轮胎的崛起和迅速发展，对其使用的混炼胶提 出了越来越严格的质量要求，同时对混炼设备的性能要求也越来越高。 在这种形势下，对密炼机转子的改进主要集中在三个方面：转子速比、 转子构型和转子的热传导。在这个问题上，b r u n om i l a n e s e 提出【l4 j 可变 速比的两个转子的棱峰在初始起点和整个混炼周期要精确地、重复地定 位，只有通过一个编码系统进行精确的调节，才能确保整个混炼产生的 均匀性。后来在保证均匀性的问题上又出现了突破性的进展，这就是同 步转子密炼机，即是将转子的速比改为l ：1 ，其突出的优点是【8 】在于： 由于前后转子速度相同，使两转子之间的速度梯度也相同，因而使得排 出的母胶的温度分布均匀，物理性能和流变性能( 如门尼粘度等) 相差甚 微，从而混炼出的胶料均匀性好；其次，由于转子速比只影响两转子在 非剪切区域内的相遇几率，将非剪切区内胶料的流动变得有规律。其规 律性就取决于用联轴器联结转子和减速机输出轴时两转子之间的起始角 度，所以可以进行最佳角度的选择。 虽然近几年来密炼机的制造理论又有了长足的进展，但从全世界范 围内来看，传统的双棱剪切型密炼机仍然占主导地位。到上世纪末，全 世界大约还有至少5 0 【1 3 】的混炼胶仍然在双棱剪切型转子的密炼机上 加工。而在我国，这一数字更是高达7 0 以上。这是因为相比于其它类 型的密炼机而言，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；技术成熟，生产率高等优势。因此，研究剪切型转子密 炼机对于我国现阶段橡胶及轮胎工业的发展具有广泛的意义。 除密炼机的结构以及转子的构型之外，对混炼过程中胶料质量有重 要影响的还有混炼的工艺。在密炼机机械结构确定的情况下，混炼过程 中的各种工艺参数( 如温度、时间、剪切速率，以及填充系数等) 都与 混炼胶的质量直接相关。因此，与对密炼机转子结构进行研究相比，研 究橡胶的混炼过程中各种重要工艺参数之间的关系在实际生产中同样具 有重要的意义。因为在实际生产中无法通过调整密炼机的机械结构来对 混炼胶的质量进行改变，而这种改变只能通过对混炼工艺参数的调整来 实现。因此，在对密炼机的机械及转子结构进行研究的同时，对于密炼 机混炼过程的研究也在继续，当然也包括在对此过程中的流变理论的分 析和发展。 4 第一章绪论 1 2 当前研究情况 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，主要依靠转子的机械作用。在炼胶时【l5 1 ， 物料从加料斗加入以后，首先落入两个相对转动的转子上部，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 后由下项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 同的速度回合于两转子上部，然后进入两转子之间的间隙中，如此往复 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。研究认为【l6 1 ，胶料在 密炼室内受到四种作用： ( 1 ) 转子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 ) 转子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( 转矩) 曲线，能判断混炼过程的各个 阶段。可将功率曲线大致分为三个区域【i 7 1 8j ：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【l9 1 。混炼开始，橡胶被强制拽入转子之间以及 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，浸润，形成细的生胶一配合剂团块。此即为混入阶段。在 转子突棱与密炼室内壁之间的强烈剪切作用下，这些新的混合团块被不 断地压碎、分离和细化，辅之以转子螺棱作用下的胶料轴向循环和轴向 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。 5 华南理工大学硕士学位论文 此即为分散阶段。由于橡胶分子受机械一化学的作用因素而断链，在混 炼过程中还伴随着塑化的产生。 槲 督 0 混炼时间 图1 1 混炼过程典型的功率曲线 f i g 1 1t y p i c a lp 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【1 5 l ：在机械方面是研究在密炼室内转子、流道的几何形 状对物料受力、变形、流动的作用以及比例放大的规律：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。 19 58 年，b o l e n 和c o l w e l l 2o 】首先发表了关于密炼机分析的论文， 对突棱棱顶与密炼室之间的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 ：r a v u a 一一一一一一( 1 1 ) 2 式中：t 为密炼机转子转矩；n 为转速：a 是与密炼机几何尺寸有关 的参数。根据式( 卜1 ) ，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i 成正比。之后，有人【l3 】则利用 b o l e n 和c o l w e l l 的方法对变间隙的情况进行了讨论，得出了相似的结论。 b e r g e n t 2 1 l 对突棱棱顶与密炼室之间间隙的高剪切区的等间隙情况 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。 6 第一章绪论 对等间隙的情况，功率p 为： 尸：r i v 2 l = 4 7 7 _ q 2 l 一一一一一一( 1 2 ) 式中：r l 为粘度；v 为转予棱顶单位宽度的体积流量；l 为转子棱宽： 为突棱棱顶与密炼室壁之间的间隙。 对变间隙( 线形递减) 的情况，可求得相应的p ： 尸= 2 r l q 虿2 l 忑。矿t ( a + 1 ) 【3 ( 口+ 1 ) 一( 口+ 1 ) l n 口】一一一一一一( 1 3 ) 式中：q 为通过突棱单位宽度的体积流量；a = n o ，为间隙比；最小间 隙为h 0 ；最大间隙为而，。 以上的分析，是建立在粘性流体、润滑近似、粘度不变和等温的基 础上的，与实际情况有很大差别，应用时应进行修正。 前苏联学者在对密炼机进行分析时认为：仅考虑转子棱顶与混炼室 壁之间的高剪切区域是不够的，还应考虑突棱前整个镰刀型的剪切区域。 古别尔【2 2 ，2 3 】通过测定混炼时混炼室内的压力，发现在整个镰刀形区 域都存在较高的压力( 而不是以往所认为的只有在突棱棱顶和室壁之间 才如此) 。因此，他认为混炼时物料的基本变形是在整个镰刀区内发生的， 从而导出了如下适合于幂律流体的计算密炼机所消耗功率p 的方程： 蚓k ( 争m i i 0 5 i + + 0 8 6 5 l + ) + 2 1 2x 0 7 5 i + ( 爷( 1 i + 1 2 ) 一( 1 - 4 ) 式中：k 一稠度，ns ”m 2o n 一流变指数； z 。一转子平均转速，r m i n ； 厶一转子长棱的长度，c m 或m ； ，一转子短棱的长度，c m 或m ； d r 一密炼室的内直径，e m 或m ； 一转子突棱棱顶与密炼室的间隙，c m 或m ； e 一转子突棱棱顶宽度，c m 或m ； s 一转子突棱与密炼室壁之间镰刀形空间的有效截面积，c m 2 或 朋： 此外，古别尔还提出了如下简化的计算公式： 1 1 = o 3 时，p = 0 0 3 9 k z ：3 一一一一一一( 1 - 5 ) n = o 2 时，p = 0 0 4 3 4 k z ：3 一一一一一一( 1 6 ) 上两式中的0 0 3 9 和o 0 4 3 4 的量纲都为体积量纲。该式为以实验室 7 华南理工大学硕士学位论文 密炼机获取数据并进一步确定工业用密炼机的功率提供了可能性。 古别尔研究了密炼时物料对密炼机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f 平均之间存在线形关系；镰刀区内任 意点的物料所受压应力均为平均应力的三倍： 碑均3 r 平均一一一一一一( 1 7 ) 另一学者乌达利佐夫 7 1 通过研究两种颜色分层物料在镰刀区内的形 变力学，认为式( 1 7 ) 的关系只有在取平均值时才成立，而在密炼室壁附 近，因为料层发生松弛而滑动，_ r 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： 尸= 2 x z m = 2 ，r r z r s 置一一一一一一( 1 - 8 ) 式中：z 为转速；为靠近密炼室内壁料层的切应力；s r 为镰刀形 间隙中室壁的表面积：r 为密炼室的内半径。 国内不少学者也作了大量的工作。某些学者 2 4 1 沿用了伯根的粘流理 论体系对密炼过程进行分析，在得出与伯根相同结论的同时，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依据。他们同时认 为：对大小不同的密炼机，转子突棱与混炼室之间的间隙应当相同；对 小大不同的密炼机，转子转速与转子突棱棱顶宽度的乘积也应当相同。 也有些国内学者 2 5 1 把b o l e n 、c o l w e l l 和f u n t 的理论体系用于建立 密炼机计算的数学模型，他们将以前忽略的e 引入突棱棱根压力体积流 量当中，通过计算得出转矩公式为： t = ( 掣) 【1 + 生( 生一1 ) 一掣( 1 9 ) 口刀口 1 + ! 竺 r d ) c p 经简化，得转子功率为： p = 2 r n 2 研旦一萼( 班一p ) ( 3 一r a n ) 一一一一一一( 1 - 1 0 ) 口刀刀 其中m = d c ，1 1 - h ( 此处h 为突棱根与密炼室壁之间的间隙) z j , a 式中：f l 一粘度o n 一转子转速： v 一密炼室容积o e 一转子突棱顶与密炼室内壁之间的间隙； n 一转轴的直径( 突棱根部直径) ； 口一突棱顶部直径 8 第一章绪论 h 一转子棱顶高度，h = 垒 堡； 从上式可知，功率消耗与物料粘度r l 、转子转速平方2 、密炼室容 积v 和转子棱宽e 成正比，和转子突棱与密炼室壁之间的间隙h 成反比。 詹茂盛 2 6 , 2 7 采用柱坐标系，将物料在密炼室混炼室内部的流动简化 为柱坐标系下的两圆筒间的流动，得出密炼机转子消耗总功率公式为： 脚八洱溉叫， 用于实际计算时，采用以下公式： m 枷八霹坳溉_ ( 1 m ) 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： 堋圳锄。霹坳弧叫郴， 式中： j r ，口，z ： r 一气体常数； t 一绝对温度，k ； 一胶料的粘度，p a s 。 v 一密炼室容积： 有些学者【2 8 1 在计算密炼机功率时，认为在密炼机转子与混炼室壁间 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： 肜= 竿喜 3 r , h j 玑研一堑呈 盟 喜斋 + 一鲁 等( 厶+ 等) + 云鲁( 去+ 蠢蠡蝇 9 一一一一( 1 - 14 ) 华南理工大学硕士学位论文 上述所做的工作，大多是从密炼机混炼过程的功率推导出发，研究 密炼机混炼过程中的机械参数、机台结构对胶料的混合、分散及剪切变 形的影响的宏观分析。 1 2 3 橡胶混炼过程中粘度的研究 粘度是混炼胶的重要质量指标之一，好的混炼胶制品内部必须拥有 均一的粘度。因此，在密炼机的使用愈来愈广泛的今天，如何对混炼过 程中橡胶制品的粘度及其均匀性进行有效的控制和预测成为了重要的科 研课题。因为粘度直接和产品质量相关，进行有效的粘度控制则意味着 对产品质量的控制，这将直接影响后续的加工过程以及最终产品的质量； 同时，由于在混炼过程的后期，密炼机流变学仍然适用【29 1 ，这时功率曲 线趋于平缓，胶料整体粘度的变化并不大，但每车胶料的混炼时间却往 往是固定的，在这种情况下，即使在胶料已经达到理想的粘度之后，由 于缺乏粘度的预测和反馈，混炼加工仍将继续，直到设定的时间为止， 并且在混炼过程结束之后仍需进行粘度测试，难以控制胶料的质量均匀 性，这便导致了生产率的降低以及能源的浪费，更影响了轮胎生产质量 的稳定性。因此，在混炼过程中进行有效的粘度控制和预测对于提高混 炼胶的质量和降低能耗都有非常重要的意义。 根据b e r g e n ，b o l e n ，c o l w e l l 和f u n t 1 8 , 3 1 】以及乌达佐利夫【7 1 等诸 多学者的著作中指出密炼机机转子扭矩t 和转子轴功率p 与密炼室内混 炼胶粘度和剪切应力t 的关系是： p ：翌匕兰：4 r l q ；2 l 一一一一一一( 1 2 ) h 0 h ； 、。 p ：2 r q 2 ，l ，a ( a 、+ 1 ) 3 ( a + 1 ) 一( 口+ 1 ) 1 n 口】一一一一一一( 1 3 ) l 口一l j p = 2 x z m = 2 x r z r 旷s r 一一一一一一( 1 - 8 ) 上述3 式均说明密炼机转子轴功率或转子扭矩与密炼室内混炼粘度 以及剪切应力成正比关系。据此，国内学者张海【3 0 l 认为密炼机橡胶混炼 工艺瞬时功率与混炼胶粘度r l 之间的关系，已由密炼机流变学分析确定。 同时，p a l m g r e m l 3 2 1 的混炼过程理论更是认为混炼能否顺利进行主要取决 于橡胶的粘度，并且生胶和炭黑混炼胶的粘度和密炼机转子的扭矩成正 比关系已经得到了证明。并且通过实验证