（机械设计及理论专业论文）差速搅拌捏合机的动力特性分析及三维流场模拟.pdf

青岛科技大学硕士研究生学位论文 差速搅拌捏合机动力特性分析及三维流场模拟 摘要 差速搅拌捏合机是一种新型高效的卧式双轴全相自清洁型搅拌捏合设备。它 集粉碎、搅拌、捏合自清理、输送于一体，并能连续化生产作业，很好的解决了 高粘度物料搅拌混合所面临的问题。但随着搅拌机朝着大功率化、大容量化的发 展，其在运行过程中表现出的运行不稳定性、搅拌效率低及易疲劳破坏等特性都 制约着差速搅拌捏合机的应用。本文针对搅拌机的参数优化、动力及疲劳特性分 析以及流场特性进行了一系列研究与探索： 1 根据差速搅拌捏合机的结构特点及工作原理，参考搅拌轴螺棱外形的数学 模型，对螺棱外形进行了简化，设计出满足搅拌混合功能和易于加工的螺棱外形。 2 为提高差速搅拌捏合机的搅拌性能，在螺棱螺旋角、搅拌装置的长宽比、 主搅拌轴和清洁轴的中心距等方面对搅拌轴进行了参数优化。 3 利用有限元软件a n s y s 对搅拌轴进行瞬态动力学分析，得到了搅拌轴在 周期性流场激振力作用下各危险节点的位移及等效应力的时间历程响应，并利用 瞬态动力学分析的结果对搅拌轴的螺棱角度进行了优化设计。 4 对主搅拌轴和清洁轴的振动特性在理论上进行了研究并利用有限元法对 其进行了模态分析，得到了固有频率及振型，并验证了搅拌轴在正常转速的工作 过程中没有发生共振。 5 分别利用理论计算方法及有限元法方法对搅拌轴进行了疲劳分析，并对计 算结果进行了对比分析，验证了结构优化后的搅拌轴满足疲劳强度要求。 6 对搅拌机进行了三维流场数值模拟，得到了物料在流场中的真实流动状 况，并针对分析结果对搅拌轴的设计提出了针对性的建议。 关键词差速搅拌捏合机参数优化瞬态动力振动疲劳流场 t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t l ca n a i y s i sa n d n u m e r i c a ls i m i7 i 。a r i o no f3 - d i m e n s i o nf l o w f i e l e df o rd i f f e r e n t s p e e dm i x e r a b s t r a c t t h e d i f f e r e n t s p e e dm i x e ri san e wt y p ea n dh i g he f f i c i e n c ya n da l lp h a s ed o u b l e h o r i z o n t a ls h a f tm i x e r , w h i c hh a ss t r o n ga b i l i t yo fs m a s h i n ga n d o n e s e l fc l e a n i n ga n d c o r r o s i o nr e s i s t i n g t h ed i f f e r e n t - s p e e dm i x e rc a n c o n t i n u a l l yb r o k e nm a t e r i a l sd u r i n g t h ec o u r s eo fm i x i n g ，s oi tc a nw e l lr e s o l v et h ep r o b l e mi nt h e h i g hv i s c o s i t ym a t e r i a l s t i r r i n ga n dm i x i n g h o w e v e r w i t ht h ed i f f e r e n t s p e e dm i x e rb e i n gh i g hp o w e ra n d h i g hc a p a c i t y as e r i e so fp r o b l e m sw a sf o u n d ，s u c ha s ：u n s t a b l e ，l o w e re f f i c i e n c y , a n d f a t i g a b i l i t y , e t c , w h i c hl i m i tt h ee x t e n s i v eu s eo ft h ed i f f e r e n t s p e e dm i x e r t oa l lt h e q u e s t i o n s ，t h i sp a p e rh a dan u m b e ro fs t u d i e so np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，d y n a m i c sa n d f a t i g u ea n a l y s i s ，f l o wf i e l ds i m u l a t i o n ；t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h es h a p eo ft h es c r e wf l i g h tw a ss i m p l i f i e d ，a n dt h es u i t a b l es c r e wf l i g h t w a so b t a i n e d ，w h i c hr e f e r r e dt ot h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h em o v e m e n to fs c r e w f l i g h ta n dt h ec o n s t r u c t i o nf e a t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed i f f e r e n t s p e e dm i x e r s e c o n d ，i no r d e rt oi m p r o v et h es t i r r i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n t s p e e dm i x e r , an u m b e ro fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r so f d i f f e r e n t s p e e dm i x e rw e r eo p t i m i z e d ，s u c ha s ： t h es c r e wf l i g h t a n g l eo fh e l i x ，t h es t i r r i n gd e v i c el e n g t h w i d t hr a t i o ，t h ec e n t e r d i s t a n c eo fm a i ns h a f ta n d c l e a n i n gs h a f t ，e t c t h i r d ，t h et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i so fs t i r r i n gs h a f tw a sp e r f o r m e d a n dt h e d e f o r m a t i o na n ds t r e s so fa l ld a n g e r o u sn o d e sw e r eo b t a i n e da tt h ea c t i o no ff l u i d e x c i t i n gf o r c e ，w h i c hm a d et h ed e s i g n e re a s i l yf i n dt h ed y n a m i cr e s p o n s e i na d d i t i o n ， t h er e s u l t so ft r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i sw e r eu s e dt ot h eo p t i m i z a t i o no fs c r e wf l i g h t a n g l eo fh e l i x f o u r t h ，t h ev i b r a t i o np e r f o r m a n c eo fm a i ns h a f ta n dc l e a n i n gs h a f tw a s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y m e a n t i m et h em o d e la n a l y s i sw a sp e r f o r m e db ya n s y s ，a n dt h e i n h e r e n tf r e q u e n c ya n dt h em o d eo fv i b r a t i o no fs t i r r i n gs h a f tw e r eo b t a i n e d ，w h i c h l w a 8u s e dt ov e r i f yw h e t h e r t h er e s o n a n c eo fs t i r r i n gs h a f t h a p p e no rn o t f l f t n ，t w ow a y so fg e n e r a lt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o da n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d w e r ea a p p l l e dt oc a l c u l a t et h ef a t i g u el i f e ，a n dt h et w or e s u l t sw e r e c 0 m p a r a t i v e l v a n 创1 c l z e d ，w h i c hw e r eu s e dt ov e r i f yt h ef a t i g u ep r o p e r t yo f s t i r r i n gs h a f t f 1 n a i l y ，w i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f3d i m e n s i o n f l o wf i e l do ft h e d l f f e r e n t - s p e m i x e rp e r f o r m e d ，t h ef l o wo fl i q u i dm a t e r i a lh a sb e e ns i m u l a t e d a n d t h es l m u l a t e dr e s u l t sw e r eu s e dt od e s i g nt h e d i f f e r e n t s p e e dm i x e rp e r f e c t l v 1 娅yw o r d sd i f f e r e n t s p e e dm i x e r p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，t r a n s i e n td y n 锄i c ， v i b r a t i o n ，f a t i g u e ，f l o wf i e l d 青岛科技大学硕士研究生学位论文 主搅拌轴半径( m m ) 吃清洁轴半径( m m ) r 主搅拌轴螺棱外径( m 1 ) 恐清洁轴螺棱外径( r n m ) a 中心距( m m ) ，l l 主搅拌轴转j 塞( r m i n ) 咒2 请洁轴转( r m i n ) k 清洁轴与主搅拌轴的转速比 螺棱平均半径( m m ) 哦螺棱中径( m m ) 展主搅拌轴螺棱螺旋角( 。) 皮清洁轴螺棱螺旋角( 。) b 主搅拌轴螺棱扭转角( 。) 符号说明 吃清洁轴螺棱扭转角( 。) 二搅拌轴长度( m m ) k 阻力系数( n c m 也) 日螺棱的高度( m m ) 五螺棱升角( 。) 秒捏合框的立面展角( 。) ，7 搅拌机轴的传动效率 磊主搅拌轴主轴与清洁轴螺棱顶间隙( m m ) 6 2 主搅拌轴螺棱顶与清洁轴主轴间隙( m m ) d 疲劳累积损伤系数 口流体载荷密度( n m m 之) p 流体密度( k g 。m 弓) c 口流体比热容( j k g 。k ) i x 差速搅拌捏合机动力特性分析及三维流场模拟 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：豸泵崛肇日期：勿缈7 年衫月“日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将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、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名：孝泵耍辱 日期： 卅年月y j 日 导师签名：二经二舀日期：呷年月厂日 | 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 搅拌及捏合 1 绪论 理论上把任何状态( 固态、液态、气态和半液态) 下物料均匀地掺和在一起 的操作称为混合，但习惯上常把固态物料之间的掺和或者固态物料加入少量液体 的操作称为混合，而把固态、液态或气态与液态物料混合的操作称之为搅拌【1 1 。 搅拌和混合操作是应用最广的过程单元操作之一，大量应用于化工、石化、 轻工、医药、食品、采矿、造纸、农药、涂料、冶金、废水处理等行业中。近年 来，搅拌与混合技术发展迅猛，搅拌与捏合设备正向着大型化、标准化、高效节 能化、机电一体化、智能化和特殊化方向发展【2 1 。 简单的来说，搅拌就是使物料趋于匀质化的过程1 2 1 。物料在实际搅拌过程中 有着非常复杂的变化，除了强烈的物理作用外，还伴随着有一定的化学作用。不 仅混合物总体积发生了量的变化，而且其状态和性能也发生了质的变化。即使在 宏观上达到匀质，在显微镜下仍有些物料颗粒团聚体。因此，物料的搅拌不仅是 宏观匀质，更重要是微观相对匀质。 搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混 合；也可以加速传热和传质的过程l 引。搅拌操作的例子颇为常见，例如在化验室 里制备某种盐类的水溶液时，为了加速溶解，常见用玻璃棒将烧杯中的液体进行 搅拌。又如为了制备某种悬浮液，就要用玻璃棒不断地搅动容器中的液体，使固 体颗粒不致沉下，而保持它在液体中的悬浮状态。在工业生产中，搅拌操作是从 化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一 部分被广泛采用。 捏合是一种混合操作，其目的主要是得到均匀混合物。例如在粉体物料中加 入少许量的液体以制备均匀的塑性料或膏状物，或在高粘稠物料中加入少量粉料 或液体添加剂以制备均匀混合物等都属捏合操作【4 1 。捏合操作广泛应用于化学、 橡胶、塑料、制药、食品等工业中，如硅橡胶、油墨、泡泡糖和各种胶粘剂等制 备时都要进行混合，且都离不开捏合操作。 捏合操作一般具有以下特剧3 j ：捏合操作往往伴有加热或冷却过程，一方 面捏合机的单位容积要具有足够的传热面，另一方面运动零部件应能稳定快速地 刮除传热面上粘附的物料并将其送回高剪切区，以防止物料粘挂在器壁上；在 差速搅拌捏合机动力特性分析及三维流场模拟 捏合机中很小间隙的高剪切区能产生高的切应力，使物料分散，同时混合机中作 驱动的零部件形状( 如叶轮形状) ，能保证物料在捏合机内的运动路径和运动范 围不断通过小间隙的高剪切区，以反复承受剪切而分散均匀；和其他混合操作 相比，捏合操作难度大，混合时间长，且最终只能得到统计意义上的完全混合状 态；捏合操作在单位容积中输入的功率很高，消耗功率大。 捏合操作处理的物料粘度一般都大于1 0 5 m p a s ，最高可达几亿m p a s ，它们 大多是非牛顿流体，流动性极小。捏合过程包括分布混合和分散混合，在实际混 合过程中，这两种作用同时存在。物料在捏合机内要反复多次受到这两种混合作 用，经过一段时间后，才能得到分布均匀、粒径大小合乎要求的合格产品【5 j 。 1 2 搅拌设备在工业生产中的应用 搅拌设备的作用如下1 2 1 ：使物料混合均匀；使气体在液相中很好的分散； 使固体粒子( 如催化剂等) 在液相中均匀的悬浮；使不相容的另一液相均匀 悬浮或充分乳化；强化相问的传质( 如吸收等) ；强化传热。混合过程的快 慢、均匀程度和传热情况的好坏，都会影响到反应结果。至于非均相系统，还会 影响到相界面的大小和相间的传质速度，情况就更加复杂。因此搅拌情况的改变， 常常很敏感地影响到产品的质量和产量。 在互不相容的液体之间或液体和固体之间相互作用时，搅拌在加速反应的进 行方面起着非常重要的作用。因为增加一物相混入另一物相的速度，接触面就会 增大，物质就以较大速度相互作用。在某些情况下，搅拌是在反应过程中创造良 好条件的一个重要因素如高压聚乙烯生产中，由于搅拌器的作用，使物料在反应 器内有一定的停留时间，更重要的是使催化剂在器内分布均匀，以防止局部猛烈 搅拌聚合作用而造成爆炸。因此搅拌设备在工业生产中起着非常重要的作用【6 j 。 搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生 产都或多或少地应用着搅拌操作i 刀。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反 应物质的充分混合为前提的。对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变 化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备的应用范围广泛， 还因搅拌设备操作条件( 如浓度、温度、停留时问等) 的可控范围较广，又能适 应多样化的生产【5 j 。 例如，在石油工业中，因为需要大量应用催化剂、添加剂，所以对搅拌设备 的需要量非常大。由于物料操作条件的复杂性，多样性，对搅拌设备的要求也就 更加复杂化了。如炼油厂的硅铝反应器、打浆罐、钡化反应釜、白土混合罐等等 都是装有了各种不同形式搅拌器的一些搅拌设备。搅拌设备在化学纤维生产中， 2 青岛科技大学研究生学位论文 如聚酯、尼龙等生产装置中就有很多种类。功率从0 0 9 3 7 k w ，转速从 6 5 1 5 0 0 r m i n ，种类繁多，桨叶的形式各种各样【8 1 。 1 3 新型搅拌捏合设备的发展需求 新型高效搅拌混合设备的开发是以相关产业的需求为背景的【引。如一个合成 纤维工厂中，作为核心设备的聚合反应器仅三台，而与之配套的配料罐、溶解罐、 稀释罐、缓冲罐等辅助搅拌设备则多达3 0 多台，通常这些辅助搅拌设备的操作 条件并不苛刻，搅拌的目的多是以混合、固体状原料的溶解和配制固一液悬浮液 为主，其搅拌器常用轴流式叶轮或4 5 0 折叶涡轮。这些设备大多是混合设备公司 的定型产品，设计较为成熟。对于混合设备公司来说，这些较通用的搅拌设备占 其销售额大部分，因此便集中力量在此领域开发新产品，即从提高混合和固一液 悬浮的效率着手，致力于开发以较小能耗获得较大排量的轴流式搅拌叶轮，如世 界上最大的混合设备公司莱宁公司近年来开发的一系列新型轴流式叶轮 【9 1 2 o 另一方面，近3 0 年来高分子工业飞速发展，生产高分子材料核心设备的聚 合反应器中的8 5 是搅拌设备，研究开发高效的聚合反应器将对搅拌混合设备的 发展产生强大的推动力。对于聚合反应器来说，不仅需要良好的混合性能，还需 要对物料提供足够大的剪切，同时为了及时散除反应热，还需要搅拌设备具有尽 可能高的传热能力，而轴流叶轮往往不能满足上述多方面的要求。一些大型的包 括石化部门的企业集团，如日本的住友重机和三菱重工等便从开发新型、高效聚 合反应器的角度，发明了最大叶片式、泛能式、叶片组合式叶轮【3 1 。这些叶轮从 综合性能看，它较平衡地考虑了混合、剪切、传热以及对液体粘度的适应性。 近年来，高分子材料领域中的两大进步促进了高粘度流体搅拌设备的进一步 发展l l 引。一方面是高分子材料的反应加工和高分子合金的兴起，从而使高分子材 料高性能化和低价格化。如把聚酰胺与聚乙烯复合、聚碳酸醋与a b s 复合、a b s 与热塑性聚氨酯弹性体复合等。另一方面是耐热型工程塑料( 如聚酰亚胺、聚苯 硫醚、聚砜、芳香族聚酯) 以及超强力、高弹性工程塑料( 如超高分子量聚乙烯、 液晶聚合物) 等高性能、高价格的聚合物的出现1 1 4 1 。以上这些行业领域的发展都 直接推动了高粘度流体搅拌设备的发展。这是因为在生产这些复合材料或高性能 材料时，都需要在很短的时间内，或是使粘度在1 0 6 m p a s 数量级的超高粘度流体 彼此混练，或者是使超高粘度流体与低粘度的单体相混练，而且有些高性能聚合 物还必须在4 0 0 。c 高温和高真空下处理超高粘度流体才能制得【1 5 d6 。因此近1 0 年来，国外开发出一大批能处理高粘度液体的搅拌设备。更有一些高性能的高分 3 差速搅拌捏合机动力特性分析及三维流场模拟 子材料在制造过程中还经历了由液相变成固相的过程，于是出现了既能处理粘性 液体，又能处理粉体的全相型搅拌混合设备。 与此同时，高分子合金、磁记录材料、陶瓷材料、玻璃纤维或碳纤维增强材 料也得到了飞速发展，这些材料的生产过程中都需要将大量的固体粉末或玻璃纤 维、碳纤维等均匀地分散于高粘或超高粘流体中，这就需要提供强大的切应力并 使物料在混合设备内进行有效的移动和循环。超高粘流体混合设备有多种f 1 刀，较 为常见的有捏合机、双螺杆挤出机及密炼机等。 早已被广泛应用的挤出机、捏合机、双辊和三辊混炼机以及密炼机等传统的 橡塑机械，都是处理超高粘流体的典型机械，这些机械理所当然地首先被移植过 来用于高分子材料的反应加工和共辊，以及用作处理超高粘流体的聚合反应器 【l 引。并且，一批原来从事流动、混合、传热和传质的化学工程的专家又纷纷转向， 研究和改良这些处理超高粘流体的传统机械，使之适应于高分子材料的这种新的 发展趋势。 1 4 搅拌捏合设备的现状及未来发展方向 近年来随着工业生产的不断发展，尤其是化学工业中的飞速发展，生产中用 到的物料不再只是一些低粘度的牛顿型流体，许多高粘度流体也常常遇到，尤其 是各种各样的高分子溶液以及混有催化剂粒子的浆状流体等非牛顿型流体的应 用日益广泛。它们与通常的牛顿型流体具有不同的流动特性，所以对于非牛顿型 液体的研究是当今的一个重要课题1 5 j 。对于高粘度流体，特别是非牛顿型流体的 搅拌传热的研究，也是近年来的一个方向。另一方面，许多高黏度物料在搅拌过 程中不仅发生粘度的变化，而且有时还会伴随着相变的过程，因而对搅拌设备的 要求也越来越高。 与此同时，国内外对高粘度物料的搅拌捏合设备做了大量的开发研究，研制 出了多种高效率的搅拌捏合设备，并形成了较为成熟的技术1 1 9 - 2 2 l 。 图1 - 1 为同本三菱重工的产品，主要用作气相聚合搅拌床反应器【1 5 。16 。这种 搅拌器的任何构件表面以及搅拌桨叶端与壁之间构成小间隙的自清洁面，使得搅 拌叶片之间以及叶片与罐壁之间达到彻底的自清洁，很好解决了气相聚合过程中 聚合物颗粒易粘结的问题，但由于自清洁面的间隙很小，限制了其使用范围，一 般仅用于粉体物料的混合中。 4 青岛科技大学研究一学位论文 端 一蕊墨 嘤1 - 2 瑞士l i s t 公司全相型卧式披轴自清洁式搅拌机 f i 9 1 - 2 a l lp h a s eh o r l z o n l a ls e l f - c l e a n i n gd o u b l es h a h m i x e r d e s i g n e db ys w i t z e r l a n d 】1 s tc o m p a n y 圈卜2 为瑞i is t 公刊曲种伞州型卧j e 烈轴方清沽止搅拌捏合设备1 2 3 | 。它 们既能混台高黏度、面圳状的产r 铺，如树脂熔体：又能馄合吲体粉料。图z 巾设备 的两根轴叶 ， 边一根足辛搅拌轴，r i f i 】仃许多与捏含丰t 连往起的盘片，捏合 杆稍有倾斜，物料诎搅拌轴进行径向混合的同时，能受到一个轴向的输送儿；h 根轴称作清洁轴眩轴l 装有一排倾斜的捏合榧，该轴起到自清沽作用。丁f 常 r 况f 清洁轴以四倍于主搅拌轴的转速进行旋转，通过_ _ 支轴上的捍合柜及叶 等元件相虹捏合，使搅拌器具有白清沾功能= 搅拌轴和盘片的中间是空的，能 著速搅拌捏台机动力特性分析及三维流场模拟 通入传热介质，加上夹套的传热面积，使该搅拌设备具备比较高的仕热能力，装 料系数为6 5 7 0 ，所能提供的撑合能量为0 0 1 o2 k w h k g 。物料在设备内的 流动基本上属于平推流，物料的停留时间可以从几分钟到2 小时不等。该设备的 标准操作压力在o5 x 1 0 5 1 旷p a 之间，揲作温度小于3 0 0 。c ，系列产品的最大容 积达5 m 3 ，最大，蜓动功率达2 0 0 k w 。对于能自由流动的物料，可以通过罐底或在 罐侧面开孔的办法来出料。当采用侧面出料时，可以安装一个可调节高度的堰板。 对于高粘性物的出料则可装置l i s t 公司专门设计的双螺丰t 出料器柬完成。转轴 的密封可用填料密封也町用机械密封。该设备叮用作反应器，如用来生产氢氟酸、 聚酯、聚氨酯、氨基塑料、合成橡胶、染料叫司体、纤维素衍生物等：也可用来 蒸发或下燥高黏性物料，同收溶剂：当然更可_ j 束捏台物料j 。这种设备在搅拌 过程中容易造成物料在捏台框附近粘结，造成搅拌效率的降低，从而限制了其应 用。 囝i - 3 日本住友重机公司开发的全相型自清洁卧式双轴搅拌设备 f i 9 1 - 3 a l l p h a s e l k l e a 玎】“gh o r i z o n t a ld o u b l es h a f t m i x e r d e s i g n e db ys u m i l o m o 图卜3 为2 0 世纪9 0 年代中期f j 本住友重机公司开发的全相型自清洁卧式般 轴搅拌设备p l ，它的向品名为“b i v o i 。a k ”它f 内两点轴上的叶轮数相差1 倍，两 支轴的转述也相筹 倍，凶此刈物料的町切强度高，有般好的搅拌效果。掘测定， 高粘度液体n 姨设备r p 停尉时间分枷曲线相当j 12 个串联的食混槽的曲线，也 就是| 兑，液体的流动行为柏于平推流。另外，由r 叶片的特殊设计，使被搅液 体获得撇好的表面更新。该搅拌设备町在高分子工业中州作本体聚合反应器、缩 聚反应器硐i 脱挥发分设备等。 但f b 于这科t 搅拌设备的叶轮叶数较多，使得加丁制造的难度加大，成奉增高， 而上l 这种搅拌设备只适合于商粘度的液体，对于固体或固体加温的搅拌操作就硅 青岛科技大学研究，上学位论文 得效果欠佳 短渤 图1 4 三菱重i 的三种新型卧式双轴搅拌设备 f i g l - 4 t h r e e t y p eo fn e w h o r i z o n t a ld o u b l es h a m m i x e r d e s i g n e db ym i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r y 图1 - 4 足一菱重工的另外= 种新型卧式搅拌设备。斟a 和图b 都槲卧式舣轴 高粘反应器，商品名为h v r ( h o r i z o n l a lh i g hv i s c o s i t yr e a c l o r ) ，物料在反府器 r ，都是半釜操作，n j 进行本体聚合、溶液聚合、缩聚、脱挥发分、溶剂回收以及 粉体与气体的接触和t 垛。图c 是n 清沾式反应器，商品名为s c r ( s e l f - c l e a n i n g r e a c t o r ) 。l 自反应器在半爷撮作时，ie f 进 ，缩雅、尚柑，被的脱挥发分、高粘液和 气体的接触和混合；d 满釜操作州，”r 进行奉体聚合、溶液崇合以及商粘液与低 粘液或粉体的混合。这几种设备的功率及容积都不是很大，仪应用j 低功率场台。 随着科学坎术的发腱，设备有大型化发展的趋势，也要求搅拌设备大型化。 如【| 外聚合箍的容积已由最初的8 - 4 0 m 3 扩大到6 0 1 0 0 1 1 1 ，最大的已达到2 0 0 m 3 。 令，搅拌设备与| 控技术的结合成为个新的课题1 5j 。如州内引进的7 0 m 3 氯己烯怂浮聚合反应器带有。个不断地对进、出火套的玲却水进j i 量热的软仲， 通过热衡算能宴时的了解反应器。p 氯乙烯的转化率和兴套的总传热系数。由于总 传热系数的变化反映了釜擘上粘刚物的厚度，【川此量热软件对，l ，。过程的控制带 来了很人的便利。对j 很多化学反应，如对溶液聚合和均棚体奉体聚合柬随，体 系的粘度还t ，产 的质罱指标，如、r 均相时分子苗等柏密切睚系。仪凭能实时地 拱得反应器的散热量、传热系数和物料祧度这一个信息，就可h j 水儿发许多搅拌 槠武反m 器 勺蠊控软什。若能进步； f = 线获得反应物的苷胜和p i i i ，则在搅拌 曲式反腑器的智能化山耐更是大有作为。在田内，浙7 【火学丌发的搅拌槽式反应 器的计诈机最热技术已通过中幽竹化总公司的鉴定，并正n 旧一此工业装置上推 r 。 搅拌设备1 j 自挎技术的结合为搅拌设备的发展提供丁崭新的方向。刘十精细 固 石m m 代 差速搅拌捏合机动力特性分析及三维流场模拟 化工、医药以及涂料等行业来说，搅拌设备往往被用做分批式反应器使用，其产 品的种类和牌号经常改变，因而各原料组分的分量、反应温控曲线和搅拌强度也 须经常改变。若用人工操作，不仅提高了工人的劳动强度，还增加了操作周期中 的辅助时间，降低了设备的生产强度，而且还可能因为人为的误差使产品质量波 动。若在这些反应器上安置可编程的自控系统，必定会大幅度提高劳动生产率和 产品质量的稳定性【引。因此，搅拌设备的机电一体化和智能化无疑是一个重要的 发展方向。 1 5 搅拌捏合设备的工程技术特点 搅拌设备使用历史悠久、应用范围广。但对搅拌操作的科学研究还很不够。 搅拌操作看起来简单，但是在实际上，它涉及了众多复杂因素。要想设计出合适 的搅拌捏合设备必须对它的工程技术特点有深刻的了解。搅拌捏合设备具有一下 工程特点【2 】： 1 依赖经验和试验，放大较难 两个规模不同但几何相似的搅拌设备，假使两釜内流体相同，大尺寸设备中 也很难获得与小尺寸设备中一样的流速分布。而且许多搅拌操作，即使达到同样 的搅拌效果，大尺寸设备中单位质量流体中输入的能量与小尺寸设备中的能量输 入可能会有很大的差别。因此，对于复杂过程的放大，至今仍无法用理论预测， 必须进行大量的试验研究。搅拌技术至今还是对经验和试验依赖性很大的工程技 术。另一方面，同一搅拌操作可用多种不同结构的搅拌设备来完成，但不同的实 施方案所需的能耗和设备投资是不同的，有时会有成倍的差别。 2 机械与过程工艺专业知识的集成 从表面上看，搅拌设备是机械产品，是通过机械设计、材料选用和机械加工 而制得。但其中关于搅拌器的选型、搅拌功率计算、流动场、过程放大等流体工 程问题均属于工艺范畴。 3 搅拌设备属于非标设备 各种搅拌设备的用途、介质特性、操作条件、生产能力和安装方式都差别很 大，往往要根据不同的功能、结构、材料和使用要求单独设计，因而搅拌设备的 品种、规格多种多样，是典型的非标设备。 总之，搅拌捏合设备作为一种非标设备，其结构型式极其多样化。随着技术 的进步，不断有新型高效的搅拌捏合设备被开发出来，对搅拌捏合设备的更新更 是日新月异。如达到同样的固液悬浮操作效果，使用新型的搅拌器比传统的搅拌 器可节能5 0 以上；另一方面，达到同样的混合效果，使用结构简单的新型高效 8 青岛科技大学研究生学位论文 搅拌器可使设备制造成本成倍降低。由于目前搅拌捏合设备的设计还强烈的依赖 于经验，因此，掌握先进的混合技术，开发和生产高效的搅拌捏合设备对于国民 经济有着重大的意义。 1 6 本文研究内容 本文所要研究的设备为差速搅拌捏合机。差速搅拌捏合机是一种新型高效的 卧式双轴全相自清洁型搅拌机，用于高粘度物料搅拌混合的场所。这种搅拌机在 混合过程中能不断破碎物料，破碎功能强，而且具有自清理功能和耐腐蚀性能。 它集粉碎、搅拌、捏合自清理、输送于一体，并能连续化生产作业。这种搅拌机 可用于氢氟酸、聚酯、氨基塑料、合成橡胶、硅酯、染料中间体、纤维素衍生物 的生产等，还可用来蒸发或干燥高黏性物料，回收溶剂以及脱挥发分，更可用来 混合和捏合物料。 此类设备的研究目前主要集中于国外的大型混合设备公司。尽管国内已有公 司进行了模仿试制，但由于此类设备是非标设备，其研发主要靠经验和试验，无 论采用规模放大或者是规模缩小技术，都无法达到与原规格设备同等的搅拌效 果。 尤其是搅拌机的核心部分一搅拌机构的设计，则显得更加突出。国外厂家主 要是通过大量试验和多年的实际应用得到的经验值为设计依据，国内的厂家则完 全采用类比法进行设计，结构雷同。由于搅拌机构参数选择涉及到的因素很多， 且较为复杂，因而设计质量的好坏往往需要通过样机测试后才能评定和修改，从 而导致设计周期长，影响产品的开发和行业技术的进步。更为重要的是，由于不 清楚这些参数的内在规律，也就不能使其达到最优，因而也就不能最充分地发挥 搅拌机的作用和效率。因此对搅拌机各参数进行深入的理论分析，继而对其优化， 对于提高搅拌质量和生产率、降低能耗、减少磨损，都非常有意义。 主搅拌轴和清洁轴是差速搅拌捏合机中最重要的构件，搅拌轴的破坏将导致 差速搅拌捏合机整个装置的失效。一方面，搅拌装置在工作过程中受载较大，而 且自身结构形状复杂，又加上工况的变化，导致搅拌轴的受力状况复杂。另一方 面，搅拌轴在工作过程中，由于流体作用力、搅拌轴偏心以及输入功率的波动等 的影响，致使搅拌轴存在轴向、扭转及弯曲等应力的波动，而且他们的振幅和频 率都各不相同，因而搅拌轴极易发生疲劳破坏。 差速搅拌捏合机在工作过程中受力复杂，且受力状态随时间成周期性变化。 流体作用力在一个周期内的变化复杂，并不是简单的简谐载荷或稳定载荷。因此 要想了解搅拌轴不同时刻的受力状况，需要对搅拌轴进行瞬态动力学分析。通过 9 差速搅拌捏合机动力特性分析及三维流场模拟 对搅拌轴进行瞬态动力学分析，得出其在周期性流场激励作用下，各个危险节点 的位移及应力的时间历程响应曲线，使设计人员能够对搅拌轴在正常工况下的瞬 时响应有直观的了解，并为强度分析及疲劳分析奠定了基础。 搅拌过程是通过搅拌器的旋转向搅拌槽内输入机械能，从而使流体获得适宜 的流动场。差速搅拌捏合机内部流体进行着复杂的三维流动，而搅拌过程中物料 的结构、状态、性能等都不断发生变化，难以进行数学描述。长期以来对其内部 流场的研究都是基于测量各个物理量的方法进行，但测量流场的试验装置昂贵而 且耗时。为降低成本，本文对搅拌机的流场进行数值模拟，以了解搅拌设备内部 流场复杂的动态特性，并对搅拌机的搅拌效果进行验证。 基于上述分析，为提高对差速搅拌捏合机的搅拌质量、生产效率以及改善搅 拌设备的结构性能，本文拟对差速搅拌捏合机进行以下方面的研究： 1 参考主搅拌轴和清洁轴相对运动的数学模型，根据差速搅拌捏合机的工作 原理及结构特点对螺棱外形进行简化，使其结构更加合理，更能满足制造加工性 的要求。 2 对差速搅拌捏合机的各个参数的内在规律进行研究，并进一步进行参数 优化，包括对主搅拌轴和清洁轴中心距与螺棱外径的数学关系、搅拌装置长宽比 以及螺棱中径的螺旋角等，以使其满足搅拌机的工作要求。 3 建立搅拌轴单元节参数化模型，在对主搅拌轴和清洁轴进行力学分析的 基础上利用有限元软件a n s y s 进行瞬态动力学分析。通过瞬态动力学分析，得到 搅拌轴的动力特性以及搅拌轴在流体激振力作用下其内部等效应力的时间历程 响应，使设计人员对搅拌轴每一时刻的内部应力有直观的了解，并为进一步结构 优化提供理论依据。 4 对主搅拌轴和清洁轴进行振动特性分析，对其工作状况下的振动型式进 行研究，利用a n s y s 对搅拌轴的模态进行求解，确定其工作状态下的固有频率及 振型，并对其共振性进行判断。另外，通过振动分析可以选定合适的轴系尺寸， 使由轴系所产生的振动得以减少或消除。 5 对主搅拌轴和清洁轴的疲劳状态进行分析，并将理论计算结果与有限元 法计算结果进行对比分析，以了解其在工作过程中的疲劳寿命。 6 对差速搅拌捏合机进行三维流场数值模拟，对搅拌设备内部流场复杂的 动态特性进行研究，并对搅拌机的搅拌效果进行验证以及提出合理化的设计建 议。 1 0 青岛科技人学研究生学位论文 2 差速搅拌捏合机工作原理及结构参数优化 21 差速搅拌捏合机的结构 差速搅拌捏合机主要用1 ：高粘度物系的搅拌与混合，它卜要由传动装骨、支 撑装置和搅拌装置等部分组成，如图2l 所示。 1 一传动装置 2 支撑装置3 一一搅拌装置 图2l 差速搅拌捏合机王要结构示意圉 卜l r a 1 s s l o nd e v i c e 2 s ”p p o nd e v i c e 3 mj x gd e v i c e f i 9 2 ls k e t c ho f t h ed i f f e r e n t s p e e d m i x e rs t f u c l d f e 传动装晋变述器、联轴器、轴承等部分组成。支撑装胃孚要l t * 6 序、前后 芰板、机架苜组成。 搅拌装胃主要山 m 筒体、肟筒体、进料装背、f f 料装。雕、内构f l 、轴封等部 分构成，装置成卧式安装，虽然占f 场地稍人，但是增幔r 揽拌效果歧i 作效率。 搅拌装置的土耍构成郇分足水f 安装的阿撤异；，】传动的芏搅拌轴和清沾轴，萁结 构如图22 所不。剀中【轴是主搅拌轴，轴i - # j 若干按螺旋线排列的捏台框，单 个的捏合榧义和一个盅相连； 一揪轴2 称为消沽轴，清沽轴f 的挫合框也按 螺胜线排列，但其螺旋线的旋及螺旋角与t 搅拌轴不同，这足山差谜搅拌捏合 机的搅拌原理所决定的。文r f l 把断续的搅拌捏台框，简称为螺棱。 筹速搅拌捏台机动力特性分析及j 维流j 自模拟 鬈 圈22 搅拌轴结构 f i 9 2 2 t h es t c l u r eo f t h e m i x e rs h a f t s 22 差速搅拌捏合机的工作原理 差速搅拌捏合机的工作原理主要体现在主搅拌轴和清沽轴间的转速戚倍数 芹的关系l 即t 搅拌轴和清洁轴问的转逑形成了差芹口“。正是这转速上的差异， 实现了搅 1 ：机搅拌粉碎、搅拌、捏合等功能。当清洁轴的转速倍数于土搅拌轴时， 土搅拌轴螺棱顶与清沾轴之间的线速度会相差报大，闪此耗1 合的剪切速牢也增 大，从而促进了剪切和破碎物料的效果。当差速搅拌捏合机在搅拌物料时，山于 搅拌轴螺棱顶部- j 搅拌装置内壁f nj 的州隙的存在，会使部分物料滞酣十l l j 隙当 l l ，这些滞留物料的存在，不仅影响产品的质量，而且降低了搅拌装胃的传热系 数。为此，在差速搅拌捏合机的设计1 - 将搅拌轴螺棱顶部与搅拌装置内畦的u _ _ 【嚣e 距离设汁的很小，有时还在搅拌轴螺棱卜装副川。 差速搅拌捏合机对物料的粉碎作用主受是通过主搅拌轴和清沽轴螺棱怕j 的 “喘合”运动束实现”li 十物料的搅拌作刚通过 。搅拌轴螺棱的旋转来实现，对 物料的捍合作用丰要通过主搅拌轴和清洁轴螺棱硕部之间的间隙以及搅扑轴与 筒畦之f _ i 的川隙结构实现，这些间隙部比较小，囚此物料在这些区域内受到强有 力的剪训作用：自清理和输送功能主要通过清洁轴螺棱螺旋曲面的逆向旋转束贸 耻。 青岛科技大学研究生学位论文 2 3 差速搅拌捏合机的搅拌过程 搅拌过程从本质上讲，是通过搅拌装置的旋转向装置内输入机械能，使流体 获得适宜的流动场，在流动场内进行动量、热量、质量的传递或者同时进行化学 反应的过程【5 l 。搅拌的任务是要达到包括宏观和微观在内的均匀度。但在实际上， 理想的完全均匀搅拌是无法达到的，其最佳状态总是无序地不规则排列，是一种 “概率拌合 2 s 】。 差速搅拌捏合机在工作过程中，物料从进料口进入设备内部后，在搅拌轴螺 棱的旋转作用下从螺棱处高速排出，这股物料同时吸引挟带着周围的物料，使周 围静止的或低速运动的物料卷入到高速运动的物料中。当搅拌装置内设有挡板 时，这股高速流动的物料就会形成水平的循环流；当搅拌装置内有挡板时，它们 就形成强大的沿搅拌装置内壁面及搅拌轴的上下的二次循环流，进而可能形成涡 流，对物料形成强制性的搅拌作用。假定清洁轴静止不动，物料在主搅拌轴和清 洁轴之间剪切流动的示意图如图2 3 所示。 图2 - 3 物料在搅拌轴间的搅拌流动模型 f i g 2 - 3t h et r i m m i n ga n df l o w i n gm o d e lo ft h em a t e r i a l s b e t w e e nm a i ns h a f ta n dc l e a n i n gs h a f t 其中：f 剪切力，a 主搅拌轴主轴与清洁轴主轴的i b j 隙 在物料中取一微单元作为研究对象，该单元在搅拌过程中有着复杂的运动形 式，在摩擦力、剪切力、挤压力、重力等的作用下做无规则的运动。当主搅拌轴 螺棱带动该单元由搅拌装置底部向上运动时，由于该单元处在重