2007-9-14111510---新型混炼挤出一体机转子的探讨.doc

新型混炼挤出一体机转子的探讨*刘虹，韩宇，汪传生（青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061）摘要：本文针对青岛科技大学混炼工程室研发的新型混炼挤出一体机设计出了三对转子，并对这三对转子的构型和流动情况进行了一定探讨。关键词：新型二棱同步转子，销钉式二棱同步转子，功能二棱同步转子，混炼，排胶THE STUDY OF ROTORS IN THE NEW-STYLE MIXING-EXTRUDING EQUIPMENTLiuhong，hanyu，Wangchuansheng(Qingdao University of Science and Technology , Shandong qingdao 266061)Abstract: We designed three rotors: new-style two-wing synchronous rotors, pinned two-wing synchronous rotors and functional two-wing synchronous rotors. The three rotors used in the new-styles mixing-extruding equipment of the Mixer Research Team of Qingdao University of Science & Technology. Studied the mechanism and configuration of the three rotors. Keywords: new-style two-wing synchronous rotors pinned two-wing synchronous rotors functional two-wing synchronous rotors mixing discharge 1.概述聚合物共混物是高分子材料工业中应用越来越广泛的材料，而且对它的性能要求越来越高，特别是有些产品要求从原材料到产品能实现一次性连续生产，但现有的加工设备大都无法实现，为了解决这一难题，人们近年来都在积极研制适合聚合物共混物等新型成型加工设备。本文设计的新型转子主要应用于青岛科技大学混炼工程室新开发的混炼挤出一体机中，该混炼挤出一体机所要完成的任务是从间歇式投料、间歇式混炼到最终的连续挤出。这种新型混炼挤出一体机是在原有混炼设备的基础上研究开发的，其主要思路是把密炼机和挤出机做成一体机，密炼部分在上方，挤出部分在下方。原料投入上方的密炼部分进行混炼，混炼好的胶料被暂时排放在存胶室中，存胶室在密炼部分和挤出部分的连接处，它的用途主要是使从密炼部分排出的胶料在进入挤出部分前暂时存放一段时间以便顺利地实现连续挤出。最后胶料进入下方的挤出部分进行挤出成型。通过调节密炼部分的转子转速和挤出部分的螺杆转速实现最终的连续挤出成型。2.转子构型及混炼情况分析对于整个机台来说，密炼部分的转子设计是十分重要的。由于密炼部分的转子具有不同于原有密炼机转子的独特功能，即转子在不同的工作状态下，转子的工作情况不同。当处于混炼工作状态时，转子像原有密炼机的转子一样相对转动，完成对胶料的混炼作用；当胶料混炼结束后，胶料要从密炼部分的一侧排出，这时两转子同向旋转，将胶料输送到密炼部分的一侧，从而使胶料顺利地从密炼部分的侧面排到存胶室中，然后进入挤出部分实现连续挤出成型。由于上述对转子功能的特殊要求，因此，对转子构型的设计需要根据混炼挤出一体机的特殊要求进行。初步设计了三种转子构型，分别是新型二棱同步转子、销钉式二棱同步转子和功能二棱同步转子。其转子结构示意图和转子展开图，如图13所示。 图1 新型二棱同步转子结构示意图及转子展开图 图2 销钉式二棱同步转子结构示意图及转子展开图 图3 功能二棱同步转子结构示意图及转子展开图 图4 原有的二棱同步转子结构示意图及转子展开图如图4所示，原有的二棱同步转子两个突棱的螺旋方向不同，螺旋角也不同，胶料在一根转子上即可完成一个循环过程，是小循环；而新型二棱同步转子（如图1所示）的两转子突棱的螺旋方向是相同的，而且两螺旋突棱的长度一样，螺旋角也相同，所以新型二棱同步转子完成一次胶料的循环，需要两根转子共同作用，是一个大循环。所以这种转子构型不可避免的会影响到对胶料的混炼作用及混炼效果，使得胶料的轴向混炼作用被削弱。为了改进混炼作用和混炼效果，设计了销钉二棱同步转子。它是在新型二棱同步转子的基础上，在转子两根突棱之间的某些位置上，添加了一些小尺寸的销钉结构，这些小销钉的排布的方向与转子突棱的螺旋方向相反，如图2所示。这些小销钉的存在，打破了胶料的固有流动状态，使得胶料流速场不断变化，增强胶料在轴向的流动性。而且由于这些小销钉的尺寸较小，对胶料都向某个方向运动的阻碍相对较小，不会对胶料的排出产生太多的影响。同时，胶料在向侧面排出的过程中，会产生旋流，类似于销钉螺杆的作用，有利于胶料进一步混合。图5所示的是胶料在新型二棱同步转子上的流动情况。当棱1首先迎胶时，一部分胶料通过棱1与混炼室内壁的间隙流过，另一部分胶料则不经过棱顶间隙而直接从棱槽流过，不经受剪切；然后，大部分胶料经过棱2与混炼室内壁的间隙流过，转子转动一周，所有胶料至少经历一次剪切。当棱2首先迎胶时，胶料的流动情况基本与棱1先迎胶时相同。由于转子突棱的棱长较大，胶料在混炼过程中受到的剪切作用较强，同时由于突棱的螺旋角较大，使胶料的轴向流动性在某种程度上得到了提高，从胶料的流动情况来看，由于新型二棱同步转子的螺旋角相同，使得胶料的流动状况较为固定，流速场变化不大，可能对胶料的分布混炼有一定影响。所以新型二棱同步转子的性能可能较原来的二棱同步转子的性能稍差一些，但仍也可满足对胶料混炼的要求。 图5 混炼胶在新型二棱同步转子 图6 混炼胶在销钉式二棱同步转子上的流动情况分析 上的流动情况分析胶料在销钉式二棱同步转子上的流动情况如图6所示。当棱1首先迎胶时，一部分胶料通过棱1与混炼室内壁的间隙流过，受到一定的剪切力，另一部分胶料则不经过棱顶间隙而直接从棱槽流过，不经受剪切；其次，胶料通过小销钉之间的间隙以及销钉与突棱之间的间隙，受到了一定的混合作用；然后，大部分胶料经过棱2与混炼室内壁的间隙流过，转子转动一周，所有胶料至少经历一次剪切；最后，胶料还要受到小销钉的混合作用。当棱2首先迎胶时，胶料的流动情况基本与棱1先迎胶时相同。销钉式二棱同步转子与新型二棱同步转子相比较，其构型上的主要区别是在新型二棱同步转子的基础上添加了辅助的小销钉结构，从混炼胶在销钉式二棱同步转子上的流动情况来看，其流动情况要复杂的多，由于剪切型转子的剪切作用主要发生在转子突棱与混炼室之间的间隙处，而且设计的转子突棱的棱长较大，胶料在混炼过程中受到的剪切作用较强；同时由于销钉结构的存在及其与突棱螺旋方向相反的排布方向，使得胶料在轴向的流动情况得到了较大的改善，打破了胶料原有的流动状态，胶料的流动发生了变化，改进了转子的分布混炼效果。从两种转子的流动情况比较来看，销钉式二棱同步转子比新型二棱同步转子的混炼效果更好一些。通过前期的研究，在剪切型密炼机中，分散混炼主要发生在转子突棱顶端与混炼室壁之间的高剪切区，而分布混炼发生在转子突棱前面的滚动层。分布混炼使物料反复从一个转子突棱送到另一转子突棱处，从一侧混炼室送到另一侧混炼室的连续不断的分解及重新合并，使得捏炼、混合得到进一步加强。剪切型密炼机的分散混炼性能优异，但是在混炼胶组分和温度均匀性方面比不上啮合型转子密炼机，为综合利用这两种转子的优点，并解决上述提到的新型二棱同步转子轴向作用差的问题，设计出了功能转子。其设计思路是：将啮合型转子和剪切型转子的最好特性结合到了一根转子上，将同一根转子上的两根突棱分别赋予不同的使命，其中一个突棱（剪切突棱）的任务是对胶料进行剪切作用，相对应的另外一根转子突棱（推进突棱）的任务则是对胶料进行分布作用。对于剪切转子突棱，选择小的螺旋角使得转子在突棱顶端与混炼室内壁之间的高剪切区上转子突棱单位长度的物料流量最大。一般转子突棱螺旋角为300330时，聚积在转子突棱前的约85的物料都被强制通过转子突棱顶端和混炼室壁之间的间隙【1】。因而在设计转子时将剪切突棱的螺旋角定为320；而对于推进突棱，选择大的螺旋角可以提高沿转子轴向的物料流。设计时将推进突棱的螺旋角定为520。 图7 混炼胶在功能二棱同步转子 图8功能二棱同步转子的上的流动情况分析 排胶情况分析在混炼过程中，一根转子的剪切突棱与另外一根转子的推进突棱相对，相位一旦确定以后，两转子突棱相对点就不会再发生改变。所以在整个混炼过程中，一根转子的剪切突棱始终与另一根转子的推进突棱相对，胶料在剪切突棱和推进突棱的共同作用下，可以保证物料有效地从一侧混炼室进入到另一侧混炼室。胶料在功能二棱同步转子的流动情况如图7所示，由于功能二棱同步转子要求一根转子的剪切突棱必须与另一根的推进突棱相对应，才能完成两转子的功能要求，当前转子的推进棱首先迎胶，由于推进突棱的螺旋角较大，产生的滚动层较小，形成的压力较低，使得胶料的轴向流动较好，因而大部分胶料在前推进棱的作用下，直接从棱槽流过，只有一小部分通过棱与混炼室壁的间隙，但是这些流过棱顶间隙的胶料受到的剪切力也不大；然后胶料通过前剪切棱与混炼室内壁的间隙流过，受到强烈的剪切力，则主要时是因为分散突棱的螺旋角较小，从而产生高的填充量，转子的楔形区产生局部高压，使得通过转子棱与混炼室壁之间间隙的胶料所受到的剪切效果最强。这样转子旋转一周，胶料受到的剪切力很强，分散混炼效果很好，而且轴向流动效果也很好，分布混炼效果也很好。相对应的后转子的剪切首先迎胶，胶料受到转子棱顶与混炼室壁之间间隙的强烈剪切作用，然后胶料又与推进突棱相遇，受到轴向作用力，胶料在受到剪切和轴向作用后，胶料的分散混炼效果和分布混炼效果都达到最佳。由于功能二棱同步转子的特殊结构以及转子上两根突棱的功能分配，所以对转子的排布也会有特殊要求，一根转子的剪切突棱和另一根转子的推进突棱要相对应，并且由于剪切突棱的螺旋角较之推进突棱的要小的多，所以推进突棱的长度要比剪切突棱长，所以在安装两根转子的时候，就会对两根转子的相位以及突棱通过两转子相互作用的范围时彼此之间的方向都有特殊要求，以保证在整个混炼过程中，一根转子上的剪切突棱始终与另一根转子上的推进突棱相对应，从而可以保证胶料有效地从一侧混炼室进入到另一侧混炼室，从一个转子突棱输送到另一个转子突棱。3.排胶功能分析分析过所设计的三对新型混炼挤出一体机转子的混炼过程之后，可见三种转子均能满足对胶料的混炼要求，但混炼效果存在差异，功能二棱同步转子的效果最好，其次是销钉式二棱同步转子，新型二棱同步转子的效果稍差一些。这三种转子在排胶功能机理方面基本相同，当两根转子同向旋转时，转子突棱会向同一个方向对胶料产生作用力（以功能二棱同步转子为例，排胶情况分析如图8所示）。当然，由于三种转子的构型上的差别，他们的排胶情况还是存在差异的。新型二棱同步转子的突棱螺旋方向相同，而且螺旋角均为380，在两根转子的共同作用下，其排胶是最顺畅的；销钉式二棱同步转子，在转子突棱之间添加了小尺寸的销钉，在排胶时，这些小销钉即使起到一定的阻碍作用，也相对较小，不会对排胶产生太大的影响；功能二棱同步转子主要因为它的两根突棱的螺旋角不同，可能会对排胶产生一定的影响，但由于两根突棱的螺旋方向相同，胶料还是会被推向一端，最终实现侧面排胶的功能。从分析可见，三种转子都能完成排胶功能，而且效果基本一致。具体的排胶效果的比较，将进行更深层的探讨。4.结论新型混炼挤出一体机的转子，兼有混炼和排胶两种功能，为适应新型混炼挤出一体机的特殊功