捏合机电机功率与桨叶构型的数学模型

1、捏合机电机功率与桨叶构型的数学模型 崔田 高级工程师（南京中兵恩索科技有限公司 江苏南京）摘要：从理论依据出发，准确计算捏合机驱动功率，依据桨叶及螺杆构型等设计要领，摆脱了传统捏合机生产需要依据经验设计的盲目性关键词：桨叶构型参数 功率计算 1、 设计描述 捏合机是胶类产品较重要的加工设备之一，主要用于橡胶塑料等高分子与配剂的混合。根据捏合机的工作原理可知，加入捏合室的胶料主要受搅拌桨叶与捏合机室壁的剪切和拖拽作用达到混炼效果，因此桨叶形状直接影响高分子材料与各种添加剂的分散和混合的均匀性，另外驱动功率，出料方式等都对生产工艺的效率和优化有着不可忽视的作用。以下我们通过对设计一台2000L丁基

2、热熔胶捏合机来探讨下设计要点：1、 关于桨排列形式(见下图），捏合机桨叶有两种排列形式，一种两桨相切，一种两桨相交，相交型桨叶两桨只能做同速运转，剪切主要发生在桨叶与槽底的小间隙内，两桨交叉部位的物料形成交叉流动，对取得更均匀的混合料更有效，主要适用于粘度较低的粉料为主的物料混合；2、 关于桨型，目前捏合机有4种搅叶形式（见下图），SIGMA双螺旋桨叶,适用于精确分散和强力混合的物料，双拐的空白区可以进入大块的物料，有破碎作用，在食品和橡胶高分子行业较广泛应用，设计和制作比较规范和成熟180°单螺旋桨叶，适用于简单式的混合，其对物料的折断和损伤小班步里型桨叶，也称强力型桨叶，跟密炼机

3、的桨型较为类似，适用强力剪切分散的场合，当强力剪切温度升高时这种桨叶中间钻有空心孔，可通冷却水，降低物料的温升鱼翅型，适用于粉体和液体的简单混合 以热熔胶生产为例：热熔胶是大块的丁基胶、聚合物和填充剂的分散混合，恩索公司选用的是SIGMA双桨结构，两只拌桨采用相切式排放，速比为1:1.44，其W结构形成了两个分散混合区:A.SIGMA搅叶与槽壁旋转区域;B.两搅叶相切区域，其采用整体碳钢铸造，具有较高的强度，其双拐的形状能够很好的破碎大块的丁基胶块的，其螺旋式的结构能够使物料进行上升下降动作达到快速混合并分散加入的填充料，从而制得较好的热熔胶产品；SIGMA桨叶 单螺旋桨叶 班布里强力型 鱼翅

4、型2、 关于电机功率的计算与校核 一般来讲，捏合机的驱动功率跟搅拌物料的粘度和物料流量有关，一般厂家都是根据经验所得。恩索公司经过多年的研究发现，这里是有一套完整的理论计算公式的。根据前人研究发现驱动功率，其中代表胶料粘度，Q代表胶料流量，s代表搅叶凸棱总长度，h代表搅叶与槽底的间隙，另外根据英国人Bollen研究发现，搅拌机转子构型参数A与功率P及物料粘度的关系为，对于特定容量和桨型的捏合机，A近似于定值，代表的是修正系数（，V代表的是工作容积），n代表的捏合机转速我们以恩索公司代表客户波士胶芬德利一台制造丁基热熔胶产品2000L-160kw的捏合机为例来验算一下：经过以上公式我们推算可得出

5、2000L捏合机SIGMA桨的构型参数A大约为（计算依据：一台2000L捏合机配置55kw电机，转速40RPM，物料粘度为500ps的成熟配置机型），计算出=18.96，依据丁基热熔胶粘度极限范围为1500ps，转速最高速为40RPM，反推算出波士胶2000L捏合机，投料量1500KG的情况下所需功率为52kw，考虑功率损耗及投料初期因素值系数，这里取2.0，计算得出所需功率大约为,104kw，再考虑到1.5倍的安全系数约为156kw,因此配置160KW的主电机的能够满足要求的，且达到1.5倍以上的安全系数，能够满足高强度的生产工艺要求；3、 关于出料捏合机常见出料方式有翻缸倾倒式、底阀下出料

6、式和螺杆挤压出料三种，丁基热熔胶的成品胶粘度范围2000cps(150)-150000cps(200)，可设计采用螺杆挤压式出料，根据出料连接及效率要求，我们拟定为3T/H，我们采用直径250mm的机加工螺杆，采用渐变式螺距180-120mm，出料效率验算：计算每旋转一周的出料量约为942克，根据螺杆转速62RPM，可以推算出每小时出料量为3504KG（比重为1时），热熔胶成品kg/L，估算可以满足出料速率要求；关于螺杆驱动功率计算与校核：螺杆功率确定计算的方法较多，譬如公式计算，取类比经验值，都是基于熔体输送理论，针对丁基型热熔胶粘度为范围2000cps(150)-150000cps(200

7、)，由于捏合机的螺杆主要功能是输送，一般长径比较小，螺杆与桶壁的间隙也比较大（1mm),mm,根据国产单螺杆挤出机的一些数据统计，得出一个估算挤出机功率的公式，这里D代表螺杆直径，k为系数，n为螺杆转速，根据目前单螺杆行业生产和统计，对系数，当D<90mm时，k取0.00354，当D>90mm是，k取0.008，在捏合机行业，因螺杆长径比较小（一般1:4-6，单螺杆挤出机1:7-25），螺杆与桶壁间隙大，挤出阻力较小，根据恩索公司在多年制造和试验过程中推算得知，当D>120mm时，k取0.0007(已计入1.5倍的安全系数）；我们将相关数据代入计算，考虑功率损耗，因此选用30KW