电磁动态密炼机四棱异步剪切型转子的设计及模拟分析

林广义，吕宁宁，艾冲冲

（1.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；2.山东省高分子材料先进制造重点实验室，山东 青岛 266061）

在高分子材料加工行业中，密炼机是应用最为广泛的间歇式混炼设备。由于传统密炼机存在功率消耗高和体积庞大等缺陷，因此需要改进密炼机的结构，以减小体积和降低能耗，而电磁动态技术在密炼机上的应用为解决此问题提供了新途径[1-3]。电磁动态技术利用能量转化的原理将电磁场引起的振动场引入聚合物加工成型的全过程，引起高分子材料相变、填料聚集态变化、高分子产生自补强等一系列新的物理化学作用，从而增强胶料混炼效果并降低混炼能耗[4-5]。

转子是密炼机的核心部件，其结构领域的研究不断扩展和深入[6-9]。本工作设计密炼机四棱异步剪切型转子，建立在电磁振动条件下转子的三维数学模型，并运用专业流体软件Polyflow动态模拟转子流场，分析在电磁振动条件下转子流场各参数的变化规律。

1 模型设计

1.1 转子设计

本次设计的密炼机容量为3 L，四棱异步剪切型转子速比为3∶2，转子一端加上周期性的轴向振动（通过电磁激振器实现），振动频率在0～10.8 Hz之间。该转子由电磁绕组装置、转动和振动部件、运动部件的轴向电磁支承以及与运动部件构成物料工作容积的固定部件组成，具有吃料能力和适应性强、排胶速度快、破胶性能好、填料分散和胶料混炼均匀等特点[10-12]。

转子结构如图1所示。

图1 转子结构示意Fig.1 Rotor structure

1.2 电磁振动的驱动方式

电磁动态密炼机的创新点是将电磁振动引入胶料的混炼过程，在转子轴端加上电磁激振器，使其能够在轴向进行微小的来回转动。振动在工程学科领域有两个重要的分支：振动抑制和振动利用[13-15]。

1.3 转子模型

转子的三维模型如图2所示，其特点是长棱在一侧，短棱在另一侧。前后转子在旋转时有一定的速比，即转速不相同，使得工作时转子对胶料的剪切作用增大。

图2 转子的三维模型Fig.2 Three dimensional model of rotor

密炼室和转子的几何形状及转子的长短棱沿基圆展开如图3所示。转子的基本几何参数为：中心距 140 mm，内径 85 mm，外径 136 mm，长度 210 mm（长棱长度为168 mm，短棱长度为42 mm）。

图3 密炼室和转子的几何形状及前后转子展开示意Fig.3 Geometry of mixer chamber and rotor and deployment of front and rear rotors

在混炼过程中胶料充满整个密炼室，因此以转子基圆和密炼室尺寸（转子突棱与密炼室内壁的间隙为2 mm）确定转子流场的三维网格模型，如图4所示。

图4 四棱异步转子流场网格模型Fig.4 Grid model of four edge asynchronous rotor flow field

转子混炼模型流场的物理参数为：密度（ρ）1 066 kg·m-3，牛顿指数（n） 0.385，零剪切粘度（η0） 1 000 000 Pa·s，无穷剪切粘度（η∞） 10 Pa·s，粘弹性特征时间（λ） 10 s；边界条件的设定为：转子速比 60∶40（3∶2），流体内壁表面速度为 0 m·s-1。

本研究针对前转子转动1周的流场进行动态数值模拟，设置前转子的转速为60 r·min-1，转子每旋转9°就输出1个结果，可以得到40个模拟结果。为简化模拟数据，选取0.1，0.4，0.7和1.0 s（分别对应36°，144°，252°，360°）时的流场模拟结果进行分析。在其他条件不变的情况下，根据电磁振动频率在0～10.8 Hz间，本次设计选择在10 Hz振动频率下进行模拟分析。在研究转子三维流场的动态数值模拟时，最能说明密炼机转子混炼特性的区域是转子螺棱混合区域的流场，因此选取两转子螺棱汇合的截面来作为模拟结果的轴向截面，这3个平面依次对应1-1，2-2和3-3轴向截面，如图5所示。

图5 1-1，2-2和3-3轴向截面Fig.5 The 1-1，2-2 and 3-3 axial sections

2 结果与分析

对电磁动态密炼机转子在振动条件下的三维转子流场进行了模拟分析，关于传统密炼机的研究报道已经较多，限于篇幅，本文只列出电磁动态密炼机的模拟分析结果。

2.1 压力场

在研究电磁振动条件下转子流场的压力场时，选取转子分别在0.4和0.7 s时流场的整体压力分布（见图6）及1-1，2-2和3-3轴向截面的压力分布（见图7），探讨转子流场的压力分布的规律。

图6 转子流场的整体压力分布Fig.6 Overall pressure distributions of rotor flow field

图7 1-1，2-2和3-3轴向截面的压力分布Fig.7 Pressure distributions of 1-1，2-2 and 3-3 axial sections

由图6和7可以看出，与传统密炼机（相应转子流场图略，下同）相比，电磁动态密炼机转子流场的压力场出现最高压力的时间缩短，即电磁振动可以缩短炼胶时间。同时，加入电磁振动的转子流场的最高压力比没加电磁振动的转子流场的最高压力大，电磁动态密炼机的工作效率提高，能耗降低。

2.2 速度场

选取转子在0.4和0.7 s时的速度矢量和速度分布，分别如图8和9所示，研究在电磁振动条件下转子流场的速度分布情况。

图8 转子流场的速度矢量Fig.8 Velocity vectors of rotor flow field

图9 转子流场的速度分布Fig.9 Velocity distributions of rotor flow field

从图8和9可以看出，与传统密炼机相比，电磁动态密炼机使转子流场的最大速度较早地出现，更快地完成胶料的混炼过程。

2.3 剪切速率分布

选取转子在0.4和0.7 s时的剪切速率分布，如图10所示，研究电磁振动条件下转子流场的剪切速率分布情况。

图10 轴向截面的剪切速率分布Fig.10 Shear rate distributions of axial sections

由图10可以看出，在电磁振动条件下，转子流场的最大剪切速率会较早地出现。与传统密炼机相比，电磁动态密炼机转子转动过程中胶料更早地经历最大剪切速率。

2.4 粘度分布

在电磁振动条件下，研究转子流场的粘度分布规律时选取了转子在0.4和1.0 s时的粘度分布，如图11所示。

图11 转子流场的粘度分布Fig.11 Viscosity distributions of rotor flow field

由图11可以看出，在转子突棱处的粘度很小而在转子平滑处的粘度较大。这是因为转子在振动条件下，胶料更容易向平滑区域流动，这说明电磁振动对于胶料的混炼非常有利，并且能够加快这一过程。

2.5 混合指数分布

在电磁振动条件下，选取1-1轴向截面的转子流场的混合指数分布，如图12所示，分析在0.1，0.4，0.7和1 s时转子流场的混合指数的分布规律。

图12 1-1轴向截面的混合指数分布Fig.12 Mixing index distributions of 1-1 axial section

从图12可以看出，在0.1，0.4，0.7和1.0 s时，在两转子的啮合部分转子流场的混合指数达到0.7及以上的区域较多。在电磁振动条件下，转子对胶料的混炼产生更大的作用，转子流场的混合指数比不加振动条件的要小一些，这说明更多的胶料在转子转动过程中受到了剪切作用。

2.6 质量浓度场

在电磁振动条件下，转子流场的质量浓度场分布如图13所示。

图13 转子流场的质量浓度分布Fig.13 Mass concentration distributions of rotor flow field

从图13可以看出，随着时间的延长，不同质量浓度的流体不断地互相混合。与传统密炼机转子流场的质量浓度场相比，电磁动态密炼机转子流场出现最大质量浓度的时间缩短，这是因为电磁振动使转子形成的轴向振动，提高胶料相互交换速度，使胶料更快地完成混炼过程。

3 结论

设计电磁动态密炼机四棱异步剪切型转子，用流体分析软件对密炼机混炼过程中的流场进行了动态模拟，并研究了在电磁振动条件下流场的变化规律。在电磁振动条件下，转子流场出现最高压力、最大速度、最大剪切速率和最大质量浓度的时间缩短，转子突棱处的粘度很小，转子平滑处的粘度较大，混合指数较小，从而使胶料快速完成混炼，提高混炼效率，降低混炼能耗。