CN106113303B - 一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，所述密炼机转子包括转子体，所述转子体上设置有四条突棱，包括两条长棱和两条短棱，所述突棱从所述转子体的两端向中间螺旋延伸，包括始端和终端；所述突棱的棱顶上分别设置有若干齿槽，沿所述始端到所述终端方向上，每条突棱上的所述齿槽的宽度差不变，并且所述齿槽与齿槽之间的距离逐渐变小。本发明的有益效果在密炼机转子的突棱处加齿槽，改变胶料的周向流动，有利于各种填料、配合剂的分布与分散；齿槽的数量及其分布密度随着胶料周向流动的速度的增大而增加，强化了坨状胶料在棱与棱之间相互捏炼作用，使得胶料在密炼室内的流动更混乱，提高了炼胶质量和炼胶效率。

Description

一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子
技术领域
本发明涉及橡塑机械设备技术领域，具体来说，涉及一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子。
背景技术
在橡胶混炼过程中，胶料(橡胶和炭黑等)在密炼室中的运动主要有两种形式：其中一种是胶料周向的运动，对于剪切型转子而言，胶料在密炼室中会形成两个周向运动；另外一种运动形式则是轴向运动，轴向的运动能够起到自动翻胶和混合的作用，使得胶料在密炼室中分散混合趋向最优。流动过程中通过转子的剪切拉伸作用产生新的界面，而这新界面则是提高小料混合效果的重要因素。
然而，对于密炼机剪切型转子而言，由于转子突棱的存在，转子表面上的各点的回转半径也不相同，从而导致了转子表面各点处的胶料流动速度大小也存在差别。一般来说随着回转半径的增大，胶料的流动速度也会相应的增大。
另外一方面，对于剪切型转子，随着转子表面回转半径的增大，转子与密炼室内壁之间的间隙会变小，转子突棱顶与密炼室内壁形成的间隙是产生高剪切应力，间隙变小直接导致了胶料混炼时温度急剧升高，容易引起胶烧现象。
因此，如何克服现有密炼机转子所存在的不足，提高炼胶速率和炼胶质量，便成为业内人士亟需解决的关键技术问题。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种锯齿型动态变间隙密炼机转子，能够显著提高胶料流动性与分散性。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，所述密炼机转子包括转子体，所述转子体上设置有四条突棱，包括两条长棱和两条短棱，所述突棱从所述转子体的两端向中间螺旋延伸，包括始端和终端；所述突棱的棱顶上分别设置有若干齿槽，沿所述始端到所述终端方向上，每条突棱上的所述齿槽的宽度差不变，并且所述齿槽与齿槽之间的距离逐渐变小，同时在转子的轴向方向上齿槽的深度均相同；所述齿槽的开口方向平行于所述转子体的端面，所述齿槽与相邻齿槽之间设置有齿槽间距；所述突棱上的所述齿槽的宽度与相邻齿槽的宽度差均相等，并根据转子棱的长度确定；沿所述始端到所述终端方向上，所述齿槽间距的宽度不断减小，并由转子棱的长度确定；所述齿槽在所述转子体轴线上的投影位置关系为：一条所述长棱上的齿槽间距与另一条所述长棱上的齿槽位置对应，且宽度相等。
进一步地，所述密炼机转子为剪切型转子，所述突棱位于所述转子体基圆外表面圆周上。
进一步地，两条所述长棱均起始于所述转子体的一端，两条所述短棱均起始于所述转子体的另一端，并且，两条所述长棱的旋向为反向对称，两条所述短棱的旋向为反向对称，所述长棱与另一始端短棱相位差在60°至120°之间，同一始端两条长棱的相位差范围在160°至200°之间。
进一步地，所述长棱的螺旋角范围为15°至50°，所述短棱的螺旋角范围为20°至55°，通过所述长棱和短棱合适的长度选择保证转子的轴向力与周向力均衡。
进一步地，所述突棱上的齿槽的深度在转子的轴向方向上不变化，其深度由转子体积及转子棱的长度确定。
进一步地，所述转子体的任一轴向截面上，所述齿槽的底面在所述轴向截面上的投影在以所述转子体为圆心的浅齿槽圆和深齿槽圆上。
本发明的有益效果：
1、在密炼机转子的突棱处加齿槽，改变胶料的周向流动，胶料在被迫通过突棱与密练室壁或两转子之间时，胶料不仅受到转子与密练室壁之间的强剪切、拉伸作用，还在转子突棱齿槽处有较强的剪切拉伸作用，进而产生更多的新鲜表面，有利于各种填料、配合剂的分布与分散；
2、随着剪切升温以及胶料门尼钻度的降低，齿槽的剪切作用反而成了辅助作用，而有利于胶料的充分流动和分散；
3、齿槽的数量及其分布密度随着胶料周向流动的速度的增大而变密，强化了坨状胶料在棱与棱之间相互捏炼作用，使得胶料在密炼室内的流动更混乱，提高了炼胶质量和炼胶效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子的结构示意图；
图2是根据本发明实施例所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子的主视图；
图3是根据本发明实施例所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子的侧视图；
图4是根据本发明实施例所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子的棱展开图；
图5是图3中A-A处剖视图；
图6是图3中B-B处剖视图；
图7是胶料均匀性测试实验结果；
图8是混炼过程的温度变化曲线；
图9是弹性剪切模量的变化曲线；
图10是Payne效应的实验结果。
图中：
1、转子体；2、突棱；3、长棱；4、短棱；5、始端；6、终端；7、棱顶；8、齿槽；9、齿槽间隙；10、浅齿槽圆；11、长棱Ⅰ；12、长棱Ⅱ；13、短棱Ⅰ；14、短棱Ⅱ；15、齿槽间距Ⅰ；16、齿槽间距Ⅱ；17、齿槽Ⅰ；18、齿槽Ⅱ；19、深齿槽圆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2、3所示，根据本发明实施例所述的一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，所述密炼机转子包括转子体1，所述转子体1上设置有四条突棱2，包括两条长棱3和两条短棱4，所述突棱2从所述转子体1的两端向中间螺旋延伸，包括始端5和终端6；所述突棱2的棱顶7上分别设置有若干齿槽8，沿所述始端5到所述终端6方向上，每条突棱2上的所述齿槽8的宽度差不变，并且所述齿槽8与齿槽8之间的距离逐渐变小，距离的大小由棱的长度加以确定。
所述密炼机转子为剪切型转子，所述突棱2位于所述转子体1基圆外表面圆周上，所述密炼机转子可以为同步转子，也可以是异步转子。当作为异步转子时在工作时，前后转子的相对回转速度是不同的，通常前后转子以一定的速比进行回转，利用前后转速的不同来增大对胶料的剪切作用，可以较好地把胶料剪开，也可以很容易地吃入所填充的胶料，具有良好地强剪切和吃料能力。
实施例
在一个实施例中，所述四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子包括转子体1，所述转子体1上设置有四条突棱2，包括两条长棱3和两条短棱4，所述突棱2从所述转子体1的两端向中间螺旋延伸，包括始端5和终端6；所述突棱2的棱顶7上分别设置有若干齿槽8，沿所述始端5到所述终端6方向上，每条突棱2上的所述齿槽8的宽度差不变，并且所述齿槽8与齿槽8之间的距离逐渐变小。
两条所述长棱3均起始于所述转子体1的一端，两条所述短棱4均起始于所述转子体1的另一端，并且，两条所述长棱3的旋向为反向对称，两条所述短棱4的旋向为反向对称，所述长棱3的螺旋角范围为15°至50°，所述短棱4的螺旋角范围为20°至55°，在对棱的设计时通过所述长棱和短棱合适的长度选择以保证转子的轴向力与周向力均衡。
所述齿槽8的开口方向平行于所述转子体1的端面，所述齿槽8与相邻齿槽8之间设置有齿槽间隙9。如图4所示转子的棱展开图，其中棱线上的实线位置为齿槽间隙，实线与实线之间的空白为齿槽。
沿所述始端5到所述终端6方向上，如图4中的箭头方向，每条突棱2上的所述齿槽8的宽度逐渐变小，并且所述突棱2上的所述齿槽8的宽度与相邻齿槽8的宽度差均相等，即所述齿槽的宽度为等差数列，在本实施例中，宽度差值为0.5mm。长棱包括长棱Ⅰ11和长棱Ⅱ12，短棱包括短棱Ⅰ13和短棱Ⅱ14，在图4中，长棱Ⅰ上始端的第一个齿槽为齿槽Ⅰ17，第二个齿槽为齿槽Ⅱ18，齿槽Ⅰ17与齿槽Ⅱ18之间的实线处是齿槽间隙Ⅰ15；长棱Ⅱ12上的始端位置的齿槽间隙Ⅱ16，如图4中所示。
沿所述始端5到所述终端6方向上，所述齿槽间隙的宽度等于相邻的前一个齿槽的宽度。也就是说，在长棱Ⅰ上，齿槽间隙Ⅰ的宽度等于齿槽Ⅰ，下一个齿槽间隙的宽度等于齿槽Ⅱ的宽度，以此类推。在本申请中所述的齿槽宽度与齿槽间隙的宽度均为其在转子体轴线上的投影长度。
所述齿槽8在所述转子体1轴线上的投影位置关系为：一条所述长棱3上的齿槽间隙9与另一条所述长棱3上的齿槽8位置对应，且宽度相等。从图4中的位置关系可以看出，长棱Ⅱ12上的始端位置的齿槽间隙Ⅱ16与长棱Ⅰ11上的齿槽Ⅱ18位置对应，且宽度相等。依次类推，长棱Ⅰ上的齿槽间隙与长棱Ⅱ上的齿槽位置对应。
两条长棱在转子体上反向对称，在胶料混炼过程中，长棱与长棱之间存在160°至200°的相位差，因此，将两条长棱的齿槽位置同样设置相位差，使转子在转动过程中，对于密炼室内的胶料都可以经过齿槽的剪切作用，有利于胶料的充分流动和分散。
在本实施例中，所述突棱2上的齿槽8的深度均相同，所述转子体1的任一轴向截面上，所述齿槽8的底面在所述轴向截面上的投影均在以所述转子体1为圆心的浅齿槽圆10上，且所述浅齿槽圆10的半径相等。由图5-6中可以看出，选取的任一A-A，B-B截面上，所有的齿槽的底面为弧形，在所述轴向截面上的投影均在齿槽圆上。通过此设计，齿槽实质上是为突棱在转子体上的切线槽。
这样的齿槽底面是与转子体的圆柱表面在同心的圆柱面，以便在转子转动过程中，齿槽内部交流可以进行有效的流动，避免在齿槽内进行胶料堆积，提高胶料的分散效果。
四棱锯齿切线型转子是基于传统四棱切线型转子的流动机理进行改进的密炼机转子，由传统切线型密炼机原理可知，切线型转子突棱的数量、位置、尺寸、螺旋角度、顶端几何形状和内部热量传递能力等参数对混炼产品的质量都有很大影响。因而在传统四棱转子突棱上加不同间隙的锯齿槽，使得转子在横截面的轴向和转子的轴向方向上，转子棱顶与密炼室壁的间隙是不相等的，且由于随着回转半径的增大，胶料的流动速度也会相应的增大。所以所开切线槽的密度会随着回转半径的增大而增加。
与传统切线型转子相比，四棱锯齿切线型转子既有其相似之处，又有其独特的优势。由于转子突棱处存在锯齿状的切线槽，在混炼初期，胶料在被迫通过突棱与密练室壁或两转子之间时，胶料不仅受到转子与密练室壁之间的强剪切、拉伸作用，还在转子突棱键槽处有较强的剪切拉伸作用，进而产生更多的新鲜表面，有利于各种填料、配合剂的分布与分散。而随着剪切升温和门尼粘度的降低，粘弹性的胶料在突棱与密练室壁之间时，剪切变稀的胶料更易从键槽中流动，从而减轻了胶料强烈的剪切升温效果。且由于转子突棱处开有锯齿状的切线槽，在混炼过程中，若两转子有速度梯度，则两转子突棱处的间隙，处于动态可变的状态，既可以实现小间隙时的强烈剪切分散，又可包装大间隙的分布降温效果，从而为锯齿型动态可变间隙转子中白炭黑的充分分散以及硅烷化反应提供了有效的保障。
为检验其对小料的分散分布影响，采用锯齿形转子与未开齿形的转子进行对比实验。
在实施例与对比实验中，采用的传统全钢子午胎胎面胶配方，配方如下表1所示。
表1胎面胶配方
采用胎面胶配方，利用本实验室研制的哈克密炼机，分别在两种不同的转子构型上进行混炼，对所得实验数据进行分析对比。分别就升温速率、炭黑分散度、流动性、物理机械性能等进行对比研究，得到两种不同的转子构型对胶料性能的影响。
实施例与对比实验中，混炼工艺方法具体为：转速设定为80r/min，恒温炼胶模式。加料顺序：加原胶塑炼40s后，加炭黑总量的一半以及小料(除了硫磺)混炼40s后提上顶栓，加入剩余炭黑和白炭黑到哈克密炼机中混炼，然后120°提一次上顶栓，130°提一次上顶栓，140°提一次上顶栓。保持在140°--150°之间一分钟，到150°排胶。
利用传统胎面胶配方分别进行了四棱锯齿切线型转子与传统切线型转子的混炼实验。测得两种构型的转子混炼胶料的分散度、门尼黏度、拉伸强度、撕裂强度、低应变剪切模量等。并且将两种转子的实验数据相对比，得出两种不同构型的转子对于胶料性能的影响。
(1)炭黑分散及胶料均匀性分析
用炭黑分散度仪测试胶料的分散度值，比较两种构型转子炭黑分散度情况，其结果如下表2所示：
表2炭黑分散度
由表2可知四棱锯齿切线型转子的炭黑分散度优于传统切线型转子。这是因为胶料在被迫通过凸棱与密练室壁或两转子之间时，胶料不仅受到转子与密练室壁之间的强剪切、拉伸作用，还在转子凸棱键槽处有较强的剪切拉伸作用，进而产生更多的新鲜表面，有利于各种填料、配合剂的分布与分散。
(2)胶料均匀性测试
采用Alpha公司的RPA2000橡胶加工分析仪同样能对白炭黑的分散性和均匀性进行分析，在同一片胶料中，选取四个位置取样在RPA中进行形变扫描，若四处的白炭黑分散度较为集中，则胶料的均匀性越好。
在60°的条件下调节胶片5min，然后对于硫化式样进行两次形变扫描。如图7所示，其中第一次形变扫描中剪切模量为“填料-填料”和“填料与橡胶分子链”相互作用，并且在扫描中打破填料之间的相互作用，而第二次扫描的剪切模量主要表现为“填料与分子链”的相互作用，可由以下公式得出分散系数：
其中payne(max)为不加硅烷偶联剂得到的配方的payne效应，即剪切模量曲线下降至接近平稳与形变横坐标所覆盖的面积。
payne(1)位实验方案第一次形变扫描时剪切模量曲线下降至接近平稳与形变横坐标所覆盖的面积。
payne(2)位实验方案第二次形变扫描时剪切模量曲线下降至接近平稳与形变横坐标所覆盖的面积。
由图7可以看出四棱锯齿型转子的白炭黑分散性好于传统切线型转子，且白炭黑在胶料混炼的均匀性要好于传统切线型转子，充分验证了锯齿型转子有利于补强剂等填料混合的理论。白炭黑在混炼过程中极易聚集，一旦聚集后其分散将极为困难，需要多次剪切才能将其分散开。占部诚亮曾论述过“间隙宽大好的学说”，其指出“混炼胶中的配合剂的分散程度由Mckelvcy所提出的‘高剪切区域所决定’主要问题是含有配合剂的胶料通过这一区域的概率，以及它与转子转速和混炼时间的乘积。”而通过锯齿槽，增大的转子凸棱与密炼室壁之间的间隙，增大了胶料通过高剪切区域的面积，从而增强了白炭黑的分散效果以及同一批次胶料的均匀性。
(3)升温速率的分析
图8为混炼过程的温度变化曲线。由图8可知，在混炼初期，锯齿型转子的升温速率近乎持平于传统切线型转子，这是因为虽然锯齿型转子的狭小间隙的面积小于传统切线型转子的，但锯齿型转子凸棱处间隙因为更小于传统剪切型转子，因此受到的剪切作用要强于传统切线型转子，并且混炼初期胶料不仅受到转子与密练室壁之间的强剪切、拉伸作用，同时在锯齿槽处的剪切升温明显，而随着剪切升温和门尼粘度的降低，粘弹性的胶料在凸棱与密练室壁之间时，剪切变稀的胶料更易从键槽中流动，从而减轻了胶料强烈的剪切升温效果。且锯齿型转子因为更狭小的间隙，对密炼室壁之间的刮胶效果更明显，十分有利于胶温的传递、冷却。由此可见，锯齿型转子的温控效果要明显好于传统剪切型转子。
(4)转子构型对物理性能的对比
锯齿型转子与传统切线型转子混炼胶的性能对比如表3所示。
表3物理性能对比
由表3可知，锯齿型转子混炼胶的门尼粘度低于传统切线型转子，有利于胶料的后期的加工。由占部诚亮对密炼机转子棱尖与内壁之间隙对混炼的影响可知，分散物不同，转子与密炼室壁间隙对其混炼胶料作用便不一样，因此便有了“狭窄间隙理论”与“宽大间隙学说”，四棱锯齿切线型转子正是在同一转子上集合了这两种理论的有点进行的设计以及实验研究，实验表明：锯齿型转子混炼的机械性能整体上锯齿型转子要优于剪切型转子。
(5)不同转子构型动态粘弹性的应变依赖性
RPA的Payne效应通常用来表征填料补强胶料的动态粘弹性的应变依赖性，Payne效应的大小可量化为低应变到高应变时的弹性剪切模量(G')的变化幅度，即ΔG'。ΔG'＝G'0－G'∞，G'0表示最小应变下的模量，G'∞表示在最大应变下的模量。ΔG'越大，Payne效应越高,填料的分散性越差，即填料聚集体间的相互作用越大，网络化程度越高，同时填料与橡胶的相互作用越小。锯齿型转子对剪切模量和Payne效应的影响可以分别从图9、图10中表示出来。
从图9-10中可以看处，胶料在两种构型转子下，硫化胶的G’随剪切应变的增大逐渐下降，这是因为胶料中分子间的滑移、白炭黑网格结构被破坏以及白炭黑与胶料基体之间的滑移引起的。由于四棱锯齿型转子的剪切作用强于传统切线型转子，白炭黑分散速度比团聚速度快，剪切效果明显，硅烷化反应效率变高，Payne效应变弱，因此低应变四棱锯齿型转子的G'值和ΔG'要小于传统切线型转子。
根据实验数据可得，四棱锯齿切线型转子相比于传统剪切性转子整体提高了混合效果、温控效果好。
1)胶料门尼粘度值较剪切型转子较低，炭黑及白炭黑的分散度、混炼胶的均匀性在四棱锯齿切线型转子中明显优于传统切线型转子。
2)四棱锯齿切线型转子混炼时升温速率相对于剪切型转子要慢，更有利于白炭黑胶料的硅烷化反应，更能适应热敏性材料和高速混炼过程。
3)锯齿型转子因为对填料的分散效果好、胶料的流动效果好，因此其混炼胶的物理性能、抗湿滑性能等整体上优于传统切线型转子。整体来说，通过实验研究对比，四棱锯齿切线型转子的混炼对胶料性能的影响整体要优于传统切线型转子。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，所述密炼机转子包括转子体(1)，所述转子体(1)上设置有四条突棱(2)，包括两条长棱(3)和两条短棱(4)，其特征在于，所述突棱(2)从所述转子体(1)的两端向中间螺旋延伸，包括始端(5)和终端(6)；所述突棱(2)的棱顶(7)上分别设置有若干齿槽(8)，沿所述始端(5)到所述终端(6)方向上，每条突棱(2)上的所述齿槽(8)的宽度差不变，并且所述齿槽(8)与齿槽(8)之间的距离逐渐变小，同时在转子的轴向方向上齿槽的深度均相同；所述齿槽(8)的开口方向平行于所述转子体(1)的端面，所述齿槽(8)与相邻齿槽(8)之间设置有齿槽间距(9)；所述突棱(2)上的所述齿槽(8)的宽度与相邻齿槽(8)的宽度差均相等，并根据转子棱的长度确定；沿所述始端(5)到所述终端(6)方向上，所述齿槽间距(9)的宽度不断减小，并由转子棱的长度确定；所述齿槽(8)在所述转子体(1)轴线上的投影位置关系为：一条所述长棱(3)上的齿槽间距(9)与另一条所述长棱(3)上的齿槽(8)位置对应，且宽度相等。
2.根据权利要求1所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，其特征在于，所述密炼机转子为剪切型转子，所述突棱(2)位于所述转子体(1)基圆外表面圆周上。
3.根据权利要求2所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，其特征在于，两条所述长棱(3)均起始于所述转子体(1)的一端，两条所述短棱(4)均起始于所述转子体(1)的另一端，并且，两条所述长棱(3)的旋向为反向对称，两条所述短棱(4)的旋向为反向对称，所述长棱(3)与另一始端短棱(4)相位差在60°至120°之间，同一始端两条长棱(3)的相位差范围在160°至200°之间。
4.根据权利要求2所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，所述长棱(3)的螺旋角范围为15°至50°，所述短棱(4)的螺旋角范围为20°至55°，通过所述长棱和短棱合适的长度选择保证转子的轴向力与周向力均衡。
5.根据权利要求4所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，其特征在于，所述突棱(2)上的齿槽(8)的深度在转子的轴向方向上不变化，其深度由转子体积及转子棱的长度确定。
6.根据权利要求5所述的四棱锯齿型动态变间隙密炼机转子，其特征在于，所述转子体(1)的任一轴向截面上，所述齿槽(8)的底面在所述轴向截面上的投影在以所述转子体(1)为圆心的浅齿槽圆(10)和深齿槽圆(19)上。
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