基于Polyflow的密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面螺旋槽密封模擬分析

劉彥昌，馬 沖*，于 芳，王 寧，王之林，鐘宜虎，王榮偉

（1．青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2．無錫錦和科技有限公司，江蘇 無錫 214191）

密煉機(jī)是橡膠工業(yè)中不可缺少的設(shè)備之一，主要功能是進(jìn)行橡膠混煉。由于密煉機(jī)的轉(zhuǎn)子端部與密煉室側(cè)壁之間有軸向間隙和徑向間隙，因此生產(chǎn)過程中，膠料和配合劑會沿著這些間隙形成的通道而泄漏。為防止泄漏，在通常情況下，對轉(zhuǎn)子采用端部密封（見圖1），即采用由動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成一對密封環(huán)結(jié)構(gòu)。動環(huán)隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)不旋轉(zhuǎn)，但能夠在外力（如液壓力或彈簧力）作用下沿軸向進(jìn)行小位移的往復(fù)移動，以調(diào)節(jié)密封環(huán)間隙。在理想情況下，向密封環(huán)間隙中注入潤滑油時會形成油膜，從而實現(xiàn)密封作用。

圖1 轉(zhuǎn)子端部密封原理示意Fig.1 Schematic diagram of rotor end sealing principle

目前，轉(zhuǎn)子密封形式主要有外壓式和內(nèi)壓式。圖1所顯示的密封原理是外壓式的。根據(jù)在靜環(huán)上施加力的方式，外壓式密封有液壓撥叉式、彈簧撥叉式、彈簧直壓式和油缸直壓式密封。內(nèi)壓式密封與外壓式密封的原理和結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別是密封環(huán)的比壓形成方式不同[1-4]。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)子密封結(jié)構(gòu)的共同特點是在泄漏通道末端進(jìn)行密封。這種密封造成泄漏通道內(nèi)存的物料量較多，引起物料浪費和混煉膠料配比變化，并且隨著工作時間的延長，不均勻的磨損和熱變形都會引起一定程度的泄漏[5-9]。

針對目前密煉機(jī)轉(zhuǎn)子泄漏和密封特點，有專利[10]將螺旋槽結(jié)構(gòu)引入到軸向間隙處的轉(zhuǎn)子端面上，目的是降低進(jìn)入泄漏通道入口的物料量，以杜絕或減少密煉機(jī)轉(zhuǎn)子泄漏。這一轉(zhuǎn)子端面螺旋槽密封可單獨應(yīng)用，也可在不改變現(xiàn)有密封裝置的情況下組合使用，后者的實際意義更大。

本工作采用Polyflow軟件，模擬分析密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的速度和壓力分布，以進(jìn)一步確定端面螺旋槽對轉(zhuǎn)子密封能力的影響，從而為今后的密煉機(jī)研究和生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的密封原理

轉(zhuǎn)子端面螺旋槽密封結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子的端面上開設(shè)若干個螺旋槽，如圖2所示，其中，v為螺旋槽中某一點的轉(zhuǎn)速，v＝2πrN（r是該點的半徑，N是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速），v產(chǎn)生的分量分別為vz和vx，間隙δ為螺旋槽底面到側(cè)壁之間的距離，間隙δ1為轉(zhuǎn)子端面到側(cè)壁之間的距離。

圖2 轉(zhuǎn)子端面螺旋槽密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Seal structure of spiral groove on rotor end face

在轉(zhuǎn)子端面螺旋槽與密煉室側(cè)壁之間的間隙中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動引起順螺旋槽方向的速度分量vz。在理想情況下（例如在δ1很小時），當(dāng)由vz產(chǎn)生的向δ1間隙外拖曳流體流率不小于由密煉室內(nèi)壓引起的向δ1間隙內(nèi)壓入流體流率時，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子完全密封。

實現(xiàn)轉(zhuǎn)子端面螺旋槽旋轉(zhuǎn)密封必須滿足如下兩個基本條件。

（1）螺旋槽的開口方向必須與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。

（2）螺旋槽的布置至少首尾相連。如果在螺旋槽的首尾之間有間隔，必定存在徑向壓力梯度引起的流動，在軸向間隙處造成泄漏。

2 轉(zhuǎn)子端面模型的建立

2.1 幾何模型

以1.5 L剪切型實驗密煉機(jī)為例，轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的幾何參數(shù)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子端面螺旋槽幾何參數(shù)示意Fig.3 Geometry parameters of spiral groove on rotor end face

設(shè)計的轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的幾何參數(shù)初始值如下：螺旋槽寬度（w） 13 mm，非槽區(qū)寬度（b） 12 mm，螺旋槽深度（h） 2 mm，螺槽底半徑（l） 43 mm，螺旋角（α） 25°，轉(zhuǎn)角（θ） 18.53°，螺旋槽數(shù)量 17。

根據(jù)參數(shù)值繪制相應(yīng)的轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的三維模型和流體域模型[11]，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的三維模型和流體域模型Fig.4 Three dimensional model and fluid domain model of spiral groove on rotor end face

2.2 本構(gòu)方程和參數(shù)

選取Bird-Carreau模型作為本構(gòu)模型[12]：

式中：η∞為熔體的無窮大剪切粘度，默認(rèn)值為零；η0為熔體的零剪切粘度；λ為熔體的特征時間；γ˙為熔體的剪切速率；n為非牛頓指數(shù)。

混煉膠的物性參數(shù)為：密度 1．066 Mg·m-3，η010 000 Pa·s，η∞0，λ0.4 s，n0.25。

2.3 邊界條件設(shè)置

假設(shè)膠料熔體與密煉室側(cè)壁和轉(zhuǎn)子端面沒有相對滑移，設(shè)置邊界條件如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子端面邊界條件示意Fig.5 Boundary conditions of rotor end face

（1）壁面邊界條件：法向速度和切向速度均為零。

（2）轉(zhuǎn)子端邊界條件：法向速度和切向速度均為零。

（3）外徑邊界條件：外徑作為膠料泄漏的入口，其邊界施加一定的壓力。

（4）內(nèi)徑邊界條件：與轉(zhuǎn)子相同的轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)果與討論

當(dāng)1.5 L密煉機(jī)工作時，密煉室對膠料的壓力為0.6 MPa，因此將流體域外徑處的壓力設(shè)定為0.6 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1。轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的速度矢量分布云圖如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的速度分布矢量云圖Fig.6 Velocity vector distribution nephograms of fluid in spiral groove on rotor end face

從圖6可以看出，螺旋槽內(nèi)流體的速度方向在靠近出口的位置發(fā)生了改變，直至從出口流出，且在出口處速度最大，這是由于越靠近螺旋槽出口，旋轉(zhuǎn)線速度越大，產(chǎn)生的速度分量vz也就越大。

間隙δ1內(nèi)流體的速度矢量分布云圖如圖7所示。

圖7 間隙δ1內(nèi)流體的速度矢量分布云圖Fig.7 Velocity vector distribution nephograms of fluid in gap δ1

從圖7可以看出，間隙δ1內(nèi)流體的速度分布與螺旋槽內(nèi)流體大致相同，同時其附近的流體也產(chǎn)生了向外的速度分量，且數(shù)值較大，說明螺旋槽內(nèi)流體對間隙δ1內(nèi)流體產(chǎn)生了拖曳作用，使間隙δ1內(nèi)流體產(chǎn)生向外的速度分量，直至從出口流出。

轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的壓力分布云圖如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution nephograms of fluid in spiral groove on rotor end face

從圖8可以看出，密封壓力的整體變化趨勢為沿螺旋槽向外逐漸減小，呈線性變化。螺旋槽的開口處和根部的壓力差較大，說明螺旋槽對流體產(chǎn)生較強(qiáng)的泵送作用，起到了對轉(zhuǎn)子端面的密封作用；另外，壓力沿螺旋槽逐漸變化，說明螺旋槽的長度對密封作用有重要影響。

間隙δ1內(nèi)流體的壓力分布云圖如圖9所示。

圖9 間隙δ1內(nèi)流體的壓力分布云圖Fig.9 Pressure distribution nephograms of fluid in gap δ1

從圖9可以看出，靠近螺旋槽根部的流體壓力較大，說明螺旋槽的泵送作用對間隙δ1內(nèi)流體產(chǎn)生較大影響，使間隙δ1內(nèi)流體向外沿徑向方向有一定的壓力差，起到了一定的泵送作用。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為60，70，80，90和100 r·min-1時轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的整體速度分布云圖如圖10所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的整體速度分布云圖Fig.10 Overall velocity distribution nephograms of fluid in spiral groove on rotor end face at different rotor speeds

從圖10可以看出，在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下螺旋槽內(nèi)流體的速度變化趨勢基本相同。

不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的泵送速度如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的泵送速度Fig.11 Pumping velocity of fluid in spiral groove on rotor end face at different rotor speeds

從圖11可以看出，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，螺旋槽內(nèi)流體的速度增大，從而單位時間內(nèi)螺旋槽的泵送流量增大，因此轉(zhuǎn)子端部的密封能力得到增強(qiáng)。

另外，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，流體速度的變化量呈減小趨勢，泵送速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為非線性關(guān)系，這是因為膠料熔體存在剪切變稀行為。

4 結(jié)論

采用Ployflow軟件對密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的密封效果進(jìn)行模擬分析，獲得了在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子端面螺旋槽內(nèi)流體的速度和壓力分布，得到如下結(jié)論。

（1）轉(zhuǎn)子端面螺旋槽對膠料有較好的泵送能力，產(chǎn)生良好的密封作用。

（2）在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)子端面螺旋槽的泵送能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)子密封效果越好。

本工作對研究密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封具有一定的參考價值。