一种密炼机渐开线形转子的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种密炼机渐开线形转子，包括转子基体(1)，在转子基体表面一次成型有长螺旋凸棱(2)和短螺旋凸棱(3)，所述转子基体、长螺旋凸棱和短螺旋凸棱组成的转子的任意处横截面的外轮廓线由转子基圆(9)的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面(5)、直线或内凹曲线转子凸棱非工作面(7)和圆弧过渡线(6)组成。渐开线形转子不仅适用于橡胶、塑料行业，还适用于轻工、化工、建材、循环利用等行业的各种物料的混合、搅拌和破碎，尤其是用于高填充补强物料、特别是是高填充二氧化硅物料其技术优势更加明显。
【专利说明】一种密炼机渐开线形转子
【技术领域】
[0001]本发明涉及密炼机转子，具体是一种高聚物加工的密炼机渐开线形转子，属于高聚物加工机械【技术领域】。
【背景技术】
[0002]物料的混炼是指各种配合剂和填料在高聚物中均匀分散的过程，其为高聚物加工中的重要环节。物料加入混炼室后，在混炼室与转子构成的混炼空间中物料受到强烈挤压、剪切和搅拌，从而完成各类配合剂和填料在高聚物中的混入与均匀分散。
[0003]一般而言，物料混炼过程分为两个阶段:混入和分散。混入主要与剪切变形有关；分散主要与剪切应力的大小有关。良好且均匀的分散比简单混入的过程更难。由于高聚物材料加工的特殊性，使得密炼机转子的造型设计成为物料混炼均匀和功率消耗的决定性因素，转子的造型设计合理与否直接影响到密炼机的耗能、生产能力和物料的质量。
[0004]目前密炼机椭圆形转子凸棱曲率形状的技术缺陷主要体现在:“弯月镰刀”区内转子凸棱工作面上的绝大部分圆弧段对物料的压力方向相对混炼室法线作用角总是大于物料与混炼室的摩擦角，从而驱动物料沿混炼室滑移，滑移摩擦白白耗能发热，而对混入与分散无益，致使“弯月镰刀”内混炼作用微小；“弯月镰刀”区内转子凸棱工作面圆弧曲线在凸棱顶部“高剪切”区入口处形成的楔入角过大，物料不能平滑稳定顺利地楔入“高剪切”区，所以不能够获得最大、最有效的剪切应力；转子凸棱顶部的“平顶”造型使得凸棱工作面圆弧与凸棱顶相交处形成楞角突变，不但不利于吃料，而且会影响胶料流动的连续性，容易发生碎裂或滑动，还会因瞬间局部剪切应力和剪切速率的急剧加大造成物料升温过快；转子凸棱顶部的“平顶”与混炼室形成的前后间隙相等的狭缝流道“高剪切”区，比喇叭形间隙产生的剪切应力低3倍；椭圆形转子所提供的狭缝流道“高剪切”区容量太低，影响混炼效率和混炼物料的质量。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种密炼机渐开线形转子，能够克服椭圆形转子的缺陷，使得渐开线形转子更加优质、高效、节能、并且渐开线形转子在工作时，生热小、混炼温度低，适合面足够广。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种密炼机渐开线形转子，包括转子基体，在转子基体表面一次成型有长螺旋凸棱和短螺旋凸棱，所述转子基体、长螺旋凸棱和短螺旋凸棱组成的转子的任意处横截面的外轮廓线由转子基圆的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面、直线或内凹曲线形转子非工作面、圆弧过渡线组成。
[0007]进一步，所述渐开线形转子凸棱工作面的渐开线基圆和所述转子基圆是同心圆。
[0008]进一步，所述渐开线形转子凸棱工作面的渐开线基圆和所述转子基圆不是同心圆。
[0009]进一步，所述渐开线形转子凸棱工作面是渐开线基圆发生的渐开线的非起始段。
[0010]进一步，所述渐开线基圆发生的非起始段渐开线形转子凸棱工作面，其适用压力角区间是不小于45°并且不大于82°，在该压力角区间相对应的渐开线上部分截取一段。
[0011]进一步，所述转子基圆的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面、直线或内凹曲线形转子凸棱非工作面相互连接处都用所述圆弧过渡线平滑连接。
[0012]本发明的有益效果是:该转子凸棱的工作面为渐开线形，渐开线曲率中心在其基圆上有规律的连续改变，曲率半径也相应有规律地由小逐渐在一定范围上连续变大。渐开线与混炼室组成了比目前密炼机椭圆形转子弯度更大、曲率中心与曲率半径时时变化的“弯月镰刀”区，在渐开线尾段与室壁自然形成了平滑渐缩的喇叭形间隙。
[0013]本发明的一种密炼机渐开线形转子不仅适用于橡胶、塑料行业，还适用于轻工、化工、建材、循环利用等行业的各种物料的混合、搅拌和破碎，尤其是用于高填充补强物料、特别是用于混炼高填充二氧化硅物料其技术优势更加明显。如混炼高填充白炭黑绿色轮胎胶料。目前低速密炼机混炼高填充白炭黑胶料需25min/次以上，本发明的渐开线形转子密炼机仅Smin/次，工艺与物理性能好于前者。因此，本发明应用产业领域广泛。
[0014]本发明的一种密炼机渐开线形转子可用于现有密炼机的旧机改造和更新。该装置的渐开线形转子经过放大，缩小设计后可直接替换现有密炼机的转子。也可以把本发明渐开线形转子应用到在产密炼机的转子设计中。因此，本发明具有较大的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明密炼机混炼室及渐开线形转子主视结构示意图；
[0016]图2为本发明密炼机混炼室及渐开线形转子A-A剖面示意图；
[0017]图3为渐开线形转子凸棱与混炼室壁组成的“弯月镰刀”区中高弹态物料的受力图；
[0018]图4为渐开线形转子凸棱与混炼室壁组成的“弯月镰刀”区中粘流态物料的受力和流变分析图；
[0019]图中:1、转子基体，2、长螺旋凸棱，3、短螺旋凸棱，4、混炼室，5、渐开线形转子凸棱工作面，6、圆弧过渡线，7、直线或内凹曲线形转子凸棱非工作面，8、渐开线起始段，9、转子基圆，10、渐开线基圆。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0021]如图1和图2所示:一种密炼机渐开线形转子，包括转子基体1，转子基体I表面一次成型有长螺旋凸棱2和短螺旋凸棱3，两个转子并排放置在密炼机混炼室4内，工作时作相向转动。所述转子基体1、长螺旋凸棱2和短螺旋凸棱3组成的转子的任意处横截面的外轮廓线由转子基圆9的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面5、直线或内凹曲线形转子非工作面7和圆弧过渡线6组成。所述转子基体I及其外表面上的长螺旋凸棱2和短螺旋凸棱3构成了渐开线形转子。渐开线基圆10为渐开线形转子凸棱工作面5的发生圆，它不参与组成转子凸棱外轮廓线，附图2、附图3和附图4中是为说明需要而用双点画线示出，其应该在转子基圆9内，即渐开线基圆10半径小于转子基圆9半径；由于不同的物料混炼需要的曲线形态不同，渐开线基圆10可以是转子基圆9的同心圆，也可以是转子基圆9的非同心圆。渐开线形转子凸棱工作面5是渐开线基圆10发生的非起始段渐开线。所述渐开线基圆10发生的的非起始段渐开线所对应的渐开线压力角区间为不小于45°且不大于82°，在该压力角区间相对应的渐开线上部分截取一段，当在压力角区间为不小于55°且不大于80°相对应的渐开线上部分截取一段时，对物料的混炼效果最佳。渐开线非起始段是指去除渐开线起始段8后所剩余部分渐开线，附图2、附图3和附图4中是为说明需要而用双点画线示出渐开线起始段8。所述转子基圆9的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面5、直线或内凹曲线形转子非工作面7相互连接处都通过所述圆弧过渡线6平滑连接，形成一个完整的渐开线形转子横截面。
[0022]如图2所示，该图为本发明密炼机混炼室及渐开线形转子A-A剖面示意图，为方便说明，图2同时绘出了密炼室轮廓线。二转子凸棱工作面渐开线形成是由各自的渐开线基圆10发生，分别沿逆、顺时针方向展开，穿越转子基圆9，随展角增大，渐开线曲率半径逐渐变大，渐开线延伸并往密炼室4靠近，当与密炼室4达到设计间隙时截止，形成了渐开线形转子凸棱工作面5。然后把渐开线形转子凸棱工作面5尾端(靠近密炼室壁端)与转子基圆9用直线或内凹曲线连接起来，形成直线或内凹曲线形转子凸棱非工作面7，再后用适当的圆弧过渡线6分别把渐开线形转子凸棱工作面5尾端与直线或内凹曲线形转子凸棱非工作面7相交处、转子基圆9与直线或内凹曲线形转子凸棱非工作面7交汇处、渐开线形转子凸棱工作面5穿越转子基圆9相交处平滑过渡连接，这样就形成了渐开线形转子凸棱横截面。渐开线形工作面5与混炼室4组成了比椭圆形转子弯度更大的“弯月镰刀”区，由渐开线的性质决定了物料有利于闻效混炼的受:力与流变状态。
[0023]所述的转子凸棱工作面是转子在充满物料的混炼室内单向转动时主动给物料施加搅拌、捏炼、拉伸、挤压、剪切作用的那个侧面，位于转子凸棱转动方向的前侧，工作面形状决定了物料的受力与流动状态，对混炼效率与质量作用极大。目前横截面形状都是圆弧形，本发明横截面形状是渐开线形；转子凸棱非工作面位于转子凸棱转动方向的后侧，不主动给物料施加上述作用，对混炼作用很小。其横截面形状多为圆弧形，本发明横截面形状是直线或内凹曲线形；圆弧过渡线是把转子凸棱工作面渐开线、非工作面直线或内凹曲线、转子基圆的圆弧相互连接处平滑连接过渡，消除各连接处的楞角，有利于物料稳定流动和延长转子的使用寿命。
[0024]如图3所示:所述渐开线形转子凸棱工作面5与混炼室4组成了 “弯月镰刀”区，在“弯月镰刀”内任意一点，渐开线形转子凸棱工作面5施加给高弹态物料并由物料传递给室壁的力Q2始终沿着渐开线法线方向，Q2的作用线与混炼室4法线形成夹角β，根据摩擦理论可知:当力的作用角小于物料与室壁的摩擦角时，物料便不会在混炼室4上滑动；反之，则滑动。本实施例渐开线形工作面5压力角取值范围为72°至80°，Q2的作用线与混炼室4室壁法线夹角β为10。至18°，由于物料与室壁的摩擦角为37°至42°，有些高弹态物料摩擦角有所降低，但最低也在25。以上，从而使“弯月镰刀”区内任意一点物料都不会在混炼室4上滑移，物料受到强烈的挤压、拉伸与剪切。随着剪切的不断进行和积累，伴随着温度的升高，物料由高弹态进入粘流态。
[0025]如图4所示:物料进入粘流态以后，混炼进入高潮期。根据混炼流变理论，“弯月镰刀”区的混入与分散作用取决于物料受到的剪切形变与剪切应力，混入由剪切变形大小而定，分散由剪切应力的大小而定。剪切形变和剪切应力往往是相伴而生，对粘流态物料施加超过高聚物填料附聚体内应力临界值的剪切应力，即临界剪切应力，必然产生较大的剪切形变，大量试验也证明:良好而均匀的分散是难于简单混入的过程，只要达到良好的分散，混入自然会达到要求。由此可见，混炼的关键是物料受到足够大的剪切应力。
[0026]粘流态物料单位层面上的剪切力称剪切应力，剪切应力的大小与剪切速率、物料粘度、物料与转子和室壁的摩擦力及粘附力有关。剪切速率随密炼机转速提高而增大；当剪切速率较低时，物料表现为类似牛顿流体特征，剪切应力与剪切速率呈线性关系，当剪切速率较高时，剪切应力与剪切速率呈非线性正相关。剪切应力随物料粘度增大而增大，但对混炼分散而言，粘度不是越大越好，存在一个配合剂最易混入与分散的“最佳粘度”，一般配合体系“最佳粘度”50?60门尼值。粘度变化主要受温度影响，所以在温度小范围变化，粘度值也在最佳粘度附近。物料与转子和室壁摩擦力和粘附力是对物料剪切作用的首要条件，其大小由物料静压力、摩擦系数、物料的粘附特性决定。前二者为密炼机转子曲线形状设计应考虑的重要因素。如图4所示，本发明实施例的“弯月镰刀”区转子工作面渐开线设计始终保持力的作用角小于物料与室壁的摩擦角，室壁的摩擦力拖曳物料楔人“弯月镰刀”深处，物料被逐渐压实压紧，静压力逐渐升高，与室壁和转子摩擦力逐渐增大，剪切应力逐渐提高。此外，本发明实施例渐开线形转子凸棱工作面贯穿于整个剪切区，平滑无楞角突变，物料沿渐开线呈连续稳定流动状态，有利于物料平滑地楔人。大量研究证明，楔入角α在25。?10°物料可顺利楔入，本实施例楔入角α在18°?10°连续渐变，物料楔人更加顺利。
[0027]本发明针对现有密炼机转子凸棱造型设计缺陷，逐一改进。首先，转子凸棱工作面设计成较小曲率半径并且在一定范围上连续渐大，以适应“弯月镰刀”区连续渐缩的要求；其次，有规律的连续地改变转子凸棱工作面曲线的曲率中心，使得在“弯月镰刀”区内任一点凸棱对物料的作用力Q2方向均能满足是摩擦角大于作用角；然后，削平转子凸棱工作面曲线与棱峰相交处的楞角突变，新设计凸棱曲线无棱峰和棱侧之分，无高低剪切区的几何界限，使物料圆滑连续无阻碍地楔入；改变转子凸棱顶部的“平顶”与混炼室形成的等间隙狭缝流道为渐开线尾段与混炼室自然形成圆滑渐缩的喇叭形间隙流道，使剪切应力更大；最后，加大凸棱与室壁施加的剪切应力超过高聚物填料附聚体内应力临界值的有效剪切区容量，渐开线形转子使物料在整个“弯月镰刀”区内都受到不断加强的剪切作用，后段的剪切应力超过高聚物填料附聚体内应力临界值，是有效剪切区，不局限于转子凸棱顶与室壁间隙处，有效剪切区容量大幅度提高。上述技术措施使“弯月镰刀”区内，渐开线形转子凸棱施加给物料并由物料传递给室壁的力Q2的方向对于密炼室法线的偏移角总小于摩擦角，因摩擦力的作用，密炼室始终抓着胶料而不致滑移，避免了物料滑动摩擦导致无用的耗能和发热；渐开线贯穿于整个剪切区，无棱顶棱侧之分，平滑无楞角突变，粘流态物料沿渐开线呈连续稳定流动状态，平滑地楔人；在“弯月镰刀”尖部自然形成的喇叭形间隙内，物料受到的剪切应力比目前密炼机转子提高3倍；渐开线形转子使物料在整个“弯月镰刀”区内都受到不断加强的剪切作用，后段的剪切应力超过高聚物填料附聚体内应力临界值，是有效剪切区，不局限于转子凸棱顶与室壁间隙处的“高剪切”区，因此其有效剪切区的容量比率是目前密炼机转子的4倍以上，效率成数倍提高，而温升特别是局部温升则大大降低。因此，本发明的渐开线形转子造型独特，突破椭圆形转子造型定式，克服了现有技术缺陷，技术与经济效果明显。
[0028]本发明的密炼机渐开线形转子达到的技术经济效果如下:
[0029]第一，本发明的特征是渐开线形转子凸棱工作面为渐开线形，渐开线曲率中心在其基圆上有规律的连续改变、曲率半径也相应有规律的由小逐渐在一定范围上连续变大。渐开线与室内壁组成了比目前密炼机椭圆形转子弯度更大、曲率中心与曲率半径时时变化的、圆滑渐缩的“弯月镰刀”区，在渐开线尾段与室壁自然形成一个平滑渐缩的喇叭形间隙。
[0030]第二，在“弯月镰刀”区内，渐开线形转子施加给物料并由物料传递给室壁的力的方向对于混炼室法线的偏移角总小于摩擦角，因摩擦力的作用，混炼室始终抓着物料而不致滑移，避免滑移摩擦导致无用的耗能和发热；
[0031]第三，渐开线贯穿于整个剪切区，无棱顶棱侧之分，平滑无楞角突变，粘流态物料沿渐开线呈连续稳定流动状态，平滑地楔人，不断受到挤压和剪切；
[0032]第四，在“弯月镰刀”尖部形成喇叭形间隙，理论与试验都充分证明，物料在喇叭形间隙内流动受到的剪切应力比目前密炼机转子等间隙提高I?3倍；
[0033]第五，凸棱工作面渐开线和室壁组成的“弯月镰刀”区都是剪切区，渐开线形转子使物料在整个“弯月镰刀”区内都受到不断加强的剪切作用，其中大部分区域施加的剪切应力超过高聚物填料附聚体内应力临界值，均为有效剪切区，不限于转子凸棱顶与室壁间隙处，因此其有效剪切区(不是“高剪切”区)的容量比率是目前密炼机转子的4倍以上，效率成数倍提高，而温升特别是局部温升则大大降低。
[0034]本发明的渐开线形转子经过了流变学的理论分析和推导，也经过多次试验验证的最佳技术方案。由于渐开线形转子造型设计技术方案仅涉及转子凸棱的横截面外轮廓形状，特别涉及转子凸棱工作面外轮廓渐开线形状，并未限定每个转子上凸棱的个数与排列形式，所以它可用于单棱转子、二棱转子，也可用于三棱及以上转子，不仅适用于每个转子上的全部凸棱，也适用于每个转子上的部分凸棱，不仅适用于每个转子上螺旋凸棱数相等的转子，也适用于每个转子上螺旋凸棱数不等的转子。对于高填充补强物料、特别是是高填充二氧化硅物料其优点更加明显，如高填充白炭黑绿色轮胎胶料。目前低速密炼机混炼高填充白炭黑胶料需25min/次以上,本发明的渐开线形转子密炼机仅8min/次,工艺与物理性能好于前者。渐开线形转子经过放大，缩小设计后可直接替换现有密炼机的转子。也可以把本发明渐开线形转子应用到在产密炼机的设计中。因此，本发明具有较大的实用价值。
[0035]本发明的渐开线形转子实现了混炼物料质量高、混炼效率高、耗能低、生热小、混炼温度低、适应面广等良好经济效果。它不仅适用于橡胶、塑料行业，还适用于轻工、化工、建材、循环利用等行业的各种物料的混合、搅拌和破碎，尤其是用于高填充补强物料、特别是是高填充二氧化硅物料其技术优势更加明显。本发明也适用于现有密炼机的更新和改造。
【权利要求】
1.一种密炼机渐开线形转子，包括转子基体(I)，在转子基体(I)表面一次成型有长螺旋凸棱(2)和短螺旋凸棱(3)，其特征在于:所述转子基体(I)、长螺旋凸棱(2)和短螺旋凸棱(3)组成的转子的任意处横截面的外轮廓线由转子基圆(9)的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面(5)、直线或内凹曲线形转子非工作面(7)、和圆弧过渡线(6)组成。
2.根据权利要求1所述的一种密炼机渐开线形转子，其特征在于:所述渐开线形转子凸棱工作面(5)的渐开线基圆(10)和所述转子基圆(9)是同心圆。
3.根据权利要求1所述的一种密炼机渐开线形转子，其特征在于:所述渐开线形转子凸棱工作面(5)的渐开线基圆(10)和所述转子基圆(9)不是同心圆。
4.根据权利要求2或3所述的一种密炼机渐开线形转子，其特征在于:所述渐开线形转子凸棱工作面(5)是渐开线基圆(10)发生的渐开线的非起始段。
5.根据权利要求4所述的一种密炼机渐开线形转子，其特征在于:所述渐开线基圆(10)发生的非起始段的渐开线形转子凸棱工作面(5)，其适用压力角区间是不小于45°并且不大于82°，在该压力角区间相对应的渐开线上部分截取一段。
6.根据权利要求5所述的一种密炼机渐开线形转子，其特征在于:所述转子基圆(9)的圆弧、渐开线形转子凸棱工作面(5)、直线或内凹曲线形转子非工作面(7)相互连接处都通过所述圆弧过渡线(6)平滑连接。
【文档编号】B29B7/22GK104139464SQ201410332470
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】刘希春 申请人:徐州工业职业技术学院