啮合型转子的结构和特点介绍

2016-12-03张仁广吕明龙钱金宝郝海龙

橡塑技术与装备 2016年22期

关键词：密炼机胶料切线

张仁广，吕明龙，钱金宝，郝海龙

(1.大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁大连 116036; 2.大连慧川环保科技有限公司，辽宁大连 116033)

啮合型转子的结构和特点介绍

Structure and characteristics of meshing rotor

张仁广1，吕明龙1，钱金宝2，郝海龙1

(1.大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁大连 116036; 2.大连慧川环保科技有限公司，辽宁大连 116033)

阐明了切线型转子与啮合型转子的结构和工作机理上的不同之处，着重介绍了啮合型Ⅰ代转子（类似国外的PES-3啮合型转子），啮合型Ⅱ代转子（类似国外的PES-5啮合型转子）各自的结构和特点。

切线型转子；啮合型Ⅰ代转子；啮合型Ⅱ代转子；结构；特点

转子是密炼机的重要组成部分，它的形状直接影响密炼机的特性，决定着密炼机的炼胶性能和炼胶质量，而炼胶性能和质量又是衡量密炼机好坏的主要指标。目前密炼机的转子主要有两大类，一类是切线型转子，另一类就是啮合型转子。行业里普遍把切线型转子称之为产量型转子，而把啮合型转子称之为质量型转子。因为与切线型转子相比，使用啮合型转子的密炼机工作时，除了发生在转子棱峰与密炼室间胶料的剪切作用之外，更多的挤压搅拌作用还发生在两个转子之间，尤其是两个转子的啮合区域，在这个区域内，一个转子的凸棱依次啮入另一个转子的棱间（即转子凹处）。由于转子凸棱外直径和凸棱根部（转子圆柱形本体）直径不同，因而在旋转时形成不同的圆周速度，产生速比和速度梯度，从而形成高剪切分散混炼，同时由于螺旋凸棱作用，转子旋转时，胶料环绕密炼室作逆向循环运动。

由于两种转子的结构和工作机理有显著不同，所以它们的特性也不一样，啮合型转子吃料慢，温升慢，炼胶周期相对长一些，但胶料的分散性，均匀性普遍比切线型转子要好，所以称之为质量型转子，而切线型转子普遍吃料比较快，炼胶周期短，炼胶质量没有啮合型转子好，但效率相对高，所以称之为产量型转子。

啮合型转子经过多年的发展，已经出现多种结构形式，目前在国内，行业里啮合型密炼机普遍采用的依然是类似国外PES-3的啮合型Ⅰ代转子；但近年来，随着进口设备的越来越多，出现了新形式的PES-5转子，大连橡胶塑料机械有限公司（以下简称大橡塑）通过对PES-5的研究和理解而制造的类似转子，即啮合型Ⅱ代转子，其使用性能也得到了用户的认可。

下面就介绍一下啮合型Ⅰ代转子与啮合型Ⅱ代转子各自的结构和特点。

1 啮合型Ⅰ代转子

啮合型Ⅰ代转子是目前橡胶行业中应用最广泛的啮合型转子，其来源于国外的PES-3型转子，PES-3型转子开发于20世纪90年代。啮合型Ⅰ代转子的转子凸棱的前导角为缓坡形，减小了大凸棱顶部的面积，改善了胶料的流动模式，增强了胶料的分散性和均匀性，其外观如图1所示。

1.1 啮合型Ⅰ代转子的结构

该型转子由3条螺旋棱组成，分别称之为中间棱，长棱和短棱，三条螺旋棱的轴向截面均保持一致，见图2所示，其与切线型转子的显著区别就是啮合型转子的棱宽（示意图中的粗实线）远远大于切线型转子的棱宽（示意图中的细实线）。

图1 啮合型Ⅰ代转子三维示意图

图2 啮合型Ⅰ代转子螺旋棱截面示意图

三条螺旋棱的位置布置关系见图3。三条螺旋棱的螺旋方向一致，均为右旋，但螺旋升角大小却不同，其中中间棱的螺旋角a1，长棱的螺旋角a2，短棱的螺旋角为a3，其数值关系为a1=a2＜a3。中间棱的位置以转子体中间截面左右对称布置，棱长轴向方向上投影长度L1；长棱从转子体左侧端面开始，以棱长轴向方向上投影长度L2结束；短棱从转子体右侧端面开始，以棱长轴向方向上投影长度L3结束，三者大小关系为L1＞L2＞L3。

由于啮合型转子工作时是2个转子互相啮合工作的，必须满足相位要求，其速比必须是1∶1，否则会发生干涉碰撞。这里需要注意的是，这2个互相啮合的转子体是相同的，只是摆放时，一根转子不动，另外一个转子以转子体中间截面翻转180°，见图4。

图3 啮合型Ⅰ代转子螺旋棱展开示意图

图4 啮合型Ⅰ代转子副工作状态三维示意图

转子副在工作状态时，一根转子的中间棱就会与另一根转子的长棱、短棱互相啮合，如图3中阴影部分就是单个转子体的长、短棱的啮合面，能保证工作时与另一个转子的中间棱之间的啮合侧隙均匀。在转子副中，二者之间的啮合区域如图5所示，胶料在啮合区域内收到两个转子棱之间的相互挤压，并且由于啮合面上的半径不同而形成不同的圆周速度，产生速比和速度梯度，从而形成高剪切分散混炼，大大提高了炼胶质量。

啮合型Ⅰ代转子的冷却方式采用的是强制循环冷却方式，其冷却水腔呈螺旋管状且直接通到各棱的顶部，见图6。该结构（已经申请专利并授权，专利号CN200710158516.9）能够使冷却水道更大且更贴近工作表面，并且采用单向强制循环冷却，大大提高了

冷却效果，使转子高剪切区域获得了更多、更直接到的冷却，能有效地带走混炼过程中产生的热量，能量转换高，可以改善胶料表面的黏着性，排胶温度低，适用于热敏性胶料的加工。

图5 啮合型Ⅰ代转子副工作横截面上啮合侧隙示意图

图6 啮合型Ⅰ代转子冷却水流道三维示意图

1.2 啮合型Ⅰ代转子的特点

从上面的介绍和分析中，我们不难看出啮合型Ⅰ代转子具有如下特点：

（1）三条转子棱的轴向截面保持一致，均为同一截面，棱的螺旋方向一致，均为右旋，其中中间棱与长棱的螺旋角一致，有别于短棱的螺旋角。

（2）长棱与短棱交汇处为啮合区，工作时与另一转子的中间棱互相啮合。当中间棱啮合在长棱与短棱之间时，中间棱的前侧面和后侧面与另一根转子的啮合面之间的缝隙均匀（见图5所示），且不随转子旋转而发生变化，一直到啮合作用结束。

（3）由于短棱的螺旋方向与中间棱、长棱一致，这样胶料在旋转过程当中，胶料会沿着螺旋棱从左侧推动到右侧（见图7）；对于中间棱，胶料从左侧推动到右侧之后，会顺着棱端面与转子端面之间的缝隙流出进入啮合区，同时也会在另外一根转子棱的作用下在反方向推动，继续推动到啮合区；对于长棱，胶料会从端面开始一直推动到啮合区，在啮合区被挤压后分流后进入下一循环；而对于短棱，胶料在啮合区内挤压分流后，一部分胶料会在另外一根转子的长棱作用下继续推动到啮合区，而另一小部分胶料会由于其螺旋方向的原因，在螺旋棱作用下一直推动到端面，在端面夹角处形成积胶现象，如图7所示。

图7 啮合型Ⅰ代转子工作时胶料流动示意图

虽然在短棱端面处的积胶的一小部分会绕过棱峰外径参与剪切作用，但此处积胶不利于胶料的整体搅拌和分散，对胶料的分散性和均匀性有一定的影响，也最终影响了胶料的炼胶效果，可以说此处产生积胶是啮合型Ⅰ代转子在性能上的一个最大不足。

2 啮合型Ⅱ代转子

近年来，随着全球经济一体化的快速发展，国外密炼机也越来越多的进入到国内市场，这些密炼机当中有部分机台配备了新结构的PES-5啮合型转子，大橡塑通过对其研究和自己的理解研制出了啮合型Ⅱ代转子，其外观如图8所示。

2.1 啮合型Ⅱ代转子的结构

啮合型Ⅱ代转子同样具有三条螺旋棱，在这里中间棱和长棱的布置与啮合型Ⅰ代转子基本相同，只是短棱的螺旋方向有了明显变化，其螺旋方向为左旋，也是从端面开始向中间延伸。三条转子棱的位置布置关系见图9，螺旋角关系为中间棱a1=长棱螺旋角a2＜短棱螺旋角a3；同时对整个转子棱的棱形进行了修整，使其不再具有啮合面。

图8 啮合型Ⅱ代转子三维示意图

图9 啮合型Ⅱ代转子螺旋棱展开示意图

同样，由于是两转子工作时互相啮合，所以两转子必须满足相位要求，且转动速比为1∶1，转子副两转子摆放方式同啮合型Ⅰ代转子，见图10。

图10 啮合型Ⅱ代转子副工作状态三维示意图

转子副在工作状态时，一根转子的中间棱就会与另一根转子的长棱、短棱互相啮合，但由于取消了啮合面，且棱形做了调整，所以中间棱与长棱、短棱之间的间隙并不均匀，如图11所示，故发生在此区域内的棱与棱之间对胶料的挤压作用基本没有，但啮合区域内，半径不同而形成圆周速度的不同还是存在的，所以依然有速比和速度梯度，依然能够使胶料发生紊流混炼搅拌，保持良好的胶料分散性和均匀性。

图11 啮合型Ⅱ代转子副工作横截面上啮合侧隙示意图

啮合型Ⅱ代转子的冷却方式同样采用强制循环冷却方式，其冷却水腔呈螺旋管状且随着棱形的变化而变化，见图12。该结构（已经申请国家专利并授权，专利号为CN201210399342.6）具备啮合型Ⅰ代转子同样良好的冷却效果，并且更容易加工，水道形状更容易控制。

图12 啮合型Ⅱ代转子冷却水流道三维示意图

2.2 啮合型Ⅱ代转子的特点

从上面的介绍和分析中，我们不难看出啮合型Ⅱ代转子具有如下特点：

（1）中间棱、长棱的布置基本同啮合型Ⅰ代转子，且螺旋方向均为右旋，且螺旋角一致；短棱的螺旋方

向则为左旋。

（2）长棱与短棱交汇处为啮合区，工作时与另一转子的中间棱互相啮合。两个转子互相啮合时，中间棱的前侧面和后侧面与另一根转子的长棱、短棱之间的缝隙随转子旋转而变化（见图11所示）。

（3）由于啮合型Ⅱ代转子的中间棱和长棱的布置方式基本同啮合型Ⅰ代转子，所以其工作机理与啮合型Ⅰ代转子中的中间棱、长棱一致，在这里不再重复。而对于短棱，其螺旋方向改为左旋，所以其在工作过程当中，胶料就会在螺旋棱的作用下从右侧推动到左侧，即从转子端面往中间推动，见图13。这样，胶料在长棱、短棱作用下推动到啮合区，在啮合区又在另一转子的中间棱的作用下分流，流向两端面，然后又在长棱、短棱作用下推动到啮合区，如此往复，胶料能够实现从两端面到中间的啮合区，再从啮合区分流到两端面，再从两端面回到中间的啮合区的这样一个循环过程，有利于胶料的来回折返，增强了往返搅拌功能。

啮合型Ⅱ代转子在结构上虽然取消了啮合面，工作时基本没有棱与棱在啮合面之间的互相挤压紊流作用，但更改了短棱的螺旋方向，能够将胶料从端面推动到中间，不存在积胶死角，加强了胶料的往返搅拌作用，也能保证高品质的炼胶质量。

3 结语

啮合型转子的使用性能已经得到广泛的认可，尤其是在高品质的橡胶制品行业，其优良的炼胶性能是橡胶制品质量的有力保证。啮合型Ⅰ代转子是当前使用最广泛的啮合型转子；而啮合型Ⅱ代转子的出现无疑给广大用户增加了一种选择，大橡塑也适时的根据市场需要研制出了多种规格密炼机的啮合型Ⅱ代转子，而且由于啮合型Ⅱ代转子还特别适用于混炼白炭黑胶料，而白炭黑又是绿色轮胎工艺中的不可或缺的重要组成部分，随着绿色轮胎市场需求量越来越大，啮合型Ⅱ代转子一定会具有广阔的市场。