周元華　編譯

關(guān)于密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻問題

周元華編譯

詳細(xì)介紹了對(duì)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻問題的研究成果。重點(diǎn)闡述了已開發(fā)成功的流動(dòng)解析技術(shù)在預(yù)測轉(zhuǎn)子冷卻性能方面的運(yùn)用情況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，二段結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的冷卻功能比一體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)。

密煉機(jī)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；冷卻；預(yù)測

0　前　言

近年來，對(duì)混煉輪胎用橡膠的密煉機(jī)的熱能和能量的管理，乃是以削減CO2排放量為代表、以減輕環(huán)境負(fù)荷為目的的世界性潮流。所以，這個(gè)問題就顯得非常重要。原因之一，是人們要求輪胎能有效地利用能量，其代表就是如今倍受人們關(guān)注的低油耗輪胎。所謂低油耗輪胎，就是減少發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力中，因輪胎變形生熱而消耗的能量，以減少燃油費(fèi)支出。多數(shù)低油耗輪胎在制造過程中需配合白炭黑，而白炭黑和橡膠的結(jié)合性差，所以，在混煉過程中還要使用硅烷偶聯(lián)劑，在適宜的溫度條件下，讓偶聯(lián)劑參與反應(yīng)。為此，低油耗輪胎生產(chǎn)過程中，溫度管理比以往生產(chǎn)的輪胎更具重要性。再者，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，要賦予膠料高剪切力，而剪切生熱會(huì)使膠料溫度快速提升，造成膠料焦燒。為此，在混煉過程中需要對(duì)橡膠進(jìn)行冷卻。原因之二，橡膠廠在產(chǎn)業(yè)界被列入能源消耗量大的范疇。平均每噸膠料需消耗1～2.5 kWh的電量，其中，30%～50%消耗在橡膠混煉過程中。對(duì)于橡膠密煉機(jī)來說，其消耗能源的大半部分用于溫升。用冷卻水去熱，有效地利用能源，無論從環(huán)境保護(hù)，還是從降低生產(chǎn)成本角度來講，這個(gè)觀點(diǎn)無疑是很重要的。

文中就現(xiàn)有轉(zhuǎn)子冷卻方面所做的研究，用作者所在公司的流動(dòng)解析法介紹了轉(zhuǎn)子冷卻的方法。此外，文中還談到了研究該方法所要求的解析技術(shù)。

1　轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻性能預(yù)測技術(shù)的開發(fā)

1.1轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)

在密煉機(jī)里對(duì)橡膠的冷卻，通常是采用水冷辦法。這種水冷辦法大致上可分為二種。一種是用包含了活塞或者含冷卻下垂門在內(nèi)的箱體冷卻；另一種是直接轉(zhuǎn)子冷卻。箱體冷卻是通過在箱體內(nèi)部設(shè)置了幾條水流道實(shí)現(xiàn)的。到目前為止，經(jīng)過不斷開發(fā)，已經(jīng)獲得了適宜的冷卻功能。另一方面，轉(zhuǎn)子直接冷卻方法還有改善的空間。密煉機(jī)所消耗的能源約40%用于橡膠，約10%為機(jī)械損耗，剩下的50%通過冷卻水除熱被排出。箱體冷卻和轉(zhuǎn)子直接冷卻，其效果相同，所以轉(zhuǎn)子冷卻的結(jié)構(gòu)對(duì)密煉機(jī)的冷卻性能有很大的影響。

下文先介紹使用至今的轉(zhuǎn)子冷卻裝置的構(gòu)造。圖1是切線式轉(zhuǎn)子中最具代表性的兩種冷卻方式簡圖，即一體結(jié)構(gòu)冷卻方式和二段結(jié)構(gòu)冷卻方式。

圖1　轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)

一體結(jié)構(gòu)冷卻方式是將轉(zhuǎn)子和冷卻水流道整合成為一個(gè)整體.，冷卻水流過轉(zhuǎn)子內(nèi)單一的流道，去熱冷卻。但是，流道內(nèi)水的流速慢，熱傳導(dǎo)率低，冷卻能力比二段結(jié)構(gòu)方式的差。二段結(jié)構(gòu)冷卻方式是在轉(zhuǎn)子內(nèi)，由幾條沿著轉(zhuǎn)子凸棱分布的流道構(gòu)成了冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻水保持快速流動(dòng)。

冷卻水流道接近轉(zhuǎn)子的表面，所以冷卻能力比一體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)。Schmahl等人對(duì)箱體式冷卻和不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子冷卻的性能作了實(shí)驗(yàn)性的研究。至于轉(zhuǎn)子冷卻，可以隨意設(shè)定一個(gè)初始溫度，經(jīng)過一段時(shí)間后再比較轉(zhuǎn)子的表面溫度和它的平均值。

1.2關(guān)于轉(zhuǎn)子冷卻橡膠的研究

對(duì)于密煉機(jī)內(nèi)的冷卻問題，已開展了一些研究，其中包括實(shí)驗(yàn)性求得總導(dǎo)熱系數(shù)的研究。在該項(xiàng)研究中使用了7 L（容量）的切線式密煉機(jī)，用冷卻水去除密煉機(jī)內(nèi)的熱量，然后求得箱體內(nèi)表面基準(zhǔn)的總導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)這一研究結(jié)果，推算出密煉機(jī)內(nèi)的總導(dǎo)熱系數(shù)約為150～300 W/（m2·K），當(dāng)然這還要取決于密煉機(jī)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

入江等人把密煉機(jī)的容量設(shè)定為75 L，研究了改變與橡膠投入量相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱面積比例時(shí)的傾向和對(duì)黏彈性的影響。依據(jù)這一研究，確認(rèn)了即使增大導(dǎo)熱面積的比例，總的導(dǎo)熱系數(shù)大致上仍保持不變。當(dāng)彈性處于支配地位時(shí)，總的導(dǎo)熱系數(shù)才增大。但是，分別對(duì)箱體冷卻和轉(zhuǎn)子冷卻的除熱量進(jìn)行研究的實(shí)例還是鳳毛麟角，到目前為止還沒能定量地掌握密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的除熱量。

2　將熱流動(dòng)解析法用于密煉機(jī)的開發(fā)

2.1為開發(fā)密煉機(jī)用解析法作前期預(yù)測

密煉機(jī)里的橡膠呈部分充滿狀態(tài)，并在密煉機(jī)內(nèi)流動(dòng)，而要掌握其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)和溫度分布情況并非易事。因此，目前仍憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)，這樣既花費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)。該文作者所在公司為了掌握混煉過程中膠料的行為，并把它融入密煉機(jī)的設(shè)計(jì)中，目前已開發(fā)出一種利用部分充滿流動(dòng)解析來預(yù)測混煉性能的方法。根據(jù)該解析方法可以確認(rèn)，預(yù)測的分布性能與實(shí)際的分布性能基本一致。另外，對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力以及轉(zhuǎn)矩這樣的機(jī)械性負(fù)荷，也能作定性的預(yù)測。但是，存在著計(jì)算工作量增加的問題。按照現(xiàn)狀，目前對(duì)溫度的計(jì)算還不行。正如以上所述，橡膠混煉過程中的溫度預(yù)測和流動(dòng)預(yù)測同等重要，所以必須確立解析技術(shù)。為此，針對(duì)轉(zhuǎn)子冷卻問題，已開發(fā)了利用熱傳導(dǎo)解析原理的預(yù)測技術(shù).

2.2轉(zhuǎn)子冷卻預(yù)測技術(shù)

2.2.1關(guān)于預(yù)測技術(shù)的概要

該文作者供職的公司利用轉(zhuǎn)子的熱傳導(dǎo)解析原理，開發(fā)了轉(zhuǎn)子放熱預(yù)測技術(shù)，其對(duì)象是一體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子和二段結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，對(duì)它們的冷卻功能進(jìn)行了對(duì)比。首先，比較了在室溫下進(jìn)行的非常規(guī)冷卻實(shí)驗(yàn)和溫度下降時(shí)的情況，以此來驗(yàn)證解析技術(shù)是否適用。然后，采用該解析方法，預(yù)測實(shí)際混煉條件下的放熱并進(jìn)行了比較。

轉(zhuǎn)子周圍環(huán)境可分為流經(jīng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的冷卻水部分，轉(zhuǎn)子自身的金屬部分和轉(zhuǎn)子外面的橡膠部分三大塊。所以，通過計(jì)算各部分的熱傳導(dǎo)率，解析轉(zhuǎn)子的熱傳導(dǎo)，就能預(yù)測轉(zhuǎn)子的除熱量。文中，橡膠的熱傳導(dǎo)率是固定的，而溫度為一定值，金屬部分只考慮轉(zhuǎn)子材質(zhì)的熱傳導(dǎo)率，冷卻水的熱傳導(dǎo)率可通過冷卻水的流量計(jì)算。再者，假定轉(zhuǎn)子表面和橡膠呈全接觸狀態(tài)，計(jì)算如此進(jìn)行。

2.2.2冷卻實(shí)驗(yàn)

為了確認(rèn)熱傳導(dǎo)解析的精確度，首先比較了非常規(guī)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)和溫度的變化情況。把內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)不同，但外形相同的轉(zhuǎn)子加熱到規(guī)定溫度，然后通冷卻水，用溫度計(jì)錄儀測定轉(zhuǎn)子表面溫度的變化情況。圖2是實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)子的外形。將轉(zhuǎn)子表面涂成黑色，用熱觀測儀檢測其表面溫度。將轉(zhuǎn)子長棱工作面的溫度作為研究對(duì)象，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和解析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖2　轉(zhuǎn)子冷卻實(shí)驗(yàn)

圖3是用溫度計(jì)錄儀計(jì)測的結(jié)果，圖4是非常規(guī)的解析結(jié)果。

圖3　轉(zhuǎn)子冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

比較了不同冷卻結(jié)構(gòu)300 s后的溫度分布情況。根據(jù)圖4可以確認(rèn)，無論是實(shí)驗(yàn)還是解析，二段結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子冷卻功能較強(qiáng)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和解析結(jié)果作了對(duì)比，轉(zhuǎn)子的凸棱部分比其他部分難以冷卻，即使在解析過程中也再現(xiàn)了這一情況。圖5列示了解析和實(shí)驗(yàn)過程中，通冷卻水后轉(zhuǎn)子表面溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖4　與轉(zhuǎn)子冷卻有關(guān)聯(lián)的熱傳導(dǎo)解析結(jié)果

圖5　與轉(zhuǎn)子冷卻有關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)與解析之比較

通過轉(zhuǎn)子初始溫度Tint和冷卻水溫度Tcool的差異，使轉(zhuǎn)子表面溫度標(biāo)準(zhǔn)化。冷卻水一開始流動(dòng)，轉(zhuǎn)子表面溫度就慢慢下降，和一體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子相比，二段結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子下降比例大，容易冷卻。再比較一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和解析結(jié)果，它們的初始值各不相同，但是溫度下降的斜度已趨向一致，在非常規(guī)狀態(tài)下可定性地再現(xiàn)轉(zhuǎn)子的溫度。

2.2.3預(yù)測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)情況下的放熱

為了定量地評(píng)價(jià)解析的預(yù)測精確度，表1示出了在設(shè)定了實(shí)驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)條件的解析過程中，于常規(guī)狀態(tài)下的放熱量。在實(shí)驗(yàn)中，先設(shè)定常規(guī)狀態(tài)下的放熱量，再評(píng)價(jià)測定開始后到300 s時(shí)的平均冷卻速率。在解析過程中，假定轉(zhuǎn)子表面溫度為150 ℃，評(píng)價(jià)此時(shí)的放熱量。無論是實(shí)驗(yàn)還是解析，都是二段結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的冷卻功能較強(qiáng)。另外，將一體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子和二段結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子作比較后確認(rèn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均冷卻速率的比例和解析結(jié)果的放熱量的比例都是2.8，在定量方面也可作高精度的預(yù)測。

采用已開發(fā)成功的預(yù)測技術(shù)，來預(yù)測先前的研究課題，即不同形狀的轉(zhuǎn)子和提高了等級(jí)的轉(zhuǎn)子的冷卻性能。加之，從對(duì)流動(dòng)的解析中可反映出接觸轉(zhuǎn)子表面的橡膠的量，計(jì)算出更接近于實(shí)際狀況的放熱量。

表1　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)條件下的放熱預(yù)測結(jié)果

3　對(duì)密煉機(jī)解析技術(shù)的展望

通過以上敘述得知，熱傳導(dǎo)解析技術(shù)可預(yù)測轉(zhuǎn)子的冷卻功能。另外，正如上文所述，在流動(dòng)解析方面也可作定性的預(yù)測。為此，計(jì)算工作量的增加仍然是個(gè)問題，下一步可以把兩者結(jié)合起來，就所謂部分充滿狀態(tài)下的熱流動(dòng)——密煉機(jī)內(nèi)的實(shí)況進(jìn)行解析。今后還將考慮橡膠熔融過程的再現(xiàn)，以及把彈性模型應(yīng)用于流動(dòng)解析等研究課題。

4　結(jié)　語

以上，在闡述密煉機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻的重要性，和具有代表性的冷卻結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還介紹了已開發(fā)成功的解析技術(shù)。通過運(yùn)用熱傳導(dǎo)解析技術(shù)，就能定量地預(yù)測轉(zhuǎn)子的冷卻狀況。但是，為了要預(yù)測考慮了橡膠性能變化的密煉機(jī)的流動(dòng)狀態(tài)，還需要做與流動(dòng)相關(guān)聯(lián)的解析。橡膠密煉機(jī)是機(jī)械負(fù)荷重的裝置，所以更要考慮與其結(jié)構(gòu)解析相關(guān)聯(lián)的問題。今后將繼續(xù)開發(fā)流動(dòng)·熱·結(jié)構(gòu)三個(gè)方面的預(yù)測技術(shù).

［1］東孝祐等. 密閉式混練機(jī)におけるロータ冷卻［J］. 日本ゴム協(xié)會(huì)誌， 2015（4）：18-21.

［責(zé)任編輯：張啟躍］

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1671-8232（2016）09-0009-04

2016-05-12