同步转子构型优化及其混合特性的研究

发布时间：2020-07-03 18:29

【摘要】：目前,密炼机仍然是橡胶行业应用最为广泛的间歇式混炼设备。随着橡胶工业以及其他高分子加工行业的不断发展,对于密炼机混炼性能的要求也越来越高,同步转子密炼机即在此背景下研制而成,它具有生产效率高、混炼胶均匀性好等突出优点,常被用于加工均匀性要求高的橡胶制品。橡胶的混炼过程十分复杂,橡胶制品的最终性能会受到工艺条件、人为因素以及转子构型等在内的多重因素影响。转子作为混炼设备的核心元件,对于密炼机混炼效果的影响巨大,目前对于转子结构设计的研究虽然很多,但都处于经验设计阶段。因此,对同步转子进行优化设计显得极为重要。本文完成的具体工作及研究结果如下:1.在广泛查阅文献资料的基础上,介绍了密炼机的混炼特点、发展历程、转子构型以及国内外数值模拟及转子优化的进展,针对目前转子设计过于依赖经验的问题,提出利用优化算法结合数值模拟技术进行转子优化的方法。2.利用MATLAB软件编写了同步转子参数化设计程序,并利用CREO软件建立了同步转子的参数化设计几何模型;针对数值模拟过程,确定了相应的数学求解模型及材料本构模型,并假定了合理的边界条件;采用MST网格重叠技术建立了同步转子密炼机有限元网格模型,对模拟、优化过程的整体思路进行了介绍。3.在现有同步转子密炼机混炼理论的基础上,构建了同步转子力学模型,并对其混炼特性进行了研究,重点对转子棱顶间隙与宽度、楔入角、凸棱螺旋角及长度、相位角对混炼的影响进行了分析。4.编写了整套PSO算法优化程序,利用全局分布指数作为适应度函数优化了同步转子构型,相较于优化前,长棱长度减少了8mm,短棱长度增加了8mm,长棱螺旋角减少1°,短棱螺旋角增加12°;利用MATLAB编写了四种灰色关联计算程序,对转子凸棱结构参数与混合性能评价指标进行了关联性分析,结果表明长短棱螺旋角对于混合的影响作用明显大于长短棱比值,短棱螺旋角对于分散混合以及分布混合的影响作用都较大;利用灰色关联综合评价法结合主观赋权法以及熵权法对优化过程中的各组转子进行了综合评价,得出了综合混合效果最佳的转子结构,其转子结构参数与PSO优化转子结构参数一致。5.对优化前后的转子进行了几何模型分析、流场云图对比、数值分析对比以及必要的实验对比研究。结果表明,优化后的同步转子,其分布混炼效果较优化前优越,其分散效果也优越于优化前同步转子,说明优化过程具有可行性并且优化结果具有可靠性,这为密炼机转子的设计与开发提供了新思路,对于混炼技术发展具有一定的指导意义。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ330.1
【图文】：

密炼机

常通过改变转子棱的布置、数量、形状、长同类型转子，从而适应不同性质高分子材料供了一定的混合区间以便于完成加料过程，剪切型密炼机的驱动功率因转子类型以及混混炼 1L 胶料需要消耗 7kW 能量。炼机无法做到全充满，为了达到良好的混合型密炼机按照设计参考一般会将填充因子控值，针对不同混炼胶料，必须对其材料性质保证混炼效果优越。由 F. H. Banbury 在 20 世纪初发明的，当时的旋型凸棱，长短棱之间存在重叠。从技术层及其他混合物的混炼[13]，适用范围较为广泛效率低下被逐渐淘汰。

转子,四棱转子,同步转子,橡胶轮胎

图 1-2 N 型转子Fig.1-2 N-Rotor转子最早是由固特异橡胶轮胎公司的 Tyson 和 C棱采用相对布置方式，长棱螺旋角略小但具有果良好，能在短时间内为混炼物提供巨大能混炼胶料的均匀性一般较差。图 1-3 Tyson 和 Comper 联合发明的标准四棱转子Fig.1-3 Full-4-wing rotor invented by Tyson and Comey 申请了同步转子发明专利。该类型转子的

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