密炼机转子端面螺旋槽密封数值计算及结构优化
发布时间：2020-11-04 15:23
随着自动化生产和智能化操作在密炼机中的应用,人们对混炼胶的品质要求愈加严格。转子密封装置作为密炼机正常工作不可或缺的部分,其密封性能直接决定了混炼胶的组分配比是否准确,而且对工作环境与生产效率有着重要影响。如何提高转子的端面密封能力成为密炼机设计的主要研究内容之一。实现原料的零泄漏和提高转子密封装置的使用寿命成为生产商不懈追求的目标。在转子端面上开设用于反向输送胶料熔体的螺旋槽,从源头上降低胶料的泄露,实现转子的密封。该密封形式可保留密炼机原有的密封装置,与其组成双重密封结构,因此具有广阔的应用前景。本文的主要研究内容如下:(1)对现有的密炼机转子密封装置及存在的问题进行了总结,分析了低粘度下的螺旋密封的机械效应与螺旋槽密封的上游泵送机理,进而提出了针对高粘度胶料熔体的转子端面螺旋槽反向输送机理,建立了泵送量与泄露量平衡的计算公式,探讨了不同因素对密封压力的影响,为转子端面螺旋槽密封提供理论基础。(2)通过Solidworks建立了端面螺旋槽的三维模型,利用有限元软件POLYFLOW分析了螺旋槽、压差及综合作用下的流场(速度、压力、速度矢量)分布情况,并计算了转速对密封压力的影响。(3)利用田口方法来优化螺旋槽的结构参数。设计了25组方案,模拟不同参数组合的密封压力。通过方差分析,得到了最优参数组合:槽宽13mm,槽深1.75mm,螺旋角25°,螺槽数12,槽底半径44mm。计算各个参数的贡献率,参数的影响程度从大到小依次为:槽深、螺旋角、螺槽数、槽宽、槽底半径。(4)研究了周期性变化的转子端面密封间隙对密封压力的影响。分析了转子周期性轴向窜动的成因,计算了转子的轴向力与窜动量,考虑炼胶中的热效应对转子长度的影响,计算了转子的热伸长量。结合转子窜动量与热伸长量,确定了密封间隙周期性变化的范围,模拟了不同间隙下的密封压力。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ330.42
【部分图文】：
形成具有一定刚度的液膜或气膜，使两个密封环被迫分离，从而起到密封作用。由于端面螺旋槽的非接触性密封，密封环的磨损量很小，具有极长的使用寿命。图1-12为端面螺旋槽的结构简图。图 1-12 螺旋槽结构图Fig.1-12 Structure drawing of spiral groove对于端面螺旋槽密封的研究最早出现在 1960 年左右。当时，Whipple 建立了窄槽理论，计算了槽隙中流体的压力，为端面螺旋槽密封的实现提供了可能[41]。Muijderman 等改进了窄槽理论，并引入到端面螺旋槽气膜的计算中[42]。Gabriel对端面螺旋槽的结构参数进行了研究，建立了结构参数与密封压力的表达式，总结了端面螺旋槽密封的现存问题[43]。Murata 等引入剪切速率来简化了端面螺旋槽模型，采用解析法和数值法分别计算了螺槽中的流场[44]。Salant 研究了槽型对泄漏量的影响，发现端面螺旋槽的泄露量小于其他槽型，并通过差分法对端面螺旋槽密封液膜的刚度进行了求解[45]。Fesanghary 提出了用于最大负载能力的新型螺旋槽，推导了承载能力公式，并通过试验进行了验证[46]。Blasiak 研究了密封环的表面形貌对端面螺旋槽密封的影响
作出螺旋槽草图。在Solidworks中打开螺旋槽的二维图，通过拉伸变换建立螺旋槽的实体模型及流体域的模型。最后，为了方便在POLYFLOW中设置转轴坐标，因此将装配体中的转子原点移至系统坐标原点。图3-3为转子端面螺旋槽的三维模型。表3-1螺旋槽几何参数Tab.3-1 Geometric parameters of spiral groove序号 参数名称 初始尺寸值1 螺旋槽宽w（mm） 132 非槽区宽a（mm） 133 螺旋槽深h （mm） 24螺槽底径gr（mm）435 螺旋角 （°） 256 转角 （°） 18.537 螺旋槽个数i 12图3-3转子端面螺旋槽的三维模型Fig. 3-3 Three-dimensional model of end spiral groove3.3.3 网格划分三维模型的网格划分是计算流体流场的第一步，网格质量的优劣直接决定了流场的计算精度。结构不同的模型使用网格类型不同，在计算机中网格划分时间与生成网格质量上也有所差异。根据具体的模型结构，选择最佳的网格类型。在本文中，计算模型包括两部分：转子端面的螺旋槽和流体域。由于螺旋槽的结构
Fig.3-5 Grid skew slope statistics网格偏斜率小意味着实际网格的节点与理想网格的节点之间偏差小，网格质量好。由图3-4可知，半数以上的网格的偏斜率都不大于0.25，整体网格平均偏斜率为0.24，小于规定的上限值0.33，即网格质量满足求解精度。3.3.4 材料参数表 3-2 为胶料的物性参数。
【参考文献】
本文编号：2870266
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ330.42
【部分图文】：
形成具有一定刚度的液膜或气膜，使两个密封环被迫分离，从而起到密封作用。由于端面螺旋槽的非接触性密封，密封环的磨损量很小，具有极长的使用寿命。图1-12为端面螺旋槽的结构简图。图 1-12 螺旋槽结构图Fig.1-12 Structure drawing of spiral groove对于端面螺旋槽密封的研究最早出现在 1960 年左右。当时，Whipple 建立了窄槽理论，计算了槽隙中流体的压力，为端面螺旋槽密封的实现提供了可能[41]。Muijderman 等改进了窄槽理论，并引入到端面螺旋槽气膜的计算中[42]。Gabriel对端面螺旋槽的结构参数进行了研究，建立了结构参数与密封压力的表达式，总结了端面螺旋槽密封的现存问题[43]。Murata 等引入剪切速率来简化了端面螺旋槽模型，采用解析法和数值法分别计算了螺槽中的流场[44]。Salant 研究了槽型对泄漏量的影响，发现端面螺旋槽的泄露量小于其他槽型，并通过差分法对端面螺旋槽密封液膜的刚度进行了求解[45]。Fesanghary 提出了用于最大负载能力的新型螺旋槽，推导了承载能力公式，并通过试验进行了验证[46]。Blasiak 研究了密封环的表面形貌对端面螺旋槽密封的影响
作出螺旋槽草图。在Solidworks中打开螺旋槽的二维图，通过拉伸变换建立螺旋槽的实体模型及流体域的模型。最后，为了方便在POLYFLOW中设置转轴坐标，因此将装配体中的转子原点移至系统坐标原点。图3-3为转子端面螺旋槽的三维模型。表3-1螺旋槽几何参数Tab.3-1 Geometric parameters of spiral groove序号 参数名称 初始尺寸值1 螺旋槽宽w（mm） 132 非槽区宽a（mm） 133 螺旋槽深h （mm） 24螺槽底径gr（mm）435 螺旋角 （°） 256 转角 （°） 18.537 螺旋槽个数i 12图3-3转子端面螺旋槽的三维模型Fig. 3-3 Three-dimensional model of end spiral groove3.3.3 网格划分三维模型的网格划分是计算流体流场的第一步，网格质量的优劣直接决定了流场的计算精度。结构不同的模型使用网格类型不同，在计算机中网格划分时间与生成网格质量上也有所差异。根据具体的模型结构，选择最佳的网格类型。在本文中，计算模型包括两部分：转子端面的螺旋槽和流体域。由于螺旋槽的结构
Fig.3-5 Grid skew slope statistics网格偏斜率小意味着实际网格的节点与理想网格的节点之间偏差小，网格质量好。由图3-4可知，半数以上的网格的偏斜率都不大于0.25，整体网格平均偏斜率为0.24，小于规定的上限值0.33，即网格质量满足求解精度。3.3.4 材料参数表 3-2 为胶料的物性参数。
【参考文献】
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10 孙琳;王新元;;GK型密炼机转子轴端密封装置[J];橡塑技术与装备;2008年09期
本文编号：2870266
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