葛孚宇，邱 健，嚴(yán) 剛，李文超，蔣超杰，高 浩，李 利

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

密煉機(jī)密煉室的溫度控制較難。在膠料的密煉過程中，轉(zhuǎn)子、密煉室與膠料之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量可以促進(jìn)膠料的混煉，但若散熱不好則會(huì)發(fā)生焦燒現(xiàn)象，影響膠料的質(zhì)量[1-5]，因此在膠料的密煉過程中采取合理有效的冷卻措施十分重要。

在密煉過程中膠料的生熱與冷卻是密煉機(jī)設(shè)計(jì)的重要考慮因素，該過程產(chǎn)生的熱量主要集中在轉(zhuǎn)子與密煉室壁之間，而轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其生熱量大，散熱面積小，熱量比較集中，因此控制密煉過程中膠料的溫度主要通過密煉機(jī)箱體和轉(zhuǎn)子的冷卻實(shí)現(xiàn)[6-10]。密煉機(jī)箱體依靠其內(nèi)部的多條水冷管道實(shí)現(xiàn)冷卻，經(jīng)過不斷地優(yōu)化，密煉機(jī)箱體的水冷已經(jīng)取得了很好的效果；轉(zhuǎn)子的冷卻主要通過外部構(gòu)造及其內(nèi)部冷卻水管道來實(shí)現(xiàn)，冷卻效果仍還有很大改善空間。

本工作采用Creo Parametric軟件建立密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的熱分析模型以優(yōu)化其冷卻結(jié)構(gòu)，并對(duì)比分析不同冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果。

1 轉(zhuǎn)子的構(gòu)型

轉(zhuǎn)子的構(gòu)型大致可以分為3種，即剪切型、嚙合型和剪切嚙合型[11-14]。其中，采用剪切型轉(zhuǎn)子的密煉機(jī)的混煉功能區(qū)域主要集中在轉(zhuǎn)子與密煉室內(nèi)壁之間，而采用嚙合型和剪切嚙合型轉(zhuǎn)子的密煉機(jī)的混煉功能區(qū)域不僅在轉(zhuǎn)子與密煉室內(nèi)壁之間，2個(gè)轉(zhuǎn)子的嚙合也具有較強(qiáng)的混煉作用[15-17]。剪切型轉(zhuǎn)子的剪切效果更優(yōu)，對(duì)填料的分散效果更明顯，而嚙合型轉(zhuǎn)子的傳熱面積更大，能有效降低排膠溫度，對(duì)于高生熱的膠料可以優(yōu)先考慮使用嚙合型轉(zhuǎn)子。本工作對(duì)嚙合型轉(zhuǎn)子進(jìn)行建模。

2 模型構(gòu)建與分析

Creo Simulate有限元分析的仿真主要包括結(jié)構(gòu)仿真和熱仿真，本工作主要采用熱仿真對(duì)轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻水管道進(jìn)行分析。

2.1 三維模型

采用三維建模軟件Creo Parametric建立轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的三維模型，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的三維模型Fig.1 Three-dimensional models of cooling structures and cooling water pipes of rotors

2種模型均采用“分體式+螺旋管道”冷卻結(jié)構(gòu)，分體式冷卻結(jié)構(gòu)是指轉(zhuǎn)子的頂部和主體分別冷卻，確保兩部分均能得到充分冷卻；螺旋管道是指螺旋式的冷卻水管道，其水流量更大，流速更快，不易堵塞，冷卻效果更好。2種模型的區(qū)別在于：?jiǎn)温菪鋮s結(jié)構(gòu)的主體是1個(gè)螺旋管道，而雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)的主體是2個(gè)交錯(cuò)的螺旋管道；單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子是由棱底結(jié)構(gòu)的相似曲線掃描而成，而雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子是由棱底結(jié)構(gòu)的相似曲線與棱頂結(jié)構(gòu)的相似曲線混合掃描而成，轉(zhuǎn)子與冷卻水管道之間的距離更均勻，水流量更大。

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 水的對(duì)流換熱因數(shù)

冷卻水的溫度取40 ℃，模型中光滑管道紊流的對(duì)流換熱因數(shù)α可由式（1）計(jì)算。

式中：Nu為努塞爾特?cái)?shù)；λ為水的熱導(dǎo)率，40 ℃水的熱導(dǎo)率取0.635 W·m-1·℃-1；d為冷卻水管道的直徑，m。

Nu可由式（2）計(jì)算。

式中：Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)，40 ℃水的Pr取4.31。

Re與水的流速和水管道有關(guān)，可由式（3）計(jì)算。

式中：V為水的平均流速，取1.18×102mm·s-1；D為螺旋冷卻結(jié)構(gòu)的直徑，取20 mm；v為水的運(yùn)動(dòng)粘度，40 ℃水的運(yùn)動(dòng)粘度取0.656 mm2·s-1。

冷卻水管道較短，冷卻水流動(dòng)不充分，層流內(nèi)層較薄，熱阻小，修正換熱因數(shù)為1.28，修正后的對(duì)流換熱因數(shù)αr＝1.28α＝7 373 W·m-2·℃-1。對(duì)于相似管道來說，上述參數(shù)不變，因此2種冷卻結(jié)構(gòu)中水的αr都取7 373 W·m-2·℃-1。

2.2.2 物性參數(shù)

密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的材料為45#鋼，設(shè)置物性參數(shù)時(shí)調(diào)用軟件材料庫(kù)中的“steel”參數(shù)，并在材料分配中將該參數(shù)分配給轉(zhuǎn)子整體。

2.3 網(wǎng)格劃分

在Creo 7.0模塊中，將網(wǎng)格最大元素尺寸設(shè)置為3 mm，網(wǎng)格劃分后轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的三維模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分后轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的三維模型Fig.2 Grided three-dimensional model of cooling structure and cooling water pipe of rotor

2.4 熱載荷與邊界條件

密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的熱載荷主要考慮冷卻水與轉(zhuǎn)子之間的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。轉(zhuǎn)子的生熱主要來自于凸棱表面與膠料在混煉過程中的相互作用，根據(jù)試驗(yàn)與模擬結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)子外表面和凸棱外表面均施加熱載荷，總載荷為2 kW。施加熱載荷和熱邊界（αr取7 373 W·m-1·℃-2，冷卻水溫度為40 ℃）的轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的模型如圖3和4所示。

圖3 施加熱載荷的轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的三維模型Fig.3 Three-dimensional model of cooling structure and cooling water pipe of rotor with thermal load

圖4 施加熱邊界的轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)及冷卻水管道的三維模型Fig.4 Three-dimensional model of cooling structure and cooling water pipe of rotor with thermal boundary

2.5 模型分析

在運(yùn)行模塊中使用新建穩(wěn)態(tài)分析功能進(jìn)行計(jì)算與分析，然后查看轉(zhuǎn)子的溫度分布云圖以及轉(zhuǎn)子沿凸棱方向的溫度曲線。為便于觀察云圖，設(shè)置顯示溫度的最大值與最小值，并統(tǒng)一修改溫度所對(duì)應(yīng)的顏色，故不同冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度云圖中相同顏色代表相同溫度。

3 結(jié)果與討論

轉(zhuǎn)子的溫度云圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子的溫度云圖Fig.5 Temperature nephograms of rotors

從圖5可以看出，2種冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度最高區(qū)域都分布在棱頂，這是因?yàn)槔忭斒悄z料混煉的主要區(qū)域，生熱大并且熱量集中，同時(shí)冷卻水管道離這一區(qū)域較遠(yuǎn)，且換熱面積小，這進(jìn)一步導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子的棱頂溫度高；溫度最低的區(qū)域分布在棱底與轉(zhuǎn)子內(nèi)壁之間，這主要是因?yàn)檫@一區(qū)域的冷卻水流量大且換熱面積大，熱量由冷卻水有效導(dǎo)出。

從圖5（a）可以看出：?jiǎn)温菪鋮s結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的最高溫度（121.045 0 ℃）和最低溫度（40.125 7 ℃）分別高于雙螺旋轉(zhuǎn)子的最高溫度（91.255 1 ℃）和最低溫度（40.035 8 ℃），這主要是因?yàn)殡p螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的冷卻水管道更多，冷卻水流量更大，冷卻效果更好；相較于單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度分布更為均勻，這主要是因?yàn)殡p螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的混合掃描成型結(jié)構(gòu)使得其壁厚度較均勻，同時(shí)由于雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的冷卻水管道流量更大，使得各區(qū)域的換熱更為均勻且充分。

從圖5（b），（c）和（d）可以看出，轉(zhuǎn)子的螺旋冷卻結(jié)構(gòu)到轉(zhuǎn)子的外表面距離對(duì)溫度分布的影響十分顯著。從凸棱區(qū)域看，與雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子相比，單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的凸棱壁厚度不均，距離螺旋冷卻結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)子的外表面溫度較高，距離螺旋冷卻結(jié)構(gòu)較近的轉(zhuǎn)子的外表面溫度較低，因此單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度分布不均勻；從轉(zhuǎn)子主體區(qū)域來看，雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度分布更均勻，這是因?yàn)槠淅鋮s水管道更多，冷卻水的流量更大，使得轉(zhuǎn)子能夠充分冷卻。

轉(zhuǎn)子凸棱的三維模型及轉(zhuǎn)子沿凸棱方向的溫度曲線分別如圖6和7所示。

圖6 轉(zhuǎn)子凸棱的三維模型示意Fig.6 Schematic diagram of three-dimensional model of rotor convex

從圖7可以看出：轉(zhuǎn)子的凸棱端部溫度較高，這是因?yàn)檫@一區(qū)域生熱集中而且換熱面積小，轉(zhuǎn)子的凸棱中部溫度較低，這是因?yàn)榕c端部相比這一區(qū)域的換熱面積大，混煉過程中與膠料之間的相互作用較?。慌c單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子相比，雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度曲線下降較快，凸棱中部溫度最低為79.2 ℃，端部溫度最高為85.5 ℃，溫度差為6.3 ℃，溫度分布較為均勻，這說明雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的冷卻性能優(yōu)異，而單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的溫度曲線雖更平滑，但其凸棱中部溫度最低為82.5 ℃，端部溫度最高為117.5 ℃，溫度差為35.0 ℃，這表明單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子的冷卻效果較差，這對(duì)轉(zhuǎn)子自身的強(qiáng)度以及膠料品質(zhì)十分不利。

圖7 轉(zhuǎn)子沿凸棱方向的溫度曲線Fig.7 Temperature curves of rotors along convex direction

4 結(jié)論

（1）“分體式+螺旋管道”冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子具有很好的冷卻效果，分體式冷卻結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)子主體及凸棱冷卻更均勻，螺旋管道冷卻結(jié)構(gòu)增大了冷卻水流面積和流速，冷卻效果較好。

（2）與單螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子相比，雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的凸棱壁厚度較均一，溫度分布更均勻，轉(zhuǎn)子的整體冷卻效果較好，尤其是凸棱頂部最高溫度較低。