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密煉機轉子密封系統
2007-03-12
作者：.Limper，Mathilde Kny 現今，包含多種組分的混煉膠的生產主要是采用密煉機來進行的。混煉膠中包括有聚合物、微細易散布的粉狀填料、炭黑、碳酸鈣和少量的化學藥品如硫化劑、促進劑或加工助劑以及液體成分如增塑油料。這些液體和細粉狀的組分是通過密煉機的轉子密封系統來控制以限制其進入外界環境中。 起初，人們將這些細微易散布的成份通過油膜粘附進行處理，稱為粘結。由于密煉室內壓力很高，這些糊狀物會沿著轉子的軸被慢慢擠出。為了限制這些糊狀物的流出，在轉子軸的兩端均加了密封圈。 密封圈本身包括兩層環，通常在滑動區具有較硬的表層。一個固定在轉子軸上，相對的一個安裝在機架上。各個轉子密封系統本質上的區別在于所應用的表面壓力不同，分為自動轉子密封(SSA)、彈簧-加載轉子密封(GA)以及水壓轉子密封(WYH)。 防塵設計 SSA密封的原理是基于對混煉室內的壓力的利用。如果混煉室內壓力升高，壓力會傳遞到滑動的密封圈，從而密封圈的鎖緊力會提高。為應用Z小的表面壓力，利用盤狀彈簧組件來將內滑動環壓到外固定環上。現今，新的密煉機都裝備有GA和WYH轉子密封系統。 在彈簧-加載轉子密封(GA)系統中，密封圈位于混煉室外。此處，內環固定于機架，外旋轉環裝配于轉子軸上。通過幾個排布在旋轉環周圍的盤型彈簧組件施加表面壓力，通過螺母對彈簧預加壓力。潤滑增塑劑注入密封圈的環形間隙，將一些細微易散布的膠料組分粘結起來。更深一層的潤滑孔位于固定的滑動環內，用以潤滑滑動的表面。 在水壓轉子密封(WYH)的情況下，密封位置更接近轉子，位于混煉室的機架末端的內部。內旋轉滑動環固定于轉子軸上。而外固定環通過軛套與之壓緊。接觸壓力是通過液壓缸和盤型彈簧組件產生的，壓力通過軛套傳遞到外滑動環的壓力環上。潤滑方式與GA轉子密封系統類似。由于實際上密封系統的橫斷面方向會向混煉室位移，在轉子和耐磨盤片之間的軸間隙里，細微的物料會在此發生粘結。 比較這兩個系統（GA和WYH密封系統），顯而易見密封位置是兩者明顯區別的因素。WYH密封系統由于接近轉子，僅有很小的死角可能積聚物料。另一方面，運動的有磨損作用的填料很容易直接進入滑動表面，從而對設備的磨損產生不利影響。GA密封系統具有相對較長的環形間隙，由于粉料在環形間隙里存留時間長，所以可以被油粘結得更好。因此，滑動表面可以更好地得到保護，密封加載的力可以Z小化。然而，與此同時，部分物料在環形間隙內積聚的危險性增大，此處密封油尤顯重要。 潤滑系統 密封系統分為兩個獨立分開的部分。分別為滑動密封圈的潤滑和物料粘結。滑動密封圈的潤滑作為常規的潤滑系統，其功用包括：通過在液體里產生剪切來補償表面的速度差別；帶走摩擦產生的熱量；物料黏結失敗時起保護作用；冷卻機件；帶走從接觸面磨損下來的微粒；允許外來微粒進入并將其帶走，如混煉膠的各種成分以及腐蝕保護。 物料粘結部分的任務不能象滑動密封圈的潤滑那樣清楚地進行說明。其主要任務就象它的名稱一樣，是粘結細微散布的各種成分。采用很高粘度的操作油保證了粘結效果。在水壓密封系統，這一功用非常重要。由于密封系統更接近混煉室，具有磨損作用的填料更易于直接進入滑動表面，同時，自由運動的填料更易于進入外界環境。此外，物料粘結部分可以沖洗機架末端和轉子軸之間的間隙，因而不會有物料在此積聚或產生自硫。由于GA密封系統具有較長的環形間隙，這種清洗效果在此系統中變得非常重要。與此同時，操作油的加入降低了橡膠、轉子軸和機架末端的之間的粘性，通過這種方式也降低了物料沿著轉子軸向密封系統的傳輸。因此，加入粘結油料是非常必要的。 轉子密封系統存在的問題 拋開滑動密封圈的磨損不講，物料粘結和滑動密封圈潤滑所需要的油也會導致一些實質性的問題。實現上述功用需要使用大量的油料，造成油料采購成本很高。而且，這些包含著混煉膠中的各種成分，如聚合物、填料等的油料，通過轉子密封系統從混煉室中出來，也需要進行處理，這也相當昂貴。眾所周知，所使用的油料有超過80%的部分流入混煉室，這部分油可能導致重大的質量問題。前已述及，如果物料粘結部分潤滑油的量過少，部分混煉膠會積聚在環狀間隙中開始自硫，可能會導致下一車料被污染。其次，滑動密封圈部分潤滑油用量過少會導致密封圈迅速磨損。 更多的密封圈磨損的決定性參數還包括填料的品種及硬度、轉子的幾何形狀、安裝位置和表面壓力的調整等。將磨損和沖洗處理作為表面壓力的函數，可觀察到兩種對立的趨勢。如果獨立地考慮壓力影響因素，可確定運用較低的接觸壓力以降低磨損率。反而言之，增大接觸壓力能夠導致密封圈較快地磨損。 沖洗處理和磨損之間的交互作用也必須進行考慮。沖洗處理量的增加也會導致經過滑動區有磨損作用填料的數量增加。因此，困難在于針對合適的操作參數來確定密封系統的正確調整。 環形間隙過程原理分析 下面的研究考察了物料從混煉室傳輸到密封圈的影響，特別考察了粘結油料的影響。 混煉試驗是在一臺7升容量的切線型轉子的試驗室密煉機中進行的。為達到試驗目的，兩個密封位置的密封圈被拆除。天然膠（(RSS 1，100phr)作為試驗用原材料，分別在無潤滑和在混煉室外部區域加入粘結油料（BP Enerpar 16）的情況下進行試驗。 這組研究試驗的目標是考察橡膠在密煉機沒有密封時的重量差額。差額定義為初始橡膠重量mo與泄漏橡膠重量Mexit的比率。為達到這一目的，將泄漏的橡膠分別從每個位置收集起來。加粘結油料的情況下，將橡膠從泄漏的油料中分離收集起來。 所有的試驗都是在加入聚合物后混煉15分鐘。上頂拴壓力選擇為50N/cm2作為典型值。轉子的轉速為30和50rpm，填充系數從50%到80%，或從40%到70%變化。排料后，用手感分別測試批料的溫度。 每一橡膠差額曲線都顯示出泄漏橡膠的重量持續增加。進行沖洗處理的可以分成兩部分，起先，可以檢測出處理量慢慢上升，當溫度范圍達到130℃左右時，每條曲線的橡膠差額以幾乎同樣的斜率上漲。轉子速度上升為50rpm時，由于剪切速率上升，導致橡膠泄漏量加倍。這一情形，在混煉室低填充量時的橡膠泄漏同樣會產生。導致這一結果的假定是物料傳輸是由Weibenberg效應造成的。在高填充系數時，這一效應疊加了混煉室內壓升高的影響。考慮到實際混煉過程，結果是物料傳輸增加了對轉子密封系統加載的壓力。特別是天然橡膠-基于高溫的配方。 基于Weibenberg效應，物料與側壁滑動的趨勢隨著剪切力下降而上升。粘附性的下降導致剪切力的下降，因此會導致泄漏橡膠的重量下降。這種降低相當于阻止物料的泄漏，可以通過加入粘結油料來獲得。 為比較非潤滑和潤滑的情形下天然橡膠重量差額程度，油的用量按兩個水平變化。指定油的總量包括兩個非密封的轉子密封部分。通過潤濕轉子軸，橡膠的溢出能夠被阻止相當一部分。在Z高流速1016ml/h 的情形下，在所研究的填充系數范圍內沒有物料從混煉室中出來。降低流速至440ml/h 時，導致橡膠Z大差額0.7%，橡膠溢出開始于填充系數超過65%時。隨著溫度的上升，橡膠對油的吸收能力上升。摩擦力再次超過粘附力。這樣，加入粘結油料有了新的更深層次的意義。首先，細微的填料必須粘結起來，隨著混煉溫度和均勻程度的提高，沿著轉子密封系統向外移動的物料可以通過降低混煉膠和轉子軸間的粘性來減少。因此強烈推薦使用粘結油料。 工藝參數分析 與密封圈磨損和沖洗處理相關的參數是接觸壓力的調整應用。作為保證可靠密封功能的重要條件，要防止密封圈開啟，這就意味著密封圈的表面壓力必須超過轉子密封系統前端產生的壓力。 一方面，必須保證可靠的密封，另一方面，表面壓力應當盡量減小以降低密封圈的磨損。為此，必須知道密封圈前端所產生的壓力有多大。 為獲得這些數據，在GA轉子密封系統的固定環上裝置了壓力傳感器，這一傳感器可以提供混煉過程中混煉室中產生的壓力的信息。 試驗記錄了EPDM配方在常規方式下混煉的工藝參數。首先，聚合物和炭黑一起加入密煉機，混煉45秒，此時，填充系數計算為47%，次功率峰值出現在上頂栓降下后。在低填充的混煉室中，沒有或僅有輕微的壓力生成可以被檢出。第二次上頂栓升起后加入其它填料和操作油。填充系數現在為87%，隨后上頂栓降下后造成壓力突然升高，此處，在一個順序周期中壓力的Z大值和Z小值均可觀察到。 對壓力Z大值和Z小值詳細地考察可以在第二次上頂拴降下時觀察到。壓力生成包括兩部分，一部分起因于混煉室中壓力的上升；另一部分起因于轉子軸旋轉時產生的位移。因此，可以區分為軸向產生的壓力及向上和徑向產生的壓力。 軸向產生的壓力首先起因于上頂栓降下造成的壓力上升。另外，由Weissenberg效應導致的物料沿轉子軸移動提高了對密封系統加載的力。為了防止轉子密封系統開啟，表面壓力必須超過軸向產生的壓力。 免潤滑轉子密封系統 采用免潤滑轉子密封系統可以顯著降低操作油的用量以及相應的油料處理量。免潤滑轉子密封系統這種方式提供了以上所講的降低成本同時提高混煉膠質量的機會。此外，還有一個特別的優勢是可以改裝已經投入生產的密煉機。 這一系統的創造者Zaczek和 Reardon建議采用熱固性材料如固化的碳纖維增強聚酰亞胺，以及熱塑性工程塑料如纖維增強聚酮醚（PEEK）。應用柔軟的聚合物材料存在的問題是假設母體材料中埋入了能產生磨損的微粒，同樣會導致堅硬的配合部件加速磨損。兩種材料的磨損行為可以通過提高配合部件的硬度來改善。一個途徑是通過纖維補強來增強聚合物，另一途徑是應用特殊的耐磨表層來增強抵御硬的配合部件的磨損的能力。 應用上述原理，在一臺GK 135 E 密煉機上進行了實際生產試驗，對聚合物材料和鋼圈的耐磨表層進行變化對比。使用條件為：GA轉子密封系統；滑動環沒有潤滑；粘結能力保持率；所有種類的橡膠制品技術配方，從母煉膠到終煉膠（炭黑混煉膠）。 定期檢查保證了對磨損行為的記錄。為此，將旋轉的聚合物環從密煉機上拆下，清洗干凈后，確定其磨損值。 試驗記錄了不同材料組合在工作階段的磨損進展情況。材料組合1（表層A/熱塑性塑料1）展示出極好的磨損率。在密煉機運行了37個月后將密封圈從密煉機上拆下，從可能的Z大磨損距離推斷，它可以再繼續運行10個月以上。關于材料組合2（表層B/熱塑性塑料2）可以確定有相似的磨損行為。然而，這種密封圈必須運行16個月后就進行更換，因為耐磨性能太差，同時表層厚度太薄。目前所安裝的組合3到5的持續試驗尚未完成，因此現在還不能做出效果的判斷。 對免潤滑轉子密封系統的效果也從有關于減少油料處理的方面進行了分析。在6個月的時間里與常規潤滑轉子密封系統相比較，對比油料的處理量。用于免潤滑轉子密封系統的油料在4個星期的時間段被分別收集起來，然后，油料的量按1小時運行時間標準化，與常規潤滑系統進行關聯。結果證實平均可以減少油料的消耗達72%。不過，即使在免潤滑轉子密封系統，仍然必須保證物料的粘結保持力。 結論 通過使用免潤滑密封系統，可以顯著地降低操作油的用量。同時，與常規潤滑系統相比，油料處理可以減少72%，結果是油料購買和處理的成本顯著降低，而產品質量得以提高。試驗的材料組合顯示出極好的磨損行為，已經實現了至少37個月的服務壽命。 本文編譯自Rubber World 作者：A.Limper，Mathilde Kny (Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH)
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