双行星动力混合机分散器结构改进及温度场分析

于志强 柴永生 陈会金 刘 光

(烟台大学机电汽车工程学院)

双行星动力混合机分散器结构改进及温度场分析

于志强*柴永生 陈会金 刘 光

(烟台大学机电汽车工程学院)

通过对同载荷下实心与空心分散器轴扭转强度和最大剪切应力的计算分析，表明在分散器实心轴中心加工孔径为其直径1/2的空心分散器时，最大剪切应力增加量约为2.5%。利用有限元方法对双行星动力混合机温度场进行数值仿真分析,分别计算了搅拌桶侧壁冷却、分散器轴内部冷却等因素对搅拌桶内部温度场的影响。分析表明,通过附加分散器轴内部冷却，使温度变化范围由65℃减小为15℃，有效改善了混合环境，为双行星动力混合机的研究提供理论依据。

双行星动力混合机 分散器 温度场 Workbench

在化工生产中，物料往往要经过混合、分散以及反应等过程，混合是在外力的作用下将两种以上不同物料掺杂在一起的物理过程[1,2]。这种掺杂往往要采用先进混合设备才能得到较好的效果，由于物料特性不同，尤其对一些高粘度、非均相流体物料的混合，采用通常的液相混合装置不易达到理想的效果，需要更成熟的设备来满足工业生产的需求。

双行星动力混合机作为一种重要的混合设备被广泛应用[3]，它是一种新型高效混合分散设备, 具有独特的混合形式, 由搅拌桨、分散器和搅拌桶主要部件组成。

搅拌桨和分散器在绕搅拌桶轴线公转的同时, 又以不同的转速绕自身轴线自转, 使物料在搅拌桶内作搅拌、剪切和分散运动,物料受到强烈的剪切和搓合。搅拌桶采用特有密封结构设计, 可实现抽真空混合, 具有良好的排除气泡效果，并可根据需要借助搅拌桶侧壁的螺旋槽进行加热或冷却操作[4]。

对于搅拌桶温度场的研究，以往的混合设备多着重于实际经验，往往很难把握住混合设备温度场的实际分布情况。笔者研究了搅拌桶的热传递过程，从实质上深入理解温度传递的原理，以便更好地指导实际的操作[5]。

1 搅拌桶温度传递方式及分析

高粘度物料混合的难点在于高粘度物料传热能力不足，易产生粘着现象，因此高粘度、高滞留量和低速回转搅拌一般采用热交换器(加热器、冷却器)，使物料的温度均匀、反应浓度均一[6]。

搅拌桶是用来实现物料的混合、分散、剪切、反应及溶解等工艺并暂时存储混合物料的一种装置，其结构如图1所示。通过周围的螺旋槽构成热交换器，通过在螺旋槽内通入流动的、具有一定温度的流体，通过热传导作用，实现搅拌桶壁附近物料温度控制，再经过搅拌和分散作用，完成温度向搅拌桶内部的传递过程。

图1 搅拌桶三维模型

图2为300L双行星动力混合机搅拌桶内部混合物流场走向图，在设备启动后，搅拌桨首先通过下层桨叶的上翻作用使物料产生沿搅拌桨轴向上的爬升运动，再伴随公转的进行，使物料在搅拌桶内形成轴向对流。在物料轴向运动的同时，会受到上层桨叶的下压作用，迫使混合物料产生径向移动，流向分散器，同时，分散器上部的蝴蝶搅拌桨会下压物料，防止高粘性物料沿轴线方向的爬升。

图2 搅拌桶混合物流场走向

分散器会对混合中的物料进行强力的剪切和搓合，并将分散后的物料沿径向抛出，最终由刮边器将物料收回。搅拌桨和分散器的运动使物料产生轴向和径向的复合运动，将温度传递到物料的大部分区域，实现混合物料温度的传递。

2 分散器结构改进及强度分析

在混合增稠(膨胀)型流体时，由于流体的粘度随剪切速率的增加而增加。普通的混合机会出现混合驱动器和搅拌桨的损坏,因为当混合器中固体含量高于正常值而产生粘稠现象时,就会产生出乎意料的高扭矩，并产生局部高温现象[7，8]。在混合固体推进剂时存在同样的问题，固体推进剂是各种氧化剂与丁羟胶的混合物,丁羟胶是粘度很高的胶体,使得固体推进剂成为流动性较差的非牛顿流体,各种氧化剂在丁羟胶的粘带力下形成大量团状颗粒,并且不断交换相互粘带,使得推进剂粘度越来越大,所需的搅拌桨叶剪切力也不断加大,桨叶所受扭矩也急剧增加,因此会造成桨叶的应力变形[9],对这类物料,最好再施加剪切和揉捏。

在300L双行星动力混合机中，为满足剪切和揉捏，需加装一对高速分散器，主要完成对物料的剪切和分散，提高混合均匀度。高速分散器主要由分散器上压盖、下压盖、分散盘、分散轴及蝴蝶搅拌桨等部件组成，结构如图3所示。

图3 高速分散器示意图

安装分散器后的混合机，尽管可以实现对物料产生强烈的剪切作用，减轻分散器轴的高扭矩，但由于其转速较高，使分散器轴的外圆周面温度升高较快，较难控制在适宜温度。为此，对现有的300L的双行星动力混合机分散器进行结构改进，通过在高速分散器轴内部加工冷却通道并通入流动的冷却流体，配合测温系统，实现分散器温度控制，改进后结构如图4所示。

图4 改进后的分散器轴剖面

为保证加工冷却通道后的分散器在高转速下仍有足够的扭转强度，对加工孔径的大小进行合理性计算。

对于实心轴:

对于加工冷却通道空心轴：

图5 加工孔直径d与最大剪切应力τmax关系

鉴于分散器轴处于搅拌桶的内部，为解决正常工作时分散器轴既要高速转动，又要实现冷却液的循环问题，装备采用双通道旋转接头实现。旋转接头通过高精密轴承进行准确的定位，保证较高的旋转精度，在密封塞的作用下，实现转动轴与旋转接头安装体的动密封，确保通道内流体的顺利交换，旋转接头结构如图6所示[10]。

图6 旋转接头示意图

3 搅拌桶温度场建模及结果分析

为改善搅拌桶内温度的分布，避免混合失效情况发生，笔者借助有限元分析软件Workbench对搅拌桶进行稳态热力学分析，得到仅有搅拌桶侧壁降温和增加分散器轴辅助降温后的搅拌桶内部温度场分布曲线图，验证了分散器降温的重要性，很好地解决了因分散器轴壁面温度过高造成高粘度混合失效的情况。

3.1温度场分析模型及边界条件设置

根据300L双行星动力混合机搅拌桶的实际尺寸,建立搅拌桶三维模型，选取单只分散器与搅拌桶构成分析模型，为得到仅搅拌桶侧壁降温与附加分散器轴后的搅拌桶温度分布情况，数值仿真分析模型的边界条件设置如图7所示。

图7 搅拌桶温度场分析模型及边界条件

根据搅拌桶实际使用情况，设置温度场仿真实验参数为：

搅拌桶侧壁及分散器轴壁温度 5℃

物料初始温度 30℃

物料上侧对流传热系数 0.02W/(mm2·K)

搅拌桶内壁与物料传热系数 15W/(mm2·K)

物料粘度 50Pa·s

分散轴旋转速度 26 000r/min

为简化计算模型，作以下合理假设：

a. 由于物料温升较慢，冷却液流速较快，认为搅拌桶壁与分散器轴侧壁面温度保持为流体温度恒定不变；

b. 不考虑分散器和搅拌桨绕搅拌桶轴线公转引起的温度场变化，仅对模型进行稳态热分析。

3.2结果分析

在搅拌桶底面垂直向上200mm过分散器轴线与搅拌桶轴线的平面处取15个观察点，绘制搅拌桶侧壁面与附加分散轴冷却温度对比曲线如图8所示。

可以看出，在仅有搅拌桶侧壁冷却的情况下，分散器轴附近的温度最高达到70℃，温差变化范围为65℃；附加分散轴冷却后，最高温度仅有20℃，温差变化范围为15℃，改善了物料的混合环境，提高了温度可控性，降低了混合失效的概率。

4 结论

4.1在分散器轴内加工冷却孔直径为实心轴直径的1/2时，最大剪切应力增加量仅为2.54%，即在分散器轴内加工出适宜大小的冷却孔，分散器的扭转强度变化较小。

4.2通过搅拌桶侧壁控制搅拌桶内部温度时，分散器壁面温度较高，最高达到70℃，易造成混合失效；附加分散器轴冷却后，搅拌桶内温度环境得到改善，最高温度仅为20℃，温差变化范围从65℃降低为15℃，有效提高了混合机的控温效果。

[1] Vladimirova N， Mauri R. Mixing of Viscous Liquid Mixtures[J].Chemical Engineering Science,2004,59(10):2065～2069.

[2] Fradettea L, Tanguy P A,Bertrand F,et al. CFD Phenomenological Model of Solid-Liquid Mixing in Stirred Vessels[J]. Computers & Chemical Engineering, 2007,31(4):334～345.

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[5] 陈志平,章序文,林兴华,等.搅拌与混合设备设计选用手册[M].北京:化学工业出版社，2004:69～73.

[6] 张平亮.搅拌机有关搅拌技术的分析和探讨[J].航天返回与遥感,1995，(5):38～41.

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[8] 吴会敏,黄宗建.基于iFIX的多种液体混合自动监控系统研究[J].化工自动化及仪表,2014,41(7):806～809.

[9] 景玲.立式捏合机搅拌桨叶应力与温度数值分析研究[D].西安:西安工业大学,2013.

[10] 邬东春.介绍几种旋转接头[J].机械工程师,1999，(9):18～19.

DisperserStructureImprovementandThermalFieldAnalysisofDualPlanetaryMixer

YU Zhi-qiang, CHAI Yong-sheng, CHEN Hui-jin, LIU Guang

(SchoolofElectromechanicalandAutomobileEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

Calculating and analyzing torsional strength of both solid and hollow disperser shafts under the same load indicates that the maximum shear stress can be increased by about 2.5% when the cooling hole’s aperture is half of the solid shaft’s diameter. Making use of the finite element method to simulate and analyze the thermal field of dual planetary shaft mixer, the effects of mixing bucket’s wall cooling and dispersed shaft’s internal cooling on the mixing bucket’s internal thermal field were calculated respectively and other factors were calculated to show that the temperature range can be reduced from 65℃ to 15℃ by attaching dispersed shaft’s internal cooling which can effectively improve the mixed environment and provide theoretical basis for the study on dual planetary mixer.

dual planetary power mixer, disperser, thermal field, Workbench

TQ051.7

A

0254-6094(2016)01-0089-05

*于志强，男，1988年12月生，硕士研究生。山东省烟台市，264005。

2015-08-19)