作者：.Limper，Mathilde Kny 現(xiàn)今，包含多種組分的混煉膠的生產(chǎn)主要是采用密煉機來進行的?；鞜捘z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(xué)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(zhuǎn)子密封系統(tǒng)來控制以限制其進入外界環(huán)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(jié)。由于密煉室內(nèi)壓力很高，這些糊狀物會沿著轉(zhuǎn)子的軸被慢慢擠出。為了限制這些糊狀物的流出，在轉(zhuǎn)子軸的兩端均加了密封圈。 密封圈本身包括兩層環(huán)，通常在滑動區(qū)具有較硬的表層。一個固定在轉(zhuǎn)子軸上，相對的一個安裝在機架上。各個轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)本質(zhì)上的區(qū)別在于所應(yīng)用的表面壓力不同，分為自動轉(zhuǎn)子密封(SSA)、彈簧-加載轉(zhuǎn)子密封(GA)以及水壓轉(zhuǎn)子密封(WYH)。 防塵設(shè)計 SSA密封的原理是基于對混煉室內(nèi)的壓力的利用。如果混煉室內(nèi)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(yīng)用Z小的表面壓力，利用盤狀彈簧組件來將內(nèi)滑動環(huán)壓到外固定環(huán)上。現(xiàn)今，新的密煉機都裝備有GA和WYH轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)。 在彈簧-加載轉(zhuǎn)子密封(GA)系統(tǒng)中，密封圈位于混煉室外。此處，內(nèi)環(huán)固定于機架，外旋轉(zhuǎn)環(huán)裝配于轉(zhuǎn)子軸上。通過幾個排布在旋轉(zhuǎn)環(huán)周圍的盤型彈簧組件施加表面壓力，通過螺母對彈簧預(yù)加壓力。潤滑增塑劑注入密封圈的環(huán)形間隙，將一些細微易散布的膠料組分粘結(jié)起來。更深一層的潤滑孔位于固定的滑動環(huán)內(nèi)，用以潤滑滑動的表面。 在水壓轉(zhuǎn)子密封(WYH)的情況下，密封位置更接近轉(zhuǎn)子，位于混煉室的機架末端的內(nèi)部。內(nèi)旋轉(zhuǎn)滑動環(huán)固定于轉(zhuǎn)子軸上。而外固定環(huán)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(chǎn)生的，壓力通過軛套傳遞到外滑動環(huán)的壓力環(huán)上。潤滑方式與GA轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)類似。由于實際上密封系統(tǒng)的橫斷面方向會向混煉室位移，在轉(zhuǎn)子和耐磨盤片之間的軸間隙里，細微的物料會在此發(fā)生粘結(jié)。 比較這兩個系統(tǒng)（GA和WYH密封系統(tǒng)），顯而易見密封位置是兩者明顯區(qū)別的因素。WYH密封系統(tǒng)由于接近轉(zhuǎn)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(shè)備的磨損產(chǎn)生不利影響。GA密封系統(tǒng)具有相對較長的環(huán)形間隙，由于粉料在環(huán)形間隙里存留時間長，所以可以被油粘結(jié)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(huán)形間隙內(nèi)積聚的危險性增大，此處密封油尤顯重要。 潤滑系統(tǒng) 密封系統(tǒng)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(jié)。滑動密封圈的潤滑作為常規(guī)的潤滑系統(tǒng)，其功用包括：通過在液體里產(chǎn)生剪切來補償表面的速度差別；帶走摩擦產(chǎn)生的熱量；物料黏結(jié)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(jié)部分的任務(wù)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(wù)就象它的名稱一樣，是粘結(jié)細微散布的各種成分。采用很高粘度的操作油保證了粘結(jié)效果。在水壓密封系統(tǒng)，這一功用非常重要。由于密封系統(tǒng)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(huán)境。此外，物料粘結(jié)部分可以沖洗機架末端和轉(zhuǎn)子軸之間的間隙，因而不會有物料在此積聚或產(chǎn)生自硫。由于GA密封系統(tǒng)具有較長的環(huán)形間隙，這種清洗效果在此系統(tǒng)中變得非常重要。與此同時，操作油的加入降低了橡膠、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸向密封系統(tǒng)的傳輸。因此，加入粘結(jié)油料是非常必要的。 轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)存在的問題 拋開滑動密封圈的磨損不講，物料粘結(jié)和滑動密封圈潤滑所需要的油也會導(dǎo)致一些實質(zhì)性的問題。實現(xiàn)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(zhuǎn)子密封系統(tǒng)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(dǎo)致重大的質(zhì)量問題。前已述及，如果物料粘結(jié)部分潤滑油的量過少，部分混煉膠會積聚在環(huán)狀間隙中開始自硫，可能會導(dǎo)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(dǎo)致密封圈迅速磨損。 更多的密封圈磨損的決定性參數(shù)還包括填料的品種及硬度、轉(zhuǎn)子的幾何形狀、安裝位置和表面壓力的調(diào)整等。將磨損和沖洗處理作為表面壓力的函數(shù)，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?qū)е旅芊馊^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(dǎo)致經(jīng)過滑動區(qū)有磨損作用填料的數(shù)量增加。因此，困難在于針對合適的操作參數(shù)來確定密封系統(tǒng)的正確調(diào)整。 環(huán)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?shù)矫芊馊Φ挠绊懀貏e考察了粘結(jié)油料的影響。 混煉試驗是在一臺7升容量的切線型轉(zhuǎn)子的試驗室密煉機中進行的。為達到試驗?zāi)康?，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(qū)域加入粘結(jié)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(jié)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為30和50rpm，填充系數(shù)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(xù)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(zhuǎn)子速度上升為50rpm時，由于剪切速率上升，導(dǎo)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(chǎn)生。導(dǎo)致這一結(jié)果的假定是物料傳輸是由Weibenberg效應(yīng)造成的。在高填充系數(shù)時，這一效應(yīng)疊加了混煉室內(nèi)壓升高的影響?？紤]到實際混煉過程，結(jié)果是物料傳輸增加了對轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)加載的壓力。特別是天然橡膠-基于高溫的配方。 基于Weibenberg效應(yīng)，物料與側(cè)壁滑動的趨勢隨著剪切力下降而上升。粘附性的下降導(dǎo)致剪切力的下降，因此會導(dǎo)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(jié)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(zhuǎn)子密封部分。通過潤濕轉(zhuǎn)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(shù)范圍內(nèi)沒有物料從混煉室中出來。降低流速至440ml/h 時，導(dǎo)致橡膠Z大差額0.7%，橡膠溢出開始于填充系數(shù)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(jié)油料有了新的更深層次的意義。首先，細微的填料必須粘結(jié)起來，隨著混煉溫度和均勻程度的提高，沿著轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)向外移動的物料可以通過降低混煉膠和轉(zhuǎn)子軸間的粘性來減少。因此強烈推薦使用粘結(jié)油料。 工藝參數(shù)分析 與密封圈磨損和沖洗處理相關(guān)的參數(shù)是接觸壓力的調(diào)整應(yīng)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(zhuǎn)子密封系統(tǒng)前端產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生的壓力有多大。 為獲得這些數(shù)據(jù)，在GA轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的固定環(huán)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(chǎn)生的壓力的信息。 試驗記錄了EPDM配方在常規(guī)方式下混煉的工藝參數(shù)。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(shù)計算為47%，次功率峰值出現(xiàn)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(shù)現(xiàn)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(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的位移。因此，可以區(qū)分為軸向產(chǎn)生的壓力及向上和徑向產(chǎn)生的壓力。 軸向產(chǎn)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(yīng)導(dǎo)致的物料沿轉(zhuǎn)子軸移動提高了對密封系統(tǒng)加載的力。為了防止轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)開啟，表面壓力必須超過軸向產(chǎn)生的壓力。 免潤滑轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng) 采用免潤滑轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)可以顯著降低操作油的用量以及相應(yīng)的油料處理量。免潤滑轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)這種方式提供了以上所講的降低成本同時提高混煉膠質(zhì)量的機會。此外，還有一個特別的優(yōu)勢是可以改裝已經(jīng)投入生產(chǎn)的密煉機。 這一系統(tǒng)的創(chuàng)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(yīng)用柔軟的聚合物材料存在的問題是假設(shè)母體材料中埋入了能產(chǎn)生磨損的微粒，同樣會導(dǎo)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(yīng)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(yīng)用上述原理，在一臺GK 135 E 密煉機上進行了實際生產(chǎn)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(zhuǎn)子密封系統(tǒng)；滑動環(huán)沒有潤滑；粘結(jié)能力保持率；所有種類的橡膠制品技術(shù)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(zhuǎn)的聚合物環(huán)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(xù)運行10個月以上。關(guān)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(xù)試驗尚未完成，因此現(xiàn)在還不能做出效果的判斷。 對免潤滑轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的效果也從有關(guān)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(guī)潤滑轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)相比較，對比油料的處理量。用于免潤滑轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)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(guī)潤滑系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)。結(jié)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(zhuǎn)子密封系統(tǒng)，仍然必須保證物料的粘結(jié)保持力。 結(jié)論 通過使用免潤滑密封系統(tǒng)，可以顯著地降低操作油的用量。同時，與常規(guī)潤滑系統(tǒng)相比，油料處理可以減少72%，結(jié)果是油料購買和處理的成本顯著降低，而產(chǎn)品質(zhì)量得以提高。試驗的材料組合顯示出極好的磨損行為，已經(jīng)實現(xiàn)了至少37個月的服務(wù)壽命。 本文編譯自Rubber World 作者：A.Limper，Mathilde Kny (Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH)