作者：.Limper，Mathilde Kny 現今，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。混煉膠中包（bāo）括有（yǒu）聚合物、微細易散布的粉狀填料、炭黑、碳（tàn）酸鈣（gài）和少量的化學藥品如硫化劑、促進劑（jì）或加工助劑以及液（yè）體成分如增塑油料。這（zhè）些液體和細粉狀的組分是通過密煉機的轉子密封係統來控製以限製其進入外界環境（jìng）中。 起初（chū），人們將這些細微易散布的成份（fèn）通過油（yóu）膜粘附進行處（chù）理，稱為粘結。由於密煉（liàn）室內壓力很高，這些糊（hú）狀物會沿著轉子的（de）軸被慢慢擠出。為了限製這些糊狀物的流出，在（zài）轉子（zǐ）軸的兩端均加了密（mì）封圈。 密封圈本（běn）身包括兩層環，通常在滑（huá）動區具有較硬的表層。一個固定在（zài）轉子軸上，相對的一個安裝在機架上。各個轉子密封係（xì）統本質上的區（qū）別在於（yú）所應用的表麵壓力不同，分為自動轉子密封(SSA)、彈簧-加載轉子密封(GA)以及水（shuǐ）壓（yā）轉（zhuǎn）子密（mì）封(WYH)。 防（fáng）塵設計 SSA密封的原理是基（jī）於對混煉室（shì）內的壓力的（de）利用。如果混煉室內壓力升高，壓力（lì）會傳遞到滑動的（de）密封圈，從而密（mì）封圈的鎖緊力會提高。為應用Z小的（de）表麵壓力，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（liàn）機（jī）都裝（zhuāng）備有GA和WYH轉（zhuǎn）子密封（fēng）係統。 在彈簧-加載轉子密封(GA)係統中，密封圈位於混煉室外。此處，內環固定於機架，外旋轉環裝配於轉子軸上。通過幾個排布在旋轉（zhuǎn）環周圍的盤型彈簧組件施加表麵壓力，通過（guò）螺母對（duì）彈簧預加壓力。潤滑（huá）增塑劑注入密封圈的環形間隙（xì），將一些細微易散布的膠料組（zǔ）分粘結起來。更深一層的潤滑孔位於固定的滑動環內，用以潤滑滑動的表麵。 在水壓轉子密封(WYH)的情況下，密封位置更接近轉子，位（wèi）於混煉室的機架末（mò）端的內部。內旋轉滑動環固定於轉子軸上。而外固定環通過（guò）軛套（tào）與之壓緊（jǐn）。接觸壓力是通過液壓缸和盤型彈（dàn）簧組件產生的，壓力通過軛套傳遞到外滑（huá）動環的壓力環上。潤滑方式與GA轉子密封係統類似。由於實際上密封（fēng）係統的橫斷麵方向會向混煉室位移，在轉子和耐磨盤片之間的軸（zhóu）間隙裏，細（xì）微的物料會在此發（fā）生粘結（jié）。 比較這兩個（gè）係統（GA和（hé）WYH密封係（xì）統），顯而易見密封位置是兩者明（míng）顯區別的因（yīn）素。WYH密封係統由於接近轉子，僅有（yǒu）很小的死角可能積聚物料。另一方麵（miàn），運動的有磨損作用（yòng）的填料很容（róng）易直接進入（rù）滑動表麵，從而對（duì）設備（bèi）的磨損產生不利（lì）影響。GA密封係統具有相對較長的環形間隙，由於粉（fěn）料在（zài）環（huán）形間隙裏存留時間（jiān）長，所以（yǐ）可以被油粘結（jié）得（dé）更好。因此，滑動表麵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（yóu）尤顯重要。 潤滑係統 密封係（xì）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（liào）粘（zhān）結。滑動密封圈的潤滑作為（wéi）常規的潤滑（huá）係統，其功用包括：通（tōng）過在液體裏產生剪切來補償表麵的速度差別；帶走摩擦（cā）產生的熱（rè）量；物（wù）料黏結失敗時起保護作用；冷卻機件；帶走（zǒu）從接觸麵磨損下來的微粒（lì）；允許外來微粒進入並將其帶走（zǒu），如（rú）混煉膠的各種成分以及腐蝕保護。 物料粘（zhān）結部分的任（rèn）務不能象滑動密封圈的潤滑（huá）那樣清楚地進行說明。其（qí）主要任務就象它的名（míng）稱一樣（yàng），是（shì）粘結細微（wēi）散布的各種成分。采（cǎi）用很高粘度的操作油保證了粘結效果（guǒ）。在水壓密封係統（tǒng），這一功用非（fēi）常重要。由於密封係統更接近混煉室，具（jù）有磨損作用的填料更易於直接進（jìn）入滑動表麵，同時，自由運動的（de）填（tián）料更易於進入外（wài）界環境。此外（wài），物料粘結部分可（kě）以衝洗機（jī）架末端和轉子軸之間（jiān）的間隙，因而不會有物料（liào）在此積聚或產生自硫。由於GA密封係統具有較長的（de）環形間隙，這種清洗效果在此係統中變得非常重要。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（yán）著轉子軸向密封（fēng）係統的傳輸。因此，加入粘結油料是（shì）非常必要的。 轉子密封係（xì）統（tǒng）存在的問題 拋開滑動密封圈的磨損不講（jiǎng），物料粘結和滑動密封（fēng）圈潤滑（huá）所需要的油（yóu）也會（huì）導致一些實質（zhì）性的問題。實現上述功用需（xū）要使用大量的油料，造成油料采購成本很高。而（ér）且，這些包含著（zhe）混煉膠中的各種成分，如聚合物、填料（liào）等的油料，通過轉子密封（fēng）係統從混煉室中出來，也需要（yào）進行處理，這也相當（dāng）昂貴。眾所周（zhōu）知，所使用的油料有超過80%的部分流入（rù）混（hún）煉室，這部分油可（kě）能導致重大的質量問（wèn）題。前已述及，如果物料粘結部分潤滑油（yóu）的量過少，部分混煉膠會（huì）積聚（jù）在環狀間隙中開始自硫，可能會導致下一車料被汙（wū）染。其（qí）次，滑動密封圈部分潤（rùn）滑油用量過少會（huì）導致密（mì）封圈迅速磨損。 更多的密封（fēng）圈磨損（sǔn）的決定性參數還包括填料的品種及（jí）硬度、轉子的幾何形狀、安裝位置和表麵壓力的調整等。將磨損和衝洗處理作為表麵壓力的函（hán）數，可觀察到兩種（zhǒng）對（duì）立的趨勢。如果獨立地考慮壓力影響（xiǎng）因素，可確定運用較低的接觸壓力以降低（dī）磨損率。反而言之，增大接觸壓（yā）力（lì）能夠導致密封圈較快地磨損。 衝洗處理和磨損之間（jiān）的交互作用也必（bì）須進行考慮。衝洗處理（lǐ）量的增加也會導（dǎo）致經過滑動區有磨損作用填料的數量增加。因此，困難在於針對合（hé）適的操作參數來確定密封係統的正確調整。 環形間隙過（guò）程原理分析 下麵的研究考察了物（wù）料從混煉室傳輸到密封圈的影響，特別考（kǎo）察了粘結油料的影響。 混煉試驗是在一台7升容（róng）量的切線型轉子的（de）試驗室密煉（liàn）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（cái）料，分別（bié）在無潤滑和在混煉室外（wài）部區域加（jiā）入粘（zhān）結油料（BP Enerpar 16）的情況下進（jìn）行試驗。 這組研究試（shì）驗的（de）目標是考察橡膠在密煉機（jī）沒有密封時（shí）的重量差額（é）。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（dá）到這一（yī）目的，將（jiāng）泄漏的橡膠分別從每個位（wèi）置收集起來。加（jiā）粘結油料（liào）的（de）情況下（xià），將（jiāng）橡膠從泄漏的油料（liào）中分離收集起來。 所有的試驗都是在加入聚合（hé）物後混煉15分鍾。上頂拴壓力選擇為50N/cm2作為典型值。轉子的（de）轉速（sù）為30和50rpm，填充係數從50%到80%，或（huò）從40%到70%變化。排料後（hòu），用手（shǒu）感分別測試批（pī）料的溫度。 每一（yī）橡膠差額曲線都顯示出泄漏橡（xiàng）膠的重量持續增加。進行（háng）衝洗處理（lǐ）的可（kě）以分成兩（liǎng）部分，起先，可以檢測出（chū）處理量慢慢上升，當溫度範圍達到（dào）130℃左右時，每條曲線的橡膠差額以幾（jǐ）乎（hū）同樣的斜率上漲（zhǎng）。轉子速度上升為50rpm時（shí），由於剪切速率上（shàng）升，導致橡膠泄（xiè）漏量加倍。這（zhè）一情形，在混煉室低填充量時的橡膠（jiāo）泄漏同樣會產生（shēng）。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（tián）充係數時，這一效應疊加（jiā）了混煉室內（nèi）壓升高的影響。考慮到實際混煉過程，結（jié）果是物料傳輸增加了對轉子密封係統加載的壓力。特別是（shì）天然橡膠-基於（yú）高溫的配（pèi）方。 基於（yú）Weibenberg效應（yīng），物料與側壁滑動的趨勢隨著剪切力下（xià）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（lòu）橡膠的重量下降。這種降低相當於（yú）阻止物料的泄漏，可（kě）以通過加入粘結油料來獲得（dé）。 為比較非潤滑和潤滑的（de）情形下天然橡膠重量差額程度，油的用量按兩個水（shuǐ）平變化。指定油的總量包（bāo）括兩個非密封的（de）轉子（zǐ）密封部分。通（tōng）過潤濕轉子軸，橡膠的溢出能夠被阻止相當一部分。在Z高（gāo）流速1016ml/h 的情形下，在所研究的填充係數範圍內沒有物料從混煉室（shì）中出來。降低流速（sù）至440ml/h 時，導致橡膠Z大差額0.7%，橡膠溢出開始於填充係數超過65%時（shí）。隨著溫度（dù）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（zhān）結油料有了新的更（gèng）深層次的意義。首先，細微的填料必須粘結起（qǐ）來（lái），隨著混煉溫度和均勻程度的提高，沿著轉子密封係統向外移（yí）動的物料（liào）可以通過降低混煉膠和轉子軸間的粘性來減少。因此強（qiáng）烈推薦使用（yòng）粘結油料。 工藝參數分析 與密封圈磨損和衝洗處理（lǐ）相（xiàng）關的（de）參數是接觸壓力的調整應用。作為（wéi）保證可靠密封功能的重要條（tiáo）件，要防（fáng）止密封圈開啟，這就意（yì）味著（zhe）密封圈的表麵壓力必須超過轉子密封係統前端產生（shēng）的壓力。 一方麵，必須保證可靠的密封，另（lìng）一方麵，表麵壓力應當盡量減小以降低密（mì）封圈（quān）的（de）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轉子密封係統的固定環（huán）上裝置（zhì）了壓力傳感器（qì），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（xī）。 試驗記錄了EPDM配方在常規方式下混煉的（de）工藝參數。首先，聚合物和炭黑一起（qǐ）加入密煉（liàn）機（jī），混煉45秒，此時，填充係數計算為47%，次功率峰值出現在上頂栓降下後。在低填充的混（hún）煉室中，沒有或僅有輕微（wēi）的壓力生成可以被檢出。第（dì）二（èr）次上頂栓（shuān）升起後加入其它填料和操作油。填（tián）充係數現在（zài）為87%，隨後上頂栓降下後造成壓力（lì）突然升（shēng）高，此處，在一個順序周期（qī）中壓力的Z大值和Z小值均（jun1）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（guān）察到。壓力生（shēng）成包括兩部分，一部分起（qǐ）因於混煉室中壓力的上升；另一部分起因於轉子軸旋轉時產（chǎn）生的（de）位（wèi）移。因此，可以區分為軸向產生的壓力及向上和徑向（xiàng）產生的壓力。 軸向產生（shēng）的壓力首先起因於上頂栓降下造成的壓力上升。另（lìng）外，由Weissenberg效應導致的物料沿轉子軸移動提（tí）高了對（duì）密（mì）封係統加載的（de）力。為了防止轉子密封係統開啟，表麵壓力必須超過軸（zhóu）向（xiàng）產生的（de）壓（yā）力。 免潤滑轉子（zǐ）密封（fēng）係統 采用免潤滑（huá）轉子（zǐ）密封係統可以顯著降低操作油的用量以及相應的油料處理量。免（miǎn）潤滑轉（zhuǎn）子密封係統這種方式提供了以上所（suǒ）講的降低成本同時（shí）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（liàn）機。 這（zhè）一係統的創造者Zaczek和 Reardon建議采用熱固性材料（liào）如固化的（de）碳纖維增強聚（jù）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（hé）物材料存在的問題是（shì）假設母體材（cái）料中埋（mái）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（mó）損。兩種材料的磨損行為可以通（tōng）過提高配合部件的硬度來改善。一個途（tú）徑是通過纖維補強來增強聚合物（wù），另（lìng）一途徑是應用特（tè）殊的耐磨表層（céng）來增強抵禦硬的配合（hé）部件的磨損的能力。 應用上述原理，在一台GK 135 E 密煉機上進行了實際生產（chǎn）試驗（yàn），對聚合物材料和鋼圈的耐磨表層進行變化對（duì）比。使用條件為：GA轉子密封係統；滑動環沒有潤滑；粘結能力（lì）保持率；所有種類的橡膠製品技術配方，從（cóng）母煉膠到終煉膠（炭（tàn）黑混煉膠）。 定期檢查保證了對磨損行為的記錄。為（wéi）此，將旋轉的聚合物環從密煉機上拆下，清（qīng）洗幹淨後，確（què）定其磨損值。 試驗記錄了不同材料組合在工（gōng）作階段的磨損進展情（qíng）況。材料（liào）組合1（表層A/熱塑性塑料1）展示出極（jí）好的（de）磨損率。在密煉機運行了（le）37個月後將密封圈（quān）從密煉機上拆下，從可能的Z大磨損距（jù）離推斷，它可以再繼續運行10個月以上。關於材料組合2（表層B/熱塑性塑（sù）料2）可以確定有相（xiàng）似的磨損行為。然而，這種密封圈必須運行16個月後就進行更換，因為耐磨（mó）性能（néng）太差，同時表層厚度太薄。目前所（suǒ）安（ān）裝的組（zǔ）合3到5的（de）持續試驗尚未完成，因此現在還不能做出效果的判斷（duàn）。 對免潤滑轉（zhuǎn）子密封係統的效果（guǒ）也從有關於減少油（yóu）料處理的（de）方麵進（jìn）行了分析。在6個月的時（shí）間裏與常規潤滑轉子密封係統相比較，對比油料的處理量。用於免（miǎn）潤滑轉子（zǐ）密封係統的油料在4個星期（qī）的（de）時間段被分別收（shōu）集起來，然後，油料的量按1小時運行時間標準化，與常規潤滑係統進行關聯。結果（guǒ）證實平均可以減少油料的消耗達（dá）72%。不過，即使在免潤滑轉子（zǐ）密封（fēng）係統，仍然必須保證物料的粘結保持力（lì）。 結論 通過（guò）使（shǐ）用免潤滑密封係統，可以顯著地降低操作油的用量。同時，與常規潤滑係統相比，油料處理可以減少72%，結果（guǒ）是油料購買和處理的成本顯著降低，而（ér）產品質量（liàng）得以提高。試驗的材料（liào）組合顯示出極好的磨損（sǔn）行為，已經實現了至少37個月的服務壽命。 本（běn）文（wén）編譯自（zì）Rubber World 作者：A.Limper，Mathilde Kny (Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH)