辊筒横压力基本概念解析巫静安(青岛化工学院　山东266042) 摘　要　对开炼机和压延机辊筒工作时所承受的主要外载荷——横压力进行了深入细致的分析研究。

关键词　辊筒,横压力,分离力　收稿日期:97-12-151　前言辊筒是橡胶、塑料等高分子材料加工机械(开炼机、压延机)中的重要组件之一,其主要功能是在相向运转过程中完成对物料的剪切、混合、挤压和压片。

在实施对物料机械作用的过程中,开炼机、压延机的辊筒乃至机台的其它构件,如:机架、辊筒轴承、调距螺杆、调距螺母等皆承受着物料对其的极大作用力。

该作用力是开炼机、压延机进行机台设计的重要原始参数之一,是机台做强度、刚度计算及可靠性分析的基础。

关于物料对辊筒的主要作用力,其典型的传统称呼谓之“横压力”,另外还有称“分离力”的。

但是何谓“横压力”?何谓“分离力”?该两力应怎样定义?两者间又有何联系?迄今为止,这一关系到辊筒设计、制造和使用的重要力学概念尚无统一、确切、清晰的解释,不同的文献及技术资料各持已见,一定程度上混淆和影响了人们对它的深刻认识与了解。

笔者经多年思考与研究,以基本力学分析和流变学理论为指导,希企准确定义该物料对辊筒的主要作用力,同时进一步阐明该准确定义对工程技术实践应用的重要性。

2　物料对辊筒的作用力如图1所示,当高分子材料被加到两个以不同圆周速度相向运转的辊筒中间时,在物料与辊筒表面的接触弧范围内的任意一点a 处,辊筒对物料分别施以径向作用力Q 及图1　物料受力分析切向作用力T 。

若将它们沿X-Y 坐标分解则得Q X 、T X 、Q y 、T y 。

显而易见,X 方向的诸分力对物料起着沿X 方向的压缩作用,称之谓挤压力,而在Y 方向的径向分力Q y 试图将物料自辊隙中推出,切向力T 在Y 方向的分力T y 却力图将物料拉入辊隙。

因此,在辊距法向上的两分力之差(T y -Q y )即为辊筒带动物料使之顺利通过辊距的夹持力。

通过细致分析辊筒间物料内的压力分布和速度分布可以得知,在物料内的压力逐渐增大的过程中(达到最大物料内压力之前),除与辊面接触的一层物料以辊筒表面速度随辊筒运转外,其余物料层的流动速度均低于辊面线速度,中间流层甚至可能出现反向负速度,从而使物料形成如图2中 箭头所示的旋转运图2　辊筒受力分析动,该旋转运动对物料的混炼和塑化效果有着重要的影响。

根据力的作用与反作用原理,辊筒在给予物料以作用力的同时,被捏和的物料也将给辊筒以反作用力,如图2所示。

其中沿径向垂直作用于辊筒表面的P力(Q力的反作用力)称为物料对辊筒的法向作用力;沿切向阻碍辊筒旋转的力F(T力的反作用力)称为辊筒所受的摩擦阻力。

如果将物料对辊筒的径向作用力P和摩擦阻力F分别沿X-Y坐标分解(见图2),得诸分力:P X=Pcos F X=FsinP y=Psin F y=Fco s则物料对辊筒的作用力P与F沿X方向分力之和(Pcos +Fsin )具有对辊筒的分离作用,故可称之为物料对辊筒的分离力。

它与辊筒对物料的挤压力大小相等,方向相反。

而P 力与F力沿Y方向的分力之和(Psin -Fcos )与辊筒对物料的夹持力大小相等,方向相反,故可称之为反夹持力。

3　横压力的概念在橡塑机械的实际研究、设计或是工艺操作使用中,凡提及开炼机与压延机的辊筒,人们更多地使用“横压力”这一概念,并普遍认为它是辊筒在工作时所承受的主要外载荷之一。

然而,关于横压力的定义,国内众多的技术文献与资料却有着不同的阐述和诠释。

如:阐述之一:横压力是橡胶在辊距间对辊筒作用的径向压力[1][2]。

阐述之二:横压力(又称辊筒分离力)是企图使配对辊筒分离开的被加工胶料的变形阻力[2]阐述之三:在开炼机或压延机工作时,辊筒中的胶料所给予辊筒的作用力[3]。

阐述之四:每一厘米辊筒有效工作面长度上的平均分离力值,称做辊筒的横压力[4]。

上述四种阐述貌似类同,实则不然,有些阐述尚有“含糊其词”之嫌。

为了对“横压力”的概念做科学的、正确的定义,有必要对开炼机、压延机辊筒的工作原理进行细致的分析。

根据高分子流变学理论,设在辊筒间被加工的高分子熔体(胶料)为高粘度的牛顿流体,由“润滑近似假定”,可把辊隙间高分子熔体(胶料)的流动视为等温状态下处于平行平板间的稳定的简单剪切流动。

略去胶料所承受的重力与惯性力不计,胶料沿辊隙流动方向的流动速度v y与其所受的压力P之间的关系,可以用流体动力学的简化奈维-斯托克斯方程式(N-S.Eq)予以表达:Py= =2v yx2(1)式中　v y——垂直方向胶料的流动速度,m/s;——胶料的有效粘度,Pa・s;P——胶料的压力,Pa。

以该简化N-S.Eq.为基础,考虑到开炼机与压延机工作条件状况的差异,在一定的经验假设下,经过数学演算,可以分别获得下列关于开炼机横压力计算式(2)与压延机横压力计算式(3)(Ardichv ili阿德吉费里方程式):P p=(1+f)DK p L/2(2)式中　P p——横压力,N;f——辊筒速比;D——辊筒工作部分直径,cm;K p——剪切系数;104Pa;h ——辊筒工作部分长度,cm 。

P p =2 vRL (1/e -1/h 1)(3)式中　P p ——横压力,N;——胶料粘度,Pa ・s ;v ——辊筒线速度,cm/s;R ——辊筒半径,cm ;L ——辊筒工作部分长度,cm ;e ——辊距,cm ;h 1——供胶厚度,cm 。

压力与速度分布见图3,压延过程图见图4。

图3　压力与速度分布图4　压延过程图需要指出的是(2)式和(3)式给出的横压力是指对整个机台而言的,实际上它是被加工胶料对辊筒表面各点的径向作用力P 的合力。

其大小由上述公式计算,方向为“横向”,即近似地沿两辊筒截面圆心的连线,指向外,与连线大约有5°-10°的夹角,力的作用点在辊筒轴线上。

据此,我们可以把横压力定义为“被加工胶料在辊隙范围内对辊筒表面各点径向作用力的合力”。

进一步理由如下:(1)上述计算横压力的公式(2)、(3)都是以简化N -S .Eq .中胶料内部的压力P 为基本出发点推导而得的。

压力这一概念有这样的特点,在流体状胶料的内部,压力P 沿各个方向是各向同性等值的,但是在胶料与固体辊筒相接触的界面,即辊筒工作部分的表面处,就胶料对辊筒的作用而言,该压力P 必定是沿“辊筒径向”的“法向作用力”。

联系到图2中物料对辊筒表面的作用力,其中的沿径向垂直作用于辊筒表面的P 力(Q 力的反作用力),即物料对辊筒的法向作用力。

这些力是(2)、(3)式计算的横压力(径向)P p 的基础分力。

(2)由高分子材料流变理论的分析[5]及实验测试可以得到沿辊隙流道长度方向上胶料内部的压力(即胶料对辊筒表面各点的径向压力)分布图,如图5所示。

可以看出,随着辊筒间隙的不断缩小,胶料内压力逐渐增大,并在最小辊隙(辊距)前方不远处,即辊距前方3°-6°处,压力P 达到最大值P max 。

过了该处压力急剧下降,由流变理论计算式可以得到,在辊距处胶料内压力值P e 仅为最大压力值P max 的一半。

即[5]:P e =P max /2(4)式中　P e ——辊距处胶料内部压力,104Pa;P max ——最大胶料内部压力,104Pa ;由上述压力分布图可以得知,辊隙间物料对辊筒表面各点的径向压力是很复杂的,不仅大小各异,方向也各不相同。

但这些压力的共同特点是它们有同一个作用点——辊筒的轴心线,由此就提供了把所有各点的压力合成在一起的可能。

这一合成的压力大约作用在与两辊筒截面圆心连线夹角5°-10°处,并且也是沿径向的,而这一合力正是我们所理解的辊筒所受的横压力P p。

图5　胶料对辊筒径向力分布示意图(3)物料对辊筒沿径向的横压力P p 及沿切线方向上的摩擦阻力F(可以由辊筒承受的扭矩计得)是对开炼机和压延机辊筒做强度、刚度分析的基础。

特别对压延机辊筒来说,建立在径向横压力基础上的受力分析是计算辊筒挠度变形,继而分析辊筒挠度变形对压延制品精度影响的基本条件之一。

有了上述对横压力的正确定义,就使得这种分析计算有了一个严格的前后一致的理论基础,免去了有时在教学和设计计算中出现的难圆其说的困境。

4　对横压力概念进一步深入理解根据以上的讨论与分析,对比文献中有关“横压力”,“分离力”概念的阐述,还可以对横压力的概念进一步深入理解:(1)阐述之一所言的“横压力”是指“胶料在辊距间对辊筒作用的径向压力”。

这里没有说清楚该径向压力实际上是辊距间各点胶料对辊筒的径向压力之合力。

辊隙范围内胶料与辊筒有无数个接触点,各点胶料对辊筒的压力都是径向的,但不都是横向的。

若不指明是合力,冠之以“横压力”就名不符实,而且这些不同胶料点对辊筒的大小不一,方向各异的径向压力P i 对实际的设计计算也是没有实用价值的。

(2)阐述之二将“横压力”与“分离力”对等,认为它们同是“企图使配对辊筒分离开的被加工胶料的变形阻力”。

实际上这两个力显然是不对等的。

图2明确标出,物料对辊筒沿辊距方向的分离力,实际上由物料对辊筒的横压力和摩擦阻力在辊距方向上的分力(P p co s 合+Fsin 合)两部分组成。

就量值上来说,两者相差无几,但是它们的方向不同,其力学含意更是大有差异,不应混淆同视。

(3)阐述之三,将物料对辊筒的全部作用力,包括沿径向的法向作用力P,和沿切线方向上的摩擦阻力F,一揽子统统称之为“横压力”,显然是很不严格和科学的。

(4)至于阐述之四所讲述的“横压力”,只是上述阐述之二的演绎,相当于物料对辊筒的“单位分离力”。

既然“横压力”不能与“分离力”混为一谈,故“单位分离力”也不能称为横压力。

5　结论(1)开炼机、压延机的辊筒横压力应定义为胶料在辊隙范围内对辊筒径向压力的合力,其方向与辊筒截面圆心连线大约有5°-10°的夹角,指向外,其作用点在辊筒轴线上。

(2)辊筒横压力不同于辊筒分离力,两者应加以区别。

横压力是开炼机、压延机设计、研究和使用的重要的原始参数之一。

参　考　文　献1　杨顺根,白仲元.橡胶工业手册,第九分册(上).北京:化学工业出版社,1994.7(下转第54页)4　与密炼机配套应用在与密炼机配套加工混炼胶时,由于介质流过传感器时就有振荡信号被送到二次仪表(监视器),这时在二次仪表显示屏上就可显示出此时介质流过的重量、比重、温度,同时在二次仪表中向外输出脉冲信号,再把脉冲信号送到计数器(控制器),当脉冲数达到预先设定值时,计数器(控制器)就有一个触点信号输出。

这个触点信号可以直接控制交流接触器或电动阀。

5　与几种流量计、电子秤比较(1)双柱塞油泵这种油泵只能输出体积信号,但体积的大小是随温度变化的,这就需要保持恒温,在生产实际中工艺油的温度是很难保持恒定的。