现今，包含多种组分的混炼胶的生产主要是采用密炼机来进行的。混炼胶中包括有聚合物、微细易散布的粉状填料、炭黑、碳酸钙和少量的化学药品如硫化剂、促进剂或加工助剂以及液体成分如增塑油料。这些液体和细粉状的组分是通过密炼机的转子密封系统来控制以限制其进入外界环境中。
起初，人们将这些细微易散布的成份通过油膜粘附进行处理，称为粘结。由于密炼室内压力很高，这些糊状物会沿着转子的轴被慢慢挤出。为了限制这些糊状物的流出，在转子轴的两端均加了密封圈。
密封圈本身包括两层环，通常在滑动区具有较硬的表层。一个固定在转子轴上，相对的一个安装在机架上。各个转子密封系统本质上的区别在于所应用的表面压力不同，分为自动转子密封(SSA)、弹簧-加载转子密封(GA)以及水压转子密封(WYH)。
防尘设计
SSA密封的原理是基于对混炼室内的压力的利用。如果混炼室内压力升高，压力会传递到滑动的密封圈，从而密封圈的锁紧力会提高。为应用最小的表面压力，利用盘状弹簧组件来将内滑动环压到外固定环上。现今，新的密炼机都装备有GA和WYH转子密封系统。
在弹簧-加载转子密封(GA)系统中，密封圈位于混炼室外。此处，内环固定于机架，外旋转环装配于转子轴上。通过几个排布在旋转环周围的盘型弹簧组件施加表面压力，通过螺母对弹簧预加压力。润滑增塑剂注入密封圈的环形间隙，将一些细微易散布的胶料组分粘结起来。更深一层的润滑孔位于固定的滑动环内，用以润滑滑动的表面。
在水压转子密封(WYH)的情况下，密封位置更接近转子，位于混炼室的机架末端的内部。内旋转滑动环固定于转子轴上。而外固定环通过轭套与之压紧。接触压力是通过液压缸和盘型弹簧组件产生的，压力通过轭套传递到外滑动环的压力环上。润滑方式与GA转子密封系统类似。由于实际上密封系统的横断面方向会向混炼室位移，在转子和耐磨盘片之间的轴间隙里，细微的物料会在此发生粘结。
比较这两个系统（GA和WYH密封系统），显而易见密封位置是两者明显区别的因素。WYH密封系统由于接近转子，仅有很小的死角可能积聚物料。另一方面，运动的有磨损作用的填料很容易直接进入滑动表面，从而对设备的磨损产生不利影响。GA密封系统具有相对较长的环形间隙，由于粉料在环形间隙里存留时间长，所以可以被油粘结得更好。因此，滑动表面可以更好地得到保护，密封加载的力可以最小化。然而，与此同时，部分物料在环形间隙内积聚的危险性增大，此处密封油尤显重要。
润滑系统
密封系统分为两个独立分开的部分。分别为滑动密封圈的润滑和物料粘结。滑动密封圈的润滑作为常规的润滑系统，其功用包括：通过在液体里产生剪切来补偿表面的速度差别；带走摩擦产生的热量；物料黏结失败时起保护作用；冷却机件；带走从接触面磨损下来的微粒；允许外来微粒进入并将其带走，如混炼胶的各种成分以及腐蚀保护。
物料粘结部分的任务不能象滑动密封圈的润滑那样清楚地进行说明。其主要任务就象它的名称一样，是粘结细微散布的各种成分。采用很高粘度的操作油保证了粘结效果。在水压密封系统，这一功用非常重要。由于密封系统更接近混炼室，具有磨损作用的填料更易于直接进入滑动表面，同时，自由运动的填料更易于进入外界环境。此外，物料粘结部分可以冲洗机架末端和转子轴之间的间隙，因而不会有物料在此积聚或产生自硫。由于GA密封系统具有较长的环形间隙，这种清洗效果在此系统中变得非常重要。与此同时，操作油的加入降低了橡胶、转子轴和机架末端的之间的粘性，通过这种方式也降低了物料沿着转子轴向密封系统的传输。因此，加入粘结油料是非常必要的。
转子密封系统存在的问题
抛开滑动密封圈的磨损不讲，物料粘结和滑动密封圈润滑所需要的油也会导致一些实质性的问题。实现上述功用需要使用大量的油料，造成油料采购成本很高。而且，这些包含着混炼胶中的各种成分，如聚合物、填料等的油料，通过转子密封系统从混炼室中出来，也需要进行处理，这也相当昂贵。众所周知，所使用的油料有超过80%的部分流入混炼室，这部分油可能导致重大的质量问题。前已述及，如果物料粘结部分润滑油的量过少，部分混炼胶会积聚在环状间隙中开始自硫，可能会导致下一车料被污染。其次，滑动密封圈部分润滑油用量过少会导致密封圈迅速磨损。
更多的密封圈磨损的决定性参数还包括填料的品种及硬度、转子的几何形状、安装位置和表面压力的调整等。将磨损和冲洗处理作为表面压力的函数，可观察到两种对立的趋势。如果独立地考虑压力影响因素，可确定运用较低的接触压力以降低磨损率。反而言之，增大接触压力能够导致密封圈较快地磨损。
冲洗处理和磨损之间的交互作用也必须进行考虑。冲洗处理量的增加也会导致经过滑动区有磨损作用填料的数量增加。因此，困难在于针对合适的操作参数来确定密封系统的正确调整。
环形间隙过程原理分析
下面的研究考察了物料从混炼室传输到密封圈的影响，特别考察了粘结油料的影响。
混炼试验是在一台7升容量的切线型转子的试验室密炼机中进行的。为达到试验目的，两个密封位置的密封圈被拆除。天然胶（(RSS 1，100phr)作为试验用原材料，分别在无润滑和在混炼室外部区域加入粘结油料（BP Enerpar 16）的情况下进行试验。
这组研究试验的目标是考察橡胶在密炼机没有密封时的重量差额。差额定义为初始橡胶重量mo与泄漏橡胶重量Mexit的比率。为达到这一目的，将泄漏的橡胶分别从每个位置收集起来。加粘结油料的情况下，将橡胶从泄漏的油料中分离收集起来。
所有的试验都是在加入聚合物后混炼15分钟。上顶拴压力选择为50N/cm2作为典型值。转子的转速为30和50rpm，填充系数从50%到80%，或从40%到70%变化。排料后，用手感分别测试批料的温度。
每一橡胶差额曲线都显示出泄漏橡胶的重量持续增加。进行冲洗处理的可以分成两部分，起先，可以检测出处理量慢慢上升，当温度范围达到130℃左右时，每条曲线的橡胶差额以几乎同样的斜率上涨。转子速度上升为50rpm时，由于剪切速率上升，导致橡胶泄漏量加倍。这一情形，在混炼室低填充量时的橡胶泄漏同样会产生。导致这一结果的假定是物料传输是由Weibenberg效应造成的。在高填充系数时，这一效应叠加了混炼室内压升高的影响。考虑到实际混炼过程，结果是物料传输增加了对转子密封系统加载的压力。特别是天然橡胶-基于高温的配方。
基于Weibenberg效应，物料与侧壁滑动的趋势随着剪切力下降而上升。粘附性的下降导致剪切力的下降，因此会导致泄漏橡胶的重量下降。这种降低相当于阻止物料的泄漏，可以通过加入粘结油料来获得。
为比较非润滑和润滑的情形下天然橡胶重量差额程度，油的用量按两个水平变化。指定油的总量包括两个非密封的转子密封部分。通过润湿转子轴，橡胶的溢出能够被阻止相当一部分。在最高流速1016ml/h 的情形下，在所研究的填充系数范围内没有物料从混炼室中出来。降低流速至440ml/h 时，导致橡胶最大差额0.7%，橡胶溢出开始于填充系数超过65%时。随着温度的上升，橡胶对油的吸收能力上升。摩擦力再次超过粘附力。这样，加入粘结油料有了新的更深层次的意义。首先，细微的填料必须粘结起来，随着混炼温度和均匀程度的提高，沿着转子密封系统向外移动的物料可以通过降低混炼胶和转子轴间的粘性来减少。因此强烈推荐使用粘结油料。
工艺参数分析
与密封圈磨损和冲洗处理相关的参数是接触压力的调整应用。作为保证可靠密封功能的重要条件，要防止密封圈开启，这就意味着密封圈的表面压力必须超过转子密封系统前端产生的压力。
一方面，必须保证可靠的密封，另一方面，表面压力应当尽量减小以降低密封圈的磨损。为此，必须知道密封圈前端所产生的压力有多大。
为获得这些数据，在GA转子密封系统的固定环上装置了压力传感器，这一传感器可以提供混炼过程中混炼室中产生的压力的信息。
试验记录了EPDM配方在常规方式下混炼的工艺参数。首先，聚合物和炭黑一起加入密炼机，混炼45秒，此时，填充系数计算为47%，第一次功率峰值出现在上顶栓降下后。在低填充的混炼室中，没有或仅有轻微的压力生成可以被检出。第二次上顶栓升起后加入其它填料和操作油。填充系数现在为87%，随后上顶栓降下后造成压力突然升高，此处，在一个顺序周期中压力的最大值和最小值均可观察到。
对压力最大值和最小值详细地考察可以在第二次上顶拴降下时观察到。压力生成包括两部分，一部分起因于混炼室中压力的上升；另一部分起因于转子轴旋转时产生的位移。因此，可以区分为轴向产生的压力及向上和径向产生的压力。
轴向产生的压力首先起因于上顶栓降下造成的压力上升。另外，由Weissenberg效应导致的物料沿转子轴移动提高了对密封系统加载的力。为了防止转子密封系统开启，表面压力必须超过轴向产生的压力。
免润滑转子密封系统
采用免润滑转子密封系统可以显著降低操作油的用量以及相应的油料处理量。免润滑转子密封系统这种方式提供了以上所讲的降低成本同时提高混炼胶质量的机会。此外，还有一个特别的优势是可以改装已经投入生产的密炼机。
这一系统的创造者Zaczek和 Reardon建议采用热固性材料如固化的碳纤维增强聚酰亚胺，以及热塑性工程塑料如纤维增强聚酮醚（PEEK）。应用柔软的聚合物材料存在的问题是假设母体材料中埋入了能产生磨损的微粒，同样会导致坚硬的配合部件加速磨损。两种材料的磨损行为可以通过提高配合部件的硬度来改善。一个途径是通过纤维补强来增强聚合物，另一途径是应用特殊的耐磨表层来增强抵御硬的配合部件的磨损的能力。
应用上述原理，在一台GK 135 E 密炼机上进行了实际生产试验，对聚合物材料和钢圈的耐磨表层进行变化对比。使用条件为：GA转子密封系统；滑动环没有润滑；粘结能力保持率；所有种类的橡胶制品技术配方，从母炼胶到终炼胶（炭黑混炼胶）。
定期检查保证了对磨损行为的记录。为此，将旋转的聚合物环从密炼机上拆下，清洗干净后，确定其磨损值。
试验记录了不同材料组合在工作阶段的磨损进展情况。材料组合1（表层A/热塑性塑料1）展示出极好的磨损率。在密炼机运行了37个月后将密封圈从密炼机上拆下，从可能的最大磨损距离推断，它可以再继续运行10个月以上。关于材料组合2（表层B/热塑性塑料2）可以确定有相似的磨损行为。然而，这种密封圈必须运行16个月后就进行更换，因为耐磨性能太差，同时表层厚度太薄。目前所安装的组合3到5的持续试验尚未完成，因此现在还不能做出效果的判断。
对免润滑转子密封系统的效果也从有关于减少油料处理的方面进行了分析。在6个月的时间里与常规润滑转子密封系统相比较，对比油料的处理量。用于免润滑转子密封系统的油料在4个星期的时间段被分别收集起来，然后，油料的量按1小时运行时间标准化，与常规润滑系统进行关联。结果证实平均可以减少油料的消耗达72%。不过，即使在免润滑转子密封系统，仍然必须保证物料的粘结保持力。
结论
通过使用免润滑密封系统，可以显著地降低操作油的用量。同时，与常规润滑系统相比，油料处理可以减少72%，结果是油料购买和处理的成本显著降低，而产品质量得以提高。试验的材料组合显示出极好的磨损行为，已经实现了至少37个月的服务寿命。
本文编译自Rubber World
作者：A.Limper，Mathilde Kny (Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH)
12/2/2006
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