基于齿轮泵的短纤维增强橡胶复合材合材料挤出成型机理及实验研究

摘要

随着经济的迅速发展，人们对高分子材料需求日益增加，对高分子材料的性能要求也越来越高，短纤维增强橡胶复合材料作为新型高分子材料应运而生。通过专用挤出设备将短纤维沿径向方向取向，虽然能够提高材料的综合性能，但该材料门尼粘度高，加工难度大，对挤出设备的性能提出了较高的要求。本文在现有的短纤维径向取向设备上增加了一套自主研制的齿轮泵挤出装置，利用其正位移输送的特点，提高了橡胶复合材料的综合性能和挤出效率，保证了挤出成型制品的质量和短纤维取向效果。 本文对基于齿轮泵的短纤维增强橡胶复合材料挤出成型机理进行了研究，研制了一套齿轮泵挤出装置；利用有限元软件对齿轮泵内橡胶的流动状况进行了动态模拟，进一步验证了设计的合理性；通过实验，研究了齿轮泵装置对橡胶复合材料挤出成型制品质量的影响，探究了最佳挤出工艺参数，通过路况模拟测试，验证了最佳工艺参数下挤出橡胶复合材料的磨耗性能。 本文完成的主要工作如下： （1）研究了基于齿轮泵的短纤维增强橡胶复合材料挤出成型机理，对影响橡胶复合材料挤出稳定性的因素（如齿轮泵的瞬时流量、漏流现象、困胶现象和转速限制）进行了理论分析。 （2）通过理论分析，研制出了适合短纤维增强橡胶复合材料挤出的齿轮泵装置，提高了生产效率和制品致密性，保证了短纤维取向效果和制品质量。 （3）利用有限元软件对齿轮泵内橡胶的流动状况进行了动态模拟。分析了胶料流动过程中的压力场、速度场和出口瞬时速度对齿轮泵的困胶现象、泄漏情况和流量脉动的影响，模拟结果表明结构设计合理。 （4）研究了增加齿轮泵装置对橡胶复合材料挤出成型制品质量的影响。实验结果表明使用齿轮泵后挤出效率提高了10.95%，橡胶复合材料的挤出稳定性也大幅提高。确定了齿轮泵挤出的最佳工艺参数为：螺杆转速30r/min，机筒温度80℃，齿轮泵转速25r/min。 （5）通过使用自主研制的磨耗测试设备对最佳工艺条件下挤出的复合材料进行磨耗测试，模拟了轮胎在路面负载不同重量货物、路面加速和不同路况下的磨耗情况，结果表明使用齿轮泵挤出的短纤维增强橡胶复合材料制成的轮胎模型制品磨耗性能提高了6%到9%，进一步验证了齿轮泵挤出橡胶复合材料优异的耐磨性能。

目录

第一个书签之前

1 绪论

1.1 短纤维增强橡胶复合材料的研究概况

1.1.1 短纤维增强橡胶复合材料的研究背景

1.1.2国内外短纤维橡胶复合材料的研究现状

1.2 熔体齿轮泵的研究概况

1.2.1 国内外熔体齿轮泵的研究现状

1.2.2 熔体齿轮泵的挤出工艺流程

1.2.3 熔体齿轮泵的特性及应用。

1.3 本文研究意义、目的及研究内容

1.3.1 研究意义和目的

1.3.2 研究内容

2.1 橡胶齿轮泵的工作原理

2.2 橡胶齿轮泵的工作特性及设计难点

2.3 齿轮泵瞬时流量分析

2.3.1瞬时流量计算

2.3.2 流量脉动特性分析

2.4 齿轮泵漏流分析

2.4.1 端面泄漏

2.4.2 齿轮顶部和泵壳间隙的泄漏

2.4.3齿轮啮合处的泄漏

2.5齿轮泵困胶现象

2.6 齿轮泵转速限制

2.6.1 齿轮泵的机械性能和橡胶特性限制

2.6.2 气穴限制

2.6.3 剪切生热等其他条件限制

2.7 本章小结

3 齿轮泵的结构设计

3.1 挤出机齿轮泵机组的设计

3.2 挤出机齿轮泵的主要参数和结构

3.2.1 齿轮泵的功率

3.2.2 齿轮泵轴的设计

3.2.3 齿轮泵轴承与密封设计

3.2.4 齿轮泵泵体的设计

3.3 本章小结

4 齿轮泵的动态模拟与分析

4.1 CFD和Fluent介绍

4.2 流体动力学基本方程

4.3 物理模型建立及网格划分

4.4 UDF编程

4.5 计算设置

4.6 模拟结果与分析

4.6.1 压力场的结果与分析

4.6.2 速度场的结果与分析

4.6.3 出口瞬时速度的结果与分析

4.7 本章小结

5 实验研究

5.1 实验目的与方案

5.1.1 实验目的

5.1.2 实验方案

5.2 实验设备与仪器

5.2.1 实验测试所用设备

5.2.2 实验所用挤出机机头

5.3 实验原材料及配方

5.4 实验及工艺

5.4.1 混炼工艺

5.4.2 挤出实验及工艺

5.4.3 齿轮泵挤出机最佳工艺参数实验

5.4.4 硫化工艺

5.5 性能测试

5.5.1 挤出稳定性测试

5.5.2 光学显微测试

5.5.3 SEM测试

5.5.4 门尼粘度测试

5.5.5 硫化特性测试

5.5.6 橡胶Payne效应测试

5.5.7 动态机械性能测试（DMA）

5.5.8 物理机械性能测试

5.5.9 DIN磨耗测试

5.6 本章小结

6 实验结果与分析

6.1 齿轮泵对比实验

6.1.1 挤出成型过程中混炼胶压力和温度变化分析

6.1.2 挤出成型过程中混炼胶挤出量和稳定性分析

6.1.3 门尼粘度分析

6.1.4 硫化特性分析

6.1.5 物理机械性能分析

6.1.6 动态力学性能分析

6.1.7 动态热机械分析(DMA)

6.1.8 扫描电子显微镜（SEM）观察分析

6.2 齿轮泵挤出机最佳挤出工艺参数实验

6.2.1 螺杆转速对短纤维增强橡胶复合材料性能的影响

6.2.2 机筒温度对短纤维增强橡胶复合材料性能的影响

6.2.3 齿轮泵转速对短纤维增强橡胶复合材料性能的影响

6.3 本章小结

7 路况模拟测试

7.1 性能测试方法

7.2 测试结果分析

7.3 本章小结

总结与展望

本文所做工作

本文所得结论

本文的创新点

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利