固相剪切碾磨装备盘面结构的优化及理论分析
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先进高分子材料全国重点实验室(四川大学) 四川大学高分子研究所,四川 成都 610065

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国家自然科学基金资助项目(U24A20207);天府永兴实验室重大科技攻关项目(2023KJGG11)


Optimization and Theoretical Analysis of the Milling Disc Structure of Solid State Shear Milling Equipment
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    摘要:

    基于固相力化学原理研发的固相剪切碾磨(S3M)装备具有独特的三维剪切结构,可实现高分子材料的室温超细粉碎和超微分散,是废弃塑料回收再利用的重要加工装备。为提高S3M装备的剪切碾磨效率,本文进一步优化S3M装备盘面结构,在磨盘盘面的磨齿斜面上植入桩齿结构,采用计算流体力学(CFD)软件Flow Simulation研究了磨盘盘面桩齿结构对动态剪切应力场的影响。结果表明,磨盘盘面桩齿几何形状、高度、分布密度等影响碾磨最大等效剪应力,四棱台桩齿结构高度为0.3 mm,分布密度为同列相邻桩齿结构相距5 mm的优化条件下,碾磨最大等效剪应力可达29.3 MPa,比原磨盘提高350 %。

    Abstract:

    Solid-state shear milling (S3M) equipment, developed based on the principles of solid-state mechanochemistry, employs a unique three-dimensional shear field, enabling the ultrafine pulverization and micro-nano dispersion of polymer materials at room temperature. It is thus a crucial technology for waste plastic recycling. To enhance the grinding efficiency of the S3M equipment, this paper further optimized its structural design by incorporating pile-tooth structures on the inclined surfaces of the grinding teeth. Computational fluid dynamics (CFD) simulations, performed using Flow Simulation software, were employed to evaluate the resulting dynamic shear-stress field. The results demonstrate that key structural parameters, including the geometry, height, and distribution density of the pile tooth, significantly influence the generated maximum equivalent shear stress. Under the optimized configuration (the quadrangular prism pile tooth with a height of 0.3 mm, and an inter-pillar spacing of 5 mm within each column), the maximum equivalent shear stress reaches 29.3 MPa. These values correspond to increases of 350% over those generated by a conventional disc design without pile tooth.

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  • 收稿日期:2025-12-18
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