一种单周旋转往复三次的往复式单螺杆销钉挤出机及其高效混炼元件的制作方法
【专利说明】一种单周旋转往复三次的往复式单螺杆销钉挤出机及其高效混炼元件
技术领域
[0001]本发明涉及一种新型往复式单螺杆销钉挤出机及其高效混炼元件。该挤出机螺杆采用独特的驱动装置，螺杆旋转一周螺杆往复运动三次，机筒内壁安装12排销钉，螺杆螺棱被有规律打断，螺棱与销钉的相对运动，起到搅拌和清洁螺棱的作用。本发明通过对传统往复式单螺杆销钉挤出机的改进，不仅可增加元件流场内流体的分流次数，提高混炼元件的分布混合性能，而且可增加混炼元件内物料流场的高剪切区域，提高混炼元件的分散混合性能。
【背景技术】
[0002]1945年德国人H.List开发了往复式单螺杆销钉挤出机。1951年瑞士专利[CH278575]提出一种往复式单螺杆销钉挤出机，其机筒上安装三排销钉，螺杆旋转一周轴向往复一次，是目前商业化机型的基本形式。1972年，为了提高往复式单螺杆挤出机的产量,Fritz Ronner[US3841611]发明了机筒上装有八排销钉的往复式单螺杆挤出机，螺杆旋转一周同时往复两次，但是目前该类机型并没有产业化。为了提高当前通用机筒安有三排销钉机型的混合效果，2010年Peter Franz等人[US20100284236A1]发明了机筒上安装四排销钉的往复式单螺杆挤出机混炼元件，提高了往复式单螺杆销钉挤出机的混炼性能。
【发明内容】
[0003]如图1所示，机筒圆周安装12排销钉，相邻两排销钉之间轴向位置关系满足一定导程的左旋螺旋排布。图中给出了销钉相对螺杆的相对运动轨迹，并以此为依据，在销钉未经过的区域，根据螺棱迎风面间隙最小原则设计螺棱形状。对应图1销钉轨迹，混炼元件上螺棱旋向为右旋。在螺棱的一个圆周运动周期内，销钉运动轨迹中包含三个周期的轴向往复运动。当螺杆旋转方向与螺棱旋向相反时，该元件为正向导程螺棱混炼元件。其三维造型如图2所示。这种新型混炼元件与图3和图4给出的机筒圆周安装三排销钉、螺杆旋转一周往复一次的传统混炼元件相比，在相同轴向长度的螺杆元件内，螺棱条数和销钉个数均增加300%，物料在螺棱和销钉周围的分流次数增加3倍，从分流效果上看，本发明具有更高效的分布混合性能。与此同时，销钉与螺棱相互作用的有效长度也明显增加。以直径为45mm的混炼元件为例，新型混炼元件比传统混炼元件的销钉与螺棱相互作用总有效长度提高了 32%。当螺杆往复行程、转速和销钉螺棱间隙一致时，虽然螺杆旋转运动产生的剪切应力水平基本一致，但是轴向往复运动的平均速度提高了 2倍，螺杆往复运动中加速度变化更加剧烈，由此产生的剪切应力也大大增加。本发明新型混炼元件内物料区域高剪切应力区域要比传统元件大很多，经积分和求平均计算，我们发现本发明新型混炼元件旋转一周产生的平均剪切应力(121707.50Pa)比传统混炼元件(85447.54Pa)高42.4%，这就表明名本发明新型混炼元件更有利于物料的分散混合。
[0004]图例说明图1本发明开发的螺杆旋转一周往复三次的正向导程螺棱混炼元件的销钉相对运动轨迹及螺棱形状展开图；
图2对应图1的混炼元件及销钉排布三维造型；
图3传统螺杆旋转一周往复一次的正向导程螺棱混炼元件销钉相对运动轨迹及螺棱形状展开图；
图4对应图3的混炼元件及销钉排布三维造型；
图5本发明开发的螺杆旋转一周往复三次的逆向导程螺棱混炼元件的销钉相对运动及螺棱形状展开图；
图6对应图5的混炼元件及销钉排布三维造型；
图7本发明往复式单螺杆销钉挤出机螺杆旋转一周往复三次的传动系统驱动原理。
【具体实施方式】
[0005]本发明螺杆的运动可由如图7所示的原理来驱动。轴I为输入轴，其上齿轮3驱动中间轴2上齿轮4，轴2上的齿轮5驱动轴7上的齿轮6，输出轴7上锥齿轮8与齿轮6连接在一起，驱动轴7转动，轴7与齿轮6和锥齿轮8之间采用滑动键连接，齿轮6和锥齿轮8可在轴7上产生轴向相对滑动。竖直轴11和竖直轴12为上下对称式布置结构，其上分布安装几何形状一样的锥齿轮9和10同时与锥齿轮8啮合传动，锥齿轮8驱动锥齿轮9和10转动，竖直轴11和竖直轴12上带有曲柄13和14，分别带动连杆15和连杆16运动，连杆15和16带动滑块17，滑块17与输出轴7连接。曲柄13 (14)、连杆15 (16)和滑块
17构成的曲柄滑块机构同时驱动输出轴7轴向作直线往复运动。在该结构中,可以通过改变锥齿轮传动比的方式来改变输出轴旋转和直线往复运动的频率比。
[0006]本发明螺杆和机筒采用组合方式，可根据加工工艺要求，组合螺杆构型。
[0007]本发明机筒采用左右剖分结构，可高效地清除螺杆上的物料。
[0008]本发明的新型混炼元件为进一步增强混炼效果，可将机筒上安装销钉按照右旋螺旋排布，绘制销钉相对运动轨迹后，按照螺棱迎风面间隙最小原则设计螺棱形状得到逆向导程混炼元件螺棱展开图，见图5，对应三维造型如图6所示。与正向导程混炼元件相比，混炼元件螺棱几何尺寸和条数不变，所以二者的分流作用相差不大。经积分和求平均计算，逆向导程混炼元件的平均剪切应力与正向导程混炼元件基本一致。而由于逆向导程具有建压作用，物料其中的停留时间更长，所以加工过程中，物料在逆向导程混炼元件内经历的累积剪切应力更大。
[0009]本发明机筒上安装的销钉可以采用不同的形状，如圆柱形、圆锥形或以菱形为截面形状的四棱柱形，也可根据加工工艺需要，将机筒上某些排上某些销钉拆除，以减少销钉与螺棱之间的相对剪切。同样对于剪切较小的加工场合，混炼元件的螺棱有效长度可以适当缩短。
【主权项】
1.本发明涉及一种新型往复式单螺杆销钉挤出机，该挤出机螺杆的运动方式为旋转一周轴向往复三次。
2.权利要求1中所涉及的往复式单螺杆挤出机，螺杆采用组合方式，螺杆芯轴上可以根据加工工艺要求安装具有加料、排气及混炼功能的多种元件。
3.权利要求1中所涉及的往复式单螺杆销钉挤出机，机筒圆周方向上安装12排销钉，相邻两排销钉的轴向位置可由一定导程的右旋或左旋螺棱所确定。
4.根据权利要求3中所涉及销钉排布方向不同，本发明往复式单螺杆销钉挤出机的混炼元件可为正向导程元件和逆向导程元件。
5.权利要求3中所涉及销钉的形状可为圆柱形、圆锥形或以菱形为截面形状的四棱柱。
6.权利要求3中所涉及的12排销钉，可以根据加工工艺需要去掉或增加一定数量的销钉，达到减少或增加剪切的作用。
7.权利要求4中所涉及的混炼元件，螺棱长度可根据工艺要求适当缩短或增长。
【专利摘要】本发明涉及一种新型往复式单螺杆销钉挤出机及其高效混炼元件。该挤出机螺杆采用独特的驱动装置，螺杆旋转一周螺杆往复运动三次。机筒内壁安装12排销钉，螺杆螺棱被有规律打断，螺棱与销钉的相对运动，起到搅拌和清洁螺棱的作用。螺棱的旋向可根据实际情况采用右旋或者左旋。当右旋螺棱变为左旋螺棱时，混炼元件的建压能力增加。本发明通过对传统往复式单螺杆销钉挤出机的改进，不仅可增加元件流场内流体的分流次数，提高混炼元件的分布混合性能，而且可增加混炼元件内物料流场的高剪切区域，提高混炼元件的分散混合性能。
【IPC分类】B29C47-64, B29C47-38
【公开号】CN104589620
【申请号】CN201310532086
【发明人】毕超, 刘倩楠, 李翱
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2013年11月3日