一種單周旋轉往復三次的往復式單螺桿銷釘擠出機及其高效混煉元件的制作方法
【專利說明】一種單周旋轉往復三次的往復式單螺桿銷釘擠出機及其高效混煉元件
技術領域
[0001]本發明涉及一種新型往復式單螺桿銷釘擠出機及其高效混煉元件。該擠出機螺桿采用獨特的驅動裝置，螺桿旋轉一周螺桿往復運動三次，機筒內壁安裝12排銷釘，螺桿螺棱被有規律打斷，螺棱與銷釘的相對運動，起到攪拌和清潔螺棱的作用。本發明通過對傳統往復式單螺桿銷釘擠出機的改進，不僅可增加元件流場內流體的分流次數，提高混煉元件的分布混合性能，而且可增加混煉元件內物料流場的高剪切區域，提高混煉元件的分散混合性能。
【背景技術】
[0002]1945年德國人H.List開發了往復式單螺桿銷釘擠出機。1951年瑞士專利[CH278575]提出一種往復式單螺桿銷釘擠出機，其機筒上安裝三排銷釘，螺桿旋轉一周軸向往復一次，是目前商業化機型的基本形式。1972年，為了提高往復式單螺桿擠出機的產量,Fritz Ronner[US3841611]發明了機筒上裝有八排銷釘的往復式單螺桿擠出機，螺桿旋轉一周同時往復兩次，但是目前該類機型并沒有產業化。為了提高當前通用機筒安有三排銷釘機型的混合效果，2010年Peter Franz等人[US20100284236A1]發明了機筒上安裝四排銷釘的往復式單螺桿擠出機混煉元件，提高了往復式單螺桿銷釘擠出機的混煉性能。

【發明內容】

[0003]如圖1所示，機筒圓周安裝12排銷釘，相鄰兩排銷釘之間軸向位置關系滿足一定導程的左旋螺旋排布。圖中給出了銷釘相對螺桿的相對運動軌跡，并以此為依據，在銷釘未經過的區域，根據螺棱迎風面間隙最小原則設計螺棱形狀。對應圖1銷釘軌跡，混煉元件上螺棱旋向為右旋。在螺棱的一個圓周運動周期內，銷釘運動軌跡中包含三個周期的軸向往復運動。當螺桿旋轉方向與螺棱旋向相反時，該元件為正向導程螺棱混煉元件。其三維造型如圖2所示。這種新型混煉元件與圖3和圖4給出的機筒圓周安裝三排銷釘、螺桿旋轉一周往復一次的傳統混煉元件相比，在相同軸向長度的螺桿元件內，螺棱條數和銷釘個數均增加300%，物料在螺棱和銷釘周圍的分流次數增加3倍，從分流效果上看，本發明具有更高效的分布混合性能。與此同時，銷釘與螺棱相互作用的有效長度也明顯增加。以直徑為45mm的混煉元件為例，新型混煉元件比傳統混煉元件的銷釘與螺棱相互作用總有效長度提高了 32%。當螺桿往復行程、轉速和銷釘螺棱間隙一致時，雖然螺桿旋轉運動產生的剪切應力水平基本一致，但是軸向往復運動的平均速度提高了 2倍，螺桿往復運動中加速度變化更加劇烈，由此產生的剪切應力也大大增加。本發明新型混煉元件內物料區域高剪切應力區域要比傳統元件大很多，經積分和求平均計算，我們發現本發明新型混煉元件旋轉一周產生的平均剪切應力(121707.50Pa)比傳統混煉元件(85447.54Pa)高42.4%，這就表明名本發明新型混煉元件更有利于物料的分散混合。
[0004]圖例說明圖1本發明開發的螺桿旋轉一周往復三次的正向導程螺棱混煉元件的銷釘相對運動軌跡及螺棱形狀展開圖；
圖2對應圖1的混煉元件及銷釘排布三維造型；
圖3傳統螺桿旋轉一周往復一次的正向導程螺棱混煉元件銷釘相對運動軌跡及螺棱形狀展開圖；
圖4對應圖3的混煉元件及銷釘排布三維造型；
圖5本發明開發的螺桿旋轉一周往復三次的逆向導程螺棱混煉元件的銷釘相對運動及螺棱形狀展開圖；
圖6對應圖5的混煉元件及銷釘排布三維造型；
圖7本發明往復式單螺桿銷釘擠出機螺桿旋轉一周往復三次的傳動系統驅動原理。
【具體實施方式】
[0005]本發明螺桿的運動可由如圖7所示的原理來驅動。軸I為輸入軸，其上齒輪3驅動中間軸2上齒輪4，軸2上的齒輪5驅動軸7上的齒輪6，輸出軸7上錐齒輪8與齒輪6連接在一起，驅動軸7轉動，軸7與齒輪6和錐齒輪8之間采用滑動鍵連接，齒輪6和錐齒輪8可在軸7上產生軸向相對滑動。豎直軸11和豎直軸12為上下對稱式布置結構，其上分布安裝幾何形狀一樣的錐齒輪9和10同時與錐齒輪8嚙合傳動，錐齒輪8驅動錐齒輪9和10轉動，豎直軸11和豎直軸12上帶有曲柄13和14，分別帶動連桿15和連桿16運動，連桿15和16帶動滑塊17，滑塊17與輸出軸7連接。曲柄13 (14)、連桿15 (16)和滑塊
17構成的曲柄滑塊機構同時驅動輸出軸7軸向作直線往復運動。在該結構中,可以通過改變錐齒輪傳動比的方式來改變輸出軸旋轉和直線往復運動的頻率比。
[0006]本發明螺桿和機筒采用組合方式，可根據加工工藝要求，組合螺桿構型。
[0007]本發明機筒采用左右剖分結構，可高效地清除螺桿上的物料。
[0008]本發明的新型混煉元件為進一步增強混煉效果，可將機筒上安裝銷釘按照右旋螺旋排布，繪制銷釘相對運動軌跡后，按照螺棱迎風面間隙最小原則設計螺棱形狀得到逆向導程混煉元件螺棱展開圖，見圖5，對應三維造型如圖6所示。與正向導程混煉元件相比，混煉元件螺棱幾何尺寸和條數不變，所以二者的分流作用相差不大。經積分和求平均計算，逆向導程混煉元件的平均剪切應力與正向導程混煉元件基本一致。而由于逆向導程具有建壓作用，物料其中的停留時間更長，所以加工過程中，物料在逆向導程混煉元件內經歷的累積剪切應力更大。
[0009]本發明機筒上安裝的銷釘可以采用不同的形狀，如圓柱形、圓錐形或以菱形為截面形狀的四棱柱形，也可根據加工工藝需要，將機筒上某些排上某些銷釘拆除，以減少銷釘與螺棱之間的相對剪切。同樣對于剪切較小的加工場合，混煉元件的螺棱有效長度可以適當縮短。
【主權項】
1.本發明涉及一種新型往復式單螺桿銷釘擠出機，該擠出機螺桿的運動方式為旋轉一周軸向往復三次。
2.權利要求1中所涉及的往復式單螺桿擠出機，螺桿采用組合方式，螺桿芯軸上可以根據加工工藝要求安裝具有加料、排氣及混煉功能的多種元件。
3.權利要求1中所涉及的往復式單螺桿銷釘擠出機，機筒圓周方向上安裝12排銷釘，相鄰兩排銷釘的軸向位置可由一定導程的右旋或左旋螺棱所確定。
4.根據權利要求3中所涉及銷釘排布方向不同，本發明往復式單螺桿銷釘擠出機的混煉元件可為正向導程元件和逆向導程元件。
5.權利要求3中所涉及銷釘的形狀可為圓柱形、圓錐形或以菱形為截面形狀的四棱柱。
6.權利要求3中所涉及的12排銷釘，可以根據加工工藝需要去掉或增加一定數量的銷釘，達到減少或增加剪切的作用。
7.權利要求4中所涉及的混煉元件，螺棱長度可根據工藝要求適當縮短或增長。
【專利摘要】本發明涉及一種新型往復式單螺桿銷釘擠出機及其高效混煉元件。該擠出機螺桿采用獨特的驅動裝置，螺桿旋轉一周螺桿往復運動三次。機筒內壁安裝12排銷釘，螺桿螺棱被有規律打斷，螺棱與銷釘的相對運動，起到攪拌和清潔螺棱的作用。螺棱的旋向可根據實際情況采用右旋或者左旋。當右旋螺棱變為左旋螺棱時，混煉元件的建壓能力增加。本發明通過對傳統往復式單螺桿銷釘擠出機的改進，不僅可增加元件流場內流體的分流次數，提高混煉元件的分布混合性能，而且可增加混煉元件內物料流場的高剪切區域，提高混煉元件的分散混合性能。
【IPC分類】B29C47-64, B29C47-38
【公開號】CN104589620
【申請號】CN201310532086
【發明人】畢超, 劉倩楠, 李翱
【申請人】北京化工大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2013年11月3日