CN100423931C - 行星螺杆混沌触发挤出方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种行星螺杆混沌触发挤出方法及其装置。该方法是物料固体床在进入熔融段后,在外加热以及行星螺杆和主螺杆的高速旋转作用下,被打碎、拉散,熔融,成为熔体,熔体在机筒壁的拖曳及口模造成的压力反流共同作用下向口模方向运动,从口模挤出。该装置行星螺杆沿主螺杆轴向圆周均匀插入主螺杆内,行星螺杆位于口模方向的端部设有齿轮,齿轮与固定在机筒上大齿圈啮合。本发明引入混沌混合与分散熔融技术,实现混沌触发以及分散熔融,物料分布、分散混合效果好,熔融历程短,节能降耗,比产量高,能满足操作要求较高的工况条件,适应性强,加工简易,制造成本低,具有较好的市场前景。

Description

行星螺杆混沌触发挤出方法及其装置技术领域本发明涉及螺杆混炼挤出技术,特别是涉及行星螺杆混沌触发方法及其装置。背景技术目前,带螺杆的装备广泛应用于石油、化工、家电、食品加工、聚合物填 充改性以及反应挤出等工业场合。现有的带螺杆装置主要有单螺杆挤出机、双 螺杆挤出机、多螺杆挤出机以及行星螺杆挤出机等。其中,双螺杆挤出机又可 进一步分为同向、异向旋转,啮合、非啮合形式以及错列、并列等多种形式。 虽然双螺杆、多螺杆挤出机出现在一定程度上改善混合混炼效果,但总体来讲, 现有这类装备有五大缺陷:(1)混合混炼效果差;(2)熔融历程长而且不均匀; (3)能耗高,能量利用率低;")比产量低;(5)对加工物料适应性窄,更换 结构部件费时费力。尤其是(1) 一 (4)点,己经成为挤出机发展的关键制约 因素,目前还没有发现有效的解决方法。由于聚合物熔体的高粘度特性,排除了其湍流、尾迹旋涡的存在。混合过 程只能是层流混合。在单螺杆挤出机螺槽内熔体是规则的壳层层流混合,流体质点在向口模挤 出的过程中,存在着特定的壳层轨道,流体只能沿着壳层作类螺旋运动,而各 壳层间几乎没有相互混合发生,这就意味着界面随应变呈线性增长。为进一步 利用力剪切作用来强化混合混炼效果,挤出机的计量段螺槽较浅,这样使得泵 送能力下降。因此,为提高其混合性能,先后出现了象销钉螺杆、剪切混合元 件等一系列专利技术,但这些技术在耗能激增的同时,其混合机理仍然是传统的层流混合,混合效果提高并不理想。Buss混炼机将销钉固定在机筒之上,并将螺杆引入低频往复脉动,机器的自洁性能提高,其实质是交叉分流作用,但 由于必须将螺棱切断,甭送能力损失更大,比产量更低。对于双螺杆挤出机,啮合同向双螺杆挤出机中混合特性几乎为啮合区所控 制,但此位置在挤出机中只占有很小的比例。普通螺纹元件只能导致流体界面线性增加,远没有达到理想混合,Lyapnov指数进一步分析表明,物料在向口模 推进的过程中,其值是逐步减小的,说明稳态挤出不利于混合。对于捏合块混 炼段,模拟发现,Lyapnov指数虽然大于零,能够在一定程度上引发混纯混合效应,但量值很小,基本上不成规模。异向啮合双螺杆挤出机压延间隙很小,螺 槽根部存在滞流底层,几乎不与螺槽内熔体主体发生混合。粒子追踪结果显示, 啮合同向、异向双螺杆挤出机内物料的运动轨迹不同,同向双螺杆为①字型运 动,而异向双螺杆围绕各自的螺杆运动,彼此交换极小。对比非啮合异向双螺 杆挤出机和啮合同向双螺杆挤出机,发现两者的分散混合能力相近,但分布混 合机理不同:同向双螺杆的优势在于啮合区导致的物料再取向,而异向双螺杆 则有良好的轴向反向混合能力。但即使具有优异混合性能的积木式同向双螺杆 挤出机,其混合机理主体上仍然受传统的规则层流混合控制,导致了对于混合 混炼要求较高的物料加工来讲,转速越来越高,长径比越来越大,混合效果已 经走到极限,亟需引入新的混合机制。
对于行星螺杆挤出机,行星螺杆位于机筒与主螺杆中间,类似于螺旋行星 齿轮,由多个行星螺杆与主螺杆及机筒内壁的螺纹啮合,行星螺杆的旋转过程 中与中心主螺杆及机筒内壁的啮合,起到增强混炼效果的作用。但相对于行星 螺杆的展开表面来讲,界面增长总体上仍然很低,同时由于机筒内壁要加工螺
旋线,装备的加工、维护复杂,运转噪声大,可靠性差, 一般主螺杆只能在30rpm
下运行。 一旦螺杆或机筒内壁螺旋齿轮磨损,无法更换。另外,由于行星螺杆 之间存在圆周上间隙,甚至比行星螺杆的横截面还大,漏流非常大,加上双螺 杆的漏流因素仍然存在,因此比产量很低。
另一方面,从熔融机理和过程来讲,单螺杆挤出机熔融机理还是主要以固 体床熔融模型为主,即使在熔融后期出现固体床破裂,也缺乏有效的流场控制。 即便是专利技术——屏障螺杆也是如此,只不过加快了熔膜的去除速度。双螺
杆挤出机属于饥饿喂料、虽然物料未充满螺槽c形室,提供了物料翻动和表面
更新的机会,但同样存在熔融过程中物料的翻动效果差等一系列缺陷,为了縮 短熔融历程,有的还不得不添加啮合块、齿型盘等装置,加大了螺杆的加工及 装配难度,导致机器尺寸庞大。行星螺杆挤出机只是在混炼段采用行星螺杆结 构,其熔融段仍是普通的单螺杆结构,熔融机理没有改变。
总体来说,传统的带螺杆的装备,熔融过程缺乏有效的流场剪切、拉动控 制,历程长,温度分布不均匀,需要引入强化传热方法。很早以前,人们就意 识到打碎固体床,实现分散熔融是一条好的方法,但一直没有找到有效的方法。 因此,为进一步改善上述缺陷,主要应从引入全新的混合机理及熔融机理入手。
对于高粘度流体混合来说,美国研究人员H.Aref最初意识到简单的二维系统可以通过引入非定常边界条件而触发混沌现象,发现层流混合效果极大提高。 此后,对混沌混合的研究主要集中在二维流场模型及其合适的表征方法的探索, 着眼点是流场的双曲点特性。基本上从两个方向来进行研究:(1)点的运动轨
迹,借助Lyapnov指数及Poincare截面等手段进行研究;(2)流场的特定微分 流型捕捉,有代表性如Smale马蹄、Anosov微分流型等分析。研究混合过程中 的对称性与破缺、周期点、序性及相似性的发生及演化等,揭示混沌的本质特 征,将研究重点放在了混合的"几何特征"研究上,涉及混合速率研究很少, 主要集中在对静态混合器的工作。
韩国研究人员Kim和Kwon提出在单螺杆沿螺槽展开方向插入间断矮螺棱 而引入周期性双曲点扰动的技术方案,并提出了混沌螺杆概念,实验研究发现 该螺杆在挤出功率增加不大的情况下,聚合物熔体的混合效果得到了提高;但 这种矮螺棱混沌触发器仍存在一定的技术缺陷:(1)扰动不连续:设有间断矮 螺棱的螺杆扰动是间断性的,只是在作为混沌触发器的矮螺棱的间断处,混合 才会较大程度提高,但此处必然导致功耗加大,缺乏连续动力学思想;(2)难 以加工:作为混沌触发器的矮螺棱与螺杆固定为一体,类似于一个双头螺杆的 结构,这样增加了螺杆加工的难度与成本;(3)混合提高是局部的、分散混合 效果差:作为混沌触发器的矮螺棱与螺槽之间没有相对运动,对分散混合提高 作用不大,导致了螺槽底部混合效果甚至不如传统的单螺杆挤出机,因而混合 过程的提高是被动的、局部的、有限的。 发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点,提供一种提高比产量,提高分散熔 融及物料分布、分散混合效果,能耗低、体积小、操作简单可靠的行星螺杆混 沌触发挤出装置。
本发明另一目的在于提供一种应用上述装置的行星螺杆混沌触发挤出方法。
本发明的行星螺杆混沌触发挤出方法通过下述技术方案实现: 一种行星螺杆混沌触发挤出装置,该装置包括主螺杆、行星螺杆、动力传 动部件和机筒,所述主螺杆和行星螺杆位于机筒内,主螺杆与动力传动部件连 接,所述行星螺杆通过主螺杆上的开口槽沿主螺杆轴向圆周均匀插入主螺杆内, 穿过计量段与熔融段,行星螺杆位于口模方向的端部设有齿轮,齿轮与固定在 机筒上大齿圈啮合。根据螺杆挤出技术的常识,主螺杆可选用普通螺杆或锥形螺杆或者深槽螺 纹螺杆或者带有销钉、空穴传递混合器、菠萝型或螺旋剪切元件的强化型螺杆。 为加大进料,螺槽可以做得更深,即所说的深槽螺纹螺杆,从而提高泵送能力, 提高比产量,本发明主螺杆优选深槽螺纹螺杆。
同样根据螺杆挤出技术的常识,所述行星螺杆为普通螺杆或者螺杆中一段 为轴向花键槽的圆柱体或者螺杆中一段为圆柱体。圆柱体位于主螺杆的计量段。 带有销钉、空穴传递混合器或螺旋剪切元件的螺杆是一种组合结构,是在螺纹 或者多头螺纹与销钉、空穴传递混合器、螺旋剪切元件等多种已经公开的强化 螺杆挤出效果元件的组合,但行星螺杆上一处或多处螺旋线旋向须与主螺杆相
反,以保证较高的比产量。行星螺杆的数量根据加工要求可以是2个、3个、4 个、6个或者8个或更多,根据行星螺杆与主螺杆的直径、径向位置调整。本发 明优选4个、6个和8个。行星螺杆还可以是带有轴向花键槽的圆柱体或者普通 圆柱体。本发明行星螺杆混沌触发挤出装置的行星螺杆与齿轮优选通过键连接, 大齿圈也优选通过键与机筒连接,实现周向及轴向定位。
本发明行星螺杆混沌触发挤出装置的齿轮和大齿圈的齿形可为直齿或螺旋 齿,本发明优选直齿。
应用上述装置的行星螺杆混沌触发挤出方法,该方法是物料由挤出机的料 斗进入后,经固体输送段进入压縮段,通过螺杆的压縮,形成固体床,然后进 入熔融段,固体床在进入熔融段后,在外加热以及在处于主螺杆与机筒内壁之 间,位于主螺杆开口槽内,沿主螺杆轴向圆周均匀插入主螺杆内,穿过计量段 与熔融段,由固定在机筒内壁的齿圈带动的行星螺杆和主螺杆的高速旋转作用 下,形成相对于行星螺杆轴向流动及圆周切向运动,固体床被打碎、拉散,熔 融,成为熔体,熔体在机筒壁的拖曳及口模造成的压力反流共同作用下向口模 方向运动,并在前行过程中间断性受到行星螺杆的扰动作用,而被拉伸、折叠、 再拉伸,熔体处于不断翻动中,使得熔体界面程指数方式增长,实现强化传热, 同时熔体在行星螺杆与主螺杆的窄间隙产生对熔体的剪切拉伸作用下,熔体实 现分散混合,最后熔体从口模挤出。
本发明的作用原理是:根据微分动力系统拓扑混沌几何演化思想,通过行
星螺杆运动边界条件将周期性扰动引入到单螺杆挤出装置的螺槽内,进而实现:
(1)在均化段,使流体界面实现拉伸、折叠、再拉伸作用,使物料在向口模推 进的过程中椭圆点交叉、重叠、分散,混沌触发器的往复运动,促进流体局部再循环,增加了系统运动的自由度及对初始条件的敏感性,诱导异宿流型,导 致拉伸折叠,诱发混沌运动的目的。(2)在熔融段,通过行星螺杆与主螺杆之 间的相对运动,打破固体床,进一步利用固体颗粒的混沌强化作用,实现分散 熔融,强化传热,从而节能降耗。
本发明相对现有技术的优点与效果是:(l)节能降耗;由于本发明在熔融、 混炼、均化过程中引入全新的沌混机理,加强了流场对过程的剪切、拉动控制, 有效地强化混合、传热过程,能够有效地减小装备的体积,提高能量的有效利 用率,也减小装备向周围环境的能量损失。因此,达到节能降耗的效果,能耗
可降低40%——50%。 (2)混沌混合和分散熔融两大关键技术;行星螺杆与主螺
杆通过相对运动以及几何约束关系,有效实现了混沌机理的引入以及打碎固体 床操作,有效利用分散熔融、分散相强化混合、混沌强化混合的多重目的。因
而,挤出机体积可减少30%-50°/。。 (3)分布、分散混合效果好;本发明由于引
入混沌混合,有效地实现了分布混合。行星螺杆相对于主螺杆的高速旋转有效 的提高了螺槽底部的混合,主螺杆与行星螺杆的相对运动,行星螺杆与主螺杆 之间的窄间隙提供的高剪切、行星齿轮及大齿圈的捏合作用,这些都有效地提 高了分散混合,并由混沌作用携带到主流场中去,更有效实现混合界面的拉伸 再取向作用,更好的实现分布、分散混合。与现有的带螺杆装备相比,其混合
过程的提高是全局的、主动的、有效的,并不是局部强化。(4)能满足操作要 求高的工况条件,比产量高;本发明可以实现挤出机主螺杆深螺槽设计,甚至 可以采用锥形螺杆,尤其在大流量、高流速的操作情况下, 一样可以提高混合 混炼效果,控制停留时间分布,性能优于传统的螺杆挤出机。(5)适应性强;
本发明对应一条主螺杆可以配有多种行星螺杆形式,根据加工物料特性、停留 时间分布要求及螺杆转速确定相应的组合方式,可以进行现场修改操作,对物
料的适应性广,操作弹性大。(6)装备制造成本低,可靠性强;相对于在单螺
杆沿螺槽展开方向插入间断矮螺棱的现有技术以及积木式双螺杆挤出机装置,
本装置的零部件加工相对简易,制造、装配成本低,有望成为新一代加工设备,
具有较好的市场前景。
附图说明
图1是本发明应用于行星螺杆混沌触发螺杆挤出装备的结构示意图。
图2是图1中行星螺杆靠近口模一端的局部放大图。
图3是实施例1行星螺杆与主螺杆几何位置关系的横截面图图4是实施例2行星螺杆与主螺杆几何位置关系的横截面图。 图5是实施例1带有销钉的行星螺杆结构示意图。图6是行星螺杆中的一段为带有轴向花键槽圆柱体的螺杆的示意图。 图7是图6中轴向花键槽的圆柱体部分的A-A向截面剖视图(放大)。 具体实施方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明,但本发明要求保护的 范围并不局限于实施例表示的范围。 实施例l如图1及图2所示,行星螺杆混沌触发螺杆挤出装置包括:传动部件l、料 斗2、温控装置3、机筒4、行星螺杆5、大齿圈6、套筒7、端盖8、螺母9、 齿轮10、主螺杆11。传动部件1设置在机筒4的端部,料斗2位于机筒4的上 部,靠近传动部件l,温控装置3位于机筒4的外部,机筒4内的主螺杆11与 传动部件1连接,行星螺杆5连续布置在主螺杆11的均化段12瑢融段13,且 与设置在行星螺杆5端部的传动齿轮10相连,齿轮10通过螺母9固定在行星 螺杆5上,齿轮10与固定在机筒4上的大齿圈6啮合,大齿圈6的与机筒的相 对固定通过键及套筒7来实现。齿轮10和大齿圈6的齿形为直齿。主螺杆11 为深槽螺纹螺杆,深度为20mm。如图3所示,本实施例中,行星螺杆均匀镶嵌在主螺杆外圆上,行星螺杆 的数量为4个。如图5所示,行星螺杆为带有销钉16的螺杆。应用本行星螺杆混沌触发螺杆挤出装置时,传动部件1驱动主螺杆11旋转, 带动行星螺杆5—起旋转,同时,行星螺杆5由固定在其上面的齿轮10与固定 在机筒4上的齿圈6啮合作用下相对于主螺杆11相对旋转,从而将混沌引入到 均化段12及熔融段13螺槽内。物料由挤出机的料斗2进入后,经固体输送段 15进入压縮段14,经螺杆的压縮段14压实,形成固体床,然后进入熔融段13, 在外加热以及剪切耗散热的共同作用下开始熔融,形成熔膜,这时候,由于行 星螺杆的相对于主螺杆的高速旋转,形成相对于行星螺杆轴向流动及圆周切向 运动,加上销钉16分散剪切作用,将固体床打碎、拉散,使得熔融过程加快, 这时,如果将主螺杆11视为不动,根据相对运动原理,熔体在机筒壁4的拖曳 及口模8造成的压力反流共同作用下向口模8方向运动,前行过程中间断性, 周而复始地受到行星螺杆5的扰动作用,引入复杂速度边界,从而使流体微元前行过程中受到拉伸、折叠、再拉伸的连续作用,即引入混沌作用机制,使得流体界面呈指数方式增长,增加了物料翻动作用,从而强化传热;物料熔融后, 进入均化段12,继续在混沌作用机制的控制下强化混合、混炼,同时由于行星 螺杆5与主螺杆11的窄间隙存在,产生对物料的强大的剪切拉伸作用,从而很 好的实现分散混合,分散后的熔体继续在混沌流的作用下引入主流场运动到不 同的角落,从而实现优异分布、分散混合。达到强化混合混炼,实现分散熔融 的目的。由于行星螺杆混沌触发螺杆挤出过程中,在熔融、混炼、均化阶段引入全 新的沌混机理,加强了流场对过程的剪切、拉动控制,有效地强化混合、传热 过程,提高能量的有效利用率,也减小装备向周围环境的能量损失,与普通行 星螺杆挤出装置相比,能耗可降低40%—50%,同时挤出机体积可减少30%— 50%。该装置还可以实现挤出机主螺杆深螺槽设计,尤其在大流量、高流速的操 作情况下, 一样可以提高混合混炼效果,控制停留时间分布,性能优于传统的 螺杆挤出机。该装备相对于在单螺杆沿螺槽展开方向插入间断矮螺棱的现有技 术以及积木式双螺杆挤出机装置,该装置的零部件加工相对简易,制造、装配 成本低,不仅可以挤出造粒,还可以直接挤出成型制品。实施例2如图4所示,本实施例中,行星螺杆的数量为8个。主螺杆为普通螺杆, 其它同实施例l。 实施例3主螺杆11为锥形螺杆,其它同实施例1。 实施例4齿轮IO和大齿圈6的齿形为螺旋齿,其它同实施例1。 实施例5如图6、 7所示,行星螺杆5中的一段为带有轴向花键槽的圆柱体,该部分 位于主螺杆的计量段上。传动齿轮10通过螺母9固定在带有轴向花键槽(或轴向 圆弧槽)的圆柱体的行星螺杆5上,其它同实施例1。实施例6行星螺杆5中的一段为圆柱体,位于主螺杆的计量段上,传动齿轮10通过 螺母9固定在带有圆柱体行星螺杆5上,其它同实施例1。

Claims (10)

1. 一种行星螺杆混沌触发挤出装置,该装置包括主螺杆、行星螺杆、动力传动部件和机筒,所述主螺杆和行星螺杆位于机筒内,主螺杆与动力传动部件连接,其特征在于:所述行星螺杆通过主螺杆上的开口槽沿主螺杆轴向圆周均匀插入主螺杆内,穿过计量段与熔融段,行星螺杆位于口模方向的端部设有齿轮,齿轮与固定在机筒上大齿圈啮合。
2、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于所述主 螺杆为普通螺杆或锥形螺杆或者深槽螺纹螺杆。
3、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述 行星螺杆为普通螺杆或者螺杆中一段为轴向花键槽的圆柱体。
4、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述行星螺杆为螺杆中一段为圆柱体。
5、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述 行星螺杆或者主螺杆为带有销钉、空穴传递混合器、菠萝型或螺旋剪切元件的 强化型螺杆。
6、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述 行星螺杆的数量为2个、3个、4个、6个或者8个。
7、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述 行星螺杆通过键与齿轮连接。
8、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述 大齿圈通过键与机筒连接。
9、 根据权利要求1所述的行星螺杆混沌触发挤出装置,其特征在于,所述 齿轮和大齿圈的齿形为直齿或螺旋齿。
10、 一种应用权利要求1所述装置的行星螺杆混沌触发挤出方法,该方法 是物料由挤出机的料斗进入后,经固体输送段进入压縮段,通过螺杆的压縮, 形成固体床,然后进入熔融段,其特征在于,固体床在进入熔融段后,在外加 热以及在处于主螺杆与机筒内壁之间,位于主螺杆开口槽内,沿主螺杆轴向圆 周均匀插入主螺杆内,穿过计量段与熔融段,由固定在机筒内壁的齿圈带动的 行星螺杆和主螺杆的高速旋转作用下,形成相对于行星螺杆轴向流动及圆周切 向运动,固体床被打碎、拉散,熔融,成为熔体,熔体在机筒壁的拖曳及口模 造成的压力反流共同作用下向口模方向运动,并在前行过程中间断性受到行星 螺杆的扰动作用,而被拉伸、折叠、再拉伸,熔体处于不断翻动中,使得熔体 界面呈指数方式增长,实现强化传热,同时熔体在行星螺杆与主螺杆的窄间隙产生对熔体的剪切拉伸作用下,熔体实现分散混合,最后熔体从口模挤出。
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行星螺杆挤出机设计中的若干问题. 刘琦云,马维新,孙金阶.西北纺织工学院学报,第12卷第1期. 1998
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