CN101954255B - 一种三桨立式捏合机桨叶 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种三桨立式捏合机的桨叶,包括一个主桨和两个副桨,通过对三个桨的合理设计和布置,使得两个副桨与混合容器壁捏合、主桨分别与两副桨捏合、两副桨互不干涉。整个桨叶系统满足拉伸剪切捏合的最佳效果以及无死角的要求,其捏合效果好,效率高,同时也保证了物料的顺利流动和提高了捏合机的混合能力。
Description
技术领域
本发明涉及到固体推进剂等高黏度流体的混合领域,适用与航天、国防、石油化工、冶金和涂料等行业。
背景技术
立式捏合机是完成固体推进剂等高粘度物料混合工艺的关键设备,主要通过相互捏合、具有复杂截面形状的搅拌桨对混合容器内的组分进行混合,其桨叶设计的优劣直接决定了捏合机的混合效果,进而影响产品的生产质量。国内现行的立式捏合机主要为双桨式,其主要用于中小批量的物料搅拌。立式捏合机桨叶捏合面的轮廓形状设计已经成熟,四院四十二所的王正方和翟瑞清在《固体火箭技术》上发表的《立式捏合机搅拌桨的设计》已近给出了双桨式捏合机桨叶捏合面的设计过程,能够作为现有捏合机桨叶捏合面设计的参考。
对于大型捏合机,双桨式结构存在搅拌效率低、所需提供的动力大和混合质量得到不到保证等诸多缺点。目前国内外在大型捏合机桨叶这方面的研究还不够,都还没有形成完整的桨叶设计体系。同时,随着固体推进剂不断向高能、高燃速发展,其各种感度不断增加,危险程度也随之增加,对混合的防爆性、稳定性和混合的质量要求相应增加。
因此,根据推进剂制备的工艺特点,借助先进理论与技术,研制适合大型捏合机的高效率、高质量的桨叶非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是对现有的双桨式立式捏合机进行改进,提出一种三桨立式捏合机桨叶,通过三桨叶的合理设计,实现混合容器内无死区,提高混合效率,满足大型捏合机高效率、高质量的要求。
一种三桨立式捏合机桨叶,包括一个主桨,还包括两个副桨,三桨竖直放置于混合容器内,三桨的基圆直径db和外径d相同;以容器底部中心为坐标原点,则主桨、第一副桨和第二副桨的中心在容器底部的投影点坐标分别为(0,)、(-a1/2,h)和(a1/2,h),其中,db、d、a1和a2满足以下关系式:db=d/2-5e,a1=d+e,a2=d/2+db/2+e ,hmin≤h≤hmax;
D为混合容器的内径,e为两桨之间、桨与混合容器之间的要求间隙。
本发明的技术效果体现在:本发明在传统的双桨式立式捏合机的基础上提出了三桨叶立式捏合机,在满足桨叶间隙和捏合运动的约束下,得出桨的结构参数和位置参数,使得两个副桨与混合容器壁捏合、主桨分别与两个副桨捏合、两个副桨互不干涉,这样能够实现物料的充分捏合又能提高物料流动性能,使混合质量、混合能力和效率都得到显著提高,适应于高黏度物料的混合。由于高黏度物料混合时粒子的运动形式为层流状态,为使物料搅拌均匀,要求混合容器内桨叶的运动轨迹不能有重复。当三桨自转角速度与公转转速的比值为无限不循环小数时,能够实现无论运动时间多长,桨叶的运动轨迹都不重复,能有效避免混合死区。在实际生产过程中,只要比值达到某一数值就可以认为桨叶能够达到混合容器的任一位置。
附图说明
图1为三桨立式捏合机桨叶的三维外形图。
图2为三桨立式捏合机主桨与混合容器壁为允许的最小间隙时布置原理图。
图3为三桨立式捏合机主桨与混合容器壁为允许的最大距离时布置原理图。
图4为三桨立式捏合机主桨与混合容器壁为某一值时布置原理图。
图5为桨叶轮廓截面图。
具体实施方式
立式捏合机桨叶混合的物料黏度高,在混合过程中需要较大的剪切力,才能促使物料达到混合要求。一般来说,桨叶之间的间歇越小,提供的剪切力就越大,所以在设计桨叶的时候,必须使桨叶之间的间歇达到要求。混合时高黏度物料粒子的运动形式为层流状态,为使物料搅拌均匀,要求混合容器内桨叶的运动轨迹不能有重复。
如图1所示,三桨立式捏合机桨叶由主桨1和位于主桨1两侧的副桨2和副桨3组成。在混合容器内三桨在同一截面上心点连线组成等腰三角形,且等腰三角形的两腰小于第三边。使得副桨2和3分别与混合容器捏合、主桨1分别与副桨2和3捏合、两副桨2和3互不干涉。主桨1与副桨2和3之间、副桨2和3与混合容器之间均满足最小间歇的要求。最小间隙是根据混合物料性质提出的设计参数。桨叶之间以及桨与混合容器壁之间的间歇得到保证,能够为混合提供的要求的剪切力。这样可以能够实现物料的充分捏合又能提高物料流动性能,使混合质量、混合能力和效率都得到显著提高,能够适应高黏度物料的混合。
如图2和图3分别表示了方案中桨叶的两极限位置。圆1表示主桨,圆2和圆3分别表示副桨2和副桨3。在设计中,圆2、圆3与混合容器壁之间的距离不变,为设计要求最小间隙e,圆1与混合容器壁之间距离可调。以平行于副桨中心连线且通过混合容器中心的线为X轴,过混合容器中心且垂直与X轴的线为Y轴建立坐标系。
结构所允许的hmin示意图如2所示,根据几何关系:
a1=d+e
(1)
a2=d/2+db/2+e
(2)
(3)
hmin 2+(a1/2)2=(D/2-d/2-e)2
(4)
db=d/2-5e
(5)
其中a1为两副桨的中心间距,a2为主桨和副桨的中心距,d为桨叶的外径,hmin为副桨与过混合容器中心的水平线之间的允许的最小距离,db为桨叶基圆直径。e为桨叶之间、桨叶与混合容器之间的设计间隙,D为混合容器的内径。
联立以上5个方程,带入设计参数e和D,可以求解出在主桨与混合容器壁距离为e时的桨叶参数,此时h为允许的最小值hmin,对应的d为允许的最大值dmax。
以4800L捏合机为例,取e=10mm,D=1880mm,解方程得唯一一组合适解:hmin≈24mm,dmax≈924mm。
同理,由图3可得几何关系式:
(6)
(7)
与式(1),(2),(5),(6),(7)带入设计参数e和D,可以求解出在主桨与混合容器壁距离为最大时的桨叶参数,此时h为允许的最大值hmax,对应的d为允许的最小值dmin。
以4800L捏合机为例,取e=10mm,D=1880mm,解方程得唯一一组合适解:hmax≈394.11mm,dmin=756mm。
从以上情况得出了h和d的取值范围,实例中给出h的范围为[24,397.511],d的范围为[756,924]。
在h接近最大值和最小值的时候,桨叶在锅内排列比较集中,锅内被三桨也分为两部分的体积相差很大。所以应根据实际搅拌物料选择相应h值。
当h处于最大最小值之间时,由图4可以得到:
h2+(a1/2)2=(D/2-d/2-e)2
(8)
联立(1),(2),(5)和(8)共4个方程,带入设计参数e和D,以及h的合适取值,可以求解出桨叶设计参数a1,a2,d,db。
这样就可以确定桨叶位置了,在图示坐标系中:
以4800L捏合机为例,取e=10mm,D=1880mm,h=150mm,解方程得唯一一组合适解:a1=911mm,a2=663.25mm,d=901mm,db=405.5mm。则主桨中心坐标为(0,332.1),副桨中心坐标分别为(-455.5,150),(455.5,150)。
三桨叶均竖直安装在混合容器内,其支撑轴位于桨的上部,三桨的轴线均偏离混合容器轴心线一定距离。所有桨由液压马达输入动力,经行星轮系传动使三桨叶在混合容器中作自转和公转运动。桨叶在运转过程中按照一定的传动比(以加工物料和生产工艺定)捏合。副桨与主桨自转转速比值直接决定了两桨叶混合面的截面形状。比值越大,桨叶截面的实体面积越小,由此将会影响桨叶的强度。桨叶传动比大于3∶1或者小于4∶5都不能形成相互捏好的桨叶。故应在允许范围内,根据混合物料要求,保证桨叶强度下选择传动比。
确定了桨叶的传动比、布置参数和直径后可以设计桨叶的轮廓形状。在三桨立式捏合机中,主桨1捏合轮廓轨迹按照双桨捏合机的近心桨设计。副桨2和副桨3捏合处轮廓轨迹按照双桨捏合机的远心桨设计。双桨捏合机桨叶轮廓的设计参考四院四十二所的王正方和翟瑞清在《固体火箭技术》上发表的《立式捏合机搅拌桨的设计》,参见图5。依照捏合原理设计出的捏合桨叶之间末端一点间距始终保持不变,中间的捏合面的间距比两个端点间距大一些,形成一个楔形捏合区域,用较小的间歇提供较大的剪切力。在捏合过程中,主桨与副桨之间只有一面相互捏合,桨的另一面即非捏合面形状可以简化,只要保证桨叶不能与桨叶的运动轨迹相互干涉,最简单的方法是用圆弧端来代替,其圆弧大小和位置的选择保证桨叶不能与桨叶的运动轨迹相互干涉。
副桨自转转速与公转转速比值对应着回转体转动一圈的过程中空心桨转动的圈数。其比值不为整数,且其小数部分的倒数含有无穷小数时,无论运动时间多长,桨叶的运动轨迹都不可能重复,从而有效地避免混合死区。在实际生产过程中,只要达到某一数值(根据加工物料确定)就可以认为桨叶能够达到混合容器的任一位置。以4800L三桨立式捏合机为例,当主桨1的自转角速度与公转速度之比为ω1/ωH=14.8176,即公转一周,主桨1转动14.8176周,比起始点多转294.3360°,因为1/0.8176=1.2231,不是整数,所以主桨1至少公转12231圈才能重复。在混合容器范围内,可以认为主桨1轨迹不重复,即混合容器内无死区。
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