CN1028723C - 卧式双轴搅拌机 - Google Patents

Abstract

一种用于橡胶搅拌和同类作业的卧式双轴搅拌机。该机包括二个并列的混合室和在两混合室内转轴，这二个混合室通过加料口下方和连桥上方的一个中间区相连接，而在二根转轴上，每一根都装有一个至少具有二个叶翼的桨叶，所述的转轴相互平行和可转动地设置在所述的混合室中，通过按相对方向转动桨叶，即可在这二个混合室之间交换混合室内的混合物。桨叶的截面形状特征是每一叶翼尖部后边的刮削角大于其前边的咬入角。这有利于在每一叶翼后边从混合室内周壁上分离混合物，而且通过加料口下方和连桥上方的中间区还可有效地交换桨叶之间的混合物。

Description

本发明与用于橡胶搅拌作业的卧式双轴搅拌机有关，特别是与叶轮横截面有特点的卧式双轴搅拌机有关。

通常，转筒混合机（密闭式混合机）或卧式双轴闭式搅拌机用于橡胶搅拌和混合物添加，这二类机器都装有旋转桨叶，其截面形状类似于凸透镜或带角的圆形。

上述典型闭式混合机搅拌橡胶的效果已经得到认可。但迄今为止，尚不清楚每种桨叶的截面形状和尺寸，以及截面形状因素（例如，尖部间隙，刃部宽度，叶尖前边的咬入角，即桨叶和混合室周壁之间的前角）对其搅拌效果的影响。

此外，至今还很少有人研究不同桨叶截面形状对加料口下方和连桥上方中间区内橡胶混合特性的变化的影响。整个搅拌机的三维混合特性已被研究过，而搅拌机中某一截面上的二维混合特性至今尚未被研究。这是因为加料口下方和连桥上方之间中间区内橡胶的混合特性会在桨叶每转中发生变化，并且这些特性也极为复杂。这是因为桨叶虽然具有相同的形状，但沿轴向桨叶成形为螺旋形，而且密闭式混合机中二个桨叶以大约1∶1.2的速比转动，因此会引起相位 差随着转动而变化。

在由密闭式混合机所代表的常规卧式双轴闭式搅拌机中，桨叶每转动一周，桨叶具有如图10所示的相位差，而且在桨叶之间混合物交换次数少。另外，就具有图12所示截面形状桨叶而言，其叶尖后边的刮削角，即桨叶与混合室内周壁之间的后角较小。在桨叶尖部后边在桨叶与混合室内壁之间空间较窄，因而，混合物转移或混合空间也就较小。因此，尽管在叶尖后边能产生有利于混合物分离的较大负压，但实际上却不容易将混合室内周壁附着混合物从内壁上分离下来，故混合效率极低。这就不可避免地导致常规搅拌机混合率低下和性能不适。

在具有类似透镜截面形状的桨叶的卧式双轴搅拌机中，桨叶每转一周就会产生如图10所示的相位差，桨叶间混合物交换的次数也少。另外，如图11所示，每个桨叶的后边缘都呈凸形，叶尖后边的刮削角较大，在混合室内，在叶尖后边，桨叶与混合室内周壁之间的空间较宽。所以，在桨叶后边所产生的负压较小，混合物转移或混合空间虽不会像用带角圆截面桨叶的情况下那么小，但也不是足够大。故混合效率也极低。这样就不可避免地会导致这类搅拌机混合率低下和性能不适。

考虑到混合作业涉及到高粘性物质的刮削，本发明的发明人通过测量一个容器内壁的正应力分布，获得了在刮削高粘性流体时，刮削刀尖前后边所产生的压力分布情况，测量结果如图8所示。图8表 明在刮削刀尖前边产生正压（正的正应力），而后边则产生负压（负的正应力）。刮削刀尖后边的刮削角δ越小，则所产生的负压就越大。刮削刀的能耗主要受其刀尖后边刮削角δ的影响。刮削角δ为45°时，其能耗达到最小值。根据上述情况，本发明人产生了如图9所示的推测：即混合室内周壁处的压力会极大地影响能耗和混合效率，该压力随叶尖前边咬入角γ和其后边刮削角δ变化而变化。咬入角γ减小时，正压力增加;而刮削角δ减小时，负压力变大。另外，本发明人还考虑到由于叶尖前边和后边之间存在着较大的压差，当叶尖转至加料口下方和连桥上方区域时，随着二个桨叶的叶尖之间位置关系（相位差）的改变，该区域内的压力会产生相当大的变化。由此，为了改进桨叶，本发明人研究了在二叶轮以等速沿相对方向旋转，以维持二桨叶叶尖之间的位置关系为一定状态时，桨叶横截面形状对橡胶搅拌的影响。

本发明已经成功地解决了上述问题。本发明的目的是提供一种新的卧式双轴搅拌机，该搅拌机每一桨叶的叶尖后边的混合物分离与混合很好，而且，通过两桨叶的下方和连桥上方之间的中间区能够使二桨叶间的混合物得到有效地交换。

按照本发明，提供了一种卧式双轴搅拌机，包括二个并列的混合室和在两混合室中设置的转轴，上述二个混合室通过加料口下方和连桥上方的中间区相连接，而在上述两根转轴上都装有一个至少具有二个叶翼的桨叶，二转轴互相平行布置和转动地设置在混合室内。 通过沿相对方向转动的桨叶，即可在混合室之间交换混合室内的混合物。本搅拌机的特征在于每个叶翼尖部后边的刮削角δ大于其前边的咬入角γ。采用上述结构形式，即可实现前述本发明的目的。

图1A、1B、1C和1D是各种桨叶的截面视图;

图2和图3分别是一个卧式双轴搅拌机的一种二维模型混合机的垂直截面视图和平面视图，图中示出了混合室内周壁上的压力测量位置;

图4和图5是上述模型混合机的立面前视图和水平截面视图，示出了混合室内侧壁上的压力测量位置;

图6A、6B、6C和6D分别是使用每一种桨叶时混合室内侧壁上的压力变化曲线，实线表示加料口下方左边位置的压力变化;点画线表示加料口下方右边位置的压力变化;链线表示连桥左边位置的压力变化;

图7A、7B、7C和7D分别是使用每一种桨叶时，混合室内周壁处的压力变化曲线;

图8是刮削高粘性物质混合作业时刮削刀的刮削条件，另外，还用一曲线表明了刮削刀尖前边和后边所产生压力的分布情况;

图9示出了桨叶尖前边的咬入角γ和后边的刮削角δ;

图10是桨叶相位差的简图，该相位差能使混合物在桨叶间进行交换;

图11和图12都是常规桨叶的截面视图。

下面参照图1～5来说明本发明的实施例。

图1A、1B、1C和1D是具有不同形状的桨叶的截面视图，每一种桨叶均安装在转轴1上。

图1A所示桨叶包括一个从转动轴心O点沿相对方向外延伸的主体，使桨叶形状相对于转动轴心O点对称，桨叶直径为92mm，厚度为19.5mm。另外，桨叶1A每一叶翼的前边缘用一拱形部分2过渡到叶翼的尖部，而叶翼的后边缘用一直线部分3过渡到叶翼的尖部。叶翼尖部后边的刮削角δ（即叶翼和混合室壁之间的后角）大于叶翼尖部前边的咬入角γ（即叶翼和混合室壁之间的前角）（例如，δ＝64°，γ＝40°）。叶翼刃部4平行于混合室的内周壁，叶翼刃部一个宽3mm，另一个为4mm。

图1B所示桨叶包括一个从转动轴心O点向相对方向外延伸的主体，使桨叶形状相对于轴心O点对称，桨叶直径为96mm，厚度为19.5mm。另外，桨叶1B每一叶翼的前边缘用一拱形部分2过渡到叶翼尖部，后边缘用一直线部分3过渡到叶翼尖部。叶翼尖部后边的刮削角δ大于其前边的咬入角γ（例如，δ＝63°，γ＝38°）。叶翼刃部4平行于混合室的内周壁，其叶翼刃部一个宽3mm，另一个宽4mm。

图1C所示桨叶是一个从转动轴心O点沿相对方向外延伸的主体，桨叶形状相对于轴心O点对称，桨叶直径为96mm，厚19.5mm。另外，桨叶1C每一叶翼的前边缘用一拱形部分2过渡到叶翼尖部，而叶翼的后边缘用一凹形部分5过渡到叶翼尖部。叶翼尖 部后边的刮削角δ大于其前边的咬入角γ（例如，δ＝90°，γ＝35°）。叶翼刃部平行于混合室的内周壁，其刃部宽度一个为3mm，另一个为4mm。

图1D所示桨叶1D是一个从转动轴心O点沿相对方向外延伸的主体，使桨叶形状相对于轴心O点对称，桨叶直径为96mm，厚度为19.5mm。另外，桨叶1D每一叶翼的前边缘用一拱形部分2过渡到叶翼尖部，而其叶翼后边缘在叶尖和凹部5之间插入了一个直线部分6（大约长20～25mm）。叶尖后边的刮削角δ大于其前边的咬入角γ（例如，δ＝45°，γ＝35°）。叶翼刃部平行于混合室的内周壁，其刃部宽度一个为3mm，另一个为4mm。

在上述每一种桨叶结构中，叶翼尖部前边的咬入角都在30°～40°之间，目的是要在每一叶翼前边的镰形区内形成搅拌橡胶并把橡胶送到加料口下方所需的负压。

叶翼尖部后边的刮削角γ都在45°～90°之间，目的是要在即使所产生负压值变化的条件下，从混合室的内周壁上把橡胶分离下来。

在每一叶翼的后边缘，与常规技术采用拱形过渡不同，本发明采用直线3或凹形5，或凹形5和直线6相结合的过渡，这是因为如此增大了每一叶翼后边的空间，可促使把橡胶传递到一个叶翼后边的空间，此时，另一叶翼就从加料口下方的区域转至连桥上方的区域。

另外，由于桨叶包括一从旋转轴心O点沿相对方向外延的主体，又相对于轴心O点对称，结果至使桨叶每转一周橡胶在桨叶之 间交换增加到二次。

图2和图3示出了卧式双轴搅拌机的一个二维模型混合机和混合室内周壁上的一个压力测量点。而图4和图5示出了同一模型混合室内侧壁上的压力测量点。

在上述混合机中，二个混合室7并列布置，各混合室的内径100mm，宽为19.7mm，这二个混合室7通过加料口下方和连桥上方的中间区8来连接。装有桨叶1A（1B、1C、1D）的转轴1互相平行地设置在二个混合室内。二桨叶装配成有90°的相位差，沿相对方向转动，至使在混合室7之间可进行橡胶交换。

在一个混合室7的内周壁，如图示的位置处安装一个压力传感器9，用于从侧表面测量共联的桨叶每一叶翼前后边之间的压力变化。另外，在由透明板做成的前侧壁上，按图示的三个位置安装压力传感器10，用于测量加料口下方和连桥上方的中间区8中的压力变化。

将混合机桨叶转速定为10.6rpm，橡胶充填因子为0.6，当橡胶中加入示踪剂后，即可通过透明板来观察和研究桨叶的混合特性。

图6A、6B、6C和6D分别表示使用1A、1B、1C和1D桨叶时，混合室7的侧壁处的压力变化。图中实线、点画线、链线分别表示加料口下方左边位置，加料口下方右边位置和连桥左边位置的压力变化。纵坐标表示压力（Mpa），横坐标表示时间（秒）。

图7A、7B、7C和7D分别表示使用1A、1B、1C和1D桨叶时， 混合室内周壁处的压力变化。纵坐标表示压力（Mpa），横坐标表示时间（秒）。

由图7A、7B、7C和7D容易看出：这四种桨叶中任一种都有利于从混合室7的内周壁上把橡胶分离下来，并且它们的压力变化的曲线是相似的。

在上述实验中，在混合室7内周壁上的橡胶温度大约是32°～46°，在连桥上方的橡胶温度最高。

根据上述实验结果，可有如下结论。

虽然桨叶1A和1B的形状基本上相同，但叶翼尖部与混合室7内周壁之间的间隙则存在差别，桨叶1A的间隙为4mm，大于桨叶1B的间隙。因此，如图6A所示，采用桨叶1A时，加料口下方左右边的压力差，即加料口下方的压力梯度要小于桨叶轮1B的情况。因而，橡胶的交换小于用桨叶1B的情况，所以，采用桨叶1A，橡胶可混合好，但混合过程稍慢。

在采用桨叶1B的情况下，其叶翼尖部间隙为2mm，小于桨叶1A的间隙。因而，如图6B所示，加料口下方的压力梯度要大于桨叶1A的情况。这迫使桨叶每转一周，左桨叶每一翼前边区域的橡胶二次强制传递至右桨叶每一翼后边缘（直线部分3）附近的空间，例如，在角度为180°和360°时分别传递一次。由此看出，示踪橡胶的侧向移动或位移大于桨叶1A的情况，而且在桨叶1B每一翼后边缘（直线部分3）附近形成一个直线形空间。使用桨叶1B相对桨叶1A，橡 胶可混合得更好，更快。

桨叶1C与桨叶1B的间隙相同，为了达到相对桨叶1B增加橡胶交换量的目的，桨叶1C在每一叶翼的后边缘采用了凹形过渡。已经证实，采用桨叶1C，示踪橡胶的侧向移动或位移的确较大，移动量亦较大。此外，当相位角为180°时，示踪橡胶被迫向前进入桨叶每一翼后边缘（凹形部分5）和连桥间的区域，当相位角为270°时，示踪橡胶的一部分进入左边的混合室。因此，可以断定相对于桨叶1B和将要说明的桨叶1D，桨叶1C更有利于橡胶的交换。每一混合室中，橡胶在桨叶每一翼后边混合室内周壁上的附着长度大约为10mm。此后，橡胶就从后边周壁上分离下来，并接近叶翼后边缘的凹形部分5，然后从中间断开并与另一叶翼前边镰形区内的橡胶相混合。因此，采用1C这样的桨叶，橡胶可以混合得相当好，并且混合效率也高。

桨叶1D具有桨叶1B和1C二者所具有的特征。为了促使混合室内周壁上附着的橡胶分离，将叶翼尖部后边的刮削角定为45°，这样即可增加叶翼后面所产生的负压。与桨叶1B和1C相比，桨叶1D在加料口下方和连桥上方区域8中的空间较小。橡胶交换较好，而且在区域8中示踪橡胶的状态与用桨叶1C时的状态相似。

在相位角为180°和360°时，由于桨叶1C每一叶翼后边缘的直线部分6较长以及凹形部分5较小，因此，相对于桨叶1A，1B和1C，其另一叶翼前边缘的作用就较小。这可由图6D所示的事实来认证，图6D表明，与图1A、1B、1C桨叶相比，用1D桨叶时，当加料 口下方左边压力高时，连桥左边的压力较低。

另外，每一混合室7内周壁上的橡胶仍会从桨叶轮各翼后边沿平行于翼面的方向分离下来，这些橡胶接着就被断开，并与另一叶翼前边镰形区中的橡胶相混合。因而，橡胶可以得到相当好的混合，而且混合率也是高的。

如上所述，进一步证实了橡胶混合的优劣取决于加料口下方和连桥上方之间区域8中，二桨叶之间的橡胶交换。

根据本发明，已经开发了一些新的叶翼形状，这些叶翼形状能使橡胶得到更好的混合。采用这样的叶翼形状，在每一叶翼尖部前边正压力区（镰形区）中的橡胶被混合室7中的一个桨叶强迫输送至加料口下方和连桥上方的区域8中，然后，利用区域8中的压力梯度，使这些橡胶进一步向前进入另一混合室中桨叶每一翼尖部后边的转移或混合空间。从而致使桨叶每转一周，都会有一部分橡胶从一个混合室转移到另一混合室。

当比较桨叶1C和1D时，就从混合室内周壁分离橡胶而言，桨叶1D比较好，但就利用转移空间交换橡胶而言，却是桨叶1C较好。考虑到上述情况，因此可以建议将桨叶1D每一翼后边缘直线部分6的长度从大约20～25mm的范围缩短到10mm，而将凹形部分5增长，并将叶翼尖部后边的刮削角δ从45°～90°的范围减至30°～45°的范围，从而使修改后桨叶1D的叶翼形状尽可能地相似于桨叶轮1C的形状。在此条件下，还同样保持叶翼尖部后边的刮削角δ大于 其前边的咬入角γ。

在桨叶截面形状的诸因素中，至此仍不清楚间隙的刃宽对桨叶搅拌效果的影响。但从混合室7内周壁压力测量结果（见图7）可以看出，压力并不太依赖于间隙。因为桨叶1A的间隙虽为4mm，而桨叶1B、1C和1D的间隙都为2mm，但在压力峰值上却并不存在大的差别。另一方面，在桨叶轮1A一个刃宽为3mm，另一刃宽为4mm的情况下，刃宽较宽的叶翼所产生的压力就较大。此外，还注意到在图11所示类似透镜截面形状的常规桨叶间隙为3mm，刃宽为6mm的情况下，其内周壁上的压力峰值为5Mpa，这大约是桨叶1A、1B、1C、1D对应峰值的二倍，因此，可以说刃宽会增大正压力区（镰形区）的压力。另外，在桨叶1C的情况下，尽管桨叶1C的间隙和桨叶1D、1B的间隙相同，但其周壁上的压力峰值却稍高于桨叶1B、1D所对应的峰值，可以说这是因桨叶1C的刃部不同于桨叶1B、1D刃部的原因所致。这些刃部的不同之处在于其刃部与混合室内周壁不严格平行，还在于其刃部是倾斜的，且叶翼尖部前边稍微抬高。因此，可以认为：当叶翼尖部后边稍微抬高，每一刃部4产生倾斜时，即可增大负压，从而改善混合室内周壁附着的橡胶的分离。

如上所述，依照本发明，桨叶每一叶翼尖部后边的刮削角δ都大于其前边的咬入角γ。所以，在叶翼的后边必定会形成混合物转移或混合的空间。除此以外，每一翼尖前边正压力区中的混合物可以被一个混合室中的桨叶强行输送到加料口下方和连桥上方的区域内，然 后，利用该区域中的压力梯度，这些混合物还可进一步送入另一混合室桨叶每一翼尖部后边的上述空间（零压区，或负压区），这样即可使桨叶每转一周，二个混合室桨叶之间的混合物都得到交换。当装有上述截面形状的桨叶的转轴沿轴向成形为螺旋形时，它们就足可以用于实用装置，实用中效果也会很好。

Claims (4)

1、一种卧式双轴搅拌机，包括二个并列的混合室和在两混合室中设置的转轴，上述二个混合室通过加料口下方和连桥上方的一个中间区相连接，而在上述二根转轴上都分别装有一个至少具有二个叶翼的桨叶，所述的转轴相互平行和可转动地设置在所述的两混合室中，使得通过所说的按相对方向转动的桨叶，即可在所说的混合室之间交换混合室内的混合物，其特征在于，每一叶翼尖部后边的刮削角大于其前边的咬入角。

2、按照权利要求1中所述的卧式双轴搅拌机，其特征在于，所说桨叶的每一叶翼后边缘有一个凹形部分。

3、按照权利要求2中所述的卧式双轴搅拌机，其特征在于，所说桨叶的每一叶翼后边缘有一个直线部分，插入在所说凹形部分和叶翼尖部之间。

4、按照权利要求1或2或3中所述的卧式双轴搅拌机，其特征在于，每个所说桨叶的形状都是相对于转轴对称的。

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