CN112808055A - 一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构 - Google Patents

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孔令峰
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熊黠
孙伟
杨林荣
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    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
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    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers

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Abstract

发明提供一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构。该连接结构的搅拌轴上设置有上下两层刚性搅拌桨。通过在刚性桨叶与实心金属垫片之间的间隙设置弹簧，缓解搅拌桨运行过程中柔性绳与桨叶连接处的应力集中，提高钢丝绳的使用寿命。同时，弹簧的设置使得搅拌过程中钢丝桨的扫掠面积无规律随机变化，破坏了流场中存在的混沌隔离区，强化了流体的混沌混合，提高了流体的混合效率。

Description

一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构
技术领域
本发明涉及过程强化搅拌桨技术领域，特别涉及一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构。
背景技术
机械搅拌反应器广泛应用于化工、石化、轻工、医药、冶金、水处理等行业中。传统的搅拌桨对于离搅拌桨叶较远的浆料往往不能搅拌均匀，刚柔搅拌桨的柔性绳可以在搅拌的过程中不停的“横扫”性抖动，使搅拌能量传递的更远，可以有效的提高搅拌效率。
然而，刚柔搅拌桨的柔性绳在搅拌过程中，由于电机与浆料的共同作用，使得柔性绳与刚性桨叶的连接处应力集中，容易发生断裂，影响刚柔搅拌桨的使用寿命。
因此，有必要研发一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，包括伸入搅拌槽中的搅拌轴，以及上层刚性搅拌桨、下层刚性搅拌桨、若干柔性绳、若干实心金属垫片、若干空心金属垫片和若干弹簧。
所述搅拌轴为竖直布置的圆柱体结构。所述搅拌轴的上端与电机的输出端传动连接。所述上层刚性搅拌桨和下层刚性搅拌桨自上而下固定于搅拌轴的柱身上。
所述上层刚性搅拌桨包括上连接套筒和若干第一刚性桨叶。所述上连接套筒套设在搅拌轴的柱身上。所述第一刚性桨叶连接在上连接套筒的外壁上。所述第一刚性桨叶远离上连接套筒的一端记为a端。所述第一刚性桨叶呈环形间隔均匀布置在上连接套筒的周围。
所述下层刚性搅拌桨包括下连接套筒和若干第二刚性桨叶。所述下连接套筒套设在搅拌轴的柱身上。所述第二刚性桨叶连接在下连接套筒的外壁上。所述第二刚性桨叶远离下连接套筒的一端记为a′端。所述第二刚性桨叶呈环形间隔均匀布置在下连接套筒的周围。所述第二刚性桨叶的数量与第一刚性桨叶的数量相同。所述第一刚性桨叶与对应第二刚性桨叶在水平面上的投影重叠。
所述空心金属垫片贴敷在第二刚性桨叶a′端的下表面。所述空心金属垫片上设置有供柔性绳穿过的圆孔。所述圆孔的直径大于柔性绳的外径。
所述柔性绳的绳头固定在第一刚性桨叶a端的下表面。所述柔性绳的绳尾穿过对应的第二刚性桨叶的a′端和空心金属垫片后，与实心金属垫片固定连接。所述弹簧套设在柔性绳绳尾段的外围。所述弹簧的内径大于柔性绳的外径。所述弹簧的弹簧头圈盘顶抵在空心金属垫片上，弹簧尾圈盘顶抵在实心金属垫片上。
进一步，所述第一刚性桨叶和第二刚性桨叶均倾斜布置。所述第一刚性桨叶与搅拌溶液的作用面为上表面。所述第二刚性桨叶与搅拌溶液的作用面为下表面。
进一步，所述弹簧的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
进一步，所述实心金属垫片和空心金属垫片的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
进一步，所述柔性绳的材质为904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
进一步，所述弹簧自然状态的轴向长度为L1。所述上层刚性搅拌桨与下层刚性搅拌桨之间的距离为S。其中，L1＝(1.1～1.4)×S÷9。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.通过在刚性桨叶与实心金属垫片之间的间隙设置弹簧，减轻搅拌桨运行过程中柔性绳下端收到的力，提高钢丝绳的使用寿命，减少搅拌反应釜开停车次数；
B.通过弹簧的“充能”特性，使得搅拌过程中钢丝桨的扫掠面积无规律随机变化，有效的破坏了流场中存在的混沌隔离区，强化了流体的混沌混合，提高了流体的混合效率；
C.对现有刚柔桨改造轻微、改造成本低、附加值高，有利于工业化应用。
附图说明
图1为刚柔组合桨的搅拌装置示意图；
图2为刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的连接结构示意图。
图中：电机1、搅拌轴2、第一刚性桨叶3、第二刚性桨叶30、柔性绳4、实心金属垫5、空心金属垫片6、弹簧7、第一连接套筒8、第二连接套筒80、搅拌槽9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例提供一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，包括伸入搅拌槽10中的搅拌轴2，以及上层刚性搅拌桨、下层刚性搅拌桨、多根柔性绳4、多个实心金属垫片5、多个空心金属垫片6和多个弹簧7。
所述搅拌轴2为竖直布置的圆柱体结构。所述搅拌轴2的上端与电机1的输出端传动连接。所述上层刚性搅拌桨和下层刚性搅拌桨自上而下固定于搅拌轴2的柱身上。
所述上层刚性搅拌桨包括上连接套筒9和多个第一刚性桨叶8。所述上连接套筒9套设在搅拌轴2的柱身上。所述第一刚性桨叶8连接在上连接套筒9的外壁上。所述第一刚性桨叶8远离上连接套筒9的一端记为a端。所述第一刚性桨叶8呈环形间隔均匀布置在上连接套筒9的周围。
所述下层刚性搅拌桨包括下连接套筒90和多个第二刚性桨叶80。所述下连接套筒90套设在搅拌轴2的柱身上。所述第二刚性桨叶80连接在下连接套筒90的外壁上。所述第二刚性桨叶80远离下连接套筒90的一端记为a′端。所述第二刚性桨叶80呈环形间隔均匀布置在下连接套筒90的周围。所述第二刚性桨叶80的数量与第一刚性桨叶8的数量相同。所述第一刚性桨叶8与对应第二刚性桨叶80在水平面上的投影重叠。
所述空心金属垫片6贴敷在第二刚性桨叶80a′端的下表面。所述空心金属垫片6上设置有供柔性绳4穿过的圆孔。所述圆孔的直径大于柔性绳4的外径。
所述柔性绳4的绳头固定在第一刚性桨叶8a端的下表面。所述柔性绳4的绳尾穿过对应的第二刚性桨叶80的a′端和空心金属垫片6后，与实心金属垫片5固定连接。所述弹簧7套设在柔性绳4绳尾段的外围。所述弹簧7的内径大于柔性绳4的外径。所述弹簧7的弹簧头圈盘顶抵在空心金属垫片6上，弹簧尾圈盘顶抵在实心金属垫片5上。
工作时，所述电机1带动搅拌轴轴转，刚性搅拌桨3在搅拌槽10中运动。
在实际生产中，所述弹簧7的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。所述实心金属垫片5和空心金属垫片6的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。所述柔性绳4的材质为904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述第一刚性桨叶8和第二刚性桨叶80均倾斜布置。所述第一刚性桨叶8与搅拌溶液的作用面为上表面。所述第二刚性桨叶80与搅拌溶液的作用面为下表面。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例1，其中，当所述弹簧7的长度过长，增加了不必要的功耗；当所述弹簧7的长度过短，柔性绳在搅拌系统中的随机振动受到限制，抑制了搅拌系统内的混沌程度。在本实施例中，所述弹簧7自然状态的轴向长度为L1。所述上层刚性搅拌桨与下层刚性搅拌桨之间的距离为S。其中，L1＝(1.1～1.4)×S÷9。
实施例4：
参见图1和图2，本实施例提供一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，包括伸入搅拌槽10中的搅拌轴2，以及上层刚性搅拌桨、下层刚性搅拌桨、3根柔性绳4、3个实心金属垫片5、3个空心金属垫片6和3个弹簧7。
所述搅拌轴2为竖直布置的圆柱体结构。所述搅拌轴2的上端与电机1的输出端传动连接。所述上层刚性搅拌桨和下层刚性搅拌桨自上而下固定于搅拌轴2的柱身上。
所述上层刚性搅拌桨包括上连接套筒9和多个第一刚性桨叶8。所述上连接套筒9套设在搅拌轴2的柱身上。所述第一刚性桨叶8连接在上连接套筒9的外壁上。所述第一刚性桨叶8远离上连接套筒9的一端记为a端。所述第一刚性桨叶8呈环形间隔均匀布置在上连接套筒9的周围。
所述下层刚性搅拌桨包括下连接套筒90和多个第二刚性桨叶80。所述下连接套筒90套设在搅拌轴2的柱身上。所述第二刚性桨叶80连接在下连接套筒90的外壁上。所述第二刚性桨叶80远离下连接套筒90的一端记为a′端。所述第二刚性桨叶80呈环形间隔均匀布置在下连接套筒90的周围。所述第二刚性桨叶80的数量与第一刚性桨叶8的数量相同。所述第一刚性桨叶8与对应第二刚性桨叶80在水平面上的投影重叠。
所述空心金属垫片6贴敷在第二刚性桨叶80a′端的下表面。所述空心金属垫片6上设置有供柔性绳4穿过的圆孔。所述圆孔的直径大于柔性绳4的外径。
所述柔性绳4的绳头固定在第一刚性桨叶8a端的下表面。所述柔性绳4的绳尾穿过对应的第二刚性桨叶80的a′端和空心金属垫片6后，与实心金属垫片5固定连接。所述弹簧7套设在柔性绳4绳尾段的外围。所述弹簧7的内径大于柔性绳4的外径。所述弹簧7的弹簧头圈盘顶抵在空心金属垫片6上，弹簧尾圈盘顶抵在实心金属垫片5上。
所述柔性绳4的外径为1.5mm(为方便进行连接方式结构寿命评测取得较小)。所述刚性搅拌桨的旋转半径为0.5D，空心金属垫片孔洞直径为3mm，外径为6mm。所述实心金属垫片的直径为6mm。所述弹簧7的直径为d，d＝(1/20～1/15)×D。所述弹簧7的线径尺寸为0.6mm～1.0mm。弹簧7的线圈间距为1.0mm～3.0mm，弹簧7的自然状态的轴向长度为L1。所述上层刚性搅拌桨与下层刚性搅拌桨之间的距离为S，L1＝(1.1～1.4)×S÷9。所述弹簧7的旋转直径为D，弹簧7的直径为d，d＝(1/20～1/15)×D。所述弹簧7的线径尺寸为0.6mm～1.0mm。弹簧7的线圈间距为1.0mm～3.0mm。
在受到相同的压力的作用下，所述弹簧7越容易发生型变，弹簧的回弹力度就越小。回弹力度过大或过小，均不利于缓解连接处的应力集中。需选取适宜的范围。弹簧的回弹力度或弹簧型变的难易同时受弹簧直径、线径、线圈间距作用，弹簧直径、线径越大及线圈间距越小，回弹程度越大。所述弹簧7的直径d＝(1/20～1/15)×D、线径尺寸为0.6mm～1.0mm、线圈间距为1.0mm～3.0mm，弹簧7可以达到较好的回弹力度，当所述弹簧7的长度过长，增加了不必要的功耗。当所述弹簧7的长度过短，柔性绳在搅拌系统中的随机振动受到限制，抑制了搅拌系统内的混沌程度。
对本实施例进行使用寿命测试：
所述搅拌轴2由电机1驱动。所述搅拌槽10为圆筒型搅拌槽，槽径为0.2m，槽高为0.3m。所述搅拌槽10中加入质量分数为0.8％的CMC-羧甲基纤维素钠溶液，CMC溶液液面高度为0.25m。
将搅拌槽转速控制到600rpm：通过观测柔性绳断裂的时间，以此表征本实施例的性能。实验结果见表1。
表1使用寿命对比实验
Figure BDA0002878326250000061
从表1实验结果可以看出，在相同搅拌转速与相同搅拌溶液体系中，本发明公开的一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接方式结构与传统连接方式结构相比，搅拌桨的使用寿命有比较大的提升。
对本实施例中的搅拌体系进行混沌性能测试：
所述搅拌轴2由电机1驱动，搅拌槽10为圆筒型搅拌槽，槽径为0.20m，槽高为0.30m。搅拌槽10中加入连续相水溶液，水溶液液面高度为0.25m。
将搅拌转速控制到60rpm。通过数据采集卡收集搅拌槽10内壁的压力脉动信号，导入Matlab计算其李雅普诺夫指数，以此表征搅拌桨的混沌性能。实验结果见表2。
表2混沌性能对比实验
Figure BDA0002878326250000062
从表2实验结果可以看出，在相同搅拌转速与相同搅拌溶液体系中，本实施例与传统刚柔搅拌桨结构相比，混沌参数LLE增大了6.4％，表明本实施例增大了体系的混沌程度，提高了混合效果。

Claims (6)

1.一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，其特征在于：包括伸入搅拌槽(9)中的搅拌轴(2)，以及上层刚性搅拌桨、下层刚性搅拌桨、若干柔性绳(4)、若干实心金属垫片(5)、若干空心金属垫片(6)和若干弹簧(7)；
所述搅拌轴(2)为竖直布置的圆柱体结构；所述搅拌轴(2)的上端与电机(1)的输出端传动连接；所述上层刚性搅拌桨和下层刚性搅拌桨自上而下固定于搅拌轴(2)的柱身上；
所述上层刚性搅拌桨包括上连接套筒(8)和若干第一刚性桨叶(3)；所述上连接套筒(8)套设在搅拌轴(2)的柱身上；所述第一刚性桨叶(3)连接在上连接套筒(8)的外壁上；所述第一刚性桨叶(3)远离上连接套筒(8)的一端记为a端；所述第一刚性桨叶(3)呈环形间隔均匀布置在上连接套筒(8)的周围；
所述下层刚性搅拌桨包括下连接套筒(80)和若干第二刚性桨叶(30)；所述下连接套筒(80)套设在搅拌轴(2)的柱身上；所述第二刚性桨叶(30)连接在下连接套筒(80)的外壁上；所述第二刚性桨叶(30)远离下连接套筒(80)的一端记为a′端；所述第二刚性桨叶(30)呈环形间隔均匀布置在下连接套筒(80)的周围；所述第二刚性桨叶(30)的数量与第一刚性桨叶(3)的数量相同；所述第一刚性桨叶(3)与对应第二刚性桨叶(30)在水平面上的投影重叠；
所述空心金属垫片(6)贴敷在第二刚性桨叶(30)a′端的下表面；所述空心金属垫片(6)上设置有供柔性绳(4)穿过的圆孔；所述圆孔的直径大于柔性绳(4)的外径；
所述柔性绳(4)的绳头固定在第一刚性桨叶(3)a端的下表面；所述柔性绳(4)的绳尾穿过对应的第二刚性桨叶(30)的a′端和空心金属垫片(6)后，与实心金属垫片(5)固定连接；所述弹簧(7)套设在柔性绳(4)绳尾段的外围；所述弹簧(7)的内径大于柔性绳(4)的外径；所述弹簧(7)的弹簧头圈盘顶抵在空心金属垫片(6)上，弹簧尾圈盘顶抵在实心金属垫片(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，其特征在于：所述第一刚性桨叶(3)和第二刚性桨叶(30)均倾斜布置；所述第一刚性桨叶(3)与搅拌溶液的作用面为上表面；所述第二刚性桨叶(30)与搅拌溶液的作用面为下表面。
3.根据权利要求1所述的一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，其特征在于：所述弹簧(7)的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，其特征在于：所述实心金属垫片(5)和空心金属垫片(6)的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，其特征在于：所述柔性绳(4)的材料选用904L钢材、304不锈钢、316不锈钢或2205双相不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种刚柔组合桨柔性绳与桨叶间的新型连接结构，其特征在于：所述弹簧(7)自然状态的轴向长度为L1；所述上层刚性搅拌桨与下层刚性搅拌桨之间的距离为S；其中，L1＝(1.1～1.4)×S÷9。
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