CN117507309A - 一种连通式挤出螺杆及挤出机 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种连通式挤出螺杆及挤出机，螺杆包括杆体、螺楞和分形连通结构，分形连通结构贯穿于螺楞之间；分形连通结构由外部的分形壁和内部的连通道形成中空杆状；分形连通结构是根据分形理论自相似原则和迭代生成原则和利用科赫曲线原理进行递归而形成的结构，通过分形连通结构提供强剪切强化熔融以及分散过程，并使同一螺槽、前后螺槽和相间螺槽间能够实现精准分流，进而提升物料的分布混合能力；避免了传统螺杆因只能通过螺楞开槽形式来使相邻螺槽物料的相互交汇，而带来的相间螺槽之间缺乏物料的相互交汇所导致的未熔融物料聚集且易发生分散相的团聚的问题。
Description
技术领域
本申请实施例涉及一种连通式挤出螺杆及挤出机。
背景技术
挤出成型设备是用于将两相或者多相混合均匀的设备。螺杆是挤出成型装备中的关键零部件，影响挤出产品的性能。传统挤出装备通常有单螺杆、双螺杆以及多螺杆挤出机，而双螺杆以及多螺杆又分为全啮合、部分啮合以及非啮合型，其中单螺杆、部分啮合型以及非啮合型的双螺杆及多螺杆以摩擦输送为主。传统单螺杆结构简单、加工成本低及生产效率高，但混合能力较弱，为增强其混合性能，通常通过增加销钉结构、增加副螺楞以及螺楞开槽等方式，从而打散螺槽中的固体床，使得未熔融的玻璃态与熔体充分接触，增加熔融效率；改变物料的流动路径，从而促进分布混合能力；但螺杆的摩擦输送使得前后螺槽内物料相对独立，无法从根本上解决分散相的团聚问题，难以提高物料的分布混合能力。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请的目的在于至少一定程度上解决相关技术中存在的技术问题之一，本申请实施例提供了一种连通式挤出螺杆及挤出机，通过分形连通结构提供强剪切强化熔融以及分散过程。
本申请的第一方面的实施例，一种连通式挤出螺杆，包括：杆体、螺楞和分形连通结构，所述螺楞围绕所述杆体设置并形成螺旋状，所述分形连通结构贯穿于所述螺楞之间；所述分形连通结构由外部的分形壁和内部的连通道形成中空杆状；所述分形壁的横向截面的外边沿和所述连通道的横向截面的外边沿如下：由第一线段、多条第二线段和多条第三线段组成，多条第二线段和多条第三线段构成科赫曲线，所述第一线段与科赫曲线相连，多条第二线段形成多个向外突出的正多边形，多条第三线段形成向内凹陷的形状，相邻的四条第二线段形成首尾的第二线段位于同一直线上且中间的第二线段形成向内的等边三角形的形状，相邻的四条第三线段形成首尾的第三线段位于同一直线上且中间的第三线段形成向内的等边三角形的形状。
根据本申请的第一方面的某些实施例，当所述分形连通结构的长度满足0<L<s+e，所述分形连通结构在前后两螺槽或者相间螺槽连通；当所述分形连通结构的长度满足L>ns+e，所述分形连通结构在前后相隔n个螺槽的两螺槽内连通或者前后相隔n+1个螺槽的两螺槽连通；其中，L为分形连通结构的长度，s为相邻螺楞间的螺距，e为螺楞的宽度。
根据本申请的第一方面的某些实施例，所述分形壁的横向截面的外边沿所包围面积与所述连通道的横向截面的外边沿所包围面积之比的范围为：1:0.5至1:0.8。
根据本申请的第一方面的某些实施例，所述分形连通结构与所述螺楞的连接部分为圆柱状。
根据本申请的第一方面的某些实施例，所述分形壁的最大宽度小于或等于所述分形连通结构的最大宽度。
根据本申请的第一方面的某些实施例，当所述分形连通结构安装于单螺杆或非啮合型双螺杆，分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离满足以下关系： 相邻的分形连通结构的中心的夹角满足以下关系：βk>2arcsin(B1/2lk)；其中，B1<h/k；B1为连通道在宽度方向的最大尺度，k为螺楞上的分形连通结构的层数，lk为分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离，βk为相邻的分形连通结构的中心的夹角，d为螺杆的内径，D为螺杆的外径，h为螺槽深度。
根据本申请的第一方面的某些实施例，所述螺楞上的通孔和多个所述分形连通结构组成扰动结构组，所述扰动结构组中的多个所述分形连通结构错开分布。
根据本申请的第一方面的某些实施例，相邻的扰动结构组绕所述杆体的轴线周向分布。
根据本申请的第一方面的某些实施例，当所述分形连通结构安装于部分啮合型双螺杆，分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离满足以下关系： 相邻的分形连通结构的中心的夹角满足以下关系：βk>2arcsin(B1/2lk)；其中，B1<[C-(D+d)/2]/k，/>B1为连通道在宽度方向的最大尺度，k为螺楞上的分形连通结构的层数，lk为分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离，βk为相邻的分形连通结构的中心的夹角，d为螺杆的内径，D为螺杆的外径，C为部分啮合型双螺杆的中心距。
本申请的第二方面的实施例，一种挤出机，包括机筒和如上所述的连通式挤出螺杆，所述连通式挤出螺杆设置于所述机筒内；所述挤出机包括输送段、熔融段和均化段，分形连通结构位于所述连通式挤出螺杆对应熔融段末端和均化段的位置。
上述方案至少具有以下的有益效果：通过分形连通结构提供强剪切强化熔融以及分散过程，并使同一螺槽、前后螺槽和相间螺槽间能够实现精准分流，进而提升物料的分布混合能力；避免了传统单螺杆、部分啮合型及非啮合型双螺杆因只能通过螺楞开槽形式来使相邻螺槽物料的相互交汇而带来的相间螺槽之间缺乏物料的相互交汇所导致的未熔融物料聚集且易发生分散相的团聚的问题。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是本申请的实施例所提供的挤出机的结构图；
图2是本申请的实施例所提供的连通式挤出螺杆的结构图；
图3是分形连通结构的结构图；
图4是分形连通结构的局部结构图；
图5是分形连通结构的断面图；
图6是安装有分形连通结构的单螺杆的结构图；
图7是安装有分形连通结构的单螺杆的另一方向的结构图；
图8是安装有分形连通结构的单螺杆的物料流向示意图；
图9是安装有分形连通结构的部分啮合型双螺杆的俯视图；
图10是安装有分形连通结构的部分啮合型双螺杆的侧视图；
图11是安装有分形连通结构的部分啮合型双螺杆的立体图；
图12是安装有分形连通结构的部分啮合型双螺杆的物料流向示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。
本申请的实施例，提供了一种挤出机。
参照图1，挤出机，包括机筒和连通式挤出螺杆，连通式挤出螺杆设置于机筒内；机筒设置有进料口1，挤出机包括输送段、熔融段和均化段，分形连通结构位于连通式挤出螺杆对应熔融段末端和均化段的位置。分形连通结构垂直于螺楞2或与螺楞2呈一定的角度。
高分子加工过程中，玻璃态物料从进料口1进入螺槽5后，在机筒内加热以及黏性耗散热的作用下，变成高弹态，再转变为粘流态。
参照图2，对于连通式挤出螺杆，螺杆包括：杆体、螺楞2和分形连通结构，螺楞2围绕杆体设置并形成螺旋状，分形连通结构贯穿于螺楞2之间；分形连通结构由外部的分形壁3和内部的连通道4形成中空杆状。
参照图4和图5，由分形理论自相似原则和迭代生成原则，利用典型理论科赫曲线原理进行递归，可以得到分形壁3的横向截面的外边沿和连通道4的横向截面的外边沿的形状。
分形壁3的横向截面的外边沿和连通道4的横向截面的外边沿如下：由第一线段、多条第二线段和多条第三线段组成，多条第二线段和多条第三线段构成科赫曲线，第一线段与科赫曲线相连，多条第二线段形成多个向外突出的正多边形，多条第三线段形成向内凹陷的形状，相邻的四条第二线段形成首尾的第二线段位于同一直线上且中间的第二线段形成向内的等边三角形的形状，相邻的四条第三线段形成首尾的第三线段位于同一直线上且中间的第三线段形成向内的等边三角形的形状。其中，第一线段的长度为L0，第二线段的长度为L1，第三线段的长度为L2。
给定一基础图形线段，取直线为例，在这条线段中间的三分之一处和三分之二处作为基点向外突出折起，合并形成小等边三角形，形成折起的边线长度大小为原始边线的三分之一，按照这种方法无限进行下去就形成了科赫曲线，同理将一正多边形各个边进行上述折起，不同的是，此实施例中每条边的三分之一处不是进行简单折起，而是由三分之一处和三分之二处分别作为新正多边形的底边两点，向外折起并作小正多边形，经过两次折起递归后，经合理安排舍去部分线段，即可得到分形壁3的横向截面的外边沿和连通道4的横向截面的外边沿的形状。
在该实施例中，通过分形连通结构提供强剪切强化熔融以及分散过程，并使同一螺槽、前后螺槽和相间螺槽间能够实现精准分流，进而提升物料的分布混合能力；避免了传统单螺杆、部分啮合型及非啮合型双螺杆因只能通过螺楞开槽形式来使相邻螺槽物料的相互交汇而带来的相间螺槽之间缺乏物料的相互交汇所导致的未熔融物料聚集且易发生分散相的团聚的问题。
分形壁3的横向截面的外边沿所包围面积与连通道4的横向截面的外边沿所包围面积之比的范围为：1:0.5至1:0.8。
连通道4贯穿整个分形连通结构，连通道4的长度与分形连通结构的长度相同。
参照图3，分形连通结构与螺楞2的连接部分为直径为B的圆柱状；分形连通结构处于螺楞2与螺楞2之间的部分采用分形壁结构。则分形连通结构的分形壁3部分与圆柱状部分的直径是不同的。进一步，分形壁3的最大宽度B2小于或等于分形连通结构的最大宽度B1。
分形连通结构的长度为L，相邻螺楞2间的螺距为s，螺楞2的宽度为e。当L＝0，即不设置分形连通结构，直接在螺楞2上开设圆孔，此时物料流经圆孔时，受到挤出方向压力作用，通过圆孔流至下一螺槽5，实现前后螺槽5物料的汇合。当分形连通结构的长度满足0<L<s+e，当物料流经分形连通结构，因为分形连通结构与流动方向垂直或呈现一定夹角，分形连通结构使得物料的流动方向被改变，增加流动路径的扰动，同时在挤出方向的压力作用下，同样实现前后两螺槽5或者相间螺槽5的连通，且物料在分形结构的影响下，受到强剪切，这有利于提升分散混合能力。当分形连通结构的长度满足L>ns+e，分形连通结构在前后相隔n个螺槽5的两螺槽5内连通或者前后相隔n+1个螺槽5的两螺槽连通，实现物料在前后相隔n个螺槽5的两螺槽5内连通或者前后相隔n+1个螺槽5的两螺槽连通。
参照图6、图7和图8，当分形连通结构安装于单螺杆或非啮合型双螺杆，分形连通结构具有以下特征，分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离满足以下关系： 相邻的分形连通结构的中心的夹角满足以下关系：βk>2arcsin(B1/2lk)；其中，B1<h/k；B1为连通道在宽度方向的最大尺度，k为螺楞2上的分形连通结构的层数，lk为分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离，βk为相邻的分形连通结构的中心的夹角，d为螺杆的内径，D为螺杆的外径，h为螺槽深度。
在单螺杆或者非啮合型双螺杆的螺槽中，物料的输送为摩擦输送。当物料流过螺槽5时，分形壁311、分形壁312、分形壁314、分形壁315、分形壁316垂直于物料的运动方向或于运动方向呈现一定的夹角，在分形壁311的作用下，物料分成两部分，流过下一部分分形壁312、分形壁314，两部分物料部分汇集到一起。物料流体重新分成三部分流经分形壁315、分形壁316的间隙，经历多次分形结构后物料流体不断分离与交汇后混合均匀。未熔融的玻璃态物料在分形壁3的扰动作用下，增加与外加热的机筒内壁面以及熔池的接触面积和频率，从而提升物料的熔融效率，在分形壁3的强剪切作用下提升分散混合效率。分形壁3具有不规则空隙与边界，可提供更多的剪切面以及分流层，干扰并阻止部分尚未完全融合均匀物料的单一流动，促使未完全融合物料的进一步融合，增加物料在螺槽5内流动时的随机性，其扰动作用提高了对物料的混合能力，使物料的混合程度得到进一步的提升，同时分散并推动物料在路径上的不断转移，使物料不断与分形结构的各个表面摩擦，造成物料与物料之间的拉扯、聚合以及物料与分形壁3接触面之间的摩擦生热，进一步提升熔融率。同时，螺槽511中的物料一部分流经连通道411、连通道413、连通道415，输送到相间的螺槽513中，一部分流经螺楞2间的通孔，运动到相邻的螺槽512中，一部分流经连通道412和连通道414，运动到相隔的螺槽514中，从而实现了流体物料在螺槽511、螺槽512、螺槽513和螺槽514中的流通，且在一个螺槽中心部分流向另一螺槽中贴近机筒内壁或者螺杆壁的附近，实现物料在螺槽5内的翻转，从而实现加工流体的均布。
分形连通结构和通孔组成扰动结构组，扰动结构组内的多个分形连通结构均呈周向错开分布，以便于螺槽间物料的分散混合；通孔的位置并不做特殊要求。相邻的扰动结构组之间绕螺杆轴线呈周向分布。为使不同螺槽间物料流通，相邻扰动结构组之间绕螺杆轴线呈90度周向分布，即每一螺槽周向360度范围内安排四组分形连通扰动结构组，同一螺槽内应有大约二十个分形连通结构；为能够起到分形结构对于螺槽内流动物料的扰动作用，结构排列不易过少或者松散，可按实际情况调整分形连通结构的具体数量和分布。
参照图9、图10、图11和图12，当分形连通结构安装于部分啮合型双螺杆，分形连通结构具有以下特征，分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离满足以下关系：相邻的分形连通结构的中心的夹角满足以下关系：βk>2arcsin(B1/2lk)；其中，B1<[C-(D+d)/2]/k，/>B1为连通道在宽度方向的最大尺度，k为螺楞2上的分形连通结构的层数，lk为分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离，βk为相邻的分形连通结构的中心的夹角，d为螺杆的内径，D为螺杆的外径，C为部分啮合型双螺杆的中心距。
在部分啮合型双螺杆的螺槽中，物料的输送为摩擦输送。例如，第一螺杆611和第二螺杆612组成啮合同向的部分啮合型双螺杆结构，第一螺杆611和第二螺杆612的转动周期内，物料多次流经部分啮合型双螺杆的高剪切间隙区，改善了分散混合性能。第一螺杆611和第二螺杆612均设置有分形壁3以及连通道4。物料在第一螺杆611和第二螺杆612的流向相同。分形壁3垂直于物料的运动方向或于运动方向呈现一定的夹角。当物料流过螺槽5，在分形壁3111的作用下，物料被分流，一部分流向下一部分分形壁3121和分形壁3141，一部分物料流向远离分形壁3121和分形壁3141的螺槽部分；流向分形壁3121和分形壁3141的部分物料被重新分为三部分并流向分形壁3151和分形壁3161的间隙，进一步被分流，部分流向下一分形壁3，部分流向远离分形壁3的螺槽部分。随着部分啮合型双螺杆的转动，第一螺杆611和第二螺杆612上的物料会相互交汇，经历多次分形壁3后流体不断分离与交汇后混合均匀。同时，螺槽5111中的物料一部分流经连通道4111、连通道4131、连通道4151，输送到相间的螺槽5131中，一部分流经螺楞2间的通孔，运动到相邻的螺槽5121中，一部分流经连通道4121和连通道4141，运动到间隔两个螺槽5141中，从而实现了流体在螺槽5111、螺槽5121、螺槽5131以及螺槽5141中的流通，且在一个螺槽中心部分流向另一螺槽中贴近机筒内壁或者螺杆壁的附近，实现物料在螺槽内的翻转，从而实现加工流体的均布。
可以理解的是，对于部分啮合型双螺杆，第一螺杆611和第二螺杆612存在部分啮合，第一螺杆611和第二螺杆612并非全部啮合。
综上，通过在螺槽5间设置与摩擦输送方向垂直或呈一定角度的分形壁3，当物料流经分形壁3，受到强剪切作用，有助于螺槽5中物料的分散混合；当物料流经分形壁3间隙时，使得物料输送过程中实现一分为二、二分四、四合二等分流与汇合，流体在不断的分离与交汇过程中实现分布混合能力的提升；螺槽5中设置具备连通作用的分形连通结构，使得未完全熔融的物料不断的受到扰动，从而增加与机筒内壁外加热的热传导面积，促进物料的熔融；通过设置连通道4，将原本层流过程中螺槽中心物料流向间隔螺槽5或相邻螺槽5的机筒内壁处，实现物料在相邻螺杆5或相间螺槽5任意位置的精准流动和交汇，打破传统层流混合中的混合死区，增加分布混合能力。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种连通式挤出螺杆，其特征在于，包括：杆体、螺楞和分形连通结构，所述螺楞围绕所述杆体设置并形成螺旋状，所述分形连通结构贯穿于所述螺楞之间；所述分形连通结构由外部的分形壁和内部的连通道形成中空杆状；所述分形壁的横向截面的外边沿和所述连通道的横向截面的外边沿如下：由第一线段、多条第二线段和多条第三线段组成，多条第二线段和多条第三线段构成科赫曲线，所述第一线段与科赫曲线相连，多条第二线段形成多个向外突出的正多边形，多条第三线段形成向内凹陷的形状，相邻的四条第二线段形成首尾的第二线段位于同一直线上且中间的第二线段形成向内的等边三角形的形状，相邻的四条第三线段形成首尾的第三线段位于同一直线上且中间的第三线段形成向内的等边三角形的形状。
2.根据权利要求1所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，当所述分形连通结构的长度满足0<L<s+e，所述分形连通结构在前后相隔n个螺槽的两螺槽内连通或者前后相隔n+1个螺槽的两螺槽连通；当所述分形连通结构的长度满足L>ns+e，所述分形连通结构在相隔的n个螺槽以及n+1个螺槽内连通；其中，L为分形连通结构的长度，s为相邻螺楞间的螺距，e为螺楞的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，所述分形壁的横向截面的外边沿所包围面积与所述连通道的横向截面的外边沿所包围面积之比的范围为：1:0.5至1:0.8。
4.根据权利要求1所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，所述分形连通结构与所述螺楞的连接部分为圆柱状。
5.根据权利要求4所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，所述分形壁的最大宽度小于或等于所述分形连通结构的最大宽度。
6.根据权利要求1所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，当所述分形连通结构安装于单螺杆或非啮合型双螺杆，分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离满足以下关系：相邻的分形连通结构的中心的夹角满足以下关系：βk>2arcsin(B1/2lk)；其中，B1<h/k；B1为连通道在宽度方向的最大尺度，k为螺楞上的分形连通结构的层数，lk为分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离，βk为相邻的分形连通结构的中心的夹角，d为螺杆的内径，D为螺杆的外径，h为螺槽深度。
7.根据权利要求6所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，所述螺楞上的通孔和多个所述分形连通结构组成扰动结构组，所述扰动结构组中的多个所述分形连通结构错开分布。
8.根据权利要求7所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，相邻的扰动结构组绕所述杆体的轴线周向分布。
9.根据权利要求1所述的一种连通式挤出螺杆，其特征在于，当所述分形连通结构安装于部分啮合型双螺杆，分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离满足以下关系：相邻的分形连通结构的中心的夹角满足以下关系：βk>2arcsin(B1/2lk)；其中，B1<[C-(D+d)/2]/k，/>B1为连通道在宽度方向的最大尺度，k为螺楞上的分形连通结构的层数，lk为分形连通结构的中心与螺杆的中心之间的距离，βk为相邻的分形连通结构的中心的夹角，d为螺杆的内径，D为螺杆的外径，C为部分啮合型双螺杆的中心距。
10.一种挤出机，其特征在于，包括机筒和如权利要求1至9任一项所述的连通式挤出螺杆，所述连通式挤出螺杆设置于所述机筒内；所述挤出机包括输送段、熔融段和均化段，分形连通结构位于所述连通式挤出螺杆对应熔融段末端和均化段的位置。
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| CN202311487559.7A CN117507309A (zh) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | 一种连通式挤出螺杆及挤出机 |
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| CN202311487559.7A CN117507309A (zh) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | 一种连通式挤出螺杆及挤出机 |
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| CN117507309A true CN117507309A (zh) | 2024-02-06 |
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