CN117984533A - 一种基于脉冲超高压作用的挤出机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲超高压作用的挤出机，属于挤出机技术领域，包括机架、电机、联轴器、动力减速分配器、加热冷却装置、转子和定子，转子设置于定子内腔，转子外表面为连续变化的拓扑结构，由螺旋段和平直段组成，其横截面为曲边拓扑四边形；定子内表面也为连续变化的拓扑结构，其内腔横截面为曲边拓扑五边形；转子外拓扑曲面啮合于定子内拓扑曲面；转子在动力减速分配器的带动作用下可在定子内腔中做自转与公转方向相反且速比为1：4的复合运动，其公转半径为转子轴线与定子轴线之间的偏心量e。本发明是基于脉冲超高压作用的加工机理，具有传热传质效率高、混合分散效果好、完全正位移输送、能耗低等优点。
Description
技术领域
本发明属于挤出机技术领域，更具体地，涉及一种基于脉冲超高压作用的挤出机。
背景技术
挤出机是高分子材料加工的主机，它可以将高分子材料塑化、熔融、混合，并与管材、线材、棒材、薄膜、异型材、电缆包覆、造粒等多种高分子材料成型辅机相匹配，生产出各种各样的高分子材料制品，是高分子材料加工领域不可或缺的重要一环。然而，现在所常用的单螺杆、双螺杆以及多螺杆挤出机都是基于剪切形变的作用机理，存在着一些固有缺陷：(1)剪切作用力易导致高分子材料分子链断裂，破坏制品的性能；(2)剪切生热大，易使高分子材料产生热机械降解，尤其不适用于加工热敏性材料；(3)混合分散效果差，不适用于不相容体系以及高填充体系的混合加工；(4)传质传热效率低，因此螺杆长径比大，导致设备加工成本高、能耗大。
目前，研究者们为了提高挤出机的混合分散效果，不断地对挤出机的结构进行改进，例如专利CN104149305A公开了一种异向环形分布螺杆高效混炼挤出机，专利CN103770312B公开了一种异径不等间隙螺槽容积变化的串联式磨盘挤出机，这些挤出机均可以有效提高对物料的混合分散效果，但其结构较复杂，加工成本大，且仍是基于剪切形变作用的加工机理，还进一步增大了剪切作用力，这无疑对制品性能具有一定损害。专利CN100496927C公开了一种基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法及设备，该方法利用偏心转子与定子之间的容积变化迫使物料产生拉伸流变，极大提高了物料的传质传热效率和混合分散效果，但其转子上活动部件较多，可靠性差，且在单个腔室内转子转动一圈，物料只能受到一次拉伸流变作用，效率还有待进一步提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其目的在于对转子及定子内腔的结构设计，由此解决高分子材料加工设备所存在的传质传热效率低、混合分散效果差、热机械历程长、能耗高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于脉冲超高压作用的挤出机，包括设置于机架上的动力传动系统、料斗和动态混合挤出系统；
所述动力传动系统连接于所述动态混合挤出系统，所述料斗设置于所述动态混合挤出系统的上方；
所述动态混合挤出系统包括第一定子、第二定子和转子；所述转子设置于第一定子与第二定子组成的内腔中；
所述转子的外表面由交替的螺旋段和平直段组成的连续变化的拓扑结构，其横截面为曲边拓扑四边形；
所述内腔的内表面由交替的螺旋段和平直段组成的连续变化的拓扑结构，且螺旋段和平直段与所述转子的螺旋段和平直段相对应，所述内腔的横截面为曲边拓扑五边形；
所述转子的外拓扑曲面啮合于所述内腔的内拓扑曲面，且所述转子与所述内腔之间存在最小间隙；
所述转子在所述动力传动系统驱动下自转的同时以偏心量e为半径绕所述内腔的轴线反向公转，公转速度是其自转速度的4倍，并将所述内腔分为五个腔室；所述转子自转一周，五个腔室中的物料各自先后四次受到转子对其施加的正应力作用并产生局部高压，因此在转子的快速转动下物料就会受到连续的脉冲超高压作用，进而被快速的塑化、熔融、混合和输运；
所述第一定子上开设有进料口，所述第一定子和第二定子必须组合使用，形成横截面为曲边拓扑五边形的内腔。
优选地，所述内腔的螺旋段和平直段的长度与所述转子相对应的螺旋段和平直段的长度相等，且所述内腔的螺旋段螺距为所述转子相对应的螺旋段螺距的1.25倍。
优选地，所述转子横截面的圆倒角半径与所述内腔横截面的圆倒角半径相等。
优选地，所述内腔的外切圆半径为所述转子的外切圆半径与所述偏心量e和所述转子与所述内腔之间最小间隙之差。
优选地，所述转子的螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小；所述内腔的螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小。
优选地，所述转子以偏心量e为半径绕所述内腔的轴线反向公转的速度为其自转速度的4倍。
优选地，所述动力传动系统包括电机、联轴器、动力减速分配器和连接哈夫；
所述联轴器的两端分别连接于所述电机的输出轴和动力减速分配器；
所述连接哈夫的两端分别固定连接所述动力减速分配器与所述第一定子和第二定子；
所述动力减速分配器的输出轴连接于所述转子。
优选地，还包括温控系统，所述温控系统包括多个加热冷却装置，多个加热冷却装置沿挤出方向依次设置于所述第一定子和第二定子的外侧，用于对所加工物料提供外部热量及温度控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其中转子和定子内腔结构为连续变化的拓扑结构，避免了在加工过程中凸棱结构对物料产生剪切作用力，极大弱化了剪切形变作用，可最大限度地保持高分子材料的分子量，使其具有优异的性能。
2、本发明提出一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其四圆拓扑截面转子可将定子内腔分成五个腔室，且转子在定子内腔中做自转与公转方向相反、速比为1：4的复合运动，因此转子可对物料施加基于正应力的脉冲超高压作用，极大提升了物料在加工过程中的传质传热效率和混合分散效果。
3、本发明提出一种基于脉冲超高压作用的挤出机，转子具有较高的加工效率，因此其长径比较小，物料所经受的热机械历程较短，可有效降低加工能耗。
4、本发明提出一种基于脉冲超高压作用的挤出机，转子与定子具有良好的啮合效果，因此具有自清洁性和完全正位移输送的特性。
5、本发明提出一种基于脉冲超高压作用的挤出机，基于脉冲超高压作用机理，具有强制混合分散的特性，不受限于所加工的物料，可适用于不同体系的共混、纳米填料以及纤维增强体系等的混合，具有较宽的物料适用范围。
附图说明
图1是本发明基于脉冲超高压作用的挤出机的结构示意图；
图2是本发明基于脉冲超高压作用的挤出机中动态混合挤出系统的结构示意图；
图3是本发明基于脉冲超高压作用的挤出机中动态混合挤出系统横截面的结构示意图；
图4是本发明基于脉冲超高压作用的挤出机实施例中转子的结构示意图；
图5是本发明基于脉冲超高压作用的挤出机实施例中内腔的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-机架；2-电机；3-联轴器；4-动力减速分配器；5-连接哈夫；6-料斗；7-第一定子；8-第二定子；9-加热冷却装置；10-挤出口；11-定子支撑架；12-转子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-5所示，本发明公开了一种基于脉冲超高压作用的挤出机，包括机架系统、动力传动系统、温控系统和动态混合挤出系统。所述机架系统主要包括机架1和定子支撑架11；所述动力传动系统主要由电机2、联轴器3和动力减速分配器4所组成；所述温控系统主要由四组加热冷却装置9组成；所述动态混合挤出系统主要由转子12、第一定子7、第二定子8、链接哈夫5和料斗6组成。所述电机2、动力减速分配器4和定子支撑架11固定连接在所述机架1上；所述电机2的输出轴经所述联轴器3与所述动力减速分配器4的输入轴相连；所述转子12安装于所述第一定子7和所述第二定子8组成的内腔之中，并与所述动力减速分配器4的输出轴靠平键连接；所述第一定子7和第二定子8的一侧由所述连接哈夫5与所述动力减速分配器4固定连接，另一侧由所述定子支撑架11支撑；四个加热冷却装置9沿挤出方向依次安装于第一定子7和第二定子8的外侧；所述料斗6安装于第一定子7的下料口处。
更进一步的说明，所述转子12为外表面连续变化的拓扑结构，其横截面为圆倒角凹圆弧的曲边拓扑四边形，所述转子12结构由四个螺旋段和三个平直段所组成，其中三个平直段结构设置于四个螺旋段结构之间，螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小，压缩比为4，转子12长径比为13。
更进一步的说明，所述第一定子7和第二定子8内表面同样为连续变化的拓扑结构，两者组合之后内腔横截面为圆倒角凸圆弧曲边拓扑五边形，其内腔结构由螺旋段和平直段所组成，其中平直段结构设置于螺旋段结构之间，且第一定子7和第二定子8的螺旋段和平直段结构与所述转子12的螺旋段和平直段结构一一对应，长度相同，螺旋段螺距沿挤出方向同样逐渐减小，压缩比与所述转子12相同，但第一定子7和第二定子8的每一部分螺旋段的螺距都是转子12相对应螺旋段螺距的1.25倍，即P1’＝1.25P1，P2’＝1.25P2，P3’＝1.25P3，P4’＝1.25P4。
更进一步的说明，所述转子12的外拓扑曲面啮合于所述第一定子7和第二定子8所组成内腔的内拓扑曲面，所述转子12与所述第一定子7和第二定子8内腔之间存在最小间隙。
在工作时，所述转子12在动力减速分配器4带动作用下自转的同时以偏心量e为半径绕所述第一定子7和第二定子8内腔的轴线反向公转，公转速度是其自转速度的4倍，并将所述定子内腔分成五个腔室；所述转子12自转一周，五个腔室各自先后四次完成压缩释放作用。
更进一步的说明，所述转子12横截面圆倒角的半径等于所述第一定子7和第二定子8内腔横截面圆倒角的半径。
更进一步的说明，所述第一定子7和第二定子8内腔的外切圆半径为所述转子12的外切圆半径与所述偏心量e和转子与第一定子7和第二定子8内腔之间最小间隙之差。
更进一步的说明，所述动力减速分配器4可以输出自转与公转速比为1：4且方向相反的复合运动，公转半径为所述偏心量e。
一种基于脉冲超高压作用的挤出机的工作过程为：物料由料斗6进入第一定子7的下料口处，电机2经联轴器3和动力减速分配器4带动转子12做自转与公转方向相反、速比为1：4的复合运动，从而使转子12与第一定子7和第二定子8的内腔进行啮合，并将定子内腔分成五个腔室。在转子12的螺旋推送以及与定子内腔的啮合作用下，物料被纳入定子内腔中并被不断向前输送，转子自转一周五个腔室中的物料就会各自先后四次受到转子对其施加的正应力作用并产生局部高压，因此物料在向前输送过程中在转子的快速转动下就会受到连续的脉冲超高压作用，进而被快速的塑化、熔融、混合和输运；在平直段处，熔融的物料又被强化混合；最后，混合均匀的物料被螺旋段转子从挤出口10连续挤出，进而制备出混合分散均匀、性能优异的高分子材料。此外，由于转子12与第一定子7和第二定子8的内腔具有良好的啮合关系，因此，其可对定子内腔进行自清洁、对物料进行正位移输送。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，包括设置于机架(1)上的动力传动系统、料斗(6)和动态混合挤出系统；
所述动力传动系统连接于所述动态混合挤出系统，所述料斗(6)设置于所述动态混合挤出系统的上方；
所述动态混合挤出系统包括第一定子(7)、第二定子(8)和转子(12)；所述转子(12)设置于第一定子(7)与第二定子(8)组成的内腔中；
所述转子(12)的外表面由交替的螺旋段和平直段组成的连续变化的拓扑结构，其横截面为曲边拓扑四边形；
所述内腔的内表面由交替的螺旋段和平直段组成的连续变化的拓扑结构，且螺旋段和平直段与所述转子(12)的螺旋段和平直段相对应，所述内腔的横截面为曲边拓扑五边形；
所述转子(12)的外拓扑曲面啮合于所述内腔的内拓扑曲面；
所述转子(12)在所述动力传动系统驱动下自转的同时以偏心量e为半径绕所述内腔的轴线反向公转从而将所述内腔分成五个腔室；所述转子(12)自转一周，五个腔室中的物料各自先后四次受到转子(12)对其施加的正应力作用进而被连续塑化、熔融、混合和输运。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，所述内腔的螺旋段和平直段的长度与所述转子(12)相对应的螺旋段和平直段的长度相等，且所述内腔的螺旋段螺距为所述转子(12)相对应的螺旋段螺距的1.25倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，所述转子(12)横截面的圆倒角半径与所述内腔横截面的圆倒角半径相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，所述内腔的外切圆半径为所述转子(12)的外切圆半径与所述偏心量e和所述转子(12)与所述内腔之间最小间隙之差。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，所述转子(12)的螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小；所述内腔的螺旋段螺距沿挤出方向逐渐减小。
6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，所述转子(12)以偏心量e为半径绕所述内腔的轴线反向公转的速度为其自转速度的4倍。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，所述动力传动系统包括电机(2)、联轴器(3)、动力减速分配器(4)和连接哈夫(5)；
所述联轴器(3)的两端分别连接于所述电机(2)的输出轴和动力减速分配器(4)；
所述连接哈夫(5)的两端分别固定连接所述动力减速分配器(4)与所述第一定子(7)和第二定子(8)；
所述动力减速分配器(4)的输出轴连接于所述转子(12)。
8.根据权利要求7所述的一种基于脉冲超高压作用的挤出机，其特征在于，还包括温控系统，所述温控系统包括多个加热冷却装置(9)，多个加热冷却装置(9)沿挤出方向依次设置于所述第一定子(7)和第二定子(8)的外侧，用于对所加工物料提供外部热量及温度控制。
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