CN206561588U - 双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，包括可视化机筒、可视化口模、拍摄机构和移动机构，可视化口模与可视化机筒的输出端相连接，可视化机筒及可视化口模外周设置旋转式的拍摄机构，拍摄机构底部设置移动机构，拍摄机构通过移动机构沿可视化机筒及可视化口模的轴线方向来回移动。本螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置结构简单，可同时实现物料的轴向和径向拍摄，实现了全程可视化且能跟踪物料以及粒子的运动，为物料在双螺杆挤出机中的流动以及混合形态变化的分析研究提供了基础。其简便的拆装方法便于更换不同的螺杆组合，以便观察到不同导程的螺纹元件或不同错列角以及厚度、不同构型及转速比的双螺杆混合过程。

Description

双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置

技术领域

本实用新型涉及高分子材料加工设备领域，特别涉及一种双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置。

背景技术

在申请号为201110149868.4的专利申请中，公开了一种新型的同向非对称自洁型螺杆挤出装置和方法，通过双螺杆或者多螺杆在物料输送过程中始终保持啮合，且始终和机筒内壁相切；两螺杆或者多螺杆的流道始终是非对称的形状，物料挤出过程中流经流道时受到非对称的作用力，流道体积经历空间变换，具有较强的混合混炼以及拉伸效果，可以广泛应用于反应挤出、高填充聚合物、纤维增强聚合物以及聚合物合金生产等领域，是一种新型绿色的价格方法。然而，随着该生产设备市场化推广的拓展，在实际应用中，该设备内大部分流动处于非充满情况，存在自由表面效应，使得传统的流体力学数值实验方法遇到极大的挑战，为进一步拓展挤出理论及优化加工过程，对该类新型设备流动特性以及混合过程的探索迫在眉睫。

对新型设备流动以及混合过程的探索最为有效的方法为可视化，常用的可视化方法有静态可视化实验以及动态可视化实验，其中静态可视化实验过程通常可描述为：定义设备工况，稳定挤出后，采用急冷的方式，迅速将流道中的高分子熔体固化，一段时间后，通过打开机筒或将螺杆抽出，可观察到固化在螺杆螺槽内物料的形态，并可取样测试分析。该方法可探索挤出方向任意位置物料的形态以及混合状态，但也存在一定的弊端，如在螺杆顶出以及剖分机筒打开的过程中，物料形态结构已在一定程度上被破坏；观察到的物料形态为某一时刻的物料形态，而非连续挤出过程中物料的状态。为进一步改善，出现了动态可视化实验，现有方式主要有单螺杆的透明机筒，采用的方式为多开玻璃视窗或全程透明的玻璃机筒结构，而对双螺杆挤出装备，因全程压力较大，且啮合区存在尖角区域，且需要较强精度，加工难度非常大，现今采用的均为开视窗的结构，在实践中，该结构只能观察到双螺杆局部流道结构，缺乏一种完整的结构和方法为流体流动和共混过程提供一种手段。

而传统双螺杆设备图像采集通常采取静态拍摄的方法，虽然图像的稳定性较高，但对长径比较长的挤出装备，只能通过移动拍摄装置或者取局部图像，未能达到整体研究的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，该装置实现了全程可视化且能跟踪物料以及粒子的运动，为物料在双螺杆挤出机中的流动以及混合形态变化的分析研究提供了基础。

本实用新型的技术方案为：一种双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，包括可视化机筒、可视化口模、拍摄机构和移动机构，可视化口模与可视化机筒的输出端相连接，可视化机筒及可视化口模外周设置旋转式的拍摄机构，拍摄机构底部设置移动机构，拍摄机构通过移动机构沿可视化机筒及可视化口模的轴线方向来回移动。该装置中，在可视化机筒内的物料输送过程中，拍摄机构一边在可视化机筒外周做旋转运动，一边沿可视化机筒的轴线方向做来回移动，从而实现对可视化机筒及可视化口模内的物料流动情况和形态变化进行多角度的全程实时拍摄。设于可视化机筒内的双螺杆外接其主电机和减速箱，当主电机启动双螺杆时，移动机构带动拍摄机构沿着挤出方向移动，下述拍摄机构中的CCD元件绕着可视化机筒旋转，双螺杆的起始端和末端具有行程开关。移动机构沿挤出方向的移动速度和CCD元件绕可视化机筒的旋转速度也可单独调节。

作为一种优选方案，所述拍摄机构包括多组CCD元件、辅助支架、CCD转动齿轮、驱动齿轮和齿轮驱动电机，多组CCD元件通过辅助支架均匀分布于CCD转动齿轮的圆周边沿，CCD转动齿轮与驱动齿轮啮合连接，齿轮驱动电机的输出端与驱动齿轮的齿轮轴连接。该结构使用时，通过齿轮驱动电机带动驱动齿轮转动，通过驱动齿轮与CCD转动齿轮之间的啮合，使CCD转动齿轮带动其外周边沿的各组CCD元件转动。其中，各CCD元件与可视化机筒之间的距离可手动调节。

所述CCD元件有四组，每组CCD元件通过一个辅助支架与CCD转动齿轮固定连接。

所述拍摄机构有两个，其中一个拍摄机构中的CCD转动齿轮与可视化机筒内的左螺杆同轴设置，另一个拍摄机构中的CCD转动齿轮与可视化机筒内的右螺杆同轴设置。也就是说，可视化机筒内的双螺杆中，每个螺杆对应设置一个拍摄机构，且每个拍摄机构中包括四组CCD元件、四个辅助支架、一个CCD转动齿轮、一个驱动齿轮和一个齿轮驱动电机，其中，齿轮驱动电机可安装于下述的移动支架上，一个安装于移动支架的左侧，另一个安装于移动支架的右侧。每个拍摄机构对应采集一个螺杆上的数据。

作为一种优选方案，所述两个拍摄机构中，两个CCD转动齿轮偏心设置，两个CCD转动齿轮之间的中心距与双螺杆中左、右螺杆之间的中心距相等。沿可视化机筒的轴线方向，两个CCD转动齿轮呈左右错开的平行状态。

所述CCD转动齿轮为套于可视化机筒外周的圆环状结构。

所述移动机构包括移动支架、丝杆、丝杆驱动电机和导轨，拍摄机构设于移动支架上部，移动支架底部设有丝杆和导轨，丝杆一端设置丝杆驱动电机，丝杆两侧分别设置导轨，丝杆与可视化机筒平行设置。该结构中，通过丝杆驱动电机驱动丝杆转动，丝杆的转动带动移动支架沿导轨移动，从而使拍摄机构沿可视化机筒的轴线方向进行移动。

所述可视化机筒为采用高强度和高耐磨性的透明材料制作的机筒，可视化机筒的壁厚为1-5mm。可视化机筒可选用PC、PMMA等材料制作，具备高透明性、可加工性、高强度、耐磨等特性。可视化机筒内部横截面满足“∞”结构，满足挤出过程中承压需求，且使得螺杆与机筒之间各处间隙一致。

所述可视化机筒分为多个机筒单元，任意相邻的两个机筒单元之间设有垫片并通过螺栓固定连接，位于端部的机筒单元与可视化口模之间也设有垫片并通过螺栓连接固定。垫片起密封、缓冲与定位作用，垫片的材料需具备一定的耐磨性、韧性和可加工性，垫片材料可采用PA、PTFE等。

上述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置中，为实现跟随拍摄，假设双螺杆转动的速度为N r/min，则在导程为S(单位mm)的元件位置，移动支架沿着z方向的运动速度为S*N(mm/min)，CCD元件绕着机筒旋转的速度为N(r/min)。挤出机的喂料口或者机筒开孔位置采用压力注射的方式，稳定挤出时注入示踪剂，可观察到物料的流动与混合状态，也可用CCD元件跟踪取样，考察到不同位置不同深度的螺槽释放示踪剂或示踪粒子的运动特性和混合特性。拍摄机构中，CCD元件存储的数据实时穿输入外置的工控机中，可进行后续的提取、分析与计算。数据传输过程之中，可通过千兆网线实时传输入工控机中，也可采用大数据无线组网系统，利用wifi收发模块、网卡主控芯片、USB主控芯片相结合，将采集到的数据通过wifi收发模块传输到USB主控芯片，将USB主控芯片与网卡主控芯片相连，实现无线大数据传输。将CCD元件所采集的数据通过LABVIEW提取视频，可实时提取到每一时刻物料的运动状态，分析可得每一时刻示踪粒子运动位置。除在线跟踪拍摄外，还可借助光学显微在线检测技术观测流体流动以及物料混合状态；例如可采用添加荧光示踪剂，通过荧光CCD技术实时跟踪示踪剂传输速度与位置；同时，还可采用粒子成像测速技术(PIV)，采用激光脉冲瞬间获取大批量示踪粒子的速度矢量以及位置点。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：

本螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置结构简单，可同时实现物料的轴向和径向拍摄，实现了全程可视化且能跟踪物料以及粒子的运动，为物料在双螺杆挤出机中的流动以及混合形态变化的分析研究提供了基础。其简便的拆装方法便于更换不同的螺杆组合，以便观察到不同导程的螺纹元件或不同错列角以及厚度、不同构型及转速比的双螺杆混合过程。

本螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置中，采用全程可视化机筒、可视化加料口以及可视化口模，可直接观察到物料在机筒中的运动情况以及混合状态。同时采用跟踪拍摄系统能实时跟进物料的运动状态，也可通过手动调节观察局部的细节。

使用本螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置时，可通过在机筒各处开小直径圆孔，采用强力注入的方式在口模不同位置、不同螺槽深度注入示踪剂，便于直接观察以及取样考察各螺杆位置和各螺槽深度物料的流动以及混合状态。

附图说明

图1为本螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置的结构示意图。

图2为图1的A方向视图。

图3为图1的B方向视图。

图4为图1中拍摄机构和移动机构的立体结构示意图。

图5为单个机筒单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，如图1-4所示，包括可视化机筒1、可视化口模2、拍摄机构和移动机构，可视化口模与可视化机筒的输出端相连接，可视化机筒及可视化口模外周设置旋转式的拍摄机构，拍摄机构底部设置移动机构，拍摄机构通过移动机构沿可视化机筒及可视化口模的轴线方向来回移动。该装置中，在可视化机筒内的物料输送过程中，拍摄机构一边在可视化机筒外周做旋转运动，一边沿可视化机筒的轴线方向做来回移动，从而实现对可视化机筒及可视化口模内的物料流动情况和形态变化进行多角度的全程实时拍摄。设于可视化机筒内的双螺杆外接其主电机12和减速箱13，当主电机启动双螺杆时，移动机构带动拍摄机构沿着挤出方向移动，下述拍摄机构中的CCD元件绕着可视化机筒旋转，双螺杆的起始端和末端具有行程开关。移动机构沿挤出方向的移动速度和CCD元件绕可视化机筒的旋转速度也可单独调节。

其中，拍摄机构包括多组CCD元件3、辅助支架4、CCD转动齿轮5、驱动齿轮6和齿轮驱动电机7，多组CCD元件通过辅助支架均匀分布于CCD转动齿轮的圆周边沿，CCD转动齿轮与驱动齿轮啮合连接，齿轮驱动电机的输出端与驱动齿轮的齿轮轴连接。该结构使用时，通过齿轮驱动电机带动驱动齿轮转动，通过驱动齿轮与CCD转动齿轮之间的啮合，使CCD转动齿轮带动其外周边沿的各组CCD元件转动。其中，各CCD元件与可视化机筒之间的距离可手动调节。CCD元件有四组，每组CCD元件通过一个辅助支架与CCD转动齿轮固定连接。CCD转动齿轮为套于可视化机筒外周的圆环状结构。

本实施例中，拍摄机构有两个，其中一个拍摄机构中的CCD转动齿轮与可视化机筒内的左螺杆同轴设置，另一个拍摄机构中的CCD转动齿轮与可视化机筒内的右螺杆同轴设置。也就是说，可视化机筒内的双螺杆中，每个螺杆对应设置一个拍摄机构，且每个拍摄机构中包括四组CCD元件、四个辅助支架、一个CCD转动齿轮、一个驱动齿轮和一个齿轮驱动电机，其中，齿轮驱动电机可安装于下述的移动支架上，一个安装于移动支架的左侧，另一个安装于移动支架的右侧。每个拍摄机构对应采集一个螺杆上的数据。两个拍摄机构中，两个CCD转动齿轮偏心设置，两个CCD转动齿轮之间的中心距与双螺杆中左、右螺杆之间的中心距相等。沿可视化机筒的轴线方向，两个CCD转动齿轮呈左右错开的平行状态。

移动机构包括移动支架8、丝杆9、丝杆驱动电机10和导轨11，拍摄机构设于移动支架上部，移动支架底部设有丝杆和导轨，丝杆一端设置丝杆驱动电机，丝杆两侧分别设置导轨，丝杆与可视化机筒平行设置。该结构中，通过丝杆驱动电机驱动丝杆转动，丝杆的转动带动移动支架沿导轨移动，从而使拍摄机构沿可视化机筒的轴线方向进行移动。

可视化机筒为采用高强度和高耐磨性的透明材料制作的机筒，可视化机筒的壁厚为1-5mm。可视化机筒可选用PC、PMMA等材料制作，具备高透明性、可加工性、高强度、耐磨等特性。可视化机筒内部横截面满足“∞”结构，满足挤出过程中承压需求，且使得螺杆与机筒之间各处间隙一致。

可视化机筒分为多个机筒单元(单个机筒单元的结构如图5所示)，任意相邻的两个机筒单元之间设有垫片并通过螺栓固定连接，位于端部的机筒单元与可视化口模之间也设有垫片并通过螺栓连接固定。垫片起密封、缓冲与定位作用，垫片的材料需具备一定的耐磨性、韧性和可加工性，垫片材料可采用PA、PTFE等。

上述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置中，为实现跟随拍摄，假设双螺杆转动的速度为N r/min，则在导程为S(单位mm)的元件位置，移动支架沿着z方向的运动速度为S*N(mm/min)，CCD元件绕着机筒旋转的速度为N(r/min)。跟拍装置的行程可通过设于挤出机上的触控系统15进行控制，另外，跟拍装置也可在设置跟随拍摄模式后，手动输入支架沿挤出方向移动的速度和方向，以及齿轮盘带动CCD元件的旋转方向和速度，便于实时观察流体或跟踪粒子传输细节。挤出机的喂料口14或者机筒开孔位置采用压力注射的方式，稳定挤出时注入示踪剂，可观察到物料的流动与混合状态，也可用CCD元件跟踪取样，考察到不同位置不同深度的螺槽释放示踪剂或示踪粒子的运动特性和混合特性。拍摄机构中，CCD元件存储的数据实时穿输入外置的工控机中，可进行后续的提取、分析与计算。数据传输过程之中，可通过千兆网线实时传输入工控机中，也可采用大数据无线组网系统，利用wifi收发模块、网卡主控芯片、USB主控芯片相结合，将采集到的数据通过wifi收发模块传输到USB主控芯片，将USB主控芯片与网卡主控芯片相连，实现无线大数据传输。将CCD元件所采集的数据通过LABVIEW提取视频，可实时提取到每一时刻物料的运动状态，分析可得每一时刻示踪粒子运动位置。除在线跟踪拍摄外，还可借助光学显微在线检测技术观测流体流动以及物料混合状态；例如可采用添加荧光示踪剂，通过荧光CCD技术实时跟踪示踪剂传输速度与位置；同时，还可采用粒子成像测速技术(PIV)，采用激光脉冲瞬间获取大批量示踪粒子的速度矢量以及位置点。

实施例2

本实施例一种双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，与实施例1相比较，其不同之处在于：拍摄机构为一个，在其CCD转动齿轮内设置偏心固定环，使各CCD元件相对于可视化机筒的旋转环绕中心可相互切换，通过设定其偏心距的距离，旋转环绕中心在左右螺杆之间实现相互切换。

如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (9)

1.双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，包括可视化机筒、可视化口模、拍摄机构和移动机构，可视化口模与可视化机筒的输出端相连接，可视化机筒及可视化口模外周设置旋转式的拍摄机构，拍摄机构底部设置移动机构，拍摄机构通过移动机构沿可视化机筒及可视化口模的轴线方向来回移动。

2.根据权利要求1所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述拍摄机构包括多组CCD元件、辅助支架、CCD转动齿轮、驱动齿轮和齿轮驱动电机，多组CCD元件通过辅助支架均匀分布于CCD转动齿轮的圆周边沿，CCD转动齿轮与驱动齿轮啮合连接，齿轮驱动电机的输出端与驱动齿轮的齿轮轴连接。

3.根据权利要求2所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述CCD元件有四组，每组CCD元件通过一个辅助支架与CCD转动齿轮固定连接。

4.根据权利要求2所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述拍摄机构有两个，其中一个拍摄机构中的CCD转动齿轮与可视化机筒内的左螺杆同轴设置，另一个拍摄机构中的CCD转动齿轮与可视化机筒内的右螺杆同轴设置。

5.根据权利要求4所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述两个拍摄机构中，两个CCD转动齿轮偏心设置。

6.根据权利要求2所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述CCD转动齿轮为套于可视化机筒外周的圆环状结构。

7.根据权利要求1所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述移动机构包括移动支架、丝杆、丝杆驱动电机和导轨，拍摄机构设于移动支架上部，移动支架底部设有丝杆和导轨，丝杆一端设置丝杆驱动电机，丝杆两侧分别设置导轨，丝杆与可视化机筒平行设置。

8.根据权利要求1所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述可视化机筒的壁厚为1-5mm。

9.根据权利要求1所述双螺杆挤出机用的挤出过程可视化跟拍装置，其特征在于，所述可视化机筒分为多个机筒单元，任意相邻的两个机筒单元之间设有垫片并通过螺栓固定连接，位于端部的机筒单元与可视化口模之间也设有垫片并通过螺栓连接固定。