CN2783764Y

CN2783764Y - 一种混沌单螺杆挤出装置

Info

Publication number: CN2783764Y
Application number: CN 200420095645
Authority: CN
Inventors: 徐百平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2014-11-25

Abstract

本实用新型提供一种混沌单螺杆挤出装置，包括机筒、螺杆、传动部件、混沌触发器，所述螺杆安装在机筒内，传动部件与螺杆进料端连接，在螺杆上沿螺槽展开方向设置混沌触发器，所述混沌触发器连续布置在螺杆的均化段螺槽内，且与设置在螺杆挤出端的凸轮滑槽传动组件连接，凸轮滑槽传动组件分别与螺杆及机筒相连接。本装置通过混沌触发器可实现对物料的连续扰动，分散混合效果好，能满足操作要求较高的工况条件，适应性强，加工简易，制造成本低，具有较好的市场前景。

Description

一种混沌单螺杆挤出装置

技术领域

本实用新型涉及挤出加工设备，特别涉及一种混沌单螺杆挤出装置。

背景技术

单螺杆挤出机是应用最广泛的螺杆挤出机，具有结构简单、挤出特性好的优点，目前广泛应用于聚合物成型加工、食品加工、塑料填充共混以及反应挤出等工业场合，但现有的单螺杆挤出机一直存在混合效果差的不足。Mohr、Saxon和Jepson对螺杆挤出机混合机理进行了研究，发现聚合物熔体的高粘度排除了湍流、尾迹旋涡的存在(W.D.Mohr，R.L.Saxton，andC.H.Jepson.Mixing in Laminar Flow Systems.Ind.Eng.Chem..1957，49：1855-1857)。而进一步研究表明(J.M.Ottino and R.Chella.LaminarMixing of Polymeric Liquids；A Brief Review and Recent TheoreticalDevelopments[J].Polym.Eng.Sci..1983，23(7)：357-3794)，熔体在单螺杆挤出机螺槽内是规则的壳层层流混合，流体质点在向口模挤出的过程中，存在着特定的壳层轨道，流体只能沿着壳层作类螺旋运动，而各壳层间几乎没有相互混合发生，这就意味着界面随应变呈线性增长。因此，提高其混合性能一直是人们追求的目标，先后出现了象销钉螺杆等一系列专利技术，但这些技术在耗能激增的同时，混合效果提高并不理想。Aref最初意识到简单的二维系统可以通过引入非定常边界条件而触发混沌现象，发现层流混合效果极大提高(H.Aref.Stirring by Chaotic Advection.J.Fluid Mech.1984，143：1-21)。Kim和Kwon等人从简单的几何思想实验入手，在单螺杆沿螺槽展开方向插入间断矮螺棱而引入周期性双曲点扰动，并提出了混沌螺杆的新概念(T.H.Kwon，J.W.JOO and S.J.Kim.Kinematics and Deformation Charteristics as aMixing Measure in the Screw.Polymer Engineering and Science.1994，34(3)：174-189)，实验研究发现该螺杆在挤出功率增加不大的情况下，聚合物熔体的混合效果得到了提高；但这种矮螺棱混沌触发器仍存在一定的技术缺陷：(1)扰动不连续；设有间断矮螺棱的螺杆扰动是间断性的，只是在作为混沌触发器的矮螺棱的间断处，混合才会较大程度提高，但此处必然导致功耗加大，缺乏连续动力学思想；(2)难以加工；作为混沌触发器的矮螺棱与螺杆固定为一体，类似于一个双头螺杆的结构，这样增加了螺杆加工的难度与成本；(3)分散混合效果差；作为混沌触发器的矮螺棱与螺槽之间没有相对运动，对分散混合提高作用不大，混合过程的提高是被动的、有限的。

发明内容

本实用新型目的在于克服现有技术的缺点，提供一种采用整体型主动式混沌触发器结构，能明显提高物料分布、分散混合效果，可适用于深螺槽、大流量、高流速操作的周期性混沌单螺杆挤出装置。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：所述混沌单螺杆挤出装置包括机筒、螺杆、传动部件、混沌触发器，所述螺杆安装在机筒内，传动部件与螺杆进料端连接，在螺杆上沿螺槽展开方向设置混沌触发器，其特征在于：所述混沌触发器连续布置在螺杆的均化段螺槽内，且与设置在螺杆挤出端的凸轮滑槽传动组件连接，凸轮滑槽传动组件分别与螺杆及机筒相连接。

所述凸轮滑槽传动组件包括传动套、凸轮部件、凸轮杆，所述传动套与所述混沌触发器端部固定连接，所述凸轮部件为圆环状，其内圆周壁设计有连续、封闭的滑槽，且固定安装在机筒挤出端的内圆周壁上，所述凸轮杆下部插入螺杆挤出端的槽孔内，其上部穿过所述传动套，并伸入凸轮部件的滑槽内。

所述混沌触发器的横截面形状是圆形、椭圆形、矩形，沿展开长度方向可加工成类栉形，以增加窄间隙及达到对流场进行“梳理”的作用，用来强化分散混合。

所述的传动套呈轴瓦状，具有流线形结构，如梭形等。

所述滑槽展开的后的几何构型是等周期、非等周期或波形对称、非对称的曲线。

所述凸轮部件与机筒的安装方式是通过销钉、键或滑槽相嵌接；所述凸轮部件与机筒的内径相同。

所述螺杆上与所述槽孔相对应位置设置有卸载孔，以消除运动死区，避免积存物料，减少装置的功耗，保持压力平衡，控制停留时间分布。

由于所述混沌触发器与单螺杆不是固定为一体的，只有一端与所述传动套连接，所以当所述传动部件带动单螺杆转动时，所述传动套通过凸轮杆、凸轮滑槽作用实现轴向往复运动，从而带动混沌触发器作大幅度、波形对称、非对称轴向往复脉动；相对运动部件之间润滑剂即为物料熔体本身。

混沌触发器在随螺杆的螺槽展开的几何空间内可有多种布置方式，可以沿螺槽底部只在宽度有不同的几何形状，也可以沿螺槽高度方向有不同的几何形状，或者二者兼而有之。

为便于成套加工与拆装，凸轮部件可由一对组件贴合构成，在两组件之间形成滑槽，所述滑槽可以设计为不同的形状，以实现混沌触发器相对于平衡位置进行轴向往复脉动的不同频率、幅度以及等周期、非等周期、波形对称、非对称等运动形式，其往复脉动的频率、幅度、周期以及运动形式对称与否，可根据加工物料特性及螺杆转速确定。传动套与螺杆之间只能进行轴向的相对运动，其周向相对运动通过凸轮杆伸入螺杆挤出端的槽孔内并贴合进行限制。

本实用新型的作用原理是：根据微分动力系统拓扑混沌几何演化思想，将整体主动式、周期性混沌触发器引入到单螺杆挤出装置的螺槽内，使之产生可调的大幅度轴向往复脉动，这种运动相对于平衡位置可以对称、非对称，这样，将时间和空间的周期性扰动引流引入到挤出装置的均化段，使物料在向口模推进的过程中椭圆点交叉、重叠、分散，混沌触发器的往复运动，促进流体局部再循环，增加了系统运动的自由度及对初始条件的敏感性，从而达到破坏流体运动过程中KAM面，诱导异宿流型，导致拉伸折叠，诱发混沌运动的目的。

本实用新型相对现有技术的优点与效果是：(1)扰动连续；由于本装置的混沌触发器是连续布置在螺杆的均化段螺槽内的，所以其螺杆扰动是连续的，有利于减少功耗。(2)增加了系统运动的自由度；混沌触发器轴向相对往复脉动的引入，从时间的周期性上增加了系统进入混沌混合的可能性，能够有效引入“egg-beating”流动，使得混合效果进一步提高。(3)分散混合效果好；本装置通过凸轮滑槽传动组件，带动混沌触发器实现可调的大幅度轴向往复脉动，有效增强螺槽底部混合，从而明显地提高体系的分布、分散混合效果，相对于在单螺杆沿螺槽展开方向插入间断矮螺棱的现有技术，其混合过程的提高是主动的、明显的，同时，混沌触发器与螺槽之间窄间隙的存在、以及混沌触发器螺旋角的变化，也可有效地提高体系的分散混合效果。(4)能满足操作要求高的工况条件；本装置可以实现挤出机深螺槽设计，在大流量、高流速的操作情况下，一样可以提高混合混炼效果，控制停留时间分布。(5)适应性强；本装置混沌触发器的轴向往复脉动作用方式多样，可实现不同的频率、幅度以及等周期、非等周期、波形对称、非对称等运动形式，其往复脉动的频率、幅度、周期以及运动形式对称与否，可根据加工物料特性及螺杆转速确定，对物料的适应性广。(6)装置制造成本低；相对于在单螺杆沿螺槽展开方向插入间断矮螺棱的现有技术，本装置的混沌触发器、凸轮滑槽传动组件的加工相对简易，制造成本低，具有较好的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型混沌单螺杆挤出装置的结构示意图。

图2是图1所示混沌单螺杆挤出装置的凸轮滑槽传动组件的局部放大图。

图3是图2所示凸轮滑槽传动组件的凸轮滑槽沿圆周展开的示意图。

图4是图3的A-A截面视图。

图5A是图1所示混沌单螺杆挤出装置的混沌触发器在展开的螺槽内空间分布的几何构形的附视图。

图5B是图1所示混沌单螺杆挤出装置的混沌触发器在展开的螺槽内空间分布的几何构形的正视图。

图6是图5所示混沌触发器的立体示意图。

图7是图6所示混沌触发器的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

图1示出了本实用新型的具体结构，由图1可见，本混沌单螺杆挤出装置包括传动部件1、料斗2、机筒3、螺杆4、混沌触发器5、端盖6，所述传动部件1设置在机筒3的端部，料斗2位于机筒3的上部，机筒3内的螺杆4与传动部件1连接，混沌触发器5连续布置在螺杆4的均化段，且与设置在螺杆4挤出端的凸轮滑槽传动组件连接，凸轮滑槽传动组件与螺杆4、机筒3分别连接，端盖6固定在机筒3的另一端。所述凸轮滑槽传动组件的具体结构如图2所示，由图2可见，凸轮滑槽传动组件包括凸轮组件8、凸轮组件9、传动套10、凸轮杆11，传动套10与混沌触发器5端部通过螺钉7固定连接，凸轮组件8、9贴合在一起形成圆环状，在两组件之间形成连续、封闭的滑槽12，凸轮组件8、9固定安装在机筒3挤出端的内圆周壁上，在机筒3的外面固定连接端盖6，从而将凸轮组件8、9固定在机筒3内；所述凸轮杆11下部插入螺杆4挤出端的槽孔13内，其上部穿过传动套10，并伸入凸轮组件8、9之间的滑槽12内；滑槽12沿圆周展开的几何构形如图3所示，由图3可见，滑槽12相对于机筒的平衡位置展开曲线是等周期、非等周期、波形对称或非对称的形状，图4是图3的A-A截面视图；在螺杆4上与槽孔13靠近的低压端位置设置有卸载孔14，以保持压力平衡及避免死区积存物料。所述混沌触发器5的整体形状如图6所示，其截面形状如图7所示，由图6可见，混沌触发器5为一类螺旋状体，设置在螺杆4的均化段螺槽内；由图7可见，混沌触发器5的横截面可为接近圆形、椭圆形、矩形等截面形状；混沌触发器5在展开的螺槽内空间分布的几何构形如图5所示，图5A为展开后螺槽俯视图，即螺槽长度、宽度方向视图，图5B为展开后的螺槽正视图，即螺槽高度、长度方向视图；线条13、14为混沌出发器中性线随螺槽一起展开后在俯视图中的两种几何构型(线条17代表螺棱)，而线条15、16则为混沌出发器中性线随螺槽一起展开后在正视图中的两种几何构型(线条18代表机筒内径，线条19代表螺杆根径)，这样便有了四种几何形状，混沌触发器5在展开的螺槽空间内可以沿螺槽底部而采用图5A所示的两种形状；也可以在螺槽高度方向空间内分布，沿螺槽宽度方向采用图5B所示的两种形状，或两种形状的组合，而混沌触发器的横截面的形状则可以有如图7所示的多种形状。

本混沌单螺杆挤出装置的作用过程是：传动部件1驱动螺杆4旋转，带动混沌触发器5一起旋转，同时，混沌触发器5由固定在机筒3上的凸轮滑槽传动组件带动，沿螺杆4的轴向作大幅度往复脉动。这样可以促进物料流体局部再循环，增加了系统运动的自由度及对初始条件的敏感性，从而达到破坏流体运动过程中KAM面，诱导异宿流型，导致拉伸折叠，诱发混沌运动的目的。

Claims

1、一种混沌单螺杆挤出装置，包括机筒、螺杆、传动部件、混沌触发器，所述螺杆安装在机筒内，传动部件与螺杆进料端连接，在螺杆上沿螺槽展开方向设置混沌触发器，其特征在于：所述混沌触发器连续布置在螺杆的均化段螺槽内，且与设置在螺杆挤出端的凸轮滑槽传动组件连接，凸轮滑槽传动组件分别与螺杆及机筒相连接。

2、根据权利要求1所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述凸轮滑槽传动组件包括传动套、凸轮部件、凸轮杆，所述传动套与所述混沌触发器端部固定连接，所述凸轮部件为圆环状，其内圆周壁设计有滑槽，且固定安装在机筒挤出端的内圆周壁上，所述凸轮杆下部插入螺杆挤出端的槽孔内，其上部穿过所述传动套，并伸入凸轮部件的滑槽内。

3、根据权利要求2所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述凸轮部件由一对组件贴合构成，在两组件之间形成连续、封闭的滑槽。

4、根据权利要求1所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述混沌触发器的横截面形状是圆形、椭圆形、矩形；或沿展开长度方向加工成类栉形。

5、根据权利要求2所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述传动套呈轴瓦状，具有流线形结构。

6、根据权利要求2所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述滑槽展开后的几何构型是等周期、非等周期或波形对称、非对称的曲线。

7、根据权利要求2所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述凸轮部件与机筒通过销钉、键或滑槽相嵌接，凸轮部件与机筒的内径相同。

8、根据权利要求1所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述混沌触发器在随螺杆的螺槽展开的几何空间沿螺槽底部宽度方向有不同的几何形状，或沿螺槽高度方向有不同的几何形状，或者二者兼而有之。

9、根据权利要求2～8任一项所述的混沌单螺杆挤出装置，其特征在于：所述螺杆上与所述槽孔相应位置设置有卸载孔。