Экструдер самоочищающегося типа Советский патент 1985 года по МПК B29C47/40 B29B7/48 

1 . Из,обретевие относится к типу мно гочервячного экструдера самоочищающегося типа и может быть использова но в промышленности переработки полимеров. Известен зкструдер самоочищающе гося типа, содержащий два червяка, смонтированные с возможностью взаим зацепления и вращения в, одном напра лении относительно осей вращения, совпадающих с центральными осями червяков Л . Функщя экструдера такого типа заключается в устранении пульсаций производительности или скорости вытеснения смеси, которые вызьшаются блокированием порошками в зоне перемещения твердого вещества и/или з не пластикации, и предотвращении ухудшения вьщавливания, вызываемого прилипанием дегенерированных продук тов в зоне транспортирования распла ва. Данный экструдер используется в пластикации, расплавлении и перемешивании полимерных материалов. Экструдер самоочищающего типа имеет особую конструкцию, определяемую ко туром червяков в поперечном сечении .под прямым углом к их осям. Он содержит по меньшей мере два червяка, приспособленнь1х для вращения в одном направлении, каждый из которых имеет одну или несколько нарезок, и которые находятся в таком отношении что в любом положении по крайней мере в части червяков, которая расположена в продольном направлении зкструдера, контур одного червяка в поперечном сечении, взятом под прямым углом к оси червяка, находится в прочном контакте в одной точке с контуром в том же самом поперечном сечении находящегося с ним в зацеплении другого червяка. Вершины нарезок каждого из червя ков в данном экструдере самоочищающаго типа находятся в прочном конта те с внутренней поверхностью стенки цилиндра, а каждый канал червяка образует пространство, фактически полностью изолированное от соседних каналов. В соответствии с этим сырь подаваемое в один канал одного червяка, при вращении червяков неизбеж но йёремещается в канал другого чер вяка. Затем оно движется к одному каналу первого червяка и т.д. 792 Таким образом, в данном зкструдере самоочищающегося типа путь, по которому течет сырье; полностью за- . висит от канала червяка, в который первоначально подается сырье. Полимер, который поступил в один канал червяка, ни частично, ни полностью не объединится с сырьем в смежных каналах, т.е. обмен сырьем между каналами одного червяка и между ка-налами двух находящихся в зацеплении червяков не происходит. . Таким образом, недостаток данного экструдера - невысокая способность перемешивания и диспергирования поданного в него полимера. . Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является экструдер самоочищающегося типа, содержащий цилиндр и по меньшей мере два червяка, смонтированных с возможностью взаимозацепления и вращения в одном направлении относительно осей вращения, совпадающих с центральными осями червяков, и с возможностью контактирования в любом положении по меньшей мере на Участках червяков, размещенных в продольном направлении экструдера, fto контуру поперечного сечения одного из червяков, расположенному перпендикулярно центральным осям.червяков, в одной точке с контуром поперечного сечения другого червяка, причем каждый из червяков выполнен по меньшей мере с двумя нарезками, верхняя часть первой из которых смонтирована в контакте с внутренней поверхностью цилиндра, а часть контура поперечного сечения, образованная верхней частью первой нарезки, выполнена в виде дуги с радиусом, равным R/2, и с центром дуги, размещенным на центральной оси червяка, при этом верхняя часть второй нарезки расположена с зазором относительно внутренней поверхности цилиндра и образована дугообразным участком контура поперечного сечения червяка L2J. В известном зкструдере благодаря наличию двух, нарезок разной высоты обеспечивается перемешивание материала при сохранении преимуществ зкструдера самоочищающегося типа, основанное на обмене полимером между примыкающими каналами червяка в осевом направлении червяков и между каналами двух находящихся в зацеплении червяков. Недостаток из естного экструдера заключается в том, что в нем не обе печивается интенсивное сдвигающее действие на материал мезкр у поверхно тью стенки цилиндра и данной поверх ностью каналов червяка.при сохранен высокой скорости выдавливания, поскольку в экструдере отсутствуют данные о конкретном выполнении нарезок червяков. Объясняется этот факт следующим образом. Обычно величина сдвигакщей силы червяка, независимая от свойств сырья и условий работы, задается произведением средней скорости сдвига (градиент скорости) и времени. Так как время зависит от изменения размеров червяка в осевом направлении, скорость сдвига у поверхности стенк цилиндра представляет собой парамет характеризующий действие сдвига, ко торьп : взаимосвязан с формой экструдера в его поперечном сечении, взятом под прямым углом к его оси. Скорость сдвига („) У поверхности стенки обычно пропорциональна Н/И ((jctR/H), где R - наружный диаметр каждого червяка, а Н -. глубина канала червяка. Если обозначит расстояние мезкду осями двух находящихся в зацеплении червяков через L то, так как И R -L, можно составит следующее уравнение: Как видно из уравнения (1), скорость сдвига у поверхности стенки увеличивается, если расстояние L ме ду осями червяков приближается к на ружному диаметру R нарезки червяка, и, таким образом, глубина Н канала червяка уменьшается. С.уменьшением глубины Н канала червяка объем находящейся в зацепле нии части червяков уменьшается и, следовательно, время, в течение которого сырье подвергается сдв11гающе му действию, уменьшается. Это приводит к снижению действия по переме шиванию полимера и резкому падению производительности. Нарезки содержащего несколько червяков известного экструдера само очищающего типа имеют один и тот же наружный диаметр R . Если R и L по стоянны, то глубина Н () канала определяется однозначно, поэтому скорость сдвига у стенки также определяется однозначно. Это означает, что для того, чтобы получить интенсивный сдвиг при данной скорости вращения червяков в известном экструде- ре самоочищающего типа, необходимо уменьшить наружный диаметр R нарезки червяка по сравнению с расстоянием Ц между осями двух находящихся в зацеплений червяков, а именно уменьшить глубину канала червяка. Однако, если это сделано, действие червяков по перемешиванию полимера уменьшено и скорость выдавливания полимера резко упадет. Таким образом, для получения высокой скорости сдвига у поверхности стенки эффективность перемещения полимера и скорость вьщавливания или производительность должны быть уменьшены. Цель изобретения - повышение эффективности и интенсивности перемешивания материала . I . .Цель достигается тем, что в экструдере самоочищающегося типа, содержащем цилиндр и по меньшей мере два червяка, смонтированных с возможностью взаимозацепления и вращения в одном направлении относительно осей вращения, совпадающих с центральными осями червяков, и с возможностью контактирования в любом положении по меньшей мере на участках червяков, размещенных в продольном направлении экструдера, по контуру поперечного сечения одного из червяков, расположенному перпенди- . кулярно центральным осям червяков, в одной точке с контуром поперечного сечения другого червяка, причем каждый из червяков выполнен по меньшей мере с двумя нарезками, верхняя часть первой из которых смонтирована в контакте с внутренней поверхностью цилиндра, а часть контура поперечного сечения, образованная верхней , частью первой нарезки, выполнена в виде дуги с радиусом,- равным R/2, и с центром дуги, размещенным на центральной оси червяка, при этом верхняя часть второй нарезки расположена с зазором относительно внутренней поверхности цилиндра и образована дугообразным участком контура поперечного сечения червяка, зазор между верхней частью второй нарезки и внутренней поверхностью цилиндра выбран в виде постоянной величины S , определяемой из соотношения R/100. &й Н/2 а дугообразный участок контура второй нарезки образован радиусом, равным R/2-S , с центром дуги, размещенным на центральной оси червяка, где R - наружный .диаметр червяка, определяемый величиной удвоенного вертикального максимального расстояния от верхней части первой нарезки червяка до центральной его оси, И - глубина канал червяка, равная R - L , где I, - межцентровое расстояние взаимозацепляющихся червяков.

Кроме того, постоянная величина О зазора между верхней частью второй нарезки и внутренней поверхностью цилиндра определена из соотношения R /50 6 «Н/2, где R и Н именит указанные значения.

Благодаря конкретному вьтолнению профиля червяков обеспечивается циркуляция полимера между смежными каналами одного червяка и каналами другого червяка.

На фиг.1 представлен вариант, выполнения экструдера, сечение.в част червяка, вид в планерна фиг.2 сечение А-А на фиг.1, на фиг.З второй .вариант выполнения экструдера, сечение в части червяка} на фиг.4 - то же, вариант вьшолнения, на фиг.5 и 6 - контуры червяков в поперечном сечении цилиндра, взятом под прямым углом.к оси червяка зкструдера, содержащего.по две нарезки на червяке.

Червяки, использующиеся в экструдере, имеют по меньшей мере две. нарезки. Теоретически может быть образовано любое количество нарезок но в предлагаемом экструдере предпочтительны червяки, каядьй из которых имеет рт двух до четырех нарезо

Несколько червяков, встроенных в предлагаемый экструдер, имеют.один и тот же наружный диаметр. Но они могут иметь и отличающиеся один от другого наружные диаметры. Предлагаемый экструдер может иметь по . меньшей мере два таких червяка.

Экструдер самаочищающе;го ипа (фиг,1) имеет два червяка 1 и 1 с одним и тем же наружным диаметром, каждый из которых имеет две нарезки. Червяки 1 и 1 расположены в цилиндре 2 и имеют нарезки соответственно. 3 и З, вершины 4 и 4 ко-, торых находятся в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра 2, а нарезки 5 и 5 с вершинами 6 и 6 отделены от внутренней поверхности стенки цилиндра 2 заранее заданным радиальным зазором У.

Формы поперечных сечений червяков 1 и 1 зеркальны относительно друг друга (фиг.2). В любой промежуточной фазе вращения контур поперечного сечения червяка 1 находится в прочном контакте с контуром поперечного сег чения червяка 1 только в одной точке. Формы поперечных сечений червяков 1 и 1 обычно проектируются таким образом, чтобы точка контакта Р( Р) падала .на линию соединения гребней а и b цилиндра 2.

Термин в прочном контакте означает, что два элемента находятся во фрикционном контакте один с другим с обеспечением возможности скольжения, либо два элемента обращены один к другому с таким небольшим зазором между ними, что . полимер, предназначенный для перемешивания и вьщавливания, фактически не проходит через них..

Радиальный зазор о может изменяться соответственно применению экструдера в следующих диапазонах наружного диаметра (R) червяка и глубины () канала червяка, определяемой расстоянием L между осями находящихся во взаимном зацеплении червяков.

8/1ооб8 и/2 .

Предпочтительно

R/5Q S Н/2.

Наружньй диаметр червяка указывает на величину, получаемую удваиванием максимального вертикального расстояния от вершины нарезки червяка до его центральной оси.

Экструдер в варианте по фиг.З содержит два червяка с одним и тем же наружным диaмeтpo f (фиг.1 и .2), каждый из которых имеет две нарезки. Различие заключается в том, что в то время, как в варианте осуществления конструкции по фиг.1 и 2 в каждом червяк.е две нарезки существуют независимо одна от другой, присущие варианту осуществления конструкции согласно фиг.З две нарезки на каждом червяке сходятсяи образуют одну нарезку неправильной формы. Как видно из фиг.З, экструдер согласно этому варианту осуществления конструкции содержит два червяка 7 и , каждый из которых имеет две нарезки 8 и 9, или соответственно 8 и 9 . Из фиг.З видно, что две нарезки соединены с целью получения конструкции объединенной нарезки 10, вершина которой находится в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра 11, а плоскость 12 отделена от внутренней поверхности стенки цилиндра 11 заранее заданным радиаль ным зазором В . В варианте осуществления конструк ции экструдера, представленном на фиг.З, в поперечном сечении червяков взятом под прямым углом к оси червяка, идущей в продольном направлении экструдера, контур червяка 7 находится в прочном контакте с контуром червяка 7 только в одной точке, а радиальный зазор соответствует зазору, полученному регулировкой радиаль ного зазора о нарезок 5 и 5 червяко 1 и 1 экструдера, показанного на фиг.1 до половины I f5 --/R-Ll/sT глубины канала червяка, т.е. эта нарезка имеет специальную форму с наибольшим возможным радиальным зазором G . Экструдер, показанный на фиг.4, содержит два червяка 13 и 13, кажды из которых имеет три нарезки 14, 16 и 15 или соответственно 14 , 1б и 15 . из вершин 17 и 17 нарезок 16, 16 имеет радиальньш зазор d относительно внутренней поверхности стенки цилиндра 18, а остальные вершины 19 и 20 или 19 и 20 нарезок 14 и 15 или 14 и 15 находятся в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра 18. В экструдере по фиг.4 только одна из трех нарезок имеет радиальный зазор относительно внутренней поверхности стенки цилиндра, однако можно сконструировать такие червяки, чтобы вершины двух нарезок из трех имели радиальные зазоры относительно внут ренней поверхности цилиндра. Радиал ные зазоры двух на15езок могут быть одинаковыми либо отличаться один от другого. Ниже более подробно описан способ роектирования конструкции поперечого сечения червяков, используемых предлагаемом экструдере, включающем а червяка с одним и тем же наружным иаметром, каждый из которых имеет ве нарезки (фиг.1 и 2). Червяки согласно другим вариантам осущестчдения онструкции изобретения могут быть сконструированы точно таким же образом. Контуры поперечных сечений двух находящихся в зацеплении червяков показаны на фиг.5 и 6, из которых видно, что контур поперечного сечения червяка, взятого под прямым углом к его оси, представлядт собой комбина- цию групп дуг АВ , СО , EF и /QH с осью в качестве центра и группу кривых 6Е , FD , AQ и НС , определяемых методом аналитической геометрии. На фиг,5 представлён контур одного червяка в поперечном сечении, взятом под прямым углом к его оси, в фазе, при которой вершина одной нарезки сходится с гребнем о цилиндра. На фиг.6 показан подобный вид, на котором вершина одной из нарезок червяка находится в фазе некоторого отклонения от гребня Ъ цилиндра. . . . - Контур 21 внутренней поверхности цилиндра определяет экструдер, характерный для изобретения. В результате, расстояние L между осями О и О двух червяков 22 и 22 определено. Из того обстоятельства, что вершина одной нарезки находится в прочном контакте с контуром 21 цилиндра, может быть определен наружный диаметр R червяка. Если на фиг.5 угол L Ь оcJ образованный II - прямой линией С , образующей угол 45 с горизонтальной . осью о-Ь , проходящей через оси О и О и прямой линией Ь -О , соединяющей гребень о цилиндра с осью О , равен oi/2, то дуга АВ может быть выражена, как дуга, и eющaя радиус R/2 с центральным углом oii/2 по обеим сторонам прямой линии О -С. Эта дуга А8 определяет контур вершины нарезки, который находится в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра. Дуга EF представляет собой дугу, имеющую радиус (/U- -) с центральными углом о6/2 по обеим сторонам прямой линии е -f , которая прохоДит че рез ось о и пересекает прямую линию C-J под прямым углом к ней. Она опре деляет донную поверхность канала чер вяка в ее самом нижнем положении. Когда вершины двух нарезок находятся в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра, ка в известном типе червяка, весь конту поперечного сечения червяка, взятого под прямым углом к оси червяка, симметричен относительно прямой линии С - J и может быть вырахсен кривой А - В E-F- (О) -3- II Е-А. Установлено, что на основании све дений аналитической геометрии кривые , -. 8Е и F3 могут быть вьфажены приведенным ниже уравнением (J). . С другой;, стороны, контур вершины нарезки, имеющей радиальный зазор { с внутренней поверхностью стенки цилиндра, определяется дугой бв . Ду-. га СБ может быть выражена как дуга, имеющая центральный угол Z. СОО , когда окружность с радиусом ( проведена относительно О в качестве центра, а точка пересечения окружнос ти с кривой F обозначена D . Центральный угол LCOO может быть определен следующим образом. Если точкой, в которой окружность, имеющая радиус/- R-d, пересекает прямую линию q - Ь, соединяющую гребни а и b цилиндра за точкой О , будет точка k, то центральный угол L CoD может быть определен при предположении, что угол Сосс равен углу /. iCOo . Дуга GM представляет собой дугу, име . yroniCtOi (--Ы кнцую равен углу i СОoi , а угол HOf углу /DO 5 . Дуги AG и Не вьфажёны приведенным ниже ура.внением (i). Контуры червяков в их поперечном сечении, взятом под прямым углом к их оси, могут быть определены описанным способом, это и определяет конст рукцию червяков, используемых в предлагаемом экструдере. Если обратиться к фиг.6, на которой показано состояние согласно фиг. в стадии отклонения на., угол Cf , ур 1внеиие (л) может быть составлено, следующим способом. На фиг. 6 и- 5 контуры поперечных сечений двух червяков одни и те же, причем одинаковые части обозначены теми же самыми позициями. Проведена .являющаяся линией начала отсчета биссектриса с -J вертикального угла АОВ нарезки червяка 22, вершина которой находится в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра. Если расстояние от оси О до контура червяка 22 в поперечном сечении, взятом перпендикулярно его оси, в точке, смещенной от этой линии начала отсчета на угол Ср будет t , то можно составить следующее уравнение: Rb5in(6-q-w;) Rb eosie-M-u;)ir cose-U С 8+-|- -(-8, где - Ь -R-d ) J Q- угол зацепления, образованный прямой линией Ъ -О, соединяющей гребень Ь цилиндра с осью О и горизонтальной осью j h , 6 - горизонтальный угол, образованный прямой линией О-О, соединяющей точку контакта двух червяков с осью . Oj и горизонтальной осью - h J pt - вертикальный угол нарезки, образованный прямой линией А-0 иР-0(или А-О иЬ-о), соединяющей осьО(илиО)с вершинами ДиВ(или А иВ)нарезок червяка, вершины которых находятся в прочном контакте с внутренней поверхностью стенки цилиндра; (f угол L ЬрА , который щэедставляет собой угол поворота вершины Л нарезки червяка от гребня Ь цилиндраJ С) - угол, образуемый при вычитании 06/2 из угла, образованного прямой линией, соединяющей вершину с или С или О) нарёзкичервяка,имеющей радиальный зазоре осьюО(илиОи линией начала отсчета с-J( или с -d). Из приведенного уравнения г может быть определен при любом заданном угле Cf . Если .Г при изменении If наносится в системе прямоугольных координат, с г на оси ординат и у на оси абсцисс, то могут быть вычерчены кривые BE , FD , fb, , НС контура червяка в поперечном сечении, взятом под прямым углом к его оси. Кривые И , FO , AQ и Не контура червяка, полученные таким образом, огут быть представлены следующим уравнением (i). i()--T|v«- ° - t(i) -coe(-l)ir.(.u)q, С). и где R - наружный диаметр червяка; m - число нарезок червяка, 8 - радиальный зазор нарезки червяка i(R,S) - функция ( и 5 , соответствующая (I: - S ) ,8)- функция Ц и (j соответств ц Ща«(ч:) Экструдер работает следующим образом.. Так как предлагаемый экструдер сконструирован по форме таким образом, что по меньшей мере одна из нескольких нарезок червяка имеет конкретный радиальный зазор относительно цилиндра, то может быть достигнуто эффективное перемешивающее действие при переработке пластмасс (фиг.1 и 2). Полимер, подаваемый, например, в канал С, и червяка l , перемещается за нижнюю нарезку 5 через радиаль.ный зазор между ней и внутренней поверхностью стенки цилиндра с помощью толкающего действия нарезки 3 в левостороннем направлении и объед няется с полимером, находящимся в смежном канале С . При вращении червяка поток расплава полимера, показанный на фиг.1 стрелкой X, , образуется посредством трения полимера о внутреннюю поверхность цилин дра 2. Полимер, который течет вверх в направлении стрелки К, по каналу С разделяется у точки взаимного зацеп ления червяков 1 и 1 на поток, который движется по нормальному пути в направлении Z вдоль канала 1}у червяка, и поток, который движется к каналу 17 червяка, за вершину б нижней нарезки 5 , и таким образом продвигается в направлении, показан ном стрелкой Zg . Полимер, который перемещается в канал Bg червяка, перемешивается с полимером, находящимся в канале О, , примыкающим к нему через Нижню нарезку 5 посредством течения между каналами в направлении, показанном стрелкой X 2 . 7912. Полимер, который перемещается к каналу D червяка 1 из канала С , червяка 1, подобным образом перемешивается с полимером, находя1димся в канале D , примыканяцем к нему через нижнюю нарезку 5, посредством потока между каналами, показанного стрелками Х и Х . Таким образом, в предлагаемом экструдере самоочищающегося типа может быть достигнуто интенсивное перемешивание полимера посредством обмена потоков полимера мелщу каналами одного и того же червяка и между каналами двух находящихся в зацеплении червяков благодаря конкретному выполнению нарезок, и выбору величины постоянного зазора 8 . Кроме того, полимер циркулирует между смежными каналами через радиальный задор нарезок, как показано, например, стрелками X, , Xg , Х и Х. Из-за узкого радиального зазорА подвергается интенсивному сдвигающему действию. Когда нерасплавленный полимер или полимер с высокой вязкостью совместно присутствует в каналах, радиальный зазор выполняет фильтрующее действие, чтобы сделать вязкость расплава полимера в высшей степени равномерной. В частности, в зкструдере по фиг.З количество полимера, которое подвергается такому сдвигающему действию, и время, в течение которого он подвергается этому сдвигающему действию, могут быть сведены до максимума, и каналы червяка имеют конфигурацию, близкую к конфигурации общеизвестных машин с одним червяком. Каналы червяка того типа (фиг.З) создают фактор, обусловленный конфигурацией канала, который обеспечивает высокую эффективность перемещения и может дать очень интенсивный общий сдвиг при фиксированной скорости вы-{ давливания. Предлагаемый экструдер может осуществлять равномерное и интенсивное перемещение полимера.

1190979

/4-А

фиг. 2

1. ЭКСТРУДЕР САМООЧИЩАВДЕГОСЯ ТИПА, содержащий цилиндр, и по меньшей мере два червяка, смонтированных с возможностью взаимозацепления и вращения в одном направлении относительно осей вращения, совпадающих с центральными осями червяков, и с возможностью контактирования в , любом положении по меньшей мере на участках червяков, размещенных в продольном направлении экструдера, по контуру поперечного сечения одного из червяков, расположенному перпен-. дикулярно центральным осям червяков, в одной точке с контуром поперечного сечения другого червяка, причем каждый из червяков выполнен по меньшей мере с двумя нарезками, верхняя часть первой из которых смонтирована в контакте с внутренней поверхностью цилиндра, а часть контура поперечного сечения, образованная верхней частью первой нарезки, выполнена в виде дуги с радиусом,, равным R/2, и с центром дуги, размещенным на центральной оси червяка, при этом верхняя часть второй нарезки расположена с зазором относи -ельно внутренней поверхности цилиндра и образована дугообразным участком контура поперечного сечения червяка, о тличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и интенсивности перемещивания материала, зазор между верхней частью второй нарезки и внутренней поверхностью цилиндрга :ыбран в виде постоянной величины S , определяемой из соотношесо ния R /100 8 ; Н/2, а дугообразный участок контура второй нарезки образован радиусом, равным R /2- 8 , с центром дуги, размещенным на центральной оси червяка, где R - наружный диаметр червяка, определяемый величи- ной удвоенного вертикального мак;о симального расстояния от верхней части . первой нарезки червяка до центральной его оси, . со | Н - глубина- канала червяка, равная R-L , где 1 - межцентровое рас;о стояние взаимозацепляющихся червяков .. 2. Экструдер по П.1, отличающийся тем, что постоянная величина. S зазора меяду верхней частью второй нарезки и внутренней поверхностью цилиндра определена из соотношения , где R иН имеют указанные значения.

tlfvj

1012

Фиг.З

20 Iff 19

18

t9t l7t620f5