专利名称：一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机及测量方法
技术领域：
本发明是一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，主要涉及对螺杆挤出机固体输送段性能的测量方法，可真实在线检测螺杆挤出机固体输送段的产量和压力。
背景技术：
单螺杆挤出机固体输送段的性能是直接影响挤出产量的重要因素。一直以来，对固体输送段的研究都局限于在三段式单螺杆挤出机上对固体输送段进行定性在线模拟，由于组成单螺杆挤出机的固体输送、压缩和熔融三段之间是相互协同、相互关联，因此模拟值与真实值之间不可避免地存在较大偏差。为研究机筒衬套和螺杆结构参数及加工工艺参数改变对固体输送段性能的影响，同时还要略去螺杆压缩段和计量段等诸多变量对固体输送段性能的影响，《日本制钢所技报》中公开了一种检测螺杆挤出机固体输送段产量和压力的方法及设备，该设备由挤出机固体输送段和油控背压调整机构组成。其特点在于螺杆挤出机固体输送段与油控背压调整机构通过圆筒连接并将部分圆筒嵌入机筒衬套，在靠近油控背压调整机构端部的圆筒侧壁上开有一个与螺杆轴向垂直的出料孔实现物料挤出，该设备一定程度上可检测螺杆挤出机固体输送段的产量和压力。但是，因为结构设计上的缺陷，该设备具有如下缺点(1)由于圆筒侧壁上的出料孔的轴向与固体输送段螺杆的轴向垂直， 且圆筒侧壁上只有一个出料孔实现物料挤出，因此，该试验机中的物料在固体输送段末端的运动轨迹严重偏离挤出机中物料的真实运动轨迹，出料口出料状态不能真实反映固体输送段物料输送情况，导致固体输送段末端测量压力值严重偏大；( 由于圆筒侧壁上的出料孔的面积恒定，因此，对不同的机筒衬套和螺杆的结构参数组合的适应性差，易导致固体输送段输送物料的能力与出料口挤出物料的能力之间不相匹配；C3)出料孔区域的结构设计为非光滑过渡曲面，由于固体物料的流动性差，易在出料孔区域的尖角处产生滞料区，导致出料不畅甚至堵塞出料孔。《挤出理论及应用》一书中也公开了一种检测螺杆挤出机固体输送段产量和压力的方法及装置。这一改进方法及装置的特点在于在螺杆挤出机固体输送段末端安装与螺杆同轴的弹簧调压装置，在弹簧调压装置与螺杆挤出机固体输送段之间安装顶锥，实现对螺杆挤出机固体输送段末端挤出物料施加压力，并将机筒衬套内截面设为一个大出料孔， 虽然该方案可弥补《日本制钢所技报》中公开的方案易堵出料孔和物料流动方向与真实偏差大的缺点。但是，该装置还存在以下缺陷(1)机筒衬套内截面仅设为一个大出料孔，螺杆头部的物料不能保持沿挤出机中物料的真实运动轨迹从出料口排料，因此不能真实反映物料在固体输送段末端的挤出过程，导致压力测试误差较大；( 因为出料孔的总面积远大于螺杆螺槽的面积(光滑机筒衬套)或螺杆螺槽的面积和机筒衬套沟槽的面积之和(开槽机筒衬套)，因此，从出料孔挤出的物料有很大的压力降，易导致实测条件发生较大偏差； (3)当顶锥在高压物料作用下后退时，由于挤出物料的压力降和物料与顶锥接触面积的不断变化，使测试条件与真实状态下物料在熔融段仍受稳定的高压作用不一致，导致实测压力值波动大、偏差大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机及测量方法，有效弥补了已有的检测螺杆挤出机固体输送段产量和压力的方法及装置带来的物料运动轨迹失真、堵塞出料孔、压力波动大等缺陷，实现真实在线检测螺杆挤出机固体输送段的产量和压力。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，其特征在于包括压缩弹簧1、称重传感器3、锥套5、导流锥7、固体输送段机筒11和固体输送段螺杆12，锥套5与导流锥7通过锥套法兰4连接并将锥套5嵌入固体输送段机筒11末端的机筒衬套10内，靠近锥套法兰 4端部的锥套5的侧壁上沿固体输送段螺杆12轴向等距均布至少2排锥套出料孔6，导流锥7末端连接称重传感器3，称重传感器3与压缩弹簧1通过弹簧挡板2连接，实现对固体输送段螺杆12头部挤出物料施加压力。嵌入固体输送段机筒11内壁的机筒衬套10为光滑机筒衬套或开槽机筒衬套；当机筒衬套10为光滑机筒衬套时，锥套出料孔6的总面积等于螺杆螺槽8的面积；当机筒衬套10为开槽机筒衬套时，锥套出料孔6的总面积等于螺杆螺槽8的面积与机筒衬套沟槽9 的面积之和；以确保单位时间内固体输送段螺杆12旋转向前输送的物料体积与锥套出料孔6挤出的物料体积相等，实现螺杆挤出固体输送段的物料输送能力与锥套出料孔6的物料挤出能力之间的匹配。锥套5的外径等于螺杆直径，锥套5的侧壁上沿螺杆轴向等距均布至少2排锥套出料孔6，所有锥套出料孔6沿锥套5周向均布并且交错插空排列，锥套出料孔6的轴向与固体输送段螺杆12的轴向夹角Q1SKT -60°，锥套5与锥套法兰4间通过螺纹连接，螺纹旋向与螺杆螺棱旋向相反，锥套5螺纹的长度小于锥套法兰4螺纹的长度，通过调节锥套 5螺纹旋入锥套法兰4的深度改变靠近锥套法兰4端部的锥套出料孔6的有效工作面积，保证锥套出料孔6的总面积等于螺杆螺槽8的面积与机筒衬套沟槽9的面积之和。当固体输送段螺杆12直径不变，螺杆螺槽8面积和机筒衬套沟槽9面积增大时， 螺杆挤出固体输送段对物料的输送能力增强，因此，锥套出料孔6的总面积也必须相应增大以提高锥套出料孔6对物料的挤出能力。物料输送能力的增强导致锥套5内的物料流率增大，为了避免物料流率增大时在锥套出料孔6之间产生滞料区，应通过沿固体输送段螺杆12轴向等距均布至少2排锥套出料孔6的方式来增大锥套出料孔6的总面积，实现螺杆挤出固体输送段的物料输送能力与锥套出料孔6的物料挤出能力之间的匹配。根据权利要求1所述的一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，其特征在于 靠近螺杆头部处锥套5的端面壁厚为lmm-5mm，靠近螺杆头部处锥套5的内壁为斜面，锥套 5内壁斜面与螺杆的轴向夹角92为10° -30°。根据权利要求1所述的一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，其特征在于 导流锥7的最接近锥套出料孔6的锥面倾角θ 3等于锥套出料孔6的轴向与固体输送段螺杆12的轴向夹角θ1()导流锥7的锥面沿螺杆轴向的最佳长度应与锥套5长度基本相等， 确保物料进入锥套后即刻受到导流锥的锥面的引流作用；随固体输送段螺杆12直径和长径比的增大，锥套5长度变大，压缩弹簧1和称重传感器3的量程增大，随固体输送段螺杆12直径和长径比的减�。短�5长度变�。顾醯�1和称重传感器3的量程变小，以适应螺杆尺寸变化时导致的固体输送段末端压力值大小的变化。应用权利要求1所述的螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机的测量方法，其特征在于工作中，固体输送段螺杆12旋转向前输送固体物料，物料在螺杆头部积聚建压，高压物料作用在导流锥7的锥面上的压力推动导流锥7向后运动挤压称重传感器3，并压缩固连于弹簧挡板2上的压缩弹簧1，导流锥7后退过程时，带动与导流锥7相连接的锥套5后退，锥套出料孔6露出在机筒衬套10外，在螺杆螺棱推力和导流锥7的锥面的引流作用下， 积聚在螺杆头部的高压物料沿锥套出料孔6实现稳态挤出，并保持正常挤出过程中的运动轨迹；通过在线测量锥套出料孔6的产量，检测螺杆挤出固体输送段的产量，通过在线观测与称重传感器3连接的数字显示仪所显示的压力值，检测螺杆挤出固体输送段末端的压力值。同时，根据不同的机筒衬套10和螺杆12的结构参数组合，通过调节锥套5螺纹旋入锥套法兰4的深度改变靠近锥套法兰4端部的锥套出料孔6的有效工作面积，保证锥套出料孔6的总面积等于螺杆螺槽8的面积与机筒衬套沟槽9的面积之和，真实反映螺杆挤出机固体输送段的挤出过程。本发明一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机及测量方法与现有技术相比较， 本发明具有以下优点(1)由于锥套出料孔在锥套侧壁上沿圆周方向均布，且锥套出料孔与导流锥的光滑锥面倾角相同，在导流锥的锥面的引流作用下，锥套内物料的运动轨迹与挤出机中物料的真实运动轨迹一致，有效弥补了物料运动轨迹失真及滞料区出现导致的压力测试误差；(2)由于可通过调节锥套螺纹旋入锥套法兰的深度改变靠近锥套法兰端部的锥套出料孔的有效工作面积，保证锥套出料孔的总面积与机筒衬套沟槽的面积和螺杆螺槽的面积之间的匹配，因此，满足了不同的机筒衬套和螺杆的结构参数组合，真实反映了螺杆挤出固体输送段的挤出过程；(3)由于工作中锥套始终嵌入机筒衬套内，物料必须先进入锥套内部后再从锥套出料孔实现连续挤出，因此，有效避免了在锥套运动过程中物料在固体输送段机筒末端的压力降，这与挤出机中物料在固体输送段机筒末端的真实受力状态一致；(4)由于物料必须在导流锥的锥面的引流作用下先进入锥套内部后再从锥套出料孔实现连续挤出，因此，锥套内的高压物料与导流锥的锥面的接触面积在锥套的运动过程中保持不变，有效避免了高压物料作用在导流锥的锥面上的压力波动，实现了稳压挤出。
图1 本发明螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机剖视图；图2:本发明锥套剖视图；图3 本发明导流锥结构示意图；图中1为压缩弹簧；2为弹簧挡板；3为称重传感器；4为锥套法兰；5为锥套；6为锥套出料孔；7为导流锥；8为螺杆螺槽；9为机筒衬套沟槽；10为机筒衬套；11为固体输送段机筒；12为固体输送段螺杆。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明。请参阅图1所示，为本发明螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机剖视图。从图中可以看出，1为压缩弹簧；2为弹簧挡板；3为称重传感器；4为锥套法兰；5为锥套；6为锥套出料孔；7为导流锥；8为螺杆螺槽；9为机筒衬套沟槽；10为机筒衬套；11为固体输送段机筒；12为固体输送段螺杆；请参阅图2所示，为本发明锥套剖视图。从图中可以看出，6为锥套出料孔；请参阅图3所示，为本发明导流锥结构示意图。第一实施例本实例加工原料为低密度聚乙烯牌号LD607，固体输送段螺杆直径 45mm,长径比5. 8，螺纹头数1，右旋，螺槽深3. 2mm,螺杆转速40r/min ；机筒衬套长341mm， 机筒衬套沟槽左旋，沟槽数8，沟槽螺旋角50°，沟槽深2mm，沟槽宽8mm ；锥套长70mm，锥套外径45mm，锥套壁厚5mm，锥套出料孔数16，分2排沿锥套周向均布并且交错插空排列，每排 8个锥套出料孔，2排锥套出料孔轴线沿螺杆轴向间距7mm，锥套出料孔直径7mm，锥套出料孔的轴向与螺杆的轴向夹角Q1S3CT，靠近螺杆头部处锥套端面壁厚为1mm，锥套内壁斜面与螺杆轴向夹角92为15°，锥套螺纹长度7mm，锥套法兰螺纹长度17mm，锥套螺纹旋入锥套法兰深度7mm。本发明的螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机工作原理及测试方法如见图1，工作中，固体输送段螺杆12旋转向前输送固体物料，物料在螺杆头部积聚建压，高压物料作用在导流锥7的锥面上的压力推动导流锥7向后运动挤压称重传感器3，并压缩固连于弹簧挡板2上的压缩弹簧1，导流锥7后退过程时，带动与导流锥7相连接的锥套5后退，锥套出料孔6露出在机筒衬套10外，在螺杆螺棱推力和导流锥7的锥面的引流作用下，积聚在螺杆头部的高压物料沿锥套出料孔6实现稳态挤出，并保持正常挤出过程中的运动轨迹；通过在线测量锥套出料孔6的产量检测螺杆挤出固体输送段的产量，通过在线观测与称重传感器3连接的数字显示仪所显示的压力值，检测螺杆挤出固体输送段末端的压力值。同时， 根据不同的机筒衬套10和螺杆12的结构参数组合，可通过调节锥套5螺纹旋入锥套法兰4 的深度改变靠近锥套法兰4端部的锥套出料孔6的有效工作面积，保证锥套出料孔6的总面积等于机筒衬套沟槽9的面积与螺杆螺槽8的面积之和，真实反映螺杆挤出机固体输送段的挤出过程。按该固体输送段在线模拟试验机在线测量的固体输送产量为21. 5Kg/h,固体输送段末端压力值为21. 2MPa，而同等参数下按理论计算得到的固体输送产量为23. lKg/h，固体输送段末端压力值为23. 5MPa。第二实施例本实例加工原料为低密度聚乙烯牌号LD607，固体输送段螺杆直径 45mm,长径比5. 8，螺纹头数1，右旋，螺槽深3. 2mm,螺杆转速40r/min ；机筒衬套长341mm， 机筒衬套沟槽数8，沟槽螺旋角90°，沟槽深1. 5mm,沟槽宽8mm ；锥套长70mm，锥套外径 45mm,锥套壁厚5mm，锥套出料孔数16，分2排沿锥套周向均布并且交错插空排列，每排8个锥套出料孔，2排锥套出料孔轴线沿螺杆轴向间距7mm，锥套出料孔直径7mm，锥套出料孔的轴向与螺杆的轴向夹角Q1SSCT，靠近螺杆头部处锥套端面壁厚为1mm，锥套内壁斜面与螺杆轴向夹角92为15°，锥套螺纹长度7mm，锥套法兰螺纹长度17mm，锥套螺纹旋入锥套法兰深度12_。本发明的螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机工作原理及测试方法如见图1，工作中，固体输送段螺杆12旋转向前输送固体物料，物料在螺杆头部积聚建压，高压物料作用在导流锥7的锥面上的压力推动导流锥7向后运动挤压称重传感器3，并压缩固连于弹簧挡板2上的压缩弹簧1，导流锥7后退过程时，带动与导流锥7相连接的锥套5后退，锥套出料孔6露出在机筒衬套10外，在螺杆螺棱推力和导流锥7的锥面的引流作用下，积聚在螺杆头部的高压物料沿锥套出料孔6实现稳态挤出，并保持正常挤出过程中的运动轨迹；通过在线测量锥套出料孔6的产量检测螺杆挤出固体输送段的产量，通过在线观测与称重传感器3连接的数字显示仪所显示的压力值，检测螺杆挤出固体输送段末端的压力值。同时， 根据不同的机筒衬套10和螺杆12的结构参数组合，通过调节锥套5螺纹旋入锥套法兰4 的深度改变靠近锥套法兰4端部的锥套出料孔6的有效工作面积，保证锥套出料孔6的总面积等于机筒衬套沟槽9的面积与螺杆螺槽8的面积之和，真实反映螺杆挤出机固体输送段的挤出过程。按该固体输送段在线模拟试验机在线测量的固体输送产量为20. 6Kg/h，固体输送段末端压力值为22. 4MPa。本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，因此，与本发明的权利要求书相当的含有和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，其特征在于包括压缩弹簧(1)、称重传感器(3)、锥套(5)、导流锥(7)、固体输送段机筒(11)和固体输送段螺杆(12)，锥套(5)与导流锥(7)通过锥套法兰(4)连接并将锥套( 嵌入固体输送段机筒(11)末端的机筒衬套(10)内，靠近锥套法兰(4)端部的锥套(5)的侧壁上沿固体输送段螺杆(1 轴向等距均布至少2排锥套出料孔(6)，导流锥(7)末端连接称重传感器(3)，称重传感器C3)与压缩弹簧(1)通过弹簧挡板( 连接，实现对固体输送段螺杆(1 头部挤出物料施加压力。嵌入固体输送段机筒(11)内壁的机筒衬套(10)为光滑机筒衬套或开槽机筒衬套；当机筒衬套(10)为光滑机筒衬套时，锥套出料孔(6)的总面积等于螺杆螺槽(8)的面积；当机筒衬套(10)为开槽机筒衬套时，锥套出料孔(6)的总面积等于螺杆螺槽(8)的面积与机筒衬套沟槽(9)的面积之和；锥套(5)的外径等于螺杆直径，锥套(5)的侧壁上沿螺杆轴向等距均布至少2排锥套出料孔(6)，所有锥套出料孔(6)沿锥套(5)周向均布并且交错插空排列，锥套出料孔(6) 的轴向与固体输送段螺杆(12)的轴向夹角为10° -60°，锥套(5)与锥套法兰间通过螺纹连接，螺纹旋向与螺杆螺棱旋向相反，锥套( 螺纹的长度小于锥套法兰(4)螺纹的长度。
2.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，其特征在于靠近螺杆头部处锥套(5)的端面壁厚为lmm-5mm，靠近螺杆头部处锥套(5)的内壁为斜面，锥套(5)内壁斜面与螺杆的轴向夹角为10° -30°。
3.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机，其特征在于导流锥(7)的最接近锥套出料孔(6)的锥面倾角等于锥套出料孔(6)的轴向与固体输送段螺杆(12)的轴向夹角。
4.应用权利要求1所述的螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机的测量方法，其特征在于工作中，固体输送段螺杆(1 旋转向前输送固体物料，物料在螺杆头部积聚建压，高压物料作用在导流锥(7)的锥面上的压力推动导流锥(7)向后运动挤压称重传感器(3)，并压缩固连于弹簧挡板( 上的压缩弹簧(1)，导流锥(7)后退过程时，带动与导流锥(7)相连接的锥套( 后退，锥套出料孔(6)露出在机筒衬套(10)外，在螺杆螺棱推力和导流锥 (7)的锥面的引流作用下，积聚在螺杆头部的高压物料沿锥套出料孔(6)实现稳态挤出，并保持正常挤出过程中的运动轨迹；通过在线测量锥套出料孔(6)的产量，检测螺杆挤出固体输送段的产量，通过在线观测与称重传感器C3)连接的数字显示仪所显示的压力值，检测螺杆挤出固体输送段末端的压力值。
全文摘要
本发明公开了一种螺杆挤出固体输送段在线模拟试验机和产量及压力的测量方法，试验机包括压缩弹簧、称重传感器、锥套、导流锥、固体输送段机筒和固体输送段螺杆。固体输送段螺杆旋转向前输送固体物料，物料在螺杆头部积聚建压，高压物料作用在导流锥的锥面上的压力推动导流锥向后运动挤压称重传感器，并压缩固连于弹簧挡板上的压缩弹簧，导流锥后退过程时，带动与导流锥相连接的锥套后退，锥套出料孔露出在机筒衬套外，在螺杆螺棱推力和导流锥的锥面的引流作用下，积聚在螺杆头部的高压物料沿锥套出料孔实现稳态挤出。本发明弥补了已有的检测螺杆挤出机固体输送段产量和压力的方法及设备带来的物料运动轨迹失真、堵塞出料孔、压力波动大等缺陷。
文档编号G01L5/00GK102213648SQ20111008280
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者潘龙, 苗立荣, 薛平, 贾明印 申请人:北京化工大学
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