СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШНЕКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF SCREW ELEMENTS MANUFACTURING

Изобретение касается способа изготовления самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, компьютерного программного продукта для реализации способа на компьютерной системе, новых шнековых профилей, которые созданы посредством указанного способа, и применения шнековых профилей в шнековых и переходных элементах.
Равнонаправленные двухвальные и многовальные экструдеры известны специалисту из патентной и специальной литературы. В качестве примера следует упомянуть следующую публикацию [1]: K. Kohlgrüber: „Der gleichläufige Doppelschneckenextruder", Hanser Verlag, 2007. В этой публикации подробно изложены строение, функция и способ работы двухвальных и многовальных экструдеров. Отдельная глава (стр.227-248) посвящена шнековым элементам и способам их работы. В ней подробно описаны строение и функция транспортировочных, месильных и смесительных элементов. Для перехода между различными шнековыми элементами с различным числом ходов часто в качестве распорной втулки используют подкладные диски. В особых случаях используют так называемые переходные элементы, которые позволяют осуществить плавный переход между двумя шнековыми профилями с различным числом витков, причем в каждой точке перехода имеет место самоочищающаяся пара профилей шнеков. Если ниже упоминают и описывают шнековые элементы и шнековые профили, под ними также подразумевают переходные элементы и их профили. Профили, относящиеся к переходным элементам, называют также переходными профилями.
Как известно специалисту, и как, например, изложено в [1] на страницах 96-98, известный самоочищающийся шнековый профиль по Эрдменгеру можно однозначно задать тремя величинами: числом ходов (витков) z, наружным радиусом шнека ra и межосевым расстоянием a. Число витков z - это целое число, большее или равное 1. Еще одна важная величина профиля шнека - это внутренний радиус ri. Еще одна важная величина профиля шнека - это глубина витка h.
Как ведомо специалисту, и как, например, можно прочесть в [1] на стр.96-98, известный самоочищающийся шнековый профиль по Эрдменгеру построен из дуг окружности. Размер дуги окружности задается ее центральным углом и радиусом. В дальнейшем центральный угол дуги окружности для краткости называется углом дуги окружности. Положение дуги окружности определяется положением ее центра и положением ее начальной или конечной точки, причем какая точка является начальной, а какая конечной, не задано, поскольку дугу окружности можно конструировать, начиная с начальной точки и заканчивая конечной точкой по часовой стрелке или против часовой стрелки. Начальная и конечная точка взаимозаменяемы.
Известные до сих пор способы создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлением, характеризуются тем недостатком, что с математической точки зрения они сложны и всегда привязаны к конкретным шнековым профилям, например, к шнековому профилю по Эрдменгеру. Известные способы создания шнековых профилей по Эрдменгеру приведены в [1] или в публикации Booy [2]: „Geometry of fully wiped twin-screw equipment, Polymer Engineering and Science 18 (1978) 12, стр.973-984. В упомянутых публикациях для создания шнековых профилей используют ту кинематическую особенность, что вращение двух валов в одном направлении вокруг фиксированных осей с точки зрения кинематики идентично «сдвигу без ротации» одного вала вокруг другого, в таком случае неподвижного. Эту особенность можно использовать для того, чтобы пошаговым образом создавать шнековые профили. При таком рассмотрении первый шнек («создаваемый») зафиксирован неподвижно, а второй шнек («создающий») поступательно перемещают вокруг первого по дуге окружности. Можно задать только часть профиля на втором шнеке и изучить, какой профиль при этом будет таким образом создан на первом шнеке. Создающий шнек в определенном смысле «вырезает» создаваемый. В публикации [1] не приведен, однако, никакой способ создания самой предварительно заданной части второго шнека. В [2] описан возможный подход, позволяющий генерировать участок профиля, из которого можно исходить, и из которого создают остальную часть профиля. Этот подход, однако, очень сложен с математической точки зрения и в первую очередь не универсален, то есть, произвольные профили шнековых и переходных элементов создавать нельзя.
Таким образом, исходя из известного уровня техники, поставлена задача предложить способ создания шнековых профилей, с помощью которого можно создавать профили шнеков без предварительного задания уже существующих профилей и/или участков профилей. Кроме того, поставлена задача предложить способ, с помощью которого можно создавать произвольные профили шнековых и переходных элементов с плотным зацеплением. Также поставлена задача предложить способ, с помощью которого профили шнековых и переходных элементов с плотным зацеплением можно создавать простым образом. Необходимо, чтобы этот способ можно было реализовывать с помощью циркуля и угольника, без необходимости в сложных вычислениях.
Неожиданно было обнаружено, что эту задачу можно решить с помощью способа, при реализации которого профили шнековых элементов полностью образуются дугами окружности, тангенциально (по касательной) переходящих друг в друга, причем дуга окружности может также иметь радиус, равный нулю.
Поэтому предметом изобретения является способ создания плоских, самоочищающихся шнековых элементов с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, расстояние а между осями вращения создающего и создаваемого профилей шнека у которых можно варьировать, отличается тем, что создающий профиль шнека формируется из n дуг окружности, а создаваемый профиль шнека - из n′ дуг окружности.
Способ согласно изобретению не ограничен шнековыми элементами обычной ныне модульной конструкции, состоящей из шнековых элементов и центральных валов, а применим также к шнекам сплошной конструкции. Поэтому под понятием "шнековые элементы" подразумевают также сплошные шнеки.
Способ согласно изобретению с одной стороны дает пользователю этого способа определенную степень свободы. Эти степени свободы проявляются в том, что определенные величины можно выбирать произвольно. Чтобы получить правильные профили шнеков, с другой стороны, необходимо выполнять определенные условия. Эти условия выражаются в том, что некоторые величины должны иметь определенное значение, или же их значение должно лежать в пределах определенного диапазона. Под «правильными» профилями шнеков здесь подразумевают профили шнеков, имеющие соответствующие требованиям свойства, то есть плоские, с плотным зацеплением, самоочищающиеся и вращающиеся в одном направлении. Такие шнековые профили можно применять для изготовления шнековых и переходных элементов в многовальных экструдерах.
Способ изготовления V0 согласно изобретению отличается тем, что
- создающий профиль шнека и созданный профиль шнека располагаются в одной плоскости,
- ось вращения создающего профиля шнека и ось вращения создаваемого профиля шнека в каждом случае пересекают под прямым углом указанную плоскость профилей шнека, причем точку пересечения оси вращения создающего профиля шнека с указанной плоскостью называют центром вращения создающего профиля шнека, а точку пересечения оси вращения создаваемого профиля шнека с указанной плоскостью называют центром вращения создаваемого профиля шнека,
- выбирают число дуг окружности n создающего профиля шнека, причем n - это целое число, большее или равное 1,
- выбирают наружный радиус ra создающего профиля шнека, причем ra может принимать значения, большие 0 (ra>0) и меньшие или равные межосевому расстоянию (ra≤a),
- выбирают внутренний радиус ri создающего профиля шнека, причем ri может принимать значения, большие или равные 0 (ri≥0) и меньшие или равные ra (ri≤ra),
- дуги окружности создающего профиля шнека располагаются вокруг оси вращения создающего профиля шнека в направлении по часовой или против часовой стрелки соответственно нижеследующим правилам расположения так, что:
- все дуги окружности создающего профиля шнека переходят друг в друга по касательной таким образом, что получается замкнутый выпуклый профиль. причем дуга окружности, радиус которой равен 0, рассматривают как дугу окружности, радиус которой составляет eps, причем eps - это очень малое вещественное положительное число, стремящееся к нулю (eps<<1, eps→0),
- каждая из дуг окружности создаваемого профиля шнека располагается внутри или на границе кольца, имеющего наружный радиус ra и внутренний радиус ri, центр которого лежит в центре вращения создающего профиля шнека,
- По меньшей мере одна из дуг окружности создающего профиля шнека касается наружного радиуса ra создающего профиля шнека,
- По меньшей мере одна из дуг окружности создающего профиля шнека касается внутреннего радиуса ri создающего профиля шнека,
- величину первой дуги окружности создающего профиля шнека, заданной углом α_1 и радиусом r_1, выбирают так, чтобы угол α_1 в радианах был больше или равен 0 и меньше или равен 2π, причем под π подразумевается отношение длины окружности к ее диаметру (π≈3,14159), а радиус r_1 был больше или равен 0 и меньше межосевого расстояния a или равен ему, а расположение этой первой дуги окружности создающего профиля шнека, получаемое при размещении двух различных точек этой первой дуги окружности, задают в соответствии с указанными правилами расположения, причем первой подлежащей размещению точкой этой первой дуги окружности предпочтительно является начальная точка этой первой дуги окружности, а второй подлежащей размещению точкой этой первой дуги окружности предпочтительно является центр этой первой дуги окружности,
- величины дальнейших n-2 дуг окружности создающего профиля шнека, заданных углами α_2, …, α_(n-1) и радиусами r_2, …, r_(n-1), выбирают так, чтобы углы α_2, …, α_(n-1) в радианах были больше или равны 0 и меньше или равны 2π, а радиусы r_2, …, r, (n-1) были больше или равны 0 и меньше межосевого расстояния a или равны ему, а размещение этих остальных n-2 дуг окружности создающего профиля шнека задают в соответствии с указанными правилами расположения,
- величину последней дуги окружности создающего профиля шнека, заданной углом α_n и радиусом r_n, определяется тем, что сумма n углов n дуг окружности создающего профиля шнека в радианах равняется 2π, причем угол α_n в радианах больше или равен 0 и меньше или равен 2π, а радиус r_n замыкает создающий профиль шнека, причем радиус r_n больше или равен 0 и меньше межосевого расстояния a или равен ему, а размещение этой последней дуги окружности создающего профиля шнека задают в соответствии с указанными правилами расположения,
- n′ дуг окружности создаваемого профиля шнека формируют из n дуг окружности создающего профиля шнека посредством того, что
- число дуг окружности создаваемого профиля шнека n′ равно числу дуг окружности создающего профиля шнека n, причем n′ - целое число,
- наружный радиус создаваемого профиля шнека ra′ равен разности при вычитании внутреннего радиуса ri создающего профиля шнека из межосевого расстояния (ra′=a-ri),
- внутренний радиус создаваемого профиля шнека ri′ равен разности при вычитании наружного радиуса ra создающего профиля шнека из межосевого расстояния (ri′=a-ra),
- угол α_i′ i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека равен углу α_i i-й дуги окружности создающего профиля шнека, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′ (α_1′=α_1, …, α_n′=α_n),
- сумма радиуса r_i′ i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека и радиуса r_i i-й дуги окружности создающего профиля шнека равна межосевому расстоянию a, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′ (r_1′+r_1=a, …, r_n′+r_n=a),
- центр i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека находится от центра i-й дуги окружности создающего профиля шнека на расстоянии, которое равно межцентровому расстоянию a, и центр i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека находится от центра вращения создаваемого профиля шнека на расстоянии, которое равно расстоянию от центра i-й дуги окружности создающего профиля шнека до центра вращения создающего профиля шнека, а линия, соединяющая центр i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека с центром i-й дуги окружности создающего профиля шнека, проходит параллельно линии, соединяющей центр вращения создаваемого профиля шнека и центр вращения создающего профиля шнека, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′,
- начальная точка i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека располагается относительно центра i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека в направлении, противоположном направлению, в котором лежит начальная точка i-й дуги окружности создающего профиля шнека относительно центра i-й дуги окружности создающего профиля шнека, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′ (i′=i),
Из общего способа V0 создания плоских самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, вытекают следующие свойства создаваемого профиля шнека:
- создаваемый профиль шнека замкнутый,
- создаваемый профиль шнека выпуклый,
- каждая дуга окружности создаваемого профиля шнека переходит в следующую дугу окружности создаваемого профиля шнека по касательной таким образом, что получается замкнутый выпуклый профиль, причем дугу окружности, радиус которой равен 0, рассматривают как дугу окружности, радиус которой составляет eps, причем eps - это очень малое вещественное положительное число, стремящееся к нулю (eps<<1, eps→0),
- каждая из дуг окружности создаваемого профиля шнека располагается внутри или на границе кольца, имеющего наружный радиус ra′ и внутренний радиус ri′, центр которого лежит в центре вращения создающего профиля шнека,
- по меньшей мере одна из дуг окружности создаваемого профиля шнека касается наружного радиуса ra′ создаваемого профиля шнека,
- По меньшей мере одна из дуг окружности создаваемого профиля шнека касается внутреннего радиуса ri′ создаваемого профиля шнека,
Из способа V0 создания плоских самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, также вытекает, что только в том случае, когда внутренний радиус ri создающего профиля шнека равен разности при вычитании наружного радиуса ra создающего профиля шнека из межосевого расстояния (ri=a-ra), наружный радиус ra′ создаваемого профиля шнека будет равен наружному радиусу ra создающего профиля шнека, а внутренний радиус ri′ создаваемого профиля шнека будет равен внутреннему радиусу ri создающего профиля шнека.
Если в создающем профиле шнека имеется дуга окружности с радиусом r_i=0, то в месте этой дуги окружности наблюдается перегиб профиля шнека, размер которого характеризуется углом α_i. Если в создаваемом профиле шнека имеется дуга окружности с радиусом r, i′=0, то в месте этой дуги окружности наблюдается перегиб профиля шнека, размер которого характеризуется углом α, i′.
Кроме того, способ V0 создания ровных самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, отличается тем, что его можно реализовывать с помощью исключительно угольника и циркуля. Так, переход по касательной от i-й к (i+1)-й дуге окружности создающего профиля шнека конструируют, описывая вокруг конечной точки i-й дуги окружности окружность радиусом r_(i+1), а ближняя к центру вращения создающего профиля шнека точка пересечения этой окружности с прямой, задаваемой центром и конечной точкой i-й дуги окружности, становится центром (i+1)-й дуги окружности. На практике для конструирования профилей шнека вместо циркуля и угольника целесообразно применять компьютерную программу.
Профили шнеков, изготовленные способом V0 согласно изобретению, не зависят от числа витков z.
Создаваемый профиль шнека может быть не идентичен создающему профилю шнека. Из изложения специалисту легко понять, что этот способ V0, в частности, пригоден для того, чтобы создавать переходные элементы между шнековыми элементами с различным числом витков. Начиная с z-ходового профиля шнека, возможно шаг за шагом изменять создающий и создаваемый профили шнека так, чтобы в конце концов получить профиль шнека с числом витков z′, отличным от z. При этом во время перехода допускается уменьшение или увеличение числа дуг окружности.
Типичные профили шнеков, применяемые на практике, отличаются тем, что создающий и создаваемый профили шнеков при нечетном числе ходов идентичны, а при четном числе ходов создаваемый профиль шнека совпадает с создающем профилем шнека (перекрывает его) при повороте создающего или создаваемого профиля шнека на π/z. Такие шнековые профили с числом витков z, известные на нынешнем техническом уровне, отличаются тем, что имеют в точности z плоскостей симметрии, которые перпендикулярны плоскости создающего шнекового профиля и проходят через ость вращения создающего шнекового профиля. Аналогичное справедливо для создаваемого профиля шнека. Профили шнеков состоят в каждом случае из 2*z отделов с углом отдела π/z относительно центра вращения соответствующего профиля шнека, которые можно совместить друг с другом посредством вращения или посредством отражения относительно плоскостей симметрии. Такие шнековые профили называют симметричными. В особой форме исполнения способа согласно изобретению для создания плоских, самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, - ниже называемой VA1 - имеется число витков z, разделяющее профили шнеков на 2*z отделов. С помощью особой формы исполнения VA1 способа согласно изобретению можно, однако создавать не только симметричные шнековые профили, в которых 2*z отдела могут перекрывать друг друга при вращении и/или при отражении от плоскостей симметрии, но и асимметричные.
Эта особая форма исполнения VA1 способа согласно изобретению отличается тем, что
- выбирают число витков z причем z - целое число, большее или равное 1,
- число дуг окружности n создающего профиля шнека выбирают так, чтобы оно нацело делилось на 4*z, давая в частном p;
- создающий профиль шнека разделяют на 2*z отделов, которые отличаются тем, что
- каждый отдел ограничен двумя прямыми, угол между которыми в радианах составляет π/z, и которые пересекаются друг с другом в центре вращения создающего профиля шнека, причем две эти прямые называют границами отдела, и причем под π подразумевается отношение длины окружности к ее диаметру (π≈3,14159),
- каждый из этих 2*z отделов подразделяют на первую и вторую часть,
- первая часть отдела формируется p дугами окружности, которые пронумерованы в порядке возрастания или убывания,
- относящиеся к p дугам окружности углы α_1, …, α_p выбирают так, чтобы сумма этих углов была равна π/(2*z), причем углы α_1, …, α_p в радианах больше 0 и меньше или равны π/(2*z),
- вторая часть отдела образуется p′ дугами окружности, которые пронумерованы в порядке, обратном порядку нумерации дуг окружности первой части отдела, причем p′ - это целое число, равное p,
- относящиеся к p′ дугам окружности углы α_p′, …, α_1′ определяются тем условием, что угол α_j′ j′-й дуги окружности второй части отдела должен быть равен углу α_j j-й дуги окружности первой части отдела, причем j и j′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности p либо же p′ (α_1′=α_1, …, α_p′=α_p),
- сумма радиуса r_j′ j′-й дуги окружности второй части отдела и радиуса r_j j-й дуги окружности первой части отдела равна межосевому расстоянию a, причем j и j′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности p либо же p′ (r_1′+r_1=a, …, r_p′+r_p=a),
- на одной из границ отдела, в зависимости от расположения дуг окружности по часовой стрелке или против часовой стрелки, размещают центр одной из дуг окружности, с которой начинается профиль шнека в первой части отдела, и ее начальную точку,
- конечная точка, относящаяся к той дуге окружности, которая завершает профиль шнека в первой части отдела, касается прямой FP, причем прямая FP проходит перпендикулярно к биссектрисе угла, образованного обеими границами данного отдела, и находится в направлении этого отдела на таком расстоянии от центра вращения создающего профиля шнека, которое равно половине межосевого расстояния, причем как биссектриса, так и границы отдела проходят через центр создающего профиля шнека.
Из способа VA1 создания плоских, самоочищающихся шнековых элементов с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, с числом ходов (витков) z для создаваемого профиля шнека следует, что каждый из отделов создаваемого профиля шнека построен так, что радиусы дуг окружности создаваемого профиля шнека в обратном порядке равны радиусам дуг окружности создающего профиля шнека.
Профили шнеков, создаваемые в соответствии с вышеуказанным способом VA1, состоят из 2*z отделов, которые могут отличаться друг от друга. Если отделы отличаются друг от друга, то получают асимметричные профили шнеков.
У профилей шнеков, обладающих осевой симметрией, все 2*z отделов можно совместить друг с другом посредством вращения и/или посредством отражения относительно границ отделов. В этом случае границы отделов располагаются на прямых, образуемых пересечением плоскостей симметрии конкретного профиля с плоскостью, в которой располагается профиль. В силу этого получается особая форма исполнения VA2 способа создания плоских, обладающих осевой симметрией, самоочищающихся шнековых элементов с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, с числом витков z. Эта особая форма исполнения VA2 способа согласно изобретению отличается тем, что
- задают только первый отдел создающего профиля шнека, и
- остальные отделы создают путем последовательного отражения относительно границ отделов.
Кроме того, с помощью способа согласно изобретению можно создавать шнековые профили, обладающие точечной (центральной) симметрией относительно центра вращения (VA3). В этом варианте в каждом случае задают участок, а противоположный ему участок профиля получают посредством отражения заданного участка относительно центра вращения. Таким образом можно по участкам создавать шнековые профили, обладающие точечной симметрией, причем, чтобы получить замкнутый выпуклый профиль, необходимо следовать упомянутым выше правилам размещения..
Все представленные способы также отличаются тем, что они позволяют конструировать соответствующие части профилей только с помощью циркуля и угольника. Так, переход по касательной от j-й к (j+1)-й дуге окружности первой части отдела создающего профиля шнека конструируют, описывая вокруг конечной точки j-й дуги окружности окружность радиусом r_(j+1), а ближняя к центру вращения создающего профиля шнека точка пересечения этой окружности с прямой, задаваемой центром и конечной точкой j-й дуги окружности, становится центром (j+1)-й дуги окружности. Далее при нумерации дуг окружности по нарастающей конструируют p-тую дугу окружности первой части отдела создающего шнекового профиля, для чего в конечной точке (p-1)-й дуги окружности прокладывают касательную к (p-1)-й дуге окружности, причем точка пересечения касательной с прямой FP представляет собой центр круга, радиус которого равен длине отрезка между конечной точкой (p-1)-дуги окружности и точкой пересечения касательной с прямой FP, и при этом точка пересечения круга с прямой FP, лежащая в выбранном относительно часовой стрелки направлении, представляет собой искомую точку соприкосновения p-й дуги окружности в своей конечной точке с прямой FP. На практике для конструирования профилей шнека вместо циркуля и угольника целесообразно применять компьютерную программу.
Из изложения специалисту легко понять, что способы, в частности, пригодны для того, чтобы создавать переходные элементы между шнековыми элементами с идентичным числом витков. Опираясь на z-ходовой профиль шнека, возможно получить другой z-ходовой профиль шнека, шаг за шагом изменяя профиль шнека в области перехода. При этом во время перехода допускается уменьшение или увеличение числа дуг окружности.
На практике шнековый профиль целесообразно помещать в систему координат, чтобы иметь возможность однозначно и удобным для дальнейшего применения образом описать его, указывая характерные величины с помощью координат.
Имеет смысл работать с безразмерными величинами, чтобы упростить применение в экструдерах различных размеров. В качестве референтного размера для геометрических величин, как то: длин и радиусов, имеет смысл использовать межосевое расстояние a, поскольку изменить эту величину у экструдера невозможно. Следовательно, для безразмерного межосевого расстояния справедливо A=a/a=1. Для безразмерного наружного радиуса шнекового профиля, следовательно, справедливо RA=ra/a. Безразмерный внутренний радиус шнекового профиля обозначается как RI=ri/a. Безразмерную же глубину витка шнекового профиля рассчитывают как H=h/a=RA-RI.
Целесообразно располагать центр вращения создающего профиля шнека в начале отсчета декартовой системы координат (x=0, y=0), а центр вращения создаваемого профиля шнека помещать в точку с координатами x=А=1, y=0.
При использовании безразмерных величин и декартовой системы координат, когда центр вращения создающего профиля шнека располагается в начале отсчета (x=0, y=0), а центр вращения создаваемого профиля шнека лежит в точке с координатами x=A=1, y=0, получают конкретную форму исполнения VK1 способа согласно изобретению. Эта конкретная форма исполнения VK1 отличается тем, что
- создающий профиль шнека образован 1, 2, …, (i-1), i, (i+1), …, (n-1), n дугами окружности, которые располагаются против часовой стрелки или по ней, причем n - это целое число, большее или равное 1, а i - это целое число, большее или равное 1 и меньшее или равное n;
- значение наружного радиуса RA выбирают больше 0 (RA>0) и меньше или равным межосевому расстоянию (RA≤1);
- значение внутреннего радиуса RI выбирают больше или равным 0 (RI≥0) и меньше или равным RA (RI≤RA);
- сумма углов α_1, …, α_n дуг окружности 1, …, n создающего профиля шнека равна 2π, причем под π подразумевают отношение длины окружности к ее диаметру (π≈3,14159);
- радиусы R_1, …, R_n дуг окружности 1, …, n создающего профиля шнека больше или равны 0 и меньше или равны 1;
- начальную точку и центр первой дуги окружности создающего профиля шнека располагают на оси x, причем начальную точку размещают в интервале от x=RI до x=RA, а координата x центра меньше координаты x начальной точки или равна ей;
- при i<n конечная точка i-й дуги окружности создающего профиля шнека совпадает с начальной точкой (i+1)-й дуги окружности создающего профиля шнека;
- при i=n конечная точка i-й дуги окружности создающего профиля шнека совпадает с начальной точкой первой дуги окружности создающего профиля шнека;
- каждая дуга окружности создающего профиля шнека переходит в следующую дугу окружности по касательной (тангенциально), причем дугу окружности с характеристикой R_i=0 рассматривают как дугу окружности, радиус которой R_i=eps, причем eps - это очень малое вещественное положительное число, стремящееся к нулю (eps<<1, eps→0),
- создающий профиль шнека ни в одной точке не находится от центра вращения на расстоянии, превышающем наружный радиус RA;
- создающий профиль шнека по меньшей мере в одной точке находится от центра вращения на расстоянии, равном наружному радиусу RA;
- создающий профиль шнека ни в одной точке не находится от центра вращения на расстоянии, меньшем внутреннего радиуса RI;
- создающий профиль шнека по меньшей мере в одной точке находится от центра вращения на расстоянии, равном внутреннему радиусу RI;
- создающий профиль шнека выпуклый,
- создаваемый профиль шнека состоит из 1′, 2′, …, (i-1)′, i′, (i+1)′, …, (n-1)′, n′ дуг окружности, располагающихся относительно часовой стрелки в том же направлении, что и дуги окружности создающего профиля шнека, причем число дуг окружности n′ создаваемого профиля шнека равно числу дуг окружности n создающего профиля шнека, и причем i′ - целое число, большее или равное 1 и меньшее или равное n′,
- Угол α_i′ i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека равен углу α_i i-й дуги окружности создающего профиля шнека;
- Сумма радиуса R_i′ i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека и радиуса R_i i-й дуги окружности создающего профиля шнека равна 1;
- начальная точка первой дуги окружности создаваемого профиля шнека совпадает с начальной точкой первой дуги окружности создающего профиля шнека, а центр первой дуги окружности создаваемого профиля шнека располагается на оси x, причем координата x центра больше или равна координате x начальной точки;
- при i′<n′ конечная точка i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека совпадает с начальной точкой (i+1)′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека;
- при i′=n′ конечная точка i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека совпадает с начальной точкой 1′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека;
- каждая дуга окружности создаваемого профиля шнека переходит в следующую дугу окружности по касательной (тангенциально), причем дугу окружности с характеристикой R_i′=0 рассматривают как дугу окружности, радиус которой R_i′=eps, причем eps - это очень малое вещественное положительное число, стремящееся к нулю (eps<<1, eps→0),
- создаваемый профиль шнека выпуклый.
Некоторые шнековые профили, созданные с помощью этой конкретной формы исполнения VK1, обладают одной особенностью: по соседству друг с другом имеются формирующие профиль дуги окружности с одинаковым радиусом и одним и тем же центром, которые можно объединить в одну дугу окружности с большим углом (см., например, фигуры 62a и 62b с соответствующим описанием).
В случае профилей шнеков с числом ходов z конкретная форма исполнения VK2 способа согласно изобретению отличается тем, что
- число витков z выбирают как целое число, большее или равное 1;
- число дуг окружности n создающего профиля шнека выбирают так, чтобы оно нацело делилось на 4*z, давая в частном p;
- создающий профиль шнека, предпочтительно начиная с первой дуги окружности создающего профиля шнека, разделяют на 2*z частей, отличающихся тем, что каждая из этих 2*z частей создающего профиля шнека образована 1, …, j, …, p, p′, …, j′, …, 1′ дугами окружности, причем p′ - это целое число, равное p, и причем под j и j′ следует понимать целые числа, которые больше или равны 1 и меньше или равны p или, соответственно, p′;
- углы β_1, …, β_p дуг окружности 1, …, p первой части создающего профиля шнека выбирают так, что их сумма равна π/(2*z), причем π - это отношение длины окружности к ее диаметру (π≈3,14159);
- угол β_j′ j′-й дуги окружности первой части создающего профиля шнека равен углу β_j j-й дуги окружности первой части создающего профиля шнека (β_1′=β_1, …, β_p′=β_p),
- радиусы R_1, …, R_p дуг окружности 1, …, p первой части создающего профиля шнека выбирают так, что они больше или равны 0 и меньше или равны 1;
- сумма радиуса R_j′ j′-й дуги окружности первой части создающего профиля шнека и радиуса R_j j-й дуги окружности первой части создающего профиля шнека равна 1 (R_1′+R_1=1, …, R_p′+R_p=1);
- начальную точку и центр первой дуги окружности первой части создающего профиля шнека располагают на оси x, причем начальную точку размещают в интервале от x=RI до x=RA, а координата x центра меньше координаты x начальной точки или равна ей;
- дуги окружности располагаются против часовой стрелки;
- конечная точка p-й дуги окружности первой части создающего профиля шнека в одной точке касается прямой FP, причем прямая FP находится от центра вращения на расстоянии, соответствующем половине межосевого расстояния и имеет наклон, который для z=1 равен 0, а для z>1 равен -1/tan(π/(2*z)),
- в случае шнековых профилей, обладающих осевой симметрией, остальные части создающего профиля шнека отличаются тем, что
- углы дуг окружности первой части создающего профиля шнека копируют на углы дуг окружности остальных частей создающего профиля шнека с сохранением последовательности;
- радиусы дуг окружности первой части создающего профиля шнека копируют на углы дуг окружности второй части создающего профиля шнека в обратной последовательности;
- радиусы дуг окружности первой и второй частей создающего профиля шнека копируют на радиусы дуг окружности остальных частей создающего профиля шнека с сохранением последовательности;
- в случае шнековых профилей, обладающих точечной симметрией, остальные части создающего профиля шнека отличаются тем, что
- из первой части посредством отражения относительно центра вращения создают вторую часть, лежащую напротив первой части;
- дальнейшие части создающего профиля шнека создают в соответствии со смыслом способа для первой части создающего профиля шнека, а противолежащие им части - посредством отражения относительно центра вращения;
- в случае асимметричных профилей шнека остальные части создающего профиля шнека формируют независимо друг от друга и в соответствии со смыслом способа для первой части создающего профиля шнека.
Некоторые шнековые профили, созданные с помощью этой конкретной формы исполнения VK2, обладают одной особенностью: по соседству друг с другом имеются формирующие профиль дуги окружности с одинаковым радиусом и одним и тем же центром, которые можно объединить в одну дугу окружности с большим углом (см., например, фигуры 62a и 62b с соответствующим описанием).
Кроме того, предметом настоящего изобретения являются профили шнековых и переходных элементов, созданные посредством способа согласно изобретению. Способ согласно изобретению неожиданным образом позволил создать совершенно новые профили шнековых и переходных элементов. Профили шнековых и переходных элементов согласно изобретению более подробно описаны в примерах.
Шнековые профили, получаемые в соответствии со способом создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, можно применять в шнековых и переходных элементах. В частности, такие шнековые профили можно применять в транспортировочных, месильных и смесительных элементах. Поэтому предметом настоящего изобретения являются также транспортировочные, месильные и смесительные элементы с профилем согласно изобретению либо же с профилем, который создан по способу согласно изобретению, а также способ их изготовления.
Транспортировочный элемент, как известно, отличается тем (см., например, [1], стр.227-248), что профиль шнека непрерывно поворачивается в осевом направлении и продолжается подобно винту. При этом транспортировочный элемент может быть правым или левым. Шаг транспортировочного элемента предпочтительно находится в пределах от 0,1 до 10 величин межосевого расстояния, причем под шагом подразумевают длину по оси, необходимую на полный оборот профиля шнека, а длина по оси транспортировочного элемента предпочтительно находится в пределах от 0,1 до 10 значений межосевого расстояния.
Месильный элемент, как известно, отличается тем (см., например, [1], стр.227-248), что профиль шнека ступенчато продолжается в осевом направлении в форме месильных дисков. Расположение месильных дисков может быть правоходным, левоходным или же нейтральным. Длина месильных дисков по оси предпочтительно находится в пределах от 0,05 до 10 значений межосевого расстояния. Расстояние между двумя месильными дисками по оси предпочтительно находится в пределах от 0,002 до 0,1 значений межосевого расстояния.
Смесительные элементы, как известно (см., например, [1], стр.227-248), формируют путем изготовления транспортировочных элементов с проемами в гребнях шнеков. Смесительные элементы могут быть правоходными или левоходными. Шаг их предпочтительно находится в пределах от 0,1 до 10 величин межосевого расстояния, а длина элементов по оси предпочтительно находится в пределах от 0,1 до 10 величин межосевого расстояния. Проемы предпочтительно имеют форму u-образного или v-образного паза, которые предпочтительно располагают в направлении, противоположном таковому подачи, или же параллельно оси.
Переходные элементы могут быть правоходными или левоходными. Шаг их предпочтительно находится в пределах от 0,1 до 10 величин межосевого расстояния, а их длина по оси предпочтительно находится в пределах от 0,1 до 10 величин межосевого расстояния.
Предметом настоящего изобретения также является многовальный экструдер с вращением в одном направлении, имеющий по меньшей мере один шнековый элемент, профиль которого создан по способу согласно изобретению, причем многовальный экструдер имеет два или более вала.
Кроме того, предметом настоящего изобретения является программное обеспечение для реализации способа создания самоочищающихся шнековых элементов с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, с помощью компьютерной системы.
Целесообразно реализовывать способ согласно изобретению на компьютерной системе, поскольку координаты и размеры профилей, представлены в форме, которая поддается дальнейшей обработке на компьютере. В частности, можно простым образом выполнять симуляцию потоков. При этом профиль, сгенерированный по способу согласно изобретению, продлевают в осевом направлении, чтобы создать на компьютере трехмерную модель шнекового или переходного элемента. Например, модель транспортировочного элемента создают, поворачивая профиль винтообразно при продвижении в осевом направлении. Модель месильного элемента создают, например, продолжая профиль в осевом направлении отрезками, причем отрезки сдвигают друг относительно друга, так что возникают смещенные друг относительно друга диски. Моделирование шнекового или переходного элемента на компьютере происходит в форме так называемой расчетной решетки. При этом объем между внутренней поверхностью корпуса и поверхностями шнекового или переходного элемента пронизывает расчетная решетка, которая состоит из многогранников, например, из тетраэдров или гексаэдров. Расчетную решетку, а также данные о вязком текучем материале, равно как и эксплуатационные показатели шнековой машины, в которой применяют шнековые элементы и вязкий текучий материал, вводят в программу для симуляции потока и симулируют состояние в потоке. Затем проводят анализ рассчитанных полей течения, из которых в числе прочего можно вывести доброкачественность шнекового профиля с точки зрения характерных показателей, например, действия при смешивании или характеристик производительности в отношении использованных данных о веществе и использованных эксплуатационных показателей.
Компьютерный программный продукт согласно изобретению отличается тем, что способ согласно изобретению записан на носителе данных в форме программного кода. Носитель данных пригоден к считыванию компьютером, так что способ согласно изобретению может быть реализован посредством компьютера, если на компьютере запускают данное программное обеспечение. Надлежащий носитель данных - это, например, дискета, оптический носитель данных, как то: CD, DVD или диск Blu-ray, жесткий диск, устройство памяти на флеш-технологиях, memory stick и др. Предпочтительно, чтобы программное обеспечение, если его запускают на компьютере, имело графический интерфейс пользователя (GUI), который дает пользователю возможность просто вводить произвольно выбираемые величины для создания шнековых профилей с помощью устройств ввода, например, мыши и/или клавиатуры. Кроме того, компьютерный программный продукт предпочтительно имеет графический вывод, с помощью которого рассчитанные профили шнеков можно визуализировать на графическом устройстве вывода, как, например, на экране и/или принтере. Предпочтительно компьютерный программный продукт имеет возможность экспортировать рассчитанные профили шнеков, т.е., сохранять их в форме пригодного к записи набора данных, которые включают в себя геометрические размеры рассчитанных шнеков, на носителе данных в целях дальнейшего применения или переносить их на подключенное устройство. В частности, компьютерный программный продукт построен так, что при выполнении его на компьютере программное обеспечение позволяет рассчитывать как шнековые профили, так и сгенерированные из шнековых профилей шнековые и переходные элементы, а рассчитанные геометрические параметры выводить в формате, который можно применять на машине для изготовления шнековых и переходных элементов, например, на фрезеровочном станке, чтобы изготовить реальные шнековые элементы. Такие форматы известны специалисту.
Настоящее изобретение позволяет создавать шнековые профили, шнековые элементы и переходные элементы «с нуля» (ab initio). В противоположность нынешнему техническому уровню способ согласно изобретению не опирается на имеющиеся шнековые профили, но позволяет создавать произвольные профили, выбирая значения характерных величин, как, например, межосевого расстояния и числа дуг окружности, из которых должны быть построены шнековые профили, и шаг за шагом генерируя шнековые профили с соблюдением простых правил. Способ согласно изобретению просто применять, а его реализация возможна даже с помощью циркуля и угольника, без необходимости в сложных расчетах. Способ согласно изобретению универсален, т.е., он не ограничен, например, конкретным числом витков, напротив, изменяя значения, можно даже создавать профили, переходящие от одного числа ходов (витков) к другому. Кроме того, изобретение позволяет создавать симметричные и асимметричные шнековые профили, шнековые элементы и переходные элементы. Также можно создавать шнековые профили, у которых создающий и создаваемый профили различны, т.е., их нельзя совместить друг с другом.
Далее следует пояснение изобретения на основании примеров и фигур, однако, оно не ограничивается таковыми. Все фигуры созданы с помощью компьютерной программы.
Имеет смысл работать с безразмерными величинами, чтобы упростить применение в экструдерах различных размеров. В качестве референтного размера для геометрических величин, как то: длин и радиусов, имеет смысл использовать межосевое расстояние a, поскольку изменить эту величину у экструдера невозможно. Следовательно, для безразмерного межосевого расстояния справедливо A=a/a=1. Для безразмерного наружного радиуса шнекового профиля, следовательно, справедливо RA=ra/a. Безразмерный внутренний радиус шнекового профиля обозначается как RI=ri/a. Безразмерную же глубину витка шнекового профиля рассчитывают как H=h/a=RA-RI.
Все геометрические величины на фигурах используют в безразмерной форме. Значения всех углов приведены в радианах.
Способ создания плоских самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, подробно пояснен с помощью фигуры 61, но при этом способ не ограничивается этой фигурой.
На фигурах 61a-61f показан переход от пары двухходовых шнековых профилей к паре одноходовых шнековых профилей. Все эти фигуры имеют одну и ту же структуру, которая подробно описана ниже. Создающий профиль шнека представлен левым профилем шнека. Создаваемый профиль шнека представлен правым профилем шнека. Оба профиля шнека состоят из 16 дуг окружностей. Дуги окружностей создающего и создаваемого профиля шнека обозначены толстыми сплошными линиями, пронумерованными надлежащим образом. Ввиду множества дуг окружности и в силу создания фигур с помощью компьютерной программы возможно, что номера отдельных дуг окружности перекрываются и поэтому плохо читаются, см., например, дуги окружности 3′, 4′ и дуги окружности 5′, 6′, 7′ на фигуре 61a. Несмотря на то, что отдельные номера отчасти плохо видны, конструкция профилей все же ясна в контексте настоящего описания.
Центры дуг окружности изображены маленькими кружками. Центры дуг окружностей соединены тонкими сплошными линиями как с начальной, так и с конечной точкой соответствующей дуги окружности. Наружный радиус шнека примерно одинаков для создающего и создаваемого профиля шнека. В области корпуса шнека наружный радиус шнека представлен тонкой штриховой линией, а в области промежутка - тонкой пунктирной линией.
На фигуре 61a показана пара двухходовых профилей шнеков, с которой начинается переход. Создающий и создаваемый профиль шнека симметричны друг другу. Дуги окружности 1 и 9 создающего профиля шнека по всей своей длине касаются наружного радиуса шнека. Дуги окружности 4, 5 и 12, 13 создающего профиля шнека по всей своей длине касаются внутреннего радиуса. Дуги окружности 4, 5 и 12, 13 создаваемого профиля шнека по всей своей длине касаются наружного радиуса шнека. Дуги окружности 1′ и 9′ по всей своей длине касаются внутреннего радиуса.
На фигуре 61f показана пара одноходовых профилей шнеков, которой переход заканчивается. Создающий и создаваемый профиль шнека симметричны друг другу. Дуги окружности 1 и 12 создающего профиля шнека по всей своей длине касаются наружного радиуса шнека. Дуги окружности 4 и 9 создающего профиля шнека по всей своей длине касаются внутреннего радиуса. Дуги окружности 4′ и 9′ создаваемого профиля шнека по всей своей длине касаются наружного радиуса шнека. Дуги окружности 1′ и 12′ по всей своей длине касаются внутреннего радиуса.
На фигуре 61b показана пара переходных профилей на момент, когда переход от двухходовых шнековых профилей к одноходовым завершен на 20%. На фигуре 61c показана пара переходных профилей на момент, когда переход завершен на 40%. На фигуре 61d показана пара переходных профилей на момент, когда переход завершен на 60%. На фигуре 61e показана пара переходных профилей на момент, когда переход завершен на 80%.
Переход осуществляют таким образом, что дуга окружности 1 создающего профиля шнека по всей своей длине касается безразмерного наружного радиуса шнека RA, в силу чего соответствующая дуга окружности 1′ создаваемого профиля шнека по всей своей длине касается безразмерного внутреннего радиуса шнека RI′. Переход осуществляют таким образом, что дуга окружности 4′ создаваемого профиля шнека по всей своей длине касается безразмерного наружного радиуса шнека RA′ в силу чего соответствующая дуга окружности 4 создающего профиля шнека по всей своей длине касается безразмерного внутреннего радиуса шнека RI. Благодаря тому, что одна дуга окружности создающего и создаваемого профилей шнека располагается по наружному радиусу шнека или касается его, в течение всего перехода обеспечивается очистка внутренней поверхности корпуса. Кроме того, из фигур 61b-61e видно, что создающий и создаваемый профили шнека асимметричны. Пара переходных элементов всегда состоит из первого переходного элемента, образованного на основе создающих переходных профилей, и второго переходного элемента, образованного на основе создаваемых переходных профилей.
На фигуре 61 показаны переходные профили, у которых безразмерный наружный радиус шнека создающего шнекового профиля и безразмерный наружный радиус шнека создаваемого шнекового профиля располагаются в пределах от RA=RA′=0,6146 до RA=RA′=0,6288. Способ создания ровных (плоских) самоочищающихся профилей шнека с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, не ограничен этим диапазоном значений безразмерного наружного радиуса шнека. С применением способа согласно изобретению можно формировать профили шнеков с безразмерным наружным радиусом создающего профиля шнека в пределах от RA больше 0 до RA≤1, предпочтительно - в пределах от RA=0,52 до RA=0,707. С применением способа согласно изобретению можно формировать профили шнеков с безразмерным наружным радиусом создаваемого профиля шнека в пределах от RA′ больше 0 до RA′≤1, предпочтительно - в пределах от RA′=0,52 до RA′=0,707.
Способ согласно изобретению для создания плоских самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, в качестве примера поясняют на паре профилей шнека на фигуре 61d.
Согласно изобретению создающий и создаваемый профили шнека лежат в одной плоскости. Для простоты эту плоскость совмещают с плоскостью xy декартовой системы координат. Также для простоты центр вращения создающего профиля шнека помещают в начало декартовой системы координат (x=0, y=0). Безразмерное межосевое расстояние между центрами вращения создающего и создаваемого профилей шнека составляет A=1. Для простоты центр вращения создаваемого профиля шнека располагают в точке с координатами x=A=1, y=0.
Число дуг окружности n создающего шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы n было больше или равно 1. В настоящем примере число дуг окружности выбирают равным n=16. Безразмерный радиус создающего наружный шнекового профиля RA согласно изобретению выбирают так, чтобы он был больше 0 и меньше безразмерного межосевого расстояния A или равен ему. В настоящем примере безразмерный наружный радиус создающего шнекового профиля выбирают равным RA=0,6203. Безразмерный внутренний радиус создающего шнекового профиля RI согласно изобретению выбирают так, чтобы он был больше или равен 0 и меньше безразмерного наружного радиуса шнека RA или равен ему. В настоящем примере безразмерный внутренний радиус создающего шнекового профиля выбирают равным RI=0,3798.
Дуги окружности создающего шнекового профиля можно располагать вокруг оси вращения создающего шнекового профиля по часовой стрелке или против нее. В настоящем примере дуги окружности располагают вокруг оси вращения создающего шнекового профиля против часовой стрелки.
Угол α_1 1-й дуги окружности создающего шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы в радианах он был больше или равен 0 и меньше или равен π/(2*z). В настоящем примере угол этой первой дуги окружности выбирают равным α_1=0,2744. Безразмерный радиус R_1 1-й дуги окружности создающего шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы он был больше или равен 0 и меньше безразмерного межосевого расстояния A или равен ему. В настоящем примере безразмерный радиус первой дуги окружности выбирают равным R_1=RA=0,6203. Положение 1-й дуги окружности создающего шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы 1-я дуга окружности лежала в пределах или на границах кольца с безразмерным наружным радиусом RA и безразмерным внутренним радиусом RI, центр которого размещается в центре вращения создающего шнекового профиля. Положение предпочтительно задавать посредством размещения начальное и конечной точек первой дуги окружности. В настоящем примере начальная точка 1-й дуги окружности имеет координаты x=RA=0,6203, y=0,0000, а центр 1-й дуги окружности располагают в точке с координатами Mx_1=0,0000, My_1=0,0000. Таким образом, первая дуга окружности создаваемого профиля шнека располагается на наружном радиусе RA, и правило размещения, требующее, чтобы по меньшей мере одна дуга окружности соприкасалась с наружным радиусом шнека RA, оказывается выполнено.
Углы α_2, …, α_(n-1) n-2 остальных дуг окружности, т.е., еще 14 дуг окружности создающего профиля шнека выбирают согласно изобретению так, чтобы в радианах они были больше нуля или равны ему и меньше или равны 2π. В настоящем примере для углов этих 14 остальных дуг окружности выбирают следующие значения: α_2=0,6330, α_3=0,6330, α_4=0,2208, α_5=0,1864, α_6=0,4003, α_7=0,4003, α_8=0,3934, α_9=0,2744, α_10=0,6330, α_11=0,6330, α_12=0,2208, α_13=0,1864, α_14=0,4143 и α_15=0,4143. Безразмерные радиусы R_2, …, R_(n-1) этих 14 остальных дуг окружности создающего профиля шнека выбирают согласно изобретению так, чтобы они были больше нуля или равны ему и меньше безразмерного межосевого расстояния A или равны ему. В настоящем примере безразмерные радиусы этих еще 14 дуг окружности выбирают равными R_2=0,0000, R_3=1,0000, R_4=0,3797, R_5=0,7485, R_6=0,4726, R_7=0,4726, R_8=0,1977, R_9=0,4827, R_10=0,6000, R_11=0,4000, R_12=0,5173, R_13=0,1485, R_14=0,8887 и R_15=0,8887. Согласно правилам размещения дуги окружности располагают так, чтобы дуги окружности переходили друг в друга по касательной таким образом, чтобы получался замкнутый выпуклый профиль. причем дугу окружности, безразмерный радиус которой равен 0, рассматривают как дугу окружности, безразмерный радиус которой составляет eps, причем eps - это очень малое вещественное положительное число, стремящееся к нулю (eps<<1, eps→0), Из этих правил размещения следует, что конечная точка одной окружности идентична начальной точкой следующей за ней дуги окружности. Требуемое условие тангенциального перехода между первой дугой окружности и второй, следующей за ней дугой окружности выполняют посредством того, что центр этой второй следующей дуги окружности размещают на прямой, проходящей через конечную точку и центр этой первой дуги окружности, так, что расстояние от центра второй, последующей дуги окружности до конечной точки первой дуги окружности равняется радиусу второй, последующей дуги окружности, а профиль шнека выпуклый. Дугу окружности, радиус которой равен нулю, рассматривают как дугу окружности с очень малым радиусом ε, причем ε стремится к 0, так что по-прежнему можно сконструировать тангенциальный переход. В качестве альтернативы можно рассматривать дугу, радиус которой равен нулю так, чтобы профиль шнека в месте расположения этой дуги имел перегиб, причем величина перегиба задавалась бы угловым размером этой дуги окружности. В настоящем примере описанные правила размещения задают следующие положения центров остальных 14 дуг окружности: Mx_2=0,5971, My_2=0,1681, Mx_3=-0,0187, My_3=-0,6198, Mx_4=0,0001, My_4=0,0002, Mx_5=0,0699, My_5=-0,3619, Mx_6=-0,0316, My_6=-0,1054, Mx_7=-0,0316, My_7=-0,1054, Mx_8=-0,2855, My_8=0,0000, Mx_9=-0,0005, My_9=0,0000, Mx_10=0,1124, My_10=0,0318, Mx_11=-0,0107, My_11=-0,1258, Mx_12=-0,0072, My_12=-0,0086, Mx_13=0,0626, My_13=-0,3707, Mx_14=-0,2097, My_14=0,3176, Mx_15=-0,2097, My_15=0,3176. Конечная точка 4-й дуги окружности либо же начальная точка 5-й дуги окружности располагается на безразмерном внутреннем радиусе RI создающего шнекового профиля, а правило размещения, требующее, чтобы по меньшей мере одна дуга окружности касалась безразмерного внутреннего радиуса RI оказывается выполнено.
Угол α_16 последней дуги окружности создающего профиля шнека получают согласно изобретению, исходя из требования, чтобы сумма углов 16 дуг окружности создающего профиля шнека в радианах равнялась 2π, причем угол α_16 в радианах должен быть больше или равен 0 и меньше или равен 2π. В настоящем примере угол этой последней дуги окружности получается равным α_16=0,3654. Согласно изобретению безразмерный радиус R_16 последней дуги окружности создающего профиля шнека получают, исходя из требования, чтобы эта последняя дуга окружности замыкала создающий профиль шнека. Поскольку конечная точка 15-й дуги окружности совпадает с начальной точкой первой дуги окружности, радиус 16-й дуги окружности получается равным R_16=0,0000. Таким образом, центр 16-й дуги окружности располагается в точке с координатами Mx_16=0,6203, My_16=0,0000.
Правило размещения, требующее, чтобы все дуги окружности создающего профиля шнека лежали в пределах кольца с безразмерным наружным радиусом RA и безразмерным внутренним радиусом RI, центр какового кольца лежит в центре вращения создающего профиля шнека, в силу выбранных в настоящем примере углов и радиусов 16 дуг окружности и их размещения также оказывается выполнен.
Создаваемый профиль шнека получают из создающего профиля шнека. Число дуг окружности создаваемого профиля шнека n′ согласно изобретению равно числу дуг окружности создающего профиля шнека n, В настоящем примере число дуг окружности создаваемого профиля шнека получается равным n′=16. Безразмерный наружный радиус RA′ создаваемого профиля шнека согласно изобретению равен разности при вычитании из безразмерного межосевого расстояния A безразмерного внутреннего радиуса RI создающего профиля шнека. В настоящем примере безразмерный наружный радиус создаваемого профиля шнека оказывается равным RA′=A-RI=0,6202. Безразмерный внутренний радиус RI′ создаваемого профиля шнека согласно изобретению равен разности при вычитании из безразмерного межосевого расстояния A безразмерного наружного радиуса RA создающего профиля шнека. В настоящем примере безразмерный внутренний радиус создаваемого профиля шнека оказывается равным RI′=A-RA=0,3797.
i
Угол αi′ i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека согласно изобретению равен углу α i-й дуги окружности создающего профиля шнека, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′, В настоящем примере получают следующие углы 16 дуг окружности создаваемого профиля шнека: α_1′=α_1=0,2744, α_2′=α_2=0,6330, α_3′=α_3=0,6330, α_4′=α_4=0,2208, α_5′=α_5=0,1864, α_6′=α_6=0,4003, α_7′=α_7=0,4003, α_8′=α_8=0,3934, α_9′=α_9=0,2744, α_10′=α_10=0,6330, α_11′=α_11=0,6330, α_12′=α_12=0,2208, α_13′=α_13=0,1864, α_14′=α_14=0,4143, α_15′=α_15=0,4143 и α_16′=α_16=0,3654.
Сумма безразмерного радиуса R_i′ i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека и безразмерного радиуса R_i i-й дуги окружности создающего профиля шнека согласно изобретению равна безразмерному межосевому расстоянию A, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′ (R_1′+R_1=A=1, …, R_n′+R_n=A=1)., В настоящем примере радиусы 16 дуг окружности создаваемого профиля шнека получаются следующими: R_1′=A-R_1=1-0,6203=0,3797, R_2′=A-R_2=1-0,0000=1,0000, R_3′=A-R_3=1-1,0000=0,0000, R_4′=A-R_4=1-0,3797=0,6203, R_5′=A-R_5=1-0,7485=0,2515, R_6′=A-R_6=1-0,4726=0,5274, R_7′=A-R_7=1-0,4726=0,5274, R_8′=A-R_8=1-0,1977=0,8023, R_9′=A-R_9=1-0,4827=0.5173, R_10′=A-R_10=1-0,6000=0,4000, R_11′=A-R_11=1-0,4000=0,6000, R_12′=A-R_12=1-0,5173=0,4827, R_13′=A-R_13=1-0,1485=0,8515, R_14′=A-R_14=1-0,8887=0,1113 R_15′=A-R_15=1-0,8887=0,1113 и R_16′=A-R_16=1-0,0000=1,0000.
Центр i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека согласно изобретению находится от центра i-й дуги окружности создающего профиля шнека на расстоянии, которое равно безразмерному межцентровому расстоянию A, и центр i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека согласно изобретению находится от центра вращения создаваемого профиля шнека на расстоянии, которое равно расстоянию от центра i-й дуги окружности создающего профиля шнека до центра вращения создающего профиля шнека, а линия, соединяющая центр i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека с центром i-й дуги окружности создающего профиля шнека, согласно изобретению проходит параллельно линии, соединяющей центр вращения создаваемого профиля шнека и центр вращения создающего профиля шнека, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′ (i′=i). Благодаря помещению центра вращения создающего профиля шнека в точку с координатами x=0, y=0 и благодаря помещению центра вращения создаваемого профиля шнека в точку с координатами x=A=1, y=0 координату x центра круга Mx_i′ создаваемого профиля шнека получают посредством сложения координаты центра круга Mx_i создающего профиля шнека с безразмерным межосевым расстоянием A, а координата y центра круга My_i′ создаваемого профиля шнека равна координате y центра круга My_i создающего профиля шнека. В настоящем примере координаты центров 16 дуг окружности создаваемого профиля шнека получаются следующими: Mx_1′=1,0000, My_1′=0,0000, Mx_2′=1,5971, My_2′=0,1681, Mx_3′=0,9813, My_3′=-0,6198, Mx_4′=1,0001, My_4′=0,0002, Mx_5′=1,0699, My_5′=-0,3619, Mx_6′=0,9684, My_6′=-0,1054, Mx_7′=0,9684, My_7′=-0,1054, Mx_8′=0,7145, My_8′=0,0000, Mx_9′=0,9995, My_9′=0,0000, Mx_10′=1,1124, My_10′=0,0318, Mx_11′=0,9893, My_11′=-0,1258, Mx_12′=0,9928, My_12′=-0,0086, Mx_13′=1,0626, My_13′=-0,3707, Mx_14′=0,7903, My_14′=0,3176, Mx_15′=0,7903, My_15′=0,3176 и Mx_16′=1,6203, My_16′=0,0000.
Начальная точка i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека согласно изобретению располагается относительно центра i′-й дуги окружности создаваемого профиля шнека в направлении, противоположном направлению, в котором лежит начальная точка i-й дуги окружности создающего профиля шнека относительно центра i-й дуги окружности создающего профиля шнека, причем i и i′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности n либо же n′ (i′=i), В настоящем примере начальная точка, например, первой дуги окружности создаваемого профиля шнека имеет координаты x=0,6203, y=0.
Способ создания плоских самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением и вращением в одном направлении согласно изобретению в настоящем примере означает для создаваемого профиля шнека, что все 16 дуг окружности создаваемого профиля шнека переходят друг в друга по касательной (тангенциально) и формируют замкнутый выпуклый профиль шнека. Все 16 дуг окружности создаваемого профиля шнека также располагаются внутри или на границе кольца, имеющего безразмерный наружный радиус RA′ и безразмерный внутренний радиус RI′, центр какового круга лежит в центре вращения создающего профиля шнека, Кроме того, первая дуга окружности создаваемого профиля шнека располагается на безразмерном внутреннем радиусе RI′, и правило размещения, требующее, чтобы по меньшей мере одна дуга окружности соприкасалась с безразмерным внутренним радиусом RI′ оказывается выполнено. Далее, конечная точка 4-й дуги окружности либо же начальная точка 5-й дуги окружности создаваемого профиля шнека располагается на безразмерном наружном радиусе RA′ создаваемого шнекового профиля, а правило размещения, требующее, чтобы по меньшей мере одна дуга окружности касалась безразмерного наружного радиуса RA′, оказывается выполнено.
Из способа создания плоских, самоочищающихся шнековых элементов с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, с числом ходов (витков) z для создаваемого профиля шнека следует, что каждый из отделов создаваемого профиля шнека построен так, что радиусы дуг окружности создаваемого профиля шнека в обратном порядке равны радиусам дуг окружности создающего профиля шнека. Как ясно специалисту, участки создающего и создаваемого профилей шнека можно совместить друг с другом посредством вращения и отражения. Поэтому на в изложении, относящемся к нижеследующим фигурам, где рассмотрены шнековые профили с различным числом ходов, нередко не проведено различие между создающим и создаваемым профилями шнека, а речь идет просто о «шнековых профилях».
На фигурах 1-24 показаны шнековые профили с числом витков 1, полученные способом согласно изобретению. На фигурах 1-20 во всех случаях представлена половина и, следовательно, отдел шнекового профиля с числом ходов 1. Все эти фигуры имеют одну и ту же структуру, которая подробно описана ниже. В середине фигур показана прямоугольная система координат (X-Y), в начале которой располагается центр вращения шнекового профиля. Дуги окружностей профиля шнека обозначены толстыми сплошными линиями, пронумерованными надлежащим образом. Центры дуг окружности изображены маленькими кружками. Центры дуг окружностей соединены тонкими сплошными линиями как с начальной, так и с конечной точкой соответствующей дуги окружности. Прямая FP представлена тонкой пунктирной линией. Наружный радиус шнека RA обозначен тонкой штриховой линией, а его численное значение приводится на фигуре внизу справа с точностью до четырех значащих цифр. Справа от фигур для каждой дуги окружности приводят радиус R, угол α и координаты x и y центра дуги окружности Mx и My - в каждом случае с точностью до четырех значащих цифр. Эти данные позволяют однозначно определить профиль шнека.
На фигурах 1-24 показаны шнековые профили и шнековые элементы, у которых безразмерный наружный радиус шнека RA имеет значения 0,54, 0,56, 0,57, 0,58 и 0,63. Способ создания ровных (плоских) самоочищающихся профилей шнека с плотным зацеплением и с числом витков z, вращающихся в одном направлении, не ограничен этими дискретными значениями безразмерного наружного радиуса шнека. С применением способа согласно изобретению можно формировать одноходовые профили шнеков с безразмерным наружным радиусом создающего профиля шнека в пределах от RA больше 0,5 до RA≤1, предпочтительно - в пределах от RA=0,52 до RA=0,707.
Шнековые профили, у которых участок (отдел) шнекового профиля состоит в общей сложности из 2 дуг окружности, ниже называют 2-круговыми профилями шнека. Шнековые профили, у которых участок (отдел) шнекового профиля состоит в общей сложности из 4 дуг окружности, ниже называют 4-круговыми профилями шнека. Шнековые профили, у которых участок (отдел) шнекового профиля состоит в общей сложности из 6 дуг окружности, ниже называют 6-круговыми профилями шнека. Шнековые профили, у которых участок (отдел) шнекового профиля состоит в общей сложности из 8 дуг окружности, ниже называют 8-круговыми профилями шнека.
Фигура 1: На фигурах 1a и 1b показаны предпочтительные 2-круговые шнековые профили. Фигуры 1a и 1b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 1a составляет RA=0,58. Наружный радиус шнека на фигуре 1b составляет RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 1a и 1b в каждом случае составляет R_1=A/2=0,5. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 1a и 1b в каждом случае составляет α_1=π/2.
Фигура 2: На фигурах 2a и 2b показаны предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 2a и 2b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 2a составляет RA=0,58. Наружный радиус шнека на фигуре 2b составляет RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 2a и 2b в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 2a и 2b в каждом случае составляет R_2=0. На фигурах 2a и 2b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 2a и 2b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
Фигура 3: На фигурах 3a и 3b показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 3a и 3b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 3a составляет RA=0,58. Наружный радиус шнека на фигуре 3b составляет RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 3a и 3b в каждом случае составляет R_1=0. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 3a и 3b в каждом случае составляет R_2=A=1. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 3a и 3b в каждом случае составляет α_1=π/6. Угол 2-й дуги окружности на фигурах 3a и 3b в каждом случае составляет α_2=π/3. Наружный радиус шнека на фигуре 3b составляет RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 1a и 1b в каждом случае составляет R_1=A/2=0,5. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 1a и 1b в каждом случае составляет α_1=π/2
Фигура 4: На фигурах 4a-4d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 4a-4d показан предпочтительный переход от фигуры 3b к фигуре 1b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 4a-4d в каждом случае RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 4a-4d в каждом случае составляет R_1=0. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 4a к фигуре 4d.
Фигура 5: На фигурах 5a-5d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 5a-5d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 3b к фигуре 1b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 5a-5d в каждом случае RA=0,63. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 5a-5d в каждом случае составляет α_1=π/6. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 5a к фигуре 5d.
Фигура 6: На фигурах 6a-6d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 6a-6d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 3b к фигуре 1b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 6a-6d в каждом случае RA=0,63. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 6a-6d в каждом случае составляет R_2=A=1. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 6a к фигуре 6d.
Фигура 7: На фигурах 7a-7d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 7a-7d показан предпочтительный переход от фигуры 2b к фигуре 1b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 7a-7d в каждом случае RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 7a-7d в каждом случае составляет R_1=RA. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 7a к фигуре 7d.
Фигура 8: На фигурах 8a-8d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 8a-8d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 2b к фигуре 1b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 8a-8d в каждом случае RA=0,63. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 8a-8d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус R_1 первой дуги окружности на фигурах от 8a к 8d поэтапно уменьшается, а угол α_1 первой дуги окружности поэтапно увеличивается.
Прямой переход от фигуры 2b к фигуре 3b с помощью 4-кругового шнекового профиля невозможен. Переход в этом случае осуществляют через фигуру 1b.
Фигура 9: На фигурах 9a-9d показаны предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 9a-9d показан предпочтительный переход от фигуры 2a к фигуре 3a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 9a-9d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 9a-9d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 9a-9d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 9a-9d в каждом случае составляет R_3=A=1. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 9a к фигуре 9d.
Фигура 10: На фигурах 10a-10d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 10a-10d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 2a к фигуре, сходной с фигурой 4b. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 10a-10d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 10a-10d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 10a-10d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 10a-10d в каждом случае составляет R_3=0,75. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 10a к фигуре 10d.
Фигура 11: На фигурах 11a-11d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 11a-11d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 2a к фигуре 1a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 11a-11d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 11a-11d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 11a-11d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 11a-11d в каждом случае составляет R_3=0,5. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 11a к фигуре 11d.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 9a, 10a, 11a или фигур 9b, 10b, 11b могут поэтапно переходить друг в друга.
Фигура 12: На фигурах 12a-12d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 12a-12d представлен еще один предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 12a-12d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 12a-12d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 12a-12d в каждом случае составляет R_2=0,125. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 12a-12d в каждом случае составляет R_3=A=1. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 12a к фигуре 12d.
Фигура 13: На фигурах 13a-13d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 13a-13d представлен еще один предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 13a-13d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 13a-13d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 13a-13d в каждом случае составляет R_2=0,125. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 13a-13d в каждом случае составляет R_3=0,75. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 13a к фигуре 13d.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 12a и 13a или фигур 12b и 13b могут поэтапно переходить друг в друга.
Фигура 14: На фигурах 14a-14d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 14a-14d представлен еще один предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 14a-14d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 14a-14d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 14a-14d в каждом случае составляет R_2=0,25. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 14a-14d в каждом случае составляет R_3=A=1. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 14a к фигуре 14d.
Фигура 15: На фигурах 15a-15d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 15a-15d представлен еще один предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 15a-15d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 15a-15d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 15a-15d в каждом случае составляет R_2=0,25. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 15a-15d в каждом случае составляет R_3=0,75. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 15a к фигуре 15d.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 14a и 15a, или фигур 9a, 12a, 14a или фигур 10a, 13a, 15a могут поэтапно переходить друг в друга.
До сих пор на фигурах, изображающих одноходовые шнековые профили, профиль всегда начинался в точке x=RA, y=0. На фигурах 16-19 представлен ряд 8-круговых профилей шнеков, которые начинаются в точке x<RA, y=0, и у которых на наружном радиусе шнека располагается только 3-я дуга окружности.
Фигура 16: На фигурах 16a-16d показаны предпочтительные 8-круговые шнековые профили. На фигурах 16a-16d представлен предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 16a-16d в каждом случае RA=0,58. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 16a к фигуре 16d. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 16a-16d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 16a-16d в каждом случае составляет R_3=RA, и она располагается на наружном радиусе шнека. Радиус 4-й дуги окружности на фигурах 16a-16d в каждом случае составляет R_4=0. Угол α_1 первой дуги окружности на фигурах от 16a к 16d поэтапно уменьшается, а угол α_2 второй дуги окружности поэтапно увеличивается. Угол 3-й дуги окружности на фигурах 16a-16d в каждом случае составляет α_3=0,4285. Угол 4-й дуги окружности на фигурах 16a-16d в каждом случае составляет α_4=0,5315.
Фигура 17: На фигурах 17a-17d показаны другие предпочтительные 8-круговые шнековые профили. На фигурах 17a-17d представлен еще один предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 17a-17d в каждом случае RA=0,58. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 17a к фигуре 17d. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 17a-17d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 17a-17d в каждом случае составляет R_3=RA, и она располагается на наружном радиусе шнека. Угол α_1 первой дуги окружности на фигурах от 17a к 17d поэтапно уменьшается, а угол α_2 второй дуги окружности поэтапно увеличивается. Угол 3-й дуги окружности на фигурах 17a-17d в каждом случае составляет α_3=0,2627. Угол 4-й дуги окружности на фигурах 17a-17d в каждом случае составляет α_4=0,5315. Радиус 4-й дуги окружности на фигурах 17a-17d в каждом случае равен нулю, R_4=0, т.е., в этом месте имеется перегиб («излом») профиля. Центр дуги окружности 4 совпадает с перегибом. "Величину перегиба" задают посредством угла α_4, т.е., переход от дуги окружности 3 к дуге окружности 4′ осуществляют поворотом на угол α_4. Иными словами, касательная к дуге окружности 3 в центре дуги окружности 4 пересекается с касательной к дуге окружности 4′ также в центре дуги окружности 4′ под углом α_4. Принимая во внимание дугу окружности 4, можно, однако, сказать, что все соседствующие дуги переходят друг в друга (3→4, 4→4′) по касательной.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 16a и 17a или фигур 16b и 17b могут поэтапно переходить друг в друга.
Фигура 18: На фигурах 18a-18d показаны другие предпочтительные 8-круговые шнековые профили. На фигурах 18a-18d представлен еще один предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 2a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 18a-18d в каждом случае RA=0,58. Радиус R_1 первой дуги окружности на фигурах от 18a к 18d поэтапно увеличивается, а угол α_1 первой дуги окружности поэтапно уменьшается. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 18a-18d в каждом случае составляет R_3=RA, и она располагается на наружном радиусе шнека. Радиус 4-й дуги окружности на фигурах 18a-18d в каждом случае составляет R_4=0. Угол α_1 первой дуги окружности на фигурах от 18a к 18d поэтапно уменьшается, а угол α_2 второй дуги окружности поэтапно увеличивается. Угол 3-й дуги окружности на фигурах 18a-18d в каждом случае составляет α_3=0,2278. Угол 4-й дуги окружности на фигурах 18a-18d в каждом случае составляет α_4=0,5315.
Фигура 19: На фигурах 19a-19d показаны другие предпочтительные 8-круговые шнековые профили. На фигурах 19a-19d представлен предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 18d. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 19a-19d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 19a-19d в каждом случае составляет R_1=0,9061. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 19a-19d в каждом случае составляет R_2=0,1385. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 19a-19d в каждом случае составляет R_3=RA, и она располагается на наружном радиусе шнека. Радиус R_4 четвертой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 19a к фигуре 19d. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 19a-19d в каждом случае составляет α_1=0,4304. Угол 2-й дуги окружности на фигурах 19a-19d в каждом случае составляет α_2=0,3812. Угол α_3 третьей дуги окружности на фигурах от 19a к 19d поэтапно уменьшается, а угол α_4 четвертой дуги окружности поэтапно увеличивается.
Способ согласно изобретению для создания плоских самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, вращающихся в одном направлении, с числом витков z в качестве примера поясняют на отделе профиля шнека на фигуре 19b.
Согласно изобретению профиль шнека и, таким образом, отдел профиля шнека располагаются в одной плоскости. Для простоты эту плоскость совмещают с плоскостью xy декартовой системы координат. Также для простоты центр вращения профиля шнека помещают в начало декартовой системы координат (x=0, y=0).
Число витков z согласно изобретению выбирают так, чтобы оно было больше или равно 1. В настоящем примере число витков выбирают равным z=1. Число дуг окружности n профиля шнека согласно изобретению выбирают так, чтобы n нацело делилось на 4*z, давая в частном p, В настоящем примере число дуг окружности выбирают равным n=16, из чего следует p=4. Безразмерный наружный радиус шнекового профиля RA согласно изобретению выбирают так, чтобы он был больше 0 и меньше безразмерного межосевого расстояния A или равен ему. В настоящем примере безразмерный наружный радиус шнекового профиля выбирают равным RA=0,58. Безразмерный внутренний радиус шнекового профиля RI согласно изобретению выбирают так, чтобы он был больше или равен 0 и меньше безразмерного наружного радиуса шнека RA или равен ему. В настоящем примере безразмерный внутренний радиус шнекового профиля выбирают равным RI=A-RA=0,42.
Дуги окружности шнекового профиля можно располагать вокруг оси вращения шнекового профиля по часовой стрелке или против нее. В настоящем примере дуги окружности располагают вокруг оси вращения шнекового профиля против часовой стрелки.
Профиль шнека разделяют на 2*z отделов, которые отличаются тем, что каждый отдел ограничен двумя прямыми, угол между которыми в радианах составляет π/z, и которые пересекаются в центре вращения шнекового профиля, причем обе эти прямые называют границами отдела. В настоящем примере получается, что профиль шнека разделяют на два отдела. Для простоты обе границы отделов размещают на ось x системы координат. В настоящем примере ниже рассматривают только тот отдел профиля шнека, который располагается в положительном направлении оси y.
Отдел профиля шнека подразделяют на первую и вторую части, причем первая часть состоит из p дуг окружности, а вторая часть - из p′ дуг окружности, и причем p′=p. В настоящем примере получается, что p′=4. Дуги окружности первой части отдела шнекового профиля можно нумеровать в порядке возрастания или убывания. Дуги окружности второй части отдела шнекового профиля нумеруют в порядке, обратном дугам окружности первой части отдела шнекового профиля. В настоящем примере дуги первой части отдела шнекового профиля нумеруют в порядке возрастания, а дуги второй части отдела шнекового профиля, соответственно, в порядке убывания.
Угол α_1 1-й дуги первой части отдела шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы в радианах он был больше или равен 0 и меньше или равен π/(2*z). В настоящем примере угол первой дуги окружности выбирают равным α_1=0,4304. Безразмерный радиус R_1 1-й дуги первой части отдела шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы он был больше или равен 0 и меньше межосевого расстояния A или равен ему. В настоящем примере безразмерный радиус первой дуги окружности выбирают равным R_1=0,9061. Положение 1-й дуги окружности первой части отдела шнекового профиля согласно изобретению выбирают так, чтобы 1-я дуга окружности лежала в пределах или на границах кольца с безразмерным наружным радиусом RA и безразмерным внутренним радиусом RI, центр которого размещается в центре вращения шнекового профиля. Положение предпочтительно задавать посредством размещения начальное и конечной точек первой дуги окружности. При реализации способа согласно изобретению начальная и конечная точки 1-й дуги окружности лежат на одной из границ отделов, из-за чего начальную точку получают из положения центра и безразмерного радиуса R_1. В настоящем примере центр 1-й дуги окружности помещают в точку с координатами Mx_1=-0,3937, My_1=0,0000, а начальная точка, соответственно, имеет координаты x=0,5124, y=0,0000.
Углы α_2, …, α_(p-1) p-2 остальных дуг окружности, т.е., еще 2 дуг окружности первой части отдела профиля шнека выбирают согласно изобретению так, чтобы в радианах они были больше нуля или равны ему и меньше или равны π/(2*z). В настоящем примере углы еще 2 дуг окружности выбирают равными α_2=0,3812 и α_3=0,1580. Безразмерные радиусы R_2, …, R_(p-1) 2 остальных дуг окружности первой части отдела профиля шнека выбирают согласно изобретению так, чтобы они были больше или равны 0 и меньше безразмерного межосевого расстояния A или равны ему. В настоящем примере безразмерные радиусы еще 2 дуг окружности выбирают равными R_2=0,1385 и R_3=0,5800. Согласно правилам размещения дуги окружности располагают так, чтобы дуги окружности переходили друг в друга по касательной таким образом, чтобы получался замкнутый выпуклый профиль. причем дугу окружности, безразмерный радиус которой равен 0, рассматривают как дугу окружности, безразмерный радиус которой составляет eps, причем eps - это очень малое вещественное положительное число, стремящееся к нулю (eps<<1, eps→0), Из этих правил размещения следует, что конечная точка одной окружности идентична начальной точкой следующей за ней дуги окружности. Требуемое условие тангенциального перехода между первой дугой окружности и второй, следующей за ней дугой окружности выполняют посредством того, что центр этой второй следующей дуги окружности размещают на прямой, проходящей через конечную точку и центр этой первой дуги окружности, так, что расстояние от центра второй, последующей дуги окружности до конечной точки первой дуги окружности равняется радиусу второй, последующей дуги окружности, а профиль шнека выпуклый. Дугу окружности, радиус которой равен нулю, рассматривают как дугу окружности с очень малым радиусом ε, причем ε стремится к 0, так что по-прежнему можно сконструировать тангенциальный переход. В качестве альтернативы можно рассматривать дугу, радиус которой равен нулю так, чтобы профиль шнека в месте расположения этой дуги имел перегиб, причем величина перегиба задавалась бы угловым размером этой дуги окружности. В настоящем примере из описанных правил размещения вытекают следующие положения центров еще 2 дуг окружностей: Mx_2=0,3039, My_2=0,3202 и Mx_3=0,0000, My_3=0,0000. Третья дуга окружности создаваемого профиля шнека располагается на безразмерном наружном радиусе RA, и правило размещения, требующее, чтобы по меньшей мере одна дуга окружности соприкасалась с безразмерным наружным радиусом шнека RA оказывается выполнено.
Угол α_4 последней дуги окружности первой части отдела профиля шнека получают согласно изобретению, исходя из требования, чтобы сумма углов 4 дуг окружности первой части отдела профиля шнека в радианах равнялась π/(2*z), причем угол α_4 в радианах должен быть больше или равен 0 и меньше или равен π/(2*z). В настоящем примере угол этой последней дуги окружности получается равным α_4=0,6013. Безразмерный радиус R_4 последней дуги окружности первой части отдела шнекового профиля получают согласно изобретению, исходя из требования, чтобы конечная точка, относящаяся к этой последней дуге окружности, касалась в одной точке прямой FP, причем прямая FP проходит перпендикулярно к биссектрисе угла, образованного обеими границами данного отдела, и находится в направлении этого отдела на таком расстоянии от центра вращения профиля шнека, которое равно половине межосевого расстояния, причем как биссектриса, так и границы отдела проходят через центр профиля шнека. Прямая FP представлена на фигуре 19b в виде пунктирной линии. 4-ю дугу окружности первой части отдела шнекового профиля конструируют, прокладывая в конечной точке третьей дуги окружности касательную к третьей дуге окружности, причем точка пересечения касательной с прямой FP представляет собой центр круга, радиус которого равен длине отрезка между конечной точкой третьей дуги окружности и точкой пересечения касательной с прямой FP, и при этом точка пересечения круга с прямой FP, лежащая в выбранном относительно часовой стрелки направлении, представляет собой искомую точку соприкосновения четвертой дуги окружности в своей конечной точке с прямой FP. Через конечную точку 4-й дуги окружности проводят перпендикуляр к прямой FP. Точка пересечения этого перпендикуляра с прямой, заданной конечной точкой и центром 3-й дуги окружности, - это центр 4-й дуги. В настоящем примере рассчитанные координаты центра 4-й дуги окружности получаются Mx_4=0,2580, My_4=0,3761, а безразмерный радиус 4-й дуги окружности получается равным R_4=0,1239.
Углы α_p′, …, α_1′ второй части отдела шнекового профиля определяются тем условием, что угол α_j′ j′-й дуги окружности второй части отдела должен быть равен углу α_j j-й дуги окружности первой части отдела, причем j и j′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности p либо же p′ (α_1′=α_1, …, α_p′=α_p), В настоящем примере углы второй части отдела по результатам расчета равны α_1′=α_1=0,4304, α_2′=α_2=0,3812, α_3′=α_3=0,1580 и α_4′=α_4=0,6013.
Безразмерные радиусы R_p′, …, R_1′ второй части отдела шнекового профиля определяются тем условием, что безразмерный радиус R_j′ j′-й дуги окружности второй части отдела должен быть равен безразмерному радиусу R_j j-й дуги окружности первой части отдела, причем j и j′ - это целые числа, которые совместно приобретают все значения в пределах от 1 до числа дуг окружности p либо же p′ (R_1′+R_1=A=1, …, R_p′+R_p=A=1). В настоящем примере расчет дает для второй части отдела следующие значения безразмерных радиусов: R_1′=A-R_1=0,0939, R_2′=A-R_2=0,8615, R_3′=A-R_3=0,4200 и R_4′=A-R_4=0,8761.
Положение дуги окружности второй части отдела шнекового профиля согласно изобретению определяется тем условием, что дуги окружности переходят друг в друга по касательной, и что профиль шнека выпуклый. В настоящем примере для центров 4 дуг окружностей второй части отдела шнекового профиля получаются следующие координаты: Mx_1′=-0,3937, My_1′=0,0000, Mx_2′=0,3039, My_2′=-0,3202, Mx_3′=0,0000, My_3′=0,0000 и Mx_4′=0,2580, My_4′=-0,3761. Третья дуга окружности второй части отдела профиля шнека располагается на безразмерном внутреннем радиусе RI, и правило размещения, требующее, чтобы, по меньшей мере одна дуга окружности соприкасалась с безразмерным внутренним радиусом RI, оказывается выполнено.
Фигура 20: Все одноходовые профили шнеков можно до определенной степени сдвигать вдоль оси x в положительном или отрицательном направлении, причем они не утрачивают свойство самоочистки, поскольку при перемещении вдоль оси x продолжает выполняться условие касания прямой FP в одной точке. Максимальный сдвиг в положительном или отрицательном направлении по оси x достигается тогда, когда шнековый профиль в одной из точек находится от центра вращения на расстоянии, превышающем наружный радиус RA. Максимальный модуль сдвига зависит от подлежащего смещению шнекового профиля, и он меньше разности наружного радиуса RA и внутреннего радиуса RI или равен ей. Если сдвиг меньше максимально допустимого, то максимальное расстояние от шнекового профиля до центра вращения меньше, чем исходно необходимый наружный радиус RA. На фигурах 20a-20d проиллюстрирован поэтапный сдвиг шнекового профиля, соответствующего фигуре 2a. Видно, что сдвиг не изменил радиусы и углы отдельных дуг окружности.
На фигурах 21-23 представлены создающий и создаваемый профили шнека в корпусе шнека, имеющем форму восьмерки. В пределах обоих профилей шнека приведены численные значения следующих величин:
- RG: радиус обоих сверленых отверстий корпуса;
- RV: виртуальный радиус корпуса, меньший, чем радиус корпуса RG, или равный ему;
- RA: наружный радиус самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением;
- RF: наружный радиус шнековых профилей, подлежащих изготовлению;
- S: зазор между двумя подлежащими изготовлению профилями шнеков;
- D: зазор между подлежащими изготовлению профилями шнеков и корпусом
- T: шаг транспортировочного, смесительного или переходного элемента;
- VPR: величина сдвига самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, если последние располагаются эксцентрически;
- VPW: угол (указание направления) сдвига самоочищающихся профилей шнеков с плотным зацеплением, если последние располагаются эксцентрически;
- VLR: величина сдвига подлежащего изготовлению шнекового профиля левого вала в пределах зазоров;
- VLW: угол сдвига подлежащего изготовлению шнекового профиля левого вала в пределах зазоров;
- VRR: величина сдвига подлежащего изготовлению шнекового профиля правого вала в пределах зазоров;
- VRW: угол сдвига подлежащего изготовлению шнекового профиля правого вала в пределах зазоров;
Корпус шнека, определяемый двумя взаимно проникающими сверлеными отверстиями радиусом по RG и с межосевым расстоянием A=1, представлен тонкой штриховой линией. В области взаимопроникновения двух отверстий они представлены тонкой пунктирной линией. Центры обоих отверстий в корпусе идентичны двум центрам вращения шнековых профилей и в каждом случае обозначены маленьким кружком. Самоочищающиеся профили шнеков с тесным зацеплением обозначены толстой сплошной линией. Шнековые профили в изготовлении представлены тонкой сплошной линией.
Специалисту известно, что между наружным радиусом шнека RA самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением, виртуальным радиусом корпуса RV, зазором S между двумя подлежащими изготовлению профилями шнека и зазором D между подлежащими изготовлению профилями шнека и корпусом шнека справедливо следующее соотношение: RA=RV-D+S/2.
Специалисту также известно, что между наружным радиусом шнека RF подлежащих изготовлению профилей шнека, виртуальным радиусом корпуса RV и зазором D между подлежащими изготовлению профилями шнека и корпусом шнека справедливо следующее соотношение: RF=RV-D.
Обычно виртуальный радиус корпуса RV равен выполненному радиусу корпуса RG. Если виртуальный радиус корпуса RV выбран меньше, чем радиус корпуса RG, то между профилями шнека и корпусом получается дополнительный зазор. Этот зазор можно использовать для того, чтобы сдвигать создающий и создаваемый профили шнека относительно центра (эксцентрическое расположение) с сохранением самоочистки. Эксцентриковое расположение однозначно задают, указывая величину сдвига VPR и направление сдвига в форме угла VPW.
Фигура 21: На фигурах 21a-21d представлены предпочтительные формы исполнения эксцентрикового расположения одноходовых шнековых профилей. Показанные самоочищающиеся профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 2, причем в данном случае выбран наружный радиус шнека RA=0,54. Виртуальный радиус корпуса составляет RV=0,54, и он меньше, чем радиус корпуса RG (RG=0,63). Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. Самоочищающиеся одноходовые шнековые профили с плотным зацеплением и эксцентриковым расположением характеризуются тем, что расстояние от шнекового профиля до корпуса одинаково для обоих шнековых профилей вне зависимости от направления смещения. Шнековые профили на фигурах 21a-21d в каждом случае смещены настолько, чтобы с корпусом соприкасалась ровно одна точка шнековых профилей. Величина необходимого для этого сдвига зависит от направления сдвига. Кроме того, можно выбрать эксцентриковое расположение шнековых профилей, при котором ни одна точка шнекового профиля не касается корпуса.
Фигура 22: Как известно специалисту, на практике для всех шнековых элементов необходим определенный зазор (люфт) - как между ними самими, так и между элементами и корпусом. На фигурах 22a-22d показаны различные варианты зазоров. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 2a. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигуре 22a представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями имеют одинаковый размер. На фигуре 22b представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями меньше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 22c представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями больше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 22d показана еще одна форма исполнения в соответствии с фигурой 22c с особо большими зазорами. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями находится в пределах 0,002-0,1. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и корпусом находится в пределах 0,002-0,1. Обычные зазоры, встречающиеся на практике, одинаковы по всей образующей шнекового профиля. Допускается, однако, изменять как зазор между подлежащими изготовлению шнековыми профилями, так и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями.
Фигура 23: Кроме того, можно сдвигать подлежащие изготовлению шнековые профили в пределах зазоров. На фигурах 23a-23d показаны возможные варианты сдвигов. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 2a. Показанные шнековые профили, подлежащие изготовлению, основаны на фигуре 22d. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигурах 23a-23d величина сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае VLR=VRR=0,02. На фигурах 23a-23d направление сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае поэтапно изменяют от VLW=VRW=0 до VLW=VRW=π. Допускается сдвигать оба подлежащих изготовлению шнековых профиля независимо друг от друга в различных направлениях на разную величину.
Одноходовые шнековые профили, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом ходов (витков) z, вращающихся в одном направлении, можно применять для изготовления шнековых элементов. В частности, такие шнековые профили можно применять для изготовления транспортировочных, смесительных, месильных и переходных элементов.
На фигуре 24a в качестве примера показана пара одноходовых транспортировочных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 2a. Радиус корпуса составляет RG=0,58. Зазор между двумя транспортировочными элементами составляет S=0,02. Зазор между обоими транспортировочными элементами и корпусом D=0,01. Шаг транспортировочных элементов составляет T=1,2. Длина транспортировочных элементов составляет 1,2, что соответствует повороту шнековых профилей на угол 2π. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих транспортировочных элементов. На поверхностях обоих транспортировочных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигуре 24b в качестве примера показана пара одноходовых месильных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 2a. Радиус корпуса составляет RG=0,58. Зазор между двумя месильными дисками обоих месильных элементов составляет S=0,02. Зазор между месильными дисками двух месильных элементов и корпусом составляет D=0,01. Месильный элемент состоит из 7 месильных дисков, которые в каждом случае сдвинуты друг относительно друга поворотом вправо на π/3. Длина первого и последнего месильных дисков равна 0,09. Средние месильные диски длиной по 0,18. Длина паза между месильными дисками составляет 0,02. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих месильных элементов. На поверхностях обоих месильных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигурах 25-46 изображены шнековые профили с числом ходов 2, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом ходов (витков) z, вращающихся в одном направлении. На фигурах 25-42 во всех случаях представлена одна четверть шнекового профиля с числом ходов 2. Все эти фигуры имеют строение, аналогичное фигурам 1-20, которое уже в соответствующих местах было подробно описано.
На фигурах 25-46 показаны шнековые профили и шнековые элементы, у которых безразмерный наружный радиус шнека RA имеет значения 0,54, 0,56, 0,57, 0,58 и 0,63. Способ создания ровных (плоских) самоочищающихся профилей шнека с плотным зацеплением и с числом витков z, вращающихся в одном направлении, не ограничен этими дискретными значениями безразмерного наружного радиуса шнека. С применением способа согласно изобретению можно формировать двухходовые профили шнеков с безразмерным наружным радиусом создающего профиля шнека в пределах от RA больше 0,5 до RA≤0,707, предпочтительно - в пределах от RA=0,52 до RA=0,69.
Фигура 25: На фигурах 25a и 25b показаны предпочтительные 2-круговые шнековые профили. Фигуры 25a и 25b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 25a составляет RA=0,58. Наружный радиус шнека на фигуре 25b составляет RA=0,63. На фигурах 25a и 25b радиус R_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 25a и 25b в каждом случае составляет α_1=π/4.
Фигура 26: На фигурах 26a и 26b показаны предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 26a и 26b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 26a составляет RA=0,58. Наружный радиус шнека на фигуре 26b составляет RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 26a и 26b в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 26a и 26b в каждом случае составляет R_2=0. На фигурах 26a и 26b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 26a и 26b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
Фигура 27: На фигурах 27a и 27b показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 27a и 27b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 27a составляет RA=0,58. Наружный радиус шнека на фигуре 27b составляет RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 27a и 27b в каждом случае составляет R_1=0. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 27a и 27b в каждом случае составляет R_2=A=1. На фигурах 27a и 27b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 27a и 27b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
Фигура 28: На фигурах 28a-28d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 28a-28d показан предпочтительный переход от фигуры 27b к фигуре 25b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 28a-28d в каждом случае RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 28a-28d в каждом случае составляет R_1=0. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 28a к фигуре 28d.
Фигура 29: На фигурах 29a-29d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 29a-29d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 27b к фигуре 25b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 29a-29d в каждом случае RA=0,63. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 29a-29d в каждом случае составляет α_1=0,4537. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 29a к фигуре 29d.
Фигура 30: На фигурах 30-30d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 30a-30d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 27b к фигуре 25b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 30a-30d в каждом случае RA=0,63. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 30a-30d в каждом случае составляет R_2=A=1. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 30a к фигуре 30d.
Фигура 31: На фигурах 31a-31d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 31a-31d показан предпочтительный переход от фигуры 26b к фигуре 25b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 31a-31d в каждом случае RA=0,63. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 31a-31d в каждом случае составляет R_1=RA. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 31a к фигуре 31d.
Фигура 32: На фигурах 32a-32d показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. На фигурах 32a-32d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 26b к фигуре 25b. Безразмерный наружный радиус шнека составляет на фигурах 32a-32d в каждом случае RA=0,63. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 32a-32d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус R_1 первой дуги окружности на фигурах от 32a к 32d поэтапно уменьшается, а угол α_1 первой дуги окружности поэтапно увеличивается.
Прямой переход от фигуры 26b к фигуре 27b с помощью 4-кругового шнекового профиля невозможен. Переход в этом случае осуществляют через фигуру 25b.
Фигура 33: На фигурах 33a-33d показаны предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 33a-33d показан предпочтительный переход от фигуры 26a к фигуре 27a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 33a-33d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 33a-33d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 33a-33d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 33a-33d в каждом случае составляет R_3=A=1. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 33a к фигуре 33d.
Фигура 34: На фигурах 34a-34d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 34a-34d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 26a к фигуре, сходной с фигурой 28a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 34a-34d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 34a-34d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 34a-34d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 34a-34d в каждом случае составляет R_3=0,75. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 34a к фигуре 34d.
Фигура 35: На фигурах 35a-35d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 35a-35d показан еще один предпочтительный переход от фигуры 26a к фигуре, сходной с фигурами 28a и 28b. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 35a-35d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 35a-35d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 35a-35d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 35a-35d в каждом случае составляет R_3=0,5. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 35a к фигуре 35d.
Фигура 36: На фигурах 36a-36d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 36a-36d показан предпочтительный переход от фигуры 26a к фигуре 25a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 36a-36d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 36a-36d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 36a-36d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 36a-36d в каждом случае составляет R_3=0,3069. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 36a к фигуре 36d.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 33a, 34a, 35a, 36a или фигур 33b, 34b, 35b, 36b могут поэтапно переходить друг в друга.
Фигура 37: На фигурах 37a-37d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 37a-37d представлен предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 26a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 37a-37d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 37a-37d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус R_2 второй дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 37a к фигуре 37d. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 37a-37d в каждом случае составляет R_3=A=1. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 37a к фигуре 37d.
Фигура 38: На фигурах 38a-38d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 38a-38d представлен предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 26a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 38a-38d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 38a-38d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус R_2 второй дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 38a к фигуре 38d. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 38a-38d в каждом случае составляет R_3=0,75. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 38a к фигуре 38d.
Фигура 39: На фигурах 39a-39d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 39a-39d представлен предпочтительный переход, начинающийся с фигуры 26a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 39a-39d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 39a-39d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус R_2 второй дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 39a к фигуре 39d. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 39a-39d в каждом случае составляет R_3=0,5. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 39a к фигуре 39d.
Фигура 40: На фигурах 40a-40d показаны другие предпочтительные 6-круговые шнековые профили. На фигурах 40a-40d показан предпочтительный переход от фигуры 26a к фигуре 25a. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 40a-40d в каждом случае RA=0,58. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 40a-40d в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус R_2 второй дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 40a к фигуре 40d. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 40a-40d в каждом случае составляет R_3=0,3069. Угол α_1 первой дуги окружности постепенно уменьшается от фигуры 40a к фигуре 40d.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 37a, 38a, 39a, 40a или фигур 37b, 38b, 39b, 40b могут поэтапно переходить друг в друга.
До сих пор на фигурах, изображающих двухходовые шнековые профили, профиль всегда начинался в точке x=RA, y=0. На фигурах 41 и 42 представлен ряд 8-круговых профилей шнеков, которые начинаются в точке x<RA, y=0, и у которых на наружном радиусе шнека располагается только 3-я дуга окружности.
Фигура 41: На фигурах 41a-41d показаны предпочтительные 8-круговые шнековые профили. Фигуры 41a-41d демонстрируют предпочтительный переход, начиная со шнекового профиля по Эрдменгеру с наружным радиусом RA=0,54. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 41a-41d в каждом случае RA=0,54. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 41a к фигуре 41d. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 41a-41d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 41a-41d в каждом случае составляет R_3=RA, и она располагается на наружном радиусе шнека. Радиус 4-й дуги окружности на фигурах 41a-41d в каждом случае составляет R_4=0. Угол α_1 первой дуги окружности на фигурах от 41a к 41d поэтапно уменьшается, а угол α_2 второй дуги окружности поэтапно увеличивается. Угол 3-й дуги окружности на фигурах 41a-41d в каждом случае составляет α_3=0,145. Угол 4-й дуги окружности на фигурах 41a-41d в каждом случае составляет α_4=0,3873.
Фигура 42: На фигурах 42a-42d показаны другие предпочтительные 8-круговые шнековые профили. Фигуры 42a-42d демонстрируют еще один предпочтительный переход, начиная со шнекового профиля по Эрдменгеру с наружным радиусом RA=0,54. Наружный радиус шнека составляет на фигурах 42a-42d в каждом случае RA=0,54. Радиус R_1 первой дуги окружности постепенно увеличивается от фигуры 42a к фигуре 42d. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 42a-42d в каждом случае составляет R_2=0. Радиус 3-й дуги окружности на фигурах 42a-42d в каждом случае составляет R_3=RA, и она располагается на наружном радиусе шнека. Радиус 4-й дуги окружности на фигурах 42a-42d в каждом случае составляет R_4=0. Угол α_1 первой дуги окружности на фигурах от 42a к 42d поэтапно уменьшается, а угол α_2 второй дуги окружности поэтапно увеличивается. Угол 3-й дуги окружности на фигурах 42a-42d в каждом случае составляет α_3=0,0419. Угол 4-й дуги окружности на фигурах 42a-42d в каждом случае составляет α_4=0,3873.
Помимо представленных переходов шнековых профилей в пределах отдельных фигур возможен также переход между различными фигурами. Например, шнековые профили фигур 41a, 42a или фигур 41b, 42b могут поэтапно переходить друг в друга.
На фигурах 43-45 представлены создающий и создаваемый профили шнека в корпусе шнека, имеющем форму восьмерки. Все эти фигуры имеют строение, аналогичное фигурам 21-23, которое уже в соответствующих местах было подробно описано. Численные значения в пределах шнековых профилей также уже представлены в связи с фигурами 21-23.
Фигура 43: На фигурах 43a-43c представлены предпочтительные формы исполнения эксцентрикового расположения двухходовых шнековых профилей. Показанные самоочищающиеся профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 26, причем в данном случае выбран наружный радиус шнека RA=0,54. Виртуальный радиус корпуса составляет RV=0,54, и он меньше, чем радиус корпуса RG (RG=0,63). Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. Самоочищающиеся двухходовые шнековые профили с плотным зацеплением и эксцентриковым расположением характеризуются тем, что расстояние от шнекового профиля до корпуса различается в зависимости от направления смещения. Шнековые профили на фигурах 43a-43c в каждом случае смещены настолько, чтобы с корпусом соприкасалась ровно одна точка левого шнекового профиля. Величина необходимого для этого сдвига зависит от направления сдвига. На фигуре 43d представлен особый случай, когда шнековые профили сдвигают на такую величину и в таком направлении, что оба шнековых профиля касаются корпуса только в одной точке. Здесь сдвиг осуществляют под углом π/4. Кроме того, можно выбрать эксцентриковое расположение шнековых профилей, при котором ни одна точка шнекового профиля не касается корпуса.
Фигура 44: Как известно специалисту, на практике для всех шнековых элементов необходим определенный зазор (люфт) - как между ними самими, так и между элементами и корпусом. На фигурах 44a-44d показаны различные варианты зазоров. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 26a. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигуре 44a представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями имеют одинаковый размер. На фигуре 44b представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями меньше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 44c представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями больше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 44d показана еще одна форма исполнения в соответствии с фигурой 44c с особо большими зазорами. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями находится в пределах 0,002-0,1. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и корпусом находится в пределах 0,002-0,1. Обычные зазоры, встречающиеся на практике, одинаковы по всей образующей шнекового профиля. Допускается, однако, изменять как зазор между подлежащими изготовлению шнековыми профилями, так и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями.
Фигура 45: Кроме того, можно сдвигать подлежащие изготовлению шнековые профили в пределах зазоров. На фигурах 45a-45d показаны возможные варианты сдвигов. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 26a. Показанные шнековые профили, подлежащие изготовлению, основаны на фигуре 44d. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигурах 45a-45d величина сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае VLR=VRR=0,02. На фигурах 45a-45d направление сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае поэтапно изменяют от VLW=VRW=0 до VLW=VRW=π/2. Допускается сдвигать оба подлежащих изготовлению шнековых профиля независимо друг от друга в различных направлениях на разную величину.
Двухходовые шнековые профили, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом витков (ходов) z, вращающихся в одном направлении, можно применять для изготовления шнековых элементов. В частности, такие шнековые профили можно применять для изготовления транспортировочных, смесительных, месильных и переходных элементов.
На фигуре 46a в качестве примера показана пара двухходовых транспортировочных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 26a. Радиус корпуса составляет RG=0,58. Зазор между двумя транспортировочными элементами составляет S=0,02. Зазор между обоими транспортировочными элементами и корпусом D=0,01. Шаг транспортировочных элементов составляет T=1,2. Длина транспортировочных элементов составляет 1,2, что соответствует повороту шнековых профилей на угол 2π. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих транспортировочных элементов. На поверхностях обоих транспортировочных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигуре 46b в качестве примера показана пара двухходовых месильных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 26a. Радиус корпуса составляет RG=0,58. Зазор между двумя месильными дисками обоих месильных элементов составляет S=0,02. Зазор между месильными дисками двух месильных элементов и корпусом составляет D=0,01. Месильный элемент состоит из 7 месильных дисков, которые в каждом случае сдвинуты друг относительно друга поворотом вправо на π/6. Длина первого и последнего месильных дисков равна 0,09. Средние месильные диски длиной по 0,18. Длина паза между месильными дисками составляет 0,02. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих месильных элементов. На поверхностях обоих месильных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигурах 47-53 изображены шнековые профили с числом ходов 3, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом ходов (витков) z, вращающихся в одном направлении. На фигурах 47-49 во всех случаях представлена одна шестая шнекового профиля с числом ходов 3. Все эти фигуры имеют строение, аналогичное фигурам 1-20, которое уже в соответствующих местах было подробно описано.
На фигурах 47-53 показаны шнековые профили и шнековые элементы, у которых безразмерный наружный радиус шнека RA имеет значения 0,5233, 0,53, 0,5333, 0,5433 и 0,5567. Способ создания ровных (плоских) самоочищающихся профилей шнека с плотным зацеплением и с числом витков z, вращающихся в одном направлении, не ограничен этими дискретными значениями безразмерного наружного радиуса шнека. С применением способа согласно изобретению можно формировать трехходовые профили шнеков с безразмерным наружным радиусом создающего профиля шнека в пределах от RA больше 0,5 до RA≤0,577, предпочтительно - в пределах от RA=0,52 до RA=0,707.
Фигура 47: На фигурах 47a и 47b показаны предпочтительные 2-круговые шнековые профили. Фигуры 47a и 47b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 47a составляет RA=0,5433. Наружный радиус шнека на фигуре 47b составляет RA=0,5567. На фигурах 47a и 47b радиус R_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 47a и 47b в каждом случае составляет α_1=π/6.
Фигура 48: На фигурах 48a и 48b показаны предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 48a и 48b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 48a составляет RA=0,5433. Наружный радиус шнека на фигуре 48b составляет RA=0,5567. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 48a и 48b в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 48a и 48b в каждом случае составляет R_2=0. На фигурах 48a и 48b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 48a и 48b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
Фигура 49: На фигурах 49a и 49b показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 49a и 49b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 49a составляет RA=0,5433. Наружный радиус шнека на фигуре 49b составляет RA=0,5567. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 49a и 49b в каждом случае составляет R_1=0. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 49a и 49b в каждом случае составляет R_2=A=1. На фигурах 49a и 49b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 49a и 49b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
На фигурах 47-49 показаны шнековые профили, построенные аналогично фигурам 1-3 для одноходовых шнековых профилей. На фигурах 47-49 показаны шнековые профили, построенные аналогично фигурам 25-27 для двухходовых шнековых профилей. Показанные на фигурах 4-19 и 28-42 одноходовые и двухходовые шнековые профили можно аналогичным образом преобразовать в трехходовые профили. Это позволяет широко изменять в широких пределах размер области гребня также и у трехходовых шнековых профилей. В зависимости от выбранного перехода между боковой областью и областью гребня шнекового профиля можно, как и в случае одноходовых и двухходовых шнековых профилей, регулировать распределение усилий растяжения и сдвига, воздействующих на вязкий текучий материал.
На фигурах 50-52 представлены создающий и создаваемый профили шнека в корпусе шнека, имеющем форму восьмерки. Все эти фигуры имеют строение, аналогичное фигурам 21-23, которое уже в соответствующих местах было подробно описано. Численные значения в пределах шнековых профилей также уже представлены в связи с фигурами 21-23.
Фигура 50: На фигурах 50a-50d представлены предпочтительные формы исполнения эксцентрикового расположения трехходовых шнековых профилей. Показанные самоочищающиеся профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 48, причем в данном случае выбран наружный радиус шнека RA=0,53. Виртуальный радиус корпуса составляет RV=0,53, и он меньше, чем радиус корпуса RG (RG=0,63). Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. Самоочищающиеся трехходовые шнековые профили с плотным зацеплением и эксцентриковым расположением характеризуются тем, что расстояние от шнекового профиля до корпуса одинаково для обоих шнековых профилей вне зависимости от направления смещения. Шнековые профили на фигурах 50a-50c в каждом случае смещены настолько, чтобы с корпусом соприкасалась ровно одна точка шнековых профилей. Величина необходимого для этого сдвига зависит от направления сдвига. Кроме того, можно выбрать эксцентриковое расположение шнековых профилей, при котором ни одна точка шнекового профиля не касается корпуса.
Фигура 51: Как известно специалисту, на практике для всех шнековых элементов необходим определенный зазор (люфт) - как между ними самими, так и между элементами и корпусом. Как известно специалисту, и как изложено в книге [1] на стр.28-30 и на стр.99-105, размеры зазоров можно получать в числе прочего методами увеличения межосевого расстояния, эквидистанты продольного сечения и пространственной эквидистанты. Обычно используют зазор, постоянный по образующей шнековых профилей. Возможно также, чтобы зазоры варьировали вдоль образующей шнекового профиля. На фигурах 51a-51d показаны различные варианты зазоров. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 48a. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигуре 51a представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями имеют одинаковый размер. На фигуре 51b представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями меньше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 51c представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями больше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 51d показана еще одна форма исполнения в соответствии с фигурой 51c с особо большими зазорами. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями находится в пределах 0,002-0,1. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и корпусом находится в пределах 0,002-0,1. Обычные зазоры, встречающиеся на практике, одинаковы по всей образующей шнекового профиля. Допускается, однако, изменять как зазор между подлежащими изготовлению шнековыми профилями, так и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями.
Фигура 52: Кроме того, можно сдвигать подлежащие изготовлению шнековые профили в пределах зазоров. На фигурах 52a-52d показаны возможные варианты сдвигов. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 48a. Показанные шнековые профили, подлежащие изготовлению, основаны на фигуре 51d. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигурах 52a-52d величина сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае VLR=VRR=0,02. На фигурах 52a-52d направление сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае поэтапно изменяют от VLW=VRW=0 до VLW=VRW=π/3. Допускается сдвигать оба подлежащих изготовлению шнековых профиля независимо друг от друга в различных направлениях на разную величину.
Трехходовые шнековые профили, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом витков (ходов) z, вращающихся в одном направлении, можно применять для изготовления шнековых элементов. В частности, такие шнековые профили можно применять для изготовления транспортировочных, смесительных, месильных и переходных элементов.
На фигуре 53a в качестве примера показана пара трехходовых транспортировочных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 48a. Радиус корпуса составляет RG=0,5433. Зазор между двумя транспортировочными элементами составляет S=0,02. Зазор между обоими транспортировочными элементами и корпусом D=0,01. Шаг транспортировочных элементов составляет T=1,8. Длина транспортировочных элементов составляет 1,2, что соответствует повороту шнековых профилей на угол 1,3333*π. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих транспортировочных элементов. На поверхностях обоих транспортировочных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигуре 53b в качестве примера показана пара трехходовых месильных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 48a. Радиус корпуса составляет RG=0,5433. Зазор между двумя месильными дисками обоих месильных элементов составляет S=0,02. Зазор между месильными дисками двух месильных элементов и корпусом составляет D=0,01. Месильный элемент состоит из 7 месильных дисков, которые в каждом случае сдвинуты друг относительно друга поворотом вправо на π/9. Длина первого и последнего месильных дисков равна 0,09. Средние месильные диски длиной по 0,18. Длина паза между месильными дисками составляет 0,02. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих месильных элементов. На поверхностях обоих месильных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигурах 54-60 изображены шнековые профили с числом ходов 4, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом ходов (витков) z, вращающихся в одном направлении. На фигурах 54-56 во всех случаях представлена одна восьмая шнекового профиля с числом ходов 4. Все эти фигуры имеют строение, аналогичное фигурам 1-20, которое уже в соответствующих местах было подробно описано.
На фигурах 54-60 показаны шнековые профили и шнековые элементы, у которых безразмерный наружный радиус шнека RA имеет значения 0,5083, 0,515, 0,5183, 0,5217 и 0,5283. Способ создания ровных (плоских) самоочищающихся профилей шнека с плотным зацеплением и с числом витков z, вращающихся в одном направлении, не ограничен этими дискретными значениями безразмерного наружного радиуса шнека. С применением способа согласно изобретению можно формировать трехходовые профили шнеков с безразмерным наружным радиусом создающего профиля шнека в пределах от RA больше 0,5 до RA≤0,541, предпочтительно - в пределах от RA=0,505 до RA=0,536.
Фигура 54: На фигурах 54a и 54b показаны предпочтительные 2-круговые шнековые профили. Фигуры 54a и 54b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 26a составляет RA=0,5217. Наружный радиус шнека на фигуре 54b составляет RA=0,5283. На фигурах 54a и 54b радиус R_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. Угол 1-й дуги окружности на фигурах 54a и 54b в каждом случае составляет α_1=π/8.
Фигура 55: На фигурах 55a и 55b показаны предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 55a и 55b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 55a составляет RA=0,5217. Наружный радиус шнека на фигуре 55b составляет RA=0,5283. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 55a и 55b в каждом случае составляет R_1=RA. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 55a и 55b в каждом случае составляет R_2=0. На фигурах 55a и 55b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 55a и 55b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
Фигура 56: На фигурах 56a и 56b показаны другие предпочтительные 4-круговые шнековые профили. Фигуры 56a и 56b различаются наружным радиусом шнека RA. Наружный радиус шнека на фигуре 56a составляет RA=0,5217. Наружный радиус шнека на фигуре 56b составляет RA=0,5283. Радиус 1-й дуги окружности на фигурах 56a и 56b в каждом случае составляет R_1=0. Радиус 2-й дуги окружности на фигурах 56a и 56b в каждом случае составляет R_2=A=1. На фигурах 56a и 56b угол α_1 1-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA. На фигурах 56a и 56b угол α_2 2-й дуги окружности зависит от наружного радиуса шнека RA.
На фигурах 54-56 показаны шнековые профили, построенные аналогично фигурам 1-3 для одноходовых шнековых профилей. На фигурах 54-56 показаны шнековые профили, построенные аналогично фигурам 25-27 для двухходовых шнековых профилей. На фигурах 54-56 показаны шнековые профили, построенные аналогично фигурам 47-49 для трехходовых шнековых профилей. Показанные на фигурах 4-19 и 28-42 одноходовые и двухходовые шнековые профили можно аналогичным образом преобразовать в четырехходовые профили. Это позволяет широко изменять в широких пределах размер области гребня также и у четырехходовых шнековых профилей. В зависимости от выбранного перехода между боковой областью и областью гребня шнекового профиля можно, как и в случае одноходовых, двухходовых и трехходовых шнековых профилей, регулировать распределение усилий растяжения и сдвига, воздействующих на вязкий текучий материал.
Как явствует из фигур 1-20, фигур 25-42, фигур 47-49 и фигур 54-56, центры дуг окружности второй части участка z-ходового шнекового профиля особо просто получать, отражая центры дуг окружности первой части участка шнекового профиля относительно сдвинутой в начало координат прямой FP. На указанных фигурах наклон прямой FP равен нулю для числа ходов z=1, а для числа ходов z>1 он равен -1/tan(π/(2*z)), причем π - это отношение длины окружности к ее диаметру.
На фигурах 57-59 представлены создающий и создаваемый профили шнека в корпусе шнека, имеющем форму восьмерки. Все эти фигуры имеют строение, аналогичное фигурам 21-23, которое уже в соответствующих местах было подробно описано. Численные значения в пределах шнековых профилей также уже представлены в связи с фигурами 21-23.
Фигура 57: На фигурах 57a-57d представлены предпочтительные формы исполнения эксцентрикового расположения четырехходовых шнековых профилей. Показанные самоочищающиеся профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 55, причем в данном случае выбран наружный радиус шнека RA=0,515. Виртуальный радиус корпуса составляет RV=0,515, и он меньше, чем радиус корпуса RG (RG=0,63). Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. Самоочищающиеся четырехходовые шнековые профили с плотным зацеплением и эксцентриковым расположением характеризуются тем, что расстояние от шнекового профиля до корпуса различается в зависимости от направления смещения. Шнековые профили на фигурах 57a-57c в каждом случае смещены настолько, чтобы с корпусом соприкасалась ровно одна точка левого шнекового профиля. Величина необходимого для этого сдвига зависит от направления сдвига. На фигуре 57d представлен особый случай, когда шнековые профили сдвигают на такую величину и в таком направлении, что оба шнековых профиля касаются корпуса только в одной точке. Здесь сдвиг осуществляют под углом π/8. Кроме того, можно выбрать эксцентриковое расположение шнековых профилей, при котором ни одна точка шнекового профиля не касается корпуса.
Фигура 58: Как известно специалисту, на практике для всех шнековых элементов необходим определенный зазор (люфт) - как между ними самими, так и между элементами и корпусом. На фигурах 58a-58d показаны различные варианты зазоров. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 55b. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигуре 58a представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями имеют одинаковый размер. На фигуре 58b представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями меньше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 58c представлена тактика, при которой зазоры между подлежащими изготовлению шнековыми профилями больше, чем зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями. На фигуре 58d показана еще одна форма исполнения в соответствии с фигурой 58c с особо большими зазорами. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями находится в пределах 0,002-0,1. Величина типичных встречающихся на практике зазоров между подлежащими изготовлению шнековыми профилями и корпусом находится в пределах 0,002-0,1. Обычные зазоры, встречающиеся на практике, одинаковы по всей образующей шнекового профиля. Допускается, однако, изменять как зазор между подлежащими изготовлению шнековыми профилями, так и зазоры между корпусом и подлежащими изготовлению шнековыми профилями.
Фигура 59: Кроме того, можно сдвигать подлежащие изготовлению шнековые профили в пределах зазоров. На фигурах 59a-59d показаны возможные варианты сдвигов. Представленные самоочищающиеся шнековые профили с плотным зацеплением основаны на фигуре 55b. Показанные шнековые профили, подлежащие изготовлению, основаны на фигуре 58d. Остальные геометрические показатели приведены на отдельных фигурах. На фигурах 59a-59d величина сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае VLR=VRR=0,02. На фигурах 59a-59d направление сдвига обоих подлежащих изготовлению шнековых профилей составляет в каждом случае поэтапно изменяют от VLW=VRW=0 до VLW=VRW=π/4. Допускается сдвигать оба подлежащих изготовлению шнековых профиля независимо друг от друга в различных направлениях на разную величину.
Четырехходовые шнековые профили, созданные с помощью способа создания самоочищающихся шнековых профилей с плотным зацеплением с числом ходов (витков) z, вращающихся в одном направлении, можно применять для изготовления шнековых элементов. В частности, такие шнековые профили можно применять для изготовления транспортировочных, смесительных, месильных и переходных элементов.
На фигуре 60a в качестве примера показана пара четырехходовых транспортировочных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 55a. Радиус корпуса составляет RG=0,5217. Зазор между двумя транспортировочными элементами составляет S=0,02. Зазор между обоими транспортировочными элементами и корпусом D=0,01. Шаг транспортировочных элементов составляет T=2,4. Длина транспортировочных элементов составляет 1,2, что соответствует повороту шнековых профилей на угол π. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих транспортировочных элементов. На поверхностях обоих транспортировочных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
На фигуре 60b в качестве примера показана пара четырехходовых месильных элементов, созданных на основе шнекового профиля по фигуре 55a. Радиус корпуса составляет RG=0,5217. Зазор между двумя месильными дисками обоих месильных элементов составляет S=0,02. Зазор между месильными дисками двух месильных элементов и корпусом составляет D=0,01. Месильный элемент состоит из 7 месильных дисков, которые в каждом случае сдвинуты друг относительно друга поворотом вправо на π/12. Длина первого и последнего месильных дисков равна 0,09. Средние месильные диски длиной по 0,18. Длина паза между месильными дисками составляет 0,02. Корпус изображен тонкими сплошными линиями слева и справа от обоих месильных элементов. На поверхностях обоих месильных элементов также представлена возможная решетка для расчетов, которую можно использовать для расчета потоков в двухвальных и многовальных экструдерах.
Фигуры 62a и 62b подчеркивают особенность конкретной формы исполнения VK1 способа согласно изобретению.
На фигуре 62 схематически показаны в поперечном сечении профили пары шнековых элементов, созданные посредством конкретной формы исполнения VK1 способа согласно изобретению. На этой фигуре создающий профиль шнека состоит из 5 дуг окружности 1, 2, 3, 4 и 5, которые расположены против часовой стрелки вокруг центра вращения (начала координат системы координат x, y). Наружный радиус RA выбран равным RA=0,63. Начальную точку и центр первой дуги окружности 1 расположили на оси x в соответствии с конкретной формой исполнения VK1 способа согласно изобретению. Остальные дуги окружности создающего и создаваемого профилей шнека сконструировали, исходя из этой первой дуги окружности 1. Пои этом дуга окружности 5 замыкает создающий профиль и согласно изобретению по касательной переходит в дугу окружности 1. У дуги окружности 1 и дуги окружности 5 один и тот же центр и один и тот же радиус. Соответствующие дуги окружности 1′ и 5′ создаваемого профиля шнека, которые согласно изобретению можно сконструировать из дуг окружности 1 и 5 создающего профиля шнека, также обладают одним и тем же центром и одинаковым радиусом. Соответственно, дуги окружности 1 и 5 с углами α_1 и α_5 можно объединить в одну дугу окружности с углом α_1+α_5. Равным же образом, дуги окружности 1′ и 5′ создаваемого профиля шнека с углами α_′1 и α_5′ можно объединить в одну дугу окружности с углом α_1′+α_5′. В основе той особенности, что благодаря применению формы исполнения VK1 можно создавать шнековые профили, которые затем можно «упростить» описанным образом, лежит тот факт, что в варианте VK1 центр и начальную точку первой дуги окружности располагают на оси x. При создании шнековых профилей согласно изобретению на оси x располагается точка соприкосновения создающего и создаваемого профиля шнека. У готовых же шнековых профилей (см. фигуру 62b) при вращении в одном направлении вокруг своих центров, не имеют, однако, точки соприкосновения, лежащей на оси x и одновременно являющейся начальной или конечной точкой дуги окружности, формирующей профиль. Поэтому при использовани конкретной формы исполнения VK1 одну дугу окружности «во вспомогательных целях» делят на две дуги, которые после конструирования снова объединяют в одну.
На фигуре 62b показана «упрощенная» конструкция профиля поперечного сечения с фигуры 62a, где дуги окружности 1 и 5 и 1′ и 5′ с фигуры 62a в каждом случае объединяют в одну дугу окружности 1 и 1′ на фигуре 62b.
Для конкретной формы исполнения VK2 справедливо то же самое.
На представленных фигурах для описания создающего или создаваемого профиля шнека используют максимум 16 дуг окружности. Способы согласно изобретению V0, VA1, VA2, VA3, VK1 и VK2 ни в коем случае, однако, не ограничены максимальным числом в 16 дуг окружности. Напротив, для создания профилей шнеков можно использовать сколько угодно дуг окружности. Это позволяет с самого начала выполнять профиль шнека таким образом, чтобы он лучше всего годился для поставленной задачи. Шнековые элементы, известные на нынешнем техническом уровне, большей частью не приспособлены к выполнению конкретной задачи оптимальным образом. Напротив, изготовители поставляют шнековые элементы (транспортировочные, месильные и смесительные элементы) из фиксированного набора, независимо от конкретной задачи. Настоящее изобретение впервые позволяет практически произвольно формировать профиль самоочищающихся шнековых элементов и, стало быть, тончайшей настройкой параметров оптимизировать их для конкретного применения. Кроме того, можно, применяя достаточно высокое количество дуг, с желательной точностью аппроксимировать шнековые профили, которые исходно не состоят из дуг окружности и соответственно не являются самоочищающимися. При этом получающийся профиль, аппроксимированный до дуг окружности, разумеется, оказывается самоочищающимся.
Из профиля шнека (создающего или создаваемого) можно рассчитать профиль продольного сечения. Предпочтительно использовать каждую дугу профиля шнека, чтобы с помощью явной функции рассчитать принадлежащую к этой дуге окружности часть продольного сечения.
Для расчета удаления s точки на дуге окружности какого-либо профиля шнека на первом этапе определяют точку пересечения (Sx, Sy) прямой g, характеризуемой тем, что указанная прямая находится в плоскости профиля шнека, проходит через центр вращения профиля шнека, а ориентация прямой задана углом φ, с дугой окружности kb, характеризуемой радиусом r и положением центра (Mx, My). На втором этапе рассчитывают удаление точки пересечения (Sx, Sy) от центра вращения профиля шнека. Расчет точки пересечения прямой с дугой можно представить функцией в явном виде. То же самое справедливо для расчета удаления. Поэтому для удаления справедливо s=s(φ, r, Mx, My). Угол φ при известном шаге t шнекового элемента можно с помощью φ/2π*t перевести в осевую координату z_ax, так что для расстояния окажется справедливо s=s(z_ax, r, Mx, My)=s(φ/2π*t, r, Mx, My). Функция s(z_ax, r, Mx, My) описывает искомое продольное сечение дуги окружности профиля шнека.