CN101362377A - 高效多螺杆挤出机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及螺杆挤出机。高效多螺杆挤出机，主要由挤出机本体、机头、电机及传动装置组成，挤出机本体由机筒与4根相同直径双螺纹或单螺纹深螺槽螺杆组成，4根螺杆轴心呈正方形排列，无端无芯，作同向转动，相邻螺杆互相啮合构成4个啮合区。本发明与同类产品相比具有高度的混炼分散性能、脱挥排气性能及操作性，具有通用挤出机的所有特征，故可适用于聚合物的造粒、混炼、反应挤出、脱挥挤出等聚合物原料生产，聚合物合金与聚合物复合材料生产及聚合物加工成型等聚合物加工领域；可适用于食品材料的粉碎、混炼、加热加压等食品加工领域；可适用于建筑材料的混炼、脱气、挤出成型等建材加工领域。可满足从小规模到大规模生产机型的要求。

Description

高效多螺杆挤出机
一、技术领域：
本发明涉及螺杆挤出机，特别是聚合物加工、食品加工、建材加工等领域的通用螺杆挤出机。
二、背景技术：
啮合同向双螺杆挤出机已有50多年的历史，已在聚合物加工、食品加工及建材加工等领域广泛应用。
1953年德国专利DE862668、DE872732公布了一种无芯全啮合同向三螺杆挤出机。2002年中国专利CN2471522Y公布了一种采用三螺纹或单螺纹螺杆的无芯全啮合同向三螺杆挤出机且取得专利权。1955年加拿大专利CA517911公布了一种无端有芯啮合同向六螺杆挤出机。1951年美国专利US2563396公布了一种无端有芯啮合同向八螺杆挤出机。1998年美国专利US5836682公布了一种无端有芯啮合同向十螺杆挤出机。2001年美国专利US66196711B1公布了一种无端有芯啮合同向十二螺杆挤出机并取得专利权。另外、在2008年英文专刊Journal of Reinforced Plastics and Composites、27卷321页介绍了一种采用三螺纹螺杆的无端有芯啮合同向四螺杆挤出机。
上述的无芯全啮合同向三螺杆挤出机与采用同样三螺纹螺杆的啮合同向双螺杆挤出机相比，具有单位螺杆拥有的啮合区数多、混练分散性能好的优点。但由于采用的三螺纹螺杆只能是浅螺槽螺杆，因而与可采用双螺纹深螺槽螺杆的啮合同向双螺杆挤出机及无端有芯啮合同向六、八、十、十二螺杆挤出机(以下简称无端有芯啮合同向多螺杆挤出机)相比，则有单位螺杆的加工材料处理量小的缺点。
原理上、上述的无端有芯啮合同向多螺杆挤出机的螺杆组合结构也很完善，具有与螺杆同数的啮合区。但向其与螺杆同数多的螺槽、尤其是芯侧螺槽喂料很困难，存在着极易造成部分螺槽处于饥饿状态而引起单位螺杆的加工材料处理量降低，及外侧底部螺槽与芯侧螺槽排气困难，尤其是芯侧螺槽封闭易造成脱挥、排气性能低下等缺点。
上述的采用三螺纹螺杆的无端有芯啮合同向四螺杆挤出机，不仅由于适用的螺杆螺槽浅而单位螺杆的处理量低下，而且其4螺杆所围的芯区处于轴向连通中空状态，使融体状加工材料的回流量极大，实无升压挤出能力，且处于芯区的加工材料亦难于受到螺杆的混炼分散作用，故缺乏实用性。
三、发明内容：
本发明的目的在于克服上述不足问题，提供一种高效多螺杆挤出机，即通用型无端无芯啮合同向四螺杆挤出机，与无端有芯啮合同向多螺杆挤出机同样，比啮合同向双螺杆挤出机混炼分散效果更好，又具有比前者更好的喂料、排气性能及操作性，而单位螺杆的处理量又高于无芯全啮合同向三螺杆挤出机。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：高效多螺杆挤出机，主要由挤出机本体、机头、电机及传动装置组成，挤出机本体由机筒与4根相同直径双螺纹或单螺纹深螺槽螺杆组成，4根螺杆轴心呈正方形排列，无端无芯，作同向转动，相邻螺杆互相啮合构成4个啮合区。
所述挤出机本体设置至少一个喂料口，或设置至少一个排气口。
所述喂料口的开口区至少有4个螺槽呈露于喂料状态之下，或开口区长度大于双螺头螺杆元件2个螺距或4个螺纹间距，开口区螺杆为双螺纹或单螺纹半矩形或矩形螺槽螺杆。
所述排气口的开口区至少有3个螺槽呈露排气状态，或开口区长度大于双螺头螺杆元件1.6个螺距或3.2个螺纹距。
所述排气口及与其连通的脱挥排气区螺杆采用双螺纹半矩形或矩形螺槽螺杆。
所述传动装置主要由一级传动轴、至少一根二级传动轴、至少一个内外齿轮及4根输出轴组成，电机动力输出轴联接一级传动轴，一级传动轴齿轮与二级传动轴的始端传动齿轮啮合并驱动其转动，二级传动轴的末端传动齿轮与内外齿轮组的外齿轮啮合并驱动其转动，内外齿轮组的内齿轮与4根输出轴的齿轮啮合并驱动其作同向转动。
本发明与同类产品相比具有如下显著特点：在4根输送螺杆所围的中心部存在轴向分布的胞腔且在4根螺杆的同向转动作用下作轴向移动，其胞腔的最小断面尺寸受螺纹顶角制约，原理上在螺杆直径/螺槽底径＝2.41时达到零值。现在世界上大多数挤出机制造商采用的自洁性双螺纹螺杆元件设计范围为螺杆直径/螺槽底径＝1.5～1.8，也适用于本发明螺杆挤出机。
本发明螺杆挤出机由于具有与螺杆同数的啮合区，或单位螺杆拥有的啮合区数是啮合同向双螺杆挤出机的两倍，故对加工材料的混练分散能力大大高于后者；由于采用双螺纹深螺槽螺杆而使其单位螺杆加工能力显著高于无心全啮合三螺杆挤出机；喂料口及排气口的开口区设计使其具有与无端有芯啮合多螺杆挤出机同样的混练分散能力，又具有比后者更好的喂料、排气性能及操作性，且螺杆排列的无芯构造具有节省芯材与结构紧凑之优点；由于4根螺杆的周向混练分散能力高，因而其混练分散区长度相对递减，从而降低混练分散区流动阻力并减小所需混练分散区长度与其上流侧输送区充满长度，故可在较低压力下对加工材料进行连续混练，实现低温挤出与降低比能。
本发明排气口的开口区及与其连通的脱挥区也可采用双螺纹半矩形或矩形螺槽螺杆元件，以使该区胞腔内融体通过扩大的螺杆间隙及连通的螺槽处于与该开口区相同气压或真空度之下，以满足脱挥排气条件的要求。
本发明传动装置将来自电机的动力由一级传动轴的齿轮传动到二级传动轴的始端传动齿轮带动其转动，由二级传动轴的末端传动齿轮传动到内外齿轮的外齿带动其转动、并通过内外齿轮的内齿传动到4根输出轴的齿轮驱动其转动，进而带动其所连接的4根螺杆作同向转动。可根据加工材料的物性及所需转矩，或根据应用加工领域酌情采用二级传动轴数与内外齿轮齿数，调整一级传动轴的齿轮数、二级传动轴的始末端传动齿轮齿数、内外齿轮的内外齿数与输出轴齿轮齿数以确定一级传动轴与输出轴之间的传动比。
本发明的无端无芯啮合同向四螺杆挤出机具有高度的混练分散性能、脱挥排气性能及操作性，具有通用挤出机的所有特征，故可适用于聚合物的造粒、混练、反应挤出、脱挥挤出等聚合物原料生产，聚合物合金与聚合物复合材料生产及聚合物加工成型等聚合物加工领域；可适用于食品材料的粉碎、混练、加热加压等食品加工领域；可适用于建筑材料的混练、脱气、挤出成型等建材加工领域。可满足从小规模到大规模生产机型的要求。
四、附图说明：
图1为本发明整机结构示意图。
图2为本发明4根双螺纹输送螺杆排列方式及其不同状态的结构示意图；
图3为本发明胞腔的轴向分布示意图；
图4为本发明4根螺杆啮合形成的啮合区分布示意图；
图5为本发明4根交错角45度的双螺纹啮合盘混合螺杆元件排列方式及其胞腔与螺槽连通状态的示意图；
图6为本发明4根单螺纹输送螺杆元件排列方式的示意图；
图7为本发明4根单螺纹输送螺杆元件所围内螺槽的示意图；
图8为本发明喂料口主视图；
图9为本发明排气口俯视图；
图10为本发明机筒内采用双螺纹矩形螺槽螺杆的结构示意图；
图11为本发明机筒内采用双螺纹半矩形螺槽螺杆的结构示意图；
图12为本发明脱挥排气区螺杆排列结构示意图；
图13为本发明传动装置的主视图；
图14为本发明传动装置的仰视图；
图15为本发明传动装置的左视图。
五、具体实施方式：
下面结合具体附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的高效多螺杆挤出机，主要由挤出机本体、机头14、电机10及传动装置11组成，挤出机本体最上流侧设置喂料口13供喂料使用，有脱挥排气需要时须设置排气口12，排气口可根据脱挥排气工艺与真空系统连通或大气开放，挤出机主体如图2所示，机筒1内装有4根双螺纹输送性螺杆2，4根螺杆轴心呈正方形排列，无端无芯，作同向转动，其中(a)为螺杆初始位置0度时示意图、(b)为螺杆同向转动π/4时示意图、(c)为螺杆同向转动π/2时示意图、(d)为螺杆同向转动π3/4时示意图、(e)为转动一周(π)时的结构示意图，(a)和(e)时胞腔6的断面最大，(c)时胞腔断面最小，相邻螺杆互相啮合构成4个啮合区如图4所示，4根螺杆作同向转动，在4根输送螺杆所围中部形成轴向分布的胞腔6如图3所示。上述胞腔有如下特征与作用：
1、胞腔具有最大断面与最小断面，其最小断面受螺纹顶角α制约，原理上在螺杆直径/螺槽底径＝2.41时达到零值；
2、给定螺杆某处的胞腔从其断面最大状态始经螺杆转动角度π/2达最小状态，此为其断面缩小过程；又经螺杆转动角度π/2达最大状态，此为其断面增大过程，故螺杆转动半周为胞腔断面变化的周期；
3、由于4根螺杆的同向转动作用带动胞腔内粘性融体总是与其逆向转动；
4、在上述胞腔断面的缩小过程中，胞腔侧螺顶前局部压力总是大于螺槽侧螺顶后局部压力，故为其增压过程；此时胞腔内融体被挤压向前作轴向移动并通过螺杆间隙部分流向螺槽。
5、在上述胞腔断面的增大过程中，胞腔侧螺顶前局部压力总是小于螺槽侧螺顶后局部压力，故为其减压过程；此时胞腔内融体被吸引向前持续作轴向移动，同时螺槽侧融体通过螺杆间隙压入胞腔内。
图5是4根交错角45度的双螺纹啮合盘混合螺杆元件排列方式及其胞腔6与螺槽7连通状态的示意图。
如图5所示4根交错角45度的双螺纹啮合盘混合螺杆元件排列方式及其胞腔与螺槽连通状态，其中(a)为螺杆初始位置0度时示意图、(b)为螺杆同向转动π/4时示意图、(c)为螺杆同向转动π/2时示意图、(d)为螺杆同向转动π3/4时示意图、(e)为转动一周(π)时的结构示意图，(a)和(e)时胞腔断面最大，(c)时胞腔断面最小，由于啮合盘元件所围胞腔有轴向与周向开放性质，胞腔之间与螺槽之间的流体交换更为频繁剧烈，且4个啮合区螺杆之间最大剪切速度大于螺杆与机筒之间最大剪切速度，如在螺杆直径/螺槽底径＝1.5时，螺杆之间的最大剪切速度是其与机筒之间最大剪切速度的1.7倍，另外4个啮合区集中，本发明的螺杆挤出机与其它啮合同向多螺杆挤出机相比较，其混练分散性能尤为突出；对于其它混合螺杆元件具有类似的混练分散性能。
如图6、7所示，在4根单螺纹输送螺杆元件所围中部存在1个轴向螺旋延伸的内螺槽，转动不同位置时状态如图6所示，(a)为螺杆初始位置0度时示意图、(b)为螺杆同向转动π/4时示意图、(c)为螺杆同向转动π/2时示意图、(d)为螺杆同向转动π3/4时示意图、(e)为转动一周(π)时的结构示意图、(f)为螺杆同向转动5π/4时示意图、(g)为螺杆同向转动3π/2时示意图、(h)为螺杆同向转动7π/4时示意图、(i)为螺杆同向转动2π时示意图，由于该处相邻螺杆之间的啮合与相对转动，产生对内螺槽内加工材料向轴向挤出作用，且在选用单螺纹基准的混合元件时，也会因内螺槽与外螺槽之间频繁剧烈的流体交换与在啮合区对其高速剪切而显示突出的混练分散性能。
如图8、9所示，本发明挤出机在通常采用双螺纹螺杆时有4个螺槽，故在喂料口13的开口区须使4个螺槽呈露于喂料状态之下，以避免螺槽饥饿状态的存在。为了使4个螺杆之间的胞腔也处于喂料状态，在喂料口13的开口区也可采用如图10、11所示的双螺纹矩形或半矩形螺槽螺杆及单螺纹矩形或半矩形螺槽螺杆，此处对后者图示说明省略。
另外如图5所示，当本发明的无端无芯啮合同向四螺杆挤出机用于脱挥排气时，在排气口12的开口区也须使4个轴向连通的螺槽呈露于排气状态。
如图12所示的包括排气口的开口区在内的脱挥排气区螺杆排列，为使该区轴向分布的胞腔内融体通过4个螺槽连通于排气口12的开口区，以处于同样的气压或真空度之下，在该区(包括排气口12的开口区)可采用如图10、11所示的表面更新作用好的双螺纹矩形或半矩形螺槽螺杆，以使胞腔呈露于气相更好地满足脱挥排气条件。
所以，对本发明的无端无芯啮合同向四螺杆挤出机，对根据不同的加工工艺要求均可按情况灵活采用啮合同向双螺杆挤出机及无端无心啮合同向多螺杆挤出机所适用的各种双螺纹及单螺纹螺杆元件。
图13、14、15所示的传动装置，主要由一级传动轴3、2根二级传动轴4，2个内外齿轮5与4根输出轴8组成，电机动力输出轴联接一级传动轴，一级传动轴齿轮与二级传动轴的始端传动齿轮啮合并驱动其转动，二级传动轴的末端传动齿轮与内外齿轮组的外齿轮啮合并驱动其转动，内外齿轮组的内齿轮与4根输出轴的齿轮啮合并驱动其作同向转动。其动力传动原理为：来自电机10(见图1)的动力由一级传动轴3的齿轮传动到二级传动轴4的各始端传动齿轮4带动其转动，由二级传动轴4的末端传动齿轮4传动到内外齿轮5的外齿带动其转动，并通过内外齿轮5的内齿传动到4根输出轴8的两组齿轮9带动其转动，从而驱动与4根输出轴8相联的4根螺杆2(见图2)作同向转动。

Claims (6)

1、高效多螺杆挤出机，主要由挤出机本体、机头、电机及传动装置组成，其特征是：挤出机本体由机筒与4根相同直径双螺纹或单螺纹深螺槽螺杆组成，4根螺杆轴心呈正方形排列，无端无芯，作同向转动，相邻螺杆互相啮合构成4个啮合区。
2、根据权利要求1所述的高效多螺杆挤出机，其特征是：挤出机本体设置至少一个喂料口，或设置至少一个排气口。
3、根据权利要求2所述的高效多螺杆挤出机，其特征是：喂料口的开口区至少有4个螺槽呈露于喂料状态之下，或开口区长度大于双螺头螺杆元件2个螺距或4个螺纹间距，开口区螺杆为双螺纹或单螺纹半矩形或矩形螺槽螺杆。
4、根据权利要求2所述的高效多螺杆挤出机，其特征是：排气口的开口区至少有3个螺槽呈露排气状态，或开口区长度大于双螺头螺杆元件1.6个螺距或3.2个螺纹距。
5、根据权利要求2—4任一所述的高效多螺杆挤出机，其特征是：排气口及与其连通的脱挥排气区螺杆采用双螺纹半矩形或矩形螺槽螺杆。
6、根据权利要求1—4任一所述的高效多螺杆挤出机，其特征是：传动装置主要由一级传动轴、至少一根二级传动轴、至少一个内外齿轮及4根输出轴组成，电机动力输出轴联接一级传动轴的齿轮，一级传动轴齿轮与二级传动轴的始端传动齿轮啮合并驱动其转动，二级传动轴的末端传动齿轮与内外齿轮组的外齿轮啮合并驱动其转动，内外齿轮组的内齿轮与4根输出轴的齿轮啮合并驱动其作同向转动。
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