CN101547781B - 多轴挤出机 - Google Patents

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Abstract

多轴挤出机在外部壳体(9)和内部壳体(10)之间具有至少六个蜗杆轴(4)，其中，蜗杆轴沿圆(7)设置。多轴挤出机的驱动装置(1)具有小齿轮轴(2)，所述小齿轮轴(2)分成两组相同的设计且沿一个圆设置，所述轴在径向上从内侧和外侧分别以相等的力和相同的方向被驱动，且在直径上彼此相对地设置。轴经由接合器(3)同轴地连接到处理部件(5)的蜗杆轴(4)，其中，蜗杆轴(4)具有至少6Da的输送长度和1.5至1.93的Da/Di比，其中，Da是输送螺杆(11，12，13)的外径，Di是输送螺杆(11，12，13)的内径，且挤出机的转矩密度为至少50Nm/cm3。

Description

多轴挤出机
技术领域
本发明涉及一种挤出机，以用于物质的连续配备，所述挤出机包括驱动装置、和通过沿一个圆设置的多个蜗杆轴可靠地连接到驱动装置的处理部件。
背景技术
在许多情况下，使用挤出机进行物质的机械和热配备通过分布在处理长度上的用于混合、融化、湿润、分散、脱气、反应等的输送部分的组合在多个阶段进行。在这种情况下，至少部分为粘性而可发生塑性变形的成不同形式和浓度的不同物质、例如颗粒、纤维、粉末等以塑性、温度受控的过程被供给、处理和挤出，以形成定型物品例如型材或形成未定型的颗粒。如果制品以室温供给到挤出机，这需要大量的能量加热和塑化。另一方面，其余的工序处理仅需要小比例的能量。
根据EP0852533B1，至少11Nm/cm3的转矩密度用于紧密啮合的双螺杆挤出机，所述双螺杆以相同的方向转动，且具有螺杆外径Da和螺杆内径Di和600rpm以上的转动速度，其中Da/Di比在1.4和1.6之间，转矩密度是每个轴的转矩与轴向距离3次方(Md/a3)的比值。当为双螺杆挤出机配备支撑轴和Da/Di为1.55的输送元件的套装系统时，每个轴为14Nm/cm3的根据现有技术的转矩密度是极限值，该极限值还受到支撑轴的强度限制。对于具有两个相应的轴的挤出机，因此获得了28Nm/cm3的转矩密度。
而且，如果根据Kunststoffe 8/2000中的Frank Vorberg的文章利用根据背景技术部分所述的具有十二个轴的多轴挤出机，则具有相同的支撑轴系统的挤出机的效率能够增大。作为设计数据，在该文献中提及的技术数据以1.55的Da/Di比产生每轴仅5Nm/cm3的转矩密度Md/a3和相对较低的轴载荷的计算结果。然而，与具有双螺杆的效率相比，多轴挤出机的转矩密度为60Nm/cm3，是其两倍高。
EP1425151B1描述了用于缩聚物的配备的多轴挤出机的处理部件，所述处理部件具有至少四个完全自清洁的蜗杆轴，所述蜗杆轴以相同的方向转动且具有1.3-1.7的Da/Di比。由于制品的高的机械/热负载，转动速度限于600rpm，尽管每轴的转矩密度是至少9Nm/cm3，在具有四个轴的相应机器的情况下为36Nm/cm3。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有高的成本效益、高的制品质量和宽的适用性的多轴挤出机。根据本发明，这通过一种多轴挤出机实现，所述多轴挤出机包括：驱动装置、和连接到驱动装置的处理部件，所述处理部件具有至少六个轴线平行的蜗杆轴，所述蜗杆轴沿圆设置在外部壳体和内部壳体之间，且以相同的方向转动，而且不可转动地连接到互锁的输送螺杆及其他元件，外部壳体的内侧和内部壳体设有轴线平行的凹形圆弧段，所述凹形圆弧段接收相应的蜗杆轴，且在外部壳体的一端处设有至少一个材料供给开口，而且设有至少一个材料排出开口，其特征在于，驱动装置具有两个小齿轮轴，所述小齿轮轴分成多组相同的设计且沿圆设置，所述小齿轮轴在径向上从内侧和外侧分别以相等的力、以相同的方向、和以直径上相对的方式被驱动，而且经由接合器同轴地连接到处理部件的蜗杆轴，蜗杆轴具有至少6Da的输送长度和1.5-1.93的Da/Di比，其中，Da是输送螺杆的外径，Di是输送螺杆的内径，且挤出机的转矩密度为至少50Nm/cm3，处理部件在面向驱动装置的端部处具有第一部分，所述第一部分具有0.25-2Da的长度，且由外部壳体和内部壳体紧密地包围着，而且设有紧密啮合的输送螺杆，所述第一部分与第二部分邻接，所述第二部分具有2-12Da的长度，且包括输送螺杆，所述输送螺杆由部分未密闭的外部壳体包围着，所述外部壳体包括长度为至多6Da的供给开口，第二部分之后是第三部分，所述第三部分具有至少1.25Da的长度，且由外部壳体和内部壳体紧密地包围着，而且设有紧密啮合的输送螺杆，所述第三部分与第四部分邻接，所述第四部分具有至少1Da的长度，且在形成端面时具有螺杆部分或凸轮盘、而且具有这样的从外侧到内侧的节圆中的径向自由通道横截面，所述径向自由通道横截面为自由的机器输送区域的至少1/4，其中，所述螺杆部分或凸轮盘相对彼此角度上逐渐偏移。
根据本发明的挤出机具有用于至少六个轴的驱动装置，所述轴沿一个圆设置，且经由接合器驱动处理部件中的同轴设置的轴以使其沿相同方向转动，以用于输送和建立压力。处理部件的轴向长度为至少6Da。
根据本发明，多轴挤出机具有至少六个轴，所述轴沿节圆设置。在六个轴的情况下，沿封闭的节圆的布置方式通常是可能的，使得轴设在处理部件的外部壳体和内部壳体之间的环形空间中。这样的重要优点在于，在处理部件的系统中、最特别是对于驱动系统来说均可获得有效力的理想平衡，在这种情况下，产生了对于经济性和制品来说质量作为第一基本量的机械转矩。
这需要将驱动装置的转矩无弯曲载荷地经由小齿轮导入轴。通过使齿轮以相同的力沿径向相反的方向啮合位于它们之间的小齿轮得到实现。这样，不仅减轻了作用在轴的径向轴承上的载荷，而且最重要的是消除了作用在轴上的弯曲疲劳载荷，从而可使许可转矩显著增大。为了设计具有最大可能齿顶圆直径的小齿轮，每两个轴的小齿轮轴向偏移了比小齿轮的宽度和径向轴承的宽度稍大的距离，使得小齿轮的齿顶圆直径加上轴的直径再加上游隙可作为最小轴间距。
根据本发明，连接到传动机构的处理部件具有多个输送轴，所述输送轴沿圆设置，且由一个或多个外部壳体部分包围着。在第一部分中，输送轴设有特别紧密啮合的螺杆，其具有0.25-2Da的长度，且在整个圆周上还由壳体紧密地包围着，以将内侧的处理空间与外侧的空气空间隔开。第一部分之后是第二部分，所述第二部分具有长度为2.0-12Da的输送螺杆，所述输送螺杆由部分未密闭的壳体包围着，所述部分未紧密的壳体向空气空间敞开。第二部分之后是第三螺杆部分，所述第三螺杆部分为至少1.25Da长，且具有径向和轴向紧密啮合的螺杆，以建立压力，目的是将制品供给到第四部分中的输送结构，所述输送结构在形成端面时具有凸轮盘或螺杆部分，所述凸轮盘或螺杆部分相对彼此角度上逐渐偏移，且具有任何所需的螺距，所述第四部分具有1Da的最小长度，且对于每Da的长度，从外侧到内侧的节圆中的径向自由通道横截面为自由输送区域的至少1/4、尤其是至少1/3(参看EP0422272B2和DE10207145A1)。这使得产生了螺纹沟槽间的径向物质和压力补偿，所述径向物质和压力补偿特别强，这是因为以角度偏移的方式设置的各个元件或部分的自由端面，所述自由端面以角度偏移的方式设置。形成输送结构的各个元件或一体式元件的各个部分可单个地或接连多个地以相同或不同的方式实施，或可相对彼此以相同角度或不同的角度偏移地设置。因此，在双程螺杆的情况下，角度偏移可以为90°+/-60°。由于角度偏移变得自由且形成的端面可垂直地实施，例如可在由凸轮盘形成的输送结构中延伸或以相对于轴的轴线成一角度地延伸。
该轴部分可与第五轴部分邻接，所述第五轴部分具有至少0.25Da的长度，且另外被实施为压力耗用器(pressure consumer)。由于压力耗用器，产生了流阻，从而另外地材料被堆积。压力耗用器可由输送或返送螺杆元件、返送工作元件、阻滞盘(retarding disc)等形成。为了产生所需的流阻，压力耗用器具有至少0.25Da的长度。
压力耗用器的外径可等于或大于相邻轴之间的轴间距。然而，它至多与输送螺杆的外径Da一样大。
对于双程和/或单程输送螺杆，比率Da/Di特别是1.50-1.93，优选为1.6-1.93。输送结构具有相同优选的Da/Di比。根据本发明的挤出机的基于机器的转矩密度Md/a3为至少50，优选至少为100，特别是至少160，特别优选为至少220Nm/cm3，以获得所需的高的特定功率。
输送螺杆和壳体的部分也可由一个设置在另一个之后的一个或多个相同或不同的元件组成。因此，右升双程输送螺杆可以以左升单程和/或双程方式被相同地和/或不同地、完全或部分地切割到所述长度和/或螺纹深度且反之亦然，这样，螺杆脊部就会残留岛状部。
由于轴沿封闭的圆设置，因此产生了独立的内部空间，所述内部空间由蜗杆轴显著紧密地包围着。内部空间的部分由内部壳体充填，所述内部壳体的外部形状设有根据蜗杆轴的外径的凹形凹陷部。在这种情况下，压力耗用器优选在至少一个轴上在至少0.25Da的长度上未被内部壳体紧密地包围着。此外，内部壳体的凹形凹陷部可在相应的长度上被去除。
当内部壳体被设计成能够轴向不同地定位时，这种措施特别有效。因此，内部壳体的未紧密包围着压力耗用器的区域可从那里轴向向外定位到压力耗用器的区域，使得压力耗用器的作用，即例如返送螺杆元件的作用被加强，且同时如果可能，压力产生器的作用被弱化，使得充填水平和停留时间升高，从而，更多的能量导入制品中，或反之亦然。在这种情况下，内部壳体可从外部壳体的至少一端整体地或在一些部分中轴向相同地或各不相同地被定位，例如通过沿轴向偏移或移位内部壳体的未紧密包围的区域。
内部壳体优选被实施成可冷却的，外部壳体被实施成可加热的和可冷却的。外部壳体和/或内部壳体可由一个或多个壳实施成。除了第一和第二壳体局部段以外，外部壳体可具有优选具有2-10Da的长度的一个或多个另外的壳体段，所述壳体段可相对彼此定位，紧密地被保持在一起，且被设计成具有或不具有径向封闭的开口，其中，封闭件可被设计成是可更换的或径向可调节的，且在圆周上或长度上一个在另一个之后地分布设置。特别地，在外部壳体的圆周中的一个或多个开口可设置在用于输送和/或排放物质的圆周处，所述开口在一个或多个径向平面上分布。例如为了在具有或不具有供给装置的情况下供给粉末或必要时的多个绳索或排气管中的连续纤维，这些开口可对称地、在单个或多个相对位置、水平地和/或成一角度地设置在在外部壳体的圆周上。
根据本发明的挤出机不仅适合于融化物质和去除物质的气体，而且还特别适合于湿润纳米级固体到连续纤维，用于以高的经济性和质量并入到塑料材料和类似的可挤出的材料中。原因在于，机器具有高的转矩密度，适于明显不同的要求导入能量，而且在相对较低的圆周速度下也具有较高的融化功率、从而具有高的材料温度。
附图说明
下面，参看附图借助示例更详细地描述本发明，附图包括：
图1是通过多轴挤出机的纵向截面；
图2是沿着根据图1的线II-II通过挤出机的截面；
图3和4分别是揉捏块和输送结构的另一实施例的透视图和侧视图；
图5是沿着图1中的线V-V的截面；以及
图6和7是分别沿着图1中的线VI-VI和VII-VII通过挤出机的驱动装置的截面。
具体实施方式
根据图1，多轴挤出机包括驱动装置1，所述驱动装置1具有十二个小齿轮轴2，所述小齿轮轴沿一个圆设置且经由接合器3连接到处理部件15的蜗杆轴4。
根据图2，处理部件5的十二个轴4在外部壳体9与内核或内部壳体10之间的环形空间8中以轴线平行的方式沿节圆7设置，且沿相同方向转动。蜗杆轴4不可转动地连接到互锁的输送螺杆11、12、13和其他元件。为此，所述输送螺杆11、12、13和其他元件经由花键齿14(参看图3)被推装到轴4上。
根据图2，外部壳体9在内侧设有轴线平行的凹形圆弧段15。同样地，内部壳体10具有轴线平行的凹形圆弧段16。圆弧段15、16接收相应的轴4并对它进行引导。
根据图1，外部壳体9的一端在上游输送侧由端板17封闭。而且，多个材料排出开口18设置在下游输送侧端板19中。
处理部件5的轴向输送长度L例如为20Da，其中，Da是输送螺杆11、12、13的外径。
处理部件5具有与端板17关联的第一部分S1，所述第一部分S1具有例如0.5Da的长度，且被外部壳体9和内部壳体10紧密地包围着，而且设有紧密啮合的输送螺杆11。第一部分S1与长度例如为6Da的第二部分S2邻接，在第二部分S2中同样设有输送螺杆11。在部分S2中，外部壳体9设有长度例如至多6Da的材料供给开口20，使得输送螺杆11在部分S2中由部分未密闭的外部壳体9包围着。
第二部分S2与长度例如为4Da的第三部分S3邻接，所述第三部分S3由外部壳体9和内部壳体10紧密地包围着，且在第三部分S3中，输送螺杆11同样以紧密啮合的方式实施。第三部分S3之后是长度例如为2Da的第四部分S4，所述第四部分S4具有输送结构21。根据图4，输送结构21由包括短的螺杆部分22a至22d的一体式元件形成，所述螺杆部分相对彼此角度逐渐偏移地设置。这样，就形成了自由端面23a至23d，它们相对于轴的轴线24倾斜。
图3示出了输送结构25的另一个实施例，即包括凸轮盘部分26a至26e的揉捏块，所述凸轮盘部分如线27所示地以与输送螺杆11至13对应的螺旋方向设置，从而形成与轴的轴线垂直的自由端面28a至28e。在输送结构21和25中，从外侧到内侧的节圆7中的径向自由通道横截面为机器输送区域的至少四分之一、尤其是至少三分之一。
根据图1，第四部分S4与第五部分S5邻接，在该第五部分S5中，轴4设有压力耗用器。压力耗用器产生高的流阻，从而堆积材料。如图1所示，压力耗用器可通过返送螺杆元件21形成，然而也可由返送工作元件，例如返送揉捏块、阻滞盘等形成。它也可由输送螺杆或工作元件形成。为了建立所需的压力，第五部分S5的长度至少为0.25Da。
根据图1，外部壳体9设有通道30，热的或冷的液体传递通过所述通道30，以加热和/或冷却外部壳体9。图2示出了内部壳体10具有轴向孔32，以便例如利用液体加热和/或冷却内部壳体10，所述液体经由连接端33、34供给和排放。
可从图1看出，在形成压力耗用器的返送螺杆元件29的区域35，在内部壳体10上移除或去除了凹形凹陷部16。因此，压力耗用器在这些区域不再被紧密地包围着，即返送螺杆元件29产生的流阻减小。
内部壳体10在面向材料排出开口18的下游输送侧端板19中以浮动的方式安装。为此，将内部壳体10固定到端板19上的螺钉36被松开，且内部壳体10的区域35的位置例如通过定位环37被调节。这使得可调节压力耗用器的流阻。
根据图2，外部壳体9在径向平面上具有四个开口38，所述开口38在圆周上分布，且分别可由塞子39封闭。根据外部壳体9的内壁上的圆弧段15，塞子39的面向内部壳体10的表面也设有凹形圆弧段40。因此，在开口38的区域的压力耗用器的作用可部分地通过拔动塞子39改变。
根据图5，材料供给开口20具有供给喷管41。
此外，根据图1，另外的开口可设置在外部壳体9中，具有输送螺杆46的安装件45设置在所述另外的开口中的每个上。
延伸通过上游输送侧端板17的蜗杆轴4由驱动装置1驱动，以沿相同的方向转动。根据图1，驱动装置1经由连接壳体47连接到处理部件5的端板17上。
驱动装置1具有主驱动轴(未示出)，所述主驱动轴经由分支传动机构驱动驱动轴48和四个外部轴线平行的驱动轴55至58，所述驱动轴48同轴地定位在内侧。
优选通过使轴2与相应的小齿轮59和60一体地形成，相应的小齿轮59、60不可转动地固定到形成驱动装置1的输出轴的小齿轮轴2上。相邻轴2的小齿轮59、60以轴向偏移的方式设置，即小齿轮59比小齿轮60更近地设置在处理部件5上。
中心驱动轴48不可转动地设有两个轴向偏移的位于内部的、外部带齿的驱动轮61、62，它们与相应的小齿轮59、60啮合。小齿轮59、60不仅由中心处的外部带齿的驱动轮61、62、而且还由径向相对设置的包围着的内部带齿的中空轮64、65驱动，所述轮64、65也以相应的轴向偏移的方式设置。
每个中空轮64、65设有外部齿，四个外部驱动轴55至58上的外部带齿的驱动轮66至69与所述外部齿啮合。根据小齿轮59、60或内部驱动轮61、62或中空轮64、65，外部驱动轮66至69以轴向偏移的方式设置。
外部驱动轮和如图所示的中心驱动轴48的附加驱动轮可通过每个轴的单独的驱动电机或经由机械动力分支驱动。
由此，中空轮64、65分别由两个相应的位于外部的在直径方向上相对的驱动轮66、68和67、69以大致力平衡的方式定位在中心。然而，原理上，对于每个中空轮，仅需要一个驱动轮。
因此，驱动装置1具有这样的小齿轮轴2，所述小齿轮轴被分成两组相同的设计且沿圆7设置，所述小齿轮轴在径向上从内侧和外侧分别以相等的力、以相同的方向、和以直径上相对的方式被驱动，且经由接合器3同轴地连接到处理部件5的蜗杆轴4。

Claims (17)

1.一种多轴挤出机，包括：驱动装置(1)、和连接到驱动装置(1)的处理部件(5)，所述处理部件(5)具有至少六个轴线平行的蜗杆轴(4)，所述蜗杆轴(4)沿圆(7)设置在外部壳体(9)和内部壳体(10)之间，且以相同的方向转动，而且不可转动地连接到互锁的输送螺杆(11，12，13)及与小齿轮轴(2)连接的接合器(3)，外部壳体(9)的内侧和内部壳体(10)设有轴线平行的凹形圆弧段(15，16)，所述凹形圆弧段(15，16)接收相应的蜗杆轴(4)，且在外部壳体(9)的一端处设有至少一个材料供给开口(20)，而且设有至少一个材料排出开口(18)，其特征在于，驱动装置(1)具有两个小齿轮轴(2)，所述小齿轮轴分成多组相同的设计且沿圆(7)设置，所述小齿轮轴在径向上从内侧和外侧分别以相等的力、以相同的方向、和以直径上相对的方式被驱动，而且经由接合器(3)同轴地连接到处理部件(5)的蜗杆轴(4)，蜗杆轴(4)具有至少6Da的输送长度和1.5-1.93的Da/Di比，其中，Da是输送螺杆(11，12，13)的外径，Di是输送螺杆(11，12，13)的内径，且挤出机的转矩密度为至少50Nm/cm3，处理部件(5)在面向驱动装置(1)的端部处具有第一部分(S1)，所述第一部分(S1)具有0.25-2Da的长度，且由外部壳体(9)和内部壳体(10)紧密地包围着，而且设有紧密啮合的输送螺杆(11)，所述第一部分与第二部分(S2)邻接，所述第二部分(S2)具有2-12Da的长度，且包括输送螺杆(11)，所述输送螺杆(11)由部分未密闭的外部壳体(9)包围着，所述外部壳体(9)包括长度为至多6Da的供给开口(20)，第二部分(S3)之后是第三部分(S3)，所述第三部分(S3)具有至少1.25Da的长度，且由外部壳体(9)和内部壳体(10)紧密地包围着，而且设有紧密啮合的输送螺杆(11)，所述第三部分与第四部分(S4)邻接，所述第四部分具有至少1Da的长度，且在形成端面时具有螺杆部分或凸轮盘、而且具有这样的从外侧到内侧的节圆(7)中的径向自由通道横截面，所述径向自由通道横截面为自由的机器输送区域的至少1/4，其中，所述螺杆部分或凸轮盘相对彼此角度上逐渐偏移。
2.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，挤出机的转矩密度为至少100Nm/cm3。
3.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，挤出机的转矩密度为至少160Nm/cm3。
4.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，挤出机的转矩密度为至少220Nm/cm3。
5.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，Da/Di比为1.6-1.93。
6.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，内部壳体(10)在外部壳体(9)的一端或两端处径向上固定地被设置、且可从外部壳体(9)的一端或两端进行轴向调节。
7.如前面权利要求中任一所述的多轴挤出机，其特征在于，所述径向自由通道横截面为自由的机器输送区域的至少1/3。
8.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，第四部分(S4)与第五部分(S5)邻接，所述第五部分(S5)具有至少0.25Da的长度，且在所述第五部分(S5)中，蜗杆轴(4)充当压力耗用器。
9.如权利要求8所述的多轴挤出机，其特征在于，压力耗用器是输送或返送螺杆元件或阻滞盘。
10.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，第一部分(S1)和第二部分(S2)以及第三部分(S3)总共具有至多16Da的长度。
11.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，第一部分(S1)和第二部分(S2)以及第三部分(S3)总共具有至多12Da的长度。
12.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，第一部分(S1)和第二部分(S2)以及第三部分(S3)总共具有至多8Da的长度。
13.如权利要求8或9所述的多轴挤出机，其特征在于，在内部壳体(10)上，在至少0.25Da的长度上至少部分地去除凹形凹陷部(16)，使得压力耗用器未被紧密地包围着。
14.如权利要求13所述的多轴挤出机，其特征在于，非紧密的内部壳体部分由压力耗用器以相同或不同的距离和实施方式包围着。
15.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，内部壳体(10)一体地或由多个部件实施而成，且实施成可在一个或多个区域被冷却和/或加热。
16.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，外部壳体(9)实施成可被加热或冷却，且由一个壳或多个壳构成。
17.如权利要求1所述的多轴挤出机，其特征在于，外部壳体(9)具有可封闭的开口(38)，所述开口(38)在外部壳体(9)的圆周上和/或长度上分布，以便在具有或不具有供给装置的情况下供给和/或排放物质。
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