CN102001170B - 一种高分子材料平衡式挤出机及其轴向力平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高分子材料平衡式挤出机及其轴向力平衡方法，在该挤出机机筒内孔设有旋转的螺杆，机筒中部设有出料口，出料口两端沿轴向镜像对称处各设置有进料口，螺杆上设有由互为反向螺纹形成的两个螺纹工作段，两个螺纹工作段之间的螺杆中段对应于机筒的出料口，其特征在于：轴向力平衡装置由螺杆中段的变径元件及与变径元件形状相匹配的机筒内孔对应段构成，变径元件周向与机筒内孔之间形成环形的流道。本发明中的轴向力平衡方法是通过变径元件两侧所受的物料压力的不同而使螺杆产生轴向移动，进而调节流道的流通截面积并最后达到轴向力平衡。本发明所要解决的技术问题是，减少和抵消高分子材料对螺杆形成的轴向力，使螺杆尽量工作在轴向力抵消的平衡状态。

Description

一种高分子材料平衡式挤出机及其轴向力平衡方法

技术领域

本发明涉及一种高分子材料加工设备，尤其是一种高分子材料平衡式挤出机及其轴向力平衡方法。

背景技术

目前常规高分子材料挤出机(包括单螺杆挤出机，平行异向双螺杆挤出机以及平行同向双螺杆挤出机)自发展伊始至今，物料都是从机筒一端的加料口加入并被旋转的螺杆输送到另一端的机头挤出成型。在物料的加工过程中，机筒两端具有较高的压力差，形成一个较大的轴向推力，为此必须在螺杆的尾段安装推力轴承，以承受物料对螺杆的轴向推力，这就使得挤出机传动系统的结构复杂而庞大，尤其对于同向或异向平行双螺杆挤出机而言，因为其两根螺杆的中心距较小，可使用空间窄小无法设置一般的轴承，为此需要专门设计制造或购买价格昂贵的串联轴承组以承受较高的轴向推力，即使如此也常因其轴承径向尺寸受限而强度有限、导致使用寿命也很有限。

通常挤出机性能的提高和应用范围的拓展与螺杆长径比的增加密不可分，对于常规挤出机而言，加大螺杆长径比，能够提高挤出机产量，提高并稳定挤出压力，改善塑化质量。但是加大螺杆长径比会导致驱动螺杆旋转的扭矩增加，由于受到螺杆材料强度极限的制约，螺杆长径比的加大受到了一定限制。目前解决这一矛盾的有效方法是增加螺杆直径，然而机筒内孔的横截面积与螺杆直径成二次方比例关系，这就意味着螺杆端部的物料压力(机头压力)也是以二次方的比例关系增大，由此产生的螺杆轴向推力与机头压力同比增大。如何解决螺杆直径、长径比与挤出机性能之间的相互制约成为了挤出机向高性能、高产量、多功能发展的关键。

同时，上述原因也限制了挤出机向更高的工作压力区间发展，成为高分子材料加工领域一直想解决、但一直未得到彻底的解决的难题。

美国专利5409366发明公开了一种可挤出物料的加工装置(详见附图16)。其采用了螺纹旋向互为反向的对接式螺杆布局，两端螺杆的轴向推力至少能够部分抵消，但是由于物料从两端进料、加料速率的不一致和加工工艺条件的不同及其他因素仍会造成两边轴向推力的不相等，即还存在部分未抵消的轴向推力，该轴向推力由轴承承受，所以，轴承及传动系统仍然承受一定的轴向力，所以该专利试图采用通过检测螺杆两端轴承的轴向力变量参数反馈控制加料量的方法实现螺杆两端轴向推力的平衡。

另外，该美国专利还介绍了下述内容：

1)食品挤出成型的关键控制因素为剪切速率，因此美国专利采用对接式设计的焦点集中在“控制物料在加工过程中所承受的剪切力，使得物料通过挤压成型加工为安全合格的产品”；

2)食品挤出成型是将谷物淀粉加工成早餐谷物、快餐或饼干等产品，或将蔬菜类蛋白质加工成肉类食品，挤出机的主要作用为输送、压缩和均化及剪切，剪切力不能过大，剪切力过大会使物料温度升高，易破坏食品的营养成份和口感；

3)食品挤出成型的温度和压力相对较低，压力范围在7～360bar，换算后为0.7～36MPa(而膨化食品的工艺压力约为3～8MPa，加工温度通常低于200℃)；

美国专利的上述轴向力控制方法由于其检测项目与控制目标分离，即检测的是轴向力变化，控制的是加料量，而加料量的变化再反应到螺杆的轴向力数值需要一个时间过程，所以存在较长的滞后。因此，既不可能精确控制轴向力的平衡，也不能保证挤出产品的质量和产量的稳定性，对于此方面要求不高的加工谷物、淀粉类的食品挤出机而言较为适用。

但是对高分子材料而言，由于高分子材料成型加工具有较长的工艺过程，对成型过程的稳定性要求较高。如果采用这种控制方法或结构会存在较长的反应滞后的问题，无法实现螺杆两端轴向推力的稳定和平衡以及及时的调整，必将导致挤出产量和质量的波动，可见这种结构和控制方法并不适用于高分子材料的成型加工。

因此，该美国专利的上述结构和轴向力平衡的方式能否为高分子材料挤出机所借用，十几年来世界各国均无此方面的报道，也无成功应用的实例，究其原因是存在以下几个方面的困难：

1)剪切力的控制仅仅是高分子挤出成型机设计的一个因素，均匀、合格、稳定的挤出是其关键；

2)高分子材料挤出成型中挤出机的主要功能为输送、压缩、熔融、均化，与其它三个功能相比，熔融在整个高分子材料挤出成型过程中对成型工艺过程的影响最大，而且直接影响着挤出制品的质量，熔融除了机筒的外加热外，还需要有螺杆对物料的剪切、及剪切升温的配合；

3)高分子材料挤出成型的温度和压力相对较高(工艺温度大多在200℃以上，甚至有些物料超过350℃，设计压力通常大于35MPa，即其一般压力均在美国专利所介绍的食品挤出机压力的上限值，而许多情况下，实际高分子材料挤出机的压力往往会超过该上限值)；

4)高分子材料在熔融过程中存在熔融潜热，加工也需要经过较长的工艺过程，对成型过程的稳定性要求较高。而上述美国专利所述的控制方法因不可避免地存在反应滞后的问题，无法实现螺杆两端轴向推力的稳定和平衡，不能满足高分子材料挤出成型的工艺要求；

5)高分子材料加工过程中除物理变化外，还有化学变化，如比聚烯烃的造粒过程中要加入过氧化物等添加剂打断分子链，以控制所造粒粒子的熔融指数，有些反应挤出机所适应的工作压力较高，而目前常规高分子材料挤出机难以满足这种高压力条件下的长时间使用的需求。

综上所述，在高分子材料加工领域需要一种既可满足高分子材料挤出所需要的较高工艺压力，又使螺杆所受到的轴向力较小，并且能够使轴向力自动调节而达到平衡状态并能够满足上述需求和解决现有技术不足的高分子材料平衡式挤出机及其轴向力平衡方法。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高分子材料平衡式挤出机。该挤出机的技术方案的构成包括有：一机筒，在机筒内孔两端装设有轴承，两组轴承之间设有旋转的螺杆，机筒中部设有与机筒内孔相贯通的出料口，出料口两端沿机筒轴向镜像对称处各设置有与机筒内孔相贯通的进料口，螺杆上设有由互为反向螺纹形成的两个螺纹工作段，两个螺纹工作段之间的螺杆中段对应于机筒的出料口，其特征在于：螺杆中段设有轴向力平衡装置，轴向力平衡装置由螺杆中段的变径元件及与变径元件形状相匹配的机筒内孔构成，变径元件周向与机筒内孔之间形成环形的流道8。参见图1至图4。

本发明上述技术方案所要解决的技术问题是，减少和抵消高分子物料对螺杆的轴向作用力，使螺杆尽量工作在轴向力抵消的平衡状态。即使螺杆产生了不平衡的轴向力，也可通过轴向力平衡装置进行调整而达到轴向力平衡。其平衡原理是通过旋转螺杆上的互为反向的螺纹形成了互为反向的轴向力，使螺杆轴向力大部分被相互抵消，而剩余的未抵消的部分轴向力使螺杆向一侧移动，致使变径元件两侧流通截面积发生变化而导致物料压力发生改变，物料压力较大一侧对螺杆的作用力就抵消了原来推动螺杆移动的轴向力，使螺杆两方向的轴向力获得平衡。因此，该技术方案所导致的直接显著的技术效果是，通过结构简单的平衡装置自动调节剩余不平衡的轴向力，使挤出螺杆减速及传动系统、轴承部分基本不再承受较大的轴向力的作用，不仅提高了这些部件的使用寿命和效果及挤出产品的质量，而且可以从设计上简化高分子材料挤出机的结构，解决该类挤出机设计时较难解决的螺杆轴向推力与螺杆长径比、螺杆强度、推力轴承减速系统小型化及向高工作压力方向发展等相互合理匹配的设计难题，给高分子材料挤出机的合理化、更优化设计创造了可利用空间。

本发明另一发明目的是提供一种螺杆轴向移动时具有更小移动阻力和保证减速器不承受轴向力的高分子材料平衡式挤出机。该技术方案的构成是在发明目的之一所述的技术方案基础上，在旋转螺杆的输入段与减速器输出轴内孔或联轴器毂内孔的之间周向间隔设置有至少一组以上的滚子键，滚子键由设置在联轴器毂内孔或联轴器毂内孔的和螺杆输入段外圆的沿各自径向凹入的键槽中的毂滚道和轴滚道、位于两滚道之间的保持架及置放在保持架中的滚动体构成，在毂滚道顶部的螺孔中拧装有调节滚子键间隙的调节螺钉。参见图1、图5和图6。本技术方案的显著效果是由于滚子键中的滚动体具有线性滚动接触，在螺杆轴向移动时因阻力相比滑键更小而移动更加灵活。

本发明再一发明目的是提供一种可减少螺杆与机筒磨损、能增加物料混合效果的高分子材料平衡式挤出机。该技术方案的构成是在发明目的之一所述技术方案基础上，在螺杆中段与机筒内孔之间的环腔中，在螺杆两对称螺纹工作段之间无螺纹的螺杆中段设置有混炼轴承组件。混炼轴承组件轴向定位在双螺杆的环形定位凹槽中。参见图1、图7至图10。

本技术方案的显著技术效果是，由于在螺杆与机筒之间设置有滚动体，滚动体在随螺杆轴转动时不仅自身旋转，而且绕螺杆轴公转，并在转动中对沿轴向通过其的物料起到分散、扰流及重新合流的效果，有利于提高物料的混炼效果，同时在远离螺杆根部或轴承部的远端设置混炼轴承组件，如同在工作环境最恶劣的螺杆最易变形或变形量最大的悬臂端增加了支撑轴承，可起到支撑螺杆和减少螺杆与机筒内孔壁之间磨损的作用，极大地改善螺杆的工作条件，延长螺杆的使用寿命。

本发明的再一发明目的是提供一种自动调节高分子材料挤出机轴向力平衡方法。该方法所采取的技术手段是，高分子材料由挤出机轴向的镜像对称的加料口加入，通过旋转螺杆互为反向的螺纹工作段推动所加入的高分子材料由两端同时向挤出机中部的出料口输送挤出；输送挤压过程中物料对螺杆所产生的轴向作用力相反、且大部分相互抵消；未抵消的部分轴向作用力将会推动螺杆沿该力的方向作轴向移动；该轴向移动致使变径元件两侧的环锥形流道流通截面面积发生改变，该改变导致变径元件两侧的物料压力发生变化，并使得环锥形流道截面面积变小一侧的物料压力升高；该升高的压力作用在变径元件上并产生与原轴向力方向相反的作用力；当该反作用力与原来未抵消的轴向力相等时，螺杆轴向力达到平衡；螺杆停止轴向移动。这种调整方式称为主动式轴向力调整方法。参见图1。

本发明再一发明目的是提供一种高分子材料平衡式挤出机，该挤出机包括一控制系统和一数据采集系统，其特征在于：在与环锥形流道对应部位的轴向力平衡装置机筒段中安装有压力传感器，压力传感器上的测量元件与该处环腔中的高分子物料相接触，在两进料口之间设有两对称分布的与环腔相贯通的补料口，在机筒内间隔设置有温度传感器，在机筒壁外部包覆有加热器，伺服驱动装置设置在机筒的一端并与驱动连接件末端相枢连，驱动连接件另一端与轴承座中心相连，在机筒一末端设有位移传感器。参见图11。

该技术方案工作原理说明如下：当挤出机在工作过程中发生某项参数改变时，由上述数据采集系统根据参数的具体改变情况在必要时采取相应的措施改变挤出机的工作状态。例如，当两个压力传感器传递的数据显示左端压力大，同时位移传感器传递的数据显示螺杆向右移动，则设备按照前述主动式平衡方法实现轴向推力的自平衡。而当两个压力传感器传递的数据显示左端压力大，而位移传感器传递的数据显示螺杆却在向左移动，同时温度传感器(热电偶)显示螺杆两端物料温度对应相等，则控制系统发出指令，使带有速度传感器的定量加料装置工作，在左端补料口补充加料，调整螺杆压缩段的高分子材料的充满长度，进而增加该段摩擦力，增加螺杆移动的阻力，减缓螺杆左移，从而实现螺杆轴向推力的平衡。此外，在高精度制品挤出中，若螺杆两端的压力差较小，所形成的轴向推力不足以推动螺杆轴向运动实现主动平衡时，控制系统发出信号，由伺服驱动装置及驱动连接件带动轴承座向压力小的一端移动螺杆，从而实现轴向推力的平衡，这种方式也被称为被动式调整。

由此可见，上述轴向力调节方法的显著技术效果是，利用物料对互为反向对接螺杆所产生互为反向的轴向力互相抵消的方法，使得挤出机大部分轴向力直接在旋转螺杆本身上得到抵消，而不会传递到轴承和减速系统上，使得挤出机的结构简化，为高分子材料挤出机的发展及设计开拓了空间，同时，该轴向力的抵消，使螺杆自身恶劣的工作环境得到了改善，延长了其使用寿命，解决了螺杆长径比、螺杆直径与挤出机性能之间难以合理匹配的技术难题。

上述方法更大的优点还在于，通过自动调节轴向力平衡装置两端流道截面面积的方式，可以进一步动态调节剩余未平衡的部分轴向力，使螺杆挤出机能够工作在挤出压力稳定和平衡的工作状态，避免挤出产量和质量的波动。

本发明还有以下发明目的：

提供一种高分子材料平衡式挤出机螺杆，该螺杆上设有螺纹旋向互为反向的两螺纹工作段，两螺纹工作段之间的螺杆中段的中部设有一变径元件，变径元件中间为一圆柱体，圆柱体两轴端与螺杆中段的外径之间存在直径差，该直径差形成了环锥形的过渡部。参见图1和图2。

提供一种高分子材料挤出机轴向力平衡装置，轴向力平衡装置由带有出料口的机筒段和转动设置在其内孔中的螺杆变径元件构成，机筒段的机筒内孔与螺杆变径元件的圆柱体外表面之间的形状相匹配，并且两者之间形成一环腔，变径元件两过渡部与轴向力平衡装置机筒段内孔对应环周部形成环锥形流道。参见图1和图2及图8。

附图说明

图1是本发明的结构剖视图。

图2是图1中轴向力平衡装置的第二种实施例。

图3是图1中轴向力平衡装置的第三种实施例。

图4是图1中轴向力平衡装置的第四种实施例。

图5是图1中滚子键部分的结构剖面图。

图6是图1中滚子键的立体结构图。

图7是图1中混炼轴承组件7的立体结构图(适用于异向双螺杆)。

图8是图7所示结构装配完毕后的结构剖视图。

图9是图1中混炼轴承组件7的第二种立体结构图(适用于同向双螺杆)。

图10是图1中混炼轴承组件7的第三种立体体结构图(适用于单螺杆)。

图11是本发明轴向力被动式调节原理图。

图12是本发明平衡装置轴向力调整计算时的结构示意图。

图13a、图13b、图13c、图13d及图13e是图12所示平衡装置计算轴向力时的轴向位置示意图。

图14是挤出机特性曲线和机头压力曲线图。

图15是本发明平衡压力计算中所采用的对比(螺杆和口模特性曲线)用图。

图16是美国专利的结构图。

本发明各附图中的零部件名称及对应标号如下：

1驱动连接件      2轴承座           3轴承

4机筒            41机筒段          5进料口

6螺杆            61螺纹工作段

62螺杆中段       621变径元件       622过渡部

63定位凹槽(凸棱) 64输入段          641键槽

7混炼轴承组件    71滚动体          711贯通孔

712环形槽        72保持架          721通孔

8流道            9轴向力平衡装置   10出料口

11机筒内孔           111位移传感器    112伺服驱动装置

113带有速度传感器的  114温度传感器    115加热器

定量加料装置

12滚子键             122毂滚道        123螺节螺钉

124滚动体            125保持架        126轴滚道

13减速器输出轴       131键槽          132螺孔

14压力传感器         15环腔           16补料口

具体实施方式

下面将结合附图1至附图15对本发明的结构进行更详细的说明：

一种高分子材料挤出机螺杆，其特征在于：螺杆6上设有螺纹旋向互为反向的螺纹工作段61，两螺纹工作段61之间的螺杆中段62的中部设有一变径元件621，变径元件621中间为一圆柱体，圆柱体两轴端与螺杆中段62的外径之间存在直径差，该直径差形成了环锥形的过渡部622。参见图1、图2。

一种高分子材料挤出机轴向力平衡装置，其特征在于：轴向力平衡装置9由带有出料口10的机筒段41和转动设置在其内孔中的螺杆6的变径元件621构成，轴向力平衡装置的机筒内孔11与螺杆变径元件621的圆柱体外表面之间形成一环腔15，变径元件621的两对称过渡部622与轴向力平衡装置9的机筒段41内孔对应环周部形成环锥形流道8。参见图1和图2及图8。

一种高分子材料平衡式挤出机，其包含有：一机筒4，在机筒内孔11两端装设有轴承3，两组轴承之间设有旋转的螺杆6，机筒4中部设有与机筒内孔11相贯通的出料口10，出料口10两端沿机筒4轴向镜像对称处各设置有与机筒内孔11相贯通的进料口5，螺杆6上设有由互为反向螺纹形成的两个螺纹工作段61，两个螺纹工作段61之间的螺杆中段62对应于机筒4的出料口10，其特征在于：螺杆中段62设有轴向力平衡装置9，轴向力平衡装置9由螺杆中段62的变径元件621及与变径元件621形状相匹配的机筒段41内孔构成，变径元件621周向与机筒段内孔11之间形成环形的流道8。参见图1至图4。

机筒4是由带有出料口10的轴向力衡装置机筒段41与两相邻机筒段串接构成，设在机筒4内的旋转螺杆6是单螺杆或平行的双螺杆结构，每根螺杆6均设有两个螺纹工作段61，中段的环形流道8与出料口10相贯通。参见图1、图4、图10。

一种高分子材料平衡式挤出机，旋转螺杆的输入段64与减速器输出轴13内孔或联轴器毂内孔之间周向间隔设置有至少一组以上的滚子键12，滚子键12由设置在减速器输出轴或联轴器毂内孔及螺杆输入段64外圆的沿各自径向凹入的键槽131及641、键槽中的毂滚道122和轴滚道126、固定在两滚道之间的保持架125及置放在保持架125内的滚动体124构成，在毂滚道122顶部的螺孔132中拧装有调节滚子键12间隙的调节螺钉123。参见图5、图6。

一种高分子材料平衡式挤出机，其一侧开口的键槽131及641沿各自轴向开孔端豁通，毂滚道122和轴滚道126均呈条状的单边梯形，滚动体124为圆柱形并装配在位于毂滚道122和轴滚道126之间的保持架125之中，滚动体124轴线与调节螺钉123的轴线之间呈一夹角。参见图5、图6。

一种高分子材料平衡式挤出机，有一控制系统和一信号采集装置，其特征在于：在环锥形流道8前端对应部位的轴向力平衡装置机筒段41中安装有压力传感器14，压力传感器14上的测量元件与该处环腔15中的高分子材料相接触，在两进料口5之间设有两对称分布的与环腔15相贯通的补料口16，在机筒内间隔设置有温度传感器114，在机筒壁外部包覆有加热器115，伺服驱动装置112设置在机筒4的一端并与驱动连接件末端1相枢连，驱动连接件1另一端与轴承座2中心相连，在机筒4一末端设有位移传感器111。参见图11。

一种高分子材料平衡式挤出机，其轴向力平衡装置9中的变径元件621中部圆柱体直径大于螺杆中段62外径，圆柱体的两对称过渡部622为扩张型的环锥形，轴向力平衡装置9机筒段41的内孔亦为沿径向外凹的并与变径元件621外形相匹配的扩张型结构。参见图1、图2。

一种高分子材料平衡式挤出机，其轴向力平衡装置9中的变径元件621的中部圆柱体直径小于螺杆中段62外径，圆柱体的两对称过渡部622为收缩型的环锥形，轴向力平衡装置9机筒段41的内孔亦为沿径向内凸的并与变径元件621外形相匹配的收缩型结构。参见图3。

一种高分子材料平衡式挤出机，其在∞字形的机筒4内设有两根平行的旋转螺杆6，其中一根旋转螺杆6的变径元件621为扩张型结构，另一根旋转螺杆6的变径元件621为收缩型结构，并在旋转过程中呈相互凹凸的的胀缩结合型，与胀缩结合型变径元件621相匹配的轴向力平衡装置9的机筒段41的内孔形状与相应侧的变径元件621的外形形状相吻合。参见图4。

一种高分子材料平衡式挤出机，轴向力平衡装置9的机筒段41两轴端通过法兰与相邻机筒段轴向串接，轴向力平衡装置9的机筒段41周向呈整体式或剖分式结构。参见图1、图4。

一种高分子材料平衡式挤出机，机筒4内设有两根平行的旋转方向相同或相反的旋转螺杆6。参见图1。

一种高分子材料平衡式挤出机，在旋转螺杆中段62与机筒内孔11之间环腔15中、在螺杆6的两对称的螺纹工作段61之间轴向无螺纹的螺杆中段62上装设置混炼轴承组件7。参见图7、图9及如10。

一种高分子材料平衡式挤出机，混炼轴承组件7设置在异向平行双螺杆6的环形定位凹槽63中并沿该凹槽周向分布，混炼轴承组件7包括沿环形定位凹槽周向间隔分布的若干个滚动体71及将相邻滚动体周向扣套定位的保持架72构成。参见图7、图8。

一种高分子材料平衡式挤出机，其环形定位凹槽63是由凸出于螺杆中段62外周表面的至少两道周向封闭状的环形凸棱或凹入螺杆中段62外周表面的环状凹槽63构成，沿滚动体71轴向间隔开设有环形槽712，其中间的环形槽与扣板状保持架72两端的扣孔活动套合并沿周向串接成链状结构，保持架72两端扣孔为弹性的C形，两扣孔之间板体曲率半径大于定位凹槽63外圆半径。参见图7、图8。

一种高分子材料平衡式挤出机，混炼轴承组件7设置在同向平行双螺杆6的螺杆中段62外表面与机筒内孔11所形成的椭圆形环腔15中，并通过螺杆中段62的环形定位凹槽63和楔状保持架72轴向定位，混炼轴承组件7由若干依序活动卡放在椭圆形环腔15中的带贯通孔711的滚动体71及设置在两螺杆中段62相邻侧空间内浮动的楔状保持架72构成。参见图9。

一种高分子材料平衡式挤出机，混炼轴承组件7设置在单螺杆6靠近出料口10的螺杆外圆表面与机筒内孔形成的环腔15中并通过螺杆中段62外表面定位凹槽63轴向定位，混炼轴承组件7由若干依序活动卡放在环腔15中的带贯通孔711的滚动体71构成。参见图9和图10。

一种高分子材料平衡式挤出机，其楔形保持架72上设有物料可通过的通孔721。参见图9。

一种高分子材料平衡式挤出机轴向力平衡方法，其平衡过程如下：高分子材料由挤出机轴向的镜像对称的进料口5加入，通过旋转螺杆6互为反向的螺纹工作段61推动使加入的物料由两端同时向挤出机中部的出料口10输送挤出；输送挤压过程中物料对螺杆使产生的轴向作用力相反、且大部分相互抵消；未抵消的部分轴向作用力将会推动螺杆6沿该力的方向作轴向移动；该轴向移动致使变径元件621两侧的环锥形流道8流通截面面积发生改变，该改变导致变径元件621两侧的物料压力发生变化，并使得环锥形流道8截面面积变小一侧的物料压力升高；该升高的压力作用在变径元件621上并产生与原轴向力方向相反的作用力；当该反作用力与原来未抵消的轴向力相等时，螺杆轴向力达到平衡；螺杆6停止轴向移动。参见图1和图2。

一种高分子材料平衡式挤出机轴向力平衡方法，其平衡过程如下：通过压力传感器14探测环锥形流道8前端两侧物料的压力，将未抵消的轴向力压力数值及位移传感器111的同方向位移量同时转换成电信号反馈到外接的控制系统；控制系统再启动伺服驱动装置112并驱动连接件1沿轴向推拉轴承座2及与轴承座2套配的螺杆6的轴向位置，致使变径元件621两侧的环锥形流道8截面积发生变化，该变化导致变径元件621两侧物料压力呈反向变化，该反方向变化使变径元件某一侧产生与原轴向力方向相反的作用力；当该作用力与原来抵消的轴向力相等时，螺杆停止轴向移动。以实现两侧环锥形流道8中的物料压力平衡，以及螺杆轴向作用力相平衡。参见图11。

由于压力传感器14装设在环锥形流道8前端处，其可直接感测物料的压力，并及时反馈到伺服驱动装置112而对螺杆轴向位置进行调节，所以，滞后时间极短，对挤出产量及质量造成的影响极小，解决了美国专利通过感知轴承推力后，再通过控制加料量的方式调节螺杆轴向力所产生的反应速度慢、滞后时间长的缺陷。

下面对本发明轴向平衡力装置的调节机理及本发明中相关技术方案的工作原理进行说明。

1.基本工作原理

如图1(以双螺杆挤出机为例，也可应用于单螺杆挤出机)，这种平衡式挤出机的螺杆6两端由轴承座2支承。挤出机工作时高分子物料由两边的进料口5(图中虚线表达)处定量加入，随着螺杆的旋转高分子物料被输送到设备中部的出料口10(图中虚线表达)处，在输送过程中高分子物料根据需要可以通过加热器115进行加热。高分子物料在从两端进料口向中间的出料口10输送的过程中，由于出料口10处的压力高于进料口的压力，在螺杆的两个螺纹工作段61分别形成了对螺杆的轴向推力，两个轴向推力的方向均为从出料口10指向进料口。由于所述平衡式挤出机螺杆的两个工作段的螺纹镜像对称布置，所以其产生的两方向轴向推力大小基本相等且方向相反，使大部分轴向力能够抵消。但是，因为螺杆左右两个工作段的加料量和工艺温度等条件不可能完全相同，所以轴向推力也就不可能完全相同，一般情况下还存在剩余的未平衡轴向力，该剩余轴向力仍会对螺杆自身及挤出产品的稳定性造成影响。

本发明最主要目的就是解决剩余轴向力如何进一步平衡的问题，以使整个挤出机工作在最佳工作状态。

为研究问题的方便，先介绍一下此方面的一些现有理论和数据。下述理论和数据分别引自《塑料机械设计》北京化工大学、华南理工大学编著，轻工业出版社出版；《螺杆设计及其挤出理论》，朱复华编著，轻工业出版社，1984年出版；《挤出理论及应用》朱复华编著，轻工业出版社，2001年出版；《食品工程高新技术》高福成、郑建仙编著，中国轻工业出版社，2009年出版。

2.最大轴向力及未平衡的轴向力

螺杆的轴向推力大小根据螺杆的直径大小与不同生产用途以及工艺条件有关。根据常规挤出机的设计，机头最大压力约为50MPa，最大动载系数为0.36：

当螺杆直径为65mm时，常规挤出机的最大轴向推力P_z≈23吨，如果采用美国专利所述的轴向力可大部分抵消的挤出机，经理论计算，其无法平衡的轴向推力P_z≈4.23吨；

当螺杆直径为150mm时，常规挤出机的最大轴向推力P_z≈123吨，如果采用美国专利所述的挤出机，经理论计算，其无法平衡的轴向推力P_z≈22.5吨；

当螺杆直径为320mm时，常规挤出机的最大轴向推力P_z≈558吨，如果采用美国专利所述的挤出机，经理论计算，其无法平衡的轴向推力P_z≈102.5吨。

由以上数据可见，无法平衡的轴向力随螺杆直径的加大而剧增，且未平衡轴向力也会随螺杆直径加大而增加，如果此力不平衡会对挤出机产生一定的不利影响。

3.挤出机的轴向推力的构成

挤出机轴向推力由以下两部分构成：

(1)机头处物料对螺杆头部端面的轴向作用力P_z1，这是由于机头压力所形成的：

P_z1＝A·p_max

式中，A——机筒内孔的截面积；

p_max——机头最大压力。

我国的塑料挤出机设计时，一般取p_max＝(30～50)MPa，欧洲有些制造厂取p_max＝68.6MPa。以下计算中根据我国的实际情况取p_max＝50MPa。

(2)挤出时动载荷对螺杆所产生的轴向推力P_z2。动载荷由固体物料与机筒之间摩擦力的轴向分力和螺杆剪切熔融物料的轴向分力两部分组成。这部分轴向推力目前尚没有准确的理论计算方法，但实验表明，它与物料特性、螺杆的几何参数、工艺条件(如加料量、螺杆转速、熔体温度、机头压力)等密切相关。

4.本发明中轴向力平衡装置对轴向推力的影响及分析

(1)无法平衡的轴向推力大小：由于平衡式挤出机左右两段螺杆的设计、制造、工艺条件等完全相同，造成平衡式挤出机无法平衡的只有两侧不平衡的动载荷一个因素所致：根据北京化工大学以往的实验结果，实验测得单螺杆挤出机的动载系数K＝0.11～0.36(注：K＝P_z2/P_z1)，由此可估算出P_z2的最大变动值为：P_z2max-P_z2min＝0.25P_z1＝12.25A。

可见，对于塑料挤出机而言，仅仅由于两侧动载荷不平衡所引起的轴向推力的最大变化即相当于机头两侧具有12.25MPa的压力差，这一数值已经远远超过食品挤出机加工膨化食品时3～8MPa的最大机头压力。

(2)平衡式挤出机轴向力平衡装置的平衡机理如下：在挤出机对称工作区之间设置了一轴向力平衡装置，因为轴向推力P＝A·p(A-截面积，p-压力)，故当平衡式挤出机因两侧动载荷不同引起螺杆两端的轴向推力不平衡时，通过螺杆的位移来改变机头两侧流道的流通面积，不仅能够平衡轴向推力，而且伴随流道面积的变化同时也能够促使机头两侧熔体压力的平衡。

由于双螺杆挤出成型理论尚不完善，在理论计算时先按照下述方法将双螺杆直径转化为当量单螺杆直径：

再借用单螺杆的设计理论进行计算。

对于单螺杆挤出机来说，其流量计算公式：

$Q=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^{2}n{H}_3\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φ}}{2}-\frac{\mathrm{\πp}{\mathrm{DH}}_3^3{\sin }^2\mathrm{\φ}}{12L_3{\mathrm{\η}}_1}-\frac{{\mathrm{\π}}^{2}p{D}^2{\mathrm{\δ}}^3\mathrm{tg\φ}}{10{\mathrm{\η}}_2{L}_{3}b}$

式中，D——螺杆直径；

p——机头压力；

L₃——螺杆计量段长度；

H₃——计量段螺槽深度；

φ——螺纹升角；

n——螺杆转速；

b——螺棱宽度；

δ——螺杆和机筒的间隙；

η₁——螺槽中熔料的表观粘度；

η₂——间隙δ中熔料的表观粘度；

则机头压力为：

$p=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2{\mathrm{nH}}_3\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φ}-2Q}{\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{DH}}_3^3{\sin }^2\mathrm{\φ}}{{6L}_3{\mathrm{\η}}_1}+\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2{\mathrm{\δ}}^3\mathrm{tg\φ}}{{5\mathrm{\η}}_2{L}_{3}b}}$

根据挤出理论，平衡式挤出机中的平衡装置相当于一段机头。当挤出稳定后，当温度和转速恒定不变时，可将熔料的粘度看成常量，则螺杆和口模的工作特性曲线如图1 5所示，其中C点为挤出机的工作点。

下面以《挤出理论及应用》第204页中的单螺杆挤出机SJ65×25C为例：D＝6.5cm，L₃＝39cm，H₃＝0.4cm，n＝160rpm，φ＝17°40′，b＝0.63cm，δ＝0.015cm，Q＝61.9cm³/s，通过计算可得计量段螺槽的物料流通面积A＝766.55×10^-4cm²。如果将两台上述SJ65×25C对接成平衡式挤出机，同时为保证流通的顺畅，将平衡装置的变径元件两端环锥形流道的间隙Δ设计为与H₃相等(如图12所示)。

(3)轴向力平衡的计算

参见图13a至图13e。

将变径元件621由完全平衡位置(如图13a所示)逐步左移，直至变径元件完全关闭(如图13e所示)，根据图14挤出特性曲线和机头压力曲线，我们可以计算出变径元件移动时所产生的机头压力变化趋势如下：

①当变径元件左右对称时，如图13a所示位置，变径元件左侧的最小流通面积A_芯＝964.76×10^-4cm²，计量段螺槽的物料流通面积A＝766.55×10^-4cm²，显然A_芯＞A，则通过变径元件的物料流量Q＝61.9cm³/s，计算可得左侧变径元件处的物料压力p＝13.0MPa；

②当变径元件向左移动2mm时，如图13b所示位置，变径元件左侧的最小流通面积A_芯＝730.95×10^-4cm²＜A，则通过变径元件的物料流量为Q＝59.0cm³/s，左侧变径元件处的物料压力p＝28.9MPa；

③当变径元件向左移动4mm时，如图13c所示位置，变径元件左侧的最小流通面积A_芯＝518.55×10^-4cm²＜A，则通过变径元件的物料流量为Q＝41.87cm³/s，左侧变径元件处的物料压力p＝123.9MPa；

④当变径元件向左移动6mm时，如图13d所示位置，变径元件左侧的最小流通面积A_芯＝297.77×10^-4cm²＜A，则通过变径元件的物料流量为Q＝24.04cm³/s，左侧变径元件处的物料压力p＝222.7MPa；

⑤当变径元件向左移到极限位置，及左侧变径元件完全封死时，如图13e所示位置，变径元件左侧的最小流通面积A_芯＝0，则通过变径元件的物料流量为Q＝0，左侧变径元件处的物料压力p＝355.9MPa。

上述计算采用的是牛顿流体的等温流动模型，而目前关于非牛顿流体的非等温流动计算理论尚不成熟，不过根据实测的螺杆和口模特性曲线(如图14所示)，上述计算中机头压力的变化趋势与实际还是相符的。

可见，由于变径元件移动产生的压力差不仅足以推动平衡式挤出机的螺杆沿轴向移动，而且已经远远超出了目前挤出机加工应用的压力区间，实际上在平衡式挤出机使用时是不可能出现上述极端情况⑤，因为平衡式挤出机平衡装置两边的压力差是在0～ΔP之间连续变化的，变径元件随时都会对波动的轴向推力进行调整，远在极端情况⑤出现之前就可以通过自身的调节以及控制系统干预而消除。

5.结合相关附图对本发明各技术方案的工作原理及技术效果进一步进行阐述

①滚子键工作原理及技术效果

本发明滚子键12工作时减速器输出轴13为主动轴作顺时针旋转，位于减速器输出轴13内孔中的键槽131向顺时针的切线方向推动毂滚道122，毂滚道122通过右侧斜面对滚动体124施加压力，滚动体把该力向右传递到轴滚道126斜面后、再通过位于螺杆输入段64上的键槽641右侧面传递给轴滚道126并带动螺杆6做顺时针旋转。由于螺杆输入段64与减速器输出轴13的传动连接需要多个滚子键共同负担，由于加工误差可能导致螺杆输入段64和减速器输出轴13的键槽的分度以及宽度有误差，所以设置调节螺钉123用以在安装时通过向轴心方向压毂滚道122以消除之间的间隙，确保每个滚子键均匀承载。当螺杆输入段64(或减速器输出轴13)在轴向推力的作用下有一定范围内的轴向移动时，滚动体124在轴滚道126和毂滚道122之间滚动的同时传递扭矩。这样就大大减少了螺杆输入段64上的轴向推力传递到减速器输出轴13(或减速器输出轴13上的轴向推力传递到螺杆输入段64)。

②混炼轴承组件的工作原理及技术效果

为了(防止)减少螺杆之间由于物料压延作用产生的径向作用力并增加物料的混合效果，本发明设置了混炼轴承组件7，现说明如下：

图7及图8所示结构为适用于异向双螺杆挤出机的混炼轴承组件7，其由滚动体71、保持架72构成，其工作原理和主要效果是：

1)用于异向双螺杆挤出机内部，以螺杆中段62的定位凹槽63为内滚道，机筒内孔11为外滚道；

2)滚动体71围绕螺杆中段62的定位凹槽63作行星式间隔布置，其间隔不少于一个滚动体直径；

3)保持架72装配在位于在滚动体71上开设的环形槽712中；

4)滚动体71轴向位置依靠螺杆中段62表面的定位凸缘或定位凹槽63进行轴向定位。

图7、图8结构适用于所有异向双螺杆挤出设备的自洁式混炼轴承，用以减少机筒与螺杆的磨损并增加高分子物料的塑化和混合效果。

图9所示为适用于同向双螺杆挤出机的混炼轴承组件7，其由滚动体71和保持架72构成，其工作原理和主要技术效果是：

1)用于同向双螺杆挤出机设备的内部以螺杆6和保持架72为内滚道，以机筒内孔11为外滚道；

2)两螺杆中段62之间安放一保持架72，以引导滚动体71绕两螺杆公转并避免滚动体71进入两轴中间区域；

3)滚动体71的轴向位置依靠螺杆轴表面和保持架72表面的凸缘或凹槽确定，该保持架72在两轴中间部分，为降低混炼轴承的流通阻力，保持架72可以设计成一带贯通孔711的结构。

图9所示结构是适用于所有同向双螺杆挤出机的混炼轴承组件7，用以减少机筒内孔11与螺杆6的磨损并增加物料的塑化和混合效果。其滚动体71可为实芯或为管状，两轴中间区域用一浮动保持架72引导滚动体71从一根螺杆轴表面运动到另一根螺杆轴表面。

图7，8和9所示的混炼轴承也可放置于螺杆的出口段，此时混炼轴承主要起支撑作用，此时，其对物料的混炼效果低于上述对称布置结构。

在图10所示单螺杆挤出机上，为了减少螺杆6与机筒内孔11的摩擦和增加混合效果，可以使用一种管式滚动体71组成混炼轴承组件7，滚动体71为贯通结构，螺杆6的头部需加工有定位元件，定位元件一般为定位凹槽或在机筒内表面开设凸缘，与图9所示结构相同。

本发明上述技术方案中所述的扩张型，是指旋转螺杆中段62中部的变径元件621的变化形式是由细变粗，粗的部分为一圆柱体，在粗细之间的过渡部分则自然形成扩张的环锥形状。

同理，收缩型是指变径元件621是由粗变细，细的部分为圆柱体，在粗细之间的部分则自然形成收缩的环锥形状。

同理，胀缩结合型则是图2和图3所示两种形式的结合，所指的啮合并非指互相干涉，而是指凹凸的相互配合的形式，如图4所示。

在上述任何一种形式中，都要求包容变径元件621的机筒段41的内孔形状要与其相匹配。这里说的相互匹配，主要指内孔11的形状应与变径元件621的不同结构形状的外轮廓相适应，两者套合后形成环腔15。只有这样，才能使匹配后的环腔形成变截面环锥形流道8。参见图2至图4。

上述实施例仅是本发明的最佳技术方案，凡与本发明结构和方法相似的其他结构和方法均属于本发明技术方案的涵盖范围。

Claims (18)

1.一种高分子材料平衡式挤出机，其包含有：一机筒，在机筒内孔两端装设有轴承，两组轴承之间设有螺杆，机筒中部设有与机筒内孔相贯通的出料口，出料口两端沿机筒轴向镜像对称处各设置有与机筒内孔相贯通的进料口，螺杆上设有由互为反向螺纹形成的两个螺纹工作段，两个螺纹工作段之间的螺杆中段对应于机筒的出料口，其特征在于：螺杆中段设有轴向力平衡装置，轴向力平衡装置由螺杆中段的变径元件及与变径元件形状相匹配的机筒对应段内孔构成，变径元件周向与机筒对应段内孔之间形成环形的流道。

2.如权利要求1所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：机筒是由带有出料口的轴向力衡装置机筒段与两相邻机筒段串接构成，设在机筒内的旋转螺杆是单螺杆或平行的双螺杆结构，每根螺杆均设有两个螺纹工作段螺杆，中段的环形流道与出料口相贯通。

3.如权利要求1或2所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：旋转螺杆的输入段与减速器输出轴内孔或联轴器毂内孔之间周向间隔设置有至少一组以上的滚子键，滚子键由设置在减速器输出轴内孔或联轴器毂内孔及螺杆输入段外圆的沿各自径向凹入的键槽、键槽中的毂滚道和轴滚道、固定在两滚道之间的保持架及置放在保持架内的滚动体构成，在毂滚道顶部的螺孔中拧装有调节滚子键间隙的调节螺钉。

4.如权利要求3所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：一侧开口的矩形键槽沿各自轴向开孔端豁通，毂滚道和轴滚道均呈条状的单边梯形，滚动体为圆柱形，并装配在位于毂滚道和轴滚道之间的保持架中，滚动体轴线与调节螺钉的轴线之间呈一夹角。

5.如权利要求3所述的一种高分子材料平衡式挤出机，有一控制系统和信号采集装置，其特征在于：在环锥形流道前端对应部位的轴向力平衡装置的机筒段中安装有压力传感器，压力传感器上的测量元件与该处环腔中的高分子物料相接触，在两进料口之间设有两对称分布的与环腔相贯通的补料口，在机筒内间隔设置有温度传感器，在机筒壁外部包覆有加热器，伺服驱动装置设置在机筒的一端并与驱动连接件末端相枢连，驱动连接件另一端与轴承座中心相连，在机筒一末端设有位移传感器。

6.如权利要求3所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：轴向力平衡装置中的变径元件中部圆柱体直径大于螺杆中段外径，圆柱体的两对称过渡部为扩张型的环锥形，轴向力平衡装置机筒段的内孔亦为沿径向外凹的并与变径元件外形相匹配的扩张型结构。

7.如权利要求3所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：轴向力平衡装置中的变径元件中部圆柱体直径小于螺杆中段外径，圆柱体的两对称过渡部为收缩型的环锥形，轴向力平衡装置机筒段的内孔亦为沿径向内凸的并与变径元件外形相匹配的收缩型结构。

8.如权利要求3所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：在∞字形的机筒内设有两根平行的旋转螺杆，其中一根旋转螺杆的变径元件为扩张型结构，另一根旋转螺杆的变径元件为收缩型结构，并在旋转过程中呈相互凹凸的的胀缩结合型，与胀缩结合型变径元件相匹配的轴向力平衡装置机筒段内孔形状与相应侧的变径元件的外形形状相同或相近似。

9.如权利要求2所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：轴向力平衡装置机筒段两轴端通过法兰与相邻机筒段轴向串接，轴向力平衡装置机筒段周向呈整体式或剖分式结构。

10.如权利要求8所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：机筒内设有两根平行的旋转方向相同或相反的旋转螺杆。

11.如权利要求1所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：在旋转螺杆中段与机筒内孔之间的环腔中，在螺杆的两对称的螺纹工作段之间的无螺纹的螺杆中段上装设有混炼轴承组件。

12.如权利要求10或11所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：混炼轴承组件设置在异向平行双螺杆的环形定位凹槽中并沿该凹槽周向分布，混炼轴承组件包括沿环形定位凹槽周向间隔分布的若干个滚动体及将相邻滚动体周向扣套定位的保持架构成。

13.如权利要求12所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：环形定位凹槽是由凸出于螺杆中段外周表面的至少两道周向封闭的环形凸棱或凹入螺杆中段外周表面的环状凹槽构成，沿滚动体轴向间隔开设有环形槽，其中间的环形槽与扣板状保持架两端的扣孔活动套合并沿螺杆周向串接成链环状结构，保持架两端扣孔为弹性的C形，两扣孔之间板体曲率半径大于定位凹槽外圆半径。

14.如权利要求10或11所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：混炼轴承组件设置在同向平行双螺杆的螺杆中段外表面与机筒内孔所形成的椭圆环形腔中，并通过螺杆中段的环形定位凹槽和楔形保持架轴向定位，混炼轴承组件由若干依序活动卡放在椭圆形环腔中的带贯通孔的滚动体及设在两螺杆中段相邻侧空间内浮动的楔状保持架构成。

15.如权利要求14所述的一种高分子材料平衡式挤出机，其特征在于：楔形保持架上设有物料可通过的通孔。

16.一种高分子材料平衡式挤出机轴向力平衡方法，其平衡过程如下：高分子材料由挤出机轴向的镜像对称的进料口加入，通过旋转螺杆互为反向的螺纹工作段推动使加入的物料由两端同时向挤出机中部的出料口输送挤出；输送挤压过程中物料对螺杆使产生的轴向作用力相反、且大部分相互抵消；未抵消的部分轴向作用力将会推动螺杆沿该力的方向作轴向移动；该轴向移动致使变径元件两侧的环锥形流道流通截面面积发生改变，该改变导致变径元件两侧的物料压力发生变化，并使得环锥形流道截面面积变小一侧的物料压力升高；该升高的压力作用在变径元件上并产生与原轴向力方向相反的作用力；当该反作用力与原来未抵消的轴向力相等时，螺杆轴向力达到平衡；螺杆停止轴向移动。

17.一种高分子材料平衡式挤出机轴向力平衡方法，其平衡过程如下：通过压力传感器探测环锥形流道前端两侧物料的压力，将未抵消的轴向力压力数值及位移传感器的同方向位移量同时转换成电信号反馈到外接的控制系统；控制系统启动伺服驱动装置并驱动连接件沿轴向推拉轴承座及与轴承座套配的螺杆的轴向位置，致使变径元件两侧的环锥形流道截面积发生变化，该变化导致变径元件两侧物料压力呈反向变化，该反方向变化使变径元件其一侧产生与原轴向力方向相反的作用力；当该反作用力与原未抵消的轴向力相等时，螺杆轴向力达到平衡；螺杆停止轴向移动。

18.一种高分子材料挤出机轴向力平衡装置，其特征在于：轴向力平衡装置由带有出料口的机筒段和转动设置在其内孔中的螺杆变径元件构成，该轴向力平衡装置内孔与螺杆变径元件的圆柱体外表面的形状相匹配，并且两者之间形成一环腔，变径元件的两对称过渡部与轴向力平衡装置机筒段内孔对应环周部形成环锥形流道。

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