CN103434113A - 自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置及方法，装置中双螺杆组件包括转速不同的左螺杆和右螺杆，左螺杆和右螺杆啮合连接，机筒的内腔为两个连通的圆柱槽，左螺杆和右螺杆分别设于圆柱槽内；左螺杆为单头螺纹或多头螺纹的螺杆，右螺杆为多头螺纹的螺杆；左螺杆和右螺杆的截面轮廓分别是多段曲线弧连接而成的封闭结构，且左螺杆和右螺杆的截面形状不一致；其方法是利用两个螺杆的截面形状不同，螺杆与机筒内腔流道空间的变化来加速物料的熔融和输送。本发明可有效改善高分子材料加工过程中塑化、混合效果，并实现自洁的功能。

Description

自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置及方法

技术领域

本发明涉及高分子材料塑化排气挤出加工技术，特别涉及一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置及方法。

背景技术

高分子材料加工领域广泛采用的加工设备主要是具有自洁功能的同向双螺杆挤出机，实现多种材料的共混、合金化及反应挤出等。其原理是：两根螺杆结构完全相同，安装时相差一定的相位角，相位角的大小随螺纹头数不同而不同，螺杆中心距与螺纹头数及顶角相关。由于两根螺杆的形状相同，存在着一致性（即对称性），物料在两根螺杆间运动时，该过程中流道容积一样，使得物料在固体输送、熔化、混合等过程中缺少压缩、挤压及拉伸作用，如果螺杆为多头螺纹，还存在着轴向混合能力差的缺陷。同向双螺杆只能对近壁面区的表层流体产生有效地混合作用，尤其是啮合区的作用特别明显，总体芯部流体混合还有极大的提高空间。这样的挤出机在加工纳米材料、功能高分子材料过程中混合能力存在较明显的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高分子材料加工过程中塑化、混合效果好且能够产生自洁的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出方法。

本发明的技术方案为：一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，包括双螺杆组件和机筒，双螺杆组件设于机筒内，双螺杆组件包括转速不同的左螺杆和右螺杆，左螺杆和右螺杆啮合连接，机筒的内腔为两个连通的圆柱槽，左螺杆和右螺杆分别设于圆柱槽内；左螺杆为单头螺纹或多头螺纹的螺杆，右螺杆为多头螺纹的螺杆；左螺杆和右螺杆的截面轮廓分别是多段曲线弧连接而成的封闭结构，且左螺杆和右螺杆的截面形状不一致；

双螺杆组件水平设于机筒内，双螺杆组件将机筒的内腔分为依次连接的固体输送段、熔融段、排气段和挤出段，位于固体输送段的机筒侧壁设有进料口，位于排气段的机筒侧壁设有排气口，挤出段的端部为出料口。

所述机筒的径向截面为直径相等且相交的两个圆，即组成机筒内腔的两个圆柱槽部分重叠；两个圆柱槽分别为左圆柱槽和右圆柱槽，左螺杆对应设于左圆柱槽内，右螺杆对应设于右圆柱槽内。

左螺杆的轴线与左圆柱槽的轴线重合，右螺杆的轴线与右圆柱槽的轴线重合；双螺杆组件的螺纹外轮廓线与机筒的内壁相切。

作为一种优选方案，所述左螺杆或右螺杆的截面轮廓上，组成截面轮廓的曲线弧包括圆弧和非圆曲线弧，圆弧和非圆曲线弧相间连接。

以下为双螺杆组件具体结构的几种优选方案：

1、所述双螺杆组件中，左螺杆为单头螺纹的螺杆，右螺杆为双头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有4段，包括相间连接的2段圆弧和2段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧。

2、所述双螺杆组件中，左螺杆为三头螺纹的螺杆，右螺杆为四头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有16段，包括相间连接的8段圆弧和8段非圆曲线弧。

3、所述双螺杆组件中，左螺杆为双头螺纹的螺杆，右螺杆为五头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有20段，包括相间连接的10段圆弧和10段非圆曲线弧。

4、所述双螺杆组件中，左螺杆为双头螺纹的螺杆，右螺杆为三头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧。

5、所述双螺杆组件中，左螺杆为单头螺纹的螺杆，右螺杆为三头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有4段，包括相间连接的2段圆弧和2段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧。

上述装置的工作原理为：两个螺杆（即左螺杆和右螺杆）围绕各自的轴线做同向旋转运动，两个螺杆的转速不同，具有恒定的转速比。物料从进料口进入机筒，在螺杆机构强制输送用下向出料口方向运动，固体此时受到左右两根螺杆所产生的容积周期性压缩及扩大作用，物料受到拉伸场作用而预熔融，流道空间的变化加速了熔体及固体物料表面的热交换效率，固体物料本身也参与到搅拌过程中来，分散在熔体中实现强对流运动，发生分散熔融，螺杆的正位移作用加速了熔体和固体的分离作用，提高了熔融效率，物料在熔融段成为熔体；熔体进入排气段，两根螺杆与机筒内腔组成的空间突然扩大，两根螺杆转动不断翻动物料，对物料产生拉伸作用及轴向混合作用，加速了气体从排气口排出；熔体进入混炼挤出段，熔体在两根螺杆转动作用下所产生的周期性压缩、扩大空间作用下前行，促使界面不断再取向更新，左右两根螺杆间及螺杆与机筒内壁相互擦拭作用实现了自洁作用，使熔体稳定从出料口挤出。

本发明通过上述装置实现一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出方法，包括以下步骤：

（1）物料从进料口进入机筒后，左螺杆和右螺杆沿着各自的轴线同向不等速差动转动；物料进入固体输送段，在双螺杆组件的轴向正位移输送力以及左螺杆和右螺杆的摩擦力共同作用下实现进料输送，迫使物料向出料口方向运动；

（2）物料运动至在熔融段处时，左螺杆和右螺杆相对啮合差速转动产生周期性压缩及扩大输运空间输送物料；其中，左螺杆和右螺杆之间流道的压缩作用导致物料受到挤压做功而预熔融，左螺杆和右螺杆的高速旋转产生摩擦热，同时在机筒的外加热共同作用使得物料发生融化；左螺杆和右螺杆的相互擦拭作用及输运空间压缩作用及螺杆不同的正位移作用加速了熔体与固体的分离，加上混沌混合作用加速熔融进程，使得物料成为熔体；

（3）熔体进入排气段，两螺杆与机筒内腔组成的空间突然扩大，左螺杆和右螺杆的转动不断翻动物料，左螺杆和右螺杆的转速不同带来了力场不平衡，对物料产生拉伸力场作用及轴向混合作用，加速了气体从排气口排出，熔体进一步向出料口方向运动；

（4）熔体进入混炼挤出段，熔体在左螺杆和右螺杆的转动作用下所产生的周期性压缩和扩张空间作用下前行，左螺杆和右螺杆之间的相互擦拭作用及输运空间压缩、扩张作用促使界面不断再取向更新，对物料进行混炼塑化，同时，左螺杆和右螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用，使熔体稳定从出料口挤出。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明的双螺杆组件采用了两根螺杆横截面形状不同的设计，能够实现同向差动旋转，提高了固体输送效率，可以更大程度的增加挤出产量，适用于大产量加工。

2、本发明的两根螺杆的形状不相同，引入了对称破缺效应，实现了物料输运空间、拉伸力场、及传热过程的不断变化，使得物料流动空间周期性压缩、扩张，利用混沌混合效果，强化了混炼和传热过程，使完成塑化的热、机械历程大大缩短，能耗低、节能降耗效果显著。

3、本发明利用了两根螺杆之间、及螺杆与机筒之间的相互擦拭作用，实现了加工过程自洁作用，加工过程停留时间分布较窄，提高了加工效率，全面强化了混合混炼强度和效果，具有极其优异的分散分布混合效果，尤其适用于高产量、纳米材料的加工。

附图说明

图1为实施例1中双螺杆组件的第一种结构示意图。

图2为图1的A-A向视图。

图3为实施例1中双螺杆组件的第二种结构示意图。

图4为实施例1中双螺杆组件的第三种结构示意图。

图5为实施例2中双螺杆组件的结构示意图。

图6为实施例3中双螺杆组件的结构示意图。

图7为实施例4中双螺杆组件的结构示意图。

图8为实施例5中双螺杆组件的第一种结构示意图。

图9为实施例5中双螺杆组件的第二种结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，如图1、图3或图4所示，包括双螺杆组件和机筒1，双螺杆组件设于机筒内，双螺杆组件包括转速不同的左螺杆3和右螺杆6，左螺杆和右螺杆啮合连接，机筒1的内腔为两个连通的圆柱槽，左螺杆和右螺杆分别设于圆柱槽内；左螺杆为单头螺纹或多头螺纹的螺杆，右螺杆为多头螺纹的螺杆；左螺杆和右螺杆的截面轮廓分别是多段曲线弧连接而成的封闭结构，且左螺杆和右螺杆的截面形状不一致；

如图2所示，双螺杆组件水平设于机筒1内，双螺杆组件将机筒的内腔分为依次连接的固体输送段7、熔融段8、排气段9和挤出段10，位于固体输送段的机筒侧壁设有进料口2，位于排气段的机筒侧壁设有排气口4，挤出段的端部为出料口5。

机筒的径向截面为直径相等且相交的两个圆，即组成机筒内腔的两个圆柱槽部分重叠；两个圆柱槽分别为左圆柱槽和右圆柱槽，左螺杆对应设于左圆柱槽内，右螺杆对应设于右圆柱槽内。

左螺杆的轴线与左圆柱槽的轴线重合，右螺杆的轴线与右圆柱槽的轴线重合；双螺杆组件的螺纹外轮廓线与机筒的内壁相切。

左螺杆或右螺杆的截面轮廓上，组成截面轮廓的曲线弧包括圆弧和非圆曲线弧，圆弧和非圆曲线弧相间连接。

上述装置的工作原理为：两个螺杆（即左螺杆和右螺杆）围绕各自的轴线做同向旋转运动，两个螺杆的转速不同，具有恒定的转速比。物料从进料口进入机筒，在螺杆机构强制输送用下向出料口方向运动，固体此时受到左右两根螺杆所产生的容积周期性压缩及扩大作用，物料受到拉伸场作用而预熔融，流道空间的变化加速了熔体及固体物料表面的热交换效率，固体物料本身也参与到搅拌过程中来，分散在熔体中实现强对流运动，发生分散熔融，螺杆的正位移作用加速了熔体和固体的分离作用，提高了熔融效率，物料在熔融段成为熔体；熔体进入排气段，两根螺杆与机筒内腔组成的空间突然扩大，两根螺杆转动不断翻动物料，对物料产生拉伸作用及轴向混合作用，加速了气体从排气口排出；熔体进入混炼挤出段，熔体在两根螺杆转动作用下所产生的周期性压缩、扩大空间作用下前行，促使界面不断再取向更新，左右两根螺杆间及螺杆与机筒内壁相互擦拭作用实现了自洁作用，使熔体稳定从出料口挤出。

本实施例通过上述装置可实现一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出方法，包括以下步骤：

（1）物料从进料口进入机筒后，左螺杆和右螺杆沿着各自的轴线同向不等速差动转动；物料进入固体输送段，在双螺杆组件的轴向正位移输送力以及左螺杆和右螺杆的摩擦力共同作用下实现进料输送，迫使物料向出料口方向运动；

（2）物料运动至在熔融段处时，左螺杆和右螺杆相对啮合差速转动产生周期性压缩及扩大输运空间输送物料；其中，左螺杆和右螺杆之间流道的压缩作用导致物料受到挤压做功而预熔融，左螺杆和右螺杆的高速旋转产生摩擦热，同时在机筒的外加热共同作用使得物料发生融化；左螺杆和右螺杆的相互擦拭作用及输运空间压缩作用及螺杆不同的正位移作用加速了熔体与固体的分离，加上混沌混合作用加速熔融进程，使得物料成为熔体；

（3）熔体进入排气段，两螺杆与机筒内腔组成的空间突然扩大，左螺杆和右螺杆的转动不断翻动物料，左螺杆和右螺杆的转速不同带来了力场不平衡，对物料产生拉伸力场作用及轴向混合作用，加速了气体从排气口排出，熔体进一步向出料口方向运动；

（4）熔体进入混炼挤出段，熔体在左螺杆和右螺杆的转动作用下所产生的周期性压缩和扩张空间作用下前行，左螺杆和右螺杆之间的相互擦拭作用及输运空间压缩、扩张作用促使界面不断再取向更新，对物料进行混炼塑化，同时，左螺杆和右螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用，使熔体稳定从出料口挤出。

本实施例中，双螺杆组件中，左螺杆为单头螺纹的螺杆，右螺杆为双头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有4段，包括相间连接的2段圆弧和2段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧。

如图1、图3或图4所示，左螺杆3和右螺杆6的初始位置，左螺杆的横截面形状与右螺杆的横截面形状不同，左螺杆为单头螺纹，右螺杆为双头螺纹，两根螺杆的旋转中心O₁、O₂之间的中心距为C，螺杆外径均为D，那么螺杆的内径均为：

d=2C-D    （1）

左螺杆的螺腹为角β_A：

β_A=3arccos(C/D)    （2）

右螺杆的螺腹为角β_B：

β_B=3arccos(C/D)/2    （3）

左螺杆的横截面轮廓由4段曲线弧组成，其中，2段圆弧分别是L₁L₂和L₃L₄，2段非圆曲线弧分别是L₂L₃和L₄L₁。圆弧L₁L₂的圆心在左螺杆的旋转中心O₁，半径为d/2，对应的圆心角为α；圆弧L₃L₄的圆心也在螺杆旋转中心O₁，半径为D/2，对应的圆心角为2π-α-2β_A；非圆曲线弧L₂L₃以O₁为中心，以O₁L₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

非圆曲线弧L₂L₃的极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=2\mathrm{\θ}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(4\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

上式中，0≤γ≤β_A。

非圆曲线弧L₄L₁与非圆曲线弧L₂L₃关于O₁与p（p为圆弧L₁L₂的中分点）的连线对称。

右螺杆的横截面轮廓由8段曲线弧组成，其中，4段圆弧分别是R₁R₂、R₃R₄、R₅R₆和R₇R₈，4段非圆曲线弧分别是R₂R₃、R₄R₅、R₆R₇和R₈R₁。其中，圆弧R₁R₂、R₅R₆的圆心均在右螺杆的旋转中心O₂，半径为D/2，对应的圆心角为2(π/2-α/4-β_B)，而且R₁R₂和R₅R₆关于旋转中心O₂对称；圆弧R₃R₄、R₇R₈的圆心也均在螺杆旋转中心O₂，半径为d/2，对应的圆心角为α/2，而且R₃R₄、R₇R₈关于旋转中心O₂与q（q为圆弧R₁R₂的中分点）的连线对称；

非圆曲线弧R₈R₁以O₂为中心，以O₂R₈为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧R₈R₁极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\θ}}{2}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(6\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

上式中，0≤γ≤β_B。

非圆曲线弧R₂R₃与非圆曲线弧R₈R₁关于O₂与q（q为圆弧R₁R₂的中分点）的连线对称，对应的中心角分别为β_B；非圆曲线弧R₆R₇与非圆曲线弧R₈R₁关于O₂与s（s为圆弧R₇R₈的中分点）的连线对称，非圆曲线弧R₄R₅与非圆曲线弧R₂R₃关于O₂与s（s为圆弧R₇R₈的中分点）的连线对称，非圆曲线弧R₆R₇、R₄R₅应对的中心角分别为β_B；

该结构的双螺杆组件中，螺杆构型对应的D/d=1.1～30.0。

其中，图1是螺杆构型D/d=1.6、α=π/3对应的双螺杆组件横截面构型，图3是螺杆构型D/d=2.0、α=2π/3对应的双螺杆组件横截面构型，图4是螺杆构型D/d=1.4、α=4π/5对应的双螺杆组件横截面构型。

圆弧L₁L₂对应的圆心角α的范围为：0≤α≤2π-2β_A；

左右螺杆的螺旋导程为0.01D～5000D。

左螺杆3与右螺杆6的转速比为2：1。

实施例2

本实施例一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，如图5所示，与实施例1相比较，其不同之处在于，双螺杆组件中，左螺杆3为三头螺纹的螺杆，右螺杆6为四头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有16段，包括相间连接的8段圆弧和8段非圆曲线弧。

如图5所示，左螺杆3和右螺杆6的初始位置，左螺杆为三头螺纹，右螺杆为四头螺纹。左螺杆的横截面形状与右螺杆的横截面形状不同，两根螺杆的旋转中心O₁、O₂之间的中心距为C，螺杆外径为D，那么螺杆的内径均为：

d=2C-D    （8）

左螺杆的螺腹为角β_A：

${\mathrm{\β}}_A=\frac{7\arccos (C/D)}{3}---\left(9\right)$

右螺杆的螺腹为角β_B：

${\mathrm{\β}}_B=\frac{7\arccos (C/D)}{4}---\left(10\right)$

左螺杆的横截面轮廓由12段曲线弧组成，其中，6段圆弧分别是L₁L₂、L₃L₄、L₅L₆、L₇L₈、L₉L₁₀和L₁₁L₁₂，6段非圆曲线弧L₂L₃、L₄L₅、L₆L₇、L₈L₉、L₁₀L₁₁和L₁₂L₁，其中，圆弧L₁L₂、L₅L₆、L₉L₁₀圆心均在左螺杆的旋转中心O₁，半径为d/2，对应的圆心角为α，点L₁、L₆、L₁₀处于圆周三等分位置；圆弧L₃L₄、L₇L₈、L₁₁L₁₂的圆心也均在螺杆旋转中心O₁，半径为D/2，对应的圆心角为2π/3-α-2β_A；非圆曲线弧L₂L₃以O₁为中心，以O₁L₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

非圆曲线弧L₂L₃极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{4\mathrm{\θ}}{3}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(12\right)$

上式中，0≤γ≤β_A。

非圆曲线弧L₁₂L₁与非圆曲线弧L₂L₃关于O₁与p（p为圆弧L₁L₂的中分点）的连线对称；

非圆曲线弧L₄L₅由非圆曲线弧L₁₂L₁以O₁为旋转中心逆时针旋转2π/3得到；非圆曲线弧L₆L₇由非圆曲线弧L₂L₃以O₁为旋转中心逆时针旋转2π/3得到；非圆曲线弧L₈L₉由非圆曲线弧L₁₂L₁以O₁为旋转中心顺时针旋转2π/3得到；非圆曲线弧L₁₀L₁₁由非圆曲线弧L₂L₃以O₁为旋转中心顺时针旋转2π/3得到。

右螺杆的横截面轮廓由16段曲线弧组成，其中，8段圆弧分别是R₁R₂、R₃R₄、R₅R₆、R₇R₈、R₉R₁₀、R₁₁R₁₂、R₁₃R₁₄和R₁₅R₁₆，8段非圆曲线弧分别是R₂R₃、R₄R₅、R₆R₇、R₈R₉、R₁₀R₁₁、R₁₂R₁₃、R₁₄R₁₅和R₁₆R₁。其中，圆弧R₁R₂、R₅R₆、R₉R₁₀、R₁₃R₁₄的圆心均在右螺杆的旋转中心O₂，半径为D/2，对应的圆心角为3α/4，而且点R₁、R₅、R₉、R₁₃处于以O₂为圆心的圆周的四等分位置；圆弧R₃R₄、R₇R₈、R₁₁R₁₂、R₁₅R₁₆的圆心也在螺杆旋转中心O₂，半径为d/2；

非圆曲线弧R₁₆R₁以O₂为中心，以O₂R₁₆为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧R₁₆R₁极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{3\mathrm{\θ}}{4}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(13\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(14\right)$

上式中，0≤γ≤β_B。

非圆曲线弧R₂R₃与非圆曲线弧R₁₆R₁关于O₂与q（q为圆弧R₁R₂的中分点）的连线对称，对应的中心角为β_B；非圆曲线弧R₇R₈与曲线弧R₈R₁关于O₂与s（s为圆弧R₇R₈的中分点）的连线对称，非圆曲线弧R₇R₈所应对的中心角为β_B；非圆曲线弧R₄R₅由非圆曲线弧R₁₆R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转π/2得到；非圆曲线弧R₆R₇由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心逆时针旋转π/2得到；非圆曲线弧R₈R₉由非圆曲线弧R₁₆R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转π得到；非圆曲线弧R₁₀R₁₁由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心逆时针旋转π得到；非圆曲线弧R₁₂R₁₃由非圆曲线弧R₁₆R₁以O₂为旋转中心顺时针旋转π/2得到；非圆曲线弧R₁₄R₁₅由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心顺时针旋转π/2得到；

该结构的双螺杆组件中，螺杆构型对应的D/d=1.1～1.25，图5是螺杆构型D/d=1.2、α=π/50对应的双螺杆组件横截面构型。

圆弧L₁L₂对应的圆心角为α的范围为：0≤α≤π/3-β_A；

左右螺杆螺旋导程为0.01D～5000D。

左螺杆3与右螺杆6的转速比为4:3。

实施例3

本实施例一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，如图6所示，与实施例1相比较，其不同之处在于，双螺杆组件中，左螺杆3为双头螺纹的螺杆，右螺杆6为五头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有20段，包括相间连接的10段圆弧和10段非圆曲线弧。

如图6所示，左螺杆3和右螺杆6的初始位置，左螺杆为双头螺纹，右螺杆为五头螺纹。左螺杆的横截面形状与右螺杆的横截面形状不同，两根螺杆的旋转中心O₁、O₂之间的中心距为C，螺杆外径均为D，那么螺杆的内径均为：

d=2C-D    （15）

左螺杆的螺腹为角β_A：

${\mathrm{\β}}_A=\frac{7\arccos (C/D)}{2}---\left(16\right)$

右螺杆的螺腹为角β_B：

${\mathrm{\β}}_B=\frac{7\arccos (C/D)}{5}---\left(17\right)$

左螺杆的横截面轮廓由8段曲线弧组成，其中，4段圆弧分别是L₁L₂、L₃L₄、L₅L₆和L₇L₈，4段非圆曲线弧分别是L₂L₃、L₄L₅、L₆L₇和L₈L₁。圆弧L₁L₂、L₅L₆的圆心均在左螺杆的旋转中心O₁，半径为d/2，对应的圆心角为α，点L₁、L₅处于圆周二等分位置；圆弧L₃L₄、L₇L₈的圆心也在螺杆旋转中心O₁，半径为D/2，对应的圆心角为π-α-2β_A；非圆曲线弧L₂L₃以O₁为中心，以O₁L₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧L₂L₃极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{5\mathrm{\θ}}{2}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(18\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(19\right)$

上式中，0≤γ≤β_A。

非圆曲线弧L₈L₁与非圆曲线弧L₂L₃关于O₁与p（p为圆弧L₁L₂的中分点）的连线对称；

非圆曲线弧L₄L₅由非圆曲线弧L₈L₁以O₁为旋转中心逆时针旋转π得到；非圆曲线弧L₆L₇由非圆曲线弧L₂L₃以O₁为旋转中心逆时针旋转π得到；

右螺杆的横截面轮廓则由20段曲线弧组成，其中，10段圆弧分别是R₁R₂、R₃R₄、R₅R₆、R₇R₈、R₉R₁₀、R₁₁R₁₂、R₁₃R₁₄、R₁₅R₁₆、R₁₇R₁₈和R₁₉R₂₀，10段非圆曲线弧分别是R₂R₃、R₄R₅、R₆R₇、R₈R₉、R₁₀R₁₁、R₁₂R₁₃、R₁₄R₁₅、R₁₆R₁₇、R₁₈R₁₉和R₂₀R₁。其中，圆弧R₁R₂、R₅R₆、R₉R₁₀、R₁₃R₁₄、R₁₇R₁₈的圆心均在右螺杆的旋转中心O₂，半径为D/2，对应的圆心角为2α/5，而且点R₁、R₅、R₉、R₁₃、R₁₇处于以O₂为圆心的圆周的五等分位置；圆弧R₃R₄、R₇R₈、R₁₁R₁₂、R₁₅R₁₆、R₁₉R₂₀的圆心也均在螺杆旋转中心O₂，半径为d/2，所对应的圆心角均为2π/5-2α/5-2β_B；

曲线弧R₂₀R₁以O₂为中心，以O₂R₂₀为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧R₂₀R₁极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{2\mathrm{\θ}}{5}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(20\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(21\right)$

上式中，0≤γ≤β_B。

非圆曲线弧R₂R₃与非圆曲线弧R₂₀R₁关于O₂与q（q为圆弧R₁R₂的中分点）的连线对称，对应的中心角同样为β_B；非圆曲线弧R₄R₅由非圆曲线弧R₂₀R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转2π/5得到；非圆曲线弧R₆R₇由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心逆时针旋转2π/5得到；非圆曲线弧R₈R₉由非圆曲线弧R₂₀R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转4π/5得到；非圆曲线弧R₁₀R₁₁由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心逆时针旋转4π/5得到；非圆曲线弧R₁₂R₁₃由非圆曲线弧R₂₀R₁以O₂为旋转中心顺时针旋转4π/5得到；非圆曲线弧R₁₄R₁₅由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心顺时针旋转4π/5得到；非圆曲线弧R₁₆R₁₇由非圆曲线弧R₂₀R₁以O₂为旋转中心顺时针旋转2π/5得到；非圆曲线弧R₁₈R₁₉由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心顺时针旋转2π/5得到；

该结构的双螺杆组件中，螺杆构型对应的D/d=1.1～1.25，图6是螺杆构型D/d=1.2、α=π/10对应的双螺杆组件横截面构型。

圆弧L₁L₂对应的圆心角为α范围：0≤α≤π-2β_A；

左右螺杆螺旋导程为0.01D～5000D。

所述左螺杆3与右螺杆6的转速比为5：2。

实施例4

本实施例一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，如图7所示，与实施例1相比较，其不同之处在于，双螺杆组件中，左螺杆3为双头螺纹的螺杆，右螺杆6为三头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧。

如图7所示，左螺杆3和右螺杆6的初始位置，左螺杆为双头螺纹，右螺杆为三头螺纹。左螺杆的横截面形状与右螺杆的横截面形状不同，两根螺杆的旋转中心O₁、O₂之间的中心距为C，螺杆外径均为D，那么螺杆的内径均为：

d=2C-D    （22）

左螺杆的螺腹为角β_A：

${\mathrm{\β}}_A=\frac{5\arccos (C/D)}{2}---\left(23\right)$

右螺杆的螺腹为角β_B：

${\mathrm{\β}}_B=\frac{5\arccos (C/D)}{3}---\left(24\right)$

左螺杆的横截面轮廓由8段曲线弧组成，其中，4段圆弧分别是L₁L₂、L₃L₄、L₅L₆和L₇L₈，4段非圆曲线弧分别是L₂L₃、L₄L₅、L₆L₇、L₈L₁。圆弧L₁L₂、L₅L₆的圆心均在左螺杆的旋转中心O₁，半径为d/2，对应的圆心角为α，点L₁、L₅处于圆周二等分位置；圆弧L₃L₄、L₇L₈的圆心也均在螺杆旋转中心O₁，半径为D/2，对应的圆心角为π-α-2β_A；非圆曲线弧L₂L₃以O₁为中心，以O₁L₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧L₂L₃极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{3\mathrm{\θ}}{2}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(25\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(26\right)$

上式中，0≤γ≤β_A。

非圆曲线弧L₈L₁与非圆曲线弧L₂L₃关于O₁与p（p为圆弧L₁L₂的中分点）的连线对称；

非圆曲线弧L₄L₅由非圆曲线弧L₈L₁以O₁为旋转中心逆时针旋转π得到；非圆曲线弧L₆L₇由非圆曲线弧L₂L₃以O₁为旋转中心逆时针旋转π得到；

右螺杆的横截面轮廓由12段曲线弧组成，其中，6段圆弧分别是R₁R₂、R₃R₄、R₅R₆、R₇R₈、R₉R₁₀、R₁₁R₁₂，6段非圆曲线弧分别是R₂R₃、R₄R₅、R₆R₇、R₈R₉、R₁₀R₁₁、R₁₂R₁。其中，圆弧R₁R₂、R₅R₆、R₉R₁₀的圆心均在右螺杆的旋转中心O₂，半径为D/2，对应的圆心角为2α/3，而且点R₁、R₅、R₉处于以O₂为圆心的圆周的三等分位置；圆弧R₃R₄、R₇R₈、R₁₁R₁₂的圆心也均在螺杆旋转中心O₂，半径为d/2，所对应的圆心角均为2π/3-2α/3-2β_B；

非圆曲线弧R₁₂R₁以O₂为中心，以O₂R₁₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧R₁₂R₁极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{2\mathrm{\θ}}{3}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(27\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(28\right)$

上式中，0≤γ≤β_B。

非圆曲线弧R₂R₃与非圆曲线弧R₁₂R₁关于O₂与q（q为圆弧R₁R₂的中分点）的连线对称，对应的中心角同样为β_B；非圆曲线弧R₄R₅由非圆曲线弧R₁₂R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转2π/3得到；非圆曲线弧R₆R₇由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心逆时针旋转2π/3得到；

非圆曲线弧R₈R₉由非圆曲线弧R₁₂R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转4π/3得到；非圆曲线弧R₁₀R₁₁由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心顺时针旋转2π/3得到；

该结构的双螺杆组件中，螺杆构型对应的D/d=1.1～1.65，图7是螺杆构型D/d=1.2、α=π/10对应双螺杆组件横截面构型。

圆弧L₁L₂对应的圆心角为α范围：0≤α≤π-2β_A；

左右螺杆螺旋导程为0.01D～5000D。

左螺杆3与右螺杆6的转速比为3：2。

实施例5

本实施例一种自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，如图8或图9所示，与实施例1相比较，其不同之处在于，双螺杆组件中，左螺杆3为单头螺纹的螺杆，右螺杆6为三头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有4段，包括相间连接的2段圆弧和2段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧。

如图8所示，左螺杆3和右螺杆6的初始位置，左螺杆为单头螺纹，右螺杆为三头螺纹。左螺杆的横截面形状与右螺杆的横截面形状不同，两根螺杆的旋转中心O₁、O₂之间的中心距为C，螺杆外径均为D，那么螺杆的内径均为：

d=2C-D    （29）

左螺杆的螺腹为角β_A：

β_A=4arccos(C/D)    （30）

右螺杆的螺腹为角β_B：

${\mathrm{\β}}_B=\frac{4\arccos (C/D)}{3}---\left(31\right)$

左螺杆的横截面轮廓由4段曲线弧组成，其中，2段圆弧分别是L₁L₂和L₃L₄，2段非圆曲线弧分别是L₂L₃和L₄L₅。圆弧L₁L₂的圆心在左螺杆的旋转中心O₁，半径为d/2，对应的圆心角为α，点L₁、L₃处于圆周二等分位置；圆弧L₃L₄的圆心也在螺杆旋转中心O₁，半径为D/2，对应的圆心角为2π-α-2β_A；非圆曲线弧L₂L₃以O₁为中心，以O₁L₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧L₂L₃极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=3\mathrm{\θ}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(32\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(33\right)$

上式中，0≤γ≤β_A。

非圆曲线弧L₄L₁与非圆曲线弧L₂L₃关于O₁与p（p为圆弧L₁L₂的中分点）的连线对称。

右螺杆的横截面轮廓由12段曲线弧组成，其中，6段圆弧分别是R₁R₂、R₃R₄、R₅R₆、R₇R₈、R₉R₁₀和R₁₁R₁₂，6段非圆曲线弧分别是R₂R₃、R₄R₅、R₆R₇、R₈R₉、R₁₀R₁₁和R₁₂R₁。圆弧R₁R₂、R₅R₆、R₉R₁₀的圆心均在右螺杆的旋转中心O₂，半径为D/2，对应的圆心角为α/3，而且点R₁、R₅、R₉处于以O₂为圆心的圆周的三等分位置；圆弧R₃R₄、R₇R₈、R₁₁R₁₂的圆心也在螺杆旋转中心O₂，半径为d/2，所对应的圆心角均为2π/3-α/3-2β_B；

非圆曲线弧R₁₂R₁以O₂为中心，以O₂R₁₂为起始坐标，给定辅助角θ，

当0≤θ≤arccos(C/D)时，

曲线弧R₁₂R₁极角γ及极径ρ(γ)表达式分别为：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\θ}}{3}+\mathrm{arctg}\left(\frac{D\sin \mathrm{\θ}}{2C-D\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(34\right)$

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\γ}\right)=\sqrt{{(D/2)}^2+C^2-\mathrm{DC}\cos \mathrm{\θ}}---\left(35\right)$

上式中，0≤γ≤β_B。

非圆曲线弧R₂R₃与非圆曲线弧R₁₂R₁关于O₂与q（q为圆弧R₁R₂的中分点）的连线对称，对应的中心角同样为β_B；非圆曲线弧R₄R₅由非圆曲线弧R₁₂R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转2π/3得到；非圆曲线弧R₆R₇由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心逆时针旋转2π/3得到；

非圆曲线弧R₈R₉由非圆曲线弧R₁₂R₁以O₂为旋转中心逆时针旋转4π/3得到；非圆曲线弧R₁₀R₁₁由非圆曲线弧R₂R₃以O₂为旋转中心顺时针旋转2π/3得到；

该结构的双螺杆组件中，螺杆构型对应的D/d=1.1～2.45。

其中，图8是螺杆构型D/d=1.6、α=π/5对应的双螺杆组件横截面构型，图9是螺杆构型D/d=2.41、α=0对应的双螺杆组件横截面构型。

圆弧L₁L₂对应的圆心角为α范围：0≤α≤π-β_A；

左右螺杆螺旋导程为0.01D～8000D。

左螺杆3与右螺杆6的转速比为3：1。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，包括双螺杆组件和机筒，双螺杆组件设于机筒内，其特征在于，双螺杆组件包括转速不同的左螺杆和右螺杆，左螺杆和右螺杆啮合连接，机筒的内腔为两个连通的圆柱槽，左螺杆和右螺杆分别设于圆柱槽内；左螺杆为单头螺纹或多头螺纹的螺杆，右螺杆为多头螺纹的螺杆；左螺杆和右螺杆的截面轮廓分别是多段曲线弧连接而成的封闭结构，且左螺杆和右螺杆的截面形状不一致；

双螺杆组件水平设于机筒内，双螺杆组件将机筒的内腔分为依次连接的固体输送段、熔融段、排气段和挤出段，位于固体输送段的机筒侧壁设有进料口，位于排气段的机筒侧壁设有排气口，挤出段的端部为出料口。

2.根据权利要求1所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述机筒的径向截面为直径相等且相交的两个圆，即组成机筒内腔的两个圆柱槽部分重叠；两个圆柱槽分别为左圆柱槽和右圆柱槽，左螺杆对应设于左圆柱槽内，右螺杆对应设于右圆柱槽内。

3.根据权利要求1所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，左螺杆的轴线与左圆柱槽的轴线重合，右螺杆的轴线与右圆柱槽的轴线重合；双螺杆组件的螺纹外轮廓线与机筒的内壁相切。

4.根据权利要求1所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述左螺杆或右螺杆的截面轮廓上，组成截面轮廓的曲线弧包括圆弧和非圆曲线弧，圆弧和非圆曲线弧相间连接。

5.根据权利要求4所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述双螺杆组件中，左螺杆为单头螺纹的螺杆，右螺杆为双头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有4段，包括相间连接的2段圆弧和2段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧。

6.根据权利要求4所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述双螺杆组件中，左螺杆为三头螺纹的螺杆，右螺杆为四头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有16段，包括相间连接的8段圆弧和8段非圆曲线弧。

7.根据权利要求4所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述双螺杆组件中，左螺杆为双头螺纹的螺杆，右螺杆为五头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有20段，包括相间连接的10段圆弧和10段非圆曲线弧。

8.根据权利要求4所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述双螺杆组件中，左螺杆为双头螺纹的螺杆，右螺杆为三头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有8段，包括相间连接的4段圆弧和4段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧。

9.根据权利要求4所述的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出装置，其特征在于，所述双螺杆组件中，左螺杆为单头螺纹的螺杆，右螺杆为三头螺纹的螺杆；组成左螺杆截面轮廓的曲线弧有4段，包括相间连接的2段圆弧和2段非圆曲线弧；组成右螺杆截面轮廓的曲线弧有12段，包括相间连接的6段圆弧和6段非圆曲线弧。

10.根据权利要求1～9任一项所述装置实现的自洁型同向差动旋转双螺杆挤出方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）物料从进料口进入机筒后，左螺杆和右螺杆沿着各自的轴线同向不等速差动转动；物料进入固体输送段，在双螺杆组件的轴向正位移输送力以及左螺杆和右螺杆的摩擦力共同作用下实现进料输送，迫使物料向出料口方向运动；

（2）物料运动至在熔融段处时，左螺杆和右螺杆相对啮合差速转动产生周期性压缩及扩大输运空间输送物料；其中，左螺杆和右螺杆之间流道的压缩作用导致物料受到挤压做功而预熔融，左螺杆和右螺杆的高速旋转产生摩擦热，同时在机筒的外加热共同作用使得物料发生融化；左螺杆和右螺杆的相互擦拭作用及输运空间压缩作用及螺杆不同的正位移作用加速了熔体与固体的分离，加上混沌混合作用加速熔融进程，使得物料成为熔体；

（3）熔体进入排气段，两螺杆与机筒内腔组成的空间突然扩大，左螺杆和右螺杆的转动不断翻动物料，左螺杆和右螺杆的转速不同带来了力场不平衡，对物料产生拉伸力场作用及轴向混合作用，加速了气体从排气口排出，熔体进一步向出料口方向运动；

（4）熔体进入混炼挤出段，熔体在左螺杆和右螺杆的转动作用下所产生的周期性压缩和扩张空间作用下前行，左螺杆和右螺杆之间的相互擦拭作用及输运空间压缩、扩张作用促使界面不断再取向更新，对物料进行混炼塑化，同时，左螺杆和右螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用，使熔体稳定从出料口挤出。

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