CN107031015A

CN107031015A - 螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机及其加工方法

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Publication number: CN107031015A
Application number: CN201710321880.6A
Authority: CN
Inventors: 徐百平; 喻慧文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2017-08-11

Abstract

本发明公开一种螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机及其加工方法，挤出机中第一螺杆包含单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件和双头渐变为单头过渡螺纹元件，第二螺杆包含双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件和四头渐变为双头过渡螺纹元件。其方法是螺杆机构利用了其自身结构实现五种强化混合机理，对物料进行全面强化混合混炼。

Description

螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机及其加工方法

技术领域

本发明涉及双螺杆挤出机技术领域，特别涉及一种螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机及其加工方法。

背景技术

具有自洁功能的同向双螺杆挤出机是目前广泛应用的混合加工装备。这类设备主要包括机筒和两根平行安装于机筒内腔的双螺杆。这类设备主要采用积木式组合结构来适应各种各样的物料体系，通过采用多头螺纹结构及强化型捏合块等结构提升混炼效果，但流道结构具有对称性，无法引入拉伸场强化分散效果。为了达到高分散能力，采用大量的盘片较宽的捏合块组合，采用高转速提高剪切速率，这又带来了停留时间的下降所导致的混炼效果下降，不得不采用更长的长径比来延长停留时间。而且大量捏合块的采用破坏了轴向输送能力和自洁功能，导致螺杆间干摩擦生热而使温度难以控制，带来了高能耗、低效率和物料降解等诸多问题。即便如此，对于混炼要求高的物料体系加工也不能胜任，工程上选择使用连续密炼加同向双螺杆的双阶组合结构，虽然满足了一些苛刻的加工要求，但存在设备造价非常高、既有同向双螺杆零部件，又有密炼机零部件，操作维护保养难度大、结构庞大复杂、占地面积大及环境污染等问题。近年来，随着混沌混合动力学研究深入，将对称破缺效应和拉伸力场引入到双螺杆技术领域，但仍然缺乏流道分割的拓扑混沌效应，强制压缩产生的拉伸场作用微弱，双螺杆挤出过程的熔融共混及排气等功能仍然存在极大的提升空间。怎样取消捏合块的应用并取代普通双螺杆加连续密炼机的组合结构，仍然是高分子材料加工领域需要面对的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，该结构的挤出机可实现将混沌混合、拓扑混沌和强拉伸力场作用相结合，进而提高加工效率。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法。

本发明的技术方案为：一种螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，包括机筒和螺杆机构，螺杆机构安装于机筒的内腔中，所述螺杆机构包括同向旋转且时刻保持啮合的第一螺杆和第二螺杆；其中，第一螺杆采用单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件和双头渐变为单头过渡螺纹元件依次连接的结构形式，第二螺杆采用双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件和四头渐变为双头过渡螺纹元件依次连接的结构形式，第一螺杆的单头螺纹元件与第二螺杆的双头螺纹元件啮合，第一螺杆的单头渐变为双头过渡螺纹元件与第二螺杆的双头渐变为四头过渡螺纹元件啮合，第一螺杆的双头螺纹元件与第二螺杆的四头螺纹元件啮合，第一螺杆的双头渐变为单头过渡螺纹元件与第二螺杆的四头渐变为双头过渡螺纹元件啮合。

所述螺杆机构中，第一螺杆和第二螺杆的转速比为2。

所述螺杆机构中，第一螺杆和第二螺杆的最大外径均为D，第一螺杆和第二螺杆的内径均为d，D/d＝1.1～5.5，第一螺杆和第二螺杆的螺距L均为0.01D～10000D。

所述螺杆机构中，第一螺杆的横截面轮廓由多元件曲率半径均不相等的曲线弧连接构成，第二螺杆的横截面轮廓也由多元件曲率半径均不相等的曲线弧连接构成；其中，曲线弧包括直线段、圆弧和非圆曲线弧。

所述螺杆机构中，第一螺杆的单头螺纹元件与第二螺杆的双头螺纹元件啮合时，第一螺杆单头螺纹元件的横截面轮廓由四段曲线弧连接构成，四段曲线弧依次为AB、BB′、A′B′和AA′，其中，AB及A′B′形状完全相同，对应的圆心角β为：

式中C为第一螺杆旋转中心和第二螺杆旋转中心之间的距离，D为第一螺杆和第二螺杆的最大外径；

第二螺杆双头螺纹元件的横截面轮廓由八段曲线弧连接构成，八段曲线弧依次为A₁B₁、B₁B₂、A₂B₂、A₂A₂′、A₂′B₂′、B₁′B₂′、A₁′B₁′和A₁A₁′，其中，A₁B₁、A₂B₂及A₁′B₁′、A₂′B₂′形状完全相同，对应的圆心角均为β/2。

所述螺杆机构中，第一螺杆的双头螺纹元件与第二螺杆的四头螺纹元件啮合时，第一螺杆双头螺纹元件的横截面轮廓由八段曲线弧连接构成，八段曲线弧依次为A_后B_后、B_后B′_后、A′_后B′_后、A′_后D′、C′_后D′、C_后C′_后、C_后D和A_后D，其中，A_后B_后、A′_后B′_后、C_后D及C′_后D′形状完全相同，其形状满足与双头螺纹元件11的啮合要求，对应的圆心角β为：

第二螺杆四头螺纹元件的横截面轮廓由十六段曲线弧连接构成，十六段曲线弧依次为A_1后B_1后、B_1后B_2后、A_2后B_2后、A_2后D_2后、C_2后D_2后、C_2后C′_2后、C′_2后D′_2后、A′_2后D′_2后、A′_2后B′_2后、B′_2后B′_1后、A′_1后B′_1后、A′_1后D′_1后、C′_1后D′_1后、C′_1后C′_1后、C_1后D_1后和A_1后C_1后，其中，A_1后B_1后、A_2后B_2后、A′_1后B′_1后、A′_2后B′_2后、C_1后D_1后、C_2后D_2后、C′_1后D′_1后和C′_2后D′_2后形状完全相同，对应的圆心角均为β/2。

所述螺杆机构中，第一螺杆的单头渐变为双头过渡螺纹元件与第二螺杆的双头渐变为四头过渡螺纹元件啮合时，第一螺杆单头渐变为双头过渡螺纹元件的尾部螺纹头数逐渐变化为头部螺纹头数的两倍，第二螺杆双头渐变为四头过渡螺纹元件的尾部螺纹头数也逐渐变化为头部螺纹头数的两倍；

第一螺杆的双头渐变为单头过渡螺纹元件与第二螺杆的四头渐变为双头过渡螺纹元件啮合时，第一螺杆双头渐变为单头过渡螺纹元件的尾部螺纹头数逐渐变化为头部螺纹头数的1/2，第二螺杆四头渐变为双头过渡螺纹元件的尾部螺纹头数也逐渐变化为头部螺纹头数的1/2。

所述螺杆机构还包括第三螺杆，第三螺杆的结构与第一螺杆或第二螺杆相同；

当第三螺杆的结构与第一螺杆相同时，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次连接，形成一字型的三螺杆排布方式；

当第三螺杆的结构与第二螺杆相同时，第二螺杆、第一螺杆和第三螺杆依次连接，形成一字型的三螺杆排布方式。

上述挤出机结构中，所述机筒设有输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段沿物料的输送方向依次排列；输送段上设有与机筒内腔连通的进料口，排气段上设有与机筒内腔连通的排气口，混炼挤出段的末端设有出料口。

通过上述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法，包括以下步骤：

(1)物料从进料口进入输送段的流道后，第一螺杆和第二螺杆分别沿各自螺杆轴线同向差速转动；在第一螺杆和第二螺杆的轴向正位移输送力以及第一螺杆和第二螺杆之间的摩擦力共同作用下实现进料输送，并迫使物料向熔融段的流道方向移动；

(2)当物料移动至熔融段的流道处时，由于第一螺杆和第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱对物料的翻动作用及两根螺杆自身螺纹头数变化带来的“一分二切割分离、二合一汇合、再分离、再汇合”作用，促进了界面更新作用而强化了传热过程，而第一螺杆和第二螺杆自身由于螺纹头数渐变导致的流道的扩展和压缩作用，结合两根螺杆之间速度差对物料进行压缩和挤压做功，实现物料预熔融，且第一螺杆和第二螺杆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进一步发生融化，加速了熔体的物料与固体的物料的分离；同时，第一螺杆和第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱将导致“8”字形同宿轨道流动扰动，两根螺杆自身形成的拓扑流道切割二分再汇合作用以及过渡螺纹在啮合区由于头数变化而产生的随机作用共同在螺槽全程触发混沌混合，将进一步加速固体物料的熔融进程，使得物料成为熔体；

(3)成为熔体的物料从熔融段的流道进入排气段的流道后，对应的第一螺杆为单头螺纹元件，第二螺杆为双头元件，第一螺杆和第二螺杆均采用大导程结构，扩大了排气面积，物料汇集在此处产生负压作用，加速了气体从排气口排出，同时熔融的物料受到第一螺杆和第二螺杆的作用进一步向混炼挤出段的流道方向运动；

(4)成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，熔融的物料受到第一螺杆和第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱导致的“8”字形同宿轨道流动扰动作用，第一螺杆和第二螺杆本身产生的“一分二、二合一、再一分二”的拓扑混沌作用以及过渡螺纹啮合区在差速作用下产生的随机作用，在螺槽全程触发混沌混合，再加上两根螺杆的螺纹头数分别减半导致的流道收缩产生的强压缩作用和两根螺杆的差速旋转作用产生拉伸力场，从而对熔体的物料进行混炼塑化，且使熔体的物料稳定从出料口挤出；同时，第一螺杆和第二螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用；

上述过程中，过渡螺纹为第一螺杆的单头渐变为双头过渡螺纹元件、第二螺杆的双头渐变为四头过渡螺纹元件、第一螺杆的双头渐变为单头过渡螺纹元件或第二螺杆的四头渐变为双头过渡螺纹元件上的螺纹；第一螺杆的单头渐变为双头过渡螺纹元件与第二螺杆的双头渐变为四头过渡螺纹元件的啮合处、第一螺杆的双头渐变为单头过渡螺纹元件与第二螺杆的四头渐变为双头过渡螺纹元件的啮合处为过渡螺纹啮合区。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明的第一螺杆、第二螺杆均采用螺纹头数渐变结构形式，两根螺杆差速啮合旋转，可以有效解决原料成分波动所带来的产品质量不稳定问题，兼顾了单头螺纹深螺槽的强大输送效率，提高了固体输送效率，增大排气自由表面积及强负压作用，可以更大程度的增加挤出产量，适用于大产量加工。

2、本发明采用了五种强化混合机理：(1)高度渐变的螺棱引入了“8”字形同宿轨道流动扰动来触发螺槽全程混沌混合；(2)两根螺杆自身流道形成了“一分二、二合一、再一分二、再二合一”作用引发拓扑混沌混合；(3)两根螺杆头数减半位置导致局部强压缩作用，引入拉伸力场作用机理，有效实现了压缩预热和分散混合；(4)两根螺杆差速旋转强化作用；(5)过渡螺纹头数变化啮合关系引入随机性扰动作用。因此，本挤出机全面强化了混合混炼和传热过程，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、本发明的螺杆机构中，保证了第一螺杆、第二螺杆紧密啮合同向差速旋转，两根螺杆之间相互擦拭作用，实现了加工过程自洁作用。

4、本发明通过在第一螺杆、第二螺杆中引入高度逐渐变化的螺棱，尤其适用于非充满挤出过程，可以实现第一螺杆及第二螺杆流道拉伸力场作用，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。

5、本发明完全不使用捏合块，大幅度提高加工过程自洁功能，节能效果显著，使加工过程停留时间分布更窄，提高了加工效率和效果，尤其适用于高产量、高填充、纳米材料的加工。

附图说明

图1是实施例1中螺纹头数渐变式同向差速双螺杆挤出机的结构示意图。

图2是图1中螺杆机构的结构示意图。

图3是图1中单头螺纹元件与双头螺纹元件的组合示意图。

图4是单头渐变为双头过渡螺纹元件与双头渐变为四头过渡螺纹元件的组合示意图。

图5是图1中双头螺纹元件与四头螺纹元件的组合示意图。

图6是双头渐变为单头过渡螺纹元件与四头渐变为双头过渡螺纹元件的组合示意图。

图7是单头螺纹元件与双头螺纹元件的组合横截面示意图。

图8是双头螺纹元件与四头螺纹元件的组合横截面示意图。

图9是单头渐变为双头过渡螺纹元件从头部位置观察的三维结构示意图。

图10是单头渐变为双头过渡螺纹元件从尾部位置观察的三维结构示意图。

图11是图10所示的单头渐变为双头过渡螺纹元件的俯视图。

图12是单头渐变为双头过渡螺纹元件与双头渐变为四头螺纹元件的组合在任意轴向位置的横截面示意图。

图13是双头渐变为四头过渡螺纹元件从头部位置观察的三维结构示意图。

图14是双头渐变为四头过渡螺纹元件从尾部位置观察的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，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

本实施例一种螺纹头数渐变式的同向差速双螺杆挤出机，其结构如图1-6所示，包括机筒1和螺杆机构，机筒1内设有内腔2，螺杆机构安装于内腔中，螺杆机构包括第一螺杆3和第二螺杆4，第一螺杆和第二螺杆相互啮合，且第一螺杆和第二螺杆的最外侧边沿都与内腔的内壁相切；第一螺杆、第二螺杆与机筒的内腔形成流道；当第一螺杆和第二螺杆同向转动时，第一螺杆的转速为第二螺杆转速的2倍，且两根螺杆始终保持彼此啮合接触实现自洁功能。如图1-6所示，第一螺杆和第二螺杆的螺棱均为边沿光滑的螺棱结构。

机筒的内腔由两个连通的圆柱槽构成，且内腔的截面形状呈卧倒的“8”字。

同时，D/d＝1.1～5.5，第一螺杆和第二螺杆的螺距L均为0.01D～10000D。其中，第一螺杆和第二螺杆的最大外径均为D，第一螺杆和第二螺杆的内径均为d。

其中，如图2所示，第一螺杆采用“单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件”依次连接的结构形式，第二螺杆采用“双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件”依次连接的结构形式。

如图3-8所示，第一螺杆3旋转中心O₁O₁′和第二螺杆4旋转中心O₂O₂′之间的距离为C，且第一螺杆和第二螺杆的最大外径均为D，对应的半径为R，第一螺杆和第二螺杆的内径为d，对应的半径为r，那么有：

d＝2C-D。

为保证正确啮合运转，第一螺杆单头螺纹元件5对第二螺杆双头螺纹元件9的组合，如图3或图7所示，需要足一定的关系，此时，单头螺纹元件5上的曲线弧AB及A′B′形状完全相同，其形状满足与双头螺纹元件9的啮合要求，对应的圆心角β为：

BB′为以O₁为圆心、直径为D的圆弧，AA′为以O₁为圆心、半径为r的圆弧，两者的中心角均为α＝π-β。

双头螺纹元件9上的曲线弧A₁B₁、A₂B₂及A₁′B₁′、A₂′B₂′形状完全相同，对应的圆心角均为β/2，其中，A₂B₂可以选取直线，或者以O₂x为极轴，A₂B₂选取非圆曲线弧，其极径ρ(θ)：

同时，A₁A₁′和A₂A₂′为以O₂为圆心、直径为D的圆弧，两者的中心角均为α/2，B₁B₂和B₁′B₂′为以O₂为圆心、半径为r的圆弧，两者的中心角也均为α/2。

同理，为保证正确啮合运转，第一螺杆双头螺纹元件对第二螺杆四头螺纹元件的组合，如图5或图8所示，需要满足一定的关系，此时，双头螺纹元件7上的曲线弧A_后B_后、A′_后B′_后、C_后D及C′_后D′形状完全相同，其形状满足与双头螺纹元件11的啮合要求，对应的圆心角β为：

而C_后C′_后及B_后B′_后为以O₁′为圆心，直径为D的圆弧，A_后D及A′_后D′为以O₁′为圆心，半径为r的圆弧，这四段圆弧的中心角均为γ＝π/2-β。

四头螺纹元件12上的曲线弧A_1后B_1后、A_2后B_2后、A′_1后B′_1后、A′_2后B′_2后及C_1后D_1后、C_2后D_2后、C′_1后D′_1后、C′_2后D′_2后形状完全相同，对应的圆心角均为β/2，其中，A_2后′B_2后′可以选取直线，或者以O₂′x为极轴，A′_2后B′_2后选择非圆曲线弧，其极径ρ(θ)：

同时，A_1后D_1后、A_2后D_2后和A′_1后D′_1后、A′_2后D′_2后为以O₂′为圆心，直径为D的圆弧，这四段圆弧的中心角均为γ/2，B_1后B_2后、B′_1后B′_2后和C_1后C′_1后、C_1后C′_1后为以O₂′为圆心，半径为r的圆弧，这四段圆弧的中心角也均为γ/2。

本实施例中，螺纹头数渐变通过过渡螺纹元件实现，单头渐变为双头过渡螺纹元件6和双头渐变为四头过渡螺纹元件10的组合在保持自清洁功能情况下实现尾部螺纹头数逐渐变化为头部的两倍，如图4所示。双头渐变为单头过渡螺纹元件8和四头渐变为双头过渡螺纹元件12的组合在保持自清洁功能情况下实现尾部螺纹头数逐渐变化为头部的1/2，如图6所示。两种组合螺纹元件完全相同，只是头尾调换位置使用。单头渐变为双头过渡螺纹元件6中，如图9-11所示，原螺棱宽度从头部位置BB′对应的圆心角α，逐渐减小到尾部位置对应的B_后B′_后，B_后B′_后对应的圆心角为γ，螺纹元件的长度为L，那么如图11所示，对应任意位置z，此螺棱从BB′变化到B_后B′_后过程中对应的圆心角ε：

参见图12，ε从α逐渐减小到γ。原螺棱在宽度变化过程中始终以O₁为圆心，对应的半径为R；另外一条新生成螺棱由头部位置C(C′)点(开始时两点重合，对应的圆心角0)逐渐升高到螺杆外径高度，形成脊，再劈分为两个点C和C′，对应的螺棱宽度逐渐变宽，到达尾部变为C_后C′_后(对应的圆心角γ，参见图6或图8)，随着C(C′)点逐渐升高，与非圆曲线弧与螺杆根圆(半径为r)出现新切点D及D′，到达尾部时圆弧A_后D、A′_后D′对应的圆心角同样为γ，进一步来讲，对于单头渐变为双头过渡螺纹元件6和双头渐变为四头过渡螺纹元件10的组合来说，在任意轴向位置z处的横截面如图12所示，设单头渐变为双头过渡螺纹元件6新生长出螺棱脊C(C′)对应的高度O₁C(C′)为h,则的双头渐变为四头过渡螺纹元件10对应啮合位置O₂C₁(C₁′)及O₂C₂(C₂′)对应的高度为C-h，螺纹头数渐变过程中，螺棱脊高度h从r渐变为R。

单头渐变为双头过渡螺纹元件6螺棱脊C(C′)逐渐升高的过程中，曲线弧CD和C′D′完全相同，形状由配对啮合的双头渐变为四头过渡螺纹元件10对应的截面位置确定，其对应O₁的圆心角均为β_h：

曲线弧AB及A′B′形状完全相同且保持不变，形状也由与之配对啮合的双头渐变为四头过渡螺纹元件10对应的截面位置确定，对应圆心O₁的圆心角始终为β；AD和A′D′是以O₁为圆心，半径为r的圆弧，对应的圆心角为ω：

双头渐变为四头过渡螺纹元件10在头数逐渐变化的过程中，从双头螺棱的轴向横截面所在圆弧的中分点C₁(C₁′)及C₂(C₂′)逐渐降低高度形成沉槽，沉槽宽度逐渐增加，挖出来两个螺旋槽，将原来的双头螺棱逐渐劈分四份，螺棱对称中心在轴线横截面内逐渐沉槽对应的圆弧C₁C₁′及C₂C₂′，螺棱的宽度逐渐变小，最后变成宽度相等的四头螺棱。如图12所示，B₁B₂和B₁′B₂′为以O₂为圆心，半径为r的圆弧，对应的圆心角为ε/2，到达尾部时，B₁B₂和B₁′B₂′变成B_1后B_2后和B_1后′B_2后′，对应的圆心角为γ/2；而圆弧A₁D₁、A₂D₂和A₁′D₁′、A₂′D₂′均为以O₂为圆心，半径为R的圆弧，对应的圆心角为ω/2，到达尾部时，圆弧A₁D₁、A₂D₂和A₁′D₁′、A₂′D₂′变成A_1后D_1后、A_2后D_2后和A_1后′D_1后′、A_2后′D_2后′，对应的圆心角增大为γ/2。曲线弧A₁B₁、A₂B₂和A₁′B₁′、A₂′B₂′完全相同，所对应O₂的圆心角均为β/2，且保持不变，该组曲线弧可以选择直线，或者以O₂x为极轴，曲线弧A₂′B₂′所对应的极径ρ(θ)：

到达尾部时，该组曲线弧变为A_1后B_1后、A_2后B_2后和A_1后′B_1后′、A_2后′B_2后′；另一方面，曲线弧C₁D₁、C₂D₂、C₁′D₁′、C₂′D₂′形状完全相同，对应的圆心角均为β_h/2，其中，C₂D₂可以选取直线，或者以O₂x′为极轴，C₂D₂选择非圆曲线弧，其极径g(θ′)：

到达尾部时，曲线弧C₁D₁、C₂D₂、C₁′D₁′、C₂′D₂′变为C_1后D_1后、C_2后D_2后、C′_1后D′_1后、C′_2后D′_2后，形状与A_1后B_1后、A_2后B_2后和A_1后′B_1后′、A_2后′B_2后′完全相同，所对应的圆心角均为β/2。

当双头渐变为四头过渡螺纹元件10从头部向尾部逐渐变化头数的过程中，沉槽O₂C₁(C₁′)及O₂C₂(C₂′)的高度从R逐渐变化为r，到达r后，C₁和C₁′、C₂和C₂′点逐渐分离为以O₂为圆心，半径为r的圆弧两端，到达尾部时，这两段圆弧变化为C_1后C′_1后和C_2后C′_2后，对应O₂的圆心角均为γ/2。

如图1所示，机筒1设有输送段16、熔融段17、排气段18和混炼挤出段19；输送段16、熔融段17、排气段18和混炼挤出段19自被加工的物料的移动方向依次排列；输送段的上面设有与内腔连通的进料口13，排气段的上面设有与内腔连通的排气口14；混炼挤出段的末端设有出料口15。

通过上述同向非对称多螺杆挤出机实现的加工方法，包括以下步骤：

(1)物料从进料口进入输送段的流道后，第一螺杆和第二螺杆分别沿各自的螺杆轴线同向差速转动；在第一螺杆和第二螺杆的轴向正位移输送力以及第一螺杆和第二螺杆之间的摩擦力共同作用下实现进料输送，并迫使物料向熔融段的流道方向移动；

(2)当物料移动至熔融段的流道处时，由于第一、第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱对物料的翻动作用及两根螺杆自身螺纹头数变化带来的一分二切割分离、二合一汇合、再分离、再汇合作用促进了界面更新作用而强化了传热过程，而第一、第二螺杆自身由于螺纹头数渐变导致的流道的扩展和压缩作用结合两根螺杆间速度差对物料进行压缩和挤压做功，实现物料预熔融，且第一螺杆和第二螺杆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进一步发生融化，加速了熔体的物料与固体的物料的分离；同时，第一、第二螺杆上的高度逐渐变化的螺棱将导致“8”字形同宿轨道流动扰动，两根螺杆自身形成的拓扑流道切割二分作用以及过渡螺纹在啮合区由于头数变化而产生的随机作用共同在螺槽全程触发混沌混合，将进一步加速固体物料的熔融进程，使得物料成为熔体；

(3)熔体的物料从熔融段的流道进入排气段的流道后，第一螺杆和第二螺杆采用容积大的单头螺纹和双头螺纹组合结构，并采用打大导程，扩大了物料排气表面积，物料汇集在此处产生负压作用，加速了气体从排气口排出，同时熔融的物料受第一螺杆和第二螺杆的作用进一步向混炼挤出段的流道方向运动；

(4)成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，熔融的物料受到第一螺杆、第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱导致的一分二、二合一、再一分二、再二合一作用引发的拓扑混沌作用，加上第一、第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱将导致“8”字形同宿轨道流动扰动作用，以及过渡螺纹啮合区在差速作用下产生的随机作用，在螺槽全程触发混沌混合，再加上两根螺杆自身流道所产生的周期性压缩扩张作用和两根螺杆的差速旋转作用产生拉伸力场，从而对熔体的物料进行混炼塑化，且使熔体的物料稳定从出料口挤出；同时，第一螺杆和第二螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用。

实施例2

本实施例一种螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，与实施例1相比较，其不同之处在于：螺杆机构还包括第三螺杆，第三螺杆的结构与第一螺杆相同，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次连接，形成一字型的三螺杆排布方式。

实施例3

本实施例一种螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，与实施例1相比较，其不同之处在于：螺杆机构还包括第三螺杆，第三螺杆的结构与第二螺杆相同，第二螺杆、第一螺杆和第三螺杆依次连接，形成一字型的三螺杆排布方式。

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

1.螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，包括机筒和螺杆机构，螺杆机构安装于机筒的内腔中，其特征在于，所述螺杆机构包括同向旋转且时刻保持啮合的第一螺杆和第二螺杆；其中，第一螺杆采用单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为单头过渡螺纹元件、单头渐变为双头过渡螺纹元件和双头渐变为单头过渡螺纹元件依次连接的结构形式，第二螺杆采用双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件、四头渐变为双头过渡螺纹元件、双头渐变为四头过渡螺纹元件和四头渐变为双头过渡螺纹元件依次连接的结构形式，第一螺杆的单头螺纹元件与第二螺杆的双头螺纹元件啮合，第一螺杆的单头渐变为双头过渡螺纹元件与第二螺杆的双头渐变为四头过渡螺纹元件啮合，第一螺杆的双头螺纹元件与第二螺杆的四头螺纹元件啮合，第一螺杆的双头渐变为单头过渡螺纹元件与第二螺杆的四头渐变为双头过渡螺纹元件啮合。

2.根据权利要求1所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构中，第一螺杆和第二螺杆的转速比为2。

3.根据权利要求1所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构中，第一螺杆和第二螺杆的最大外径均为D，第一螺杆和第二螺杆的内径均为d，D/d＝1.1～5.5，第一螺杆和第二螺杆的螺距L均为0.01D～10000D。

4.根据权利要求1所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构中，第一螺杆的横截面轮廓由多元件曲率半径均不相等的曲线弧连接构成，第二螺杆的横截面轮廓也由多元件曲率半径均不相等的曲线弧连接构成；其中，曲线弧包括直线段、圆弧和非圆曲线弧。

5.根据权利要求4所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构中，第一螺杆的单头螺纹元件与第二螺杆的双头螺纹元件啮合时，第一螺杆单头螺纹元件的横截面轮廓由四段曲线弧连接构成，四段曲线弧依次为AB、BB′、A′B′和AA′，其中，AB及A′B′形状完全相同，对应的圆心角β为：

6.根据权利要求4所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构中，第一螺杆的双头螺纹元件与第二螺杆的四头螺纹元件啮合时，第一螺杆双头螺纹元件的横截面轮廓由八段曲线弧连接构成，八段曲线弧依次为A_后B_后、B_后B′_后、A′_后B′_后、A′_后D′、C′_后D′、C_后C′_后、C_后D和A_后D，其中，A_后B_后、A′_后B′_后、C_后D及C′_后D′形状完全相同，其形状满足与双头螺纹元件11的啮合要求，对应的圆心角β为：

第二螺杆四头螺纹元件的横截面轮廓由十六段曲线弧连接构成，十六段曲线弧依次为A_1后B_1后、B_1后B_2后、A_2后B_2后、A_2后D_2后、C_2后D_2后、C_2后C′_2后、C′_2后D′_2后、A′_2后D′_2后、A′_2后B′_2后、B′_2后B′_1后、A′_1后B′_1后、A′_1后D′_1后、C′_1后D′_1后、C_1后C′_1后、C_1后D_1后和A_1后C_1后，其中，A_1后B_1后、A_2后B_2后、A′_1后B′_1后、A′_2后B′_2后、C_1后D_1后、C_2后D_2后、C′_1后D′_1后和C′_2后D′_2后形状完全相同，对应的圆心角均为β/2。

7.根据权利要求1所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构中，第一螺杆的单头渐变为双头过渡螺纹元件与第二螺杆的双头渐变为四头过渡螺纹元件啮合时，第一螺杆单头渐变为双头过渡螺纹元件的尾部螺纹头数逐渐变化为头部螺纹头数的两倍，第二螺杆双头渐变为四头过渡螺纹元件的尾部螺纹头数也逐渐变化为头部螺纹头数的两倍；

8.根据权利要求1所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆机构还包括第三螺杆，第三螺杆的结构与第一螺杆或第二螺杆相同；

9.根据权利要求1-7任一项所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机，其特征在于，所述机筒设有输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段沿物料的输送方向依次排列；输送段上设有与机筒内腔连通的进料口，排气段上设有与机筒内腔连通的排气口，混炼挤出段的末端设有出料口。

10.根据权利要求9所述螺纹头数渐变式的同向差速多螺杆挤出机实现的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，熔融的物料受到第一螺杆和第二螺杆上高度逐渐变化的螺棱导致的“8”字形同宿轨道流动扰动作用，第一螺杆和第二螺杆本身产生的“一分二、二合一、再一分二”的拓扑混沌作用以及过渡螺纹啮合区在差速作用下产生的随机作用，在螺槽全程触发混沌混合，再加上两根螺杆的螺纹头数分别减半导致的流道收缩产生的强压缩作用和两根螺杆的差速旋转作用产生拉伸力场，从而对熔体的物料进行混炼塑化，且使熔体的物料稳定从出料口挤出；同时，第一螺杆和第二螺杆之间的相互擦拭作用实现了自洁作用。