CN110466133B - 一种非对称同向多螺杆挤出装置、挤出机及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称同向多螺杆挤出装置、挤出机及其加工方法，包括筒体和设置于筒体内部的螺杆机构，筒体上设置有位于螺杆机构一端进料口、位于螺杆机构另一端的出料口，筒体包括由进料口一侧开始依次排列的输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，排气段上设置有排气孔，螺杆机构包括第一螺杆和平行于第一螺杆布置的第二螺杆，第一螺杆和第二螺杆的横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段圆弧，第二螺杆与第一螺杆非对称啮合且同向等速转动。对应的圆弧对相切啮合，实现相互啮合螺杆形状不同、上下啮合区流道的轴向开放程度不同，引入轴向反混强化机理，有效地加速了熔融、塑化、混炼和排气效率。

Description

一种非对称同向多螺杆挤出装置、挤出机及其加工方法

技术领域

本发明涉及多螺杆挤出机技术领域，特别是一种非对称同向多螺杆挤出装置、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主要包括机筒和两根平行安装于机筒内腔的双螺杆。两根螺杆等速旋转，互相扫略，实现自洁功能。一般来说，等速双螺杆左右两根螺杆形状完全一致，只是安装时错列角度，存在左右对称性；对于单个螺杆来说，其螺杆横截面几何属于轴对称图形。双螺杆啮合区是熔融、混炼的关键部位，对称性的存在导致啮合区螺杆啮合方式相同，存在物料局部堆积及减速导致松弛效应，限制物料在挤出机内的熔融和混合效果的提高。另一方面，对称性的存在导致了自洁同向双螺杆在上下啮合区产生轴向封闭，物料在熔融混炼的过程中，存在独立拓扑流道，各个流道间几乎没有轴向反混能力，也导致了物料原料计量加料过程中的组份波动造成的制品性能的波动。提高挤出过程中轴向反混作用应该是传统等速双螺杆必须突破的关键问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种非对称同向多螺杆挤出装置，在每根螺杆横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段圆弧来打破对称性，实现相互啮合螺杆形状不同、上下啮合区流道的轴向开放程度不同，引入轴向反混作用，进而提高熔融、混炼及排气效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种非对称同向多螺杆挤出装置，包括筒体和设置于筒体内部的螺杆机构，筒体上设置有位于螺杆机构一端的进料口、位于螺杆机构另一端的出料口，筒体包括由进料口一侧开始依次排列的输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，排气段上设置有排气孔，螺杆机构包括第一螺杆和平行于第一螺杆布置的第二螺杆，第一螺杆和第二螺杆的横截面轮廓上设置有一段圆弧，在第一螺杆和第二螺杆根径和顶径之间形成径向的凸起，第二螺杆与第一螺杆非对称啮合且同向等速转动。

作为上述技术方案的改进，第一螺杆和第二螺杆的螺棱为具有圆弧状的凸起。

进一步，第一螺杆和第二螺杆的横截面轮廓上设置有多段圆弧，在第一螺杆和第二螺杆根径和顶径之间形成多个径向的凸起。

进一步，第二螺杆的横截面轮廓由与第一螺杆轮廓数量相等的圆弧和曲线弧连接构成，在螺纹根径和顶径之间存在与第一螺杆数量相同的圆弧，且与第一螺杆对应的圆弧相切。

进一步，螺杆机构还包括非对称啮合于第一螺杆或第二螺杆设置的第三螺杆，第三螺杆的横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段或多段圆弧。

进一步，第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆为双头螺杆。

进一步，螺杆机构中局部位置加装反螺纹结构和捏合块结构。

进一步，第一螺杆和第二螺杆的最外侧边沿与筒体的内壁相切。

还提供一种多螺杆挤出机，包括上述的非对称同向多螺杆挤出装置。

还提供一种应用上述的非对称同向多螺杆挤出装置的加工方法，包括以下步骤：

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等速转动，推动物料向熔融段的流道方向移动；

当物料移动至熔融段的流道处时，由于强烈的轴向反混作用，步加速固体物料的熔融进程，使得物料成为熔体；

成为熔体的物料从熔融段的流道进入排气段的流道后，在第一螺杆和第二螺杆的作用下，加速气体从排气口排出；同时物料进一步向混炼挤出段的流道方向运动；

成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，在第一螺杆和第二螺杆间的强烈的轴向反混作用下，强化了塑化和混合效果，塑化混炼效率更高，并使熔体的物料稳定从出料口挤出。

本发明中一个或多个技术方案至少具有以下有益效果：

1、本发明的第一螺杆、第二螺杆均采用在每根螺杆横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段圆弧对来打破对称性，对应的圆弧对相切啮合，实现相互啮合螺杆形状不同、上下啮合区流道的轴向开放程度不同，引入轴向反混强化机理，有效地加速了熔融、塑化、混炼和排气效率；

2、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等速旋转，两根螺杆之间相互擦拭作用，实现了加工过程自洁作用。

3、本发明可大幅度减少捏合块的使用，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。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中的螺杆机构的横截面示意图；

图3是本发明第一实施例中的螺杆机构的三维结构示意图；

图4是本发明第一实施例中螺杆机构上啮合区结构示意图；

图5是本发明第一实施例中螺杆机构下啮合区结构示意图；

图6是本发明第二实施例中螺杆机构的横截面结构示意图；

图7是本发明第二实施例中螺杆机构上啮合区的三维结构示意图；

图8是本发明第三实施例中螺杆机构的横截面结构示意图；

图9是本发明第三实施例中螺杆机构上啮合区的三维结构示意图；

图10是本发明第四实施例中三根螺杆排列的螺杆横截面结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

参照图1至图5，本发明的一种非对称同向多螺杆挤出装置，包括筒体100和设置于筒体100内部的螺杆机构200，筒体100上设置有位于螺杆机构200一端的进料口110、位于螺杆机构200另一端的出料口120，筒体100包括由进料口110一侧开始依次排列的输送段130、熔融段140、排气段150和混炼挤出段160，排气段150上设置有排气孔170，螺杆机构200包括第一螺杆210和平行于第一螺杆210布置的第二螺杆，述第一螺杆210和第二螺杆220的横截面轮廓上设置有一段圆弧，在第一螺杆210和第二螺杆220根径和顶径之间形成径向的凸起，第二螺杆220与第一螺杆210非对称啮合且同向等速转动。优选地，第一螺杆210和第二螺杆220的横截面轮廓的根径和顶径之间引入多段圆弧。第一螺杆210、第二螺杆220均采用在每根螺杆横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段或多段圆弧对来打破对称性，对应的圆弧对相切啮合，实现相互啮合螺杆形状不同、上下啮合区流道的轴向开放程度不同，引入轴向反混强化机理，有效地加速了熔融、塑化、混炼和排气效率；另一方面，保证了第一螺杆210、第二螺杆220紧密啮合同向等速旋转，两根螺杆之间相互擦拭作用，实现了加工过程自洁作用。而且由于加入了轴向反混，使物料的混合更为充分，可大幅度减少捏合块的使用，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。

参照图1，在本发明的一些实施例中，第一螺杆210和第二螺杆220的螺棱为具有圆弧状的凸起。在相互啮合的过程中，圆弧状凸起两侧具有能让物料通过的空间，物料可在此空间中进行搅拌和混合，有效地加速了熔融、塑化、混炼和排气效率。

参照图2，在本发明的一些实施例中，第二螺杆220的横截面轮廓由与第一螺杆210轮廓数量相等的圆弧和曲线弧连接构成，在螺纹根径和顶径之间存在与第一螺杆210数量相同的圆弧，且与第一螺杆对应的圆弧相切。这样导致第一螺杆210、第二螺杆220的端面轮廓几何不同，打破对称性，实现相互啮合螺杆形状不同、上下啮合区流道的轴向开放程度不同，引入轴向反混作用，进而提高熔融、混炼及排气效率。

作为本发明的第一实施例，第一螺杆210和第二螺杆220相互啮合，参见图3，上啮合区轴向开放，参见图3、4；下啮合区轴向开放，参见图5；第一螺杆210、第二螺杆220与筒体的内腔形成流道；当第一螺杆210和第二螺杆220同向等速转动时，两根螺杆始终保持彼此啮合接触实现自洁功能。如图1-5所示，第一螺杆210和第二螺杆220的螺棱均为边沿光滑的螺棱结构。

第一螺杆210采用单头螺纹元件，在第一螺杆210横截面轮廓内，在第一螺杆210根径和顶径之间，引入6段半径为r_i的圆弧，i＝1，3，和，i＝5，7，并且有d/2＝r₀＜r₁＜r₂＜r₃＜r₄＝D/2＞r₅＞r₆＞r₇；这里r₀对应螺杆根径圆弧，r₄对应螺杆顶径圆弧，每段圆弧对应的圆心角θ_i，例如，θ₀对应螺杆根径圆弧的圆心角，θ₄对应螺杆顶径圆弧的圆心角，则有r_i对应的圆弧为A_iB_i，例如，r₀对应的圆弧为A₀B₀，r₃对应的圆弧为A₃B₃，以此类推。

第二螺杆220同样采用单头螺纹元件，在螺杆截面轮廓内引入6段半径为C-r_i圆弧与r_i对应的圆弧相啮合。

螺杆横截面轮廓几何如图2所示，第一螺杆210旋转中心O₁和第二螺杆220旋转中心O₂之间的距离为C，且第一螺杆210和第二螺杆220的最大外径均为D，第一螺杆210和第二螺杆220的内径为d，那么有：

d＝2C-D。

为保证正确啮合运转，第一螺杆210及第二螺杆220需要足一定的关系。如图所示，第一螺杆210的单头螺纹的横截面轮廓由八段圆弧和八段曲线弧连接构成，八段曲线弧依次为B_i-1A_i，i＝1，7，代表连接相邻半径为r_i-1圆弧及半径为r_i圆弧的曲线弧，即B₀A₁、B₁A₂、B₂A₃、B₃A₄、B₄A₅、B₅A₆、B₆A₇，而B₇A₀代表连接r₇和r₀的曲线弧，当i＜4时，即对于曲线弧B₀A₁、B₁A₂、B₂A₃和B₃A₄来讲，曲线弧B_i-1A_i对应的圆心角β_i为：

以O₁B_i-1为极轴，引入辅助角∈，逆时针方向为正，将极角和极径用∈表示，则有曲线弧B_i-1A_i对应的极角γ(∈)为：

对应的极径ρ(∈)为：

半径为r_i的圆弧A_iB_i对应的圆心角θ_i，满足：θ_i≥0，θ₀＞0，θ₄＞0，且这里曲线弧B₇A₀对应的圆心角记为θ₈，同理，B₄A₅、B₅A₆、B₆A₇和B₇A₀的极坐标表达式同样可得。

如图2所示，第二螺杆220的单头螺纹元件的横截面轮廓同样由八段圆弧和八段曲线弧连接构成，与圆弧A_iB_i相啮合的圆弧记为M_iN_i，对应的圆心角同样为θ_i，i＝0，7，且对应的半径为C-r_i；这样，曲线弧轮廓N₀M₁、N₁M₂、N₂M₃、N₃M₄、N₄M₅、N₅M₆、N₆M₇和N₇M₀则可以通过与第一螺杆210单头螺纹元件啮合关系得到，而且，N_i-1M_j对应的圆心角同样为β_i，i＝1，7；N₇M₀对应圆心角β₈。

作为上述实施例的加工方法，包括以下步骤：

(1)物料从进料口110进入输送段130的流道后，第一螺杆210和第二螺杆220分别沿各自螺杆轴线同向等速转动；第一螺杆210和第二螺杆220由于横截面轮廓多段圆弧的存在，形成非对称啮合关系，导致上下啮合区轴向开放程度不同，物料在正位移输送作用以及第一螺杆210和第二螺杆220之间的摩擦力共同作下实现进料输送，并迫使物料向熔融段140的流道方向移动；

(2)当物料移动至熔融段140的流道处时，由于两根螺杆在上下啮合区轴向开放程度不同，使得物料在螺杆内堆积的状态不同，导致了强烈的轴向反混作用，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140的流道进入排气段150的流道后，由于两根螺杆在上下啮合区存在非对称轴向开放，加之堆积状态的变化，增加了不同螺槽流道之间的连通，扩大了排气面积，加速了气体从排气口排出，使排气更加彻底；同时熔融的物料受到第一螺杆210和第二螺杆220的作用进一步向混炼挤出段160的流道方向运动；

(4)成为熔体的物料进入混炼挤出段160的流道后，由于两根螺杆在上下啮合区轴向开放程度不同，加上堆积状态的不同，导致了强烈的轴向反混作用，强化了塑化和混合效果，塑化混炼效率更高，并使熔体的物料稳定从出料口120挤出；同时，第一螺杆210和第二螺杆220之间的相互擦拭作用实现了自洁作用。

进一步，作为本发明的第二实施例，如图图6和图7所示，可在螺杆横截面轮廓的根径和顶径之间引入三段圆弧，实现了四段曲线弧间隔接相连，此时螺杆横截面由五段圆弧和五段曲线弧组成。对应的圆弧对相切啮合，实现相互啮合螺杆形状不同、上下啮合区流道的轴向开放程度不同，引入轴向反混强化机理，有效地加速了熔融、塑化、混炼和排气以及自洁的效率。

进一步，作为本发明的第三实施例，如图8和图9所示，在螺杆横截面轮廓的根径和顶径之间引入三段弧长为0的圆弧，实现了四段曲线弧直接相连，此时螺杆横截面由两段圆弧和五段曲线弧组成。

进一步，作为本发明的第三实施例，如图10，螺杆机构200还包括非对称啮合于第一螺杆210或第二螺杆220设置的第三螺杆230，第三螺杆230的横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段或多段圆弧。第三螺杆230的结构与第一螺杆210相同，第一螺杆210、第二螺杆220和第三螺杆230依次连接，形成一字型的三螺杆排布方式，螺杆间皆具有不对称啮合以及轴向反混，保证了自洁功能的同时产量更高，混炼时间和滞留时间更短，提高了加工效率。

在一些实施例中，第一螺杆210、第二螺杆220和第三螺杆230皆为双头螺杆，采用双头螺杆，螺纹数量增加，物料施加更高的平均剪切速率和剪切力，使物料的混合更为充分，轴向反混更为强烈，强化了塑化和混合效果，塑化混炼效率更高，并使熔体的物料稳定从出料口120挤出。

在一些实施例中，螺杆机构200中局部位置加装反螺纹结构和捏合块结构，螺杆旋转时，带动反螺纹结构和捏合块结构一起旋转，提高物料的混合程度，强化了混合效果，使混合更为充分，塑化混炼的效果进一步提高。

在一些实施例中，第一螺杆210和第二螺杆220的最外侧边沿与筒体100的内壁相切，可在混合过程中对内壁进行清理，保证了物料不会在筒体100内壁残余。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种非对称同向多螺杆挤出装置，包括筒体和设置于所述筒体内部的螺杆机构，所述筒体上设置有位于所述螺杆机构一端的进料口、位于所述螺杆机构另一端的出料口，所述筒体包括由进料口一侧开始依次排列的输送段、熔融段、排气段和混炼挤出段，所述排气段上设置有排气孔，所述螺杆机构包括第一螺杆和平行于所述第一螺杆布置的第二螺杆，其特征在于：所述第一螺杆和第二螺杆的横截面轮廓上设置有多段圆弧，在所述第一螺杆和第二螺杆根径和顶径之间形成多个径向的凸起，所述第二螺杆与第一螺杆非对称啮合且同向等速转动，所述螺杆机构中局部位置加装反螺纹结构和捏合块结构。

2.根据权利要求1所述的非对称同向多螺杆挤出装置，其特征在于：所述第一螺杆和第二螺杆的螺棱为具有圆弧状的凸起。

3.根据权利要求1所述的非对称同向多螺杆挤出装置，其特征在于：所述第二螺杆的横截面轮廓由与所述第一螺杆轮廓数量相等的圆弧和曲线弧连接构成，在螺纹根径和顶径之间存在与第一螺杆数量相同的圆弧，且与第一螺杆对应的圆弧相切。

4.根据权利要求1所述的非对称同向多螺杆挤出装置，其特征在于：所述螺杆机构还包括非对称啮合于所述第一螺杆或第二螺杆设置的第三螺杆，所述第三螺杆的横截面轮廓的根径和顶径之间引入一段或多段圆弧。

5.根据权利要求4所述的非对称同向多螺杆挤出装置，其特征在于：所述第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆为双头螺杆。

6.根据权利要求1所述的非对称同向多螺杆挤出装置，其特征在于：所述第一螺杆和第二螺杆的最外侧边沿与所述筒体的内壁相切。

7.一种多螺杆挤出机，其特征在于：包括权利要求1-6任一所述的非对称同向多螺杆挤出装置。

8.一种应用于权利要求1-6任一项所述的非对称同向多螺杆挤出装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

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等速转动，推动物料向熔融段的流道方向移动；

当物料移动至熔融段的流道处时，由于强烈的轴向反混作用，进一步加速固体物料的熔融进程，使得物料成为熔体；

成为熔体的物料从熔融段的流道进入排气段的流道后，在第一螺杆和第二螺杆的作用下，加速气体从排气口排出；同时物料进一步向混炼挤出段的流道方向运动；

成为熔体的物料进入混炼挤出段的流道后，在第一螺杆和第二螺杆间的强烈的轴向反混作用下，强化了塑化和混合效果，塑化混炼效率更高，并使熔体的物料稳定从出料口挤出。