一种高分子材料平衡式挤出机及其轴向力平衡方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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专利技术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°C )； 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，均勻、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°C以上，甚 至有些物料超过350°C，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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、更优化设计创本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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⑴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...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁军，江波，林浩，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]