一種高分子材料平衡式擠出機及其軸向力平衡方法

專利名稱：一種高分子材料平衡式擠出機及其軸向力平衡方法
技術領域：
本發明涉及一種高分子材料加工設備，尤其是一種高分子材料平衡式擠出機及其 軸向力平衡方法。
背景技術：
目前常規高分子材料擠出機(包括單螺桿擠出機，平行異向雙螺桿擠出機以及平 行同向雙螺桿擠出機)自發展伊始至今，物料都是從機筒一端的加料口加入并被旋轉的螺 桿輸送到另一端的機頭擠出成型。在物料的加工過程中，機筒兩端具有較高的壓力差，形成 一個較大的軸向推力，為此必須在螺桿的尾段安裝推力軸承，以承受物料對螺桿的軸向推 力，這就使得擠出機傳動系統的結構復雜而龐大，尤其對于同向或異向平行雙螺桿擠出機 而言，因為其兩根螺桿的中心距較小，可使用空間窄小無法設置一般的軸承，為此需要專門 設計制造或購買價格昂貴的串聯軸承組以承受較高的軸向推力，即使如此也常因其軸承徑 向尺寸受限而強度有限、導致使用壽命也很有限。通常擠出機性能的提高和應用范圍的拓展與螺桿長徑比的增加密不可分，對于常 規擠出機而言，加大螺桿長徑比，能夠提高擠出機產量，提高并穩定擠出壓力，改善塑化質 量。但是加大螺桿長徑比會導致驅動螺桿旋轉的扭矩增加，由于受到螺桿材料強度極限的 制約，螺桿長徑比的加大受到了一定限制。目前解決這一矛盾的有效方法是增加螺桿直徑， 然而機筒內孔的橫截面積與螺桿直徑成二次方比例關系，這就意味著螺桿端部的物料壓力 (機頭壓力)也是以二次方的比例關系增大，由此產生的螺桿軸向推力與機頭壓力同比增 大。如何解決螺桿直徑、長徑比與擠出機性能之間的相互制約成為了擠出機向高性能、高產 量、多功能發展的關鍵。同時，上述原因也限制了擠出機向更高的工作壓力區間發展，成為高分子材料加 工領域一直想解決、但一直未得到徹底的解決的難題。美國專利5409366發明公開了一種可擠出物料的加工裝置(詳見附圖16)。其采 用了螺紋旋向互為反向的對接式螺桿布局，兩端螺桿的軸向推力至少能夠部分抵消，但是 由于物料從兩端進料、加料速率的不一致和加工工藝條件的不同及其他因素仍會造成兩邊 軸向推力的不相等，即還存在部分未抵消的軸向推力，該軸向推力由軸承承受，所以，軸承 及傳動系統仍然承受一定的軸向力，所以該專利試圖采用通過檢測螺桿兩端軸承的軸向力 變量參數反饋控制加料量的方法實現螺桿兩端軸向推力的平衡。另外，該美國專利還介紹了下述內容1)食品擠出成型的關鍵控制因素為剪切 速率，因此美國專利采用對接式設計的焦 點集中在“控制物料在加工過程中所承受的剪切力，使得物料通過擠壓成型加工為安全合 格的產品”；2)食品擠出成型是將谷物淀粉加工成早餐谷物、快餐或餅干等產品，或將蔬菜類 蛋白質加工成肉類食品，擠出機的主要作用為輸送、壓縮和均化及剪切，剪切力不能過大， 剪切力過大會使物料溫度升高，易破壞食品的營養成份和口感；
3)食品擠出成型的溫度和壓力相對較低，壓力范圍在7 360bar，換算后為 0. 7 36MPa(而膨化食品的工藝壓力約為3 8MPa，加工溫度通常低于200°C )；
美國專利的上述軸向力控制方法由于其檢測項目與控制目標分離，即檢測的是軸 向力變化，控制的是加料量，而加料量的變化再反應到螺桿的軸向力數值需要一個時間過 程，所以存在較長的滯后。因此，既不可能精確控制軸向力的平衡，也不能保證擠出產品的 質量和產量的穩定性，對于此方面要求不高的加工谷物、淀粉類的食品擠出機而言較為適 用。但是對高分子材料而言，由于高分子材料成型加工具有較長的工藝過程，對成型 過程的穩定性要求較高。如果采用這種控制方法或結構會存在較長的反應滯后的問題， 無法實現螺桿兩端軸向推力的穩定和平衡以及及時的調整，必將導致擠出產量和質量的波 動，可見這種結構和控制方法并不適用于高分子材料的成型加工。因此，該美國專利的上述結構和軸向力平衡的方式能否為高分子材料擠出機所借 用，十幾年來世界各國均無此方面的報道，也無成功應用的實例，究其原因是存在以下幾個 方面的困難1)剪切力的控制僅僅是高分子擠出成型機設計的一個因素，均勻、合格、穩定的擠 出是其關鍵；2)高分子材料擠出成型中擠出機的主要功能為輸送、壓縮、熔融、均化，與其它三 個功能相比，熔融在整個高分子材料擠出成型過程中對成型工藝過程的影響最大，而且直 接影響著擠出制品的質量，熔融除了機筒的外加熱外，還需要有螺桿對物料的剪切、及剪切 升溫的配合；3)高分子材料擠出成型的溫度和壓力相對較高(工藝溫度大多在200°C以上，甚 至有些物料超過350°C，設計壓力通常大于35MPa，即其一般壓力均在美國專利所介紹的食 品擠出機壓力的上限值，而許多情況下，實際高分子材料擠出機的壓力往往會超過該上限 值)；4)高分子材料在熔融過程中存在熔融潛熱，加工也需要經過較長的工藝過程，對 成型過程的穩定性要求較高。而上述美國專利所述的控制方法因不可避免地存在反應滯后 的問題，無法實現螺桿兩端軸向推力的穩定和平衡，不能滿足高分子材料擠出成型的工藝 要求；5)高分子材料加工過程中除物理變化外，還有化學變化，如比聚烯烴的造粒過程 中要加入過氧化物等添加劑打斷分子鏈，以控制所造粒粒子的熔融指數，有些反應擠出機 所適應的工作壓力較高，而目前常規高分子材料擠出機難以滿足這種高壓力條件下的長時 間使用的需求。綜上所述，在高分子材料加工領域需要一種既可滿足高分子材料擠出所需要的較 高工藝壓力，又使螺桿所受到的軸向力較小，并且能夠使軸向力自動調節而達到平衡狀態 并能夠滿足上述需求和解決現有技術不足的高分子材料平衡式擠出機及其軸向力平衡方法。

發明內容
本發明的目的之一是提供一種高分子材料平衡式擠出機。該擠出機的技術方案的構成包括有一機筒，在機筒內孔兩端裝設有軸承，兩組軸承之間設有旋轉的螺桿，機筒中 部設有與機筒內孔相貫通的出料口，出料口兩端沿機筒軸向鏡像對稱處各設置有與機筒內 孔相貫通的進料口，螺桿上設有由互為反向螺紋形成的兩個螺紋工作段，兩個螺紋工作段 之間的螺桿中段對應于機筒的出料口，其特征在于螺桿中段設有軸向力平衡裝置，軸向力 平衡裝置由螺桿中段的變徑元件及與變徑元件形狀相匹配的機筒內孔構成，變徑元件周向 與機筒內孔之間形成環形的流道8。參見圖1至圖4。本發明上述技術方案所要解決的技術問題是，減少和抵消高分子物料對螺桿的軸 向作用力，使螺桿盡量工作在軸向力抵消的平衡狀態。即使螺桿產生了不平衡的軸向力，也 可通過軸向力平衡裝置進行調整而達到軸向力平衡。其平衡原理是通過旋轉螺桿上的互為 反向的螺紋形成了互為反向的軸向力，使螺桿軸向力大部分被相互抵消，而剩余的未抵消 的部分軸向力使螺桿向一側移動，致使變徑元件兩側流通截面積發生變化而導致物料壓力 發生改變，物料壓力較大一側對螺桿的作用力就抵消了原來推動螺桿移動的軸向力，使螺 桿兩方向的軸向力獲得平衡。因此，該技術方案所導致的直接顯著的技術效果是，通過結構 簡單的平衡裝置自動調節剩余不平衡的軸向力，使擠出螺桿減速及傳動系統、軸承部分基 本不再承受較大的軸向力的作用，不僅提高了這些部件的使用壽命和效果及擠出產品的質 量，而且可以從設計上簡化高分子材料擠出機的結構，解決該類擠出機設計時較難解決的 螺桿軸向推力與螺桿長徑比、螺桿強度、推力軸承減速系統小型化及向高工作壓力方向發 展等相互合理匹配的設計難題，給高分子材料擠出機的合理化、更優化設計創造了可利用 空間。本發明另一發明目的是提供一種螺桿軸向移動時具有更小移動阻力和保證減速 器不承受軸向力的高分子材料平衡式擠出機。該技術方案的構成是在發明目的之一所述的 技術方案基礎上，在旋轉螺桿的輸入段與減速器輸出軸內孔或聯軸器轂內孔的之間周向間 隔設置有至少一組以上的滾子鍵，滾子鍵由設置在聯軸器轂內孔或聯軸器轂內孔的和螺桿 輸入段外圓的沿各自徑向凹入的鍵槽中的轂滾道和軸滾道、位于兩滾道之間的保持架及置 放在保持架中的滾動體構成，在轂滾道頂部的螺孔中擰裝有調節滾子鍵間隙的調節螺釘。 參見圖1、圖5和圖6。本技術方案的顯著效果是由于滾子鍵中的滾動體具有線性滾動接觸， 在螺桿軸向移動時因阻力相比滑鍵更小而移動更加靈活。本發明再一發明目的是提供一種可減少螺桿與機筒磨損、能增加物料混合效果的 高分子材料平衡式擠出機。該技術方案的構成是在發明目的之一所述技術方案基礎上，在 螺桿中段與機筒內孔之間的環腔中，在螺桿兩對稱螺紋工作段之間無螺紋的螺桿中段設置 有混煉軸承組件。混煉軸承組件軸向定位在雙螺桿的環形定位凹槽中。參見圖1、圖7至圖 10。本技術方案的顯著技術效果是，由于在螺桿與機筒之間設置有滾動體，滾動體在 隨螺桿軸轉動時不僅自身旋轉，而且繞螺桿軸公轉，并在轉動中對沿軸向通過其的物料起 到分散、擾流及重新合流的效果，有利于 提高物料的混煉效果，同時在遠離螺桿根部或軸承 部的遠端設置混煉軸承組件，如同在工作環境最惡劣的螺桿最易變形或變形量最大的懸臂 端增加了支撐軸承，可起到支撐螺桿和減少螺桿與機筒內孔壁之間磨損的作用，極大地改 善螺桿的工作條件，延長螺桿的使用壽命。本發明的再一發明目的是提供一種自動調節高分子材料擠出機軸向力平衡方法。該方法所采取的技術手段是，高分子材料由擠出機軸向的鏡像對稱的加料口加入，通過旋 轉螺桿互為反向的螺紋工作段推動所加入的高分子材料由兩端同時向擠出機中部的出料 口輸送擠出；輸送擠壓過程中物料對螺桿所產生的軸向作用力相反、且大部分相互抵消； 未抵消的部分軸向作用力將會推動螺桿沿該力的方向作軸向移動；該軸向移動致使變徑元 件兩側的環錐形流道流通截面面積發生改變，該改變導致變徑元件兩側的物料壓力發生變 化，并使得環錐形流道截面面積變小一側的物料壓力升高；該升高的壓力作用在變徑元件 上并產生與原軸向力方向相反的作用力；當該反作用力與原來未抵消的軸向力相等時，螺 桿軸向力達到平衡；螺桿停止軸向移動。這種調整方式稱為主動式軸向力調整方法。參見 圖1。
本發明再一發明目的是提供一種高分子材料平衡式擠出機，該擠出機包括一控制 系統和一數據采集系統，其特征在于在與環錐形流道對應部位的軸向力平衡裝置機筒段 中安裝有壓力傳感器，壓力傳感器上的測量元件與該處環腔中的高分子物料相接觸，在兩 進料口之間設有兩對稱分布的與環腔相貫通的補料口，在機筒內間隔設置有溫度傳感器， 在機筒壁外部包覆有加熱器，伺服驅動裝置設置在機筒的一端并與驅動連接件末端相樞 連，驅動連接件另一端與軸承座中心相連，在機筒一末端設有位移傳感器。參見圖11。該技術方案工作原理說明如下當擠出機在工作過程中發生某項參數改變時，由 上述數據采集系統根據參數的具體改變情況在必要時采取相應的措施改變擠出機的工作 狀態。例如，當兩個壓力傳感器傳遞的數據顯示左端壓力大，同時位移傳感器傳遞的數據顯 示螺桿向右移動，則設備按照前述主動式平衡方法實現軸向推力的自平衡。而當兩個壓力 傳感器傳遞的數據顯示左端壓力大，而位移傳感器傳遞的數據顯示螺桿卻在向左移動，同 時溫度傳感器(熱電偶)顯示螺桿兩端物料溫度對應相等，則控制系統發出指令，使帶有速 度傳感器的定量加料裝置工作，在左端補料口補充加料，調整螺桿壓縮段的高分子材料的 充滿長度，進而增加該段摩擦力，增加螺桿移動的阻力，減緩螺桿左移，從而實現螺桿軸向 推力的平衡。此外，在高精度制品擠出中，若螺桿兩端的壓力差較小，所形成的軸向推力不 足以推動螺桿軸向運動實現主動平衡時，控制系統發出信號，由伺服驅動裝置及驅動連接 件帶動軸承座向壓力小的一端移動螺桿，從而實現軸向推力的平衡，這種方式也被稱為被 動式調整。由此可見，上述軸向力調節方法的顯著技術效果是，利用物料對互為反向對接螺 桿所產生互為反向的軸向力互相抵消的方法，使得擠出機大部分軸向力直接在旋轉螺桿本 身上得到抵消，而不會傳遞到軸承和減速系統上，使得擠出機的結構簡化，為高分子材料擠 出機的發展及設計開拓了空間，同時，該軸向力的抵消，使螺桿自身惡劣的工作環境得到了 改善，延長了其使用壽命，解決了螺桿長徑比、螺桿直徑與擠出機性能之間難以合理匹配的 技術難題。上述方法更大的優點還在于，通過自動調節軸向力平衡裝置兩端流道截面面積的 方式，可以進一步動態調節剩余未平衡的部分軸向力，使螺桿擠出機能夠工作在擠出壓力 穩定和平衡的工作狀態，避免擠出產量和質量的波動。本發明還有以下發明目的提供一種高分子材料平衡式擠出機螺桿，該螺桿上設有螺紋旋向互為反向的兩螺 紋工作段，兩螺紋工作段之間的螺桿中段的中部設有一變徑元件，變徑元件中間為一圓柱體，圓柱體兩軸端與螺桿中段的外徑之間存在直徑差，該直徑差形成了環錐形的過渡部。參 見圖1和圖2。提供一種高分子材料擠出機軸向力平衡裝置，軸向力平衡裝置由帶有出料口的機 筒段和轉動設置在其內孔中的螺桿變徑元件構成，機筒段的機筒內孔與螺桿變徑元件的圓 柱體外表面之間的形狀相匹配，并且兩者之間形成一環腔，變徑元件兩過渡部與軸向力平 衡裝置機筒段內孔對應環周部形成環錐形流道。參見圖1和圖2及圖8。


圖1是本發明的結構剖視圖。圖2是圖1中軸向力平衡裝置的第二種實施例。圖3是圖1中軸向力平衡裝置的第三種實施例。圖4是圖1中軸向力平衡裝置的第四種實施例。圖5是圖1中滾子鍵部分的結構剖面圖。圖6是圖1中滾子鍵的立體結構圖。圖7是圖1中混煉軸承組件7的立體結構圖(適用于異向雙螺桿)。圖8是圖7所示結構裝配完畢后的結構剖視圖。圖9是圖1中混煉軸承組件7的第二種立體結構圖(適用于同向雙螺桿)。圖10是圖1中混煉軸承組件7的第三種立體體結構圖(適用于單螺桿)。圖11是本發明軸向力被動式調節原理圖。圖12是本發明平衡裝置軸向力調整計算時的結構示意圖。圖13a、圖13b、圖13c、圖13d及圖13e是圖12所示平衡裝置計算軸向力時的軸向 位置示意圖。圖14是擠出機特性曲線和機頭壓力曲線圖。圖15是本發明平衡壓力計算中所采用的對比(螺桿和口模特性曲線)用圖。圖16是美國專利的結構圖。本發明各附圖中的零部件名稱及對應標號如下1驅動連接件 2軸承座3軸承4機筒41機筒段5進料口6螺桿61螺紋工作段62螺桿中段621變徑元件622過渡部63定位凹槽(凸棱)64輸入段641鍵槽7混煉軸承組件 71滾動體711貫通孔712環形槽72保持架721通孔8流道9軸向力平衡裝置 10出料口11機筒內孔111位移傳感器 112伺服驅動裝置113帶有速 度傳感器的114溫度傳感器 115加熱器定量加料裝置12滾子鍵122轂滾道123螺節螺釘124滾動體125保持架126軸滾道
13減速器輸出軸131鍵槽132螺孔14壓力傳感器15環腔16補料口
具體實施方式
下面將結合附圖1至附圖15對本發明的結構進行更詳細的說明一種高分子材料擠出機螺桿，其特征在于螺桿6上設有螺紋旋向互為反向的螺 紋工作段61，兩螺紋工作段61之間的螺桿中段62的中部設有一變徑元件621，變徑元件 621中間為一圓柱體，圓柱體兩軸端與螺桿中段62的外徑之間存在直徑差，該直徑差形成 了環錐形的過渡部622。參見圖1、圖2。一種高分子材料擠出機軸向力平衡裝置，其特征在于軸向力平衡裝置9由帶有 出料口 10的機筒段41和轉動設置在其內孔中的螺桿6的變徑元件621構成，軸向力平衡 裝置的機筒內孔11與螺桿變徑元件621的圓柱體外表面之間形成一環腔15，變徑元件621 的兩對稱過渡部622與軸向力平衡裝置9的機筒段41內孔對應環周部形成環錐形流道8。 參見圖1和圖2及圖8。一種高分子材料平衡式擠出機，其包含有一機筒4，在機筒內孔11兩端裝設有軸 承3，兩組軸承之間設有旋轉的螺桿6，機筒4中部設有與機筒內孔11相貫通的出料口 10， 出料口 10兩端沿機筒4軸向鏡像對稱處各設置有與機筒內孔11相貫通的進料口 5，螺桿6 上設有由互為反向螺紋形成的兩個螺紋工作段61，兩個螺紋工作段61之間的螺桿中段62 對應于機筒4的出料口 10，其特征在于螺桿中段62設有軸向力平衡裝置9，軸向力平衡裝 置9由螺桿中段62的變徑元件621及與變徑元件621形狀相匹配的機筒段41內孔構成， 變徑元件621周向與機筒段內孔11之間形成環形的流道8。參見圖1至圖4。機筒4是由帶有出料口 10的軸向力衡裝置機筒段41與兩相鄰機筒段串接構成， 設在機筒4內的旋轉螺桿6是單螺桿或平行的雙螺桿結構，每根螺桿6均設有兩個螺紋工 作段61，中段的環形流道8與出料口 10相貫通。參見圖1、圖4、圖10。一種高分子材料平衡式擠出機，旋轉螺桿的輸入段64與減速器輸出軸13內孔或 聯軸器轂內孔之間周向間隔設置有至少一組以上的滾子鍵12，滾子鍵12由設置在減速器 輸出軸或聯軸器轂內孔及螺桿輸入段64外圓的沿各自徑向凹入的鍵槽131及641、鍵槽中 的轂滾道122和軸滾道126、固定在兩滾道之間的保持架125及置放在保持架125內的滾動 體124構成，在轂滾道122頂部的螺孔132中擰裝有調節滾子鍵12間隙的調節螺釘123。 參見圖5、圖6。—種高分子材料平衡式擠出機，其一側開口的鍵槽131及641沿各自軸向開孔端 豁通，轂滾道122和軸滾道126均呈條狀的單邊梯形，滾動體124為圓柱形并裝配在位于轂 滾道122和軸滾道126之間的保持架125之中，滾動體124軸線與調節螺釘123的軸線之 間呈一夾角。參見圖5、圖6。一種高分子材料平衡式擠出機，有一控制系統和一信號采集裝置，其特征在于在 環錐形流道8前端對應部位的軸向力平衡裝置機筒段41中安裝有壓力傳感器14，壓力傳感 器14上的測量元件與該處環腔15中的高分子材料相接觸，在兩進料口 5之間設有兩對稱 分布的與環腔15相貫通的補料口 16，在機筒內間隔設置有溫度傳感器114，在機筒壁外部 包覆有加熱器115，伺服驅動裝置112設置在機筒4的一端并與驅動連接件末端1相樞連，驅動連接件1另一端與軸承座2中心相連，在機筒4 一末端設有位移傳感器111。參見圖 11。—種高分子材料平 衡式擠出機，其軸向力平衡裝置9中的變徑元件621中部圓柱 體直徑大于螺桿中段62外徑，圓柱體的兩對稱過渡部622為擴張型的環錐形，軸向力平衡 裝置9機筒段41的內孔亦為沿徑向外凹的并與變徑元件621外形相匹配的擴張型結構。參 見圖1、圖2。一種高分子材料平衡式擠出機，其軸向力平衡裝置9中的變徑元件621的中部圓 柱體直徑小于螺桿中段62外徑，圓柱體的兩對稱過渡部622為收縮型的環錐形，軸向力平 衡裝置9機筒段41的內孔亦為沿徑向內凸的并與變徑元件621外形相匹配的收縮型結構。 參見圖3。一種高分子材料平衡式擠出機，其在⑴字形的機筒4內設有兩根平行的旋轉螺桿 6，其中一根旋轉螺桿6的變徑元件621為擴張型結構，另一根旋轉螺桿6的變徑元件621為 收縮型結構，并在旋轉過程中呈相互凹凸的的脹縮結合型，與脹縮結合型變徑元件621相 匹配的軸向力平衡裝置9的機筒段41的內孔形狀與相應側的變徑元件621的外形形狀相 吻合。參見圖4。—種高分子材料平衡式擠出機，軸向力平衡裝置9的機筒段41兩軸端通過法蘭與 相鄰機筒段軸向串接，軸向力平衡裝置9的機筒段41周向呈整體式或剖分式結構。參見圖 1、圖 4。一種高分子材料平衡式擠出機，機筒4內設有兩根平行的旋轉方向相同或相反的 旋轉螺桿6。參見圖1。一種高分子材料平衡式擠出機，在旋轉螺桿中段62與機筒內孔11之間環腔15 中、在螺桿6的兩對稱的螺紋工作段61之間軸向無螺紋的螺桿中段62上裝設置混煉軸承 組件7。參見圖7、圖9及如10。—種高分子材料平衡式擠出機，混煉軸承組件7設置在異向平行雙螺桿6的環形 定位凹槽63中并沿該凹槽周向分布，混煉軸承組件7包括沿環形定位凹槽周向間隔分布的 若干個滾動體71及將相鄰滾動體周向扣套定位的保持架72構成。參見圖7、圖8。—種高分子材料平衡式擠出機，其環形定位凹槽63是由凸出于螺桿中段62外周 表面的至少兩道周向封閉狀的環形凸棱或凹入螺桿中段62外周表面的環狀凹槽63構成， 沿滾動體71軸向間隔開設有環形槽712，其中間的環形槽與扣板狀保持架72兩端的扣孔活 動套合并沿周向串接成鏈狀結構，保持架72兩端扣孔為彈性的C形，兩扣孔之間板體曲率 半徑大于定位凹槽63外圓半徑。參見圖7、圖8。一種高分子材料平衡式擠出機，混煉軸承組件7設置在同向平行雙螺桿6的螺桿 中段62外表面與機筒內孔11所形成的橢圓形環腔15中，并通過螺桿中段62的環形定位 凹槽63和楔狀保持架72軸向定位，混煉軸承組件7由若干依序活動卡放在橢圓形環腔15 中的帶貫通孔711的滾動體71及設置在兩螺桿中段62相鄰側空間內浮動的楔狀保持架72 構成。參見圖9。一種高分子材料平衡式擠出機，混煉軸承組件7設置在單螺桿6靠近出料口 10的 螺桿外圓表面與機筒內孔形成的環腔15中并通過螺桿中段62外表面定位凹槽63軸向定 位，混煉軸承組件7由若干依序活動卡放在環腔15中的帶貫通孔711的滾動體71構成。參見圖9和圖10。
一種高分子材料平衡式擠出機，其楔形保持架72上設有物料可通過的通孔721。 參見圖9。一種高分子材料平衡式擠出機軸向力平衡方法，其平衡過程如下高分子材料由 擠出機軸向的鏡像對稱的進料口 5加入，通過旋轉螺桿6互為反向的螺紋工作段61推動使 加入的物料由兩端同時向擠出機中部的出料口 10輸送擠出；輸送擠壓過程中物料對螺桿 使產生的軸向作用力相反、且大部分相互抵消；未抵消的部分軸向作用力將會推動螺桿6 沿該力的方向作軸向移動；該軸向移動致使變徑元件621兩側的環錐形流道8流通截面面 積發生改變，該改變導致變徑元件621兩側的物料壓力發生變化，并使得環錐形流道8截面 面積變小一側的物料壓力升高；該升高的壓力作用在變徑元件621上并產生與原軸向力方 向相反的作用力；當該反作用力與原來未抵消的軸向力相等時，螺桿軸向力達到平衡；螺 桿6停止軸向移動。參見圖1和圖2。一種高分子材料平衡式擠出機軸向力平衡方法，其平衡過程如下通過壓力傳感 器14探測環錐形流道8前端兩側物料的壓力，將未抵消的軸向力壓力數值及位移傳感器 111的同方向位移量同時轉換成電信號反饋到外接的控制系統；控制系統再啟動伺服驅動 裝置112并驅動連接件1沿軸向推拉軸承座2及與軸承座2套配的螺桿6的軸向位置，致 使變徑元件621兩側的環錐形流道8截面積發生變化，該變化導致變徑元件621兩側物料 壓力呈反向變化，該反方向變化使變徑元件某一側產生與原軸向力方向相反的作用力；當 該作用力與原來抵消的軸向力相等時，螺桿停止軸向移動。以實現兩側環錐形流道8中的 物料壓力平衡，以及螺桿軸向作用力相平衡。參見圖U。由于壓力傳感器14裝設在環錐形流道8前端處，其可直接感測物料的壓力，并及 時反饋到伺服驅動裝置112而對螺桿軸向位置進行調節，所以，滯后時間極短，對擠出產量 及質量造成的影響極小，解決了美國專利通過感知軸承推力后，再通過控制加料量的方式 調節螺桿軸向力所產生的反應速度慢、滯后時間長的缺陷。下面對本發明軸向平衡力裝置的調節機理及本發明中相關技術方案的工作原理 進行說明。1.基本工作原理如圖1(以雙螺桿擠出機為例，也可應用于單螺桿擠出機)，這種平衡式擠出機的 螺桿6兩端由軸承座2支承。擠出機工作時高分子物料由兩邊的進料口 5 (圖中虛線表達) 處定量加入，隨著螺桿的旋轉高分子物料被輸送到設備中部的出料口 10(圖中虛線表達) 處，在輸送過程中高分子物料根據需要可以通過加熱器115進行加熱。高分子物料在從兩 端進料口向中間的出料口 10輸送的過程中，由于出料口 10處的壓力高于進料口的壓力，在 螺桿的兩個螺紋工作段61分別形成了對螺桿的軸向推力，兩個軸向推力的方向均為從出 料口 10指向進料口。由于所述平衡式擠出機螺桿的兩個工作段的螺紋鏡像對稱布置，所以 其產生的兩方向軸向推力大小基本相等且方向相反，使大部分軸向力能夠抵消。但是，因為 螺桿左右兩個工作段的加料量和工藝溫度等條件不可能完全相同，所以軸向推力也就不可 能完全相同，一般情況下還存在剩余的未平衡軸向力，該剩余軸向力仍會對螺桿自身及擠 出產品的穩定性造成影響。本發明最主要目的就是解決剩余軸向力如何進一步平衡的問題，以使整個擠出機工作在最佳工作狀態。
為研究問題的方便，先介紹一下此方面的一些現有理論和數據。下述理論和數據 分別引自《塑料機械設計》北京化工大學、華南理工大學編著，輕工業出版社出版；《螺桿設 計及其擠出理論》，朱復華編著，輕工業出版社，1984年出版；《擠出理論及應用》朱復華編 著，輕工業出版社，2001年出版；《食品工程高新技術》高福成、鄭建仙編著，中國輕工業出 版社，2009年出版。2.最大軸向力及未平衡的軸向力螺桿的軸向推力大小根據螺桿的直徑大小與不同生產用途以及工藝條件有關。根 據常規擠出機的設計，機頭最大壓力約為50MPa，最大動載系數為0. 36 當螺桿直徑為65mm時，常規擠出機的最大軸向推力Pz 23噸，如果采用美國專利 所述的軸向力可大部分抵消的擠出機，經理論計算，其無法平衡的軸向推力Pz 4. 23噸；當螺桿直徑為150mm時，常規擠出機的最大軸向推力Pz ^ 123噸，如果采用美國 專利所述的擠出機，經理論計算，其無法平衡的軸向推力Pz 22. 5噸；當螺桿直徑為320mm時，常規擠出機的最大軸向推力Pz ^ 558噸，如果采用美國 專利所述的擠出機，經理論計算，其無法平衡的軸向推力Pz ^ 102. 5噸。由以上數據可見，無法平衡的軸向力隨螺桿直徑的加大而劇增，且未平衡軸向力 也會隨螺桿直徑加大而增加，如果此力不平衡會對擠出機產生一定的不利影響。3.擠出機的軸向推力的構成擠出機軸向推力由以下兩部分構成(1)機頭處物料對螺桿頭部端面的軸向作用力Pzl，這是由于機頭壓力所形成的Pzl = A . Pfflax式中，A——機筒內孔的截面積；pmax——機頭最大壓力。我國的塑料擠出機設計時，一般取pmax = (30 50)MPa，歐洲有些制造廠取Pmax = 68. 6MPa。以下計算中根據我國的實際情況取Pmax = 50MPa。(2)擠出時動載荷對螺桿所產生的軸向推力Pz2。動載荷由固體物料與機筒之間摩 擦力的軸向分力和螺桿剪切熔融物料的軸向分力兩部分組成。這部分軸向推力目前尚沒有 準確的理論計算方法，但實驗表明，它與物料特性、螺桿的幾何參數、工藝條件(如加料量、 螺桿轉速、熔體溫度、機頭壓力)等密切相關。4.本發明中軸向力平衡裝置對軸向推力的影響及分析(1)無法平衡的軸向推力大小由于平衡式擠出機左右兩段螺桿的設計、制造、工 藝條件等完全相同，造成平衡式擠出機無法平衡的只有兩側不平衡的動載荷一個因素所 致根據北京化工大學以往的實驗結果，實驗測得單螺桿擠出機的動載系數K = 0. 11 0. 36 (注K = Pz2/Pzl)，由此可估算出 Pz2 的最大變動值為=Pz2max-Pz2min = 0. 25Pzl = 12. 25A。可見，對于塑料擠出機而言，僅僅由于兩側動載荷不平衡所引起的軸向推力的最 大變化即相當于機頭兩側具有12. 25MPa的壓力差，這一數值已經遠遠超過食品擠出機加 工膨化食品時3 SMPa的最大機頭壓力。(2)平衡式擠出機軸向力平衡裝置的平衡機理如下在擠出機對稱工作區之間設 置了一軸向力平衡裝置，因為軸向推力P = A · p(A-截面積，ρ-壓力)，故當平衡式擠出機因兩側動載荷不同引起螺桿兩端的軸向推力不平衡時，通過螺桿的位移來改變機頭兩側流 道的流通面積，不僅能夠平衡軸向推力，而且伴隨流道面積的變化同時也能夠促使機頭兩 側熔體壓力的平衡。由于雙螺桿擠出成型理論尚不完善，在理論計算時先按照下述方法將雙螺桿直徑 轉化為當量單螺桿直徑
權利要求
1.一種高分子材料平衡式擠出機，其包含有一機筒，在機筒內孔兩端裝設有軸承，兩 組軸承之間設有螺桿，機筒中部設有與機筒內孔相貫通的出料口，出料口兩端沿機筒軸向 鏡像對稱處各設置有與機筒內孔相貫通的進料口，螺桿上設有由互為反向螺紋形成的兩個 螺紋工作段，兩個螺紋工作段之間的螺桿中段對應于機筒的出料口，其特征在于螺桿中段 設有軸向力平衡裝置，軸向力平衡裝置由螺桿中段的變徑元件及與變徑元件形狀相匹配的 機筒對應段內孔構成，變徑元件周向與機筒對應段內孔之間形成環形的流道。
2.如權利要求1所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于機筒是由帶有出 料口的軸向力衡裝置機筒段與兩相鄰機筒段串接構成，設在機筒內的旋轉螺桿是單螺桿或 平行的雙螺桿結構，每根螺桿均設有兩個螺紋工作段螺桿，中段的環形流道與出料口相貫
3.如權利要求1或2所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于旋轉螺桿的 輸入段與減速器輸出軸內孔或聯軸器轂內孔之間周向間隔設置有至少一組以上的滾子鍵， 滾子鍵由設置在減速器輸出軸內孔或聯軸器轂內孔及螺桿輸入段外圓的沿各自徑向凹入 的鍵槽、鍵槽中的轂滾道和軸滾道、固定在兩滾道之間的保持架及置放在保持架內的滾動 體構成，在轂滾道頂部的螺孔中擰裝有調節滾子鍵間隙的調節螺釘。
4.如權利要求3所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于一側開口的矩形 鍵槽沿各自軸向開孔端豁通，轂滾道和軸滾道均呈條狀的單邊梯形，滾動體為圓柱形，并裝 配在位于轂滾道和軸滾道之間的保持架中，滾動體軸線與調節螺釘的軸線之間呈一夾角。
5.如權利要求3所述的一種高分子材料平衡式擠出機，有一控制系統和信號采集裝 置，其特征在于在環錐形流道前端對應部位的軸向力平衡裝置的機筒段中安裝有壓力傳 感器，壓力傳感器上的測量元件與該處環腔中的高分子物料相接觸，在兩進料口之間設有 兩對稱分布的與環腔相貫通的補料口，在機筒內間隔設置有溫度傳感器，在機筒壁外部包 覆有加熱器，伺服驅動裝置設置在機筒的一端并與驅動連接件末端相樞連，驅動連接件另 一端與軸承座中心相連，在機筒一末端設有位移傳感器。
6.如權利要求3所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于軸向力平衡裝置 中的變徑元件中部圓柱體直徑大于螺桿中段外徑，圓柱體的兩對稱過渡部為擴張型的環錐 形，軸向力平衡裝置機筒段的內孔亦為沿徑向外凹的并與變徑元件外形相匹配的擴張型結 構。
7.如權利要求3所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于軸向力平衡裝置 中的變徑元件中部圓柱體直徑小于螺桿中段外徑，圓柱體的兩對稱過渡部為收縮型的環錐 形，軸向力平衡裝置機筒段的內孔亦為沿徑向內凸的并與變徑元件外形相匹配的收縮型結 構。
8.如權利要求3所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于在⑴字形的機筒 內設有兩根平行的旋轉螺桿，其中一根旋轉螺桿的變徑元件為擴張型結構，另一根旋轉螺 桿的變徑元件為收縮型結構，并在旋轉過程中呈相互凹凸的的脹縮結合型，與脹縮結合型 變徑元件相匹配的軸向力平衡裝置機筒段內孔形狀與相應側的變徑元件的外形形狀相同 或相近似。
9.如權利要求2所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于軸向力平衡裝置 機筒段兩軸端通過法蘭與相鄰機筒段軸向串接，軸向力平衡裝置機筒段周向呈整體式或剖分式結構。
10.如權利要求8所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于機筒內設有兩根 平行的旋轉方向相同或相反的旋轉螺桿。
11.如權利要求1所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于在旋轉螺桿中段 與機筒內孔之間的環腔中，在螺桿的兩對稱的螺紋工作段之間的無螺紋的螺桿中段上裝設 有混煉軸承組件。
12.如權利要求10或11所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于混煉軸承 組件設置在異向平行雙螺桿的環形定位凹槽中并沿該凹槽周向分布，混煉軸承組件包括沿 環形定位凹槽周向間隔分布的若干個滾動體及將相鄰滾動體周向扣套定位的保持架構成。
13.如權利要求12所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于環形定位凹槽 是由凸出于螺桿中段外周表面的至少兩道周向封閉的環形凸棱或凹入螺桿中段外周表面 的環狀凹槽構成，沿滾動體軸向間隔開設有環形槽，其中間的環形槽與扣板狀保持架兩端 的扣孔活動套合并沿螺桿周向串接成鏈環狀結構，保持架兩端扣孔為彈性的C形，兩扣孔 之間板體曲率半徑大于定位凹槽外圓半徑。
14.如權利要求10或11所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于混煉軸承 組件設置在同向平行雙螺桿的螺桿中段外表面與機筒內孔所形成的橢圓環形腔中，并通過 螺桿中段的環形定位凹槽和楔形保持架軸向定位，混煉軸承組件由若干依序活動卡放在橢 圓形環腔中的帶貫通孔的滾動體及設在兩螺桿中段相鄰側空間內浮動的楔狀保持架構成。
15.一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于混煉軸承組件設置在單螺桿靠近出 料口的螺桿外圓表面與機筒內孔形成的環腔中并通過螺桿中段外表面定位凹槽軸向定位， 混煉軸承組件由若干依序活動卡放在環腔中的帶貫通孔的滾動體構成。
16.如權利要求14所述的一種高分子材料平衡式擠出機，其特征在于楔形保持架上 設有物料可通過的通孔。
17.一種高分子材料平衡式擠出機軸向力平衡方法，其平衡過程如下高分子材料由 擠出機軸向的鏡像對稱的進料口加入，通過旋轉螺桿互為反向的螺紋工作段推動使加入的 物料由兩端同時向擠出機中部的出料口輸送擠出；輸送擠壓過程中物料對螺桿使產生的軸 向作用力相反、且大部分相互抵消；未抵消的部分軸向作用力將會推動螺桿沿該力的方向 作軸向移動；該軸向移動致使變徑元件兩側的環錐形流道流通截面面積發生改變，該改變 導致變徑元件兩側的物料壓力發生變化，并使得環錐形流道截面面積變小一側的物料壓力 升高；該升高的壓力作用在變徑元件上并產生與原軸向力方向相反的作用力；當該反作用 力與原來未抵消的軸向力相等時，螺桿軸向力達到平衡；螺桿停止軸向移動。
18.一種高分子材料平衡式擠出機軸向力平衡方法，其平衡過程如下通過壓力傳感 器探測環錐形流道前端兩側物料的壓力，將未抵消的軸向力壓力數值及位移傳感器的同方 向位移量同時轉換成電信號反饋到外接的控制系統；控制系統啟動伺服驅動裝置并驅動連 接件沿軸向推拉軸承座及與軸承座套配的螺桿的軸向位置，致使變徑元件兩側的環錐形流 道截面積發生變化，該變化導致變徑元件兩側物料壓力呈反向變化，該反方向變化使變徑 元件其一側產生與原軸向力方向相反的作用力；當該反作用力與原未抵消的軸向力相等 時，螺桿軸向力達到平衡；螺桿停止軸向移動。
19.一種高分子材料擠出機螺桿，其特征在于螺桿上設有螺紋旋向互為反向的兩螺紋工作段，兩螺紋工作段之間的螺桿中段的中部設有一變徑元件，變徑元件中間為一圓柱 體，圓柱體兩軸端與螺桿中段的外徑之間存在直徑差，該直徑差形成了環錐形的過渡部。
20. 一種高分子材料擠出機軸向力平衡裝置，其特征在于軸向力平衡裝置由帶有出 料口的機筒段和轉動設置在其內孔中的螺桿變徑元件構成，該軸向力平衡裝置內孔與螺桿 變徑元件的圓柱體外表面的形狀相匹配，并且兩者之間形成一環腔，變徑元件的兩對稱過 渡部與軸向力平衡裝置機筒段內孔對應環周部形成環錐形流道。
全文摘要
本發明提供一種高分子材料平衡式擠出機及其軸向力平衡方法，在該擠出機機筒內孔設有旋轉的螺桿，機筒中部設有出料口，出料口兩端沿軸向鏡像對稱處各設置有進料口，螺桿上設有由互為反向螺紋形成的兩個螺紋工作段，兩個螺紋工作段之間的螺桿中段對應于機筒的出料口，其特征在于軸向力平衡裝置由螺桿中段的變徑元件及與變徑元件形狀相匹配的機筒內孔對應段構成，變徑元件周向與機筒內孔之間形成環形的流道。本發明中的軸向力平衡方法是通過變徑元件兩側所受的物料壓力的不同而使螺桿產生軸向移動，進而調節流道的流通截面積并最后達到軸向力平衡。本發明所要解決的技術問題是，減少和抵消高分子材料對螺桿形成的軸向力，使螺桿盡量工作在軸向力抵消的平衡狀態。
文檔編號B29C47/40GK102001170SQ20101012523
公開日2011年4月6日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者林浩, 梁軍, 江波 申請人:北京化工大學