锥形四螺片往复式销钉螺杆挤出机

摘要

本发明公开了一种锥形四螺片往复式销钉螺杆挤出机，包括挤压系统和传动系统，螺杆为前小后大的锥形螺杆，螺杆挤出段和混合段的螺棱沿圆周螺旋升角被周期性地分割成四个螺片并交错排列；每两个螺片中间的空隙作销钉通道；机筒为侧向剖分式；传动系统包括传动箱，传动箱包括输入轴、齿轮组、斜角轮、连杆和摆动轴，斜角轮与摆动轴倾斜成一定角度并带动连杆一起转动，由齿轮组带动摆动轴转动，同时带动斜角轮作圆周运动，斜角轮受到连杆自由度的限制使摆动轴作周期性的往复位移。本发明物料流态稳定、高效低耗；可以实现低压力、低剪切、低温升、高分散或高填充料的加工；特别适用热敏性塑料、涂料、食品、药片及特种含磁、含石墨、硅烷交联、高浓度色母等材料的挤出加工。

说明书

技术领域

本发明涉及挤出成型设备制造领域，尤其是涉及一种往复式销钉螺杆挤出机的挤压系统。

背景技术

往复式销钉螺杆挤出机经过多年的发展和改进，在加工要求混炼质量高而又对剪切和加热敏感的物料时，具有低压力、低剪切、低温升和高混炼质量的优势，因而得到广泛应用。《中国塑料》杂志2002年第16卷第1期第70-73页发表的“往复式销钉螺杆挤出机设计原理”一文对这种挤出机的结构进行了详细描述。往复式销钉螺杆挤出机主要由电机、传动系统、挤压系统、加料系统以及辅助系统组成，其中最关键的部分为挤压系统。往复式销钉螺杆挤出机的挤压系统主要由机筒、螺杆和销钉组成，机筒由多组开孔和闭孔筒体组成，筒体是剖分式的，可快速打开进行清洗、调试和检修。沿机筒轴向按一定规律安装销钉，这些销钉可调整和更换。多数销钉是作为强力搅拌器而存在，少数中空销钉，用来安装传感器或经由它向机筒内注入液体组分；还有的销钉是秃头的，只是到固定机筒内套的作用。芯轴在一定部位是中空的，以便通入介质对螺杆进行温控。螺杆由不同的螺纹元件组成，这些螺纹元件成积木式套在芯轴上，其上的螺纹都不连续，不同的螺纹元件沿周向断开的次数也不相同：输送螺纹每转一周，螺纹中断一次；捏合螺纹元件每转一周，螺纹中断三次。这种“三螺片”结构的螺棱断开沟槽沿轴向成“一”字形排列，亦即各螺棱断开沟槽互相连通，因此不可避免地会出现漏流和紊流状态，如果断开面积太大，物料返流可能比较严重，以至于大大降低挤出产量。

往复式销钉螺杆挤出机的传动系统目前一般采用带摇摆箱的传动系统，这类传动系统由齿轮箱和摇摆箱两部分组成，齿轮和摇摆机构通过主轴相连，齿轮带动主轴转动的同时摇摆机构使主轴做往复运动，通过花键把这种复合运动传递给挤压系统的螺杆，从而实现螺杆的旋转和往复运动。

实用新型专利ZL02227607.6公开了一种往复式螺杆挤出结构，包括机筒、螺杆、销钉，螺杆安装在机筒内，销钉安装在与螺杆螺棱相对的机筒衬套内表面，螺杆的螺棱设置有断开沟槽，前后螺棱的断开沟槽互相错开。此种结构的螺杆虽然减少了漏流量，但由于螺杆外螺棱的外径为圆柱形，螺杆和机筒直径相同，压缩比和容积比都比较小，挤出时物料容易发生阻流现象，导致流动性下降，输送量减少。

发明内容

本发明提供了一种结构新颖、物料流态稳定、挤出效率高、适用范围广泛的锥形四螺片往复式销钉螺杆挤出机。

一种锥形四螺片往复式销钉螺杆挤出机，包括挤压系统和传动系统，挤压系统包括螺杆、机筒、销钉，螺杆安装在机筒内，由前部挤出段、中部混合段和后部加料段组成；销钉安装在与螺杆螺棱相对的机筒内表面；其特征在于：所述的螺杆为前小后大的锥形螺杆，螺杆挤出段和混合段的螺棱沿圆周螺旋升角被周期性地分割成四个螺片并交错排列；每两个螺片中间的空隙作销钉通道；所述的机筒为侧向剖分式，左、右侧机筒在旋松紧固螺钉后可通过桌面支座铰接轴分别旋转一定角度；所述的传动系统包括传动箱，传动箱包括输入轴、齿轮组、斜角轮、连杆和摆动轴，斜角轮与摆动轴倾斜成一定角度并带动连杆一起转动，由齿轮组带动摆动轴转动，同时带动斜角轮作圆周运动，斜角轮受到连杆自由度的限制反作用于摆动轴，迫使摆动轴作周期性的往复位移；传动系统的摆动轴通过连接法兰与挤压系统的螺杆连接，螺杆每旋转一周同时作前、后往复位移各一次。

所述的锥形螺杆为螺棱外径为锥形的外锥形四螺片螺杆或螺棱顶部外径及螺棱底部内径均为锥形的双锥形四螺片螺杆。

所述的锥形螺杆为螺杆的螺棱部分整体为锥形或螺杆的若干个螺距的螺棱为锥形。

所述的锥形螺杆为整体结构或螺杆挤出段和混合段由芯轴和螺套构成。

所述的锥形螺杆的螺棱由多头螺旋线或不同螺距的螺旋线组成。

所述的锥形螺杆的加料段的螺棱按挤出段的螺距被切割成的螺片为1-3个。

所述的机筒为整体结构或部分部位镶拼衬瓦，机筒设有加热和冷却孔道。

所述的销钉分别固定在左、右两侧机筒的内壁，轴向分列成四排，径向按90°角间隔分布。

所述的机筒内设有阻尼块。

本发明的锥形四螺片往复螺杆的螺片旋转和往复运动过程中，随着螺片数量的增加对物料的分割、剪切、取向、折叠、拉伸、挤压次数以几何级数倍增；同时销钉的数量也随着螺片数量而增多，四螺片结构的表面积比三螺片要增加约20％左右，所生产的摩擦热更多，能耗更节省，尤其对所含有的少组分物料的均匀分散效果更佳。销钉内部装有独特的微型热传感器如同插入物料内部监控物料的温度；机筒内部还设有孔道可以近距离加热或冷却，避免因外部电加热方式带来的热惯性及温度波动。在此基础上，锥形四螺片往复式销钉螺杆可以小的长径比，很高的转速，很短的热滞留时间，充分体现出低压力、低剪切、低温升、无过热和高分散的特效，完全适应热敏性塑料、涂料、食品、药片及特种含磁、含石墨、硅烷交联、高浓度色母、高分散、高填充材料等的挤出加工。

本发明的螺杆采用“锥形”结构，既包含了其他种类的往复螺杆的优点，又具有其他种类的往复螺杆所没有的独特性能，主要有：

1.螺杆和机筒的锥体对磨损所具有的补偿作用是与其他种圆柱形螺杆的根本区别之一，同时螺杆和机筒的圆锥形部位在往复周期的大部分时段是脱离接触的，很少磨损；

2.“锥形”使螺杆的压缩比范围更大，螺杆设计中凡与螺棱直径相关的参数均成为变量并可以得到优化；锥度所带的径向分力对物料生产的类似“翻腾”的作用是圆柱形所不可能有的；

3.“锥形”和“四螺片”结构使螺杆对物料的容积比和轴向挤压力更大；

4.螺杆的“锥形”使四排销钉沿直径方向的高低梯度调节范围更大，分散作用更强；

5.螺杆的渐变“锥形”曲线和螺片的交错排列，其三维重取向、应力松弛等物理叠加作用得到更充分的发挥，螺杆的“自清洁”效果更好。

附图说明

图1是本发明一种实施方式外锥形四螺片往复式螺杆和内锥形侧向剖分式机筒(带衬瓦结构)的轴向剖视图；

图2是本发明另一种实施方式双锥形四螺片往复式螺杆和内锥形侧向剖分式机筒(不带衬瓦结构)的轴向剖视图；

图3是可旋转开启的侧向剖分式机筒打开状态时和螺杆的相对位置示意图；

图4是本发明螺杆和机筒的径向剖视图；

图5是本发明螺杆的螺片、销钉相互位置示意图；

图6是本发明挤压系统和传动系统连接状态示意图；

图7是本发明的传动箱结构示意图；

图8是本发明螺杆运动过程中物料束的流动轨迹示意图。

具体实施方式

如图1-5，一种锥形四螺片往复式螺杆挤出机的挤压系统，包括螺杆1、机筒2和销钉3，螺杆1安装在机筒2内，由前部挤出段、中部混合段和后部加料段组成，螺杆1表面凸出的、具有一定厚度的螺旋线为螺棱，如果这种螺棱分切出一定的间隔，并使间隔处的螺棱完全缺失、则其中前、后有间隔的那段螺棱为螺片。销钉3安装在与螺杆上的螺棱相对的机筒2的内表面；螺棱4沿圆周螺旋升角被周期性地分割成交错排列的四个螺片5，每两个螺片5中间的空隙作销钉3通道，螺片5前后交错排列，分布如“迷宫”状，从根本上改进了三螺片每旋转一周螺棱被中断三次的“一字形”结构的贯穿性缺口所存在的返流缺陷。

图1中，螺杆1为螺棱顶部外径为锥形的外锥形四螺片螺杆，机筒2内侧带有衬瓦6，衬瓦6由特种耐磨材料制成，镶拼在机筒2内部，可进行维修更换。图2中，螺杆1为螺棱顶部外径和螺棱底部内径均为锥形的双锥形四螺片螺杆。锥形螺杆可以是螺杆的螺棱部分整体为锥形，也可以是螺杆的螺棱部分局部为锥形即若干个螺距为锥形。

锥形螺杆为整体结构，锥形螺杆的螺棱由多头螺旋线或不同螺距的螺旋线组成，在工作时，螺杆1和机筒2的圆锥形部位在往复周期的大部分时段是脱离接触的，很少磨损。

锥形螺杆部分也可为积木式结构，即螺杆挤出段和混合段由芯轴和螺纹元件构成，螺纹元件套在芯轴上。

如图3、图4，左、右侧机筒2在旋松紧固螺钉后可通过桌面支座铰接轴9分别旋转一定角度；以便于机筒2内壁的清洁，螺片5与销钉3的间隙调整及维修。侧向剖分式机筒2的结构、锥孔位置及尺寸与螺杆1相匹配，同时也与销钉3的固定要求相匹配。两半孔的锥形机筒主要形式是整体结构，但是对特定的磨损位置可镶拼有若干片衬瓦6。机筒2均设有加热和冷却孔道7，用于机筒2的加热和冷却。

如图5，销钉3夹在两个平行的螺片5侧面中间，固定在机筒2内壁，沿轴线排成四列，并对称于对开式机筒的左、右两侧，在机筒2内的径向分布是相隔90°角排列。销钉3具有可调性及更换性。螺杆1在工作时的轴向往复位移量是变量，其转过的角度呈周期性；所有销钉的运动轨迹是相同的。

在机筒2内壁设有各种形式的阻尼块，阻尼块在机筒内被单独配置或多种形态混合设置。

销钉仅是阻尼块的表现形式之一，即为圆锥形的阻尼块，其他形式还有：椭圆形、菱形、多边异形及与螺棱相似的不完整环形等。内部设有热传感器的销钉也是阻尼块的特殊结构之一。阻尼块在机筒内被单独配置或多种形态混合设置。

如图6、图7，挤压系统的螺杆1通过连接法兰21和传动系统的传动箱10中的摆动轴13连接；传动箱10的输入轴11与电机20连接。

传动箱10包括输入轴11、齿轮组12、摆动轴13、斜角轮15和连杆14，由齿轮组12带动摆动轴13转动，从而带动螺杆1转动，齿轮组12同时带动斜角轮15作圆周运动，斜角轮15与摆动轴13倾斜成一定角度并带动连杆14一起转动，斜角轮15又受到连杆14自由度的限制反作用于摆动轴13，迫使其作周期性的往复位移。从而使螺杆1每旋转一周同时作往复位移各一次。摆动轴13的位移量由斜角轮15的角度与连杆14长度的函数关系确定。

图8为螺杆运动过程中物料束的流动轨迹示意图，图中X方向代表螺距宽度，Y方向代表螺棱径向展开长度，并以其中涂有斜剖面线的四个螺片为例解释物料束的流动轨迹(此处仅仅是简化模式，物料的实际流动形态和螺片工作机理的描述将是非常复杂的)。

A图为相对位置0°时螺片和销钉的位置(假设开机前螺杆表面无物料束流动的状态)。

B图为转过90°后螺片和销钉的位置。物料束沿第一个螺片的左侧面运动并受到剪切，螺片表面受到物料的清洁作用。

C图为转过180°后螺片和销钉的位置。物料束沿第一个螺片的右侧短斜面相切并再次受到剪切。螺片侧面在被物料清洁干净的同时将其推向第二个螺片。

D图为转过270°后螺片和销钉的位置。物料束沿第二个螺片的右侧短斜面相切并又一次被剪切，同时螺片也受到物料的清洁作用。当螺片以极小的间隙划过销钉时，物料在轴向又进行一次混合。

E图为转过360°螺片和销钉的位置。物料束沿第三个螺片前面的那个螺片的右侧面被剪切，螺片间隙中的物料对螺片表面进行清洁。图的右边简化显示了四条被分割的物料束同时流动的状态。

由以上简图可以大致见到：本发明的锥形四螺片往复式销钉螺杆挤出机的挤压系统的四螺片螺杆在旋转及往复运动时，物料束迂回穿行于螺片与销钉侧面的狭窄空间中的流动束轨迹是一种似字母“S”的形态。此种形态比圆柱形螺杆或三螺片螺杆具有根本性的不同，锥形四螺片螺杆结构的物料束流程更长，剪切频度更高，挤出压力更大。

螺片数量越多、螺杆转速越高对物料的分割次数越多，均匀分散效果就越好。实际上螺片超高频的疲劳撕裂作用对物料温升的影响并不明显，这说明此种类型的剪切是“柔性”的，所以螺片在旋转和往复等复杂的物理叠加运动，物料产生的瞬间剪切热和摩擦热也是变化的。本发明的锥形四螺片往复式销钉螺杆挤出机的挤压系统的优异性能来源于加工过程中物料呈类似字母“S”形轨迹的流动，产生低压力、低剪切、低温升和高分散的优异特性。