一种螺杆支撑装置及具有该装置的双螺杆挤出机的制作方法

本发明涉及一种螺杆支撑装置，特别是一种用于双螺杆挤出机的螺杆支撑装置，以及具有该装置的双螺杆挤出机。

背景技术：
双螺杆挤出机以其积木式结构带来的多变性和适应性以及优异的混合性能，在成型、共混、改性、反应挤出等聚合物加工过程中得到了广泛应用。双螺杆挤出机主要包括传动系统、加料系统、挤压系统、加热冷却系统、控制系统，其中挤压系统是双螺杆挤出机的核心部分，主要包括螺杆和机筒。物料由加料系统加入机筒，机筒内螺杆的旋转对物料产生螺旋输送和混合等作用，使物料经历固体输送、熔融、排气、混合和熔体输送等挤出过程，最后由机头挤出，造成粒子或成型为制品。螺杆是双螺杆挤出机的“心脏”，大部分螺杆为积木式结构，包括芯轴、螺杆元件和螺杆头，螺杆元件组合安装在芯轴上，通过螺杆头拧紧。螺杆元件包括输送元件、剪切元件、混合元件等功能元件，不同的螺杆元件可以组合成不同构型的螺杆。螺杆的支撑方式通常采用悬臂式结构，支撑位置在螺杆根部，螺杆根部通过连接套与齿轮箱的输出轴相连，螺杆主体和头部都悬空在机筒内。为确保螺杆的输送能力和建压能力，螺杆的螺棱和机筒之间的间隙控制在很小的范围内（间隙一般为机筒内径的0.002倍至0.05倍）。当螺杆的长径比很大或所加工的物料粘度较低或机筒内物料不够时，机筒内的物料不足以浮起螺杆，螺杆在自身重力和离心力等的作用下发生挠性变形，当螺杆的挠性变形大于螺杆的螺棱与机筒内壁之间的间隙时，螺杆的螺棱与机筒内壁之间会产生较严重的磨损，使螺杆的螺棱和机筒内壁之间的间隙增大。若磨损发生在熔融段，则导致熔融能力下降，并导致温度不均匀和压力波动；若磨损发生在熔体输送段，会使熔体输送能力下降；螺杆的螺棱和机筒内壁之间的间隙增大，也会降低机筒和物料间的热传递效率。同时，两根螺杆所处的环境并不完全相同，两根螺杆的挠性变形也会不一致，引起两根螺杆上的螺杆元件彼此接触，从而引起磨损、切削，导致物料流不均匀。专利US5962036A公开了一种双螺杆挤出机，包括机筒、螺杆和轴承支撑件，轴承支撑件包括一对转子，每个转子与对应的螺杆连接并与其一起旋转，以及将一对转子合在一起的定子，定子与机筒固定连接，轴承支撑件使螺杆保持在机筒中的预定径向位置上，从而消除了螺杆和机筒之间及螺杆和螺杆之间的磨损。但这种结构不方便装配和拆卸，尤其是更换螺杆时极其不便。装配时，需要先将轴承支撑件出料口相反侧的机筒和螺杆先装配，再装配轴承支撑件，最后装配轴承支撑件出料口一侧的机筒和螺杆，相对于普通的双螺杆挤出机（机筒和螺杆的装配相互独立，先安装完整的机筒，再安装螺杆），不仅装配工艺复杂，而且由于分段安装机筒，难以保证机筒内壁的同轴度。拆卸时，需要先将轴承支撑件出料口一侧的机筒和轴承支撑件拆卸，对于只需要更换螺杆的情况（如加工不同物料更改螺杆构型）过于复杂。其次，由于定子占据了一段机筒的位置，加工时不能对机筒内壁一次成型，大大增加了机筒加工和螺杆装配的难度。同时，由于定子占据了一段机筒的位置，不方便对现有机器进行加装改进。另外，由于转子随螺杆转动，定子与机筒固定连接，在生产过程中，螺杆会有一定程度的轴向膨胀伸缩，定子与相邻的螺杆元件之间会产生相应的轴向位移，因此需要设计时计算好定子与相邻螺杆元件之间的间隙，否则可能在生产过程中发生干涉，增加了设计难度。专利CN104411473A公开了一种用于双螺杆挤出机的支撑装置，该装置在两根螺杆轴向相同位置上各设置小径部，在机筒上设置支撑部，在支撑部上设有支撑小径部的支撑表面并且具有流动路径，物料从该流动路径通过，小径部与支撑表面之间的间隙等于或小于螺杆的螺棱与机筒内表面之间的间隙，从而实现对螺杆的支撑，减少螺杆与机筒的磨损。与专利US5962036A相同，由于支撑结构的一部分设置在螺杆上，一部分连接在机筒上，因此具有与专利US5962036A相同的装配和拆卸不便、增加了机筒加工和螺杆装配的难度、不方便对现有机器进行加装改进以及增加了设计难度等问题。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种用于双螺杆挤出机的螺杆支撑装置，该装置包括螺杆支撑元件和轴套，所述螺杆支撑元件和所述轴套组合使用，分别安装在两根螺杆芯轴上，且在两根螺杆上的轴向位置相同，一台双螺杆挤出机至少包括两组所述螺杆支撑元件和所述轴套，每一根螺杆上至少设有一个所述螺杆支撑元件和一个所述轴套，如第一组的所述螺杆支撑元件安装在第一螺杆上，所述轴套安装在第二螺杆上，则有第二组的所述螺杆支撑元件安装在第二螺杆上，所述轴套安装在第一螺杆上。以所述螺杆支撑元件的中心线为轴线，构建与在轴向相同位置设有所述轴套的另一根螺杆的螺棱相切的虚拟圆柱面，至中心线的距离大于等于所述虚拟圆柱面半径的所述螺杆支撑元件部分，其与组合使用的所述轴套两端相邻螺杆元件的轴向距离大于零。如在第一螺杆上设有所述螺杆支撑元件，则在第二螺杆的轴向相同位置上设有所述轴套，以所述螺杆支撑元件的中心线为轴线，构建与第二螺杆的螺棱相切的虚拟圆柱面，至中心线的距离大于等于所述虚拟圆柱面半径的所述螺杆支撑元件部分，其与第二螺杆上组合使用的所述轴套两端相邻螺杆元件的轴向距离大于零，从而使所述螺杆支撑元件不与第二螺杆上的螺杆元件接触。所述螺杆支撑元件与其它螺杆元件（如输送元件、剪切元件、混合元件等）一起安装在螺杆芯轴上，在径向方向上与所述机筒内壁之间的间隙小于所述螺杆的螺棱与所述机筒内壁之间的间隙，所述螺杆在自身重力和离心力等的作用下发生挠性变形时，所述外圈首先被压在所述机筒内壁上，对所述螺杆起到支撑作用，其它螺杆元件不会与所述机筒内壁接触，从而消除螺杆和机筒之间的磨损。进一步地，所述螺杆支撑元件与组合使用的所述轴套之间的径向间隙小于所述两根螺杆之间的径向间隙，所述的两根螺杆挠性变形不一致时，所述的两个外圈首先彼此接触，对所述螺杆起到支撑作用，使一根螺杆上的其它螺杆元件不会与另一根螺杆上的其它螺杆元件接触，从而消除螺杆和螺杆之间的磨损。进一步地，在所述螺杆支撑元件和（或）所述轴套上设有流体通道，以便物料更好地通过，物料可以从所述轴套与所述机筒之间的间隙及所述螺杆支撑元件和所述轴套上所设流体通道通过。进一步地，在所述螺杆支撑元件的外表面和（或）所述轴套的外表面设有润滑槽，对相对转动起润滑作用。进一步地，所述螺杆支撑元件上设有轴承，从而允许所述螺杆支撑元件的外表面与所述机筒不发生相对转动，进一步降低机筒的磨损。进一步地，所述机筒上设有限制所述螺杆支撑元件的外表面转动的结构，具体地，在所述机筒上安装紧定螺钉，所述紧定螺钉的末端顶住所述螺杆支撑元件的外表面；或在所述机筒内壁和所述螺杆支撑元件的外表面上设有相互啮合的结构。进一步地，所述螺杆支撑元件的两端还设有密封装置，使所述轴承不与物料接触，改善所述轴承的工作环境，提高其使用寿命。进一步地，所述螺杆支撑元件和所述轴套组合使用，在每根螺杆上，相邻的两组所述螺杆支撑元件和所述轴套之间设有螺杆元件，以便更好地输送物料。此外，本发明还提供一种双螺杆挤出机，其特征在于该双螺杆挤出机采用了上述螺杆支撑装置，安装了两组或多组所述螺杆支撑元件和所述轴套，所述螺杆支撑元件和所述轴套组合使用，分别安装在两根螺杆的轴向相同位置上，每一根螺杆上至少设有一个所述螺杆支撑元件和一个所述轴套，对螺杆的两个或多个不同位置进行支撑，从而消除螺杆和机筒之间及螺杆和螺杆之间的磨损。本发明的螺杆支撑装置通过积木式安装在螺杆芯轴上，不影响螺杆的正常拆装，具有以下作用。由于本发明的螺杆支撑元件跟普通螺杆元件一样通过积木式安装在螺杆芯轴上，因此装配和拆卸具有本发明的螺杆支撑元件的双螺杆挤出机跟普通的双螺杆挤出机一样，都非常方便，且方便对现有机器进行加装改进。另外，在生产过程中，螺杆支撑元件和其它螺杆元件一样随螺杆一起轴向膨胀伸缩，不会在生产过程中发生螺杆支撑元件与相邻螺杆元件干涉的问题，不会增加设计难度。具有该螺杆支撑装置的双螺杆挤出机，消除了螺杆和机筒之间及螺杆和螺杆之间的磨损，延长了螺杆和机筒的使用寿命，减少了停机时间，降低了设备维护成本。具有该螺杆支撑装置的双螺杆挤出机，消除了螺杆和机筒之间及螺杆和螺杆之间的磨损，尤其对于熔体输送段，确保了螺杆的建压能力，有利于物料顺利通过机头、熔体过滤网和模具，提高了挤出稳定性。具有该螺杆支撑装置的双螺杆挤出机，螺杆的长径比可以做得很大（大于120）。大长径比双螺杆挤出机具有两层优点：其一，在螺杆转速不变的情况下，大长径比可以带来更长的停留时间。停留时间的延长有利于反应挤出过程中物料间的充分反应，带来更高的反应率和更好的产品质量；有利于芳纶凝胶纺丝、超高分子量聚乙烯凝胶纺丝和PAN基碳纤维原丝凝胶纺丝工艺过程中的溶胀和对高分子链线团缠绕结构的解缠绕。其二，在停留时间不变的情况下，可以提高螺杆转速，从而提高双螺杆挤出机的产量；同时高转速带来的高剪切速率，有利于物料的混合，有利于制品质量的提高。本发明的螺杆支撑装置可应用于各类型双螺杆挤出机，包括平行同向型、平行异向型、啮合型、半啮合型、非啮合型、锥形同向型、锥形异向型等。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1A为具有本发明螺杆支撑装置的双螺杆挤出机剖视示意图；图1B为具有本发明螺杆支撑装置的双螺杆挤出机局部剖视示意图；图2为组合使用的螺杆支撑元件和轴套的结构示意图；图3A为设有流体通道的螺杆支撑元件和轴套的结构示意图；图3B为具有流体通道的轴套的结构示意图；图4为外表面设有润滑槽的轴套的结构示意图；图5A为设有轴承的螺杆支撑元件的结构示意图；图5B为设有轴承且具有紧定螺钉限位的螺杆支撑元件的结构示意图；图5C为设有轴承且具有啮合结构限位的螺杆支撑元件的结构示意图；图5D为设有轴承和密封装置的螺杆支撑元件结构示意图；图6为具有四组螺杆支撑元件和轴套的双螺杆挤出机的局部剖视示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实现而不局限于本文所述的实施例。另外，这些实施例是为完全公开本发明，便于本领域技术人员对权利要求范围的完整理解。为了便于描述清楚，对图中各层次、区域部分的大小及相对大小进行了夸大处理。附图中相同标号表示相同的元件。如图1A所示，在双螺杆挤出机中，由电机70提供动力，经过齿轮箱60进行扭矩分配和减速，螺杆30（30ˊ）通过连接套50与齿轮箱60的输出轴相连，物料由加料口40a进入机筒40，机筒40内螺杆30（30ˊ）的旋转对物料产生螺旋输送和混合等作用，使物料经历固体输送、熔融、排气（由排气口40b排出）、混合和熔体输送等挤出过程，最后由机头40c挤出，造成粒子或成型为制品。本实施例的螺杆支撑装置包括两组螺杆支撑元件10和轴套20，螺杆支撑元件10和轴套20组合使用，分别安装在两根螺杆30（30ˊ）的芯轴31上，且在两根螺杆30（30ˊ）上的轴向位置相同，第一组的螺杆支撑元件10安装在第一螺杆30上，轴套20安装在第二螺杆30ˊ上，第二组的螺杆支撑元件10安装在第二螺杆30ˊ上，轴套20安装在第一螺杆30上，螺杆支撑元件10和所述轴套20与其它螺杆元件32（如输送元件、剪切元件、混合元件等）一起安装在螺杆芯轴31上，通过螺杆头33拧紧，螺杆支撑元件10和所述轴套20在芯轴31上的安装方式与其它螺杆元件32的安装方式相同，包括多边形定位、单键、双键、多键、花键等方式，下面的实施例只以六边形定位进行说明。螺杆支撑元件10在径向方向上与机筒40内壁之间的间隙C1小于螺杆30（30ˊ）的螺棱32a与机筒40内壁之间的间隙C2，螺杆30（30ˊ）在自身重力和离心力等的作用下发生挠性变形时，螺杆支撑元件10首先被压在机筒40的内壁上，对螺杆30（30ˊ）起到支撑作用，其它螺杆元件32不会与机筒40的内壁接触，从而消除螺杆30（30ˊ）和机筒40之间的磨损，如图1B所示。进一步地，螺杆支撑元件10和轴套20之间的径向间隙C3小于所述两根螺杆30（30ˊ）之间的径向间隙C4，两根螺杆30（30ˊ）挠性变形不一致时，螺杆支撑元件10和轴套20首先彼此接触，对螺杆30（30ˊ）起到支撑作用，使第一螺杆30上的其它螺杆元件32不会与第二螺杆30ˊ上的其它螺杆元件32接触，从而消除第一螺杆30和第二螺杆30ˊ之间的磨损。如图2所示，在第一螺杆30上设有螺杆支撑元件10，则在第二螺杆30ˊ的轴向相同位置上设有轴套20，以螺杆支撑元件10的中心线为轴线，构建与第二螺杆30ˊ的螺棱32a相切的虚拟圆柱面10a，至中心线的距离大于等于虚拟圆柱面10a半径的螺杆支撑元件部分10b，其与第二螺杆30ˊ上组合使用的轴套20两端相邻螺杆元件32的轴向距离H1（H2）大于零，从而使螺杆支撑元件10不与第二螺杆30ˊ上的螺杆元件32接触。进一步地，在螺杆支撑元件10和（或）轴套20上设有流体通道，以便物料更好地通过，物料可以从轴套20与机筒30之间的间隙20a及螺杆支撑元件10和轴套20上所设流体通道通过。如图3A所示为在螺杆支撑元件10上设有流体通道10c和在轴套20上设有流体通道20b的实施例，为了避免轴套20上所设流体通道20b被两端相邻的螺杆元件32的端面挡住，在轴套20上设有支撑部20c，流体通道20b设在支撑部20c上，支撑部20c两端面至轴套20两端面的轴向距离H3（H4）均大于零，轴套20与两端相邻螺杆元件32相互贴紧安装在一起后，支撑部20c不与两端相邻螺杆元件32接触，保证物料能有效通过轴套20上所设流体通道20b，如图3B所示。进一步地，在螺杆支撑元件10的外表面和（或）轴套20的外表面设有润滑槽，对相对转动起润滑作用，图4所示为在轴套20上设有螺旋型润滑槽20d的实施例。进一步地，螺杆支撑元件10上设有轴承12，从而允许螺杆支撑元件10的外表面与机筒40不发生相对转动，进一步降低机筒40的磨损，如图5A所示的实施例，螺杆支撑元件10包括内圈11和安装在内圈11上的轴承12，内圈11安装在芯轴31上。进一步地，机筒40上设有限制螺杆支撑元件10的外表面转动的结构，具体地，在机筒40上安装紧定螺钉13，紧定螺钉13的末端顶住螺杆支撑元件10的外表面，如图5B所示；或在机筒40内壁和螺杆支撑元件10的外表面上设有相互啮合的结构，如图5C所示的实施例，螺杆支撑元件10包括内圈11和安装在内圈11上的轴承12，还包括安装在轴承12外表面的外圈14，外圈14上设与机筒内壁啮合的结构14a，从而螺杆支撑元件10的外表面与机筒40不产生相对转动。进一步地，螺杆支撑元件10的两端还设有密封装置，使轴承12不与物料接触，改善轴承12的工作环境，提高其使用寿命，如图5D的实施例所示，螺杆支撑元件10包括内圈11和安装在内圈11上的轴承12，还包括安装在轴承12外表面的密封安装圈16和端盖17，在密封安装圈16和端盖17上均设有密封件15，端盖17通过螺栓18安装在密封安装圈16上，根据双螺杆挤出机加工的产品类型，选择具有合适的耐温性能、耐腐蚀性能和抗压性能的所述密封件15。进一步地，螺杆支撑元件10和轴套20组合使用，在每根螺杆30（30ˊ）上，相邻的两组螺杆支撑元件10和轴套20之间设有螺杆元件32，以便更好地输送物料，如图1B所示。进一步地，图1列举的螺杆支撑装置包括两组螺杆支撑元件10和轴套20，但螺杆支撑装置并不限于包括两组螺杆支撑元件10和轴套20，而是包括两组或多组螺杆支撑元件10和轴套20。根据实际需要，螺杆支撑装置包括两组或多组螺杆支撑元件10和轴套20，以达到对螺杆30（30ˊ）最佳的支撑效果，如可随螺杆30（30ˊ）长径比的增大而增加螺杆支撑元件10和轴套20的组数，图6列举了设了四组螺杆支撑元件10和轴套20的实施例。上述螺杆支撑装置可应用于各类型双螺杆挤出机，包括平行同向型、平行异向型、啮合型、半啮合型、非啮合型、锥形同向型、锥形异向型。另外需要说明的是，上述不同具体实施方式的螺杆支撑元件10和轴套20可以任意组合应用于同一双螺杆挤出机上。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合应用方式不再另行说明。此外，本发明还提供一种双螺杆挤出机，该双螺杆挤出机主要包括传动系统、加料系统、挤压系统、加热冷却系统、控制系统，其中挤压系统是双螺杆挤出机的核心部分，主要包括螺杆30（30ˊ）和机筒40。其特征在于，该双螺杆挤出机采用了上述螺杆支撑装置，对螺杆30（30ˊ）的两个或多个不同位置进行支撑，从而消除螺杆30（30ˊ）和机筒40之间及第一螺杆30和第二螺杆30ˊ之间的磨损，具有以下优势。具有该螺杆支撑装置的双螺杆挤出机，消除了螺杆30（30ˊ）和机筒40之间及第一螺杆30和第二螺杆30ˊ之间的磨损，延长了螺杆30（30ˊ）和机筒40的使用寿命，减少了停机时间，降低了设备维护成本。具有该螺杆支撑装置的双螺杆挤出机，消除了螺杆30（30ˊ）和机筒40之间及第一螺杆30和第二螺杆30ˊ之间的磨损，尤其对于熔体输送段，确保了螺杆30（30ˊ）的建压能力，有利于物料顺利通过机头30c、熔体过滤网和模具，提高了挤出稳定性。具有该螺杆支撑装置的双螺杆挤出机，螺杆30（30ˊ）的长径比可以做得很大（大于120）。大长径比双螺杆挤出机具有两层优点：其一，在螺杆30（30ˊ）转速不变的情况下，大长径比可以带来更长的停留时间。停留时间的延长有利于反应挤出过程中物料间的充分反应，带来更高的反应率和更好的产品质量；有利于芳纶凝胶纺丝、超高分子量聚乙烯凝胶纺丝和PAN基碳纤维原丝凝胶纺丝工艺过程中的溶胀和对高分子链线团缠绕结构的解缠绕。其二，在停留时间不变的情况下，可以提高螺杆30（30ˊ）转速，从而提高双螺杆挤出机的产量；同时高转速带来的高剪切速率，有利于物料的混合，有利于制品质量的提高。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。