一种同向差速多螺杆挤出机以及加工方法与流程

本发明涉及多螺杆挤出机领域，特别涉及一种同向差速多螺杆挤出机以及加工方法。

背景技术：

同向多螺杆挤出机主要包括机筒和安装于机筒内腔的多根螺杆，其中，同向双螺杆挤出机是同向多螺杆挤出机中应用最广泛的。传统的同向双螺杆挤出机采用两根螺杆等速旋转的工作模式，但是由于左右两根螺杆存在左右对称性，导致啮合区扰动较弱，甚至存在松弛效应，限制了同向双螺杆挤出机的熔融和塑化混合效果。现有的同向多螺杆挤出机的工作模式将等速改为了差速。虽然在双螺杆之间加入了速度差，引入了部分拉伸力场的作用，但是仍然无法在啮合区产生强扰动作用以及强拉伸作用，因此目前的同向多螺杆挤出机对物料的熔融和塑化混合效果的提升仍然有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种同向差速多螺杆挤出机以及加工方法，能够在多个螺杆之间的啮合区产生强扰动作用和强拉伸作用，提升同向差速多螺杆挤出机对物料的熔融和塑化混合效果。

本发明的第一方面，提供一种同向差速多螺杆挤出机，包括：

机筒，所述机筒具有内腔，所述机筒还具有开口；

螺杆结构，所述螺杆结构安装在所述机筒内腔；所述螺杆结构包括同向差速旋转的第一螺杆以及第二螺杆，所述第一螺杆与所述第二螺杆相互啮合产生啮合区；

所述第一螺杆的根径与顶径之间设置有第一台阶结构；所述第二螺杆的根径与顶径之间设置有第二台阶结构，所述第一台阶结构与所述第二台阶结构在所述啮合区发生交错啮合。

上述同向差速多螺杆挤出机至少具有以下有益效果：在两根外径相等第一螺杆与第二螺杆之间进行同向差速旋转，实现两根螺杆之间相互擦拭，实现了加工过程的自洁；通过在两根螺杆的根径与顶径之间设置第一台阶结构和第二台阶结构，且第一台阶结构和第二台阶结构在啮合区发生交错啮合，使啮合区的流道发生拓扑结构的变化，有效的引入了强拉伸作用和啮合区强扰动作用，提升了熔融和塑化混合效果；同时，在两根螺杆之间减少捏合块的使用，大幅度提升了自洁效果，使加工过程中物料的分布更窄，提升了效率。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述第一螺杆与所述第二螺杆在所述机筒内呈竖直方向排列或呈水平方向排列，所述第一螺杆以及所述第二螺杆的外侧边沿均与所述机筒内壁相切。两根螺杆可在机筒内呈竖直方向排列或呈水平方向排列，能够根据机筒的型号进行自动匹配，且两根螺杆始终保持彼此啮合接触能够实现自洁功能，两根螺杆的外侧边沿均与机筒内壁相切，有着促进啮合区产生更强拉伸的作用。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述第一螺杆为单头螺纹结构，所述第二螺杆为双头螺纹结构。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述第一螺杆以及所述第二螺杆的外径相等。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述第一螺杆的横截面轮廓包括多段曲线弧，所述第一螺杆的横截面轮廓上的多段曲线弧包括多段圆弧以及多段非圆曲线弧；所述第二螺杆的横截面轮廓也包括多段曲线弧，所述第二螺杆的横截面轮廓上的多段曲线弧也包括多段圆弧以及多段非圆曲线弧；所述第二螺杆的横截面轮廓上的多段曲线弧是所述第一螺杆的横截面轮廓上的多段曲线弧数量的2倍；所述第一螺杆的横截面轮廓上的多段曲线弧为非对称，所述第二螺杆的横截面轮廓上的多段曲线弧为中心对称。

两根螺杆均采用横截面结构不变的形式，使螺杆的制造过程相对简单，同时避免两根螺杆之间的对称性，也避免单个螺杆的轴对称性，而且，第一螺杆的横截面轮廓完全非对称，利用螺杆的非对称效应，能够提升同向差速多螺杆挤出机的熔融和塑化混合效果。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述第一螺杆与所述第二螺杆的转速比为2。实现了两根螺杆的差速旋转，起到对物料强拉伸的效果。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述第一螺杆以及所述第二螺杆的边沿均为光滑的螺棱结构。能够使同向差速多螺杆挤出机在加工过程中实现完全自洁。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述啮合区包括上啮合区以及下啮合区，所述第一台阶结构与所述第二台阶结构在所述上啮合区为错列啮合；所述第一台阶结构与所述第二台阶结构在所述下啮合区为并列啮合。两根螺杆在上下啮合区实现了台阶结构的错列、并列的啮合关系，有效的引入了强拉伸作用和啮合区强扰动作用。而且，两根螺杆高速旋转，产生高热，加速了固体物料的熔融进程。同时，也能提升了正位移输送效率和固体输送效率，能够有效解决因原料成分波动所带来的产品质量不稳定问题，可以更大程度的增加挤出的产量。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述螺杆结构还包括第三螺杆；所述第三螺杆可与所述第一螺杆的结构相同或者与所述第二螺杆的结构相同，所述第一螺杆、所述第二螺杆以及所述第三螺杆成一字型啮合。

若第三螺杆的结构与第一螺杆的结构相同时，则第一螺杆、第二螺杆和第三螺杆依次连接；若第三螺杆的结构与第二螺杆的结构相同时，则第二螺杆、第一螺杆和第三螺杆依次连接。

根据本发明第一方面所述的一种同向差速多螺杆挤出机，所述开口包括进料口、排气口以及出料口。物料从进料口进入，排气口用于排除废气，物料经过熔融和塑化混合之后从出料口挤出。

本发明的第二方面，提供一种同向差速多螺杆挤出机的加工方法，包括以下步骤：

第一螺杆和第二螺杆进行同向差速旋转，推动物料在机筒的内腔中前进；

所述第一螺杆和所述第二螺杆旋转产生热量，对物料进行熔融，同时所述第一螺杆上设置的第一台阶结构以及所述第二螺杆上设置的第二台阶结构在啮合区进行交错啮合，对物料进行翻动和强制剥离，物料成为熔体；

所述第一台阶结构以及所述第二台阶结构在啮合区进行的周期性交错啮合产生的强拉伸作用和强扰动作用，对成为熔体的物料进行塑化混合，并使成为熔体的物料稳定从出口挤出；

所述第一螺杆和所述第二螺杆之间进行相互擦拭，实现了自洁。

上述同向差速多螺杆挤出机的加工方法至少具有以下有益效果：该方法利用第一螺杆和第二螺杆进行同向差速旋转产生作用力推动原料向前进，而且第一螺杆和第二螺杆高速旋转产生的热量能够对原料进行熔融，第一台阶结构以及第二台阶结构在啮合区进行交错啮合，加强对原料的翻动和强制剥离效果，同时，第一台阶结构以及第二台阶结构在啮合区进行周期性的交错啮合，也产生了强拉伸作用和强扰动作用，加强了对成为溶体的原料的塑化混合效果，最后，第一螺杆和第二螺杆之间也实现了完全自洁。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明实施例一所提供的同向差速双螺杆挤出机的结构示意图；

图2为本发明实施例一所提供的同向差速双螺杆挤出机区分工作段的结构示意图；

图3为本发明实施例一所提供的同向差速双螺杆挤出机的上啮合区发生错列啮合的示意图；

图4为本发明实施例一所提供的同向差速双螺杆挤出机的下啮合区发生并列啮合的示意图；

图5为本发明实施例一所提供的同向差速双螺杆挤出机的螺杆横截面轮廓示意图；

图6为本发明实施例二所提供的同向差速三螺杆挤出机的结构示意图；

图7为本发明实施例三所提供的同向差速三螺杆挤出机的结构示意图。

具体实施方式

同向多螺杆挤出机主要包括机筒和安装于机筒内腔的多根螺杆，其中，同向双螺杆挤出机是同向多螺杆挤出机中应用最广泛的。传统的同向双螺杆挤出机采用两根螺杆等速旋转的工作模式，但是由于左右两根螺杆存在左右对称性，导致啮合区扰动较弱，甚至存在松弛效应，限制了同向双螺杆挤出机的熔融和塑化混合效果。现有的同向多螺杆挤出机的工作模式将等速改为了差速。虽然在双螺杆之间加入了速度差，引入了部分拉伸力场的作用，但是仍然无法在啮合区产生更强的扰动以及无法提供更强的拉伸作用，因此目前的同向多螺杆挤出机的熔融和塑化混合效果的提升仍然有限。

本发明公开了一种同向差速多螺杆挤出机以及加工方法，该同向差速多螺杆挤出机通过在机筒内使两根外径相等第一螺杆与第二螺杆之间进行同向差速旋转，两根螺杆之间相互擦拭，实现了加工过程的自洁；并且分别在两根螺杆的根径与顶径之间引入一段或者多段相互啮合的圆弧，形成第一台阶结构和第二台阶结构，打破螺杆横截面轮廓的轴对称性，而且第一台阶结构和第二台阶结构在啮合区发生周期性交错啮合，使啮合区的流道发生拓扑结构的变化，有效的在啮合区引入了强拉伸作用和强扰动作用，全面提升了对物料的熔融和塑化混合效果。

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。

参照图1至图5，本发明的第一实施例，提供了一种同向差速双螺杆挤出机，参照图1，包括：机筒10，所述机筒10具有内腔，所述机筒10还具有开口30；

还包括螺杆结构20，所述螺杆结构20安装在所述机筒10内腔；所述螺杆结构20包括同向差速旋转的第一螺杆21以及第二螺杆22，所述第一螺杆21与所述第二螺杆22相互啮合产生啮合区；所述第一螺杆21以及所述第二螺杆22的外径相等；

所述第一螺杆21的根径与顶径之间设置有第一台阶结构211；所述第二螺杆22的根径与顶径之间设置有第二台阶结构221，所述第一台阶结构211与所述第二台阶结构221在所述啮合区发生交错啮合；

所述第一螺杆21与所述第二螺杆22的转速比为2，并且所述第一螺杆21与所述第二螺杆22的边沿均为光滑的螺棱结构；

在本实施例中，所述第一螺杆21以及所述第二螺杆22与机筒1的内腔形成流道40，所述流道40用于物料通行。

所述第一螺杆21与所述第二螺杆22在所述机筒1内呈竖直方向排列或呈水平方向排列，在图1中，优选所述第一螺杆21与所述第二螺杆22呈竖直方向排列来作为展示，可以理解的是，所述第一螺杆21与所述第二螺杆22还可以呈水平方向排列，可根据机筒10的实际情况进行选择。所述第一螺杆21以及所述第二螺杆22的外侧边沿均与所述机筒10内壁相切。

其中，所述第一螺杆21与所述第一螺杆22之间的进行同向差速旋转，能够实现两根螺杆之间相互擦拭，达到了自洁的效果，所述第一螺杆21与所述第一螺杆22的边沿均为光滑的螺棱结构，减少了捏合块的使用，有利于提升自洁效果，而且两根螺杆的根径与顶径之间设置有台阶结构，两根螺杆的台阶结构在啮合区发生相互交错啮合，使流道40发生拓扑结构的变化，有效的引入了强拉伸作用和啮合区强扰动作用，提升了同向差速多螺杆挤出机的熔融和塑化混合效果。

参照图2，所述机筒10还设有输送段s1、熔融段s2、排气段s3以及混炼挤出段s4；输送段s1、熔融段s2、排气段s3和混炼挤出段s4，加工的物料的移动方向为s1至s2至s3至s4，输送段s1设有与外界连通的进料口31，排气段s3设有与外界连通的排气口32，混炼挤出段s4的末端设有与外界连通的出料口33。

参照图3与图4，啮合区包括上啮合区和下啮合区，第一台阶结构211与第二台阶结构221在上啮合区为错列啮合；所述第一台阶结构211与所述第二台阶结构221在下啮合区为并列啮合。两根螺杆在上下啮合区实现了台阶结构的错列、并列的啮合关系，能够引入了强拉伸作用和啮合区强扰动作用，其中，在本实施例中，当第一螺杆21与第二螺杆22为水平方向排列时，俯视图为上啮合区，仰视图为下啮合区，可以理解的是，当第一螺杆21与第二螺杆22为竖直方向排列时，正视图为上啮合区，后视图为下啮合区。

参照图5，所述第一螺杆21采用单头螺纹结构，在所述第一螺杆21横截面轮廓内引入一段半径为rm的圆弧构成所述第一台阶结构211，d/2<rm<d/2，其中，d为所述第一螺杆21和所述第二螺杆22的内径，d为所述第一螺杆21和所述第二螺杆22的最大外径；所述第二螺杆22采用双头螺纹结构，在所述第二螺杆22的横截面轮廓内引入两段半径为c-rm的圆弧构成所述第二台阶结构221，其中c为所述第一螺杆21的旋转中心o1与所述第二螺杆22的旋转中心o2之间连线的距离。

如图5所示，所述第一螺杆21和所述第二螺杆22的最大外径均为d，对应的半径为r，所述第一螺杆21和所述第二螺杆22的内径为d，对应的半径为r，那么有：d＝2c-d。所述第一螺杆21的横截面轮廓由六段曲线弧连接构成，六段曲线弧依次为ab、bc、cd、de、ef和fa，其中，bc、de和fa为非圆曲线弧，ab、cd和ef为圆弧，圆弧和非圆曲线弧总是间隔连接，曲线弧bc对应的圆心角β1为：

β1＝3arcos(c/d)，

以o1b为极轴，引入辅助角ε，逆时针方向为正，曲线弧bc在极角θ为：θ＝2ε+atan((dsinε)/(2c-dcosε))，对应的极径ρ(θ)为：

曲线弧de对应的圆心角β2为：

以o1e为极轴，引入辅助角ε，顺时针方向为正，曲线弧de在极角θ为：

θ＝2ε+atan((dsinε)/(2c-dcosε))，对应的极径ρ(θ)为：

曲线弧fa对应的圆心角β3为：

以o1f为极轴，引入辅助角ε，顺时针方向为正，曲线弧fa在极角θ为：

θ＝2ε+atan((c-rm)sinε/(c-(c-rm)cosε))，对应的极径ρ(θ)为：

其中，rm为构成所述第一台阶结构211对应的圆弧半径，有d/2<rm<d/2。三段圆弧分别为ab、cd和ef，对应的半径分别为d/2、d/2和rm，对应的圆心角分别为α、γ和φ，则圆心角φ满足：α+γ+φ＝2π-β1-β2-β3，其中，圆弧ef构成所述第一台阶结构211。

所述第二螺杆22的横截面轮廓上的多段曲线弧是所述第一螺杆21的横截面轮廓上的多段曲线弧数量的2倍。如图5所示，a和a1点重合，所述第二螺杆22的横截面轮廓由十二段曲线弧连接构成，十二段曲线弧依次为a1b1、b1c1、c1d1、d1e1、e1f1和f1a2，以及a2b2、b2c2、c2d2、d2e2、e2f2和f2a1。其中，曲线弧a1b1、b1c1、c1d1、d1e1、e1f1和f1a2与曲线弧a2b2、b2c2、c2d2、d2e2、e2f2和f2a1关于所述第二螺杆22的旋转中心中心对称，圆弧和非圆曲线弧总是间隔连接。b1c1、d1e1和f1a2为非圆曲线弧，对应的圆心角分别为β1/2、β2/2和β3/2；同样，非圆曲线弧b2c2、d2e2、f2a1对应的圆心角也分别为β1/2、β2/2和β3/2。而且，三段圆弧分别为a1b1、c1d1和e1f1，对应的半径分别为d/2、d/2和c-rm，对应的圆心角分别为α/2、γ/2和φ/2。同样，另外三段圆弧分别为a2b2、c2d2和e2f2，对应的半径也分别为d/2、d/2和c-rm，对应的圆心角也分别为α/2、γ/2和φ/2。其中，圆弧e1f1和e2f2为所述第二台阶结构221。因此，在本实施例中，所述第一螺杆21以及所述第二螺杆22的横截面轮廓均不变，所述第一螺杆21的横截面轮廓的多段曲线弧为非对称，所述第二螺杆22的横截面轮廓的多段曲线弧为旋转中心中心对称。两根螺杆均采用横截面结构不变的形式，使螺杆的制造过程相对简单，同时避免两根螺杆之间的对称性，也避免单个螺杆的轴对称性，而且，第一螺杆的横截面轮廓完全非对称，利用螺杆的非对称效应，能够提升同向差速多螺杆挤出机的熔融和塑化混合效果。可以理解的是，本实施例中，第一螺杆21的横截面轮廓包括3段圆弧和3段非圆曲线弧，第二螺杆22的横截面轮廓包括6段圆弧和6段非圆曲线弧，只是优选方案；在实际应用中，第一螺杆21的横截面轮廓可包括n段圆弧和n段非圆曲线弧，第二螺杆22的横截面轮廓可包括2n段圆弧和2n段非圆曲线弧，其中，在保证第一螺杆21和第二螺杆22正常使用的前提下，n可取任意数。

参照图2，物料在本实施例的同向差速双螺杆挤出机的加工方法，包括以下步骤：

物料从进料口31进入输送段s1的流道后，第一螺杆21和第二螺杆22分别沿各自螺杆轴线进行同向差速转动产生输送力；同时第一台阶结构211与第二台阶结构221在上啮合区形成错列啮合，而在下啮合区形成并列的啮合，增加了轴向正位移输送力，物料在输送力的作用下以及两根螺杆之间的摩擦力共同作用下向熔融段s2的方向移动；

物料流至熔融段s2的流道处时，由于两根螺杆高速旋转产生的热量以及台阶结构的交错啮合，在第一螺杆21的推力面和第二螺杆22的拖曳面位置实现了对物料的强制熔融，而且随着第一台阶结构211与第二台阶结构221在上下啮合区进行错列和并列的周期性变化，实现对物料的翻动和强制剥离，促进了界面更新作用，同时强化了传热过程，加速了固体物料的熔融进程，物料成为熔体；

成为熔体的物料从熔融段s2的流道进入排气段s3的流道后，第一台阶结构211与第二台阶结构221的相互啮合形成的推、刮作用促进了界面更新，扩大了排气面积，物料汇集在此处产生负压作用，加速了废气从排气口排出，同时熔融的物料继续向混炼挤出段s4的流道方向运动；

成为熔体的物料进入混炼挤出段s4的流道后，第一螺杆21和第二螺杆22同向差速啮合运转，第一台阶结构211与第二台阶结构221也相互交错啮合，熔融的物料在向出料口33运动过程中受到周期性作用，在啮合区受到强拉伸和强扰动作用，同时也受到不同拓扑流道机理作用，这样强化了塑化混合效果，并使成为熔体的物料稳定从出料口挤出，同时，第一螺杆21和第二螺杆22之间进行相互擦拭也实现了完全自洁。

参照图6，本发明的第二实施例，提供了一种同向差速三螺杆挤出机，不同于第一实施例，螺杆结构20还包括第三螺杆23，所述第三螺杆23与第一实施例中的第一螺杆21的结构相同，第一螺杆21、第二螺杆22以及第三螺杆23依次成“一字型”啮合。

参照图7，本发明的第三实施例，提供了一种同向差速三螺杆挤出机，不同于第一实施例，螺杆结构20还包括第三螺杆23，所述第三螺杆23与第一实施例中的第二螺杆22的结构相同，第二螺杆22、第一螺杆21以及第三螺杆23依次成“一字型”啮合。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。