[实用新型]一种高分子材料平衡式挤出机及其螺杆和轴向力平衡装置无效
申请号: | 201020132231.5 | 申请日: | 2010-03-12 |
公开(公告)号: | CN201769349U | 公开(公告)日: | 2011-03-23 |
发明(设计)人: | 梁军;江波;林浩 | 申请(专利权)人: | 北京化工大学 |
主分类号: | B29C47/08 | 分类号: | B29C47/08;B29C47/60;B29C47/66;B29C47/92;B29C47/38;B29C47/40 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 高分子材料 平衡 挤出机 及其 螺杆 轴向 装置 | ||
技术领域
本实用新型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螺杆和轴向力平衡装置。
背景技术
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发明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℃);
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,均匀、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;
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