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三螺杆挤出机是北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所在挤出机械领域的又一创新。以其灵活多变的几何排布方式、多个啮合区、形成物料在流向、流速上的多重变化，且质点在空间位置的分布产生了极其有益的影响，以优异的混合特性、小的长径比、较高的产能比倍受关注。
在近一个世纪中，螺杆类挤出机经历了柱塞式、单螺杆式、平行双螺杆式、锥形双螺杆式等的漫长过程，大大促进了高聚物加工工业的发展。
1. 单、双、三螺杆挤出机
多螺杆的研制开发，出于使投资成本与产能比及塑炼质量达到最佳的思想。由于塑料具有不良的热传导性，大直径的挤出机(φ130 mm以上)中，由于每个螺纹槽中可能拥有大量的"静态"物料，从而引起不均匀塑化。这个问题不可能通过增加螺杆转速来加以解决，因为这会引起波动，以致引起流痕变粗。尽管也可通过加大螺杆长径比来解决，但有局限性，且加大了螺杆悬臂引起的许多负面影响。采用小直径、短长径比的多螺杆组合是解决这一矛盾的有效办法之一。图1表示单、双、三螺杆挤出机啮合区的比较。 （图片） 从图1可见，单螺杆无啮合区，双螺杆有一个啮合区，一字形排列的三螺杆有两个啮合区，三角形排列的三螺杆有三个啮合区。三螺杆挤出机啮合区增多，碾压面积成倍增加，运转中对物料构成了高效的挤压、破碎、揉捏、压延、拉伸作用。正是这种高效的混捏作用，使三螺杆无需单螺杆或双螺杆的大直径、大长径比，便可获得同等质量、产量的生产条件，充分体现出三螺杆挤出机高效的混合均化特性、结构上的紧凑性和经济性。为提高产量，改善产品质量，对单螺杆和双螺杆须加大螺杆直径，加大长径比，成倍提高驱动功率。如将直径45mm的双螺杆挤出机螺杆加大到70mm，虽然后者的生产率是前者的3倍，但驱动功率也需提高3倍以上。若将螺杆直径45mm的双螺杆改为直径45mm的三螺杆，则后者的产量会翻番，为前者的两倍，而驱动力不足前者的1.5倍(见表1)。表1 双、三、四螺杆的产能比
| 挤出机类型 | 螺杆直径/mm | 产能 | 能耗 | 产能比 | | 平行双螺杆 | 45 | A | B | 1 | | 平行双螺杆 | 70 | 3A | 3B | 1 | | 三螺杆 | 45 | 2A | 1.5B | 1.33 | | 四螺杆 | 45 | 3A | 2B | 1.5 |
表1中的数据充分表明，直径较小的多螺杆组合比大直径的双螺杆的产能比高，技术经济效益好。
2. 螺杆"一"字排列的三螺杆挤出机
由于螺杆类挤出机应用领域不断拓宽，因而促进了挤出机的发展创新。三根螺杆"一"字排列的三螺杆挤出机和三根螺杆三角形排列的三螺杆挤出机是近十几年研制开发的新机型。
无论是单螺杆还是双螺杆，支撑螺杆全部重量的是螺杆一端套设的轴承。这种悬臂结构使螺杆前段下垂的重量对套设于另一端的轴承造成极大的不对称负荷，特别是在螺杆连续运转的动摩擦情况下，必然会影响到轴承结构的强度，时间一长，螺杆会发生前段下垂，影响运转的顺畅性。（图片） （图片） 图2、图3表示为"一"字排列的两种不同的三螺杆挤出机。图2表示的三根螺杆等长不等径，中间的主螺杆直径大，两根辅螺杆直径小，主辅螺杆互相啮合，反向旋转。这种设计，扩大了碾压面积，加强了揉压作用，具有较好的塑炼效果，不但增加了产量，且能耗增加不多。由于两个啮合区的存在，碾压面积成倍增加就可缩短螺杆长度，减小螺杆悬臂造成的负面影响。
图3中，主喂料口位于主辅螺杆之间(图3中的阴影框)。辅螺杆与中间的主螺杆反向内旋转，非啮合。辅螺杆直径可与主螺杆等径，亦可比主螺杆直径大:或者主辅螺杆等径，但辅螺杆转速稍高于主螺杆。主辅螺杆的非啮合加大了两螺杆之间的进料空间，便于对大块物料的夹钳。主辅螺杆的反向向内旋转可获得强力的挤压、破碎、压片、卷入作用，获得稳定而高效的喂料机能。辅螺杆直径比主螺杆稍大，或辅螺杆比主螺杆转速稍高，用以形成一定的速度差，产生剪切速率，对原料的磨碎、切断、延展效果更有效。
图2中，由于三根螺杆"一"字排列，且两根螺杆直径小(辅螺杆直径是主螺杆直径的一半以下)，附加轴向力小；又分列主螺杆两侧，空间位置上对推力轴承的设置不存在大问题。图3中的第三根辅螺杆短，其工作处于低压的固体输送区，轴承的选择和设置也不存在困难。
3. 螺杆中心连线为倒晶字形的三螺杆挤出机
螺杆中心连线为倒品字型的三螺杆挤出机是挤出领域内的创新。与前述的两种"一"字型排列的三螺杆挤出机相比，全啮合的三螺杆的正三角形排布构成了特有的三个啮合区，相当于三对双螺杆同时运作。三个啮合区的存在对物料在流向、流速以及空间位置的分布产生了极其复杂的影响。使之可以小直径、小长径比的多螺杆组合获得高产量、高混合质量的效果。
3.1 不干涉运转条件
按照啮合与非啮合，或旋转方向的不同，三角形排列的三螺杆的设置方式可分为5种形式(见图4)。（图片） 图4a、4b为V字型设置，两对螺杆能实现全啮合，即可同向旋转，亦可异向旋转:图4c上部两根螺杆相切，与下部第三根螺杆啮合，三根螺杆同向旋转；图4d只有在上部两根螺杆相切时，才能实现与下部第三根螺杆的异向旋转。上述4种三角形排布，三根螺杆只构成了两个啮合区，相当于两对螺杆啮合。图4e的倒品字型设置却构成了三个啮合区，相当于三对双螺杆同时运作。
全啮合的三螺杆挤出机螺杆螺纹端面曲线的生成以双螺杆相关理论为基础。由于同向和异向旋转的两根螺杆的螺纹元件端面曲线生成原理截然不同，一根螺杆不可能同时满足两种齿形形成原理。因此，全啮合三角形排列的三根螺杆必然是同向旋转，而且螺纹头数必须为奇数，或为单头，或为三头，不能是双头(双头螺纹三螺杆的任何相位都会有干涉)。显然，三角形排列的三螺杆，几何上不能实现共轭啮合，即螺棱和螺槽不能是等宽度啮合。三根螺杆以正三角形排布，从儿何关系上易于保证三根螺杆的加工装配精度(见图5)。（图片） 为确保三根螺杆的不干涉运转，本研究利用C、VC 6.0、Visua1 Lisp语言专为螺纹元件曲线设计编制了法向修正软件，使相互啮合的三根螺杆螺纹元件的轴向曲线设计及制作更精确。
3.2 独特的中心区
中心区是三角形排列的三螺杆特有的区域，如图5所示。中心区是三根螺杆在任何相位都扫掠不到的区域，且是一个由大到小，又由小到大不断变化的区域，数值上中心区最大状态时的面积是最小状态时面积的7倍，而最小状态时的面积仅为机筒净面积(除去螺杆截面积)的1/200(见表2)。
由于中心区的面积不断变化，变化的区域不会有静止的流体，在物料的粘性作用下，这些流体会被带入流道推进区，即这种回流某种程度上促进了混合。不过，中心区的作用复杂有待于进一步深入实验研究。表2中心区面积与机筒净面积的比值
| 螺杆头数 | 中心区面积Aφ/mm2 | 机筒面积Ab/mm2 | 机筒净面积Ao/mm2 | δ= Aφ/Ao1% | | N=1 | 7.058 | 8172.688 | 1390.882 | 0.54 | | N=3 | 7.058 | 8172.688 | 1730.968 | 0.43 |
注:计算以φ 60 mm的三螺杆挤出机为基础4 结论
三螺杆挤出机虽然面世不久，但已在功能塑料的制备、高亮度涂料的制备及方便食品加工领域得到很好的应用，并以其优异的混合特性、较好的产能比、较小的长径比开始受到关注。三螺杆挤出机，特别是三根螺杆正三角形排列的全晴合三螺杆挤出机的工业化应用，因其在轴承设置、制造工艺等诸多方面有特殊性，技术上尚待成熟，其运作机理有待深入研究，但应当看到，这项工作颇有前途。
5/29/2005
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