Конструкция основных узлов и деталей экструдеров

Равномерность подачи материала в загрузочное окно цилиндра экструдера – непременное условие отсутствия пульсаций производительности.

Бункер с предварительным подогревом материала горячим воздухом конструкции ЗАО “Атлант” был проанализирован при рассмотрении конструкции литьевых машин рис. 30, 61.

Конструкция загрузочных устройств существенно зависит от состояния загружаемого материала. Они могут быть разделены на следующие группы:

1. для хорошо сыпучих гранулированных материалов;

2. для плохо сыпучих гранулированных материалов и порошкообразных материалов;

3. для материалов, подаваемых в виде бесформенной, плохо дозируемой массы.

Первая группа наиболее проста по конструкции. Это укрепленные над загрузочным окном бункеры, как правило, конической формы. Объем бункера рассчитывается таким образом, чтобы одного заполнения хватало по крайней мере на 0.75÷2 ч работы машины. Обычно этот объем составлял от 10 л у лабораторных машин до 250 л у крупных экструдеров. Бункер оснащается смотровым окном для контроля уровня материала и задвижкой в нижней части его для прекращения подачи материала в случае необходимости. Для быстрого и удобного полного опорожнения бункера при смене марки материала он часто делается быстросъемным или оснащается разгрузочным патрубком с дополнительной задвижкой. Материал из бункера свободно просыпается, полностью заполняя загрузочное окно и объем захватывающего витка червяка.

Вторая группа – это те же бункеры, дополнительно оснащенные ворошителями и питателями. Первые разрушают своды материала в бункере, предотвращая тем самым его зависание; вторые обеспечивают равномерную подачу в загрузочное окно с заданной (часто с регулируемой) производительностью.

На рис. 74 показан бункер 1, оснащенный дисковым питателем 7 и ворошителем 5, имеющими общий привод 3. Приводом является мотор-редуктор с постоянной частотой вращения. Под воздействием пальцев 4 ворошителя материал свободно просыпается вниз, скребком 6 ворошителя распределяется по периферии диска 7 и непрерывно просыпается через кольцевую щель, образованную диском и подвижным регулировочным стаканом 9. Высота щели и, следовательно, производительность питателя регулируются опусканием или поднятием стакана с помощью регулировочных винтов 8.

Рис. 74

Если материал недостаточно сыпуч и забивает щель питателя, вместо концевой части ворошителя 10 и диска может монтироваться червяк, свои концом внедряющейся в загрузочное окно.

Материальный цилиндр (рис. 75) одночервячных экструдеров выполняется как единое целое. Если делают пазы в зоне загрузки, цилиндры делают составными. Толщина стенки цилиндра должна быть достаточной, чтобы выдерживать давление расплава до 60 МПа. При работе экструдеров рабочая поверхность цилиндров изнашивается, особенно при переработке термопластов с минеральными наполнителями. Для увеличения срока службы цилиндра в него вставляют тонкостенную втулку 2 (рис. 75) из высококачественной стали, рабочую поверхность азотируют до HRA 82÷86 единиц.

Рис. 75

При необходимости отвода тепла от цилиндра на его поверхности нарезают винтовые канавки 4 по зонам и укладывают в них медные трубки, которые затем провальцовывают заподлицо с наружной поверхностью цилиндра. На наружной поверхности цилиндра, сверху трубок устанавливают электронагреватели 5. Для каждой зоны цилиндра сверлится по одному несквозному отверстию 6 для установки термопар (хромель-копелевые). Загрузочное окно цилиндров должно иметь каналы 7 для циркуляции воды, чтобы предотвратить налипание гранул материала на стенки окна. Оба конца цилиндра имеют фланцы для крепления узла упорного подшипника и формующей головки.

Рис. 76

Соединение головки с цилиндром может осуществляться по одному из следующих способов:

- фланцевое крепление болтами рис. 76, а (1-фланец экструдера; 2-фланец головки; 3-болт; 4-решетка с пакетом сеток; 5-зажимное кольцо; 6-червяк; 7-втулка крепления фильтра)

- фланцевое крепление откидными болтами рис. 75, б (позиции теже, что и для рис а)

- крепление стяжными хомутами рис. 76, в (3,8-нижняя и верхняя половины хомута соответственно, остальные позиции теже, что и для рис а)

- байонетно-резьбовой затвор рис. 76, г (1-резьбовое кольцо; 2-цилиндр экструдера; 3-упорное кольцо на корпусе головки; остальные позиции теже, что и для рис а).

Червяки состоят из двух частей рабочей – нарезной и хвостовой. Конструкция рабочей части зависит от технических операций выполняемых на экструдере, и должна обеспечивать оптимальные условия протекания в канале нарезки процессов, совокупность которых составляет сущность данной технологической операции.

Хвостовая часть должна обеспечивать передачу крутящего момента на червяк; передачу осевого усилия с червяка на упорный подшипник; подачу и отвод термостатирующей жидкости, циркулирующей в центральном осевом отверстии червяка; попадание обрабатываемого полимера из зоны питания червяка в полость упорного подшипника.

Пластикация термопластов в пленочном режиме обеспечивает наибольшую интенсивность плавления и, следовательно, завершение перевода в вязкотекучее состояние на относительно малой длине червяка. Нагрев и плавление в этом режиме осуществляется преимущественно за счет диссипативных тепловыделений в области пленки, причем интенсивность тепловыделений пропорциональна квадрату скорости сдвига γ в этой области. Толщина пленки δ в десятки раз меньше глубины канала H, поэтому величина γ=V_ц/м/δ относительно велика (V_ц/м – разность скоростей пробки и цилиндра).

Если же твердая область разрушается на крупные агломераты и смешивается с областью расплава, то интенсивность их плавления резко снижается, так как скорость сдвига γ=V/H и, следовательно, интенсивность тепловыделений в этой области намного ниже. По этой причине традиционная конструкция рабочей области червяков преследует цель в максимальной степени сохранить пленочный режим пластикации.

Пленочный режим плавления будет сохраняться у материалов, имеющих широкий темпера­турный интервал высокоэластического состояния при повышен­ной деформативности и повышенной когезии (слипаемости) в этом состоянии, а также обладающих высокой вязкостью в вязкотекучем состоянии. Лишь очень немногие материалы отве­чают этим требованиям. По этой причине стремятся к тому, чтобы сама конструкция способствовала соблюдению условий сохранения пленочного режима. Например, стремятся к тому, чтобы область, оплавляющаяся сверху и уменьшающаяся по этой причине по высоте, постоянно поджималась к цилиндру; в связи с этим глубину канала Н в зоне пластикации делают постоянно уменьшающейся. Таким образом, уменьшение глу­бины канала служит не только для уплотнения рыхлого мате­риала области с целью удаления из него воздуха, но и для сохранения пленочного режима.

Зона питания канала, как правило, выполняется с постоян­ной глубиной. Длина этой зоны составляет (4÷6)D, включая тот участок канала, который расположен под загрузочным окном. Анализ напорно-расходовой характеристики зоны загрузки показывает, что при коэффициенте трения полимера по стали f=0,3÷0,5 оптимальным (с точки зрения максимальной производительности) является угол подъема винтовой нарезки φ=(17÷24)°. Этим значениям φ соответствует шаг нарезки t=(1,0÷1,5)D. Глубину канала в зоне питания обычно принимают равной (0,l÷0,2)D, причем меньшие значения соответствуют червякам большего диаметра, а в зоне загрузки (0,12÷0,16)D.

Ширина гребня нарезки е обычно принимается от 0,08 до 0,12 D. Увеличение этого параметра приводит к воз­растанию мощности, расходуемой на сдвиг расплава в зазоре между гребнем и цилиндром, уменьшение приводит к росту межвитковых утечек.

Величина потока межвитковых утечек пропорциональна третьей степени величины зазора между гребнем и цилиндром. По этой причине, если цилиндр или гребень достаточно износи­лись, производительность машины резко уменьшается, что осо­бенно проявляется при работе с головками большого гидравли­ческого сопротивления. Новые цилиндр и червяк должны иметь этот зазор в пределах от 0,002D до 0,005D, причем первое зна­чение соответствует большим диаметрам червяка. Меньшие величины зазора нежелательны, так как возможно заедание чер­вяка в цилиндре и задиры их рабочих поверхностей.

Рис. 77

На рис. 77 показана конструкция червяка с постоянным шагом и изменяющимся межвитковым объемом. Конец рабочей части К конический. Хвостовик червяка имеет шлицы, которые входят в шлицевую втулку привода. Внутри червяка выполнено сверление для циркуляции жидкости; резьба на входе в сверление предназначена для монтажа трубки, подающей охлаждающую жидкость. Непосредственно перед рабочей нарезкой выполнена винтовая нарезка Н лабиринтного уплотнения, предотвращающая попадание порошка термопласта (или пыли, образующейся при трении гранул во время их транспортирования) в зазор между цилиндром и хво­стовиком и далее в узел упорного подшипника.

Деление шнека на зоны I—III осуществляется по технологическому признаку, и название зоны указывает на то, какую операцию в основном выполняет данный участок шнека. Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости от природы перерабатываемого полимера, температурно-скоростного режима процесса и других факторов, начало и окончание определенных операций могут смещаться вдоль шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного участка в другой.

Рис. 2.3. Типичный червяк экструдера для переработки пластмасс с постоянным шагом и коническим сердечником в зоне плавления:

1 – зона питания, 2 – зона плавления, 3 – зона дозирования, 4 – шаг червяка,

5 – глубина канала в зоне дозирования, 6 – диаметр червяка, 7 – глубина канала в зоне питания, 8 – угол подъема винтового канала

Основные типы шнеков приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Основные типы шнеков:

а – шнек общего назначения с тремя (I, II, III) геометрическими зонами;

б – шнек для переработки высоко- кристаллических полимеров;

в – шнек для экструзии ПВХ;

D – наружный диаметр; L – длина шнека;

h – глубина нарезки шнека

Червяки изготавливают из стали 40XH2MA, подвергают азотированию. Достигают при азотировании твердость поверхности HRA 70÷74. После азотирования рабочую поверхность шлифуют или полируют, хвостовик—шлифуют.

Привод червяка должен отвечать следующим требованиям:

- обеспечение необходимой мощности, подводимой к червяку экструдера

- возможность бесступенчатого регулирования частоты вращения червяка

- поддержание постоянства частоты вращения червяка

- обеспечение требуемой зависимости между задаваемой частотой вращения червяка и необходимым для ее реализации крутящим моментом.

Необходимая мощность привода определяется как суммарная мощность, рассеиваемая во всех функциональных зонах червяка. Зависимость мощности привода Р и крутящего момента М_кр (М_кр – пусковой момент от частоты вращения червяка N представлен на рис. 78.

Рис. 78

Диапазон частот вращения червяков экструдеров составляет 50–250 ^об/_мин, а рабочие диапазоны частот вращения электродвигателей 400–3000 ^об/_мин . Поэтому в кинематику привода необходимо введение редуктора. Зависимость частоты вращения червяка N от диаметра червяка D представлена на рис. 79.

Рис. 79

Бесступенчатое регулирование частоты вращения, на современных экструдерах, обеспечивается двигателями постоянного тока с теристорным типом управления, диапазон регулирования (1:15)÷(1:20). Данный привод полностью отвечает третьему требованию.

Четвертое требование может быть конкретизировано при анализе зависимостей для расчета потребляемой мощности W в зонах червяка. Момент сопротивления на червяке равный ^W/_N пропорционален частоте вращения N рис. 80. Рабочая характеристика момента сопротивления на червяке М_кр (1, 2), характеристика двигателя постоянного тока (3) при различных способах регулирования частоты вращения N, (4)—двигатель переменного тока.

Рис. 80

Как видно из рис. 80, если мощность двигателя согласована с мощностью, потребляемой червяком при максимальной частоте его вращения, то практически вес типы привода могут обеспечить работу экструдеров в соответствии с последним, четвертым требованием.

Узел упорного подшипника предназначен для аксиальных и радиальных усилий. При работе экструдеров, особенно с головками большого гидравлического сопротивления, давление, возникающее в конце червяка, поднимается до 80 МПа.

На рис. 81 показана конструкция узла упорного подшипника экструдера с диаметром червяка 90 мм.

Рис. 81

Крутящий момент с выходного вала 1 редуктора через шпонку передается на приводящую втулку червяка 8. Осевое усилие от торца хвостовика червяка передается втулке 8, а втулка это усилие передает упорному подшипнику 9. Соединение вала 1 и втулки 8 осуществляется через шлицевое соединение 6. Сальниковое уплотнение 5 обеспечивает уплотнение втулки от упорного подшипника 9.