Принцип действия и операции, выполняемые на каландрах

При каландровании происходит непрерывное продавливание полимерного материала через зазор между вращающимися навстречу друг другу обогреваемыми полыми валками, в результате которого образуется бесконечный тонкий лист или пленка. В отличие от обработки на вальцах, основной целью технологических операций, выполняемых на каландрах, является не изменение состояния или строения материала, а придание ему формы листа или наложение слоя полимера заданной толщины на листовой материал, непрерывно подаваемый в зазор между валками. В связи с этим требования к поверхности валков и точности поддержания зазоров между ними высокие. Каландры работают только в непрерывном режиме, и материал пребывает в каждом зазоре только один раз.

Обычно каландрование производят на специализированных установках – каландровых агрегатах, главной частью которых является каландр. Схема типичного агрегата для изготовления пленки из ПВХ приведена на рис. 123. Приготовление компози­ции осуществляется в смесителе закрытого типа 1 (или смеси­теле непрерывного действия). Готовая смесь выгружается из смесителя на валки питательных вальцов 2, срезаемая с вал­ков лента направляется в верхний зазор каландра 4. По пути к каландру лента проходит мимо головки детектора металла 3, прекращающего подачу массы в случае присутствия в ней крупных металлических включений. Этим предотвращается опасность повреждения валков попадающими в полимер металлическими предметами. Если питание каландра осуществля­ется от экструдера 9, на нем устанавливается стрейнирующая головка, решетка которой не пропускает никаких твердых пред­метов. В этом случае необходимость в установке детектора металла отпадает.

Рис. 123

Выходящая из каландра 4 пленка поступает на охлаждающие барабаны 5; затем пленка проходит через толщиномер 6, приспособлениё для обрезания кромки 7 и принимается на бобину закаточного устройства 8.

Кроме того, на каландрах выполняют операции по односторонней или двухсторонней обкладке тканей, а также операцию тиснения поверхности уже сформованного листового материала.

Рассмотрим порядок выполнения этих операций на универсальном четырехвалковом каландре (рис. 124). Как видно из pис. 124, а каландр помимо основных рабочих органов (четырех валков 1, 2, 6 и 7) имеет множество вспомогательных механиз­мов: транспортеры для подачи резиновой смеси (4 и 10) и для приема готового изделия или полуфабриката (5); приводные (8 и 11) или свободно вращающиеся (3, 12, 13, 14) ролики для протягивания, направления или прижима к валку листовых ма­териалов; наконец, кронштейн 15 для установки на нем шпуль, на которые наматывается (или с которых сматывается) рулонный материал.

Односторонняя обкладка ткани (рис. 124, б). Ткань, сматы­ваясь с рулона 1, проходит через три направляющих ролика и затягивается в зазор между валками 3 и 4, куда поступает также и полимерная смесь. Прежде чем попасть в зазор, ткань некоторое время находится в контакте с горячим валком 4 и прогревается, что повышает надежность последующего соеди­нения ее с полимерной смесью. Обкладка осуществляется при практическом отсутствии фрикции между валками 3 и 4. При промазке коэффициент фрикции может иметь значение до 1,4. Разность скоростей валков способствует более глубокому проникновению композита в поры ткани. Готовая ткань, выйдя из за­зора, наматывается на среднюю приводную шпулю 2.

Рис. 124

Если необходима обкладка второй стороны ткани (рис. 124, в), то рулон снимают со средней шпули 2 и устанавливают вновь на нижнюю шпулю 3, на верхней же шпуле 1 устанавливается рулон прокладочной ткани. Обкладка осуществляется, как по­казано на pиc. 124, б. На шпулю 2 вместе с тканью, покрытой с двух сторон смесью, наматывается прокладочная ткань, пре­дотвращающая слипание продукта в рулоне.

Одновременная двухсторонняя промазка (рис. 124, г). Ткань, сматываясь с рулона 1, валиком 2 прижимается к горя­чей смеси на валке 3 и затем попадает в зазор между валка­ми 3 и 4, где встречается со вторым слоем смеси. Приводным 5 и прижимным 6 роликами прорезиненная ткань подается на по­следующую обработку или на намотку в рулон с прослоечной тканью.

Дублирование (рис. 124, д). Его выполняют, если, например, на ткань необходимо наложить дополнительный слой полимерной смеси. Ткань сматывается с рулона 1, причем прокладочная ткань, предотвра­щавшая слипание рулона, тут же наматывается на шпулю 2. Подлежащая дублированию ткань, проходя через направляю­щие валики, прижимным валиком 3 прикатывается к слою ре­зиновой смеси на валке 4 и сразу подается на приемный транспортер 5.

Листование смеси (рис. 14, е). Полимерная смесь транспортером 1 подается в зазор между валками 2 и 3 пред­варительной калибровки. Последующее двухкратное пребывание в межвалковых зазорах обеспечивает высокую точность окончательной калибровки. Готовый лист отводится от каландра транспортером.

По технологическому признаку каландры делятся на листовальные, промазочные, обкладочные (дублирующие) и тиснильные. Эти типы каландров, так же как и вальцы, раз­личаются коэффициентом фрикции и набором вспомогательных механизмов. Все они выпускаются с приводом, позволяющим изменять частоту вращения валков в интервале 1–10. Минимальная (заправочная) окружная скорость поверхности валков должна быть не более б м/мин.

Кроме отмеченных специализированных типов выпускаются универсальные лабораторные и промышленные каландры. Конструкция последних предусматривает бесступенчатое изменение коэффициента фрикции валков и достаточно полный набор вспомогательных механизмов.

Основные классификационные конструктивные признаки каландров – это число валков и их размеры. Ряд длин валков каландров определен в ГОСТ 11993–71 следующим образом: 320; 500; 600; 1250; 1500; 2800 мм. Рекомендации СЭВ содержат такой размерный ряд валков каландров (диаметр×длина, мм): 500X1250; 710X1800; 950X800. Обо­значение каландров (например, 3-710-1800П) содержит информацию о количестве валков (3), их диаметре (710 мм) и длине (1800 мм), а также о расположении привода (правое).

Рис. 125

Последний из основных конструктивных признаков, по которым классифицируют каландры, - это взаимное расположение валков. На pис. 125 показаны различные варианты расположения валков: а) Г-образное; б) L-образное; в) вертикальное; г) треугольное; д) Z-образное; е) S-образное.

Конструкция каландра

Четырехвалковый Г-образный каландр с валками диаметром 710 мм и длиной рабочей части 1800 мм предназначен для изготовления пленки из пластифицированного полихлорвинила толщиной 0,08–0,5 мм. Представлен на рис. 126.

Валки 7; 2; 3 и 4 на подшипниках скольжения 5 установлены на двух станинах 5, расположенных на двух фундаментных плитах 7. В верхней части станины связаны между собой сварными траверсами 8.

Подшипники выносного, верхнего 2 и нижнего 4 валков могут пере­мещаться по соответствующим направляющим станин для создания необходимого (до 40 мм) зазора между валками.

Подшипники среднего 3 валка перемещаются в горизонтальном на­правлении, создавая перекос среднего валка по отношению к верхнему и нижнему валкам; максимальная величина перекоса 32 мм. Подшипники выносного, верхнего и нижнего валков перемещаются при помощи механизмов 9 регулирования зазора, которые представляют собой трех­ступенчатые червячные редукторы с электродвигателями типа П-42 (N = 1,5 квт при n = 1000 об/мин). Эти механиз­мы обеспечивают перемещение валков при регулировании зазора со ско­ростью 0,4–2,0 мм/мин. Механизмы регулирования зазора установлены на каждой стороне валка независимо друг от друга.

Рис. 126

Ход подшипников при раздвижке ограничивается конечными выклю­чателями.

Для обеспечения заданной толщины каландрируемой пленки преду­смотрены механизмы 10 выбора люфтов в подшипниках и в звеньях ме­ханизмов регулирования рабочего зазора. Нагрузка на валки создается тарельчатыми пружинами. Наличие этих механизмов позволяет вести приработку подшипников валков после монтажа без использования для этого перерабатываемой массы. Максимальная сила действия пружин на валок 20000 кГ.

Для компенсации неровности толщины пленки по ширине листа за счет прогиба валков от распорных усилий на каландре предусмотрено пе­рекрещивание оси среднего валка по отношению к верхнему и нижнему.

Перекос среднего валка осуществляется при помощи механизма 11 перекоса, который состоит из червячного редуктора с электродвигателем типа АО 41-4 (N = 1,7 квт при п = 1420 об/мин). Механизм связан об­щим валом с двумя червячными парами 12, находящимися в специаль­ных проемах правой и левой станин.

Для постоянного прижима подшипников перекашиваемого валка к нажимным винтам установлено два гидроцилиндра 13, расположенных на станинах каландра. Давление масла 115 кГ/см² в гидроцилиндрах механизма перекоса создается установкой мультипликатора. В каландре предусмотрены указатели перекоса, а также конечные выключатели, ограничивающие величину перекоса.

Для ограничения растекания смеси вдоль валков и получения необ­ходимой ширины пленки на валках имеются ограничительные стрелы.

Рабочие валки каландра отливаются из чугуна или стали. Твердость поверхности бочки HRC 55–60, шероховатость – 12-го класса чистоты.

Валки обогреваются и охлаждаются циркулирующим по сверленым каналам теплоносителем. Рабочая температура валков 180 °С ± 1,5 °С. Для поддержания заданной рабочей температуры валков каландра пре­дусмотрена автоматическая станция 14, состоящая из четырех установок. Каждая установка готовит теплоноситель необходимой температуры на свой валок отдельно. Подпиточная установка поддерживает постоянный уровень теплоносителя в бачках установки. Управление установками – автоматическое и ручное. Термопары установлены в месте подвода и отвода теплоносителя из каждого валка.

Поступающая на каландрирование полихлорвиниловая масса специальным питателем 15 попадает в зазор между верхним и выносным валками. Проходя средний и нижний валки, масса листуется в плёнку заданной толщины.

После нижнего валка плёнка поступает на валок, где обрезаются кромки до заданной ширины. Обрезанная кромка в виде ленты при помощи поворотных роликов 16 возвращается вновь в рабочий зазор между верхним и выносным валками.

Затем плёнка поступает на холодильный барабан 17 для предварительного охлаждения и на тиснильное устройство для нанесения рисунка. Далее плёнка поступает на охлаждающие устройство 18. Привод тиснильного устройства – от валков каландра.

Для обрезки кромок плёнки на каландре предусмотрены ножи 20. Лезвие ножа монтируется на вертикальной качающейся штанге, закреплённой в кронштейне с помощью державки. Конструкция державки позволяет регулировать положение ножа как в вертикальном так и в горизонтальном положении.

Для измерения толщины прокатываемой пленки в каландре преду­смотрена установка бесконтактных толщиномеров. Импульсы от датчи­ков измерения толщины пленки через систему автоматики передаются на механизм регулирования рабочего зазора между средним и нижним валками, чем поддерживается заданная толщина пленки в пределах допуска.

Для аварийной остановки каландра предусмотрено устройство 21, состоящее из тросов, соединенных с конечными выключателями. При нажиме на трос каландр останавливается за 1\4 оборота валков (торможение электродинамическое).

Каландр запускается и останавливается с центрального пульта управления. Привод каландра (на каждый валок отдельно) – от электродвигателей 22 постоянного тока типа П102 (N = 75 квт при п = 1250 об/мин) через блок-редуктор 23 (передаточное число 44,82) и универсальные шпиндели 24. Блок-редуктор представляет собой четыре самостоятельных одинаковых редуктора, смонтированных в одном корпусе. Привод индивидуальный на каждый валок. Указанный привод обеспечивает переменную фрикцию между валками и регулирование окружной скорости валков в пределах от 6 до 60 мм/мин.

Смазка валковых подшипников циркуляционная (масло MK-22), осуществляется от масляной станции 25. На маслопроводе к каждому подшипнику установлены регулирующие вентили. В зависимости от режима работы каландра масло подогревается паром или охлаждается водой. Механизм регулировки зазора смазывается консистентной смазкой от питателя ПРГ-6.

Валки каландра (рис. 127) имеют рабочую часть А, называемую бочкой, место Б под установку подшипника – шейка или цапры, место В монтаж приводящей шестерни – хвостовик. Отношение диаметров шейки и бочки лежит пределах 0,5–0,72.

Бочки валков каландров часто имеют увеличивающийся к их середине диаметр (бомбировка валков); разность диаметров при этом не превышает 0,1–0,2 мм. Бомбировка в значительной степени компенсирует не­постоянство межвалкового зазора по длине валков, возникающее из-за их прогиба под действием распорного усилия.

Рис. 127

Рабочие поверхности валков тщательно полируют для получения листов и пленок с поверхностью высокого качества. С этой же целью к точности изготовления валков каландров предъявляются повышенные требования. Так, несоосность бочки и шеек, а также овальность бочки не должны превышать 0,005 мм.

Рабочая поверхность валка должна иметь повышенную твердость и износостойкость. Достигается это отливкой чугунных валков в комбинированные кокильные формы: часть формы, соответствующая бочке валка, выполняется из стали. Интенсивное охлаждение затвердевающего чугуна при контакте с высокотеплопроводной стальной стенкой формы способствует образованию поверхностного слоя валка толщиной до 15 мм, имеющего мелкокристаллическую структуру (отбеленный слой) с твердостью до HRC60.

Несмотря на этот прием изготовления валков поверхность их при работе изнашивается: ухудшается ее качество, появляются локальные вмятины. Ремонт валков заключается в их перешлифовке, а если дефекты глубокие, то и в переточке с последующей шлифовкой. Допустимое суммарное уменьшение диаметра бочки при ремонтах составляет 5—8%.

Каналы для термостатирования в валке расположены вблизи от рабочей поверхности не более 40 мм. Это уменьшает тепловую инерционность валка, интенсифицирует теплообмен.

Жидкость подается по трубе 2 в правую полость централь­ного отверстия валка. По наклонным каналам 5 она попадает в рабочие каналы 3, выполненные вдоль образующих бочки, и затем по второй серии наклонных каналов 1 попадает в ле­вую полость центрального отверстия, откуда выходит на слив. Левая и правая полости разделены кольцом 4 с уплотнителями. Рабочие каналы по торцам бочки закрыты кольцами 7 с прокладками 6. Центральное отверстие валка имеет заглушку 8.

Если рабочая температура валков каландров должна быть выше 200 °С, то целесообразно применять не жидкослой, а электрообогрев. Для контроля температуры рабочей поверхности валка в нем параллельно рабочим отверстиям выполняют отверстия под термопару. Сигнал от термопары показывающему прибору передается через контактные кольца и щетки, как и питание электроэнергией ТЭНов.

К подшипникам валков предъявляются следующие требования:

- большая несущая способность

- малые габариты

- малые потери на трение

- возможность небольших угловых смещения вала,работающие в подшипнике

- малый радиальный зазор.

Первое требование определяется тем, что подшипники нагружены большими радиальными усилиями; в некоторых машинах нагрузка на подшипник достигает 0,6 МН.

Второе требование обусловлено тем, что валки практически касаются друг друга, поэтому максимально возможный габаритный размер корпуса подшипника не может быть больше диаметра рабочей части валка.

Вследствие большой радиальной нагрузки в паре трения подшипника генерируется значительное количество тепла, эффективный отвод которого затруднен. Повышенная температура пары трения ухудшает условия ее смазки, поэтому удовлетво­рение третьего требования не только уменьшает потери энергии на трение, но и повышает долговечность подшипника.

При работе вальцов и каландров большие распорные уси­лия вызывают изгиб валков и как следствие - угловые смещения их осей в местах установки в подшипниках. Конструкция подшипника не должна препятствовать этим смещениям. В про­тивном случае возникает повышенный износ подшипников и даже заклинивание в них валков. Этим и определяется четвертое требование.

Очевидно, что наличие радиального зазора в подшипниках определяет непостоянство межвалкового зазора как во времени яри изменении нагрузок на валки, так и в данный момент времени по длине валка. Это ухудшает качество производимой на каландрах продукции. Поэтому пятое требование необходимо выполнять.

В настоящее время конструкции валковых машин оснащаются подшипниками и кольцами (радиальные, роликовые, двухрядные) допускающие значительные угловые смещения вала. Радиальные смещения вала в этих подшипниках мала. Узел нижнего подвижного подшипника трехвалкового треугольного каландра показан на рис. 128, Радиальные сферические роликоподшипники 10 установлены неконических цапфах валка. Левый подшипник закреплен жестко, правый может смещаться по оси при температурных деформациях. Система смазки подшипников централизованная.

Рис. 128

Масло подается в верхнюю часть корпуса 8, стекает и отводится из нижней части корпуса. В нижней части корпуса уровень масла поддерживается на линии роликов. Масло служит не только смазкой, но и теп­лоносителем - отводит часть тепловой энергии при циркуляции.

В нижней части корпуса предусмотрено термореле, при помощи которого температура корпуса поддерживается в пределах 70–80°С.

Левый роликоподшипник регулируется при помощи крышки 7, установочных колец 4 (торцы колец подшлифовываются), прокладок 5 и фланца 6, который через лабиринтное кольцо воздействует на внутрен­нее кольцо.

Правый подшипник фиксируется при помощи гайки 1, поджимающей лабиринтное кольцо 3. Лабиринтное кольцо 3 упирается в нижнее кольцо правого подшипника.

Гайка 1 вращается на резьбовых полукольцах 2 и фиксируется винтом, установленным в верхней разрезной части.

К приводу каландров предъявляются более разносторонние требования, чем к приводу вальцов. Во-первых, привод должен обеспечивать плавный вывод валков с малой скорости вращения (3-6 м/мин), при которой производится заправка ткани или корда и другие подсобные операции, связанные с пуском каландра в работу, на рабочую скорость. Во-вторых, он должен с высокой стабильностью поддерживать рабочую скорость валков, которая в зависимости от выполняемой операции может лежать в диапазоне от 50 до 120 м/мин. В-третьих, привод, так же как и у вальцов, должен выдерживать кратковременные перегрузки до 300%. В-четвёртых, привод должен обеспечивать требуемое значение коэффициента фрикции для каждой пары валков.

Первое, второе и третье требования удовлетворяются при использовании электродвигателей постоянного тока, допускающих регулирование частоты вращения в диапазоне 1:10. Эти двигатели могут использоваться также и для электродинамического торможения каландра при его остановке, так что необходимость тормоза в этом случае отпадает.

Значение коэффициента фрикции для каждой пары валков определяется процессом, который реализуется в зазоре между этими валками.

Привод универсальных каландров должен обеспечить возможность бесступенчатого и независимого регулирования коэффициента фрикции для каждой пары валков.

Классические схемы привода валков приведены на рис. 129. На рисунке 129, а приводные шестерни размещены не на валках 1, а в корпусе редуктора 4.

а) б)

Рис. 129

Каждому валку соответствует свой выходной вал 3 редуктора. Выходные валы соединены с валками шпинделями 5, имеющими по два шарнирных соединения 2. При этом типе привода валки не воспринимают сил, возникающих в зацеплении фрикционных шестерен; на них передаётся со шпинделя только крутящий момент. Шарниры шпинделей допускают значительные радиальные (до 30 мм) и угловые (до 10º) смещения валков относительно выходных валов редуктора, что позволяет регулировать зазор и осуществлять перекос валков в требуемых по условиям технологии пределах. Однако один из упомянутых недостатков присущ и этому типу привода: постоянство коэффициентов фрикции.

Схема привода валков универсальных каландров показана на рис. 129, б. Каждый валок имеет независимый привод, включающий в себя электродвигатель 1, муфту 2, редуктор 3 и шпиндель 4. Все редукторы кинематически независимы друг от друга, но имеют общий корпус. Регулирование коэффициентов фрикции осуществляется изменением частоты вращения двигателей.

На рис. 130 показаны кинематические схемы механизмов регулирования зазора у вальцов: а) – трёхвалкового каландра, б) – г-образного четырёхвалкового каландра, в) – z-образного четырёхвалкового каландра.

Рис. 130

Конструкция механизма регулирования для верхнего валка г-образного каландра показана на рис. 131. Электродвигатель 1 вращает соединённый с ним посредствам муфты 2 червяк 3 первой ступени редуктора. С червяком в зацеплении находится колесо 4, сидящее на валу 5, который одновременно является червяком второй ступени, работающим в паре с колесом 6. Это колесо при помощи шлицевого соединения 7 вращает нажимной винт 8. Последний, ввинчиваясь в гайку 9, смещается в осевом направлении, чему шлицевое соединение не препятствует. Валы первой ступени установлены в подшипниках качения. Вторая ступень достаточно тихоходна, поэтому её можно оснастить подшипниками скольжения.

Рис. 131

Крайне разведенное положение валков ограничено конечным выключателем 10, на который нажимает упор, укреплённый на корпусе подшипника (на рис. 131 не показан). Срабатывая, конечный выключатель останавливает двигатель. Конец нажимного винта соединяется с корпусом подшипника так: в корпусе выполнено отверстие, в котором размещён упорный подшипник. Усилие с нажимного винта передаётся к подшипнику и затем корпусу через подпятник.

При регулировании зазора оба подшипника валка должны смещаться со строго одинаковыми скоростями, чтобы сохранить постоянство зазора по всей ширине валка.