Теоретические основы переработки материала не червячных машинах

Придание материалу, например, резиновой смеси определенной формы посредством непрерывного выдавливания через головку червячной машины называется процессом экструзии или экструдированием. На скорость выхода заготовки из формующей головки большое влияние оказывает состав смеси. Так для резиновых смесей в зависимости от содержания каучука эта скорость равна 5-30 м/сек.

При движении материала по винтовому каналу червяка принято рассматривать три составляющих потока:

1. Вынужденный поток, который представляет собой поступательное течение материала вдоль оси червяка. Это течение возникает от движения червяка относительно цилиндра.

2. Вторая составляющая характеризует торможение, возникающее вследствие сопротивления головки поступательному движению. Эта составляющая называется противотоком. Противоточное течение реально не существует и принимает для облегчения теоретических расчетов.

3. Третья составляющая – поток утечки через зазор между гильзой и наружной поверхностью винтов червяка. Эта величина мала и ей при расчетах можно пренебречь.

Рассмотрим конструкцию отдельных узлов червячных машин.

Важным узлом червячных машин является корпус. Для обеспечения необходимого технологического режима корпус должен иметь рубашку.

Корпус должен быть прочным и износоустойчивым. Обычно его изготавливают из чугунного литья. Гильзы и втулки корпусов выполняют из сталей марок типа 40Х. Гильзы подвергаются термообработке или азотированию. После обработки гильзы запрессовывают в корпус стопорят от проворачивания, а затем шлифуют на заданный размер. Размер этот должен быть точным для образования зазора между витками червяка и внутренней поверхностью гильзы. Этот зазор сильно влияет на производительность. Обычно для новых машин зазор равен 0.002-0.005D, для старых – 0.008D.

Основным рабочим органом червячных машин является червяк. Червяки выполняются обычно двухзаходными, со степенью сжатия от (1:1) до (1:2.5). Двухзаходные червяки более производительные, сильнее уплотняют материал перед головкой и обеспечивают лучшую однородность смеси. Длина червяка составляет (3 - 10), шаг нарезки обычно равен диаметру, а глубина канала бывает N^/₃. Для изготовления червяка применяют стали типа 4Х13, 40Х гребни винта направляют твердые сплавы.

а) камерная головка; б) протекторная головка.

Рисунок 68 - Устройство головок универсальной машины.

 

В зависимости от типа установленной головки машина может быть камерной, проекторной и фильтрующей. В корпусе можно установить червяк диаметром 200 и 250 мм при установке соответствующей гильзы. Устройство камерной и протекторной головок показано на рисунке 68.

Подобное деление общего потока в винтовом канале на три составляющих условно. Противотока практически не существует, а есть некоторое ограничение вынужденного потока из-за наличия сопротивления головки. Для изучения процесса экструзии необходимо знать характер и величину сил и скоростей, образующихся в каналах червяка.

Экспериментальное определение скоростей по сечению канала дает возможность построить эпюры распределения скоростей. Действительный профиль скорости потока получается при сложении профилей вынужденного потока и противотока.

Суммарные векторы скоростей ни при каких случаях движения материала не дают скоростей, направленных в сторону загрузочной воронки.

При соотношении прямотока и противотока равного 1/3 (можно судить по расстоянию от воронки) эпюра скоростей соответствует оптимальной работе червячной машины. Скорость движения и объемная производительность вынужденного потока определяется следующими величинами: глубиной и шириной канала, диаметром червяка и скоростью его вращения.

 

Рисунок 69.

 

Рисунок 70

При выводе расчетной формулы производительности червячной машины исходят из геометрии винтовой поверхности червяка. При этом определяют объем между виткам червяка V, который соответствует теоретической производительности за один оборот:

, (5.1)

где: V _в- объем между двумя соседними витками винтовой поверхности червяка на длине одного шага винтовой линии V _м; - объем тела витка по этой же длине.

Рассмотрим простейший случай: винтовая поверхность описана на цилиндре.

В этом случае:

 

; (5.2)

, (5.3)

где: h- высота винтового канала червяка; t- шаг винтовой линии; R- радиус сердечника; γ - угол наклона винтовой линии; δ- толщина витка.

В случае переменного шага винта или изменения h (глубины канала) формулы для Vв и Vм получается более сложными. Масса материла уплотняется и в данном случае говорят о повышении коэффициента заполнения объема между витками .

На основании проведенного геометрического анализа можно вывести общую формулу для часовой производительности червячной машины:

, (5.4)

где Vcp- объем винтового канала червяка; n- число оборотов червяка; i- число оборотов червяка; γ₀- объемный вес смеси; β - коэффициент заполнения.

Длина винтовой части червяка не влияет на производительность. Она влияет на создание необходимой поверхности теплообмена.

Зная производительность машины можно определить скорость выдавливания:

(5.5)

где - площадь отверстия головки, обычно

Для расчета осевого усилия, возникающего в винтовом канале, можно рекомендовать формулу:

(5.6)

где - механическая мощность, передаваемая червяком, - число оборотов; - средний радиус витка; - угол подъема винтовой линии; - угол трения резиновой смеси.

Зная осевое усилие можно определить удельное давление, развиваемое червяком:

(5.7)

где - площадь поперечного сечения канала; - наружный радиус канала; - внутренний радиус канала.

Число оборотов червяка можно определить из условия равенства центробежной силы и силы тяжести :

(5.8)

рабочее число оборотов ,

или

Энергия, которая подводится к червяку, затрачивается на преодоление следующих сопротивлений:

а) усилия выдавливания:

(5.10)

в) силы трения материала о цилиндр машины:

(5.11)

г) силы трения в подшипниках привода:

где - давление смеси при выдавливании; - площадь отверстий; - угол трения; - диаметр рабочей части цилиндра; - рабочей части цилиндра; - коэффициент трения материала о цилиндр; - угол в вершине конуса сердечника шнека; - шаг нарезки; - число заходов червяка; - скорость выдавливания.

- скорость движения винтового движения.

(5.12)

Зная величины можно определить мощность привода:

или (5.13)

(5.9)

Валковые машины

Валковые машины (вальцы) особенно широко применяются в производстве пластмасс и резиновых промышленности. Эти машины используют для получения листовых и пленочных полимерных материалов, для смешения и подогрева резиновых смесей, для дробления старой резины и т.д.

Принцип работы основан на том, что два полых цилиндрических горизонтально расположенных валка, вращаются навстречу друг другу, с различными скоростями, захватывая при вращении перерабатываемую массу и увлекая ее в клиновой зазор, между валками. При выходе из зазора материал прилипает к одному из валков (в зависимости от температуры поверхности валков и их скорости вращения).

Величину зазора между валками можно регулировать перемещением одного из них, который называется передним. Валок с неподвижной осью называется задним.

Схема работы вальцев

1 - передний валок; 2 - задний валок; 3 - лента материала;

4 - "запас" материала.

Рисунок 71.

Отношение окружной скорости заднего валка с скорости переднего называется фрикцией:

, при , (6.1)

где: - диаметры заднего и переднего валка; - числа оборотов.

Классификация вальцев

I. По назначению:

1) смесительные и листовальные;

2) подогревательные;

3) регенеративно-смесительные;

4) дробильные;

5) рафинированные;

6) промывные.

II. По конструктивным признакам:

1) по размерам валков (производственные 300 - 660мм; 800 - 2100 и лабораторные 300 - 800мм);

2) по количеству валков (двухвалковые, трехвалковые и т.д.);

3) по типу привода (индивидуальные, сдвоенные, групповые);

4) по величине фрикции (1,08 - 4).

 

Конструкция валковых машин

1 - привод;2 - подшипник; 3 - аварийные выключатели; 4 - механизм регулирования зазора; 5 - траверс; 6 - поддон; 7 - маховичок; 8 - станина; 9 - фундаментная плита; 10 - валки. Рисунок 72 - Общий вид вальцев

 

На рисунке 72 показан общий вид наиболее распространенных вальцев.

Вальцы состоят из двух литых станин 8, установленных на фундаментной плите 9, и двух валков 10, вращающихся с разной скоростью навстречу друг другу. Станины имеют окна на горизонтальных полках которых установлено по два корпуса с подшипниками 2 для валков. Корпуса подшипников заднего валка неподвижны, корпуса подшипников переднего валка могут перемещаться.

Обе станины с подшипниками и валками закрыты сверху траверсами таврового сечения.

Перемещение передней пары подшипников осуществляется при помощи двух нажимных винтов (механизмов регулирования зазора, позволяющих создавать рабочий зазор между валками).

Нажимные винты приводятся в движение, от индивидуальных электродвигателей через двухступенчатые червячные редукторы или вручную при помощи маховичка 7. Под поджимными винтами установлены предохранительные шайбы, которые при перегрузке вальцев срезаются и предотвращают вальцы от поломки, увеличивая зазор между валками. Механизмы регулирования зазора, снабженные указателями, монтируются на станине 8, со стороны переднего валка. Для ограничения раздвижки валков установлены конечные выключатели, которые при аварийном состоянии выключают приводной электродвигатель 1. Перемещению вальцуемой смеси за пределы рабочей поверхности валков препятствует ограничительные стрелки. На плите под валками помещается поддон 6 для просыпающейся крошки. Валки 10 пустотелые, их необходимый температурный режим поддерживается системой водяного охлаждения (орошением внутренних поверхностей валков).

При использовании подшипников скольжения их охлаждение обеспечивается с помощью специальной системы; при этом охлаждающая вода циркулируют по специальная каналам внутри корпуса.

а) расположение рифлений; б) профили канавок.

Рисунок 73 - Схема рифлений валка.

1 - наплывы; 2 - стопорный винт; 3 - корпус; 4 - вкладыш; 5 - окно смазки; 6 - каналы для охлаждения; 7 - распределительные канавки; 8 - отверстие для дополнительной смазки; 9, 10 - пробки.

Рисунок 74 - Подшипник скольжения валков с водяным охлаждением.

1 - корпус подшипника; 2 - предохранительная шайба; 3 - чайка; 4 - нажимной винт; 5, 6 - червячные передачи; 7 - муфта; 8 - электродвигатель.

Рисунок 75 - Схема механизма регулировки рабочего зазора.

 

Рассмотренная конструкция валковой машины может быть применена для следующих процессов:

1) Смешение и листование. Смешение композиций материала основано на движении слоев запаса с различной скоростью. На практике это явление наблюдается как вращения запаса материала в виде двух зон. Основной перерабатывающий эффект достигается вблизи минимального зазора, где скорости сдвига имеют наибольшее значение. Материал затягивается валками в зазор, при этом формируется одна поверхность и материал в виде пленки или листа выходит из машины.

Материал увлекается одним из вальцев в следствии скоростей вращения или разных температур поверхностей валков.

2) Подогревание. Этот процесс заключается в том, что готовая резиновая смесь пропускается через машину, поверхность валков которой нагревается. Нагрев осуществляется паром, поступающим внутрь валков.

3) Регенеративное смешение. Данный процесс отличается от смесительного тем, что сырье, которое при смешение проваливается между валками, попадает на транспортер (фартук) и вновь подается в зазор между валками. Ширина ленты транспортера соответствует рабочей длине валков. Лента приводится в движение валком на который она подает сырье.

1. валки

2. лента

3. натяжной валик

Натяжение ленты транспортера производится тросом и передающими блоками с помощью груза или воздушного цилиндра.

4) Дробление. Этот процесс заключается в дроблении старой резины. Валик машины при этом работает с высокой фрикцией и имеют рифления, расположенные по винтовой линии. Высокая фрикция и рифление обеспечивает заданную степень дробления.

5) Рафинирование. Оно применяется для очистки материала от недовулканизированной резиновой крошки и других твердых включений. Удаление таких включений обеспечивает бочкообразной формой валков, благодаря которой твердые частицы выдавливаются из массы материала от центра к края валков. Кромки ленты, выходящей из машины обрезаются и отводятся в виде лент.

6) Промывка каучука. Процесс отмывки каучука от примесей производится водой, поступающей по распределительной трубки, расположенной вдоль оси валков. Излишки воды отжимаются из каучука в зазоре между валками. Обычно машины для промывки включаются в грунтовую установку, состоящую из дробильных и листовальных вальцев.

7) Гранулирование и чешуирование.