Теория и практика экструзии полимеров

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

В середине 30-х годов XX века появляется новый тип экс труде­ра для переработки пластмасс многошнековый, в конструкцию которого был заложен принципиально иной механизм продвиже­ния перерабатываемого материала, чем в олношнсковом, — при­нудительный. 11есомнспными преимуществами многопшековых экструдеров, наиболее распространенные из которых — двухшне­ковые, являются хороший захват исходного материала в зоне пи­тания (загрузки) независимо от его агрегатного состояния и фор­мы частиц материала, принудительное продвижение материала к формующему инструменту и взаимная самоочистка шнеков.

Основными элементами двухшнековых экструдеров (рис. 3.1) являются два шнека 2, вращающиеся навстречу друг другу (или в одну и ту же сторону) в цилиндре /. Перерабатываемый мате­риал загружается в экструдер через загрузочное окно 6 (матери­альный бункер не показан), и с помошыо шнеков 2 разогретый электронагревателями 3 расплав полимера выдавливается через формующий инструмент 4. Температурный режим переработки контролируется термопарами 5. Привод шнека состоит из элект­родвигателя 9 и редуктора 8, а возникающее распорное усилие воспринимается подшипниковым узлом 7, состоящим из последо­вательно расположенных двумя рядами упорных и радиальных подшипников качения.

Большие осевые усилия, развиваемые двухшнсковыми экстру­дерами, воспринимаются упорными подшипниками, диаметраль­ные размеры которых ограничиваются мсжосевым расстоянием между шнеками.

Упорные подшипники, смонтированные на двухшнековых машинах в пределах межосевых расстояний, могут иметь пони­женную долговечность по сравнению с одно шнековым и экстру­дерами. Поэтому для двухшнековых экструдеров разрабатывают­ся специальные конструкции упорных подшипников. 13 этих эк­струдерах точно так же, как и в одношисковых, применяются консолыю закрепленные шнеки.

На рис. 3.2 представлены различные варианты конструктивно­го исполнения опорных узлов двухшнековых экструдеров.

На рис. 3.2, а представлена конструкция подшипникового узла двухшнекового экструдера с одним укороченным шнеком.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

Шнеки / (укороченный) и 2(удлиненный) соединяются с приход­ным н штамп 7и 13шлицевыми втулочными муфтами 2 и 15. Осе - ные усилия со шнеков передаются на приводные валы через зака - 1снныс сферические упоры 16, установленные с торнов шнеков и приводных валов. Приводные валы 7 и 13 выполнены двухопор­ными. Опоры валов смешены одна относительно другой вдоль осевой линии с целью установки подшипников возможно болыие - I о диаметра.

Радиальными опорами вала 7являются два роликоподшипни­ка 6 и конический роликоподшипник 8, а вала 13 — роликопод­шипник 14и конический роликоподшипник 12. Осевые нагрузки, передаваемые шнеками на валы, воспринимаются, соответствен но, упорным подшипником 9 с коническими роликами и упор­ным роликоподшипником II. Подшипники смонтированы в разъемном корпусе 5, а задняя опора вала 7 — в приставном кор­пусе 10, что обеспечивает возможность применения крупногаба­ритных подшипников, так как осевые усилия, развиваемые рабо­чим шнеком 2, значительно превосходят осевые усилия, развивае­мые укороченным шнеком /.

Установка конического роликоподшипника 8 совместно с упорным подшипником Рна промежуточной втулке обеспечивает жесткое закрепление вала и, соответственно, шнека в осевом на­правлении. Зашита подшипников от воздействия окружающей среды обеспечивается манжетами 4, установленными на выходных концах валов. Вращение удлиненного шнека 2 и вала 7осуществ­ляется через зубчатую муфту (на рис. 3.2, а не показана), установ­ленную на правом шлицевом конце этого вала, от редуктора, а вращение укороченного шнека / — при помощи зубчатых колес, изготовленных за одно целое с валами 7 и 13.

На рис. 3.2, в показан подшипниковый узел несколько иной конструкции. Шнеки (на рис. 3.2, б не показаны) вращаются в разные стороны, при бесступенчатом регулировании частоты их вращения, с помошью электродвигателя постоянного тока. Пере­дние опоры приводных валов шнеков 3 и 7 смонтированы друг против друга и состоят из двух игольчатых подшипников 2 в каж-

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

в

Рис. 3.2. Конструктивное исполнение опорных узлов двухшнековых экструдеров

240

юй опоре, а задние опоры сметены одна относительно другой. Радиальные нагрузки в задней опоре воспринимаются ролико­подшипниками 4 и 8, а осевые — упорно-радиальным подшип­ником 5. Уплотнение опор производится резиновыми манжета­ми /. Шнеки соединяются с валами 3 и 7 шлицевыми втулками (на рис. 3.2, 6 не показаны), одеваемыми на левые шлицевые концы указанных валов. Привод шнеков осуществляется двух­рядной цепью через звездочку 6, установленную на удлиненном валу 3, и при помощи зубчатых колес, выполненных за одно це - юе с валами 3 и 7. Свободный правый конец вала 3 опирается на подшипник, установленный в специальном корпусе (на рис. 3.2, б не показан).

На рис. 3.2, в показан подшипниковый узел, где у порно-ради - альные подшипники заменены на упорные подшипники с кони­ческими роликами.

Различие в принципах работы двух - и одношнековых экструде­ров связано с разными механизмами создания давления в перера­батываемом материале.

Если у одношнскового экструдера давление развивается благо­даря вязкому течению, вызванному относительным движением шнека и цилиндра, то у двухшнсковых экструдеров к указанному фактору добавляется выжимающее действие витков сопряженного шнека. У одношнсковых экструдеров способность к развитию дав­ления определяется глубиной винтового канала (точнее /г3), в то время как у двухшнсковых экструдеров — геометрической степе­нью замкнутости винтового канала (степенью сжатия) 111, опреде­ляемой по формуле:

|дс е — ширима гребня шшктои нарезки; г — шаг нарезки винтового канала;» — число заходов винтовой нарезки.

Величина Ь, показывает, какая часть сечения канала перекрыва­ется, и характеризует принудительность транспортирования пере­рабатываемого материала к формующему инструменту экструдера и способность шнеков развивать давление.

Теория двухшнековых экструдеров только в последние 20—25 лет вышла за рамки элементарных представлений, несмотря на то, что труды, посвященные анализу их работы, стали появляться уже в 50-е годы прошлого века |2|.

Все публикации, посвященные этой теме, можно условно раз­делить на три группы.

К первой фуппе относятся работы, в которых описываются конструкции двухшнсковых экструдеров и их особенности, основ­ные узлы и детали [2—15).

Во вторую группу можно включить публикации, в которых ана­лизируется процесс переработки каких-либо конкретных материа­
лов и факторы, влияющие на проведение процесса (геометричес­кие параметры шнеков и скорости их вращения, теплофизичсскис свойства материалов и состав исходной смеси, влияние давления и температуры на качество готового продукта и т. д.) 116—221.

К третьей группе относятся работы, в которых в большей или меньшей степени сделаны попытки теоретически рассмотреть те­чение перерабатываемого материала в двухшнековых экструдерах 11,6, 16, 23—27|. Однако в работах третьей группы анализ прохо­дящих в двухшнековых экструдерах процессов не учитывает ре­альную картину течения как в самих винтовых каналах, так и в за­зорах зацепления шнеков.

У двухшнековых экструдеров основными рабочими органами являются два шнека, которые могупг вращаться как в одну, так и в разные стороны.

При вращении в одну сторону направление винтовой нарезки обоих шнеков совпадает (рис. 3.3, и, г, е), в случае встречного вра­щения оно различно (рис. 3.3, а, в, д).

В зависимости от назначения и конструкции шнеки двухшнско­вых экструдеров могут не зацепляться друг с другом (рис. 3.3, а, б) или находиться в зацеплении (рис. 3.3, в—е). В первом случае двухшнековые экструдеры работают как два одношнековых экст­рудера, но при этом за счет массообмена между двумя шнеками будет обеспечено хорошее смешение исходных компонентов.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

В случае зацепляющихся шнеков для лучшего смешения пре­дусматривается наличие зазоров зацепления (рис. 3.3, в, г), но при этом будет наблюдаться меньшая производительность экст­рудера за счет потоков утечек через боковые зазоры и ради­альные зазоры зацепления. Шнеки с плотным зацеплени­ем (рис. 3.3, д, с) обеспечивают высокую производительность и хорошую самоочистку. Но при этом следует учесть, что изго­товление шнеков с плотным за­цеплением обходится дороже, чем два других варианта.

На рис. 3.4 представлены конструктивные схемы различ­ных шнеков, предназначенных для переработки разных поли­меров. Шнеки первого типа (рис. 3.4, а) имеют три зоны с различным шагом винтовой на­резки. Они хорошо зарекомен-

Рис. 3.3. Схемы со.,ряжения шнеко. Довали себя при переработке

лвухшнскового экструдера термочувствительных материа­

лов и обеспечивают хорошее смешение. Шнеки второго типа (рис. 3.4, в) в зоне вылавлива­ния имеют меньший шаг вин­товой нарезки, что обеспечива­ет необходимую степень сжатия шнеков И шнеках третьего типа (рис. 3.4, в) степень сжа­тия обеспечивается увеличени­ем ширины гребня винтового канала. В шнеках четвертого и пятого типов, представленных на рис. 3.4, г, д, необходимая степень сжатия достигается за счет уменьшения глубины вин­товою канала.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

Рис. 3.4. Конструктивные схемы раз­личных шнеков

В зависимости от назначе­ния экструдеры Mojyr осна­щаться одним из следующих типов шнеков [ 16]:

1) с малой или нулевой сте­пенью сжатия; в основном их применяют для смешения мате­риалов при относительно низ­ких температурах, а также для переработки полимеров, чув­ствительных к перегреву;

2) со степенью сжатия 1:1,5; обычно их используют для смеше­ния и переработки в изделия широкой номенклатуры термоплас­тов;

3) со степенью сжатия 1:2; они, как правило, применяются для смешения композиций с тщательным распределением добавок в смеси.

В двухшнсковых экструдерах с зацепляющимися шнеками вин­товые каналы разбиты витками сопряженных шнеков на отдель­ные С-образные секции (рис. 3.5), заполненные расплавом поли­мера.

За счет выжимающего действия витков сопряженного шнека перерабатываемый материал, который занимает полости объемом V и V2 (см. рис. 3.5), образованные боковыми поверхностями вит­ков и цилиндрическими поверхностями сердечника шнека и охва­тывающего цилиндра, последовательно двумя рядами движется к формующему инструменту. При неизменной геометрии винтового канала (как правило, это справедливо для зоны выдавливания) ха­рактер поведения вязкой жидкости в каждой С-образной секции будет идентичным. Поэтому основным элементом при анализе ра­боты двухшнекового экструдера является отдельная С-образная

Конец С-образной секции

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

секции

Рис. 3.5. С-образные секани винтовых каналов шнеков лвухшнековых жструлеров:

i. w. h — шаг. ширина и глубина шиповых каналов; 6„ боковые и межвалковыс зазоры зацепления шнеков; <о — угловая скорость вращения шнеков; У и Pi — обьсмы С-образных секний винтовых камазов шнеков

секция. В зоне сопряжения витков с сердечником шпека возника­ет интенсивная циркуляция перерабатываемого материала, благо­приятно сказывающаяся на процессе смешения и лвухшнековых экструдерах.

Для иллюстрации механизма работы 3. Добонки |16| предло­жил модель двухшнекового экструдера (рис. 3.6, а, б). Как при встречном (рис. 3.6, а), так и при одностороннем (рис. 3.6, б) вра­щении автор указанной работы предложил плоскую модель двух­шнековою экструдера, при которой гребни винтового канала / обкатывают винтовой канал 3, образованный стенкой цилиндра 2 и сердечником шнека 4. При этом расплав полимера А выдавлива­ется к формующему инструменту.

За счет относительного движения поверхностей шнеков в зоне их сопряжения как при встречном (рис. 3.7, а), так и при односто­роннем их вращении (рис. 3.7, б) возникает интенсивная циркуля­ция, благоприятно влияющая па процесс смешения. При этом че­рез боковые зазоры зацепления осуществляется массообмсн между соседними С-образными секциями.

Двухшнековыс экструдеры с вращением шнеков в одну и ту же сторону обеспечивают лучшее качество смешения, вследствие большой разницы относительных скоростей в зоне их сопряже-

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

Рис. 3.7. Иллюстрация относительного движения поверхностей шнеков в тоне их сопряжения

ним, но имеют меньшую производительность при одинаковых геометрических размерах шнеков. Уменьшение производительно­сти объясняется худшими условиями захвата материала в зоне заг­рузочной воронки, так как один шнек препятствует захвату мате­риала другим шнеком.

Авторы некоторых исследований |2, 6, 281 исходят из предпо­ложения. что в случае полностью заполненных винтовых каналов шнеков за один их оборот выдавливаются две С-образные сек­ции. Такое упрощенное представление, естественно, приводит к значительному расхождению между расчетной и действительной производительностью двухшнсковых экструдеров. Однако в ре­альных машинах необходимость обеспечения геометрической совместимости шнеков предполагает наличие зазоров зацепле­ния 60 и б* между сердечником и поверхностью выступов нарезки

(So) и боковыми поверхностями стенок винтовых каналов (5Д) (см. рис. 3.5).

Наличие этих зазоров нарушает изолированность С-образных секций и приводит к развитию в продольном направлении винто­вого канала перетока перерабатываемого материла из одной С-об - разной секции в другую. Этот переток обусловлен, во-первых, за­тягивающим влиянием движущихся поверхностей сопряженных шнеков и, во-вторых, наличием в зоне зацепления градиента дав­ления, причинами возникновения которого являются выжимаю­щее действие витков второго шнека и сопротивление формующего инструмента.

Теория и практика экструзии полимеров

Причины перейти на инженерные пластики

За последние десятилетия появилось множество полимерных материалов. Физические, механические свойства ряда из них настолько хороши, что они активно используются как альтернатива металлу. Особым спросом пользуются так называемые инженерные пластики. Полипропилен, …

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ РУКАВНЫХ ПЛЕНОК

Системы охлаждения экструзионных агрегатов для производ­ства рукавных пленок должны обеспечивать: — заданную интенсивность охлаждения с целыо получения ка­чественного изделия при заданной производительности экструдера; — заданную структуру пленки; — равномерность охлаждения …

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА НАМОТКИ ПЛЕНКИ

При расчете процесса намотки пленки задают длину полотна или массу готового продукта. Если расчет рулона проводят по мас­се, то часто бывает необходимо исходя из диаметра рулона оце­нить толщину намотанной пленки. …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.