Экструзионные машины

Основные детали червячных смесителей

Основными деталями червячных машин являются червячные валы, состоящие из червяков, опорных узлов и шпинделей.

Червяк — основной рабочий орган машины. От правильное выбора геометрии и степени сжатия материала червяком в большой степени зависят качество переработки материала и производительность машины.

Геометрия червяка. Червяк предназначен для транспортирования непластицированного материала от загрузочного бункера, перемешивания его и равномерной (без пульсации) подачи в виде расплава к головке при определенном давлении. В связи с этим червяк условно разделяется на три зоны: зону питания, зону сжатия и зону дозирования, при этом число зон может быть увеличено в зависимости от назначения червяка и каждая зона может иметь свой профиль винтового канала.

Длины зон обычно зависят от свойств перерабатываемого материала и температуры переработки и могут изменяться в зависимости от технологи­ческого процесса.

Длина зоны дозирования принимается чаще всего от 30 до 50% длины винтового канала, длина зоны питания до 2—2,5 диаметров.

Для переработки полиэтилена высокого и низкого давления, полипро­пилена, нейлона и капрона червяк должен иметь три зоны: зону питания и сжатия с постоянной глубиной винтового канала и зону дозирования с пере­менной глубиной винтового канала (рис. 1, а).

Для переработки полихлорвиниловых композиций и полистирола чер­вяки должны иметь две зоны: зону дозирования с постоянной глубиной вин­тового канала, зоны питания и сжатия с переменной глубиной винтового канала (рис. 1, б).

Для переработки с дегазацией и обезвоживанием материала в расплаве червяк должен иметь две ступени (рис. 1, б).

Наиболее распространенные схемы червяков, применяемых для перера­ботки пластических масс и резиновых смесей, показаны на рис. 3.

Бескомпрессионные червяки с постоянным шагом и постоянной глубиной нарезки (рис. 3, а) применяются для переработки резины при длине рабочей части червяка менее 12 диаметров и диаметре червяка от 52 до 250 мм. При перемещении материала вдоль рабочего цилиндра эти червяки не сжимают, а гомогенизируют и транспортируют материал.

а - червяк для полиэтилена; б - червяк для различных композиций; в - червяк для специальных машин

Рис. 2. Геометрические размеры типовых червяков.

Червяки с переменным шагом и постоянной глубиной нарезки (рис. 3, б) применяются значительно реже ввиду трудности изготовления и меньшей производительности, чем у червяков с переменной глубиной витка. Эти чер­вяки обеспечивают повышенную производительность первых витков, большое давление в последних витках и, имея. высокую жесткость, обеспечивают пере­дачу больших крутящих моментов. Применяются обычно для высоковязких масс типа поливинилхлорида, полистирола и резиновых смесей.

Червяки с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки (рис. 3, е) нашли широкое применение в машинах для пластмасс и в новейших машинах для резины. При малой глубине нарезки в конце червяка образуется малый обратный поток перерабатываемого материала и большие усилия сдвига, что особенно важно для маловязких масс. Для высоковязких материалов эта глубина должна быть увеличена, что в конечном итоге приводит к умень­шению сечения червяка в зоне загрузки.

В червяке небольшого диаметра ослабление сечения может привести к потере прочности. В этом случае рекомендуется к применению червяк с пе­ременным шагом и глубиной нарезки (рис. 3, г), который обеспечивает большое давление, необходимое при выдавливании через щелевую головку, например, для получения пленки. Червяк этой конструкции может быть рекомендован и для крупных высокопроизводительных машин, применяе­мых в установках для покрытия пленкой различных рулонных материалов.

Червяки с постоянным шагом, состоящие из цилиндрической части в зоне питания и конической в зоне пластификации и выдавливания (рис. 3, д), применяются в машинах для литья резины, где необходимо давление до 1200 кГ/см2, обеспечиваемое червяками совместно с плунжерным ходом.

Червяки с переменным шагом, состоящие из конической части в зоне загрузки и цилиндрической в зоне пластификации и выдавливания (рис. 3, е), применяются в крупных машинах и грануляторах для резины.

Червяки с постоянным шагом и многократно-переменной глубиной на­резки (рис. 3, ж) применяются для переработки материалов, проходящих процесс дегазации. Многократное сжатие и расширение перерабатываемого материала обеспечивает выделение летучих веществ и удаление их через рабочий цилиндр или червяк.

а — бескомпрессионные с постоянной геометрией; б — с переменным шагом и постоянной глубиной на­резки; в — с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки; г — с переменным шагом и глубиной нарезки; д — цилиндро-конические с постоянным шагом; е — цилиндро-конические с переменным ша­гом; ж—с постоянным шагом и многократно-переменной глубиной нарезки

Рис. 3. Схемы типовых червяков одночервячных машин.

Кроме того, для дости­жения наибольшей однородности расплава и создания наибольшего давле­ния используются червяки с концами различной формы (рис.4).

Основное назначение концов червяков заключается в равномерном под­воде расплава к профилирующей головке, т. е. без задержки отдельных ча­стей потока расплава на длительное время в мертвых зонах.

Червяки с тупым или торцованным концом (рис. 4, а, ж, з) обычно создают пульсирующее течение потока расплава и возможность подгорания материала в мертвых, зонах. Эти. формы концов червяков в большинстве случаев применяются в сочетании с цилиндрическими входными отверстиями в головке.

Для устранения недостатков торцованных червяков применяются чер­вяки, имеющие форму концов, приведенных на рис. 4, б, в, г. Следует отметить, что цилиндрические торпедные головки или заменяющие их концы червяков в виде изображенных на рис. 4, д, е улучшают смешение и гомо­генизацию массы, выходящей из червяка. Применение червяков с коничес­кими концами (рис. 4, и) повышает теплосодержание выходящего расплава.

При применении торпедных головок возможно создание минимальных зазо­ров между корпусом и червяком. Насадки или специальные формы концов червяков с косым срезом конуса, подобные изображенным на рис. 3, б, применяются также с целью повышения давления при выдавливании.

а - торцованный червяк; б - усеченный конус; в - конус; г - конус с цилинд­ром; д - шар; е - полу­сфера с конусом и решеткой; ж - крутой конус с решет­кой; з - секторная форма с решеткой; и - конический наконечник с нарезкой

Рис.4. Различные фор­мы плавающего конца червяка.

Степень сжатия. Установлено, что при неизменных диаметре и длине) рабочей части червяка режим работы червячной машины зависит от профиля и закона изменения объема винтового канала в зонах червяка. При этом для различных видов перерабатываемого сырья и для различных форм изделий тип винтового канала наилучшим образом подбирается экспериментальным путем.

Существуют понятия геометрической и физической компрессии, которые между собой не эквивалентны, и характер из связи изучен недостаточно.

Геометрическая компрессия, или гео­метрическая степень сжатия, представляет собой отношение межвинтовых объемов во входном и выходном сечениях канала и для каналов переменной глубины может опре­деляться как отношение квадратов наруж­ных и внутренних диаметров червяка в соот­ветствующих зонах:

Для большинства червяков это соотно­шение принимается в пределах от 2,5 до 4, а иногда колеблется от 1 до 8.

Рекомендуемая степень сжатия для различных материалов принимается следующей

Понятие физической компрессии, или физической степени сжатия, опре­деляет характер уплотнения продукта при перемещении его вдоль винтового канала от порошкообразного до вязко-текучего состояния.

Физическая компрессия составляет ориентировочно половину значения геометрической компрессии.

На это значение влияют отношение косвенной плотности холодного сырья и расплава, степень заполнения сырья в начале и конце канала и зна­чение коэффициентов подачи сырья.

Диаметр червяка. В соответствии с рекомендациями СЭВ в нашей стране принят следующий ряд диаметров червяков:

D = 32, 45, 63, 90, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 450, 500 мм.

Длина винтовой нарезки червяка. Для червячных машин типового ряда по рекомендациям НИИХИММАШа в отечественном полимеростроении при­нято следующее соотношение длины червяка и его диаметра: для машин по переработке пластических масс L=(20-25)D, для машин по перера­ботке резиновых смесей L= (5-12)D.

В двухчервячных машинах материал проходит по более длинным путям и многочисленным переходам, что позволяет создавать червяки длиной L=(9-12)D. Во многих зарубежных многочервячных машинах применяются червяки с L = 9D. В двухчервячных машинах иногда применяются червяки различной длины.

Шаг винтовой нарезки червяка. От шага зависит напорное усилие, создаваемое червяком. Большое напорное усилие можно создавать, умень­шая шаг, но при этом снижается производительность. Большинство одно­червячных машин изготовляется с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки.

Для машин по переработке пластических масс шаг винтовой линии состав­ляет (0,8-1,2)D, для машин по переработке резины (0,4-0,6)D, где D — наружный диаметр червяка.

В крупных машинах для резиновых смесей применяются червяки с пере­менным шагом, равным 0,96D в зоне загрузки и 0.6D в зоне пластикации.

Для червяков многочервячных машин шаг нарезки практически находится в пределах (0,2-0,4)D.

Глубина винтового канала. При увеличении глубины винтового канала и постоянном шаге увеличивается объем массы, находящейся в червяке, в связи с чем изменяется теплопередача от стенки корпуса к перерабатывае­мому материалу. Глубокую нарезку применяют для мягких материалов при низких давлениях. Применение червяков с мелкой нарезкой дает более низ­кую производительность и высокое давление. В червяках с мелкой нарезкой обеспечивается повышенное напряжение сдвига и хорошая теплопередача между стенками цилиндра и материалом, так как материал более равномерно прогревается по толщине.

При проектировании червяков с малой глубиной винтовой нарезки необ­ходимо учитывать, что частицы загруженного материала должны быть менее 1/10 глубины винтового канала.

В проектируемых в настоящее время червяках для переработки пласт­масс глубина в зоне загрузки составляет (0,12-0,16)D, для переработки резиновых смесей (0,17-0,25)D.

При наличии переменной глубины нарезки, обеспечивающей необходи­мую степень сжатия перерабатываемого материала, наибольшая глубина принимается равной около 0,23D, а наименьшая — в зависимости от длины и степени сжатия до 0,12D. При проектировании червяков с переменней глу­биной винтового канала следует учитывать увеличение нагрузки в за­грузочной зоне, что может привести к деформациям червяка в процессе работы.

Число витков червяка. Для машин, работающих на порошкообразном и гранулированном материале, червяки выполняются однозаходными с уве­личенным объемом канала по сравнению с многозаходными, что особенно важно в зоне загрузки. Многозаходные червяки применяются для переработки предварительно пластифицированного материала (резиновых смесей). Наи­большее число заходов три.

В одночервячных машинах для переработки пластических масс толщина витка червяка составляет (0,08—0,12) D, в машинах для переработки резины (0,06—0,08)D.

Меньшая толщина витков червяков для переработки резиновых смесей объясняется тем, что резиновые смеси имеют вязкость большую, чем пласти­ческие массы, и поэтому уменьшается процент утечки массы через зазоры в процессе выдавливания. Для многозаходных червяков толщина витка должна быть меньше половины шага (по условию зацепляемости червяков). Чем меньше зазор между сопряженными витками, тем интенсивнее принуди­тельное продвижение расплава. В существующих червяках многочервячных машин толщина витков составляет (0,07-0,2)D.

Наряду с червяками, имеющими постоянную толщину витка, приме­няются червяки, имеющие винтовую нарезку с переменной толщиной. В этом случае у одного из червяков объем винтового канала по мере перехода от зоны нагрузки к зоне выдавливания уменьшается, а у другого увеличивается. В этом случае толщина витка колеблется в пределах (0,04-0,3)D.

При вращении червяка перерабатываемая масса, попадая из винтового канала, имеющего большой объем, в винтовой канал с меньшим объемом, не только сжимается, но и подвергается интенсивной деформации сдвига в узком зазоре между боковыми поверхностями червяков.

Профили винтовых нарезок. При переработке пластических масс и рези­новых смесей в червяках наибольшее применение нашли прямоугольный и трапецеидальный профили (рис.5, а и б).

Значения радиусов закруглений во впадинах: r=(0,02-0,04)D; R=(0,04-0,12)D.

Трапецеидальный профиль применяется чаще для червяков малых диа­метров (до 45-63 мм). Угол наклона профиля нарезки принимается а=10-15°, радиус закругления (0,07-0,13)D.

Для переработки резиновых смесей наибольшее применение нашел прямоугольный профиль (рис. 5, а), который характеризуется малым радиусом закругления на нагнетающей стороне r=(0,06-0,12)D и большим радиусом закругления на противоположной стороне R=(0,12-0,18)D.

Упорный профиль (рис. 5, в) применяется в крупных грануляторах и фильтр-прессах, где вопросы прочности нарезки имеют первостепенное значение. Угол скоса витка a<30°. Перпендикулярная передняя поверх­ность витка способствует в некоторой степени интенсивности продвижения расплава.

Полукруглый профиль (рис. 5, г) применяется в червяках мелких уни­версальных червячных машин только в зоне пластикации. Наличие полу­круглого профиля предотвращает обратный поток смеси.

a б в г

Рис. 5. Профили винтовых каналов червяка

Для многочервячных машин с несколькими червяками применяются прямоугольный и трапецеидальный профили (рис. 5, а, б).

Прямоугольный профиль рекомендуется для червяков с переменным шагом.

Зазоры между червяком и корпусом машины. Между гребнем витка червяка и внутренней поверхностью гильзы имеется зазор, обеспечивающий нормальную работу машины. При малых зазорах в них происходит повыше­ние температуры, в результате чего материал подгорает. Увеличение этого зазора приводит к увеличению обратного потока материала и соответственно к уменьшению производительности червячной машины. Можно рекомендо­вать следующие величины зазоров в зависимости от диаметра машины: