ЕКСТРУДЕРИ
Мал. 7.2.19. Вузол змикання гідромеханічного типу
Екструдери застосовують як генератори розплаву в агрегатах для гранулювання пластичних матеріалів, нанесення тонкошарових покриттів і пластмасової ізоляції, дублювання плівок, для виробництва плівки, листів, шлангів, труб, профільних погонажних і порожнистих виробів з ненаповнених і наповнених, неспінених і спінених ; для дегазації, фарбування, зневоднення, змішування, пластикації та пластифікації термопластів, ре - актопластів та гумових сумішей; для проведення в них деяких хімічних реакцій та процесів.
Класифікація екструдерів.За виглядом робочого органу екструдери поділяються на поршневі, черв'якові, безчерв'яні (дискові, гідродинамічні, шестерні) і комбіновані (дисково-черв'якові, черв'якові з плавильною плитою і т. д.), з електричним омічним, індукційним, діелектричним), з обігрівом за допомогою теплоносія (води, пари, мінеральної олії) та без зовнішнього обігріву. За методом регулювання та підтримки заданої температури циліндра розрізняють екструдери з повітряним, водяним та змішаним охолодженням.
Для приводу екструдерів застосовують електродвигун змінного струму зі ступінчастим або безступінчастим регулюванням частоти обертання робочого органу екструдера, електродвигун постійного струму та гідравлічний двигун.
Поршневі та безчерв'ячні екструдери мають обмежене застосування через низьку продуктивність поршневих екструдерів і недостатнього тиску, що розвивається безчерв'ячними машинами.
Завдяки універсальності найбільшого поширення набули черв'якові екструдери, основними параметрами яких є: діаметр черв'яка, відношення його діаметра додовжині та частота обертання черв'яка. Від діаметра черв'яка в першу чергу залежать продуктивність, потужність, габаритні розміри і маса машини.
Черв'якові екструдери поділяють на одно - і багаточерв'яні, одно - і багатостадійні, одно - і багатоциліндрові, з простим профілем черв'яка (циліндричний черв'як з постійним або змінним кроком, з пер.
Менною або постійною глибиною каналу) та зі складним профілем черв'яка (ступінчастим, уривчастим, конічним, параболічним), з гвинтоподібними лопатями, кулачками і т.д.
Залежно від частоти обертання черв'яка розрізняють нормальні (політропічні) екструдери (до 150 хв-1) і швидкісні (понад 150 хв-1), які зазвичай працюють в автотермічному режимі. ) рух в осьовому напрямку.
Залежно від конструктивного виконання розрізняють горизонтальні та вертикальні екструдери з виходом матеріалу вгору і вниз, стаціонарні та обертові.
Конструкція екструдера залежить від матеріалу, що переробляється, і в меншій мірі - від виду профілюваного виробу. Для переробки гранульованих термопластичних матеріалів застосовують в основному одночерв'ячні екструдери. Двох - і багаточерв'ячні машини, як правило, використовуються при переробці негранульованих, порошкоподібних термопластів та композицій на їх основі.
Одночерв'якові екструдери.В одночерв'ячному ектрудері обертається двигуном 1 через редуктор2черв'як5захоплює матеріал, що надходить із завантажувальної вирви бункера4,пластицирует, стискає і переміщає його вздовж циліндра б, забезпечуючи гомогенізацію матеріалу, що переробляється і йоговидавлювання через фільтруючі сітки 7 і решітки S, а також профільуючу головку9(рис. 7.3.1). Циліндр розділений на кілька зон автономного автоматичного контролю та регулювання температури. Кожна зона підключена до систем обігріву 10 та охолодження 11. Осьові сили, що виникають при обертанні черв'яка, сприймаються завзятим підшипником 3.
Нагнітальна дія черв'яка залежить від частоти його обертання, кута підйому гвинтової лінії і різниці коефіцієнтів тертя матеріалу про стінки циліндра і поверхню черв'яка, які залежать головним чином від матеріалу, що переробляється, і температури поверхні циліндра і черв'яка. Найбільш ефективно нагнітальна здатність черв'яка проявляється при максимальному терті матеріалу стінки циліндра і мінімальному терті поверхню черв'яка. Для зменшення тертя матеріалу поверхню черв'яка останній іноді охолоджують водою, проте при надмірному охолодженні черв'яка знижується температура екструдованого матеріалу, зменшуючи тиск, що розвивається черв'яком, і продуктивність екструдера. Для поліпшення умов захоплення матеріалу, що переробляється черв'яком, зона завантаження екструдера також охолоджується водою.
У звичайному черв'ячному екструдері термопласт проходить через три стани: твердий, суміш твердого матеріалу з розплавом і розплавлений, при цьому застосовуються одностадійні черв'яки з постійним кроком і змінною глибиною в зонах живлення h^ і дозування /23 (рис. 7.3.2), що складаються з зон живлення, стиснення L2 та дозування (видавлювання) £3.
Зазвичай дозувальна зона визначає продуктивність екструдера черв'ячного і необхідну для приводу черв'яка потужність. У дозуючій зоні існує три потоки: вимушений (прямий) і протитік (зворотний) - потоки вздовж гвинтового каналу черв'яка івитік матеріалу через радіальні зазори між гребенями черв'яка та внутрішньою поверхнею циліндра. Потік витоку проти двома іншими потоками незначний і за розрахунках їм часто нехтують. Об'ємна продуктивність дозуючої області дорівнює різниці витрат між прямим та зворотним потоками:
ДеD- діаметр черв'яка;H-глибина гвинтового каналу; п – частота обертання черв'яка; ф - кут підйому гвинтової лінії;Ар -Градієнт тиску на довжині каналу;L-довжина
Мал. 7.3.3. Залежність коефіцієнтів форми каналуFqіFpвід відносної його глибиниНІВ
нарізаної частини зони дозування; ,Fp-
Коефіцієнти форми каналу, що залежать від відношення його глибиниHдо шириниВ(рис. 7.3.3); \іт - + /2 - середня в'язкість розплаву, що знаходиться в каналі, і - в'язкість відповідно розплаву на дні каналу черв'яка і біля стінок корпусу; F^ і -
Коефіцієнти, що враховують вплив зміни в'язкості на вимушений перебіг та протитечію (рис. 7.3.4) [9].
Якщо черв'як з постійними розмірами каналу працює в ізотермічному режимі і в'язкість постійна за його довжиною, то потужність
Де e – товщина гребеня черв'яка
Мал. 7.3.4. Залежності визначення поправочних коефіцієнтів, враховують зміна в'язкості за глибиною каналу черв'яка
Необхідна для приводу черв'яка потужність може бути визначена з енергетичного балансу екструдера:
ДеQ- продуктивність екструдера, кг/год;С -теплоємність матеріалу, Дж/(кг °С); Гр – температура розплаву, °С; 7Q- температура
Завантажуваного матеріалу, °С.
На рис. 7.3.5 наведено номограму для визначення потужностіNприводу черв'яка для поліетилену низької та високої щільності 1 і 2, поліамідів 3, поліметилметакрилату 4, ударостійкого полістиролу5і кополімеру АБС 6 в залежності від температури переробки та продуктивностіQекструдера. З номограми випливає, що з підвищенням температури розплаву при даній потужності приводу зменшується його продуктивність.
На підставі обробки показників технічних характеристик одночерв'якових екструдерів, що випускаються різними фірмами, отримані наступні залежності, які дозволяють визначати з достатньою для інженерних розрахунків точністю продуктивність екструдераQ(кг/год) та потужність його
ПриводуN(кВт) від діаметра черв'якаD(мм):
Основним завданням розрахунку міцності черв'ячного екструдера є перевірка попередньо розрахованих розмірів черв'яка і визначення його максимально допустимого прогину. На черв'як діє осьова сила Р, крутний момент Мкр і рівномірно розподілене навантаженняQвід власної ваги черв'яка. СилиРіQвикликають прогин /черв'яка (рис. 7.3.6). Максимальний прогин черв'яка від розподіленого навантаження
Де Е – модуль пружності матеріалу черв'яка;J-момент інерції поперечного перерізу.
Отриманий прогин повинен бути меншим за радіальний зазор між гребенем черв'яка і стінкою циліндра.
Так як черв'яки повинні добре протистояти навантаженням від кручення і вигину і мати підвищену стійкість до зносу, їх зазвичай виготовляють з хромомолібденоалю - мінієвої сталі (азотованої 38ХМЮА), хром - монікелевої або хромомолібденової. Поверхні хробаків зміцнюють методами термохімічної обробки (азотування, загартування), а також нанесенням на поверхню хробака або йогогребенів твердого хрому та твердих сплавів [31].
Циліндри екструдерів повинні мати високу міцність, так як вони працюють при підвищеній температурі (до 400 ° С) і тиску (до 60 МПа), зносо - і корозійної - кісткою. Для підвищення зносо- та корозіон-ностійкості зазвичай у порожнину циліндра встановлюють гільзу (втулку) або набір гільз. Найчастіше внутрішня поверхня циліндра чи гільз азотируется. Оскільки азотована поверхня схильна до
Мал. 7.3.5. Номограма визначення потужності приводу черв'якаА-А
Мал. 7.3.6. Розрахункова схема сил, що діють на хробак
Коробленню та утворенню тріщин через концентрацію напруг у граничному шарі застосовують біметалічні циліндри, виготовлені методом відцентрового лиття. Товщина шару зносостійкого покриття циліндра після остаточної обробки дорівнює приблизно 1,5 мм. Біметалічні циліндри в 3 рази довговічніші за азотовані.
Метра та відношення зовнішнього діаметраDHдо внутрішньогоDBHбільше 1,5, такий циліндр можна розглядати як товстостінний посуд і розраховувати товщину їх стінки за наступною залежністю:
Так як товщина стінкиSциліндра екструдера не перевищує 10% зовнішнього діа