Червячные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Червячные машины

Содержание

1. Общие сведения

2. Устройство и принцип действия

3. Конструкция основных деталей и узлов

4. Технологические расчеты

5. Автоматизация

6. Прочностной расчет

1. Общие сведения

Червячные машины предназначены для получения заготовок из резиновых смесей различного профиля и любой длины, для очистки резиновых смесей от посторонних включений, для гранулирования каучуков и резиновых смесей, для пластикации натурального каучука, отжатия влаги из каучука и регенерата, для обкладки кабелей, шлангов и рукавов резиновой смесью. Червячные машины используются в качестве резиносмесителей непрерывного действия, служат узлами пластикации и впрыска в червячно-плунжерных литьевых машинах.

С помощью червячных машин реализуется процесс шприцевания резиновых смесей, заключающийся в непрерывном продавливании разогретого пластичного материала через профильное отверстие инструмента, размещаемого в головке червячной машины. В результате этого продавливания формуется заготовка, поперечное сечение которой соответствует геометрической форме отверстия. Таким методом получают заготовки протекторов, камер, прокладок, шнуров, шлангов и т. д.

В промышленности пластических масс подобный метод применяется для получения готовых изделий и известен под названием экструзии. Червячные машины для переработки термопластов называют экструдерами. В резиновой промышленности червячные машины называют: шприцмашинами, шнековыми машинами, червячными прессами.

Применение червячных машин для переработки резиновых смесей началось в 1870 гг. Первый патент на шнековый пресс был получен английской фирмой «М. Грей» в 1879 г. Одновременно другой английской фирмой «Шоу и Иддон» была построена шнековая машина для резины, в которой содержались основные узлы, присущие современным червячным машинам. С этого времени червячные машины начали пользоваться большим спросом и стали выпускаться в больших количествах.

Классификация. Червячные машины являются машинами непрерывного действия, отличаются высокой эффективностью работы, универсальны по назначению и поэтому относятся к числу основных машин резинового производства.

Основной характеристикой червячной машины является диаметр червяка и отношение длины его рабочей части к диаметру. ГОСТ 14773 устанавливает следующий ряд диаметров червяков (в мм): 20; 25; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 250; 200; 320; 400. Чем больше диаметр, тем больше производительность машины. Отношение длины к диаметру рекомендуется соблюдать: 5; 8; 10; 12.

Название: указывается D и L/D. Пример ЧП90х25- червяк с D=90 и длиной 25·D.

Типы и размеры одночервячных машин, определены ГОСТ 11441--70. Согласно этому ГОСТу выпускаются машины четырех типов:

1) МЧТ -- машины, одночервячные с «теплым» питанием без вакуум-отсоса;

2) МЧТВ -- машины одночервячные с «теплым» питанием с вакуум-отсосом;

3) МЧХ -- машины одночервячные с «холодным» питанием без вакуум-отсоса;

4) МЧХВ -- машины одночервячные с «холодным» питанием с вакуум-отсосом.

По технологическому назначению червячные машины классифицируются:

1) формующие или профилирующие машины, которые часто называют шприцмашинами;

2) пластифицирующие червячные машины (пластикаторы);

3) стрейнирующие червячные машины (стрейнеры);

4) гранулирующие червячные машины (грануляторы);

5) обкладочные червячные машины;

6) смесительные червячные машины.

Червячные машины могут иметь один, два, а иногда и три червяка. Наибольшее распространение получили одночервячные машины.

2. Устройство и принцип действия

Рассмотрим устройство типовой червячной машины МЧТ-125. Основанием машины (рис. 1) служит литая станина 12, являющаяся одновременно корпусом, в котором размещены все элементы привода червяка. Цилиндр червячной машины 3 состоит из корпуса и стальной гильзы. В свою очередь корпус состоит из сварной рубашки с приваренными с двух сторон фланцами для крепления цилиндра к станине машины и для крепления к цилиндру головки. Гильза уплотняется в рубашке резиновыми кольцами и фиксируется от проворачивания шпонкой. Снаружи цилиндр закрыт кожухом 5.

Червяк 4 выполнен двухзаходным, с переменной глубиной нарезки; с приводным шпинделем 7 соединен шлицевой втулкой, имеет внутреннюю полость, в которую подается охлажденная вода (через систему 10). Осевое усилие, являющееся следствием взаимодействия червяка с перерабатываемым материалом, воспринимается упорным подшипником 9. В станине на подшипниках качения установлен шпиндель 7, на котором смонтирована большая приводная шестерня 8, являющаяся последним звеном в двухступенчатой шестеренной передаче, на выходном валу которой установлен шкив 11. Вращение от двигателя через клиноременную передачу и две ступени шестерен передается к шпинделю, а от него и к червяку 4.

Машины индекса 512-ЗА оснащаются двигателем постоянного тока мощностью 14 кВт и системой электрооборудования, позволяющей плавно менять частоту вращения червяка от 20 до 100 об/мин. Машины индекса 512-9А оснащаются четырехскоростным электродвигателем и обеспечивают частоту вращения червяка 23; 24; 45 и 70 об/мин; номинальная мощность двигателя при этом составляет 4; 6; 8 и 12 кВт соответственно.



Рис. 1. Червячная машина типа МЧТ-125: 1 -- пульт управления: 2 --головка; 3 -- цилиндр; 4--червяк; 5 --кожух; 6 -- воронка; 7 --шпиндель; 8 -- приводная шестерня; 9 -- упорный подшипник; 10--система охлаждения червяка; 11 -- шкив; 12 -- станина; 13 -- крыльчатка масляного насоса.

Смазка зубчатых колес и подшипников качения осуществляется при помощи крыльчатки 13, насаженной на входной вал зубчатой передачи и помещенной в сварной корпус. Упорный подшипник 9 имеет самостоятельную масляную ванну.

Головка 2 червячной машины крепится к переднему фланцу цилиндра четырьмя болтами, а в незакрепленном положении удерживается шарниром.

Пульт управления 1 является самостоятельным узлом и размещается под цилиндром машины. В пульте располагаются узлы коммуникаций, служащих для регулирования температурного режима. Цилиндр имеет две зоны регулирования, головка -- одну. В качестве теплоносителя используется горячая вода с температурой 90 °С и давлением 0,3--0,4 МПа или пар в смеси с холодной водой.

На пульте управления имеются кнопки пуска и остановки двигателя, указатель частоты вращения червяка, приборы регистрации температуры в зоне головки и во второй зоне цилиндра. Здесь же размещены рукоятки вентилей, с помощью которых осуществляется настройка теплового режима.

Принцип действия. Исходный материал, подлежащий переработке на червячной машине, может иметь форму кусков, полос, гранул. Для машин теплого питания резиновая смесь, поступает в виде ленты, срезаемой с валков вальцов. Материал загружается в воронку 6, попадает на поверхность вращающегося червяка и его нарезкой увлекается в цилиндр 3. При этом происходит уплотнение и непрерывное деформирование материала, сопровождаемое перемещением к головке. Головка и размещенный в ней профилирующий инструмент оказывают сопротивление движению материала, вследствие чего и в самой головке и в цилиндре создается значительное давление, оказывающее влияние на работу машины. Перерабатываемый материал последовательно проходит через четыре рабочих зоны машины (рис. 2): загрузочную зону I, зону пластикации II, выдавливающую (или дозирующую) зону III и зону формования (или зону головки) IV. В загрузочной зоне червяк выполняет транспортирующую функцию и его задачей является непрерывное перемещение материала из воронки по направлению к головке. В пластифицирующей зоне за счет контакта с нагретой поверхностью цилиндра и за счет превращения механической энергии в тепловую осуществляется нагревание материала и его пластикация, перемешивание и гомогенизация.

Рис. 2. Зоны переработки материала.

Винтовая нарезка червяка обеспечивает и деформирование материала и его непрерывное перемещение вдоль цилиндра от воронки к головке. В дозирующей зоне червяк служит элементом винтового насоса; здесь материал дополнительно гомогенизируется и находится в пластичном и вязко-текучем состоянии. В четвертой зоне материал формуется в заготовку того или иного профиля. Решающим фактором для перемещения материала в червячной машине является его взаимодействие с подвижной поверхностью вращающегося червяка и неподвижной поверхностью цилиндра. В зоне загрузки большое значение имеет величина коэффициента трения между материалом и поверхностью червяка, а также между материалом и поверхностью цилиндра. Чтобы материал мог перемещаться вдоль оси червяка, коэффициент трения материала на поверхности червяка должен быть по возможности мал, а коэффициент трения материала на поверхности цилиндра достаточно велик. Если это условие не выполняется, то материал может вращаться вместе с червяком, не перемещаясь в направлении головки. Благоприятный режим работы машины в загрузочной зоне достигается выбором соответствующей геометрии винтовой нарезки червяка, формы загрузочного отверстия в цилиндре, обработкой поверхности червяка и цилиндра, а также подбором нужных тепловых и скоростных параметров технологического процесса.

В зоне пластикации осуществляются решающие процессы обработки материала. Вследствие сопротивления головки, а также переменного объема винтовой канавки червяка в цилиндре материал находится под давлением и за счет сцепления с рабочей поверхностью вращающегося червяка и неподвижной поверхностью цилиндра вовлекается в сложное движение. Деформации сдвига по мере перемещения материала к головке все больше и больше проникают в его глубину. Создается поток материала, который проявляет свойства аномально-вязкой жидкости. Взаимодействие перерабатываемого материала с рабочей поверхностью машины носит гидродинамический характер. Это и положено в основу современной теории работы червячной машины. В зоне пластикации происходит основной нагрев материала; здесь материал доводится до такого состояния, чтобы его можно было формовать с минимальной затратой усилий.

За исключением последней зоны (формования) все указанные зоны не имеют четких границ друг с другом. Причем границы между зонами зависят от состояния материала, загружаемого в машину, и от технологического назначения машины. Так, в машинах, питаемых разогретой резиновой смесью и предназначенных для выпуска профильных заготовок, преобладает функция формования. Здесь не требуется длительного деформирования материала, зона пластикации сокращается по длине. Червяк в таких машинах имеет рабочую длину не более пяти диаметров. Наоборот, в машинах, предназначенных для пластикации каучуков, разогрева резиновых смесей, зона пластикации должна быть увеличена. Длина червяка в машинах подобного назначения увеличивается до 10 и даже 12 диаметров.

3. Конструкция основных деталей и узлов

Червяк. Наиболее важной деталью червячной машины, ее рабочим органом является червяк. Технологическое назначение машины определяется в основном конструкцией червяка. Обычно червяк состоит из двух неразъемных частей: нарезной части и хвостовика. Нарезная часть входит в цилиндр машины и является ее функциональным органом, хвостовик служит для соединения червяка с приводом машины.

По количеству заходов нарезки червяки бывают:

1. Однозаходные, двухзаходные, трехзаходные;

2. Комбинированные -- однозаходные в зоне воронки и двухзаходные в дозирующей зоне.

Двухзаходная нарезка обеспечивает более равномерную подачу перерабатываемого материала в головку, чем однозаходная нарезка.

Червяки изготавливаются с постоянным по длине шагом нарезки и с переменным. Глубина нарезки также может быть постоянной или переменной. Отношение объема винтовой канавки на длине червяка в один шаг нарезки в зоне воронки к такому же объему в зоне нагнетания носит название степени сжатия.

Степень сжатия выбирается опытным путем и составляет обычно 1,2--1,3. Необходимая степень сжатия достигается или переменной глубиной нарезки, или переменным шагом, или тем и другим одновременно.

По форме червяки конструируются:

1. Цилиндрическими;

2. Коническими;

3. Ступенчатыми (коническо-цилиндрическими).

Отношение длины нарезной части червяка к его диаметру D определяет технологическое назначение машины. Машины, предназначенные для переработки разогретых резиновых смесей, имеют это отношение в пределах 3--5. В машинах, перерабатывающих каучуки и холодные резиновые смеси, применяются более длинные червяки, длина нарезной их части здесь доходит до 10 диаметров и более.

Угол подъема винтовой линии нарезки червяка оказывает существенное влияние на производительность червячной машины. Установлено, что оптимальная (с точки зрения производительности) величина угла находится в пределах 20--30°.

Материалы червяков- стали марок 40ХНМА, 38Х2МЮА, 40Х и 45 с термической обработкой, предельная прочность которых на разрыв достигает 8·10² МПа. Поверхность червяка азотируется на глубину 0,5-- 0,7 мм и подвергается термической обработке для достижения твердости HRC 78--82 с целью повышения износостойкости. Гребни винтовой нарезки крупных машин наплавляются твердым сплавом.

Зазор между червяком и поверхностью цилиндра (по наружному диаметру нарезки и внутреннему диаметру цилиндра) выбирается в пределах (0,002-0,005)D. По мере износа рабочих поверхностей этот зазор увеличивается, что приводит к снижению производительности машины. При достижении зазора, превышающего 0,01 D, червяк и цилиндр подлежат восстановительному ремонту.

На рис. 3. приведена конструкция червяка к машине общего назначения типа МЧТ-63. Нарезка- двухзаходная, с постоянным шагом и переменной глубиной. Степень сжатия-1,2. На поверхности части, являющейся переходной от хвостовика к рабочей, имеется винтовая канавка небольшой глубины, препятствующая выходу резиновой смеси из цилиндра в зону подшипников.

Рис. 3. Конструкция червяка к машине МЧТ-63.

Конструкция червяка с переменным шагом нарезки и постоянной глубиной показана на рис. 4

Рис. 4. Конструкция червяка с переменным шагом нарезки.

Частота вращения червяка оказывает влияние не только на производительность, но и на весь режим работы червячной машины. По этой причине большинство червячных машин имеют схему привода червяка, которая позволяет варьировать частоту его вращения в достаточно широком диапазоне. Это достигается установкой коробок скоростей, вариаторов, а также двигателей со ступенчатым или плавным регулированием частоты вращения вала.

Охлаждение червяка. Для поддержания теплового режима работы на требуемом уровне червяки имеют центральный канал, внутрь которого подается охлаждающая вода. В головной части червяка этот канал заглушается, а в хвостовой части -- соединяется с системой охлаждения.

Рис. 5. Система охлаждения червяка: 1 -- хвостовик червяка; 2 -- трубка; 3 -- приводной вал; 4 -- крышка; 5 -- уплотнительная манжета; 6 -- центральная труба.

Подвод воды для охлаждения червяка осуществляется с помощью специальной системы, один из вариантов которой показан на рис. 3.3. Вода подается во внутреннюю полость червяка по центральной трубке 6, прикрепленной к фланцу 4 с помощью крышки. Возврат воды идет по межтрубному пространству, образованному центральной трубой 6 и трубой-удлинителем 2. Последняя ввернута одним концом в хвостовик червяка и вместе с ним вращается. Второй конец этой трубы входит в сливную полость крышки 4 и уплотняется здесь резиновой манжетой 5.

Цилиндр. Цилиндр червячной машины должен быть достаточно прочным и массивным, так как он работает при большом давлении: 6--15 МПа (в зависимости от перерабатываемого материала и диаметра червяка), а при закрытой головке -- до 30--40 МПа.

Цилиндр машины обычно изготавливают из чугунного или стального литья цельным или сборным. В последнем случае на наружной поверхности внутреннего стакана имеются ребра для образования полостей, в которые может подаваться обогревающая или охлаждающая вода. Если цилиндр изготовлен из одной отливки, он выполняется с полостями для пара или воды. Внутрь цилиндра запрессовывается сменная гильза из стали 38ХМЮА_;, внутренняя (рабочая) поверхность которой азотирована и имеет твердость HRA 83--86.

На рис. 6. приведена конструкция сборного цилиндра. Корпус цилиндра 5 выполнен сварным и состоит из рубашки и двух фланцев -- переднего 4 и заднего 8. Стальная гильза 2 крепится в корпусе с помощью болтов и фланца 1 и удерживается от проворачивания шпонкой 6. Две рубашки, образованные наружным кожухом, внутренней трубой и гильзой, позволяют поддерживать различный тепловой режим в зоне воронки и в рабочей части цилиндра. Подача теплоносителей в рубашки производится через штуцеры 7.

Рис. 6 Цилиндр сборной конструкции: 1 -- фланец, 2 -- гильза; 3 -- уплотнительное кольцо; 4 -- передний фланец; 5 -- корпус; 6 -- шпонка; 7 -- штуцер; 8 -- задний фланец.

В цилиндрах литой конструкции полости для циркуляции теплоносителей создаются в процессе отливки. Во внутреннюю полость цилиндра в этом случае запрессовываются сменные гильзы из термообработанной стали.

Загрузочная воронка. В корпус машины встроена загрузочная воронка для питания машины резиновой смесью. Загрузочная воронка делается таких размеров, чтобы по длине она занимала 1--1,5 витка червяка. Одна из сторон имеет наклон 30°- 35° к вертикали. Для лучшего захватывания подаваемой смеси червяком воронку делают с некоторым поднутрением дли устанавливают у воронки приводной вращающийся питательный валик, В крупных червячных машинах (грануляторах, листовальных) материал подается в воронку принудительно одним или двумя специальными толкателями. Применение питательного валика или толкателя повышает производительность машины. Виды загрузочных воронок представлены на рис. 7.

Рис. 7. Виды загрузочных воронок: 3--общего назначения; б -- с питательным валиком, а --с принудительным питанием.

Станины и фундаментные плиты. Станины и фундаментные плиты изготавливают из чугунного литья или из проката сварными, коробчатого сечения. Внутри станины иногда устанавливают электродвигатель привода и редуктор. Часто станины делают разборными или отодвигающимися, что облегчает монтаж и ремонт машины. Некоторые червячные машины выпускаются с массивным основанием и антивибрационными устройствами, допускающими установку машины на полу без применения специальных фундаментов, что удешевляет и упрощает их монтаж и перестановку при изменении технологического процесса.

Головки. В зависимости от направления выхода шприцуемой резиновой смеси головки могут быть прямые, поперечные или косые. В прямой головке направление течения резиновой смеси совпадает с направлением оси червяка. Подобные головки применяются для грануляции смесей, очистки их и производства большинства профильных заготовок. В поперечной головке направление течения смеси меняется на 90° по отношению к оси червяка, а в косой головке -- чаще всего на 60°. Такие головки применяются главным образом для непрерывной обкладки резиновой смесью каких-либо изделий (например, при изоляции проводов и кабелей, при обкладке рукавов, шлангов и т. п.).

По сопротивлению головки условно делятся на три типа:

1. Головки низкого давления -- до 5 МПа,

2. Головки среднего давления-- от 5 до 10 МПа,

3. Головки высокого давления -- свыше 10 МПа.

Основные требования к головкам. Для удобства смены и быстроты чистки головки должны легко и удобно сниматься с корпуса цилиндра, для чего машины оснащаются соответствующими устройствами от простых болтовых соединений до сложных байонетных затворов и специальных подъемных устройств.

Внутренние полости и каналы, по которым совершается течение перерабатываемого материала, должны иметь плавные переходы без «мертвых» зон и застойных пространств, в которых резиновая смесь может находиться без движения, перегреваться, вулканизоваться и вызывать дефекты в шприцуемых полуфабрикатах. Чтобы резиновая смесь равномерно выходила из профилирующего инструмента, в головке машины внутренние каналы от червяка до выхода должны иметь одинаковое гидравлическое сопротивление по всем линиям тока.

Внутренние полости головки и ее деталей обрабатываются по высокому классу чистоты, хромируются и полируются. Это обеспечивает легкую чистку головки и способствует получению высокого качества шприцуемых изделий.

Протекторные головки. На рис. 8. представлена схема головки червячной машины для выпуска заготовок протекторов автомобильных шин. Корпус головки представляет массивную отливку с полостями для подачи пара или воды. Своим фланцем корпус головки крепится к цилиндру машины 7, выходное отверстие имеет форму щели, закрываемой спереди двумя планками, оформляющими профиль заготовки. Верхняя сменная планка 2 является профилирующей, имеет очертания, соответствующие профилю сечения заготовки протектора. Эта планка прижимается к корпусу головки с помощью планки 3 и гребенки 4. Гребенка в свою очередь соединена со штоком воздушного цилиндра 5. Это позволяет быстро осуществить смену профильной планки и перейти к выпуску других заготовок.

Рис. 8. Схема устройства протекторной головки: 1-- нижняя планка; 2 -- профилирующая планка; 3 --зажимная планка; 4 -- клиновая гребенка; 5 --воздушный цилиндр; 6 -- корпус головки; 7 -- цилиндр машины.

Для того чтобы обеспечить равномерное течение резиновой смеси от червяка до профилирующего зазора внутренняя полость головки выполняется с переменными сечением и конфигурацией (рис. 9.). Максимальная ширина протекторной заготовки не должна превышать трехкратного диаметра червяка.

Рис. 9. Конфигурация внутренней полости головки для выпуска заготовок протекторов.

Существуют головки для выпуска протекторов из двух марок резин: верхняя часть протектора из более жесткой износоустойчивой резины, а боковая и нижняя часть из более мягкой, стойкой к многократным деформациям. Головка в этом случае является общей для двух червячных машин. Конфигурация внутренних полостей головки обеспечивает то или иное сочетание резин в общем поперечном сечении заготовки.

Головка (рис. 10.) крепится болтами к цилиндру червячной машины 1 (диаметр червяка 250 мм) и к цилиндру червячной машины 4 (диаметр червяка 200 мм). В головке имеется Y-образный блок 3 с рубашками для нагрева-охлаждения. Этот блок обеспечивает разделение потоков двух резин и соединение их в один перед профилирующим инструментом. Сменные планки 6 крепятся специальными зажимными устройствами 7, имеющими воздушные приводы 5. При такой установке головки заготовка протектора выдавливается вниз и отбирается с помощью ленточного транспортера, смонтированного в станине червячных машин.



Рис. 10. Схема головки для выпуска двухслойных заготовок протекторов: 1 -- цилиндр машины Ш250 мм; 2 -- корпус головки; 3 -- блок; 4 -- цилиндр машины Ш200 мм; 5 -- цилиндры воздушного привода; 6 -- профильные планки; 7 -- зажимные устройства.

Головка трубчатых изделий. В головках для выпуска полых трубчатых заготовок (рис. 11) профилирующими инструментами являются дорн 1 и мундштук 9 (называемый иногда матрицей или шайбой).

Рис. 11. Головки для выпуска заготовок трубок и шлангов (а) и автомобильных камер (б): 1 -- дорн; 2 -- гайка; 3 -- регулировочный болт; 4 -- корпус головки; 5 -- цилиндр; 6 -- штуцер для подачи воздуха; 7 -- червяк; 8 -- дорнодержатель; 9 -- мундштук.

Мундштук закрепляется в корпусе головки 4 гайкой 2 и может центрироваться относительно дорна с помощью трех регулировочных болтов 3. Этим обеспечивается нужный зазор между дорном и мундштуком. Дорн крепится на дорнодержателе 8, установленном прочно в выточке цилиндра машины 5. Дорнодержатель имеет окна для прохода резиновой смеси, и его центральная часть соединена с периферийной частью посредством тонких обтекаемых ребер. Ребра имеют сверления, через которые внутрь трубчатой резиновой заготовки подается опудривающая композиция (смесь воздуха с тальком), предотвращающая слипание заготовки после того, как под действием собственного веса рукав заготовки деформируется.

Головка косая, для нанесения изоляции. На рис. 12. показана схема косой головки, применяемой для нанесения резиновой изоляции на провода. В дорне 4 имеется отверстие для протягивания провода, величина слоя определяется размером мундштука 1, положение которого можно регулировать болтами. Для спуска излишней резины в головке установлен пробковый кран 3.

Рис. 12. Головка для нанесения резиновой изоляции на провода: 1 -- мундштук; 2 -- корпус головки; 3 -- кран; 4 -- дорн; 5 -- цилиндр.

Определение основных размеров головки. Размеры каналов головки определяют, исходя из объема резины, выходящей из головки в единицу времени под определенным давлением; при этом допускается, что течение резиновой смеси подобно течению ньютоновской жидкости. Скорость шприцевания и объемная производительность машины в значительной степени определяются давлением в головке и свойствами резиновой смеси. Обычно для смесей с большим содержанием каучуков скорость шприцевания колеблется от 5 до 9 м/мин., а для наполненных смесей -- от 15 до 30 м/мин.

По производительности машины можно определить размеры сечений и длину каналов головки, необходимых для изготовления изделий заданного профиля. Для получения изделий с постоянными размерами необходимо добиваться того, чтобы падение давления в каждой точке сечения головки было постоянным. Сумма потерь давления в расчетных точках головки должна равняться фактическому общему давлению в головке. Конструирование головок ведут методом подгонки, проверяя потери давления по полученным геометрическим размерам. Если полученные расчетом размеры не обеспечивают этого условия, их несколько изменяют, меняя сечение каналов. На практике размеры сечений каналов часто подгоняют под габаритные размеры изделия.

При конструировании головки и приспособлений (планки, мундштуки, дорны) принимают следующие положения.

1. Диаметр цилиндрической головки на входе принимают равным диаметру цилиндра машины. Обычно головку делают внутри конической с диаметром, уменьшающимся к выходному сечению головки. Назначение конуса -- создать давление на выходе. Диаметр мундштука на входе должен быть равен диаметру внутренней полости головки на выходе. На выходе мундштук можно делать расширяющимся, что дает возможность шприцевать кольцевые заготовки диаметром несколько большим (в 1,1--1,2 раза), чем диаметр червяка.

2. Расстояние от конца червяка до мундштука не должно превышать диаметра червяка.

3. Внутренний объем протекторной головки должен быть в 2 раза меньше объема червяка. Длина ее для средних машин должна быть больше диаметра червяка на 75%, а для больших машин -- на 100%. Площадь сечения выходной щели должна быть в среднем на 50% меньше площади сечения червяка.

4. При выборе конфигурации выходных отверстий головок учитывают усадку и скорость выхода резины.

5. Головка и охлаждающие полости должны быть так сконструированы, чтобы при температуре шприцевания 120°С температура наружной стенки головки не превышала 70°С. Этим предупреждается подвулканизация смеси в «мертвых зонах» где скорость протекания смеси меньше.

4. Технологический расчет

К технологическим параметрам работы червячной машины относятся производительность, частота вращения червяка, давление в головке и мощность привода червячной машины. Все эти параметры легко поддаются измерению. Осуществляя контроль за ними и регулируя их, можно добиться наиболее эффективной работы машины.

Производительность машины и потребляемая мощность зависят в первую очередь от геометрических характеристик червяка и цилиндра, реологических свойств перерабатываемого материала, сопротивления головки и частоты вращения червяка.

Давление в головке, определяемое ее сопротивлением, зависит от производительности, геометрических характеристик каналов головки, по которым осуществляется течение перерабатываемого материала, и от реологических свойств перерабатываемого материала.

Производительность и давление в головке, находятся во взаимодействии между собой. Изменяя частоту вращения червяка, можно в широких пределах изменять производительность червячной машины.

Но!!! всякое изменение частоты вращения червяка приводит и к изменению величины энергии, потребляемой приводом червяка. Т.к. большая часть энергии расходуется на преодоление сил вязкого трения материала в рабочем пространстве машины, и рассеивается в виде теплоты, то любое изменение скоростного режима работы машины вызывает необходимость изменения теплового режима и червяка и цилиндра.

Резиновые смеси и каучуки, как уже указывалось ранее, в состоянии переработки считаются аномально-вязкими системами, вязкостные свойства которых зависят и от температуры, и от режима деформирования. По этой причине становится вполне очевидной вся сложная взаимосвязь технологических параметров.

Вывод. Для того чтобы обеспечить заданную производительность машины необходимо подобрать соответствующую частоту вращения червяка, а для того чтобы сохранить при этом и качество продукта -- выбрать тепловой режим головки, цилиндра и червяка.

5. Мощность и производительность

(Для одночервячной машины.)

В одночервячной червячной машине, полимер проходит три состояния: твердое, размягченное и расплавленное, реализуемые в трех зонах червяка, последней из которых является зона дозирования. Их производительности одинаковы, поэтому производительность машины принято определять по дозирующей зоне червяка.

В нынешних представлениях в ч.м. действуют три потока перерабатываемого материала: прямой, мнимый обратный и поток утечек через радиальные зазоры между цилиндром и гребнем винтовой нарезки червяка. Пояснения на рис. 13

Прямой поток иногда называют вынужденным. Он появляется в результате вращения червяка, действующего подобно гидравлическому винтовому насосу. Производительность прямого потока определяется скоростью вращения червяка и геометрическими характеристиками а винтового канала (глубина, ширина, шаг и угол наклона нарезки, диаметр червяка, профиль канавки).

Рис. 13. Схема, давления в головке. Дp- давление в головке.

При отсутствии сопротивления движению расплава будет действовать лишь один прямой (насосный) поток, пропорциональный частоте вращения. Прямой поток не зависит от реологических свойств перерабатываемого материала.

Обратный поток является мнимым. Он обусловлен сопротивлением движению материала, которое определяется давлением и сопротивлением в головке, и зависит от эффективной вязкости.

Поток утечек также создается давлением в головке, направленным навстречу движению расплава. Он зависит от геометрии каналов в головке и вязкости полимера. Поток утечек десятки раз меньше прямого потока.

Окончательная производительность червяка:

(1)

- производительность червячной машины;

- прямой поток;

- обратный поток;

- поток утечек.

Потребляемая мощность привода представляет собой сумму трех составляющих: мощности, расходуемой на преодоление трения полимера о стенки цилиндра и поверхность червяка; мощности, затрачиваемой на сдвиг материала в кольцевом зазоре между червяком и цилиндром, и мощности, потребляемой на увеличение давления материала (7 % от полного).

Мощность, необходимая для привода червяка, также может быть определена из уравнения, составленного на основе энергетического баланса экструдера.

6. Тепловой баланс

Тепловой расчет состоит в определении необходимой мощности нагревателей материального цилиндра червячного пресса, работающего в расчетном режиме, и сопоставлении ее с табличной мощностью обогревателей выбранной серийной машины. В результате должно соблюдаться соотношение

(2)

Тепловой баланс процесса:

(3)

- энергия потребляемая двигателем;

- энергия нагревателей материального цилиндра;

- энергия затрачиваемая на преодоление сил трения в приводе (мех. потери)

- энергия затрачиваемая на подъем давления материала;

- энергия расходуемая на нагрев материала в машине;

- тепло уносимое охлаждающей водой, через теплообменные устройства червяка и цилиндра;

- потери тепла в окружающую среду. (Конвекция и лучеиспускания от нагретых эл-ов машины)

7. Давление в Ч.М.

Расчет величины удельных давлений, возникающих в конце червяка у головки, можно производить двумя способами. Первый способ базируется на определении механических усилий, передаваемых червяком, в результате которых определяется осевое усилие. Второй способ служит для определения максимально возможного удельного давления, производимого червяком пpи закрытом отверстии в головке.

Зная величину осевого усилия можно определить удельное давление, развиваемое червяком.

(Н/м²) (4)

8. Автоматизация процесса

При работе червячной машины контролю подлежат такие параметры, как температура головки и цилиндра, частота вращения червяка, потребление энергии электродвигателем. В отдельных машинах предусмотрен контроль за давлением в головке и за усилием на упорный подшипник червяка. Контролируются также давление и температура горячей и холодной воды, давление сжатого воздуха. Для этих целей используются обычные приборы: потенциометры, тахометры, манометры и счетчики электроэнергии -- киловаттметры и т. п. Все эти приборы монтируются на пульте управления и помогают оператору следить за работой машины.

Главным является контроль за тепловым режимом работы. В машинах старой конструкции и некоторых новых машинах небольшого размера поддержание температуры головки и цилиндра на заданном уровне обеспечивается ручной регулировкой, т. е. с помощью вентилей, установленных на линии греющего пара и линии промышленной воды. В более современных машинах предусматривается автоматическое регулирование температуры головки и отдельных зон цилиндра.

Рис. 14. Принципиальная схема тепловой автоматики червячной машины с камерной головкой/

В качестве примера на рис. 14 приведена принципиальная схема тепловой автоматики червячной машины с головкой для выпуска камерных заготовок. Регулированию подлежат две зоны -- зона головки и передняя часть цилиндра. Температура зоны загрузочной воронки и охлаждение червяка регулируются вручную. Теплоносителем служит насыщенный пар (1 МПа), охлаждающей средой -- промышленная вода (0,3 МПа). В корпусе головки и цилиндра установлены термопары 1а и 2а, связанные с потенциометрами 1б и 2б автоматического типа. Отклонения температуры от заданного уровня вызывают изменения давления в сети инструментального воздуха, соединяющей потенциометры с регулирующими клапанами 1г, 2г, 1д, 2д. Вследствие этого увеличивается или сокращается подача греющего пара и охлаждающей воды в регулируемую секцию. Такая схема позволяет поддерживать температуру головки и цилиндра на уровне в пределах от 30 до 140°С с точностью до ±1єС.

В ряде машин, особенно «холодного» питания с вакуум-отсосом, где число зон регулирования температуры доходит до шести, обогрев производится с помощью горячей воды, подогреваемой паром или электричеством в специальных нагревателях.

9. Прочностной расчет (проверочный)

Проверочному механическому расчету подвергают наиболее важные детали червячного пресса, от надежности которых зависит работоспособность всей установки. К таким деталям относятся червяк, его подшипники и материальный цилиндр.

Задача расчета червяка состоит в проверке выбранного или имеющегося в распоряжении исполнителя червяка экструдера на прочность и гибкость в условиях конкретного технологического режима. Проверкой на гибкость устанавливают прогиб червяка, что необходимо для недопущения истирания витков червяка при скольжении по внутренней поверхности цилиндра.

Червяк представляет собой консольный стержень, к которому приложено осевое усилие Р, равномерно распределенная нагрузка от собственного веса червяка q и крутящий момент М_кр. Расчетная схема представлена на рисунке 15.

Таким образом, червяк находится в сложнонапряженном состоянии и рассчитывается по третьей теории прочности:

(5)



Рис. 15. Принципиальная схема: Крепления червяка (а); Сил, приложенных к червяку (б); Его винтовой нарезки (в)

Считаем:

1. Напряжение сжатия возникает от действия осевого усилия Р. Оно определяется по уравнению:

(6)

2. Напряжение изгиба а_и вызвано действием распределенной нагрузки q:

(7)

W-- осевой момент сопротивления сечения червяка;

3. Напряжение кручения ф_кр вызвано действием крутящего момента и определяется по уравнению:

 (8)

(9)

W_с -- полярный момент сопротивления сечения червяка;

4. Величину допускаемого напряжения при изгибе определяют исходя из величины разрушающего напряжения материала червяка.

(10)

где п -- коэффициент запаса прочности, п = 2,5-3.

Значение разрушающего напряжения некоторых марок сталей и чугуна:

5. Проверка червяка на гибкость представляет собой расчет на продольно-поперечный изгиб с учетом осевого усилия Р (Н) и погонной силы веса червяка q (Н/м). Эта проверка выполняется только в том случае, когда давление в головке совпадает или превышает давление, развиваемое червяком.

Прежде всего определяют величину критического осевого усилия, при котором консольный стержень еще не теряет устойчивости:

(11)

где Е -- модуль упругости; для стали Е - 2,1·10⁵ МПа; I -- момент инерции сечения червяка,

Значение максимального прогиба не должно превышать величины радиального зазора между червяком и стенками цилиндра, в противном случае необходимо либо изменять технологические параметры (для уменьшения величины осевой силы Р), либо выбирать червячный пресс с червяком большего диаметра.

Подшипниковый узел червяка состоит из радиальных подшипников качения и упорного или радиально-упорного подшипника, на который передается приложенное к червяку осевое усилие Р. Учитывая, что нагрузка на радиальные подшипники незначительна, проверке подлежит только упорный подшипник. Он проверяется по коэффициенту работоспособности С:

(12)

Расчет материального цилиндра экструдера состоит в оценке значений механического и температурного напряжений и сравнении их суммы с напряжением, допускаемым для марки стали проверяемой машины.

Так как материальный цилиндр изготавливается со значительной толщиной стенки, вследствие чего он относится к толстостенным сосудам, а его наружная и внутренняя поверхности имеют разную температуру, то расчет цилиндров производится по механическому и температурному напряжениям. При этом должно соблюдаться неравенство вида:

(13)

червяк мощность производительность баланс

Литература

1. Бекин Н.Г., Шанин Н.Г «Оборудование заводов резиновой промышленности» «ХИМИЯ» Ленинград 1978

2. Э.А. Спорягин, В.Н. Красовский «Оборудование заводов резиновой промышленности» «Высшая школа» Минск 1971

3. Под ред. Д.М. Барскова «Машины и аппараты резинового производства» «Химия» Москва 1975

4. Крыжановский В.К., Кербер М.А., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. «Производство изделий из полимерных материалов» «Профессия» Санкт-Петербург 2004г.

Размещено на Allbest.ru

...