1.1 Обзор существующих конструкций

Общая классификация

Червячные машины -- один из наиболее распространенных видов оборудования, используемого в промышленности производства и переработки полимерных материалов. В различных отраслях промышленности эти машины иногда называют экструдерами, шприц-машинами, червячными пластикаторами и причём, как правило, каждое из этих названий связано с каким-либо конкретным направлением их применения. Например, при производстве и переработке резиновых смесей их называют шприц-машинами. Область применения червячных машин достаточно широка и определяется теми процессами, которые могут быть реализованы в их рабочих органах.

Главные рабочие органы червячной машины -- полый цилиндр и вращающийся в нем червяк. Основной процесс, происходящий во всех червячных машинах, -- это транспортирование материала вдоль винтового канала, образованного внутренней поверхностью цилиндра и нарезкой червяка. Транспортирование, как правило, сопровождается интенсивным деформированием материала и развитием давления в винтовом канале. Одновременно с транспортированием в канале могут протекать самые различные процессы:[19]

- Смешение компонентов материала, обусловленное его деформировании;

- Нагрев материала за счет превращающейся в тепло работы деформирования или за счет тепла, поступающего от цилиндра, снабженного нагревателями;

- Переход материала из твердого в вязкотекучее состояние за счет нагрева;

- Инициированные нагревом различные химические реакции в материале;

- Уплотнение и монолитизация рыхлых сыпучих материалов вследствие развивающегося давления;

- удаление из материала какого-либо из компонентов (например, отжатие под действием давления влаги из каучука или регенерата, удаление растворенных в расплаве полимера газообразных веществ);

Червячная машина работает, как правило, совместно со сменным инструментом (экструзионной головкой), устанавливаемым на выходе из отверстия цилиндра. Материал продавливается через каналы экструзионной головки под действием давления, развивающегося в канале червяка. Основные функции головок состоят в следующем:

- придание непрерывно выдавливаемому из головки материалу конфигурации будущего изделия или полуфабриката;

- наложение слоя материала на какой-либо сердечник, протягиваемый через головку;

- фильтрация материала (очистка его от инородных твердых включений). Многие головки выполняют одновременно две или три функции.

Иногда червячная машина не имеет головки. В этом случае она нагнетает материал в промежуточную емкость, откуда он периодически отбирается для формования в изделия, например, методом прессования.

Червячные машины и установки отличаются большим разнообразием конструкций и типов и могут быть классифицированы по конструктивным и теологическим признакам.

По конструктивным особенностям и принципу действия

а) По конструкции корпуса машины:

1) червячные машины с неподвижным корпусом;

2) червячные машины с откатным корпусом.

б) По способу регулирования и поддержания температуры:

1) червячные машины с паровым обогревом;

2) червячные машины с электрическим обогревом (омический и индукционный);

3) червячные машины с масляным обогревом;

4) червячные машины с водяным охлаждением;

5) червячные машины с воздушным охлаждением;

в) По конструкции привода:

1) червячные машины с электродвигателями постоянного тока, регулируемыми по схеме мотор -- генератор, или при помощи ртутных и селеновых выпрямителей,

2) червячные машины с коллекторными электродвигателями переменного тока с бесступенчатой регулировкой числа оборотов;

3) червячные машины с электродвигателями переменного тока с бесступенчатыми вариаторами.

г)По количеству червяков в корпусе машины:

1) одночервячные машины;

2) двухчервячпые машины;

3) многочервячные машины.

д) По числу оборотов червяка:

1) червячные машины тихоходные с числом оборотов до 150 об/мин;

2) червячные машины быстроходные с числом оборотов червяка более 150 об/мин.

е) По конструкции червяков:

1) машины с простым профилем червяка (цилиндрическим с постоянным и переменным объемом витка);

2) машины со сложным профилем червяка (ступенчатым, прерывисты», коническим и т. д.); машины со сложным профилем червяка применяются, как правило, для приготовления композиций из пластмасс, гранулирования, девулканизации резины термомеханическим способом и для других специальных процессов;

3) машины с короткими червяками и отношением длины червяка к егодиаметру L/D? 12;

4) машины с длинными червяками с отношением длины червяка к его диаметру L/D?12.

Диаметр червяка. Этот признак основной, так как в первую очередь от него зависят производительность, потребляемая мощность а следовательно, габариты и масса машины. Размерный ряд машин в рамках одного типа (т. е. группы машин, имеющих общее направление использования) строится именно по этому признаку.

Длина червяка. Ее принято характеризовать отношением L/D где D-диаметр червяка, L-длина части червяка, имею-щей винтовую нарезку. Необходимая длина червяка от которой непосредственно зависит время пребывания обрабатываемого материала в канале нарезки, пропорциональна длительности протекания того процесса, который определяет сущность данного вида обработки. Например, шприц-машины для экструзии профилей, питаемые лентой подогретой резиновой смеси (машины «горячего» питания), имеют меньшую длину червяка, чем машины «холодного» питания, так как в последнем случае помимо функции винтового насоса, продавливающего смесь через каналы головки, машина выполняет еще и функцию подогрева

Следует отметить, что основными конструктивными показателямичервячных машин являются число оборотов, диаметр червяка и рассмотренное выше отношение.

L/DЭтот параметр определяет технологическую характеристику машины (производительность, потребляемую мощность, величину давления в головке и др.).

Рекомендуемый СЭВ ряд размеров для выбора диаметра червяка следующий;

D = 20 25 32 45 63 90 125 160 200 250 320 400

Соотношение между длиной и диаметром червяка рекомендуется принимать:

а) для машин по переработке резиновых смесей: 5 8 10 12

б) для машин по переработке пластических масс: 152025 30 35

По технологическому признаку червячные машины и установки для переработки полимерных материалов в изделия могут быть разделены:

1) Червячные машины и установки для переработки резиновых смесей в изделия.

При переработке резиновых смесей на червячных машинах в результате большого трения выделяется значительное количество тепла, которое повышает температуру смеси и может привести к преждевременной вулканизации. Поэтому червячные машины для переработки резиновых смесей характеризуются сравнительно короткими червяками и обязательным охлаждением корпуса и головки машины.

Червячные машины и установки для переработки резиновых смесей разделяются на следующие типы;

2) червячные машины для производства профильных резинотехнических изделий; эти машины изготовляются с длиной червяка 80 и применяются для получения резиновых заготовок разной формы и размеров в виде трубок, профильных пластин и др. и выпускают заготовку диаметром до 100 мм;

3) червячные машины для производства камер, протектора и фильтрации (стрейнирования) резиновых смесей; машины для производства камер, протектора и для фильтрации выпускаются унифицированными;

4) червячные машины для производства полуфабрикатов (грануляторы, листователи, листователи-грануляторы);

5) червячные машины для девулканизации в регенератном производстве,

6) установки для наложения изоляционных покрытий на провода и кабели;

- с покрытием провода и кабеля сырой резиной;

- установки непрерывной вулканизации;

В установках первого типа производится покрытие провода с последующим освинцеванием и вулканизацией в вулканизационных котлах; в установке второго типа вулканизация производится в теплообменнике трубчатого типа, являющегося частью установки;

7) червячные машины для смешения резиновых смесей.

Эти машины являются новым типом резиносмеси гелей непрерывного действия и заменяют резиносмесители периодического действия;

8) червячные машины для пластикации каучука.

9) Червячные машины и установки для переработки пластических масс в изделия.

Червячные машины и установки для переработки пластмасс предусматривают превращение твердых (гранулированных или порошкообразных) полимерных материалов в состояние расплава при сравнительно высокой температуре (около 200°С), определяемой свойствами полимера.

Червячные машины и установки для переработки пластических масс разделяются на следующие типы:

1) червячные машины для производства гранул:

- с резкой на головке с воздушным охлаждением;

- с резкой на головке с водяным охлаждением,

- с резкой пруткового или листового материала вне головки;

2) червячные машины для производства профильных изделий (поганажные изделия в строительстве, в пластмассовых производствах для выдавливания профиля круглого, квадратного, треугольного и других сечений);

3) червячные машины для производства выдувных изделий; эти машины применяются для производства полых изделий методом раздува трубной заготовки в закрытой форме,

4) червячные машины для производства композиций, предназначенные для получения смесей из пластических масс и различных добавок, в производстве линолеума и строительных профильных изделий, при изготовлении кабельных пластиков;

5) червячные установки для производства пленок:

- установки для производства пленки методом пневматического растяжения с приемом рукава вверх, вниз и горизонтально;

- установки для производства пленки при помощи щелевой головки с растяжением захватами и горизонтальным приемом,

- установки для производства пленки при помощи щелевой головки, для наложения пленки на полотно (бумагу, картон и т. д.) без растяжения (для дублирования);

- установки для производства пленки при помощи кольцевой головки с растяжением на раме и горизонтальным приемом,

6) червячные установки для производства листов;

7) червячные установки для производства труб;

8) червячные установки для наложения защитных оболочек и изоляционных покрытий на провода и кабели.

Установки для наложения защитных покрытий предназначены для ошлангования кабеля или провода оболочкой из полихлорвиниловых пластиков, полиэтилена низкого и высокого давления, из полиамидов.

Червячные машины являются машинами непрерывного действия. Они широко применяются во всех отрослях резиновой промышленности. Наибольшее распространение в резиновой промышленности и получили одночервячные машины. Червячные машины, используемые в различных установках или поточных линиях, являются в основном однотипными. Они отличаются друг от друга по конструктивному оформлению отдельных узлов и деталей в зависимости от назначения машины.

По расположению цилиндра машины делятся:

· горизонтальные;

· вертикальные с выходом материала вверх;

· вертикальные с выходом материала вниз.

Вместе с тем нежелательно изменение направления потока расплава при переходе его из цилиндра в головку (это является общим требованием при экструзии всех типов изделий). Оба эти требования выполняются при расположении цилиндра червячной машины по варианту «з». При этом наиболее легко осуществляется также осциллирующее вращение экструдера вокруг оси цилиндра с целью равномерного распределения по ширине наматываемого рулона пленки продольных утолщений, неизбежно возникающих вследствие невозможности полного выравнивания скоростей выхода расплава во всех точках кольцевого формующего канала головки.

Вариант «ы» удобен для пластикаторов-дозаторов, работающих совместно с прессами для переработки реактопластов, так как, во-первых, такая компоновка узлов машины наиболее компактна, а во-вторых, высота, на которой выдается из цилиндра доза подготовленного расплава реактопласта, соответствует высоте от пола верхней поверхности неподвижной половины пресс-формы, закрепленной на столе пресса. Путь транспортирования дозы расплава в форму в этом случае минимален. В этом случае он может быть укреплен на верхней траверсе пресса, выдавая дозу вниз, в устройство транспортирования его в форму, и совершенно не занимая площади пола у пресса.

Число комплектов «цилиндр -- червяк». По этому признаку машины делятся на:

· одностадийные;

· двухстадийные.

Двухстадийные машины применяются, когда одновременное осуществление нескольких процессов с обеспечением оптимальных условий для каждого из них в одном цилиндре оказывается затруднительным при сохранении высокой производительности машины

ж з и

Рисунок 1.1 - Варианты схем расположения и взаимной компоновки узлов червячных машин

Типичный пример такого процесса приготовление гранулированных композиций на .основе поливинилхлорида. Композиция подается в машину в виде сухой смеси компонентов (полимер, краситель, смазка, пластификатор и др.), состоящих из частиц размером 100--400 мкм, адсорбировавших на своей поверхности значительноеколичество атмосферной влаги.

Для подготовки расплава композиции, поступающего в грануляционнуюголовку, необходимо осуществить следующие процессы: плавление полимера, дробление (диспергирование) агломератов красителя и прочих твердыхкомпонентов до элементарных частиц, десорбция (путем нагрева) и удаление влаги и летучих, тщательное однородное распределение элементарных частиц в расплаве полимера, растворение пластификаторов, смазок (и прочих растворимых компонентов) в расплаве, нагнетание композиции в головку. Для предварительного нагрева, диспергирования (а Попутно -- и десорбции) и смешения наиболе подходят двухчервячные машины (или машины с осциллирующим червяком). Завершение смешения, растворение и выдавлиние с успехом могут быть выполнены одночервячной машиной. Таким образом, целесообразность использования машин по вариантам «е» очевидна. Удаление летучих в машинах этого типа, как правило, осуществляется отсосом их из расплава в канале, соединяющем цилиндры первой (часто двухчервячной) и второй стадий машины.

Червячная машина Кузнецкого завода «Полимермаш» для профилирования резиновых смесей представлена на рисунке 1.2 состоит из корпуса 1 длиной до 15 диаметров червяка, внутрь которого запрессована втулка 2из азотированной стали.

Со стороны крепления червяка корпус имеет загрузочную воронку 3цилиндроконической формы и утолщение.

К корпусу с одной стороны при помощи фланцевого соединения крепится на откидных болтах и шарнирах угловая головка4.

С другой стороны к корпусу машины крепится корпус 5 для размещения упорного и радиального подшипников Упорный подшипник червяка размещается на конце ведомого полого вала цилиндрического двухступенчатого редуктора 6.В зависимости от типа червячной машины применяемые редукторы могут быть вертикальные типа ЦДПВ и горизонтальные типа ЦДП.

В полый вал редуктора на призматической шпонке входит конец червяка 7.

Назначение червяка: продвижение загруженного материала, сжатие его, размягчение до состояния расплава, подача в головку при определенном давлении и температуре для выдавливания в виде изоляции или оболочки

1 - корпус машины; 2 - гильза; 3 - загрузочная воронка; 4 - протекторная головка; 5 - корпус упорного подшипника; 6 - редуктор; 7 - червяк; 8 - система охлаждения; 9 - станина; 10 - электродвигатель; 11 - муфта

Рисунок 1.2 - Червячная машина МЧТ 250

В соответствии с рассмотренными функциями червяки для переработки полимерных материалов могут иметь различную конфигурацию и условно по длине могут иметь несколько зон переработки. В данной конструкции можно условно представить три зоны: дозирующую зону L1,зону сжатия L2, и зону питания L3.

Для создания высоких давлений у головки применяют червяки длиной до 30 диаметров.

Червяки выполняются внутри пустотелыми для возможности их охлаждения по всей длине.

Внутри полого канала червяка установлена неподвижная система коммуникаций 8 со свободным сливом охлаждающей воды.

Корпус машины 1установлен на неподвижной станине 9.

Вращение червяка осуществляется от электродвигателя переменного тока 10 через эластичную муфту 11 и двухступенчатый редуктор 6.

Весь агрегат смонтирован на чугунной раме 12.