УМК МАХП - 2 ч. Жаркова, Митинов

Таблица 6

Исходные данные для расчета

ЧЕРВЯЧНЫЕ МАШИНЫ

Наиболее широкое применение червячные машины получили в про- цессах переработки пластических масс и резиновых смесей, где они ис- пользуются для проведения различных технологических операций (экстру- зии, смешения, гранулирования и т.д.).

Помимо самостоятельного применения червячные узлы входят в со- став экструзионно-выдувных и литьевых машин.

Независимо от технологического назначения любая червячная ма- шина (рис. 6) состоит из цилиндра 4, имеющего каналы 5 для подачи хла- дагента (жидкость, воздух), электронагревателей 6 для позонного регули- рования температуры цилиндра, одного или двух червяков 3, головки для формирования профиля выдавливаемого материала 1, загрузочной воронки с бункером 7 и привода 8. Между головкой и концом цилиндра могут ус- танавливаться сетки, дроссельные решетки 2 и т.д.

Перерабатываемый материал в виде гранул, порошка или ленты по- ступает в машину через загрузочную воронку и по мере продвижения вдоль цилиндра уплотняется, переходит в вязкопластическое состояние под воздействием температуры и сдвиговых деформаций в канале червяка

ивыдавливается через формующую головку.

Всоответствии с претерпеваемыми физическими превращениями материала в червячной машине принято различать три зоны по длине ци- линдра: зону загрузки l1 , где материал находится в твердом состоянии; зо-

ну плавления (сжатия) l2 , в конце которой материал переходит в вязкопла-

231

стическое состояние; зону дозирования l3 , где материал нагревается до температуры формования.

Рис. 6. Схема червячной машины

Главным рабочим органом машины является червяк. Конструкция червяка характеризуется следующими основными геометрическим пара- метрами (рис. 7): наружным диаметром D , длиной рабочей части L , ша- гом нарезки t1 и t3 или углом подъема винтовой линии ϕ , глубиной нарез-

ки h1 и h3 , шириной гребня нарезки e , числом заходов нарезки i и вели-

чиной геометрической компрессии Aг , шириной нарезки канала b .

За рабочую длину червяка принимается длина нарезной части, от- считываемая от передней кромки загрузочного отверстия. Длина загрузоч- ного отверстия равна (1,5 ¸ 2,0) × D .

По рабочей длине червяка в общем случае различают три геометри- ческие зоны (рис. 7): зону загрузки L1 ; зону сжатия L2 ; зону дозирования

L3 . Длины геометрических зон червяка могут не совпадать с длинами тех-

нологических зон машины.

Рис. 7. Геометрические характеристики червяка

232

Диаметры червяка D и отношение L / D нормализованы. Диаметр червяка следует выбирать из следующего параметрического ряда: 20, 32, 45, 63, 90, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 450, 500 мм. Отношение L / D =20; 25 для типовых одночервячных универсальных прессов при переработке термопластов; L / D =30 для специальных червяных прессов; L / D =12÷18 для литьевых машин при переработке реактопластов; L / D =3; 4; 5 для од- ночервячных прессов при переработке горячих резиновых смесей; L / D =8; 10; 12 при переработке холодных резиновых смесей и L / D =12; 15 для двухчервячных прессов.

Конструкция червяка в большинстве случаев предусматривает плав- ное или ступенчатое уменьшение объемов межвиткового пространства от зоны загрузки до формующей головки. Создается это за счет уменьшения глубины или шага нарезки червяка и характеризуется величиной геомет- рической компрессии Aг . Для одночервячной машины

Червяки одночервячных машин выполняются обычно с постоянным шагом t и переменной глубиной нарезки h . Число заходов нарезки червя- ка при переработке термопластов i = 1; для резин i = 1; 2 .

При t = const и i = const можно принять

Aг = 0,93 ×(h1 / h3 ) .

С переменным шагом t и h = const делаются червяки больших диа- метров ( D ³ 160 ) для машин по переработке резин. В этом случае

Aг = t1 / t3 .

При выборе величины геометрической компрессии можно ориенти-

t = (0,8 ¸1,2) × D для переработки термопластов; t = (0,4 ¸ 0,6) × D для пере-

работки резиновых смесей. В крупных машинах при переработке резин шаг нарезки плавно уменьшается от t1 = (0,9 ¸1,0) × D до t3 = (0,6 ¸ 0,7) × D .

233

У типовых червяков для переработки термопластов принят шаг на- резки t = D .

Глубина нарезки в зоне загрузки для переработки термопластов h1 = (0,12 ¸ 0,16) × D ; для резин h1 = (0,17 ¸ 0,25) × D .

Ширина гребня нарезки принимается равной e = (0,05 ¸ 0,12) × D .

В условиях переработки большинство полимеров при достижении пластичного состояния ведет себя как аномально-вязкие (псевдопластич- ные) жидкости, напряжение сдвига у которых, в отличие от ньютоновских жидкостей, возрастает не пропорционально скорости деформации. Наибо- лее простой зависимостью, связывающей напряжение сдвига τ и градиент скорости деформации γɺ, является степенной закон

τ = µ1 ×(γɺ)m ,

где µ1 – коэффициент консистентной вязкости, Па·с;

m < 1 – показатель степени, характеризующий отклонение поведения материала от ньютоновского.

При инженерных расчетах оборудования для переработки полимеров обычно пользуются не напряжением сдвига, а так называемой эффектив- ной вязкостью mэ, которую можно представить как

µэ = µ1 ×(γɺ)m−1 .

Для приближенной характеристики текучести различных марок тер- мопластичных материалов применяют условный показатель текучести расплава ПТР, представляющий собой количество материала, г, вытекшее из капилляра под действием груза за 10 мин.

Объемная производительность одночервячной машины при прове- рочном расчете определяется по зоне дозирования. При этом материал рас- сматривают как ньютоновскую жидкость с эффективной вязкостью, взятой при средней скорости сдвига и средней температуре в зоне в условиях ла- минарного течения. При таких допущениях объемная производительность может быть рассчитана по уравнению

где Vв – объем межвиткового пространства по длине шага нарезки, м3;

K p , K з – коэффициенты геометрической формы канала червяка и кольцевого канала зазора между гребнем витка и цилиндром, м3;

234

µк, µз – эффективные вязкости расплава в канале червяка и в зазоре,

Па·с;

n – частота вращения червяка, с-1;

p – перепад давления в зоне дозирования, определяемый величи-

ной сопротивления формующей головки, Па.

При расчете производительности червяков с постоянной глубиной нарезки в зоне дозирования значения Vв , K p , K з рассчитываются по сле-

дующим формулам:

где δ – величина радиального зазора между цилиндром и червяком, мм; Фв ,Фp – форм-факторы, учитывающие тормозящее влияние боковых

стенок, зависящие от относительного размера сечения винтового канала h / b . Значения форм-факторов могут быть найдены из выражений:

Значения µк и µз определяются из реологических кривых течения при средней температуре в зоне дозирования или рассчитываются при из- вестных реологических константах µ1 и m .

Скорость сдвига в канале червяка определяется по формуле

235

Индикаторная или полезная мощность, затрачиваемая в червячной машине на переработку полимерного материала,

зазоре δ0 между цилиндром и поверхностью пробки твердого (на распла-

вившегося) материала, Вт;

ношению к стенке цилиндра, м/с,

Dwпр = (π× D × n - wпр × cos j)2 + (wпр ×sin j)2 .

Скорость движения пробки вдоль винтового канала определяется из выражения

γɺ = wпр / δ0 .

Толщина слоя расплава над пробкой материала в межвинтовом про- странстве

236

Величина Ф рассчитывается по формуле

где λ – теплопроводность расплава при средней температуре пристенно- го слоя tсл = (tц + tпл ) / 2 ;

cт – удельная теплоемкость твердой фазы полимера при средней температуре tср = (t1 + tпл ) / 2 ;

rпл – удельная теплота плавления, Дж/кг;

tц, tпл, t1 – соответственно температура стенки цилиндра, плавления

и загружаемого материала.

Мощность, диссипируемая в зазоре толщиной δ,

Эффективная вязкость µз в зазоре δ определяется при температуре пленки tпл ≈ tц и градиенте скорости γɺз .

Мощность в зоне дозирования затрачивается на преодоление трения

расплава в канале червяка N ′ и в зазоре между цилиндром и гребнем вит-

3

ка червяка N ′′ :

3

237

N г = V × Dpг .

Мощность электродвигателя привода машины

Nэ = Nинд / η,

где η – коэффициент, учитывающий потери энергии в приводе червяч-

ной машины, и другие, неучтенные расчетом потери; η = 0,7 ÷ 0,8 .

При упрощенных расчетах, когда не учитывается мощность, затра- чиваемая в зонах загрузки и плавления, кпд машины принимают η = 0,5 ÷ 0,6 .

Примеры для самостоятельного решения

Рассчитать мощность, теряемую в зоне дозирования одночервячной машины, оснащенной типовым червяком с L / D = 20 и t = D при перера- ботке полиэтилена низкой плотности ПЭНП и непластифицированного ПВХ. Исходные данные для расчета приведены в табл. 7. Зависимости из- менения плотности, теплопроводности и теплоемкости термопластов от температуры, необходимые для решения задач, приведены на рис. 8 – 10.

238

Окончание табл. 7

Рис. 8. Зависимость плотности термопластов от температуры: 1 – ПЭВП; 2 – ПЭНП; 3 – ПП; 4 – ПВХпл;

5 – ПВХнп

Рис. 9. Зависимость теплопроводности термопластов от температуры:

1 – ПЭВП; 2 – ПЭНП; 3 – ПП; 4 – ПВХпл; 5 – ПВХнп

239

Рис. 10. Зависимость теплоемкости термопластов от температуры:

1 – ПЭВП; 2 – ПЭНП; 3 – ПП; 4 – ПВХПЛ; 5 – ПВХНП

ДРОБИЛЬНО-РАЗМОЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ГРОХОТЫ

Дробилки щековые

Щековые дробилки предназначены для крупного и среднего дробле- ния горных пород. По принципу действия они подразделяются на дробил- ки простого и сложного качания. Измельчение материала происходит пу- тем раздавливания, раскалывания и истирания при поджатии подвижной щеки к неподвижной.

Во избежание выталкивания дробимого материала угол между под- вижной и неподвижной щеками (угол захвата α) должен быть < 2j, кото- рый обычно принимают

α »1, 4 × j,

где ϕ – угол трения между дробимым материалом и щекой.

У большинства дробилок угол захвата α = 20 .

Число n качаний подвижной щеки, соответствующее числу оборотов эксцентрикового вала, обусловлено оптимальным выходом материала из

240