Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Тамбовский государственный технический университет"
П.С. Беляев, А.С. Клинков, О.Г. Маликов,
В.Г. Однолько, М.В. Соколов
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЭКСТРУЗИОННЫХ МАШИН
ПРЕДПРИЯТИЙ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано Ученым советом университета
в качестве учебного пособия для студентов специальности
240801 "Машины и аппараты химических производств и
предприятий строительных материалов"
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО "ТГТУ"
2012
1
2
УДК 678.023.001.2(075)
ББК Л710-5я73-1
О75
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор технических наук, профессор
заведующий кафедрой "Полимерсервис"
Московского государственного университета инженерной экологии
В.К. Скуратов
Кандидат технических наук
заместитель директора ОАО "Научно-исследовательский институт
резинотехнического машиностроения",
В.Н. Шашков
О75 Основы проектирования экструзионных машин предпри-
ятий полимерных материалов [Электронный ресурс] : учебное
пособие / П.С. Беляев, А.С. Клинков, О.Г. Маликов, В.Г. Однолько, М.В. Соколов. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ»,
2012. – 144 с.
Учебное пособие посвящено вопросам проектирования и расчета
шнековых машин, линий и агрегатов на их базе для переработки полимерных материалов. Даны методики расчета технологических параметров работы шнековых машин (производительность, мощность),
тепловые и прочностные расчеты основных деталей и узлов. Разработаны блок-схемы и программы расчетов на ЭВМ. Приводятся справочные данные по реологическим и теплофизическим характеристикам основных полимерных материалов.
Пособие предназначено для студентов специальностей 240801
"Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов" и 261201 "Технология и дизайн упаковочного
производства". Может быть полезным для инженерно-технических
работников проектных организаций и предприятий переработки полимерных материалов.
УДК 678.023.001.2(075)
ББК Л710-5я73-1
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Тамбовский государственный технический
университет" (ФГБОУ ВПО "ТГТУ"), 2012
ВВЕДЕНИЕ
В мировой практике до 40 % всех термопластичных полимеров
перерабатывают в изделия методом экструзии с использованием шнековых (червячных) машин (экструдеров) различных типов. Методом
зкструзии изготавливают пленки и листы, трубы, шланги и профильные
изделия различного сечения, покрывают пластмассовой изоляцией металлические провода и кабели, наносят тонкослойные покрытия на бумагу, картон и ткани. Экструдеры применяются также для смешения
материалов, окрашивания, грануляции и других вспомогательных процессов. Кроме того, шнековые пластикаторы получили широкое распространение в литьевых машинах, в машинах для формования полых
изделий (экструзионно-выдувные агрегаты). Шнековые машины и агрегаты на их базе являются одним из основных видов оборудования в
шинной промышленности и заводов РТИ. Широкое применение шнековых машин объясняется их высокой производительностью за счет
непрерывного действия, что дает возможность осуществить полную
автоматизацию процесса переработки полимерных материалов.
В настоящее время как в отечественной, так и зарубежной литературе имеется довольно много сведений по расчету шнековых машин, в
то же время не приняты единые инженерные методики проектного расчета технологических параметров процесса и геометрических характеристик рабочих органов шнековых машин. Также недостаточно разработано программное обеспечение на ЭВМ, реализующее задачи инженерной оптимизации процесса и расчета оборудования для переработки
полимерных материалов в шнековых машинах.
Предлагаемое учебное пособие ставит своей целью оказать методическую и практическую помощь студентам при работе над курсовым
и дипломным проектами, связанными с проектированием и расчетом
экструзионного оборудования для переработки полимерных материалов, а также проектированием экструзионных линий и агрегатов для
производства тары и упаковочных материалов.
3
4
1. ОСОБЕННОСТИ ШНЕКОВЫХ МАШИН ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС И РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
Основным оборудованием для переработки полимеров методом экструзии являются одно- и многошнековые машины. С учетом многообразия
функций, выполняемых современными экструзионными машинами, а
также их различным конструктивным исполнением, в УКРНИИПластмаш
была создана классификация шнековых (червячных) машин по конструктивно-технологическим признакам. Были стандартизированы только одношнековые пластицирующие одноступенчатые политропные
прессы универсального назначения – ГОСТ 14773–80Е "Прессы одношнековые для переработки термопластов".
Требования этого ГОСТ не распространялись на одношнековые
прессы специального назначения, предназначенные для гранулирования и вакуумирования расплавов термопластов, а также переработки
таких материалов, как полиметилметакрилат, полиформальдегид, поликарбонат, поливинилбутираль, полиамиды, фторопласты и др. Это
привело к тому, что, начиная с 1.01.1986 г. ГОСТ 14773–80Е был заменен техническими условиями ТУ 26-10-238–80, ТУ 26-10-240–80,
ТУ 26-10-260–82 и ТУ 26-10-265–82, действующими в настоящее время.
На двухшнековые прессы пластицирующие политропные одноступенчатые универсального назначения был разработан ГОСТ 25026–81E,
который регламентирует параметры и размеры двухшнековых прессов
для переработки термопластов в изделия. Он не распространяется на
специальные двухшнековые прессы с однонаправленным вращением и
составных шнеков, набираемых из отдельных элементов.
Основные типоразмеры шнековых (червячных) машин для переработки резиновых смесей регламентируются ГОСТ 11441–86, согласно
которому 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 одношнековые с "холодным" питанием без вакуум-отсоса; 4) МЧХВ –
машины одночервячные с "холодным" питанием с вакуум-отсосом.
На остальные типы шнековых (червячных) прессов как одношнековые, так и двухшнековые из-за постоянного изменения их параметров и
размеров нормативные документы (ОСТ, ГОСТ и др.) отсутствуют.
В настоящее время в промышленности переработки полимеров
наиболее широкое применение получили одношнековые машины, в
качестве определяющих параметров которых принимаются диаметр
шнека – D и отношение длины рабочей части шнека к его диаметру –
L/D. В соответствии с рекомендациями НИИХИММАШа в РФ был
принят следующий ряд диаметров шнековых прессов (в мм) 20, 32, 45,
63, 90, 125, 160, 200 и 320.
Для машин, перерабатывающих резиновые смеси, установлен следующий ряд диаметров шнеков (в мм): 63, 90, 125, 160, 200, 250, 300,
300/380, 400, 380/450, 530/660. Для дробных обозначений диаметров в
числителе указывается диаметр шнека в зоне выдавливания, а в знаменателе – в зоне питания.
Модели отечественных одношнековых прессов универсального
назначения для переработки термопластов изготавливаются с отношением длины рабочей части шнека к диаметру L/D равным 20, 25 и 30.
Для специальных шнековых машин отношение L/D может быть увеличено до 35 или 40. Наибольшее распространение получили машины с
отношением L/D равным 20 и 25, однако, в последнее время намечается
тенденция к увеличению отношения L/D до 30…35, что в совокупности
с увеличением угловой скорости шнека приводит к существенному повышению производительности шнековых машин.
Преимуществом длинных шнеков является повышенное качество
пластикации материала (более длительное пребывание в машине), а
также возможность увеличить длину зоны дозирования, что позволит
создать высокое давление истечения через формующий инструмент при
небольшой глубине винтового канала. Это особенно важно при формовании изделий с помощью оформляющих головок, имеющих высокое
сопротивление (производство пленки, наложение изоляции на провода
и кабели и др.) [1, 2].
Основные технико-экономические характеристики типовых одношнековых прессов для переработки термопластичных материалов [3]
представлены в прил. 1 табл. П. 1.1.
Шнековые машины для переработки резиновых смесей отличаются
от машин для термопластов тем, что при тех же диаметрах шнеков имеют
меньшее отношение L/D, которое обычно не превышает 12, и большую
глубину нарезки винтового канала. Уменьшение длины шнеков объясняется тем, что эти машины предназначены продавить уже готовую пластицированную резиновую смесь через формующий инструмент, т.е. выполняют
функции своеобразного винтового насоса. Увеличение глубины нарезки
шнека устраняет большой градиент скоростей сдвига по винтовой нарезке
и уменьшает температуру резиновой смеси, что не приводит к преждевременной вулканизации смеси в рабочих органах машины.
Основные типоразмеры шнековых (червячных) машин для переработки резиновых смесей и их технические данные [4] представлены в
прил. 1 табл. П.1.2. и табл. П.1.3.
5
6
2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ ШНЕКА
Основным рабочим органом шнековых машин является вал с винтовой нарезкой – шнек, который захватывает полимерный материал из
загрузочного отверстия, уплотняет, пластицирует (расплавляет) его и
равномерно подает в виде гомогенного расплава к профилирующей
головке под определенным делением.
Конструктивно шнек состоит из двух частей: нарезной части, которая входит внутрь материального цилиндра машины, обеспечивая ее
работу и хвостовика, служащего для соединения шнека с приводом.
Для предотвращения попадания перерабатываемого материала в подшипниковый узел привода шнека и смазки из подшипников в перерабатываемый материал, на участке хвостовика длиной (1…2) диаметра
предусматривают две встречных нарезки с небольшим шагом (4...6) мм
такого же диаметра, что и основная нарезка.
По характеру процессов, протекающих в нарезной части шнека,
его условно разделяют по длине на три зоны:
• питания (загрузки) – участок межвиткового пространства шне-
ка, в котором перерабатываемый материал находится в твердом состоянии;
• сжатия (плавления) – участок, на котором происходит плавле-
ние материала, где он находится в виде смеси расплава и твердого материала;
• дозирующая – участок, где материал находится полностью в
расплавленном состоянии.
В шнековых машинах специального назначения могут быть выделены дополнительные зоны, например, дегазации, смешения и т.д.
Конструкция шнека зависит от вида перерабатываемого материала, его насыпного веса, скоростного режима работы машины и вида
формуемого изделия.
В зависимости от режима работы и назначения проектируемой
машины выбирается отношение длины рабочей части шнека к его диаметру, т.е. L/D. В одношнековых машинах, предназначенных для переработки пластических масс и используемых при производстве труб,
листа и других профильных изделий, отношение L/D обычно принимается равным 20. У машин для производства пленки, волокон и других
высококачественных изделий отношение L/D обычно принимается равным 25. В машинах, предназначенных для переработки с дегазацией и
обезвоживанием материала, это отношение может быть увеличено.
У машин для переработки резиновых смесей отношение L/D выбирается, исходя из состояния перерабатываемого материала. При переработке подогретых пластичных резиновых смесей, отношение длины нарезной части шнека к наружному диаметру L/D обычно составляет 3, 4 и 5, а холодных резиновых смесей – 8, 10 (иногда, 12), следует
отметить, что для машин с большим диаметром шнека значение отношения L/D снижается.
По числу заходов винтовой нарезки шнека бывают однозаходные,
двухзаходные и комбинированные – однозаходные в зоне загрузки и
двухзаходные в зоне дозирования. Для порошкообразных или гранулированных материалов рекомендуется входную зону шнека выполнять
на всем протяжении однозаходной. Многозаходность шнека в зоне дозирования обеспечивает повышение производительности машины, однако многозаходные шнеки чувствительны к неравномерности загрузки
материала, что приводит к пульсации материала при выдавливании.
На практике предпочтение отдают шнекам с одним заходом, обеспечивающим равномерную производительность машины при сравнительной
простоте изготовления шнека.
С целью получения материала, свободного от пор и воздушных
включений, применяют изменение объема винтового канала. Изменение шага нарезки винтового канала шнека или диаметра его сердечника
в зонах загрузки и дозирования носит название степень сжатия. Достижение той или иной степени сжатия материала может быть обеспечено
путем придания шнеку определенной формы. Степень сжатия материала j должна быть согласована с типом перерабатываемого материала,
его насыпным весом, скоростным режимом работы машины и видом
выдавливаемого профиля изделия. Для материалов, относящихся к
группам полиолефинов и полиамидов, рекомендуются большие значения степени сжатия. Для изделий, профилирование которых требует
создания высоких давлений в формующих головках машины (пленка,
кабельные изделия) рекомендуется применять большие степени сжатия
по сравнению с формованием трубных и листовых изделий. При переработке пластмасс применяют следующие степени сжатия j :
• полиэтилен низкой плотности при изготовлении пленок – 4,5;
• полиэтилен высокой плотности, полипропилен – 3,4;
• ударопрочный полистрол – 3,6;
• непластифицированный ПВХ – 2,2;
• пластифицированный ПВХ – 2,7;
• наполненные композиции на основе ПВХ – 2,2.
7
8
Следует иметь в виду, что при переработке полиэтилена и поли-
для переработки холодных, жестких смесей
амидов рекомендуется применять шнеки с малой глубиной нарезки в
зоне дозирования, а для ПВХ – с глубокой, так как последний склонен
к термодеструкции.
Степень сжатия шнеков, предназначенных для переработки резиновых смесей, обычно составляет 1,2...2,5. Наиболее широко применяется степень сжатия, равная 1,2...1,3.
Разбивка шнека по зонам производится в зависимости от вида перерабатываемого материала, следует помнить, что при переработке
материалов склонных к термодеструкции не рекомендуется применять
шнеки с короткой зоной сжатия.
При переработке различных термопластичных материалов применяют следующие шнеки [5]:
• полиамиды – шнек с зоной питания длиной 15D с постоянной
глубиной нарезки, зоной сжатия (0,5...1)D с переменной глубиной и
зоной дозирования длиной (4...5) D с постоянной глубиной нарезки;
• полиолефины – шнек с короткой зоной питания длиной 3D с
постоянной глубиной нарезки, зоной сжатия 12D с переменной глубиной нарезки и зоной дозирования 5D с постоянной глубиной канала;
• непластифицированный ПВХ – применяют шнеки длиной 20D
с постепенно убывающей глубиной нарезки от зоны загрузки до конца
шнека.
Для переработки полиэтилена хорошо зарекомендовали себя шнеки с короткой зоной сжатия на участке (0,5...0,75)D, зоной питания
длиной (9...10)D и зоной выдавливания 13D. Для переработки термопластов применяются также универсальные шнеки с зоной питания
длиной 8D, сжатия – 7D и дозирования – 5D.
Профиль нарезки шне-
а)
в)
ков для переработки термопластов обычно имеет прямоугольную форму с малыми радиусами закругления у
б)
основания витка. Профиль
нарезки шнеков для переработки резиновых смесей
Рис. 2.1. Профили нарезки шнеков машин
и каучуков (а); теплых, мягких смесей (б);
жестких и мягких смесей
(универсальный профиль) (в)
зависит от перерабатываемого материала – (направление
движения материала справа
налево) рис. 2.1.
Шнеки экструдеров работают в условиях совместного действия
больших осевых усилий, крутящих моментов, корродирующих и абразивных воздействий перерабатываемого продукта, а также высоких температур. Поэтому шнеки должны хорошо переносить нагрузки от кручения и изгиба и обладать повышенной стойкостью к износу. Обычно
шнеки изготовляют из хромомолибденовой, хромоникелевой, хромомолибденово-алюминиевой (азотируемой) сталей марок 40Х, 4X13,
38ХМЮА, 40ХНМА. Поверхность шнеков для упрочнения и уменьшения износа после нормализации необходимо азотировать на глубину
0,4...0,6 мм до твердости HRA 70...76 или провести процесс нитрирова-
ния с последующим полированием до чистоты .
9
3. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ ШНЕКА
К основным геометрическим параметрам шнека относятся: его
внешний диаметр D, шаг t и глубина нарезки h, угол наклона винтовой
нарезки φ, ширина гребня витка e, величина радиального зазора между
гребнем нарезки и корпусом материального цилиндра δ.
В качестве исходного параметра для расчета задается диаметр
шнека D , если диаметр шнека не задан, то его ориентировочно рассчитывают по соотношению
Q = 0,68D
2,5
. (3.1)
Полученное значение диаметра шнека округляют до ближайшего
большего значения из стандартного ряда диаметров шнеков для конкретного вида полимерного материала.
После выбора диаметра шнека и отношения L/D (п. 2) приступают
к определению остальных параметров шнека, которые выражаются через его диаметр.
Шаг нарезки t и глубина витка шнека h существенным образом
влияют на производительность шнековой машины. Шаг витка в зоне
загрузки в основном зависит от коэффициента трения материала о
шнек и стенки материального цилиндра и от вида загружаемого материала (гранулы, порошок). Для идеального шнека оптимальным углом
наклона нарезки был бы угол 45°, соответствующий шагу h = πD.
В действительности значения коэффициента трения материала о
шнек находятся в пределах 0,3…0,6. Значение коэффициента трения 0,5
соответствует углу наклона нарезки шнека 19°, т.е. шагу 1,1D.
В большинстве случаев для зоны загрузки рекомендуется принимать
шаг от 0,7D до 1,5D.
Для зоны дозирования, оптимальным является угол наклона нарезки 30°, что соответствует шагу нарезки 1,8D, однако это значение
является слишком высоким, так как шнеки с большим шагом и большой глубиной очень чувствительны к изменению давления, температуры и вязкости материала [2]. На практике шаг винтовой нарезки шнека
как для машин по переработке пластмасс, так и для резиновых смесей
рекомендуется принимать постоянным по длине шнека и равным
t = (0,8...1,2) D. (3.2)
10