Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
Обычно шаг принимается равным диаметру шнека, т.е. t = D, что
соответствует углу подъема винтовой канала 17°42'. В этом случае
обеспечивается не только достаточно хорошее питание машины материалом, но и существенно упрощается технология изготовления шнека.
Для обеспечения высоких степеней сжатия материала могут применяться шнеки с переменным по длине шагом нарезки.
Рекомендации по выбору глубины винтового канала в зависимости от свойств перерабатываемого материала сводятся в каждом отдельном случае к чувствительности материала к перегреву. Глубина
винтового канала шнеков h для переработки пластических масс принимается равной:
• в зоне загрузки
h = (0,12...0,16)D, (3.3)
• в зоне дозирования
5,0
2
4
h
2
DDh
j
−−−= )(
hD
, (3.4)
1
где j – степень сжатия материала.
Для шнеков перерабатывающих резиновые смеси глубина нарезки
принимается равной
h = (0,15...0,30)D. (3.5)
Обычно глубина нарезки в этих машинах постоянная по длине, но
в отдельных случаях применяют шнеки и с переменной глубиной.
При выборе толщины витка e (ширины гребня) необходимо учитывать, что увеличение толщины витка приводит к повышению расхода
мощности, а уменьшение ее – к образованию значительного потока
утечки через зазор между внутренней поверхностью материального
цилиндра и наружной поверхностью витка шнека. Ширину гребня витка шнека рекомендуется принимать равной
e = (0,06...0,1)D, (3.6)
Меньшие значения принимаются для диаметров шнека более
125 мм, большие – для диаметров менее 125 мм.
Радиальный зазор между внутренней поверхностью материального цилиндра и наружной поверхностью витка шнека рекомендуется
принимать
δ = (0,002...0,005)D. (3.7)
При этом меньшие значения принимаются для больших величин
диаметров шнеков.
11
4. РАСЧЕТ ФОРМУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (ГОЛОВКИ) ШНЕКОВЫХ МАШИН
Рабочий процесс в шнековой машине в целом, зависит не только
от геометрических размеров шнека и процессов, протекающих в его
каналах, но также от геометрии (конфигурации) формующей головки
шнековой машины и ее профилирующих элементов.
Методика расчета и конструирования формующих элементов головок сводится к следующему:
а) определению размеров каналов, обеспечивающих максимальную производительность при данном давлении в головке, т.е. к определению коэффициента сопротивления головки или обратной ему величины K – коэффициента геометрической формы;
б) определению форм и размеров формующих элементов профилирующей головки, которые обеспечат заданные размеры готовому
изделию или полуфабрикату.
При определении коэффициента геометрической формы головки
ее профиль следует рассматривать как состоящий из каналов простейших форм. Тогда общий коэффициент геометрической формы для всей
головки можно подсчитать как сумму сопротивлений отдельных участков по уравнению
K
=
1
L
21
, (4.1)
111
+++
kkk
n
где K – коэффициент геометрической формы канала простейшей конфигурации, м3.
Расчетные схемы и уравнения для определения коэффициента
геометрической формы K и скоростей сдвига S для каналов простейшей
формы, приведенным в табл. 4.1.
Перепад давления в головке канала простейшей формы при известных значениях производительности машины и коэффициенте геометрической формы головки определяют по следующему соотношению:
i
Q
µ
P
э
=∆ , (4.2)
i
K
i
12
13
14
где Q – объемная производительность машины, м3/с;
i
µ
– эффективная
э
вязкость материала (Н ⋅ с/м2), которая может быть определена по графическим зависимостям вязкости от скорости сдвига [6] или по аналитическим зависимостям [4, 7].
После определения перепадов давления на отдельных участках
простейшей формы определяют перепад давления в головке, который
равен сумме перепадов на отдельных участках
n
∆=∆
PP
. (4.3)
∑
i
i
=
1
общ
Более подробно рекомендации по проектированию и расчету формующего инструмента шнековых машин приводятся в работах [8, 26].
15
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА
Частота вращения шнека существенно влияет на производительность шнековых машин. Рост производительности происходит до определенного значения частоты вращения шнека (критическое), выше которого начинается неустановившееся движение материала (частицы
материала прекращают двигаться в осевом направлении, а лишь вращаются вместе со шнеком). Это приводит к уменьшению производительности, увеличению потребляемой мощности и повышенному износу рабочих частей машины.
Критическое число оборотов шнека в зоне загрузки шнековой машины может быть определено по следующему соотношению [7]:
n
кр
4,42
=
, об/мин, (5.1)
D
где D – диаметр шнека, м.
В зонах сжатия и дозирования допускаемые числа оборотов шнеков значительно уменьшают для соблюдения допускаемой температуры нагрева материалов, не возникновения их термомеханической деструкции (для термопластов), а также преждевременной вулканизации
(для резиновых смесей).
Рабочее число оборотов шнека равно
)7,0...2,0( nn =
, (5.2)
крр
где нижние значения числовых коэффициентов принимают для малых
диаметров шнеков, верхние – для больших значений.
На практике частота вращения принимается в пределах 5...
250 об/мин. В последнее время начали применять адиабатические
(автотермические) шнековые машины со скоростями вращения до
500 об/мин в зависимости от диаметра шнека.
16
6. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШНЕКОВЫХ МАШИН
α
α
α
Определяющее влияние на производительность машины оказывает дозирующая зона шнека. Производительность дозирующей зоны
сильно зависит от геометрических параметров самого шнека. Производительность же шнекового экструдера в целом зависит не только от
геометрических размеров шнека и числа оборотов, но и в значительной
степени – от конструкции формующей головки.
На основе гидродинамического подхода к анализу взаимодействия
рабочих органов с перерабатываемым материалом в дозирующей зоне
экструдера принято рассматривать три составляющие потока движения
расплава:
− поток расплава, движущийся по межвитковому пространству в
направлении от зоны загрузки к зоне дозирования вдоль оси шнека,
возникающий вследствие вращения шнека относительно цилиндра;
− поток расплава, движущийся в противоположном направлении,
что вызвано перепадом давления P по длине шнека;
− поток утечки, движущийся в зазоре между наружной поверх-
ностью витков шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра в направлении от зоны дозирования.
Подобное разделение на три потока в канале шнека следует считать условным, так как противотока практически не существует, а имеет место некоторое ограничение прямого потока, возникающее в результате сопротивления головки.
Объемная производительность шнековой машины для переработки термопластов в зависимости от сопротивления головки и конструкции дозирующей зоны может быть выражена соотношениями:
K
Q
=
K
Q
=
K
Q
=
K
n
; (6.1)
γ+β+
K
1
n
; (6.2)
γ+β+
11
K
2
n
, (6.3)
γ+β+
22
где Q – объемная производительность, м3/с; K – коэффициент геометрической формы головки, м3; n – частота вращения шнека, с–1; α,
α
1
,
17
α
2
D
– соответственно, постоянные прямого потока для шнеков с посто-
2
янными геометрическими размерами, переменными шагом и глубиной
нарезки в зоне дозирования, м3; β,
β
,
β
– соответственно, постоян-
1
2
ные обратного потока для шнеков с постоянными геометрическими
размерами, переменными шагом нарезки и глубиной нарeзки в зоне
дозирования, м3; γ,
γ
,
γ
– соответственно, постоянные потока уте-
1
2
чек для шнеков с постоянными геометрическими размерами, переменными шагом и глубиной нарезки в зоне дозирования, м3.
Значения постоянных прямого потока α, обратного βи потока
утечек γ определяются следующим образом.
1. Для зоны дозирования шнека с постоянными геометрическими
размерами нарезки:
2
cos)(
=α
=β ; (6.5)
=γ , (6.6)
ietDh
3
24
322
D ϕϕδπ
10
ϕ−π
; (6.4)
2sin)(lieth ϕ−
0
sintg
00
el
0
где D – наружный диаметр шнека, м; t – шаг нарезки шнека, м; h – глубина нарезки, м; е – ширина гребня нарезки, м; i – число заходов шнека; l0 – длина зоны дозирования, м; δ – величина радиального зазора
между гребнем нарезки и внутренней поверхностью материального
цилиндра, м; ϕ0 – угол наклона винтовой нарезки по наружному диа-
метру,
2. Для зоны дозирования шнека с переменным шагом нарезки:
t
=ϕ0tg
.
π
23
)(
hJhDD
=α
1
=β
1
=γ
1
−π
2
3
2
1
)(4
32
; (6.7)
JJhD
−−π
32
)(
thDh
∆−π
; (6.8)
])(4[3
JJhD
−−π
32
tD
∆δπ
, (6.9)
])([)(5
tJJhDhDe
∆+−π−
54
18
где J1; J2; J3; J4 и J5 – коэффициенты, характеризующие конструкцию
∆
−+∆
−
−
π
шнека с переменным шагом, которые определяются по следующим
соотношениям:
t
1
lg3,2
tttJ ∆+−=
1
J
=
2
=J
4
cos
2
=J
5
t
, t
– шаг нарезки шнека у формующей головки и загрузочной ворон-
1
2
ки, соответственно, м; ∆t – разность между соседними шагами:
2
ϕ
tg
2
lg3,2
ϕ
tg
2
2
2
1
2
et
e
21213
1
sin
2
+
2
sin
sinsin
ϕϕ
t
=∆
et
1
lg3,2
et
−
2
2
ϕ−ϕϕ+ϕ
2121
2
−
21
2
−
1
; (6.10)
t
2
t
t
−
2
e
sin
coscos
lg3,2
2
tt
2
,
)(2
ttl
−−
21
1
lg3,2
; (6.11)
t
2
et
1
eteetttttJ
+∆++∆+−−=
lg)2(6,4)62()(
ϕ−ϕϕ+ϕ
2121
2
ϕϕ
; (6.13)
21
90
ϕ−
tg
2
90
ϕ−
tg
2
; (6.12)
et
−
2
2
, (6.14)
1
где l – общая длина нарезной части шнека, м; ϕ1 – угол наклона винтовой нарезки по наружному диаметру, у загрузочной воронки tgϕ1 =
= t1 / (πD); ϕ2 – угол наклона винтовой нарезки по наружному диаметру
у формующей головки tgϕ2 = t2 / (πD).
3. Для зоны дозирования шнека с переменной глубиной нарезки:
3
=α
2
=β
2
=γ
2
10 tDel
)(
Jeit+−π
6з
; (6.15)
2
JtJ
8
6
)(
eitt
з
; (6.16)
2
)(12
JtJl
+
8
70
23
tD+πδπ
0
. (6.17)
222
19
Величины J6; J7 и J8 представляют собой коэффициенты, характеи-
+
+
+
l
−
l
−
зующие конструкцию шнека с переменной глубиной винтового канала
и определяются по следующим соотношениям:
9,6
1
J +
−= ; (6.18)
6
=
J ; (6.19)
7
J
=
8
3,2
)(
−
2н
D
−
2
hh
2н
lg
3
Dhh
h
н
lg
)(2
h
hh
2
2н
+π
hhD
2н
hh
2н
dDh
2н
dDh
+
н2
2
D
2
hh
2н
)(
1
−
)(
+
)(
2
)(2
Dhhhh
2н2н
, (6.20)
222н2
hhD
где iз – число заходов шнека; dн – диаметр сердечника шнека в начале
зоны дозирования, м:
dd
21
dd
−=
1н
l
;
0
d1 – диаметр сердечника шнека под загрузочной воронкой, м; d2 – диаметр сердечника на конце шнека, м; hн – глубина винтового канала
шнека в начале зоны дозирования, м:
hh
21
hh
−=
1н
l
;
0
h1 – глубина винтового канала в зоне загрузки, м; h2 – глубина винтового канала на конце шнека, м.
Объемная производительность шнековых машин для переработки
резиновых смесей может быть также определена на основе гидромеханической теории. Резиновую смесь в этом случае можно рассматривать
как жидкость с высокой вязкостью. Тогда объемная производительность машины будет определяться объемной производительностью
прямого потока и объемной производительностью обратного потока.
Вследствие высокой вязкости материала поток утечек может не учитываться. Поскольку шнеки для переработки резиновых смесей имеют
глубокую нарезку, то влияние боковых стенок винтового канала на
производительность машины оказывается существенным. Вблизи стенок винтового канала поле скоростей искривляется, что вызывает
уменьшение расхода как прямого потока, так и противотока. Это влияние может быть учтено с помощью коэффициентов формы потоков,
которые вводятся в уравнение производительности.
Значения коэффициентов формы вынужденного потока Fα и противотока Fβ при изменении h/W в интервале 0…2 приведены на рис. 6.1.
20