Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
по их упрочнению. Поэтому весьма актуальны вопросы создания двух-
′
′
е е
P
2
a
2
d
2
c
2
b
h
0
слойных цилиндров, удовлетворяющих не только условиям прочности,
но и охлаждения и эксплуатации.
Поставленную проблему можно решить, применив двухслойные
цилиндры с натягом, имеющие на наружной поверхности внутреннего цилиндра канавки для термостатирования. В процессе износа
внутреннего цилиндра его можно заменять путем выпрессовывания,
что существенно сказывается на экономической эффективности шнековой машины. Двухслойная конструкция цилиндров получила широкое распространение в шнековых машинах, предназначенных для
переработки резиновых смесей.
Общий вид двухслойного цилиндра, состоящего из наружного
толстостенного гладкого цилиндра 1 и внутренней гильзы 2 с кольцевыми канавками, изображен на рис. 9.12.
Для исследования напряженного деформированного состояния такого цилиндра представим его в виде трех основных элементов: оболочки 1 толщиной h, витков 2, замененных в целях упрощения расчета
равноотстоящими по оси цилиндра кольцами толщиной е; диаметром d
и толстостенного цилиндра 3.
Примем, что в местах сопряжения оболочки и кольца возникает
нагрузка q1, a вместе контакта кольца и толстостенного цилиндра – нагрузка q2 Расчетная схема составного цилиндра показана на рис. 9.13.
Приведенная расчетная схема позволяет определить контактные давления q1 и q2 в местах сопряжения соответственно оболочки с кольцом и
кольца с цилиндром. Так как расстояние е между кольцами незначительно
и соизмеримо с толщиной цилиндра, то радиальные перемещения оболочки и цилиндра будут определяться равномерно-распределенными состав-
ляющими нагрузок
q
и
q
1
равными средне арифметическому значе-
2
нию нагрузок в месте контакта и впадин
Рис. 9.12. Общий вид двухслойного цилиндра
81
2
[
]
Р
0 0
1
2
3
q
R
0
с
b
d
a
0
q
2
q
2
q
2
2
н
q
2
h
q
н
R
q
1
q
1
1
ось цилиндра
q
q
1
h
1
к
к
с
d
Рис. 9.13. Расчетная схема двухслойного цилиндра
1
′
qq =
; .
K+=
11
щк
222
hbh
1
)(6
hhL
21
Такая замена, как показали предварительные исследования, оп-
равдана только при расчете перемещений, но не напряжений.
При исследовании напряженного состояния необходимо учиты-
вать дискретность приложения нагрузки на оболочку и цилиндр
=,;
WW
WW
к0
(9.90)
∆==
кт
где ∆ – радиальный натяг в месте посадки кольца и цилиндра; W0, Wк,
Wт – радиальные перемещения оболочки, кольца и толстостенного цилиндра, соответственно, определяемые уравнениями:
1
−=
2
( )
cq
2
=
W
т
2
)1(2
−β
R
0
dqPaW
10
cqdqW −=
21к
; (9.91)
Eh
0
R
к
; (9.92)
Eh
к
2
)1(1
µ+β+µ−
. (9.93)
82
Здесь Р – внутреннее рабочее давление в цилиндре; а и d – соответст-
2
σ≤−
σ
венно, внутренний и наружный радиусы гильзы; с и b – соответственно,
внутренний и наружный радиусы цилиндра dк и ск – соответственно,
внутренний и наружный радиусы кольца; h0 – толщина оболочки;
Е и µ – соответственно, модуль упругости и коэффициент Пуассона ма-
териала цилиндров; β = b / с, – толстостенность цилиндра;
R+=
dс
к
–
средний радиус кольца; hк – толщина кольца.
Условия совместности перемещений (9.90) через контактные давления q1 и q2 запишутся
R
0
Pa
h
q
1
+∆
q
= . (9.95)
2
[ ]
0
=
R
0
h
2
RPaRE
0к
2
2
R
к
cq
+
2
h
1
к
R
к
+
h
к
0
µ+−β+µ−
1
−β
; (9.94)
d
2
hRhR
2
+
)1(121
1
0кк0
c
R
к
+
h
к
Величина натяга ∆ и толстостенность β определяются из условий
прочности оболочки, кольца и толстостенного цилиндра отдельно [21].
2
1
d
q
1
2
h
a
P
2
h
00
a
2
P
h
0
≤nq
2
l
µ−−≤
2
2
l
µ+−
2
h
0
=σ
ϕ
т
т
1
+
2
2
h
0
2
a
h
0
к
2
2
1
+β
2
+
1
−β
2
P
2
l
µ++
22
h
0
cqdq
т
21
nh
т
1
a
2
h
0
1
−
2
2
; (9.97)
2
2
1
+β
8,1
2
56,1
+
1
−β
2
l
µ−−+
2
l
2
h
0
+
2
2
0
1
++
, (9.98)
2
1
σ
т
−
+
2
2
nh
т
2
l
2
h
;1
+
2
0
(9.96)
83
1
2
5
Начало
Ввод исходных данных
a, d, c, h0, hк, e, R0, Rк,
материал гильзы, σТ1,
материал цилиндра,
σт2, nт, E, p, µ
3
Определение контактных давлений
aPq2
=
1
4
Определение толстостенности наружного цилиндра
,
d
aPq2
=
2
c
2
σ
n
=β
σ
n
1
c
2т
pa
т
2
1
c
2т
pa
т
+−
9,175,0
−−
1,075,0
Определение наружного радиуса цилиндра
b = cβ
6
Определение величины натяга
=∆
2
E
2
µ+β+µ+
)1(11
2
−β
)1(2
RR
0к
+
cqcq
2
+
−
2
hRhR
0кк0
Pa
2
+
RR
0к
2
hRhR
0кк0
7
84
7
8
9
10
6
нет
Выполнения условия по
контактным давлениям
q1 ≤ [q], q2 ≤ [q]
да
Печать: увеличить
параметры гильзы
d, c, h0, hк, R0, Rк
Вывод исходных данных и результатов
расчета составного цилиндра
a, b, c, d, e, h0, hк, R0, Rк, β, q1, q2, [q],
σт1, σт2, nт, E, p, µ
Рис. 9.14. Блок-схема алгоритма расчета на прочность
составного цилиндра с винтовой канавкой в месте сопряжения
Конец
где σn – предел текучести материала цилиндра; n – коэффициент запаса
статической прочности по пределу текучести; σϕ – окружное нормальное напряжение в кольце.
Решение задач оптимизации конструкций шнека, материального
цилиндра и процесса экструзии приведены в [22 – 26].
Условие прочности (9.96) для заданного давления р дает ряд решений для контактного давления q1, однако, как показали исследования, оптимальными значениями контактных давлений q1 и q2 являются
их величины, полученные из условия равенства нулю окружных нормальных напряжений σϕ в кольце (9.97).
На основании изложенного, предлагается следующая методика
решения задачи: из системы двух уравнений (9.96), (9.97) при σϕ = 0
определяются контактные давления q1 и q2, затем по формулам (9.98) и
формуле (9.96) проводится окончательная проверка прочности гильзы.
На рисунке 9.14 приводится схема алгоритма расчета на прочность составного (двухслойного) цилиндра с винтовой канавкой в месте сопряжения. Программа расчета приведена в прил. 3 (программа 5).
85
10. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЛИНИИ И АГРЕГАТЫ
ПРОИЗВОДСТВА ТАРЫ И УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
10.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК
В мировом производстве изделий из полимерных материалов основной и непрерывно возрастающий объем приходится на полимерные
пленки, которые широко применяются в различных отраслях народного
хозяйства (строительстве, сельском хозяйстве, радио- и электропромышленности), но в первую очередь – в качестве упаковочного материала для товаров широкого потребления и промышленных изделий.
Наиболее распространенным и высокопроизводительным способом производства пленки является экструзия, сущность которого заключается в следующем. Полимерный материал расплавляется в шнековом пластикаторе и продавливается через формующую плоскощелевую или кругло-щелевую головку (фильеру).
При создании экструзионного оборудования используют три основные схемы производства рукавной пленки: экструзия "снизу вверх";
экструзия "сверху вниз" и экструзия в горизонтальном направлении.
Выбор схемы зависит от назначения оборудования. Наиболее универсальной является схема экструзии "снизу вверх". Она пригодна для
производства пленок различного назначения шириной 50…12 000 мм в
сложенном виде и толщиной 0,01…0,3 мм. Две другие схемы используются реже, в основном, для производства полиэтиленовых пленок
шириной до 1000 мм в сложенном виде, полипропиленовых, полистирольных и других пленок.
Производственные линии для изготовления рукавной пленки (независимо от принятой схемы экструзии) состоят из шнековых прессов
(экструдеров), формующих головок с фильтром, приемно-тянущих и
намоточных устройств и систем охлаждения пленки. Выбор схемы экструзии меняет лишь взаимное расположение экструдера и комплектующих устройств.
Современные линии для производства пленок экструзионным способом из термопластов создаются, как правило, на базе одношнековых
прессов со шнеком диаметром 20…200 мм и горизонтальным расположением материального цилиндра. Расстояние от оси цилиндра до пола
может изменяться в диапазоне 300…1200 мм.
86
Экструзионная установка для производства рукавной пленки
9 10
11
2
3
1
4 8
7
5
6
(рис. 10.1) по схеме экструзия "снизу вверх" состоит из шнекового экструдера 1, угловой кольцевой головки 2, установленной на тележке;
обдувочного охлаждающего кольца 3 с вентилятором 11, наклонных
плит 5, тянущих валков 6, системы промежуточных роликов 7, смонтированных на металлоконструкции 8, приемно-намоточного устройства
9 с измерителем толщины пленки и намоточного барабана 10.
Выдавливаемый через кольцевую щель головки пленочный рукав
раздувается воздухом, который подается через отверстие в дорне профильной головки. После раздува рукава до необходимого диаметра подачу воздуха прекращают и толщину пленки окончательно регулируют
изменением степени продольной вытяжки. Далее пленочный рукав 4
складывается наклонными плитами и плотно зажимается тянущими
валками 6, после чего пленка в виде двойной плоской ленты наматывается на барабан 10.
Рис. 10.1. Схема экструзионной установки для производства
рукавной пленки по схеме "снизу вверх"
87
Шнековый пресс для переработки полиэтилена низкой плотности
считается соответствующим мировому техническому уровню, если его
производительность составляет для шнека диаметром 45 мм – 100, 63 мм –
160, 90 мм – 300, 125 мм – 600, 160 мм – 1100, 200 мм – 1800 кг/ч.
10.2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ
Для повышения качества экструзионной пленки используют устройства для фильтрации расплавов полимеров, которые выполняют в виде
решетки с пакетом сеток и устанавливают между экструдером и формующей головкой. Для замены сеток необходимо остановить работу экструдера и отсоединить формующую головку, что является недостатком.
В настоящее время на смену фильтрующим элементам пришли
устройства для фильтрации расплава полимера, позволяющие заменять
фильтрующий элемент без остановки процесса. Широкое применение
получили устройства пробкового, шиберного (кассетного) типа, а также
с перемещающейся сеткой.
РАСПЛАВА ТЕРМОПЛАСТОВ
10.3. ФОРМУЮЩИЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
Формующие головки для рукавных пленок классифицируют по
направлению входа расплава в головку (с боковым, центральным или
комбинированным подводом) и по виду установки (стационарные и
вращающиеся).
Конструкция формующей головки для производства рукавной
пленки методом эктрузии приведена на рис. 10.2. Поток расплава полимера проходит сквозь сетки 3, расположенные на решетке 2 и направляется в канал, образованный распределителем потока 5 и корпусом 4.
В начальной части канал имеет расширение, а далее сжатие с целью выравнивания скорости потока. Кроме сжимающихся и расширяющихся
каналов, тормозящих поток, предусмотрены регулирующие кольца 10.
Расширение или сужение зазора осуществляется с помощью отжимных 12
и нажимных 11 винтов, изменяющих сечение кольца 10. Дорн 6 соединяется с корпусом 4 при помощи болтов и фиксируется цилиндрическими
штифтами. Регулировка профилирующего зазора осуществляется с помощью винтов 13, смещающих профилирующие кольца в ту или иную
сторону по отношению к дорну. Головка обогревается электронагревательными элементами 16. Для транспортирования дорна или корпуса
головки при ее установке на машину используется рым-болт 14.
РУКАВНЫХ ПЛЕНОК
88
6
10
9
11
370
∅
400
12
13
2
8
7
4
16
17
5
1 3
14
15
290
Рис. 10.2. Профилирующая головка для выдавливания пленки:
1 – переход; 2 – решетка; 3 – фильтрующая сетка; 4 – нижний корпус головки;
5 – распределитель потоков; 6 – дорн; 7 – фланец; 8 – верхний корпус головки;
9 – профилирующее кольцо; 10 – регулирующее кольцо; 11 – нажимной винт;
12 – отжимной винт; 13 – регулировочный винт; 14 – штуцер для воздуха;
15 – регулятор воздуха; 16 – электрообогреватель; 17 – термопара
На рисунке 10.3 представлена вращающаяся формующая головка с
центральным подводом расплава и винтовым распределителем. Головка представляет собой корпус 5, внутри которого установлен распределитель 3. Расплав поступает из цилиндра экструдера в центр головки по
каналу 1 и затем через радиальные отверстия 2 – в винтовой распределитель 3, где равномерно распределяется по периметру формующей
щели 4.
89
4 3
5
2
6
7
1
Рис. 10.3. Формующая вращающаяся головка
с центральным подводом расплава
Параметры распределительных каналов зависят от производительности, свойств материала, размеров пленки и определяются по соответствующим зависимостям. Такая конструкция головки обеспечивает более равномерный по температуре и скорости выход расплава полимера из формующей щели, а совместное вращение (осциллирование)
корпуса и распределительных элементов головки дает возможность
равномерно распределить утолщения пленки по ширине наматываемого рулона. Вращающиеся головки используются в линиях для производства пленок, которые затем подвергаются сварке, нанесению рисунков (флексографской печати) и т.п.
К недостаткам формующих головок с винтовым распределителем
следует отнести значительное гидравлическое сопротивление, большую
вероятность образования застойных зон и сложность в изготовлении.
При больших значениях гидравлического сопротивления каналов
используются головки с гладкими распределителями и центральным
подводом расплава. В них дорн крепится на решетке (центральный подвод)
или на неподвижном сердечнике (боковой или косой подвод расплава).
90