4.Технологический расчет

К технологическим параметрам работы червячной машины от­носятся производительность, частота вращения червяка, давление в головке и мощность привода червячной машины. Все эти параметры легко поддаются измерению. Осуществляя контроль за ними и регулируя их, можно добиться наиболее эффективной работы машины.

Производительность машины и потребляемая мощность зависят в первую очередь от геометрических характеристик червяка и цилиндра, реологических свойств перерабатываемого материала, сопротивления головки и частоты вращения червяка.

Давление в головке, определяемое ее сопротивлением, за­висит от производительности, геометрических характеристик ка­налов головки, по которым осуществляется течение перерабаты­ваемого материала, и от реологических свойств перерабатываемого материала.

Производительность и давление в головке, находятся во взаимодействии между собой. Изменяя частоту вращения чер­вяка, можно в широких пределах изменять производительность червячной машины.

Но!!! всякое изменение частоты вращения червяка приводит и к изменению величины энергии, потребляемой приводом червяка. Т.к. большая часть энергии расходуется на преодоление сил вязкого трения материала в рабочем пространстве машины, и рассеивается в виде теплоты, то любое изменение скоростного режима работы машины вы­зывает необходимость изменения теплового режима и червяка и цилиндра.

Резиновые смеси и каучуки, как уже указывалось ра­нее, в состоянии переработки считаются аномально-вязкими си­стемами, вязкостные свойства которых зависят и от температуры, и от режима деформирования. По этой причине становится вполне очевидной вся сложная взаимосвязь технологических па­раметров.

Вывод. Для того чтобы обеспечить заданную производительность машины необходимо подобрать соответствующую частоту вращения чер­вяка, а для того чтобы сохранить при этом и качество продукта — выбрать тепловой режим головки, цилиндра и червяка.

4.3. МОЩНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

(Для одночервячной машины.)

В одночервячной червячной машине, полимер проходит три состояния: твердое, размягченное и расплавленное, реализуемые в трех зонах чер­вяка, последней из которых является зона дозирования. Их производительности оди­наковы, поэтому производительность машины принято определять по дозирую­щей зоне червяка.

В нынешних представлениях в ч.м. действуют три потока перерабатываемого материала: прямой, мнимый обратный и поток утечек через радиальные зазоры между цилиндром и гребнем винтовой на­резки червяка. Пояснения на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема, давления в головке. Δp- давление в головке.

Прямой поток иногда называют вынужденным. Он появляется в результате вра­щения червяка, действующего подобно гидравлическому винтовому насосу. Произ­водительность прямого потока определяется скоростью вращения червяка и геометрическими характеристиками а винтового канала (глубина, ширина, шаг и угол наклона нарезки, диаметр червяка, профиль канавки).

При отсутствии сопротивления движению расплава будет действовать лишь один прямой (насосный) поток, пропорциональный частоте вращения. Прямой поток не зависит от реологических свойств перерабатываемого материала.

Обратный поток является мнимым. Он обусловлен сопротивлением движению материала, которое определяется давлением и сопротивлением в головке, и зависит от эффективной вязкости.

Поток утечек также создается давлением в головке, направленным навстречу движе­нию расплава. Он зависит от геометрии каналов в головке и вязкости полимера. Поток утечек десятки раз меньше прямого потока.

Окончательная производительность червяка:

(3.1.)

- производительность червячной машины;

- прямой поток;

- обратный поток;

- поток утечек.

Потребляемая мощность привода представляет собой сумму трех составляющих: мощности, расходуемой на преодоление трения полимера о стенки цилиндра и поверх­ность червяка; мощности, затрачиваемой на сдвиг материала в кольцевом зазоре между червяком и цилиндром, и мощности, потребляемой на увеличение давления материала (7 % от полного).

Мощность, необходимая для привода червяка, также может быть определена из уравнения, составленного на основе энергетического баланса экструдера.

4.4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Тепловой расчет состоит в определении необходимой мощности нагревателей материального цилиндра червячного пресса, работающего в расчетном режиме, и со­поставлении ее с табличной мощностью обогревателей выбранной серийной маши­ны. В результате должно соблюдаться соотношение

(4.1.)

Тепловой баланс процесса:

(4.2.)

- энергия потребляемая двигателем;

- энергия нагревателей материального цилиндра;

- энергия затрачиваемая на преодоление сил трения в приводе (мех. потери)

- энергия затрачиваемая на подъем давления материала;

- энергия расходуемая на нагрев материала в машине;

- тепло уносимое охлаждающей водой, через теплообменные устройства червяка и цилиндра;

- потери тепла в окружающую среду. (Конвекция и лучеиспускания от нагретых эл-ов машины)

4.5. ДАВЛЕНИЕ В Ч.М.

Расчет величины удельных давлений, возникающих в конце червяка у головки, можно производить двумя способами. Пер­вый способ базируется на определении механических усилий, пе­редаваемых червяком, в результате которых определяется осе­вое усилие. Второй способ служит для определе­ния максимально возможного удельного давления, производи­мого червяком пpи закрытом отверстии в головке.

Зная величину осевого усилия можно определить удель­ное давление, развиваемое червяком.

(Н/м²) (5.1.)

5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

При работе червячной машины контролю подлежат такие па­раметры, как температура головки и цилиндра, частота вращения червяка, потребление энергии электродвигателем. В отдельных ма­шинах предусмотрен контроль за давлением в головке и за усилием на упорный подшипник червяка. Контролируются также давле­ние и температура горячей и холодной воды, давление сжатого воздуха. Для этих целей используются обычные приборы: по­тенциометры, тахометры, манометры и счетчики электроэнер­гии — киловаттметры и т. п. Все эти приборы монтируются на пульте управления и помогают оператору следить за работой машины.

Главным является контроль за тепловым режимом работы. В машинах старой конструкции и некоторых новых машинах не­большого размера поддержание температуры головки и ци­линдра на заданном уровне обеспечивается ручной регулировкой, т. е. с помощью вентилей, установленных на линии греющего пара и линии промышленной воды. В более современных машинах предусматривается автоматическое регулирование температуры го­ловки и отдельных зон цилиндра.

Рис. 6.1. Принципиальная схема тепловой автоматики червячной машины с камерной головкой/

В качестве примера на рис. 6.1/ приведена принципиальная схема тепловой автоматики червячной машины с головкой для выпуска камерных заготовок. Регулированию подлежат две зоны — зона головки и передняя часть цилиндра. Температура зоны загрузочной воронки и охлаждение червяка регулируются вручную. Теплоносителем служит насыщенный пар (1 МПа), охлаждающей средой — промышленная вода (0,3 МПа). В корпусе головки и цилиндра установлены термопары 1а и 2а, связанные с потенциометрами 1б и 2б автоматического типа. Отклонения тем­пературы от заданного уровня вызывают изменения давления в сети инструментального воздуха, соединяющей потенциометры с регулирующими клапанами 1г, 2г, 1д, 2д. Вследствие этого увели­чивается или сокращается подача греющего пара и охлаждающей воды в регулируемую секцию. Такая схема позволяет поддержи­вать температуру головки и цилиндра на уровне в пределах от 30 до 140°С с точностью до ±1ºС.

В ряде машин, особенно «холодного» питания с вакуум-отсо­сом, где число зон регулирования температуры доходит до шести, обогрев производится с помощью горячей воды, подогреваемой паром или электричеством в специальных нагревателях.

6. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ (ПРОВЕРОЧНЫЙ)

Проверочному механическому расчету подвергают наиболее важные детали чер­вячного пресса, от надежности которых зависит работоспособность всей установки. К таким деталям относятся червяк, его подшипники и материальный цилиндр.

Задача расчета червяка состоит в проверке выбранного или имеющегося в распо­ряжении исполнителя червяка экструдера на прочность и гибкость в условиях конк­ретного технологического режима. Провер­кой на гибкость устанавливают прогиб червяка, что необходимо для недопущения истирания витков червяка при скольжении по внутренней поверхности цилиндра.

Червяк представляет собой консольный стержень, к которому приложено осевое уси­лие Р, равномерно распределенная нагрузка от собственного веса червяка qи крутящий момент М_кр. Расчетная схема представлена на рисунке 7.1.

Таким образом, червяк находится в сложнонапряженном состоянии и рассчитывается по третьей теории прочности:

(7.1.)

Считаем:

1. Напряжение сжатиявозникает от дей­ствия осевого усилия Р. Оно определяется по уравнению:

(7.2.)

Рис. 7.1. Принципиальная схема: Крепления червяка (а); Сил, приложенных к червяку (б);

Его винтовой нарезки (в)

2. Напряжение изгибаа_ивызвано действием распределенной нагрузкиq:

(7.3.)

W— осевой момент сопротивления сече­ния червяка;

3. Напряжение крученияτ_крвызвано действием крутящего момента и определяется по уравнению:

(7.4.)

(7.5.)

W_ρ — полярный момент сопротивления сечения червяка;

4. Величину допускаемого напряжения при изгибе определяют исходя из вели­чины разрушающего напряжения материалачервяка.

где п — коэффициент запаса прочности,п = 2,5-3.

Значение разрушающего напряжения некоторых марок сталей и чугуна:

5. Проверка червяка на гибкостьпредставляет собой расчет на продольно-попереч­ный изгиб с учетом осевого усилияР (Н) и погонной силы веса червякаq (Н/м). Эта проверка выполняется только в том случае, когда давление в головке совпадает или превышает давление, развиваемое червяком.

Прежде всего определяют величину критического осевого усилия, при котором консольный стержень еще не теряет устойчивости:

(7.6.)

где Е — модуль упругости; для сталиЕ - 2,1·10⁵МПа;I— момент инерции сечения червяка,

Значение максимального прогиба не должно превышать величины радиального зазора между червяком и стенками цилиндра, в противном случае необходимо либо изменять технологические параметры (для уменьшения величины осевой силы Р), либо выбирать червячный пресс с червяком большего диаметра.

Подшипниковый узел червяка состоит из радиальных подшипников качения и упорного или радиально-упорного подшипника, на который передается приложенное к червяку осевое усилиеР. Учитывая, что нагрузка на радиальные подшипники незна­чительна, проверке подлежит только упорный подшипник. Он проверяется по коэф­фициенту работоспособности С:

(7.7.)

Расчет материального цилиндра экструдера состоит в оценке значений механиче­ского и температурного напряжений и сравнении их суммы с напряжением, допускае­мым для марки стали проверяемой машины.

Так как материальный цилиндр изготавливается со значительной толщиной стенки, вследствие чего он относится к толстостенным сосудам, а его наружная и внутренняя поверхности имеют разную температуру, то расчет цилиндров производится по меха­ническому и температурномунапряжениям. При этом должно соблюдаться неравенство вида:

(7.8.)