Лекции ОПП / лек. 6.3-ОПП 1.Е 2012-2013 укр вальци

Лекція 6.3. Гумооброблюючі вальці.

Основні питання: Призначення і класифікація. Схеми і конструкції, принцип дії. Теоретичний опис і методи розрахунку процесу вальцювання. Продуктивність. Розпірне зусилля і потужність привода. Тепловий баланс. Міцностні розрахунки.

Завдання на СРС: Засоби з техніки безпеки при експлуатації вальців.

1. Призначення і класифікація.

У виробництві гумових виробів вальці застосовуються для змішування, листування, підігріву і пластикації гумових сумішів, для подрібнення, розмелу, очищення старої гуми і гумових відходів у регенераторному виробництві.

Вальцями звичайно називають машину з двома обертаючимися назустріч один одному валками, оси обертання котрих розташовані в горизонтальній площині. Валки вальцев мають, як правило, різну окружну швидкість обертання. Відношення окружної швидкості u₂ заднього валка до окружної швидкості u₁ переднього валка прийнято називати фрикцією вальців (f = u₂/u₁ – рис. 3).

Гумооброблюючі вальці поділяються на наступні групи: 1) лабораторні; 2) підігрівальні; 3) змішувальні; 4) подрібнювальні; 5) промивні; 6) розмелювальні; 7) рафінуючи; 8) змішувально-підігрівальні.

Лабораторні вальці призначені для досліджень.

Підігрівальні вальці використовуються для підігріву гумових сумішей перед їх завантаженням на каландри, червячні інші машини. Ці вальці мають різну швидкість обертання валків (фрикція 1,22…1,27). Підігрівальні вальці для підігріву жорстких гумових сумішей можуть бути забезпечені заднім валком з рифленою поверхнею.

Змішувальні вальці служать для введення до гумової суміші окремих компонентів, а також для гомогенізації (домішування) і охолодження гумових сумішів після вивантаження з гумозмішувача. Змішувальні вальці мають фрикцію до 1,08.

Подрібнювальні вальці (крекер-вальці) призначені для подрібнення старої гуми в виробництві регенерату і для переробки прогумованих тканинних відходів. Поверхня обох валків вальців рифлена. Вальці мають підвищену фрикцію (2,42…2,55).

Розмелювальні вальці застосовуються для більш тонкого подрібнення (розмелювання) старої гуми, прогумованих тканин, інших гумових відходів і ебоніту. Поверхня валків розмелювальних вальців може бути як гладкою, так и рифленою; фрикція складає 2,55…4,0.

Рафінуючи вальці служать для очищення регенерату і синтетичного каучуку від твердих хрящовидних включень. Видалення твердих часток з обробляємого матеріалу відбувається завдяки наявності бомбировки (бочкоподібної форми) валків. При роботі вальців за рахунок клиноподібної форми зазору тверді частинки витискуються від середини до країв робочої частини (бочки) валків і збираються на краях (крайках) листа. Потім крайки листа одрізаються і тверді включення вилучаються.

2. Схеми і конструкції, принцип дії.

Схеми і конструкції вальців. Різні типи вальців мають в основі однаковий принцип дії і низьку подібних вузлів (складальної одиниці) і деталей. Взагалі вальці (рис. 1) представляють собою машини, основними робочими органами котрих являються два порожнистих валки 1 і 2, розташовані в горизонтальній площині і обертаються назустріч один одному. Деякі вальці, що використовуються при регенерації гуми, мають три валки.

Валок 1 називається, тому що розташованій збоку робочого місця вальців. Валок 2 зветься заднім. Робоча поверхня валків може бути гладкою або рифленою в залежності від призначення вальців. Кожна з двох станин 8 і 12 вальців стягнута зверху траверсою (поперечинами) 5, 17 і розміщуються на масивній чавунній фундаментній плиті 11. Фундаментна плита з нижнього боку має ребра жорсткості. У вальців з груповим приводом на фундаментній плиті під кожною з станин встановлюються трансмісійні підшипники 9, 14. В чотирьох кутах фундаментної плити розташовані виступаючи тумби для установки і кріплення станин вальців. Кріплення станин вальців до фундаментної плити здійснюється при допомозі бовтів і спеціальних клинів.

Висота поверхні робочої підлоги звичайно знаходиться на рівні верхньої частини тумб фундаментної плити. Для регулювання паралельності установки двох станин і підвищення жорсткості конструкції вальців мається два стягуючих бовтів 10. Станини і поперечини (траверси) вальців відливаються з чавуна і повинні мати 5…6 -кратний запас міцності проти найбільших зусиль, які розвиваються при роботі вальців. У кожній станині вальців встановлюється по два валкових підшипника (один від переднього, а другій від заднього валків).

Підшипники заднього валка 2 нерухомо прикріплюються до відповідної станини при допомозі бовтів. Підшипники переднього валка 1 встановлені так, що їх можна пересувати по станині для регулювання величини зазору між валками. Корпуси валкових підшипників ковзання для покращення умов роботи мають спеціальні порожнини для охолодження.

Регулювання величини зазору між валками здійснюється при допомозі спеціальних механізмів 7, котрі забезпечені запобіжними пристроями. На кожній зі станин маються покажчики величини зазору для усунення перекосу валків.

Рис. 1. Загальний вид вальців: 1 – передній валок; 2 – задній валок; 3 – обмежувальна стрілка; 4 – приводна шестерня; 5, 17 – верхні траверси; 6 – покажчик величини зазору між валками; 7 – механізм регулювання зазору; 8, 12 – станини вальців; 9, 14 – підшипники трансмісійного вала; 10 – з’єднувальні бовти; 11 – фундаментна плита; 13 – вікна для завертання фундаментних бовтів; 15 – трансмісійний вал; 16 – передавальні (фрикційні) шестерні; 18 – ковпачкова маслянка; 19 – кінцевий (аварійний) вимикач; 10 – штанга аварійного вимикача

Валки виготовляються порожнистими зі спеціального високоякісного чавуну з загартованою поверхнею робочої частини і розточкою внутрішньої поверхні, на котру подається охолоджуюча вода (при допомозі спеціальної системи охолодження).

Для запобігання можливості попадання матеріалу, котрий переробляється, у валкові підшипники на вальцях встановлюються захисні розсувні щитки-стрілки 3, одна половина котрих кріпіться до переднього, а друга – до заднього підшипників валків. Спеціальна конструкція стрілок забезпечує достатню надійність в роботі. Для змащування поверхонь пар, які труться, вальці забезпечені спеціальною системою з низькою змащувальних пристроїв.

На поперечинах станин вальцев змонтовані пристрої 19 і 20 для аварійної зупинки вальців.

Станини і траверси, котрі приймають розпірні зусилля при роботі вальців, відлиті зі сталі. Переміщення передніх підшипників здійснюється при допомозі двох механізмів регулювання зазору.

Принцип дії. Для здійснення процесу переробки полімерних матеріалів на вальцях необхідно привести їх валки в обертальний рух навколо горизонтальних осей. При цьому робочі валки повинні обертатися назустріч один одному і з різною частотою. Якщо передній валок робить п₁ об/хв, а задній – п₂ об/хв, то фрикція f = п₂/п₁, Для зниження безпеки при обслуговуванні передній валок має меншу частоту обертання. Для різних типів вальців фрикція має значення від 1,07 до 4.

Рис. 2. Індивідуальний привод вальців: 1 – передній валок; 2 – задній валок; 3 – передавальні (фрикційні) шестерні; 4 – ніж для зрізання стрічки матеріалу, котрий переробляється; 5 – намотувальний барабан; 6 – приводні шестерні; 7 – редуктор; 8 – тормозний пристрій; 9 – електродвигун; 10 – механізм регулювання зазору між валками; 11 – підшипники

Привод вальців для переробки каучуків і гумових сумішей здійснюється в основному за наступними кінематичними схемами: 1) груповий привод; 2) привод двох вальців (подвійний привод); 3) індивідуальний привод (рис. 2); 4) одиничний привод кожного валка вальців безпосередньо від блок-редуктора.

Привод вальців, як правило, включає до себе електродвигун і низьку пристроїв (шестерні, вали, муфти та інше), які забезпечують передачу крутного моменту від електродвигуна до валків вальців.

При індивідуальному приводі (рис. 2) кожна окрема машина приводиться до руху від асинхронного електродвигуна трьохфазного току через редуктор. Установочна потужність електродвигуна вибирається з урахуванням пікових навантажень при обробці жорстких матеріалів. Для забезпечення нормальної роботи потужність електродвигуна індивідуального привода вальців вибирається в 1,5…2,0 рази вище середньої споживаної потужності. Така завищена установочна потужність електродвигуна використовується тільки незначний час, у період пікових навантажень, а в решту часу роботи вальців електродвигун недовантажений.

Одиничний привод кожного валка вальців здійснюється від електродвигуна через блок-редуктор, в котрому змонтовані всі приводні і передаточні (фрикційні) шестерні. При одиничному приводі кожний валок з’єднується зі своїм вихідним валом блок-редуктора через спеціальні шарнірні муфти. Шарнірні муфти забезпечують можливості переміщення валків вальців при зміні зазору між валками без зміни зачеплення передаточних шестерень.

3. Процес вальцювання

Як вже відзначалося, на вальцях можна здійснювати процеси змішування, пластикації, розігріву, диспергування, подрібнення та ін. Обробка гумових сумішей на вальцях в основному відбувається в області деформації між валками, що обертаються.

Областю деформації валкових машин називається простір, в котрому відбувається деформація матеріалу, котрий обробляється під дією обертових валків. Цей простір обмежено областю, в котрій знаходиться запас матеріалу, що обертається, дугами А₁С₁ і А₂С₂ поверхні валків (рис. 3.

В області деформації на матеріал діють розтягуючи, стискуючи, зсувні сили, він зазнає вплив дії підвищених температур, статичної електрики, котра виникає від тертя гумової суміші о поверхню валків і т. д.

Гумова суміш затягується в простір між валками тільки при деяких значеннях кутів захвата.

Кутами захвата валкових машин називаються центральні кути

А₁0₁В₁ = α₁ і А₂0₂В₂ = α₂,

утворені лінією центрів і радіусами-векторами, проведеними з центрів обертання валків до крайніх точок зіткнення матеріалу з поверхнею валка (рис. 3.

Дугами захвата А₁В₁ і А₂В₂ вальців називаються частини окружностей діаметром D₁ і D₂, стягуючи відповідні кути захвата α₁ і α₂.

Зазором між валками називається найменша відстань В₁В₂ = h₀ між поверхнями двох сусідніх валків. Зазор між валками знаходиться в площині, котра проходить через оси обертання двох сусідніх (робочих) валків.

При проходженні матеріалу через область деформації він зазнає складну об’ємну деформацію за трьома напрямками – товщині (висоті), ширині і довжині (у, х, z). Завантажена на обертові валки гумова суміш затягується в міжвалковий простір за рахунок сил адгезії (прилипання) і тертя матеріалу о поверхню валків. Прикордонній шар гумової суміші, прилипаючи до поверхні валків, рухається (обертається) разом з ними і затягує суміш в область деформації, котра поступово звужується. Частки суміші, дотичні с прилиплим до поверхні валків прикордонним шаром, за рахунок когезійних сил і сил внутрішнього тертя також захоплюється в область деформації.

На рис. 4 представлена схема течії (ліній току) полімерного матеріалу в області деформації. За умовами протікання робочого процесу вальцювання (розподіл швидкостей руху матеріалу, тиску, напруги зсуву) область деформації можна розбити на дві зони: зону відставання і зону упередження. Між цими двома зонами мається нейтральний переріз. Іноді цей нейтральний переріз називають нейтральною зоною.

Рис.3 Схема сил, яка діє в зоні деформації

Зоною відставання називають вхідну частину області деформації з обертовим запасом. В зоні відставання є шари гумової суміші, швидкість руху часток у котрих поступово зменшується по мірі віддалення ві поверхні відповідного валка до центральної осі області деформації (ось Ох). На деякої відстані (по осі Ох) від входу гумової суміші в область деформації ці шари зіштовхуються, і тут частина суміші, що не проходить у зазор між валками, виштовхується назад з міжвалкового «клину» і утворює так званий обертовий запас суміші (рис. 4). При утворенні обертового запасу в області деформації створюється так зване турбулентне ядро, в котрому швидкість руху часток може мати зворотній напрямок по відношенню до основного напрямку руху суміші.

Рис. 4. Схема току полімерного матеріалу в області деформації

Шари суміші, безпосередньо прилягаючий до поверхні робочих валків, затягуються в зазор. В області деформації на межах розділу прямих і зворотних потоків, очевидно, маються зони і з нульовими відносними швидкостями. На деякій відстані (по осі Ох) від входу в область деформації потоки суміші, захоплюючій робочими валками, зливаються в загальний потік, швидкість руху котрого дорівнює середній швидкості руху поверхонь робочих валків. Це нейтральний переріз, у котрому зміни питомого тиску в області деформації досягає свого максимального значення, а зміни напруги зсуву проходить через нульове значення. Цей переріз при переробці гумових сумішей на вальцях находиться приблизно на відстані (1/5…1/7)а від площини, котра проходить через осі обертання робочих валків (а – відстань від площини, що проходить через оси обертання валків, до верхньої точки дотику гумової суміші з поверхнею одного з валків). Положення нейтрального перерізу може змінюватися в залежності від властивостей матеріалу, конструкції вальців, величини запасу суміші, зазору між валками і т. д.

В силу того, що в нейтральному перерізі області деформації питомий тиск суміші досягає свого максимального значення, а нові порції гумової суміші продовжують поступати по напрямку від входу до виходу, суміш прагне швидше залишить зону високого тиску і поступає в наступну зону – зону випередження.

Зоною випередження звуть вихідну частину області деформації. В зоні випередження швидкість руху часток суміші, котра знаходиться в середньої її частині, має більш високе значення, чим безпосередньо у поверхні валків. Тут поверхні валків створюють деяку гальмуючу дію на потік суміші. В зоні випередження величина питомого тиску суміші за напрямком від нейтрального перерізу до вихідного поступово зменшується від максимального значення до атмосферного тиску. В середньої частині зазору (переріз х₀х₀) швидкість руху часток суміші має максимальне значення з поступовим зменшенням за напрямком від середини потоку до поверхонь робочих валків. По виходу з області деформації лист суміші залишається прилиплим до поверхні переднього валка, який має, як правило, меншу швидкість обертання, більш високу температуру, кращий стан поверхні, і відривається від поверхні заднього валка, котрий має більшу швидкість. Далі листова суміш, обертаючись разом з поверхнею переднього валка, знову поступає в область деформації, і процес обробки її може повторятися до тих пір, поки вона не буде зрізана з поверхні переднього валка.

У листі гумової суміші після виходу з області деформації маються залишкові напруги, котрі завдяки високоеластичним властивостям матеріалу поступово вирівнюються (відбувається релаксація напруг), і товщина листа декілька зростає за рахунок скорочення інших других розмірів.

При яких умовах гумова суміш буде затягуватися в зазор між валками вальців (рис. 3). На поверхні валків, що обертаються, знаходиться гумова суміш, на котру діють наступні сили: G – вага матеріалу (сила тяжіння); N₁, N₂ – реакції переднього і заднього валків; K₁, K₂, – тангенційні сили для переднього і заднього валків.

Вальці мають наступні характеристики: В₁В₂ – зазор між валками; α₁, α₂ – кути захвату переднього і заднього валків. Сили тертя можна виразити наступним чином:

(1)

де – μ_тр1, μ_тр2 – коефіцієнти тертя гумової суміші об поверхню першого і другого валків; ρ₁, ρ₂ – відповідні кути тертя.

Під дією цих сил гумова суміш може затягуватися в зазор між валками (область деформації) або ковзати по їх поверхні, але не затягуватися в зазор. Необхідно створити таки умови, щоб суміш затягувалася в область деформації і, отже, здійснювався робочий процес вальцювання. Для визначення сили затягування скласти умови рівноваги системи під дією всіх сил: (m – маса; g – прискорення вільного падіння). Маємо:

(2)

де Р_З – сила затягування гумової суміші в зазор.

Підставив значення К₁ и К₂ з рівняння (1), отримуємо:

(3)

Приймаємо R₁ = R₂ = R; α₁ = α₂ = α; ρ₁ = ρ₂ = ρ; N₁ = N₂ = N і підставляємо в рівняння (3):

P_з/cosα = G/cosα = 2N(tgρ – tgα). (4)

З аналізу рівняння (4) ясно, що величина G/cos α мала у порівнянні з іншими членами і нею можна знехтувати. Тоді маємо:

(5)

З рівняння (5) виходить, що сила затягування гумової суміші в зазор вальців буде позитивна, якщо

tg ρ > tg α, т.е. ρ > α. (6)

Таким чином, матеріал буде затягуватися в область деформації між валками вальців в тому випадку, коли кут тертя матеріалу об поверхню валка буде більше кута захвату. Величина кута захвату залежить від геометричних характеристик області деформації, а величина кута тертя – від фізико-механічних характеристик матеріалу і стан поверхні валка.

Для спрощення знехтували величиною G/cos α. У дії нерівність (6) буде мати вид:

. (7)

На практиці кут захвату вальців знаходиться в межах α =30…45^о.

Продуктивність вальців. Для вальців теоретичний розрахунок продуктивності достатньо важкий і залежить від багатьох перемінних величин. У цьому випадку продуктивність розраховується за емпіричними формулами. Для цієї мети спочатку визначається одноразове об’ємне завантаження V (в л), або так звана літражність вальців, за формулою:

, (8)

де D – діаметр валка (переднього), cм; L – довжина робочої частини (бочки валка), cм.; К – коефіцієнт, який змінюється в залежності від того, в яких одиницях взяти D і L. Якщо вони взяти в дюймах, то К = 0,0417, якщо в сантиметрах, то К =0,0065…0,0085, а якщо в метрах, то К = 60…85.

Якщо тривалість циклу обробки суміші на вальцях t (в хв), то продуктивність вальців G (в кг/хв) при багатократному пропусканні суміші через зазор дорівнює:

, (9)

де ; ρ – густина матеріалу, кг/м³.

З рівняння (9) виходить, що продуктивність вальців у значному ступеню залежить від тривалості циклу t обробки, котрий в основному визначається складом суміші, технологічним режимом роботи, організацією праці та іншими умовами.

Інтегральними (сумарними) енергосиловими характеристиками взаємодії матеріалу з робочими валками являються:

– розпірне зусилля між валками – це величина сил опору деформації переробляємого матеріалу, котрі прагнуть розсунути валки;

– крутний момент, необхідний для приведення валків у обертання і на подолання сил опору матеріалу деформуванню.

Розпірне зусилля. Величину розпірного зусилля визначають як теоретично, так і експериментально. Іноді максимальну величину розпірного зусилля відносять до одиниці довжини робочої частини валків і називають питомим розпірним зусиллям.

Наприклад, при підігріві і листуванні холодної суміші на основі НК середнє питоме розпірне зусилля складає 6…7 кН/см.

Крутний момент. Величину крутного моменту можна визначити по потужності, споживаної електродвигуном вальців, що фіксується киловатметром. Для оцінки питомих витрат енергії на процес вальцювання використовується величина питомої споживаної на одиницю маси суміші.

Наприклад, при приготовленні протекторної суміші питомі витрати енергії складають 0,16 кДж/кг.

Рис. 1. Загальний вид вальців: 1 – передній валок; 2 – задній валок; 3 – обмежувальна стрілка; 4 – приводна шестерня; 5, 17 – верхні траверси; 6 – покажчик величини зазору між валками; 7 – механізм регулювання зазору; 8, 12 – станини вальців; 9, 14 – підшипники трансмісійного вала; 10 – з’єднувальні бовти; 11 – фундаментна плита; 13 – вікна для завертання фундаментних бовтів; 15 – трансмісійний вал; 16 – передавальні (фрикційні) шестерні; 18 – ковпачкова маслянка; 19 – кінцевий (аварійний) вимикач; 10 – штанга аварійного вимикача

Рис. 2. Індивідуальний привод вальців: 1 – передній валок; 2 – задній валок; 3 – передавальні (фрикційні) шестерні; 4 – ніж для зрізання стрічки матеріалу, котрий переробляється; 5 – намотувальний барабан; 6 – приводні шестерні; 7 – редуктор; 8 – тормозний пристрій; 9 – електродвигун; 10 – механізм регулювання зазору між валками; 11 – підшипники

Рис. 4. Схема току полімерного матеріалу в області деформації

10