Лекции ОПП / лек. 6.5-ОПП 1.Е 2012-2013 укр змішувачи
.docЛекція 6.5. Гумозмішувачі.
Основні питання: Призначення, схеми і конструкції, принцип дії. Характеристики і параметри гумозмішувачів. Розрахунок основних з них.
Завдання на СРС: Визначення коефіцієнту заповнення камери змішувача.
1. Призначення, схеми і конструкції, принцип дії гумозмішувачів
Гумозмішувачі призначені для приготування гумових сумішів, у них реалізується процес змішування каучуку з наповнювачами, сіркою та іншими компонентами. За принципом дії гумозмішувачі поділяються на змішувачі періодичної дії та змішувачі неперервної дії. Найбільше розповсюдження отримали гумозмішувачі періодичної дії. Робочими органами таких змішувачів являються два ротори, котрі поміщені в камеру і обертаються назустріч один одному. Камера має вікна для завантаження компонентів і вивантаження готової гумової суміші. Під час приготовлення гумової суміші вікна закриваються спеціальними механізмами. З цієї причини такі змішувачі звуться гумозмішувачами закритого типа.
Ротори по геометричним обрисом робочої частини бувають чотирьох видів: овальні, трьохгранні, циліндричні і чотирьохгранні. У вітчизняної практиці нашли застосування в основному гумозмішувачі закритого типа з овальними роторами.
Гумозмішувач (рис. 1) складається з змішувальної камери 9, яка змонтована на станині 11, всередині котрої розміщені ротори 14; верхнього затвора 8 та його привода 6; завантажувальної воронки 7; нижнього затвора 10 з приводом 12; системи комунікацій 5 для подання охолодної води до змішувача; привода роторів, до складу котрого входять електродвигун 1, муфта 2, блок-редуктор 3 і шарнірні муфти 4; ціла низька інших допоміжних пристроїв.
Більш докладно будова гумозмішувача показано на рис. 2. Принцип роботи гумозмішувача полягає в наступному. Вихідні компоненти завантажуються в змішувальну камеру: рідкі компоненти – через патрубок в горловині 5, технічний вуглець – через інший патрубок в цієї ж горловині, все інші компоненти (каучук у вигляді шматків або гранул і сипкі) – через завантажувальну воронку 11. У завантажувальній воронці на горизонтальній вісі встановлені дверцята 9 з пневматичним приводом 10. Після завантаження компонентів дверцята займають вертикальне положення і попереджують винос пилоутворюючих речовин назовні. Частина з них відсмоктується через вентиляційний патрубок 8.
Роторами 2 компоненти суміші утягуються в складний рух і зазнають деформації стискування, розтягування та зсуву. Домінуючими являються деформації зсуву і стискування. Цьому сприяє сама конструкція роторів, які являють собою порожності вали з фігурними гребнями. Гребні розташовані під кутом до утворюючої циліндра. Кут закручування гребній однаковий і дорівнює 90°, а кути підйому різні. Один з гребенів розташований під кутом приблизно 30° до утворюючої циліндра, а інший – під кутом 45°. Завдяки цьому один з гребенів простягається вздовж робочої частини ротора на довжину, більшу половини всієї довжини ротора, а інший – на довжину, меншу половини довжини робочої частини ротора. Таким чином, гребень, розташований під меншим кутом до утворюючої, являється більш довгим, а інший гребень з більшим кутом по відношенню до утворюючої – менш довгим, або коротким. Гребни розташовані в протилежних частках ротора і між собою не з'єднуються. Поперечний переріз ротора по гребню має півовальну форму. Зазор між вершиною гребня ротора і циліндричною стінкою камери складає величину порядку 3 мм.
Рис. 1. Гумозмішувач: 1 – електродвигун; 2 – муфта; 3 – блок-редуктор; 4 – шарнірна муфта; 5 – трубопроводи системи охолодження; 6 – пневмоциліндр верхнього затвора; 7 – завантажувальна воронка; 8 – верхній затвор; 9 – змішувальна камера; 10 – нижній затвор; 11 – станина; 12 – гідропривід нижнього затвора; 13 – гідроциліндр привода запору нижнього затвора; 14 – ротори.
По закінченню завантаження компонентів у камеру гумозмішувача вмикається в роботу пневматичний привод 7, шток котрого з’єднаний з верхнім затвором 6. Останній опускається і впливає на компоненти суміші з певним зусиллям. Завдяки цьому досягається необхідне для процесу змішування зціплення матеріалу, що перемішується, з поверхнею роторів і змішувальної камери. У початковий період роботи змішувача компоненти заповнюють не тільки увесь об’єм камери, але і частину горловини. По мірі розподілу сипучих і рідинних компонентів у каучуку об’єм суміші зменшується і на завершальній стадії процесу змішувальна камера заповнена сумішшю частково. Відношення об’єму гумової суміші до вільного об’єму змішувальної камери носить назву коефіцієнта завантаження. Середнє значення коефіцієнта завантаження змішувальної камери вибирається дослідним шляхом і знаходяться в межах 0,6…0,7.
Матеріал, який перемішується, піддається деформаціям в серпоподібному зазорі між гребнями роторів і стінками змішувальної камери, в вузькому зазорі між вершинами гребенів і стінкою камери, в просторі між роторами і затворами, верхнім і нижнім, у просторі між циліндричною поверхнею роторів і стінкою камери. Внаслідок того, що ротори обертаються з різною частотою, геометрична форма робочого простору безперервно змінюється, компоненти суміші і сама суміш здійснює складний рух, переходять з одної половини камери в іншу. Завдяки гвинтовому розташуванню гребенів крім поперечного переміщення суміш одержує продовжний рух, розвертається у бокових стінок і рухається за складними траєкторіями по об'єму змішувальної камери.
Рис. 2. Гумозмішувач:
1 – станина; 2 – ротори; 3 – змішувальна камера; 4 – система зовнішнього охолодження змішувальної камери; 5 – горловина; 6 – верхній затвор; 7 – повітряний циліндр; 8 – вентиляційний патрубок; 9 – дверцята завантажувальної воронки; 10 – пневмопривод дверцят; 11 – завантажувальна воронка; 12 – кожух; 13 – нижній затвор ковзного типа; 14 – повітряний циліндр нижнього затвора; 15 – водяний колектор.
Гумозмішувачі оснащуються достатньо потужними електродвигунами. Наприклад, гумозмішувач з вільним об'ємом змішувальної камери 250 л при частоті обертання швидкісного ротора 20 об/хв оснащується електродвигуном потужністю 315 кВт, а той же змішувач при частоті обертання швидкісного ротора 40 об/хв оснащується двигуном потужністю вже 800 кВт.
На рис. 2 показана найбільш розповсюджена, так звана відкрита система охолодження змішувальної камери. Охолоджуюча вода з допомогою розбризкувателей, змонтованих зовні камери і закритих спеціальним кожухом 12, зрошує стінки камери и через колектор 15 уходить на злив. У верхньому 6 і нижньому 13 затворах маються спеціальні порожнини, по котрих циркулює вода, тобто. тут має місце система закритого охолодження. Ротори, як правило, охолоджуються відкритим способом. Схема установки ротора в змішувальної камері показана на рис. 3. Опорні підшипники 2, в котрих обертається ротор 6, встановлені в корпусах, що становлять невід'ємну частину бокових стінок 4 змішувальної камери 5. Ця частина знаходиться на приливах бокової стінки і віддалена від самої стінки на деяку відстань. Тим самим між підшипниками роторів і боковою частиною змішувальної камери створений простір для монтажу спеціальної системи 3 для ущільнення зазору між боковою стінкою 4 і шийкою ротора, що обертається. Ротори піддаються в процесі роботи інтенсивним навантаженням. Вони виготовляються зі сталі методом відливок. Зовнішня поверхня робочої частини роторів з метою попередження надмірного зносу зміцнюється наплавленням твердими сплавами з високим вміщенням хрому.
Змішувальна камера складається з двох напівциліндрів і двох боковин, з'єднаних між собою бовтами. Вона виготовляється також зі стального лиття. Циліндрична частина камери може мати і зварну конструкцію. Для придання камері необхідної жорсткості передбачена наявність ребер з зовнішнього боку. Зсередини робоча поверхня камери також зміцнюється наплавленням шару з зносостійкої стали.
По закінченню циклу змішування нижнє вікно в змішувальної камері відкривається і готова суміш роторами, що обертаються, виштовхується назовні, відбувається вивантаження гумозмішувача. Затвори нижнього вікна бувають двох типів: ковзні і відкидні. На рис. 2 в поперечному перерізі зображений нижній затвор ковзного типа. Власне затвор 13 закріплений на корпусі повітряного циліндра 14. В цьому корпусі маються бокові приливи, котрими він сковзає по направляючим в станині 1. Шток пневмопривода нижнього затвора закріплений на виносної консолі і на рисунку не видний. Через цей шток в порожнину циліндра подається стиснуте повітря, що приводить до руху корпус циліндра. Таким чином, в приводі нижнього затвора шток з поршнем являється нерухомим, а циліндр і закріплений на ньому затвор 13 при подачі стиснутого повітря в ту або іншу порожнину циліндра можуть переміщуватися за направляючими станини, відкриваючі або закриваючі знизу змішувальну камеру. Схематично на рис. 1 і більш докладно на рис. 4 показаний пристрій нижнього затвора відкидного типа. Затвор 7 змонтований на опорі 3. У свою чергу ця опора насаджена на горизонтальний вал, з'єднаний з гідроприводом 4 лопатевого типа. При подачі робочої рідини в ту або іншу порожнину гідроприводу відбувається поворот горизонтального вала, а отже і відкривання або закривання нижнього вікна змішувальної камери. На опоре затвора 3 змонтовані ролики 2, котрими увесь затвор під час роботи опирається на запірну плиту 1. Опірна частина плити 1 виконана у вигляді клина і штоком 8 зв'язана с гідроциліндром 9. Таким чином, запірна плита за допомогою власного гідроприводу може переміщуватися в напрямку станини і, впливаючи через ролики 2, замикати нижній затвор під час змішування або звільняти його перед відкриттям для вивантаження гумової суміші. Подібна схема пристрою нижнього затвора забезпечує раціональний розподіл навантажень з боку гумової суміші і достатню швидкодію. Час спрацьовування затвора відкидного типа обчислюється секундами, а час спрацьовування затвора ковзного типа вимірюється десятками секунд.
Рис. 3. Схема установки ротора в змішувальної камері: 1 – шпиндель шарнірної муфти; 2 – двохрядний роликовий підшипник; 3 – системи ущільнення шийок роторів в камері; 4 – бокові стінки змішувальної камери; 5 – змішувальна камера; 6 – ротор
Привод роторів гумозмішувачів здійснюється за різними схемами від електродвигунів посередництвом передач. Ротори гумозмішувача обертаються з різною частотою і за аналогією з вальцями відношення частоти обертання швидкохідного ротора до частоти обертання менш швидкохідного ротора називають фрикцією, а пара шестерень в приводі, що забезпечують цю різницю частот обертання роторів, получила назву фрикційної. Така назва звичайних зубчастих шестерень носить з цієї причини умовний характер.
На рис. 6 приведена типова для сучасних гумозмішувачів кінематична схема привода роторів. Обертальний рух роторам 6 від електродвигуна 1 передається через пружну муфту 2, блок-редуктор 3 і шарнірні муфти 4. Тут три ступеня зубчастих передач зосереджені в одному агрегаті – блок-редуктора, що має індивідуальну систему змащування всіх шестерень. Застосування універсальних шарнірних муфт дозволяє передавати на ротори тільки необхідний для їх привода крутний момент.
А
Існують схеми приводів, в котрих фрикційні шестерні и одна з приводних посаджені безпосереднє на консольні шийки роторів. В цьому випадку ротори іспитують додатково на радіальне навантаження, самі передачі працюють в менш сприятливих умовах, тому що герметичність захисних кожухів невисока. Крім того, виробка роторних підшипників приводить до зростання міжцентрової відстані фрикційних шестерень, що також небажано.
У гумозмішувачів старих конструкцій можна зустріти привод роторів від тихохідних синхронних двигунів (94 об/хв) через трансмісійний вал, трансмісійну шестерню безпосередньо до приводної шестерні, без застосування редуктора.
Кінематична схема, приведена на рис. 6, являється найбільш досконалий.
2. Характеристики і параметри гумозмішувачів періодичної дії. Розрахунок основних з них.
Продуктивність резиносмесителя. Продуктивність двороторних гумозмішувачів періодичної дії залежить від об'єму змішувальної камери, густини суміші, котра обробляється, коефіцієнта завантаження, коефіцієнта використання машинного часу, тривалості циклу змішування і може бути розрахована за формулою (в кг/год):
де V – вільний об'єм змішувальної камери, дм3 (або л); φ = 0,56…0,76 – коефіцієнт завантаження змішувальної камери; ρ – густина готової гумової суміші, кг/дм3 (або кг/л); α = 0,8…0,9 – коефіцієнт використання машинного часу, котрий залежить від рівня організації виробництва; τц — тривалість циклу змішування, хв.
Тривалість циклу змішування складається з основного часу змішування компонентів і тривалості часу допоміжних операцій, таких як відкриття дверцят верхнього затвора, завантаження компонентів, відкриття нижнього затвора, вивантаження готової гумової суміші. Тривалість допоміжних операцій звичайно складає 30…40 с у змішувачів, які оснащені затворами відкидного типа, і 40…60 с у змішувачів з затворами ковзного типа. Тривалість самого змішування залежить від рецептури гумової суміші і варіюються в межах від 2,5 до 10 хв та більше.
Розрахунок потужності привода. Неоднорідність суміші в початковий період процесу гумозмішування приводить до того, що споживання електроенергії приводом носить нерегулярний характер. Цьому сприяє також часто мінливе положення роторів відносно один одного і відносно компонентів, які змішуються. На діаграмі потужності (тобто на графіку N = f (t), де N – споживана енергія, t – час) мають місце пики, котрі відповідають кількості матеріалу, що утягуються в процес деформування, і провали, котрі відповідають послабленню цього впливу, наприклад при проковзуванні каучуку відносно стінок камери. Температура суміші поступово підвищується, і це веде до втрати її опірності деформаціям. Таким чином, по мірі ведення процесу змішення суміш стає більш однорідною і більш пластичною.
Фактичні витрати електроенергії розраховуються по показникам приладів. Гумозмішування відноситься до енергоемких процесів. Про це свідчить потужність електродвигунів, які встановлені на гумозмішувачах. У середньому на кожний килограм готової гумової суміші витрачається приблизно 7…11 МДж (0,2…0,3 кВт۰год).
При розрахунку теплообміну необхідно мати на увазі, що бокові стінки змішувальної камери щільно з'єднуються з циліндричною її частиною. Остання інтенсивно охолоджується водою. З цієї причини частина теплоти від гумової суміші, котра передається боковим стінкам, відводиться з водою за рахунок теплопровідності метала стінок камери. Втрати теплоти в оточуюче середовище через бокові стінки камери порівняльно невелика, і нею можна знехтувати. Частина теплоти витрачається на нагрів гумової суміші, а основна її доля повинна бути відведена водою, що охолоджує.
