Лекции ОПП / лек. 6.6 ОПП 1.Е 2012-2013 укр черв маш
.docЛекція 6.6. Черв'ячні машини.
Основні питання: Призначення і класифікація. Схеми і конструкції, принцип дії. Теоретичний опис і методи розрахунку процесу екструзії гумових сумішів. Продуктивність. Обертальний момент. Осьове зусилля. Потужність привода. Тепловий баланс. Міцністні розрахунки.
Завдання на СРС: Визначення обертального моменту одночерв'ячної машини.
1. Призначення, будова, принцип дії і класифікація черв’ячних машин
Черв’ячні машини являються машинами безперервної дії, відрізняються високою ефективністю роботи, універсальні за призначенням і тому відносяться до числа основних машин гумового виробництва. Вони призначені для одержання з гумових сумішей заготовок різного профілю і будь-якої довжини, для гранулювання каучуків і гумових сумішів, для пластикації натурального каучуку, віджатої вологи з каучуку і регенерату, для обкладання кабелів, шлангів і рукавів гумовою сумішшю. Черв’ячні машини спеціальної конструкції використовуються в якості гумозмішувачів неперервної дії, служать вузлами пластикації і вприску в черв’ячно-плунжерних литтєвих машинах. За допомогою черв’ячних машин реалізується процес шприцювання гумових сумішів, який полягає в неперервному протисканні розігрітого пластичного матеріалу через профільний отвір інструмента, котрий розміщений в головці черв’ячної машини. В результаті цього протискання формується заготовка, поперечний переріз котрої відповідає геометричній формі отвору. Таким методом одержують заготовки протекторів, камер, прокладок, шнурів, шлангів і т. д.
За технологічним призначенням черв'ячні машини класифікуються на
1) формуючі або профілюючі, котрі звичайно і називають шприц-машинами;
2) пластицирующие (пластикаторы) – для пластикації натурального каучуку;
3) стрейнирующие черв'ячні машини (стрейнеры) – для очищення гумових сумішів від сторонніх включень;
4) гранулюючи черв'ячні машини (гранулятори) – для грануляції каучуків і гумових сумішів;
5) обкладувальні черв'ячні машини – для обкладання кабелів, рукавів гумовою сумішшю;
6) змішувальні черв'ячні машини – для допоміжної обробки гумових сумішів після гумозмішувачі.
У промисловості пластмас подібний метод широко застосовується для одержання готових виробів і відомий під назвою екструзія. З цієї причини черв'ячні машини для переробки термопластичних матеріалів називають екструдерами. У гумовому виробництві черв'ячні машини називають також шприць-машинами, шнековими машинами, черв'ячними пресами.
Типова конструкція черв'ячної машини показана на рис. 1. Основними вузлами і деталями черв'ячної машини являються: черв'як 3, циліндр 4, головка 2, завантажувальна воронка 6, станина 9 з елементами привода черв'яка, електродвигун 14 і пульт управлення 1. Головний робочий орган машини – черв'як, який має глибоку гвинтову нарізку з великим кроком. Черв'як поміщений в циліндр і приводиться до обертання від електродвигуна через систему передач.
Циліндр має рубашки, в котрі подається теплоносій (вода) для нагріву або охолодження; спереду до нього кріпиться головка, а ззаду є вікно, котре сполучається з завантажувальною воронкою.
Гумова суміш або інший вихідний матеріал, який піддається переробці на черв'ячній машині, може мати форму смужки, шматків, гранул. Гумова суміш у більшості випадків подається в вигляді стрічки, котра зрізується з валків вальців (при теплому живленні) або загорнений в рулон (при холодному живленні). Матеріал завантажується в воронку, попадає на поверхню черв'яка, що обертається, і його нарізкою захоплюється до циліндру. При цьому відбуваються ущільнення і неперервне деформування матеріалу, котре супроводжує його вздовж циліндра від завантажувальної воронки до головки. Головка і розміщений в неї профілюючий інструмент чиніть опір осьовому руху матеріалу, внаслідок чого і в самої головці і в циліндрі машини створюється значний тиск, який впливає на роботу черв'ячної машини.

Матеріал, який переробляється, послідовно проходить через три робочих зони машини: завантажувальну зону, зону пластикації, видавлювання (або дозування). У завантажувальній зоні черв’як виконує транспортуючу функцію. У пластикуючій зоні за рахунок контакту з нагрітою поверхнею циліндра і за рахунок перетворення механічної енергії в теплову здійснюється нагрівання матеріалу і його пластикація, перемішування та гомогенізація.
Гвинтова нарізка черв’яка забезпечує як деформування матеріалу, так і його неперервне переміщення вздовж циліндра від воронки до головки. Вирішальним фактором для переміщення матеріалу в черв’ячній машині являється його взаємодія з поверхнею черв’яка і циліндра. В зоні завантаження велике значення має величина коефіцієнта тертя між матеріалом і поверхнею циліндра. Щоб матеріал міг переміщуватися вздовж вісі черв’яка, коефіцієнт тертя матеріалу на поверхні черв’яка повинен бути по можливості малим, а коефіцієнт тертя матеріалу на поверхні циліндра достатньо великим. Якщо ця умова не виконується, то матеріал може обертатися разом з черв’яком, не переміщуючись у напрямку головки ("біляче колесо"). Сприятливий режим роботи машини в завантажувальної зоні досягається вибором відповідної геометрії гвинтової нарізки черв’яка, форми завантажувального отвору в циліндрі, обробкою поверхні черв’яка і циліндра, а також підбором необхідних теплових і швидкісних параметрів технологічного процесу.
У зоні пластикації здійснюються вирішальні процеси обробки матеріалу. Внаслідок опору головки, а також перемінного об’єму гвинтової канавки черв’яка в циліндрі матеріал знаходиться під тиском і за рахунок зціплення з робочою поверхнею черв’яка, котрий обертається, и нерухомою поверхнею циліндра залучається в складний рух. Деформації зсуву по мірі переміщування матеріалу до головки все більше і більше проникають в його глибину. Створюється потік матеріалу, котрий проявляє властивості аномально-в’язкої рідини. Переробка матеріалу в цієї зоні машини носить гідродинамічний характер. Це і покладено в основу сучасної теорії роботи черв’ячної машини. У зоні пластикації відбувається основний нагрів матеріалу; тут матеріал доводиться до такого стану, щоб його можна було б формувати з мінімальною втратою зусиль.
У дозуючої зоні черв’як працює як гвинтовий насос; тут матеріал, знаходячись у пластичному і в’язкотекучому стані, додатково гомогенізується. У головці матеріал формується в заготовку того або іншого профілю.
За виключенням головки всі зони не мають чітких границь один з одним. Довжина кожної зони залежить від стану матеріалу, що завантажується в воронку, і від технологічного призначення машини. Так, в машинах, які живляться розігрітою гумовою сумішшю і призначених для випуску профільних заготовок, переважає функція головки – формування. тут не потрібний тривалий час обробки матеріалу, зона пластикації невелика по довжині. Черв’як в таких машинах має довжину не більше 5-ти діаметрів. В машинах холодного живлення, призначених для пластикації каучуків, на розігрів гумових сумішів часу необхідно більше, тому зона пластикації більша. Загальна довжина нарізної частини черв’яка в машинах подібного призначення зростає до 10-ти і навіть до 20-ти діаметрів.
Черв'ячні машини можуть мати не тільки один черв'як, але і два, навіть три. Таки машини більш складні за конструкцією і призначені для переробки жорстких каучуків і гумових сумішів на їх основі. Вони більш ефективні в роботі як змішувачі. Але найбільше розповсюдження мають одночерв’ячні машини; вони в основному і розглядаються в даний лекції.
Машини виготовляються наступних типів: МЧТ – машини червячні з теплим живленням, призначені для переробки гумових сумішів, яки мають в момент надходження в завантажувальну воронку температуру не нижче 50°С, а для машин, яки приймають гумову суміш з гумозмішувачів, від 80 до 200°С; МЧХ – машини червячні з холодним живленням, найбільш розповсюджених в теперішній час, призначені для переробки гумових сумішів, яки мають в момент надходження в завантажувальну воронку температуру не нижче 15°С, а в момент надходження в профілюючу головку – не менше 60°С; МХЧВ – з холодним живленням і вакуумуванням, призначені для переробки з вакуумуванням гумових сумішів, яки мають в момент надходження в завантажувальну воронку температуру не нижче 15°С, а в момент надходження в профілюючу головку – не менше 60°С.
Основною характеристикою черв'ячної машини являється діаметр черв'яка. Встановлений наступний ряд діаметрів черв'яків (в мм): 32; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 300; 300/380; 400; 380/450; 530/660. Для дрібних позначень діаметрів в чисельнику вказаний діаметр черв'яка в зоні видавлювання, а в знаменнику – в зоні живлення.
2. Конструкція основних вузлів і деталей черв'ячних машин
Черв'яки. Технологічне призначення черв'ячної машини визначається конструкцією черв'яка. Черв'як являється основним робочим органом, головною деталлю черв'ячної машини. Звичайно складається з двох частин: нарізної (робочої) частини і хвостової (опірної). Нарізна частина входить у циліндр машини і являється функціональним органом, хвостовик з'єднує черв'як з приводом машини.
За числом заходів нарізки черв'яки підрозділяються на однозахідні, двозахідні, трьохзахідні і комбіновані – однозахідні в зоні воронки и двозахідні (трьохзахідні) в зоні дозування. Багатозахідна нарізка забезпечує більш рівномірну подачу матеріалу в головку, чим однозахідна нарізка. Черв'яки виготовляються як з постійним по довжині кроком нарізки так і з перемінним.
Глибина нарізки також може бути постійною і перемінною. Відношення об'єму гвинтової канавки по довжині черв'яка в один крок нарізки в зоні воронки до такого ж об'єму в зоні живлення носить назву ступеня стискування. Ступінь стискування вибирається дослідним шляхом і складає звичайно 1,2…1,3. Необхідна ступінь стискування досягається або змінною глибиною нарізки, або змінним кроком нарізки, або тим та іншим одночасно.
При живленні машини гумовою сумішшю у вигляді гранул ступень стискування, котра визначається як відношення об'ємною густиною гумової суміші в монолітному стані до об'ємної густини гранулята, природно, вибирається більше. Більш глибока нарізка, збільшуючи об'єм гвинтової канавки, забезпечує і більш високу продуктивність черв'ячної машини при інших рівних умовах. Звичайно глибина нарізки, її граничне значення, що диктується міркуваннями міцності черв'яка і припустимою швидкістю зсуву матеріалу, складає одну четверту частину зовнішнього діаметра. У більшості черв'ячних машин діаметр черв'яка по довжині нарізної частини має постійне значення. У деяких машин черв'яки конструюються конічними або східчастими (конічно-циліндричними).
Відношення довжини нарізної частини черв’яка до його діаметру визначає технологічне призначення машини (машини теплого и холодного живлення).
Кут підйому гвинтової лінії нарізки черв’яка суттєво впливає на продуктивність черв’ячної машини. Установлено, що оптимальна (з точки зору продуктивності) величина кута знаходиться в межах 20…30°.
Черв’яки працюють в важких умовах, тому вони виготовляються зі стали марок 40ХНМА, 40Х и 45 з термічною обробкою, гранична міцність котрих на розрив досягає 8·102 МПа.

Поверхня черв’яка азотується на глибину 0,5…0,7 мм і піддається термічної обробці для досягнення твердості НRС 78…82 з метою підвищення зносостійкості. Гребні гвинтової нарізки великих машин наплавляються твердим сплавом.
Зазор між черв’яком і поверхнею циліндра (за зовнішнім діаметром нарізки і внутрішньому діаметру циліндра) вибирається в межах (0,002…0,005)D. По мірі зносу робочих поверхонь цей зазор зростає, що приводить до зниження продуктивності машини. При досягненні зазору, що перевищує 0,01D, черв’як і циліндр підлягає відновлювання ремонту.
Для підтримання теплового режиму роботи на потрібному рівні черв'яки мають центральний канал, всередину котрого подається охолоджуюча вода. В головній частині черв'яка цей канал заглушається, а в хвостовій частині з'єднується з системою охолодження.
На рис. 2, а приведена конструкція черв'яка машини загального призначення. Нарізка – двозахідна, з постійним кроком і перемінною глибиною. Ступінь стискування – 1,2. На поверхні частини, котра є перехідною від хвостовика до робочої, є гвинтова канавка невеликої глибини, котра перешкоджає виходу гумової суміші з циліндра в зону підшипників. Конструкція черв'яка з перемінним кроком нарізки показана на рис. .2, б.
Підвід води для охолодження черв'яка здійснюється за допомогою спеціальної системи, один з варіантів котрої показаний на рис. 1. Вода подається в внутрішню порожнину черв'яка по центральній трубці, котра прикріплена до фланцю за допомогою кришки. Повертання води відбувається по міжтрубному простору, утвореному центральною трубою і трубою-подовжувачем. Остання укручений одним кінцем у хвостовик черв'яка і разом з ним обертається. Другий кінець цієї труби входить у зливну порожнину фланця-кришки і ущільнюється гумовою манжетою.
Частота обертання черв'яка робить вплив не тільки на продуктивність, але і на вісь режим роботи черв'ячної машини. З цієї причини більшість черв'ячних машин мають таку схему привода черв'яка, котра дозволяє варіювати частоту його обертання в достатньо широкому діапазоні. Це досягається установкою коробок швидкостей, варіаторів, а також двигунів зі східчастий або плавним регулюванням частоти обертання вала. Деякі приклади кінематичних схем приводів черв'яків черв'ячних машин показаний на рис. 3.
Циліндри і завантажувальні воронки. Циліндр черв'ячної машини піддаються внутрішньому тиску порядку 5…15 МПа в звичайних умовах роботи та до 30…40 МПа при закритій головці. Внаслідок цього він повинен бути достатньо міцним і масивним. Циліндри виконуються зі стального або чавунного литва, бувають цілковими або збірними, а також зварної конструкції. На рис. 4 приведена конструкція збірного циліндра. Корпус циліндра 5 виконаний зварним і складається з рубашки та двох фланців – переднього 4 і заднього 8. Стальна гільза 2 кріпиться в корпусі за допомогою бовтів та фланцю 1 і утримується від прокручування шпонкою 6. Дві рубашки, утворені зовнішнім кожухом, внутрішньою трубою і гільзою, дозволяє підтримувати різний тепловий режим у зоні воронки та в робочій частині циліндра. Подача теплоносіїв до рубашки здійснюється через штуцери 7.


На великих черв'ячних машинах, які переробляють гумову суміш після гумозмішувачів і установлених під ними, додається спеціальний пристрій для примусового живлення шляхом підтискування маси гумової суміші за допомогою спеціального товкача, котрий оснащений пневмоприводом.
Головки. У залежності від напрямку виходу шприцуємої гумової суміші головки можуть бути прямими, поперечними або косими. У прямій головці напрямок течії гумової суміші співпадає з напрямком вісі черв'яка. Подібні головки використовуються для гранулювання сумішів, очищення їх та виробництва більшості профільних заготовок. У поперечної головці напрямок течії суміші змінюється на 90° по відношенню до вісі черв'яка, а в косій головці – частіше за все на 60°. Такі головки застосовуються головним чином для неперервної обкладки гумовою сумішшю яких-небудь виробів.
За опором головки умовно діляться на три типа: головки низького тиску – до 5 МПа, головки середнього тиску – від 5 до 10 МПа, головки високого тиску – понад 10 МПа.
Всі головки повинні відповідати наступним основним вимогам. Для зручності зміни і швидкості очищення головки необхідно легко та зручно знімати її з корпуса циліндра, для чого машини оснащуються відповідними пристроями від простих бовтових з'єднань до складних байонетних затворів і спеціальних підйомних пристроїв. Внутрішні порожнини і канали, по котрих здійснюється течія матеріалу, що переробляється, повинні мати плавні переходи без «мертвих» зон і застійних просторів, у котрих гумова суміш може знаходиться без руху, перегріватися, вулканізуватися та викликати дефекти в шприцуємих напівфабрикатах. Щоб гумова суміш рівномірно виходила з профілюючого інструмента, в головці машини внутрішні канали від черв'яка до виходу повинні мати однаковий гідравлічний опір на всіх лініях току. Внутрішні порожнини головки і її деталей обробляються по високому класу чистоти, краще коли вони хромуються та поліруються. Це забезпечує легке очищення головки і сприяє одержанню високої якості шприцуємих виробів.
На рис. 5 зображені три типи головок: для випуску заготовок трубок та шлангів (а), для випуску заготовок автомобільних камер (б) і для нанесення гумової ізоляції на металеві дроти (в).
У головках для випуску порожнистих трубчастих заготовок (рис. 5, а) профілюючими інструментами являються дорн 1 і матриця 2 (називають іноді мундштуком або шайбою). Матриця закріплюється в корпусі головки 5 гайкою 3 і може центруватися відносно дорна за допомогою трьох регулюючих бовтів 4. Цим забезпечується необхідний зазор між дорном і матрицею. Дорн кріпиться на дорноутримувачі, встановленому міцно в виточці циліндра машини 7. Дорноутримувач має вікна для проходу гумової суміші і його центральна частина з'єднана з периферійною частиною посередництвом тонких обтічних ребер. Ребра мають свердління, через котрі всередину трубчастої гумової заготовки подається опудріваюча композиція (суміш повітря з тальком), котра попереджує злипання заготовки після того, як під дією власної ваги рукав заготовки деформується.
В окремих випадках дорноутримувач виконується більш складним. Щоб рукав не роздувався від стиснутого повітря с тальком, що неперервно подається в нього, порожнина рукава через відповідні канали в дорноутримувачі з'єднана з лінією вакууму. Через два інших канали дорноутримувача може циркулювати охолоджуюча вода, котру подають для регулювання температурного режиму.
Аналогічну конструкцію має і головка для шприцювання трубчастих заготовок автомобільних камер (рис. 5, б). Природно, що внутрішня порожнина головки декілька інша. Якщо в перший головці канал, по котрому тече гумова суміш, виконана в вигляді конусно-кільцевої щілини, котра звужується (конфузора), то в камерній головці – назворот, у вигляді конусно-кільцевої щілини, котра розширюється (дифузора).

Рис. 5. Типові конструкції головок черв'ячних машин: а – для випуску заготовок трубок і шлангів; б – для випуску заготовок автомобільних камер; в – для нанесення гумової ізоляції на дроти; 1 – дорн; 2 – матриця; 3 – гайка; 4 – регулюючі бовти; 5 – корпус головки; 6 – штуцер для подання стиснутого повітря; 7 – циліндр черв'ячної машини; 8 – черв'як; 9 – кран.

На рис. 5, в показана схема косої головки, котра застосовується для нанесення гумової ізоляції на дроти. У дорні 1 є отвір для протягування дроту; величина шару визначається розміром матриці 2, положення котрого можна регулювати бовтами. Для спуску надлишкової гумової суміші в головці установлений пробковий кран 9.
Для того щоб забезпечити рівномірну течію гумової суміші від черв'яка до профілюючого зазору внутрішня порожнина головки виконується з перемінним перерізом і конфігурацією. Максимальна ширина протекторної заготовки не повинна перевищувати трьохкратного діаметра черв'яка.
Існують головки для випуску протекторів з двох марок гуми: верхня частина протектора з більш жорсткої зносостійкої гуми, а бокова і нижня частини з більш м'якої, стійкої до багатократних деформацій. Головка в цьому випадку являється загальною для двох черв'ячних машин. Конфігурація внутрішніх порожностей головки забезпечує ту або іншу комбінацію гум у загальному поперечному перерізі заготовки.
Головка (рис. 6) кріпиться бовтами до циліндру черв'ячної машини 1 (діаметр черв'яка 250 мм) і до циліндру черв'ячної машини 4 (діаметр черв'яка 200 мм). У головці є Y-подібний блок 3 з рубашками для нагріву-охолодження. Цей блок забезпечує розділ потоків двох гумових сумішів і з'єднання їх в один перед профілюючим інструментом. Змінні планки 6 кріпляться спеціальними затискними пристроями 7, які мають повітряні приводи 5. При такої установці головки заготовка протектора витискується вниз і відбирається за допомогою стрічкового транспортера.
Основи розрахунку технологічних параметрів роботи черв'ячних машин. При переробці в черв'ячної машині гумова суміш проходить послідовно через три зони (зону живлення, зону пластикації, зону нагнітання) і головку. Природно, що з точки зору такого технологічного параметра, як продуктивність всі ці зони взаємозв'язані – скільки гумової суміші буде взято в завантажувальної воронці, стільки її, проходячи через зони пластикації і нагнітання, попаде і в головку. На перший погляд, визначальною роботоздатності машини в цілому тут виступає зона живлення. І це у багатьох випадках так і є. З іншого боку, «пропускна» здатність і самої головки і роботоздатність черв'яка в інших зонах можуть стримувати роботоздатність черв'яка в зоні живлення. Наприклад, якщо на машину поставити головку високого опору, то продуктивність машини буде невелика або по крайній мірі набагато менше можливостей, закладених у машині, тобто конструкцією черв'яка, циліндра і завантажувальної воронки. Звідсіль виходить необхідність приведення в відповідність головки і машини, а в самої машині – робочих зон.
Теоретичне рішення будь-якої задачи з переробки гумової суміші передбачає знання трьох груп параметрів: геометрії зони деформації, швидкісного режиму переробки і властивостей гумової суміші. Під властивостями гумової суміші припускаються такі її фізико-механічні показники, як текучість, жорсткість, теплопровідність, теплоємність, коефіцієнт внутрішнього і зовнішнього тертя та інше. Всі ці показники залежать від складу гумової суміші, склад же суміші визначається призначенням виробу, а асортимент виробів надзвичайно великий. З іншого боку, величина показників і навіть властивості дуже залежать від температури і швидкості деформування. Наприклад, при холодному живленні черв'ячної машини гумова суміш у зоні живлення в значному ступеню виявляє пружні властивості, може розглядатися як тверде тіло, а в зоні нагнітання в більшому ступеню проявляються текучі властивості, і тут вона може уподібнюватися високов'язкої рідині. Природно, що в середній зоні (зоні пластикації) має місце перехід гумової суміші з твердо-пружного еластичного стану в в’язко-текучий стан.
З цієї причини роботоздатність машини в протилежних зонах залежить від різних властивостей гумової суміші і при конструюванні кожної зони повинні враховуватися властивості гумової суміші. У зоні живлення на продуктивність впливає коефіцієнт тертя гумової суміші по металу черв'яка і циліндра. Чим менше коефіцієнт тертя гумової суміші по поверхні черв'яка і вище по поверхні циліндра, тим вище рушійна сила черв'яка.
Опір головки. Форма і геометричні розміри каналів головки і профілюючого інструмента вибираються з урахуванням розмірів машини, а також форми і розмірів поперечного перерізу виробу або напівфабрикату, котрий одержується на черв'ячної машині, і в кінцевому підсумку визначають опір головок течії матеріалу, котрий переробляється. Зважаючи складну конфігурацію каналів у реальних головках черв'ячних машин, при теоретичному визначенні загального опору головок вдаються до методу приблизного розрахунку, основаному на заміні реальних каналів спрощеними моделями, для котрих відомі аналітичні рішення. Під спрощеними моделями розуміються канали: циліндричний, кільцевий циліндричний, кільцевий конічний (дифузор або конфузор), плоскощілинний.
Конструкція
проточних каналів для гумової суміші
від кінця черв'яка (циліндричний канал)
до формуючого виріб каналу набирається
з спрощених моделей каналів, тобто![]()
, (1)
де
рг
– опір головки в цілому (тиск у суміші
на межі черв'як – головка);
– опір окремого каналу (перепад тиску
на ділянці каналу); m
– число окремих ділянок.
Гідродинамічний підхід до рішення задач про течію того або іншого середовища по каналах через канал з постійною геометрією дозволяє знайти залежність між об'ємними витратою Q і тиском P (рівняння для ньютонівської рідини):
![]()
![]()
, (2)
де kг – коефіцієнт опору головки (ділянки); μ – в'язкість ньютонівської рідини.
Продуктивність черв'ячної машини. Відповідно спрощеної теорії роботи черв'ячної машини, де вона розглядається як гвинтовий насос, для зони нагнітання продуктивність пов'язана з геометричними параметрами черв'яка, частотою його обертання, тиском у головці і властивостями гумової суміші наступним виразом:
