4. Червячные прессы Назначение и классификация червячных прессов

В мировой практике до 40% термо­пластичных полимеров перерабатыва­ют в изделия методом экструзии с ис­пользованием червячных прессов (экструдеров) различных типов. При переработке гранулированных или порошкообразных термопластов экструдеры предназначаются для непре­рывной пластикации и гомогенизации полимера, получения однородного расплава, перемешивания его и вы­давливания через формующие головки в виде спрофилированного изделия. В случае питания экструдера распла­вом полимера, например из трубчатых реакторов или полимеризационных колонн, экструдер используют в прос­тейших схемах как непрерывно дейст­вующий нагнетатель расплава. В бо­лее сложных схемах в экструдер до­полнительно подают красители, ста­билизирующие добавки и наполните­ли, которые смешиваются с расплавом основного полимера и выдавливаются червяком через формующие головки в виде готовой композиции.

Непрерывность и высокая произво­дительность процесса экструзии соз­дают возможность максимальной ав­томатизации не только отдельных аг­регатов, но и целых производств, по­этому червячные экструдеры — это один из наиболее распространенных и перспективных видов оборудования заводов по переработке пластмасс.

С учетом многообразия функций, выполняемых экструдерами, а также конструктивных решений этого вида оборудования, в УкрНИИпластмаш создана его классификация по конст­руктивно-технологическим признакам (рис. 1-V). В соответствии с этой классификацией приняты семь отличи­тельных категорий (вид, тип, класс, группа, ряд, исполнение и модель), которые практически полностью рас­крывают конструктивно-технологичес­кие особенности данного червячного пресса, за исключением его компонов­ки (горизонтальный или вертикаль­ный), что не является существенным.

Вид оборудования характеризует особенность машины по ее основному рабочему органу среди других нашим для переработки пластмасс и опреде­ляет название — червячный пресс. Тип указывает на количество рабочих органов — червяков в экструдере. Класс определяет функциональное назначение экструдера в наиболее об­щем виде, т. е. раскрывает характер воздействия экструдера на полимер: пластикация холодного термопласта или переработка готового расплава.

Группа указывает на характер ком­поновки основного рабочего органа — червяка (в одну ступень или две), т. е. определяет стадийность перера­ботки термопласта в данном прессе. Ряд — определяет обобщенную об­ласть применения, характер теплоэнер­гетического и других видов воздейст­вия экструдера на полимер. Исполне­ние — характеризует наличие или от­сутствие в данном червячном прессе зоны дегазации расплава полимера. Модель — отличает экструдер по диа­метру червяка и отношению длины его рабочей части к диаметру L /D.

Используя указанные семь катего­рий, определяющих данный червячный пресс из всей разновидности экструде-ров, возможно выделить конкретный пресс с требуемыми характеристика­ми. Так, из приведенной классифика­ции следует, что полная характеристи­ка данной модели червячного пресса включает все семь категорий, напри­мер: одночервячный пресс, пластици-руюший, одноступенчатый, специаль­ный автогенный, с зоной дегазации, диаметр червяка D с отношением дли­ны червяка к диаметру L/D.

Размерные ряды отечественных одно- и двухчервячных прессов созда­ют по главному параметру — диамет­ру червяка. Принятая градация чер­вячных прессов по диаметру червяка соответствует рядам предпочтитель­ных чисел (ГОСТ 8032—56), рекомен­дациям соответствующих комиссий СЭВ и потребностям народного хо­зяйства страны в экструдерах каждо­го типа и модели. Параметрический ряд отечественных червячных прессов построен по диаметрам червяков: 20, 32, 45, 63, 90, 125, 160, 200, 250 и 320 мм. Модели отечественных одно-червячных пластицирующих червяч­ных прессов универсального назначе­ния допускают изготовление прессов с отношением длины рабочей части червяка к диаметру LID, равным 20, 25 и 30. Для специальных целей отно­шение L/D может быть увеличено до 35 или 40. Отношение длины рабочей части червяка к диаметру L/D отече­ственных двухчервячных прессов уни­версального назначения составляет 12 и 15. Для специальных целей могут быть изготовлены двухчервячные прес­сы с другим соотношением LID.

Большое количество и конструктив­ное разнообразие моделей червячных прессов объясняет сложность их стандартизации. По указанной причи­не в СССР стандартизованы только одночервячные пластицирующие одно­ступенчатые политропные прессы уни­версального назначения — ГОСТ 14773—69, «Прессы одночервячные для переработки термопластов»

(табл. 1-V). Указанный ГОСТ не рас­пространяется на одночервячные прес­сы специального назначения для гралулирования и вакуумирования расплавов термопластов и переработки таких материалов, как полиметилме-такрилат, полиформальдегид, поли­карбонат, поливинилбутираль, поли­амиды, фторопласты и др.

На двухчервячные прессы пластицирующие политропные одноступенча­тые универсального назначения разра­ботана отраслевая нормаль ОН-26-10-26—67. Нормаль регламентирует пара­метры и размеры двухчервячных прес­сов для переработки термопластов в изделия и не распространяется на спе­циальные двухчервячные прессы с однонаправленным вращением состав­ных червяков, набираемых из элемен­тов. Основные параметры и размеры двухчервячных прессов согласно нор­мали ОН-26-10-26—67 приведены в табл. 2-V.

На остальные группы и ряды одночервячных прессов (специальные авто­генные, двухступенчатые с осциллиру­ющим червяком пластикатора, одно-и двухступенчатые для переработки расплавов, а также на специальные двухчервячные прессы) из-за постоян­ного изменения их параметров и раз­меров в СССР нормативные докумен­ты (ОСТ, ГОСТ и др.) не создаются.

Основные конструкции червячных прессов

Отечественные червячные прессы кон­струируют на базе типовых решений и унифицированных узлов.

На рис. 2-V приведена типовая кон­струкция одночервячного пресса, со­ответствующего требованиям ГОСТ 14773—69. Пресс состоит из сварной станины /, на которой смонтирован вертикальный трехступенчатый редук­тор 2 привода червяка. Внутри стани­ны / установлен электродвигатель 4 постоянного тока, который через упру­гую муфту 3 приводит во вращение зубчатые пары редуктора и червяк. Бесступенчатое регулирование часто­ты вращения червяка обеспечивается тиристорным электроприводом, монти­руемым в отдельном шкафу. На кар­тере редуктора установлен узел 5 ох­лаждения червяка, трубчатый барбо-тер которого помещается в осевом канале червяка. На передней * части редуктора соосно с выходным валом смонтирован узел упорного подшип­ника 6. К узлу подшипника 6 при­креплен корпус 7 (цилиндр) червяка, имеющий радиальное отверстие с за­грузочной воронкой 8 для перерабаты­ваемого материала.

Загрузочная часть корпуса имеет охлаждающую камеру 9 для предот­вращения преждевременного плавле­ния и зависания термопласта во время работы пресса. Корпус червяка разде­лен по длине на тепловые зоны, вклю­чающие нагреватели сопротивления 10 (или индукторы) и трубчатые змееви­ки, запрессованные в стенку корпуса для прохождения жидкого хлада­гента.

Для поддержания заданного темпе­ратурного режима в каждой зоне ус­тановлена термопара // с выводом на регулирующий прибор (милливольт­метр или потенциометр). Внутрь корпуса червяка запрессована износо­стойкая гильза 12 из азотированной стали. В осевом канале корпуса поме­щается червяк 13, который соединяет­ся с редуктором пресса эвольвентным шлицевым соединением. Для охлажде­ния зон корпуса в пресс вмонтирована система 14 ручной и автоматической подачи хладагента с управлением от шкафа теплового контроля и регули­рования. Пресс закрыт защитным ко­жухом 15.

В прессах с диаметром червяка 125 мм и более редуктор / (рис. 3-V) выполнен горизонтальным, а электро­двигатель 2 вынесен за пределы обли­цовки корпуса пресса; при этом улуч­шаются условия эксплуатации и об­служивания машин. Такая компонов­ка применена также в червячных прес­сах с червяками диаметром 63 и 90 мм и повышенной длиной (до 30D)

В отношении конструктивно-компо­новочного решения двухчервячные прессы для переработки порошкооб­разных термопластов в основном идентичны описанным одночервячным прессам (см. рис. 2-V). Отличие со­стоит лишь в том, что между редукто­ром и корпусом червяков в двухчер-вячных прессах (рис. 4-V) имеется приводная коробка 4 со специальной марой валов-шестерен, передающих крутящий момент от ведущего червяка на ведомый. В то же время вал-шестерня ведущего червяка передает осевое усилие на упорный роликовый подшипник. Вал-шестерня ведомого червяка имеет гребенчатую пяту, ко­торая воспринимает осевое усилие, возникающее на ведомом червяке. Червяки имеют хвостовики со шлица­ми и соединяются с валами-шестерня­ми шлицевыми муфтами 3. Двухчер­вячные прессы предназначены для пе­реработки нетермостабильных термо­пластов (в основном поливинилхлорида), поэтому для быстрой разборки и чистки червяков корпус крепят к при­водной коробке байонетным соедине­нием 2.

Рис. 3-V. Одночервячный пресс для переработки тер­мопластов с выносным при­водом

Рис. 4-V. Двухчервячный пресс для переработки порошкообразных термопластов

Для извлечения червяков кор­пус пресса откатывается в осевом на­правлении зубчатой шестерней и рей­кой /.

Одночервячный пресс-пластикатор с осциллирующим движением червяка (рис. 5-V) снабжен сварной станиной /, на которой установлен специальный редуктор 2, обеспечивающий вращение и возвратно-поступательное движение червяка. Последний приводится элек­тродвигателем постоянного или пере­менного тока через клиноременную передачу 3. При использовании элект­родвигателя переменного тока частоту вращения червяка регулируют ступен­чато за счет сменных шкивов или сменных шестерен редуктора. Веду­щий вал редуктора соединяется жестко с хвостовиком червяка специаль­ной продольно-сварной муфтой 4. Задняя гладкая часть 5 червяка рас­положена в подшипнике скольжения 6, прикрепленном к корпусу редукто­ра. Червяк имеет специальный про­филь многозаходной нарезки, в про­точках которой помещаются три ряда неподвижных пальцев, закреплен­ных в разъемном корпусе 7 чер­вяка. Внутри червяк имеет осевой канал, который секционирован барботером на две тепловые зоны с незави­симым терморегулированием. При вращении и возвратно-поступательном движении червяка неподвижные паль­цы, кинематически связанные с про­точками в нарезке, создают сложное петлеобразное движение перерабаты­ваемого термопласта, что обеспечива­ет высокий смесительный и пластицирующий эффект.

Корпус 7 выполнен с разъемом вдоль оси для раскрывания при чист­ке червяка. Для соединения двух по­ловин корпуса служит клиновой замок 9 и клиновое соединение 10. Для по­вышения износостойкости внутри кор­пуса крепится азотированная гильза 8 из высокопрочной стали, состоящая также из двух половин, прикрепляе­мых к частям корпуса болтами-паль­цами. Корпус снабжен рубашкой, в полость которой подается теплоноси­тель (пар или перегретая вода). По длине корпуса образуются две температурные зоны с независимым автома­тическим или ручным терморегулиро­ванием.

Пресс обеспечивает пульсирующую подачу пластиката. Для уменьшения пульсации материала, нагнетаемого осциллирующим прессом, к нему под углом 90° присоединен дозирующий одночервячный пресс обычной конст­рукции. Формующие головки, как пра­вило, крепят к дозирующему прессу, хотя в ряде случаев для питания рас­плавом каландров головки закрепля­ют непосредственно на осциллирую­щем прессе, что нежелательно. Техни­ческая характеристика отечественных конструкций червячных прессов приве­дена в табл. 3-V.

Кинематические схемы одно- и двухчервячных прессов приведены на рис. 6-V. Эти схемы являются типовы­ми для различных червячных прессов, за исключением прессов специальных конструкций. При разработке прессов необходимо обращать внимание на то, каким образом отдельные конструк­тивные элементы воспринимают воз­никающие при работе силовые на­грузки. Последние распределяются между функциональными узлами од-ночервячного пресса следующим об­разом. Станина пресса воспринимает статическую нагрузку от смонтиро­ванных на ней всех узлов, а также реактивный момент, возникающий при работе электродвигателя и редуктора.

При работе пресса корпус узла упорного подшипника и корпус (ци­линдр) червяка одновременно воспри­нимают растягивающее усилие, рав­ное осевому усилию на червяке по ве­личине и обратное по направлению, а также реактивный момент привода червяка, равный моменту, приложен­ному к червяку. Поскольку задняя обойма упорного подшипника опирает­ся на стенку корпуса, то осевое уси­лие червяка воспринимается корпусами червяка и подшипника и на стенку редуктора не передается. Корпус (ци­линдр) червяка испытывает также растягивающие усилия в радиальном направлении под действием гидроста­тического давления расплава полиме­ра при высоких температурах, а так­же изгиб под действием собственной массы. Червяк пресса работает на скручивание от передаваемого крутя­щего момента и на сжатие от осевого усилия. Одновременно 'червяк подвергается значительному термическому нагружению, поскольку в одночервячных прессах его наружная поверх­ность контактирует с горячим распла­вом, а внутрь червяка подается хлада­гент с пониженной температурой.

Схема силового нагружения некото­рых узлов и деталей прессов с двумя червяками, вращающимися в проти­воположных направлениях, отличает­ся от схемы нагружения одночервяч-ных прессов. Так, корпус червяков в местах крепления к редуктору не вос­принимает реактивный крутящий мо­мент. Аналогично в корпусе коробки передач крутящий момент на валах-шестернях является по отношению к корпусу внутренним усилием. Валы-шестерни коробки передач двухчервячных прессов передают крутящий момент и осевое усилие червяков, вос­принимая в то же время изгибающий момент от распорных усилий, возни­кающих в зубчатой передаче. Валы-шестерни являются наиболее нагру­женными звеньями, поскольку их не­возможно усилить из-за малого меж­осевого расстояния. В остальном схема нагружения узлов двухчервячных прессов аналогична одночервячным.