Технологические и прочностные расчеты

Основные параметры технологическо­го процесса переработки термопластов па червячных прессах подразделяют­ся на две категории: определяющие (устанавливаемые непосредственно оператором) и производные. К опре­деляющим параметрам относятся: температура в зонах корпуса червяка, частота вращения червяка и питаю­щего органа бункера, температура хладагента на сливе из канала червя­ка. Производными параметрами явля­ются: производительность червячного пресса по расплаву полимера, давле­ние расплава на входе в формующую головку, осевое усилие на червяке, мощность, потребляемая червячным прессом от электродвигателя и от на­гревателей цилиндра.

Определяющие и производные пара­метры связаны прямой зависимостью. Количественное соотношение этих па­раметров изменяется при изменении геометрии червяка, вида перерабаты­ваемого термопласта и конструкции каналов формующей головки (точнее — ее гидравлического сопротивле­ния).

Основная характеристика процесса экструзии — производительность, ко­торая является функцией многих пере­менных и в зависимости от конструк­ции и типоразмера экструдера изме­няется для современных машин от 3 до 20000 кг/ч. При этом осевое усилие на червяке может меняться от не­скольких сотен килограммов до 600 тс. Температурный режим обогрева ци­линдра пресса определяется видом перерабатываемого полимера и экст-рудируемого изделия. Эти режимы из­меняются от 120—150° С для мягкого поливинилхлорида и полиэтилена низ­кой плотности до 500—550° С для фторопластов.

В настоящее время отсутствуют единые инженерные методики проект­ного расчета технологических пара­метров процесса и геометрических па­раметров рабочих органов одно- и двухчервячных прессов. Это объясня­ется сложностью и комплексным ха­рактером динамики процессов экстру­зии, трудно поддающихся математи­ческому описанию. Так, аналитическое выражение процесса транспортирова­ния, сжатия, смешения, плавления и выдавливания термопласта экструде-ром должно учитывать одновременное и взаимосвязанное действие факторов, основанное на законах теплофизики, гидродинамики неньютоновских жид­костей, механики полимеров и термо­динамики.

Развитие инженерных методов рас­чета параметров процесса и размеров оборудования на современном этапе происходит по двум направлениям. Одно из них—разработка системы уравнений, обеспечивающих повероч­ный расчет основных параметров про­цесса: производительности, создавае­мых червяком давлений, осевых уси­лий на червяк и потребляемой мощно­сти при заданной геометрии рабочих органов пресса. При этом используют метод последовательных приближений для решения задачи выбора оптималь­ных параметров червяка и формую­щей головки; для обеспечения необхо­димой степени точности решения за­дачи это требует в ряде случаев ис­пользования электронно-вычислитель­ных машин. Червячные прессы можно рассчитывать также моделированием нового процесса и оборудования на основе известных параметров пресса-модели. Этот метод более прост и ме­нее громоздок по сравнению с первым, хотя уступает ему по точности ре­зультатов.

В соответствии с тенденциями раз­вития одночервячных прессов намеча­ется значительное увеличение частоты вращения и удлинение червяков до LID = 30-35, а следовательно, и су­щественное повышение производи­тельности. В этой связи возникает не­обходимость более полного и точного аналитического описания процессов течения термопласта в каналах червя­ка, особенно в зоне плавления, где сердечник червяка образует с корпу­сом коническую щель, а возникающие в этой зоне избыточные давления су­щественным образом изменяют зако­ны течения расплава в зоне дозирова­ния червяка.

В современных одночервячных прес­сах зона плавления с коническим сер­дечником червяка имеет длину 15— 20 D (в зависимости от конструктивныx особенностей червяка), а расплав полимера образуется после прохожде­ния 5—8 витков от загрузочного от­верстия корпуса. Таким образом, по­лимер в виде смеси высоковязкого расплава и оплавленных гранул пере­мещается в конической щели, длина которой зачастую превышает длину зоны дозирования. На этом участке червяка создаются значительные дав­ления, которые намного превосходят гидравлические сопротивления форму­ющих головок и превышают значение производительности зоны дозирова­ния, рассчитанное по классическим теориям. В то же время повышенные давления перед зоной дозирования, превышающие сопротивление головки, создают дополнительный прямой по­ток в каналах зоны дозирования и в зазоре между вершиной витка и кор­пусом (в отличие от образования об­ратного потока и потока утечки в ко­ротких червяках, где сопротивление головок превышает сопротивление зо­ны плавления). Принципиально важ­ны для удлиненных червяков правиль­ный выбор и поддержание температурных режимов по длине корпуса. В противном случае процесс может протекать как в коротком червяке, кроме того, возможно возникновение пульсаций, отрицательно влияющих на качество изделий.

Для поверочного расчета основных технологических параметров пластицирующего одночервячного пресса должны быть известны следующие ха­рактеристики.

1. Вид перерабатываемого термо­пласта и его свойства, в том числе: температура плавления t_n; плотность и зависимость ее от температуры ρ_t=f (t); рабочий диапазон темпера­туры и распределение ее по зонам червячного пресса; реологические ха­рактеристики в виде графиков измене­ния касательных напряжений сдвига τ и эффективной вязкости µ_Э в зависи­мости от градиента скорости γ и тем­пературы τ = f₁(γ,t), µ_э =φ(γ,t )

2. Частота вращения (число оборо­тов) червяка, п.

3. Геометрические параметры чер­вяка: диаметр наружный d_н; высота витков в зонах загрузки Н₃, начале зон плавления Н и дозирования h; общая длина червяка и длина развер­ток спиральных каналов его зон дози­рования l_д и плавления l_р; шаг червя­ка S, ширина гребня витка b и число заходов i.

Технологические параметры одно­червячного пресса рассчитывают в сле­дующей последовательности.

1. Определяют характер распреде­ления температур по длине корпуса и средние (определяющие) значения температур: в зоне дозирования и на участке зоны плавления от точки, со­ответствующей пятому — восьмому витку червяка после загрузочного от­верстия корпуса, до начала зоны до­зирования (где заканчивается кониче­ский сердечник червяка).

2. Находят среднее значение эффек­тивной вязкости полимера в зонах до­зирования и плавления по найденным средним значениям температур и гра­диентам скорости в этих зонах.

3. Рассчитывают максимальное ра­бочее давление ртах, создаваемое участком червяка с коническим сер­дечником на активной длине зоны плавления.

4. Определяют координату макси­мума давления в зоне плавления x_т.

5. Находят давление р_д в начале зоны дозирования.

6. Определяют перепад давлений на длине зоны дозирования, задавшись сопротивлением формующей головки (или предварительно рассчитав это

сопротивление, исходя из необходимой производительности процесса).

7. Рассчитывают производитель­ность Q червячного пресса по зоне до­зирования с учетом перепада давления или по геометрическим характеристи­кам (высоте витка) червяка в сечении с максимальным давлением p_max.

8. Уточняют сопротивление форму­ющей головки с учетом полученной производительности; при существен­ном отличии значений сопротивления уточняют производительность Q.

9. Определяют мощность, потребляе­мую червяком, и суммарную мощ­ность N_n с учетом к. п. д. привода.

10. Рассчитывают осевое усилие на упорный подшипник червяка Т_о.

11. По полученным параметрам рас­считывают детали и узлы пресса на механическую прочность.

Для вывода расчетных уравнений принимаем следующие допущения и исходные условия:

червяк состоит из двух участков — с коническим сердечником в зоне плавления и цилиндрическим в зоне дозирования;

рассматриваем задачу в плоскости, т. е. разворачиваем спираль червяка и корпус в плоскости и применяем принцип перемены относительности движения — не червяк движется отно­сительно корпуса, а корпус вращается относительно червяка под углом (5 к развертке спирального канала, что не меняет существа задачи;

рассматриваем механизм перемеще­ния термопласта в каналах червяка как результат фрикционного воздейст­вия на термопласт «подвижного» кор­пуса, причем витки червяка не толка­ют расплав подобно твердому телу (гайке), а создают лишь направляю­щий аппарат — боковые стенки плос­кого канала; в этом случае перераба­тываемый материал затягивается в спиральный канал червяка стенкой корпуса, создавая избыточное давле­ние в конических каналах зоны плав­ления и тяговое усилие на цилиндри­ческих участках сердечника червяка, преодолевающие сопротивление фор­мующих головок;

при выводе уравнений диссипатив-ные процессы для упрощения не учи­тываем;

при расчете зон плавления и дозиро­вания применяем усредненные по их длине значения эффективной вязкости и температуры;

уравнения выводим для случая изо­термического по высоте витка течения ньютоновской жидкости; в расчетных уравнениях применяем усредненные значения эффективной вязкости рас­плава полимера, найденные из экспе­риментальных графиков.

Рассмотрим распределение скорос­тей в коническом канале зоны плавле­ния червяка. Сумма сил, действующих на элементарный объем жидкости с размерами dx, dy и k = 1 (рис. 7-V), равна нулю. Дифференциальное урав-

Материалы деталей экструдеров и особенности технологии их изготовления

Учитывая жесткие условия работы деталей червячных прессов, к матери­алам для их изготовления предъявля­ют высокие требования. При выборе материалов и вида термообработки необходимо учитывать ряд требований к этим материалам: долговечность, из­носостойкость при работе в абразив­ных и высокоагрессивных средах при высокой температуре, химическая стойкость при этих условиях, отсутст­вие каталитического воздействия на процесс термодеструкции перерабаты­ваемого термопласта, технологичность при механической обработке и воз­можность термической и химико-тер­мической обработки, обеспечивающих требуемые геометрические параметры и точность размеров деталей. Эти тре­бования распространяются прежде всего на материалы рабочих органов пресса: червяка, гильзы, корпуса и формующих головок, контактирующих с полимером. Материалы для осталь­ных деталей пресса выбирают, исходя из требований обеспечения ресурса ра­боты пресса до первого капитального ремонта не менее 26000 ч.

Требования к материалу деталей червячных прессов зависят от вида пе­рерабатываемого термопласта. Одна­ко, исходя из целесообразности созда­ния универсальных прессов для пере­работки различных термопластов, уни­фикации их конструкций и технологии изготовления с учетом практического опыта эксплуатации, экструдеры по применяемым материалам деталей в основном подразделяют на две груп­пы: прессы, предназначенные для пе­реработки полиолефинов, полистиролов и их сополимеров, поливинилхлоридных композиций (непластифицированных, пластифицированных и напол­ненных), полиамидов, полиэфиров, полиметалметакрилата, поликарбона­та и полиформальдегида (первая груп­па), и прессы, предназначенные для переработки фторсодержащих полиме­ров (вторая группа). В соответствии с этим, расчетный диапазон рабочих температур для первой группы червяч­ных прессов принимают до 350° С, вто­рой группы —до 550°С.

Материалы, основные технологичес­кие операции и виды термообработки важнейших деталей отечественных червячных прессов первой группы при­ведены в табл. 4-V. Для экструдеров второй группы детали основных рабо­чих органов изготовляют из специаль­ных сплавов, требующих особой тех­нологии обработки.

Выбор марок сталей для гильз и червяков отечественных червячных прессов основан на выполнении ряда взаимосвязанных требований. Так, стали 40ХН2МА и 38Х2МЮА облада­ют высокой механической прочностью (0т = 85 кгс/мм²) и подвергаются азотированию. При этом материал гильзы (сталь 38Х2МЮА) всегда име­ет более высокую твердость (HRA 82—86), чем сталь 40ХН2МА, благо­даря чему предотвращается заклини­вание червяка в гильзе при работе и попадание металлической стружки в расплав полимера. Обе марки стали хорошо обрабатываются на металло­режущем оборудовании.

При азотировании червяков и гильз, которые изготовляют по второму или третьему классу точности, можно вы­держать строгую прямолинейность оси и обеспечить высокую твердость поверхностей. Эти требования невы­полнимы при объемной или высокочас­тотной закалке, а также газопламен­ной термообработке.

Так как температура отпуска обеих марок сталей 620° С, а азотирование ведут при температуре 580° С, т. е. ниже температуры рекристаллизации, то термическая деформация червяков и гильз практически отсутствует или имеет допустимые значения.

Требования к комплектующим узлам и приборам

Основными комплектующими узлами червячных прессов являются пульты электропривода, теплового контроля и регулирования, а также устройства для подсушки и пневмозагрузки гра­нулированного сырья.

Для выбора оптимальных режимов переработки различных термопластов и обеспечения размерной точности экструдируемого изделия к электро­приводу современных червячных прес­сов предъявляют следующие требова­ния: бесступенчатое регулирование частоты вращения червяка в диапазо­не не менее 1 : 10; жесткость характе­ристики привода в пределах ±2% от номинала при стандартных колебани­ях напряжения в сети; надежность и долговечность работы; минимально возможные габаритные размеры и масса; преобразование переменного тока в постоянный с помощью стати­ческих преобразователей, что повыша­ет эксплуатационную надежность при­вода. В качестве основного в отечест­венных червячных прессах применяют тиристорный электропривод постоян­ного тока.

В процессах переработки полиами­дов, полиэфиров, фторопластов, ком­позиций на основе поливинилхлорида требуется строгое поддержание темпе­ратурных режимов во избежание тер­модеструкции полимера. Для термо­стабильных термопластов необходимо точное поддержание температур по зонам для обеспечения стабильности процесса экструзии и размерной точ­ности изделия.

По указанным причинам в системах терморегулирования червячных прес­сов используют регулирующие и пока­зывающие электронные приборы клас­са точности 1,5 и выше (например, потенциометры ППР-4 и милливольт­метры МР-1 и МВР-4 классов точно­сти I со встроенными или вынесенны­ми дозаторами энергии). В качестве первичных датчиков температуры ис­пользуют малогабаритные термопары ТХК-529 с пределами измерения до 400° С.

Качество терморегулирования опре­деляется не только работой самих приборов, но во многом зависит от инерционности и гибкости всей системы (обогреваемого объекта, электро­нагревателей, системы охлаждения и др.). Основные требования к средст­вам терморегулирования червячных прессов: высокий класс точности при­боров (от 0,5 до 1,5); надежность и долговечность; минимальные габарит­ные размеры приборов и пуско-регу-лирующей аппаратуры; совмещение в приборе элементов контроля и регули­рования с выводом показаний на шка­лу, соответствующую рабочему диа­пазону измерений; виброустойчивость и независимость точности регулирова­ния от колебаний температуры и влажности окружающей среды; воз­можность ремонта в заводских усло­виях.

Для удаления поверхностной влаги из гранулированного сырья и его пред­варительного подогрева в червячных прессах используют специальные уст­ройства. Основные требования к этим устройствам: регулирование нагрева гранул до температуры 80—120° С с заданной производительностью; мини­мальные габаритные размеры и энер­гоемкость; возможность установки на загрузочной части червячного пресса; максимальная регенерация тепла за счет рециркуляции теплоносителя; ми­нимальный уровень шума; отсутствие выбросов в атмосферу цеха пылевых выделений; возможность использова­ния промежуточных влагоуловителей в схеме рециркуляции теплоносителя. К устройствам для пневмозагрузки гранул предъявляют следующие тре­бования: недопустимость увлажнения сырья за счет влаги транспортирую­щего воздуха; высокий к. п. д. при использовании сжатого воздуха и от­сутствие в нем масляных паров и аэ­розолей; минимальные габаритные размеры и масса; надежность работы и возможность ремонта в заводских условиях.

Для загрузки червячных прессов преимущественно применяют вакуум-загрузчики, которыми с 1970 г. ком­плектуются все выпускаемые отечест­венные экструдеры.