ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЧЕРВЯЧНЫХ МАШИН

Конструкция любой червячной машины включает в себя сле­дующие основные узлы: загрузочное устройство, рабочие орга­ны (червяк и цилиндр), привод червяка во вращение, узел упор­ного подшипника, узел подачи термостатирующей жидкости в червяк.

Принципиальное устройство и взаимодействие этих узлов ясны из схемы червячной машины, предназ-наченной для пере­работки термопластов методом экструзии (рис. 1). Общий вид одной из конструкций зкструдера для термопластов показанан на рис 2. Экструди­руемый термопласт в виде гранул (реже порошка) из бункера 9 через окно 10загрузочной секции цилиндра 8 попадает в винто­вой канал вращающегося червяка б. При транспортировке чер­вяком в этой секции материал уплотняется, а заключенный между гранулами воздух частично уходит обратно через окно 10в бункер.

Рис. 1. Принципиальная схема одночервячного экструдера для переработки термопластов:

1 - фланец цилиндра; 2 - нагреватели; 3 - пульт электро- и тепловой автоматики; 4-­прибор теплового контроля; 5 - обогреваемая секция цилиндра; 6 - червяк; 7, 11, 14 - ­болтовые соединения; 8 - загрузочная секция цилиндра; 9 - бункер; 10- окно загру­зочной секции цилиндра; 12 - выходной вал редуктора; 13 - редуктор; 15 - упорная шайба; 16 - упорный подшипник; 17 - корпус подшипника; 18 - устройство для подачи охлаждающей жидкости в червяк; 19 - электродвигатель; 20- змеевик для охлаждаю­щей воды; 21 - масляный насос; 22 - канал для циркуляции охлаждающей воды; 23 – вентиляторы.

.

Рис.2. Общий вид червячной машины.

Попадая в обогреваемую секцию цилиндра 5, материал про­гревается и переходит в вязкотекучее состояние. Прогрев и плав­ление его осуществляются как за счет тепла, подводимого от расположенных на цилиндре нагревателей 2, так и за счет тепла, выделяющегося при интенсивном деформировании уже образо­вавшегося расплава. На этой стадии воздушное пространство между размягчающимися и продолжающими уплотняться грану­лами исчезает полностью. Объем, занимаемый материалом, при этом уменьшается, поэтому во избежание образования пустот в потоке материала, движущегося по винтовому каналу, послед­ний выполняют с глубиной, монотонно уменьшающейся по ходу продвижения материала. Подготовленный таким образом расплав термопласта продав­ливается червяком через каналы формующего инструмента (экс­трузионной головки), укрепляемого на фланце 1 цилиндра. Надежность подачи материала в канал червяка и равномер­ность захвата его и транспортирования

винтовой нарезкой в за­грузочной секции цилиндра - один из важных факторов обеспе­чения стабильности производительности экструдера. Стабиль­ность производительности - непременное условие размерной ста­бильности экструдируемого изделия. Между тем, только грану­лированные материалы равномерно и бесперебойно просыпаются из бункера 9 через окно 10 по мере отбора их червяком. В связи с этим при переработке порошкообразных и слабо сыпучих ма­териалов червячные машины оснащаются специальными загру­зочными устройствами, обеспечивающими принудительное пита­ние, а рабочие поверхности цилиндра и червяка в области загрузочной секции 8 часто снабжаются элементами, способствующими захвату и транспортированию материала.

Загрузочная секция 8, контактируя с обогреваемой секцией 5, сама может нагреваться до температур, близких к темпера­туре плавления. По этой причине возможно прилипание мате­риала к стенкам загрузочного окна и прекращение подачи его из бункера. Во избежание нагрева секция 8 охлаждается водой, циркулирующей в канале 22.

При обработке резиновых смесей возможны два варианта питания шприц-машины: непрерывная подача ленты холодной или подогретой резиновой смеси непосредственно в загрузочное окно первой секции цилиндра; периодическая загрузка рулона смеси в загрузочный люк, из которого она передавливается в загрузочное окно плунжером пневмоцилиндра.

Во всех конструкциях червячных машин обогрев цилиндра используется в период пуска, чтобы достичь рабочей темпера­туры цилиндра. По достижении установившегося режима работы количество тепла, выделяющегося в результате рассеяния (дис­сипации) работы деформирования материала при транспортиро-

вании его в канале червяка, зачастую превышает то количе­ство тепла, которое необходимо для нагрева материала до требуемой температуры. Излишек тепла в таких случаях отво­дится системами охлаждения цилиндра и червяка.

Червяк охлаждается водой или (реже) высококипящими жидкостями, подаваемыми из устройства 18 в просверленное в нем центральное отверстие. Цилиндр может иметь жидкостное или, как показано на схеме, воздушное (при помощи вентилято­ров 23) охлаждение. Как видно из рис. 1, обогреваемая секция имеет три (а часто четыре и более - в зависимости от типораз­мера машины) зоны независимого теплового регулирования. Для каждой из зон сигнал от установленной в теле цилиндра тер­мопары подается на прибор теплового контроля 4 (смонтирован на пульте электро- и тепловой автоматики 3), где он сравнива­ется с заданной температурой. Если фактическая температура цилиндра превышает заданную, то подается команда на отклю­чение нагревателей 2 и включение вентиляторов 23 системы воз­душного охлаждения, и наоборот.

При продавливании расплава через каналы головки вследст­вие значительного гидравлического сопротивления каналов и высокой вязкости материала на входе в головку (т. е. перед чер­вяком) развивается давление, достигающее иногда 40 МПа. Вследствие этого возникает значительное осевое усилие, дейст­вующее на червяк и стремящееся переместить его вправо (см. рис. 1). Это усилие с червяка передается на выходной вал 12 редуктора 13; с него - на упорную шайбу 15 и далее - на упор­ный подшипник 16 и его корпус 17. Корпус подшипника болто­выми соединениями 14 неподвижно укреплен на корпусе редук­тора 13, на который в конечном счете и передается усилие.

Развивающееся перед головкой давление расплава действует и на контактирующую с ним поверхность канала головки, созда­вая на ней усилие, равное по величине описанному выше, но противоположно направленное, т. е. действующее влево (см. рис. 1). Так как головка закреплена на фланце 1, то это уси­лие передается на него и затем через резьбу - на секцию 5; с нее через болтовое соединение 7 - на секцию 8 и через такое же соединение 11 - на корпус редуктора. Таким образом, суще­ствует замкнутая цепь деталей червячной машины, восприни­мающих рабочее усилие.

Необходимо отметить, что, несмотря на большой к. п. д. упор­ного подшипника, из-за большой величины воспринимаемого усилия в нем теряется значительная часть мощности привода превращающаяся в тепло. Во избежание перегрева подшипника в машинах средних и больших типоразмеров осуществляется циркуляционная жидкостная смазка подшипника. Масло, заби­раемое насосом 21 из поддона редуктора, подается на полив его шестерен и на смазку, а также - на охлаждение подшипника 16. Из корпуса подшипника 17 оно вновь стекает в поддон. Масло в поддоне охлаждается циркулирующей в змеевике 20 водой.

. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧЕРВЯЧНЫХ МАШИН

Можно выделить две группы признаков, по которым классифи­цируются червячные машины. Различия в конструкциях по признакам первой группы обусловлены требованиями:

- обеспечения оптимальных условий протекания технологи­ческих процессов, которые реализуются в данной червячной ма­шине;

- обеспечения согласованности работы червячной машины с другими машинами, в совокупности образующими конкретный агрегат или технологическую линию.

Признаки этой группы можно назвать конструктивно-техно­логическими.

Различия в конструкциях по признакам второй группы опре­деляются:

- требованиями удобства обслуживания при эксплуатации и ремонте;

- условиями эксплуатации (отсутствие или наличие пыле ­и газовыделений, категория взрыво- и пожароопасности цехово­го помещения и т. д.).

Признаки этой группы будем называть конструктивными.

Конструктивно-технологические признаки

Диаметр червяка. Этот признак основной, так как в первую очередь от него зависят производительность, потребляемая мощ­ность, а следовательно, габариты и масса машины. Размерный ряд машин в рамках одного типа (т. е. группы машин, имею­щих общее направление использования) строится именно по этому признаку. Рекомендациями Совета экономической взаимо­помощи определен следующий предпочтительный ряд диаметров червяков в мм: 20; 25; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 400.

Длина червяка. Ее принято характеризовать отношением L/D, где D - диаметр червяка, L - длина части червяка, имею­щей винтовую нарезку. Необходимая длина червяка, от которой непосредственно зависит время пребывания обрабатываемого материала в канале нарезки, пропорциональна длительности протекания того процесса, который определяет сущность данно­го вида обработки. Например, шприц-машины для экструзии профилей, питаемые лентой подогретой резиновой смеси (маши­ны «горячего» питания), имеют меньшую длину червяка, чем машины «холодного» питания, так как в последнем случае поми­мо функции винтового насоса, продавливающего смесь через каналы головки, машина выполняет еще и функцию подогрева смеси.

СЭВ рекомендуется следующий ряд предпочтительных зна­чений L/D для машин по обработке резиновых смесей: 5; 8; 10; 12. Процессы, протекающие в канале червяка при переработке термопластов, как правило, более длительны: поэтому рекомен­дуемые значения L/D для машин по переработке этих материа­лов больше: 15, 20; 25; 30; 35. Для специальных машин это от­ношение может быть увеличено до 40.

Число червяков в цилиндре машины. По этому признаку ма­шины делятся на одночервячные, двухчервячные и многочервяч­ные. Двух - и многочервячные машины, как правило, использу­ются при переработке негранулированных, порошкообразных термопластов и композиций на их основе. Более эффективно применение этих машин при осуществлении процессов смеше­ния и дегазации.

Расположение цилиндра. По расположению цилиндра маши­ны делятся (рис. 4.3) на горизонтальные (рис. 4.3, а-ж), вер­тикальные с выходом материала вверх (рис. 4.3, 3) и вертикаль­ные с выходом материала вниз (рис. 4.3, и). Большая часть кон­струкций относится к горизонтальным.

Вариант «3» иногда используют в агрегатах для производст­ва рукавной пленки. В этих агрегатах предпочтительно вертикальное направление выдачи расплава из головки, так как в этом случае сила веса материала действует на экструдируемый из головки рукав в направлении его оси, существенно не иска­жая, таким образом, его конфигурацию. Вместе с тем нежела­тельно изменение направления потока расплава при переходе его из цилиндра в головку (это является общим требованием при экструзии всех типов изделий). Оба эти требования выполня­ются при расположении цилиндра червячной машины по вари­анту «3». При этом наиболее легко осуществляется также осцил­лирующее вращение экструдера вокруг оси цилиндра с целью равномерного распределения по ширине наматываемого рулона пленки продольных утолщений, неизбежно возникающих вслед­ствие невозможности полного выравнивания скоростей выхода расплава во всех точках кольцевого формующего канала го­ловки.

Вариант «и» удобен для пластикаторов-дозаторов, работаю­щих совместно с прессами для переработки реактопластов, так как, во-первых, такая компоновка узлов машины наиболее ком­пактна, а во-вторых, высота, на которой выдается из цилиндра доза подготовленного расплава реактопласта, соответствует вы­соте от пола верхней поверхности неподвижной половины пресс­формы, закрепленной на столе пресса. Путь транспортирования дозы расплава в форму в этом случае минимален. В этом случае он может быть укреплен на верхней траверсе пресса, выдавая дозу вниз, в устройство транспортирования его в форму, и со­вершенно не занимая площади пола у пресса.

Число комплектов «цилиндр - червяк». По этому признаку машины делятся на одностадийные (рис. 3, а-д, 3, и)и двух­ стадийные (рис.3, е, ж). Двухстадийные машины применяют­ся, когда одновременное осуществление нескольких процессов с обеспечением оптимальных условий для каждого из них в од­ном цилиндре оказывается затруднительным при сохранении высокой производительности машины. Типичный пример такого процесса - приготовление гранулированных композиций на ос­нове поливинилхлорида. Композиция подается в машину в виде сухой смеси компонентов (полимер, краситель, смазка, пласти­фикатор и др.), состоящих из частиц размером 100-400 мкм, адсорбировавших на своей поверхности значительное количест­ во атмосферной влаги.

Для подготовки расплава композиции, поступающего в гра­нуляционную головку, необходимо осу-ществить следующие про­цессы: плавление полимера, дробление (диспергирование) агло­мератов красителя и прочих твердых компонентов до элементар­ных частиц, десорбция (путем нагрева) и удаление влаги и летучих, тщательное однородное распределение элементарных частиц в расплаве полимера, растворение пластификаторов, сма­зок (и прочих растворимых компонентов) в расплаве, нагнета­ние композиции в головку. Для предварительного нагрева, дис­пергирования (а попутно - и десорбции) и смешения наиболее подходят двухчервячные машины (или машины с осциллирую­щим червяком). Завершение смешения, растворение и выдавли­вание с успехом могут быть выполнены одночервячной машиной. Таким образом, целесообразность использования машин по ва­риантам «е» или «ж» очевидна. Удаление летучих в машинах этого типа, как правило, осуществляется отсосом их из расплава в канале, соединяющем цилиндры первой (часто двухчервячной) и второй стадий машины..

Характер движения червяка. По этому признаку машины делятся на три группы. Первая группа - червяк имеет только врашательное движение, вторая группа - червяк вращается и одновременно совершает возвратно-поступательное осциллирующее движение, третья группа - червяк вращается и одновремен­но смещается в осевом направлении к загрузочному окну.

Рис. 3. Варианты схем расположения и взаимной компоновки узлов червячных машин: 1 - загрузочный бункер; 2 - цилиндр с червяком (2,1 - цилиндр первой стадии; 2,11­цилиндр второй стадии); 3 - редуктор; 4 - двигатель; 5 - станина; 6, 7 - упорные подшипники; 8 - траверса пресса для переработки реактопластов.

Подавляющее большинство разновидностей конструкций чер­вячных машин относится к первой группе. Машины второй груп­пы используются только как смесители (не менее эффективно, чем двухчервячные машины). Машины третьей группы - это пластикаторы-дозаторы, работающие совместно с прессами для реактопластов или входящие в состав литьевых и экструзионно­выдувных машин.

На рис. 4 приведена кинематическая схема механизма плас­тикации и впрыска литьевой машины. Осевое смещение червяка обусловлено в данном случае самим принципом дозирования. Червяк 4, вра-щаясь, не выдавливает расплав из цилиндра 3 че­рез выходное отверстие 1, а накапливает его в передней части цилиндра, смещаясь вправо и высвобождая тем самым место для расплава, поступающего из вин-тового канала червяка. Ког­да требуемая доза расплава 2 накоплена, рабочая жидкость (масло) подается в полость 11 гидроцилиндра 10 и, воздействуя на поршень 9, при помощи шлицевого вала 8 смещает червяк влево; при этом накопленная доза расплава выдавливается в литьевую форму (в случае, когда механизм является пластика­тором-дозатором пресса, расплав выдавливается в емкость транспортирующую дозу в пресс-форму).

Режим работы. По этому признаку различают машины, ра­ботающие в непрерывном (стационарном) и в периодическом (циклическом) режимах. В циклическом режиме работают плас­тикаторы-дозаторы прессов, литьевых и экструзионно-выдувных машин: на этих.машинах реализуются циклические методы фор­мования изделии. Все прочие машины (за редким исключением) работают в непрерывном режиме.

Рис. 4. Кинематическая схема механизма пластикации и впрыска литьевой машины: 1 - выходное отверстие цилиндра; 2 - подготавливаемая доза расплава; 3 - цилиндр; ·4 - червяк; 5 - загрузочный бункер; 6 - редуктор; 7 - электродвигатель; 8 - шлицевой вал; 9 - поршень; 10- гидроцилиндр; 11- рабочая полость гидроцилиндра; 12 – упорный подшипник.

Способ регулирования и поддержания рабочей температуры цилиндра. По этому признаку могут быть выделены машины с паровым, электрическим (омическим и индукционным) или мас­ляным обогревом, а также с водяным или воздушным охлаж­дением. Преимущества и недостатки каждой из этих систем рас­смотрены ниже.

Тип привода. По типу привода могут быть выделены маши­ны: с электродвигателями постоянного тока, оснащенными раз­.личными схемами регулирования и стабилизации частоты вра­щения; с коллекторными электродвигателями переменного тока с бесступенчатой регулировкой частоты вращения; с асинхрон­ными электродвигателями переменного тока, работающими сов­местно с вариаторами механического или гидравлического типа.

С целью расширения диапазона регулирования частоты вращения червяка в кинематическую схему его привода наряду с двигателем постоянного тока и вариатором может быть введе­на также двух- или трехступенчатая коробка передач (см., на­пример рис. 2:.где на переднем плане виден рычаг переключения передач).

Вследствие отмеченного многообразия конструкций червячных машин не все их типы стандартизованы. В СССР существуют только стандарты на машины для рези:новых смесей (ГОСТ 11441-70) и ГОСТ 14773-69 «Прессы одночервячные для переработки термопластов».

Согласно ГОСТ 11441-70, выпускаются одночервячные ма­ши:ны четырех ти:пов: МЧТ (машины с «теплым» питанием без вакуумотсоса). МЧТВ (машины с «теплым» питанием с ваку­умотсосом), МЧХ (машины с «холодным» питанием без. ваку­умотсоса), и МЧХВ (машины с «холодным» питанием с ваку­умотсосом).

Параметры технической характеристики машин, регламенти­руемые ГОСТ 14773-69, приведены в табл. 1. Первое число в обозначении типоразмера машины соответствует диаметру чер­вяка, второе - отношению его длины к диаметру (Ц Д). Этот ГОСТ касается только пластицирующих экструдеров и не рас­пространяется на смесители-грануляторы, машины с вакуумот­сосом и другие специальные машины. Нормативные документы на эту последнюю группу машин не создаются, так как выпуска­ются они сравнительно малыми партиями, а параметры и раз­меры их постоянно изменяются.

Таблица 1. Основные параметры и размеры одночервячных прессов

Типоразмер пресса	Частота враще- ния червяка, с-1	Мощность при-вода червяка, кВт, не менее	Расстояние от основания прес-са до червяка, мм	Габаритные раз-меры (длина ширина высота), м, не более	Масса пресса, т, не более
ЧП 20 20 ЧП 32 20 ЧП 45 20 ЧП 63 20 ЧП 90 20 ЧП 125 20 ЧП 160 20 ЧП 200 20	0,21 – 4,3 0,81 – 3,5 0,15 – 3,0 0,12 – 2,5 0,10 -2,1 0,091 - 1,3 0,091 - 1,3 0,067 - 0,9	2,2 6,0		1,6 0,6 1,15 2,2 0,7 1,25 3,2 0,8 1,3 3,5 1,3 1,4 4,5 1,6 1,4 4,5 1,8 1,4 5,8 2,2 1,5 6,7 2,4 1,6	0,5 0,8 1,5 2,0 3,8 6,8 9,5 14,0

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗОНЫКАНАЛА ЧЕРВЯКА. Качество выходящего из цилиндра расплава, производитель­ность машины и затрачиваемая на вращение червяка мощность непосредственно зависят от силового взаимодействия материала с рабочими поверхностями червяка и цилиндра, а также от обус­ловленного этим взаимодействием механизма движения и про­грева материала в канале червяка.

В обычной пластицирующей машине полимерный материал (за исключением резиновых смесей), перемещаясь по каналу чер­вяка, проходит через три состояния: в начале - это твердый ма­териал, затем - смесь расплава и твердого материала и, нако­нец, расплав. Для соответствующих этим состояниям участко!3! канала (функциональных зон) приняты следующие названия: зона питания, или зона загрузки; зона пластикации, или зона плавления, или переходная зона; зона расплава или зона дози·­рования.

В обычной пластицирующей машине полимерный материал. (за исключением резиновых смесей), перемещаясь по каналу чер­вяка, проходит через три состояния: в начале - это твердый ма­териал, затем - смесь расплава и твердого материала и, нако­нец, расплав. Для соответствующих этим состояниям участков канала (функциональных зон) приняты следующие названия: зона питания, или зона загрузки; зона пластикации, или зона плавления, или переходная зона; зона расплава или зона дози­рования.