ЭКСТРУЗИОННЫЕ МАШИНЫ (ЭКСТРУДЕРЫ)

Одношнековые экструдеры

Конструкция и принцип работы одношнековых экструдеров

Конструкция одношнекового экструдера представлена на рис. 2.1, а. Основными конструктивными элементами одношнекового экструдера являются привод, состоящий из электродвигателя 14 и редуктора 1, связанного муфтой 2 со шнеком 6, бункера 4, подшипников 3, материального цилиндра 8 и формующего инструмента 11. Все конструктивные элементы экструдера смонтированы на станине 12.

Перерабатываемый материал поступает из бункера 4 через загрузочную воронку 5 в канал шнека. Шнек вращается внутри корпуса цилиндра 8, снабженного износостойкой гильзой 9. Привод шнека осуществляется от электродвигателя 14 через редуктор 1. Осевое усилие, возникающее в процессе переработки и действующее на шнек, воспринимается упорным подшипником 3. Нагрев цилиндра 8 до температуры переработки производится наружными нагревателями 10. Температура корпуса замеряется и регулируется термопарами 7, расположенными в каждой зоне. Перерабатываемый материал при движении по винтовому каналу шнека нагревается, пластицируется и в виде расплава продавливается через головку 11, в которой в отдельных случаях устанавливается пакет сеток. Во избежание прилипания полимера к шнеку в зоне воронки 5 материальный цилиндр 8 охлаждается холодной водой, подаваемой в рубашку 13.

Возникающие при работе одношнекового экструдера распорные усилия от сопротивления формующего инструмента воспринимаются подшипниковым узлом, различные варианты конструктивного исполнения которого представлены на рис. 2.2. На рис. 2.2, а показана конструкция подшипникового узла, где полый вал 5 смонтирован на подшипниках качения в отдельном корпусе 7. Приводная звездочка 10 вынесена консольно за пределы опор, что создает возможность более компактно разместить опоры. Шнек 1 установлен в сменной гильзе 13, закрепляемой в корпусе 14, и упирается в торец вала 5. Передней опорой вала является крупногабаритный сферический двухрядный роликоподшипник 3, закрепленный по внутреннему кольцу пружинными коль-

Рис. 2.1. Одношнековый экструдер:

а — конструктивная схема одношнекового экструдера; б—типовая схема разделения шнека на основные зоны

цами 4. Наружное кольцо этого подшипника не закреплено, поэтому опора является плавающей.

Задняя опора, состоящая из двух взаимосвязанных подшипников 6 и 8, выполнена жесткой, так как перемещение вала 5 слева направо предотвращается радиально-упорным подшипником 6, а справа налево — наружным кольцом сферического двухрядного роликоподшипника 8, закрепленного на валу на разрезной втулке 77. Смазка опор вала производится от насоса. Уплотнение осуществляется манжетами 2 и 9.

Шнек 7 цилиндрическим хвостовиком входит в расточку вала 5 и крепится в ней посредством металлического стержня (на рисунке не показан). Во вращение шнек 7 приводится закладными шпонками 12, закрепленными на валу 5.

На рис. 2.2, б показана конструкция подшипникового узла, где вал 5 смонтирован на двух радиальных сферических двухрядных роликоподшипниках 2 и 6, между которыми установлен упорный роликоподшипник 4 с коническими роликами.

Рис. 2.2. Варианты конструктивного исполнения подшипникового узла

Подшипники 2 и 6 воспринимают радиальные нагрузки от звездочки 7, осуществляющей передачу крутящего момента на вал с помощью трехрядной втулочно-роликовой цепи. Внутри полого вала 5 на шпонке 10 установлен шнек /, зафиксированный от осевых смещений посредством пружинного кольца 9 и гайки 8. Осевые усилия, возникающие при работе экструдера, передаются торцом шнека на гайку 8 и далее через фланец вала J — на упорный подшипник 4. Смазка опор — консистентная периодическая от шприц-масленки 3. Охлаждение шнека в процессе работы осуществляется водой, подаваемой от водопровода через уплотнение в трубу 11.

В подшипниковом узле, представленном на рис. 2.2, в, вращение шнека осуществляется выходным валом редуктора, установленным в радиальных сферических двухрядных роликоподшипниках 9. На левом конце вала имеется цилиндрическая центрирующая шейка 4 со шпонкой, на которую устанавливается специальная втулка 3. Осевое усилие передается упорным запле- чиком шнека 1 на втулку 3 и воспринимается упорным подшипником 5 с коническими роликами, установленным в промежуточном корпусе 6, закрепленном на корпусе редуктора 7. Передача крутящего момента от вала 4 на шнек 1 осуществляется посредством эвольвентных шлицев, выполненных во втулке 3 и на правом конце шнека. Осевые смещения шнека ограничиваются упорным заплечиком шнека и тягой 8, ввинченной в его хвостовую часть. Внутри тяги 8 имеется сквозное отверстие, через которое проходит труба 2, подводящая охлаждающую воду. Отвод воды осуществляется через кольцевой зазор между трубой и внутренней расточкой шнека.

Шнек — основной конструктивный элемент шнековых машин. Шнек должен транспортировать исходный материал (порошкообразный или гранулированный) от загрузочной воронки, перемешивать, пластицировать и равномерно, без пульсации, подавать его в виде расплава к головке.

На рис. 2.1, 5 представлена наиболее распространенная типовая схема разделения шнека на основные зоны: зону питания (загрузки), зону сжатия (пластикации) и зону дозирования (выдавливания).

В зоне питания происходит прием сыпучего материала, его транспортирование и частичное перемешивание. В этой зоне винтовой канал (пространство между витками, корпусом цилиндра и сердечником шнека) имеет наибольший объем. Эта зона составляет около 30 % рабочей длины шнека.

В зоне сжатия глубина канала плавно уменьшается до глубины зоны дозирования. По мере приближения к зоне дозирования для компенсации изменений объемной плотности полимера при переходе его из твердого в расплавленное состояние площадь поперечного сечения винтового канала шнека, а следовательно, и объем винтового канала уменьшаются. Уменьшение площади поперечного сечения винтового канала достигается за счет уменьшения глубины канала шнека или шага либо за счет того и другого одновременно. Длина этой зоны колеблется в широких пределах (40— 70 % рабочей длины шнека) и зависит от назначения шнека.

В зоне дозирования завершаются образование расплава и его гомогенизация, а также создание давления, обеспечивающего продав- ливание расплава через головку. Эта зона обычно составляет около 30 % длины шнека. При проектировании шнеков следует учитывать, что от конструкции, размеров и формы геометрических элементов шнека, а также от их механической и термической обработки зависят производительность и долговечность машины в целом.

Основными геометрическими параметрами шнеков являются: степень сжатия, диаметр, длина нарезки, шаг, глубина винтового канала, число витков нарезки шнека.

Практикой установлено, что при неизменном диаметре и длине нарезки шнека режим работы шнековой машины зависит от профиля и закона изменения объема винтового канала по длине шнека. При этом для различных типов полимеров профиль винтового канала подбирается экспериментальным путем.

Геометрическая компрессия, или геометрическая степень сжатия, есть отношение объемов винтового канала одного витка шнека в зонах загрузки и дозирования.

Для каналов переменной глубины и постоянного шага геометрическая степень сжатия определяется как отношение разности квадратов наружных и внутренних диаметров шнека в соответствующих зонах:

где D, Di — наружные диаметры шнека в зонах загрузки и дозирования соответственно; d_t d₂ — диаметры сердечника шнека в этих зонах.

Для различных полимерных материалов геометрическая степень сжатия различна и ориентировочно может выбираться по следующим экспериментальным данным:

Полимерные смеси.......................................................................................1,5

Гранулированный полиэтилен высокой плотности.............................2,5—3

Порошкообразный полиэтилен высокой плотности..............................3—5

Полиэтилен низкой плотности..............................................................2—2,5

Поливинилбутираль................................................................................2,5—3

Поливинилхлорид....................................................................................2,5—3

Фторопласт..................................................................................................5—6

Диаметр шнека является основным параметром, характеризующим шнековые машины. С увеличением диаметра шнека повышается объемная производительность.

Длина винтового участка шнека определяет в конечном итоге не только габариты машины, но и ее производительность. Увеличение длины нарезанного участка шнека приводит обычно к росту производительности, но он возможен до определенных пределов, за которыми может наступить термодеструкция полимеров и возрасти энергоемкость и металлоемкость машины из-за увеличения времени пребывания расплава полимера в зоне высоких температур и диссипативного тепловыделения. Длина нарезанного участка шнека выполняется различной для многих разновидностей экструдеров, но не выходит за пределы 15—30 диаметров шнеков. Выбор длины рабочей части шнека в указанных пределах оказывается вполне достаточным, чтобы обеспечить нормальный процесс экструзии.

От шага винтовой нарезки шнека зависит напорное усилие, создаваемое шнеком. Большое напорное усилие можно создавать, уменьшая шаг, но при этом снижается производительность. Большинство шнеков одношнековых машин изготавливается с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки, несмотря на то, что при наличии переменного шага обеспечивается ускоренное перемещение перерабатываемой массы вдоль цилиндра и повышенное давление массы перед входом в формующий инструмент. Однако эти шнеки нашли ограниченное применение вследствие трудности их изготовления.

Шаг винтовой линии назначается в следующих пределах:

Для переработки пластмасс............................................................(0,7 +1,5)/>

Для переработки резиновых смесей.............................................(0,4 + 0,6)/)

В крупных шнековых фильтр-прессах и грануляторах диаметром 380—450 мм применяются литые конусно-цилиндрические шнеки с переменным шагом, равным 0,95D в зоне загрузки и 0,6D в зоне пластикации.

Глубина винтового канала зависит от типа перерабатываемого материала и диаметра шнека. Глубокую нарезку применяют для мягких материалов при низких давлениях. Шнеки с мелкой нарезкой обеспечивают хорошее смешение. Но при этом снижается производительность и повышается давление.

В эксплуатирующихся в настоящее время одношнековых экструдерах глубина винтового канала шнека в зоне загрузки h колеблется в пределах:

Для переработки пластмасс.......................................................(0,12 + 0,16)/)

Для переработки резиновых смесей.........................................(0,17 + 0,25)/)

При проектировании шнеков с переменной глубиной винтового канала следует учитывать уменьшение прочности в зоне загрузки, что может привести к деформации шнека в процесс эксплуатации машины.

Для шнеков одношнековых машин толщина витка е принимается:

Для переработки пластмасс......................................................(0,08 +0,12)/)

Для переработки резиновых смесей........................................(0,06 + 0,08)/)

Меньшая толщина витков у шнеков для переработки резиновых смесей объясняется тем, что резиновые смеси имеют бблыпую вязкость, чем пластмассы, и поэтому уменьшается процент утечки массы через зазоры в процессе переработки. Этот фактор также влияет на производительность одношнековых экструдеров.

Шнеки одношнековых экструдеров для переработки пластмасс выполняются сменными, а для переработки резиновых смесей — постоянными, одновременно выполняющими функции приводного вала. На посадочных поверхностях шнеков для переработки резиновых смесей устанавливаются приводные зубчатые колеса и подшипники, являющиеся опорами шнека.

Шнеки для переработки пластмасс соединяются различными способами с приводным валом. Эти способы зависят от размеров шнека и величины крутящего момента. Способы соединения шнеков с приводными валами (шпинделями) показаны на рис. 2.3. Соединения по рис. 2.3, а—г применяются для шнеков диаметром не более 45 мм. Шнек выполняется с длинным хвостовиком, пропускаемым через приводной вал, и закрепляется на нем с обратной стороны одним из показанных способов. Осевые усилия в соединениях, показанных на рис. 2.3, а—г, передаются на приводной вал через упорный заплечик шнека, упирающийся в передний торец приводного вала. На рис. 2.3, бив представлены соединения, в которых осевые усилия воспринимаются шпинделями через торец шнека, упирающийся в поджимную гайку, навинченную на конец вала. Передача крутящего момента на шнек производится при помощи шпонок (рис. 2.3, а—в) или шлицевого соединения (рис. 2.3, г). К недостаткам указанных соединений следует отнести завышенную длину концевой части шнека, а также технологические трудности обработки шлицев в пустотелом валу при значительной его длине. Шлицевое соединение позволяет передать значительно больший крутящий момент, чем шпоночные, и обеспечивает более точное центрирование, чем соединения, показанные на рис. 2.3, я, б, г. Соединение, представленное на рис. 2.3, д, применяется иногда для шнеков небольших диаметров. Концевая часть его имеет центрирующую цилиндрическую поверхность незначительной длины и оканчивается квадратным хвостовиком,

Рис. 2.3. Способы соединения шнека с приводным валом

который входит в соответствующий паз шпинделя, посредством чего осуществляется передача крутящего момента от приводного вала к шнеку. Шнек в этом случае не охлаждается и не зафиксирован от осевых перемещений. Для съема шнека с правого торца приводного вала предусмотрено отверстие А. Осевое усилие передается на приводной вал упорным заплечиком шнека. К недостаткам подобного соединения относится трудность исполнения квадратного гнезда в приводном валу (шпинделе) под хвостовик шнека.

Соединение, показанное на рис. 2.3, е_у является модификацией соединения по рис. 2.3, а. Разница заключается в том, что центрирующая концевая часть шнека выполнена укороченной. Закрепление шнека в осевом положении осуществляется специальным болтом, через внутреннее отверстие которого подводится и отводится охлаждающая жидкость. Передача крутящего момента ограничивается одной шпонкой; передаваемый крутящий момент может быть увеличен установкой двух шпонок на посадочной шейке шнека (рис. 2.3, ж, з). Подобные соединения применяются на шнековых машинах для переработки резиновых смесей с диаметром шнека 380—450 мм. Осевые усилия в обоих соединениях передаются торцом шнека.

Соединение, представленное на рис. 2.3, и, применяемое для шнеков диаметром более 90 мм, отличается от указанных выше наличием двух шпонок, закрепленных на приводном валу, что исключает необходимость устанавливать шпонки в каждом сменном шнеке.

На рис. 2.3, к показано применение двухсторонней зубчатой муфты. Осевые усилия передаются со шнека на упорный подшипник через заплечик шнека, упирающийся во втулку или зубчатую муфту.

Материальный цилиндр шнековых машин изображен на рис. 2.4. Он представляет собой литую цилиндрическую деталь 1, в которой запрессована закаленная или азотированная шлифованная гильза или втулка 2 (на рис. 2.4 в верхней части представлена конструкция для электрообогрева, в нижней части — для парового обогрева). Для регулирования теплового режима машины корпус имеет каналы А для подвода теплоносителя (или пазы С для электронагревателей) и канал В для подвода охлаждающей воды с целью предотвращения перегрева подшипников. Контроль температурного режима экструзии осуществляется термопарами 3. К фланцу 5 крепится корпус подшипников, а к фланцу 4 — формующий инструмент. Гильза 2 фиксируется в корпусе от проворачивания шпонкой или винтами, которые ввертываются с торца фланца 4. Важное значение для равномерного питания машины и обеспечения заданной производительности имеют расположение и конструкция загрузочной воронки и зоны загрузки. На рис. 2.5 изображены различные конструкции загрузочных воронок корпусов. Загрузочные воронки корпуса бывают конические (рис. 2.5, а), конические (или другой формы) с поднутрением (рис. 2.5, 6), цилиндрические (рис. 2.5, в, г), прямоугольные (рис. 2.5, д, ё).

Рис. 2.4. Материальный цилиндр одношнекового экструдера

Рис. 2.5. Конструкции загрузочных воронок

Выбор формы и размеров воронки определяется физическими свойствами материала — степенью подвижности, характеризуемой углом естественного откоса, гранулометрическим составом полимера, а также конструктивными соображениями.

Поперечные размеры выпускного отверстия воронки корпуса должны быть равны (1—1,5) Д а в направлении оси цилиндра — не меньше 1—1,5 витка шнека, где D — внутренний диаметр гильзы цилиндра.

Материальные цилиндры одношнековых экструдеров могут быть изготовлены из чугунного литья. В связи с применением в последнее время шнеков большой длины и большого диаметра резко стало повышаться давление, создаваемое шнеком в цилиндре. В связи с этим в последнее время стали применять цилиндры, выполненные из стального литья.

Гильзы или втулки материального цилиндра изготавливают из легированных сталей, подвергающихся закалке и отвечающих требованиям коррозионной стойкости. На современных шнековых машинах устанавливают втулки, азотированные на глубину до 0,1 мм и шлифованные.

Такие втулки имеют высокую твердость внутренней поверхности (НВ440) и достаточную износостойкость. Втулки после предварительной обработки запрессовывают в корпус цилиндра при помощи гидравлических установок, стопорят от проворачивания, а затем шлифуют на заданный размер.

Точное соблюдение внутреннего диаметра гильзы в пределах допусков второго класса имеет большое значение для образования зазора между витками шнека и внутренней поверхностью цилиндра, сильно влияющего на производительность машины.

Для крепежных деталей рекомендуется применять углеродистую сталь при температуре, не превышающей 450 °С. При этом в целях уменьшения заедания резьбы рекомендуется гайки и болты выполнять из сталей разных марок.

Существует множество одношнековых машин для проведения непрерывных процессов переработки полимерных материалов, которым присущи общие закономерности:

• — винтовое движение материала от входа к выходу машины;
• — деформация сдвига частиц материала вдоль и поперек винтового канала;
• — минимальный технологический зазор между корпусом и шнеком;
• — минимальные застойные зоны (объемы с увеличенным временем пребывания в них неперемешанного материала);
• — возможный обогрев или охлаждение через рубашку корпуса, а при больших размерах машины — через полый шнек.

В процессе развития смесительного оборудования был создан ряд принципиально новых конструкций смесителей шнекового типа.

Известно, что смесительный эффект, имеющий место в обычных шнековых машинах, невелик. Поэтому с целью увеличения смесительного воздействия шнековые машины снабжают специальными смесительными зонами или совмещают вращение рабочего органа с его возвратно-поступательным движением.

На рис. 2.6 показаны основные пути, наметившиеся в конструктивном оформлении шнеков, одношнековых машин для интенсификации процесса смешения.

С целью увеличения гомогенизации полимерных материалов с высоким срезающим воздействием и обменом материала между витками шнека закрепляют поперечные перегородки, выполненные с зазором по отношению к корпусу. Кроме того, витки шнека в отдельных местах подрезают, организовывая дополнительные зазоры для перетока материала (рис. 2.6, а).

На рис. 2.6, б представлен шнек, на сердечнике которого выполнена спираль, примыкающая к витку шнека, в виде выступа с шириной, возрастающей в направлении перемещения расплава полимера. Степень гомогенизации повышается за счет наложения двух потоков.

Рис. 2.6. Конструкции специальных шнеков

Наличие винтовых канавок на внутренней поверхности корпуса, как показано на рис. 2.6, в, в смесительной зоне шнековой машины обеспечивает циркуляцию материала и высокий сдвиговый эффект.

Для повышения гомогенизирующего воздействия шнека корпус снабжают пазами, например в форме многогранника (рис. 2.6, г), или ось шнека располагают эксцентрично по отношению к оси отверстия корпуса (рис. 2.6, д).

Шнек, показанный на рис. 2.6, е, выполнен со ступенчато-установленными эксцентричными кулачками, что повышает пластикацию материала, проходящего через зазоры.

Шнек Маклифера представляет собой двухзаходный шнек, в котором от основного транспортирующего гребня ответвляется гомогенизирующий гребень с несколько большим шагом, чем шаг основного гребня (рис. 2.6, ж). Гомогенизирующий гребень шнека образует с корпусом несколько больший зазор, чем основной гребень шнека. Деформация материала осуществляется в узком зазоре между гомогенизирующим гребнем и корпусом.

Интересен трансферный смеситель системы Френкеля «Trans- fermix», изображенный на рис. 2.6, з. Большая эффективность смешения достигается за счет того, что глубина нарезок витков шнека и корпуса переменная и колеблется между определенным минимальным и максимальным значениями так, что в процессе работы материал непрерывно переходит из винтовых каналов корпуса в каналы шнека. Инженерное решение предусматривает наряду с вращением шнека вращение корпуса.

В шнековой машине системы «Ко-Kneter» одновременно с вращением шнека осуществляется осевое осциллирующее (возвратно-поступательное) его движение, как показано на рис. 2.6, и. Месильные выступы, жестко закрепленные в корпусе машины, входят в пазы винтовой нарезки шнека. Таким образом достигается высокая эффективность смешения.

Для повышения качества смешения, как показано на рис. 2.6, к, по окружности шнека с определенным интервалом может быть установлено несколько рядов штифтов, изменяющих направление центральной части потока.

Для усиления смесительного воздействия боковые поверхности гребня винта шнека могут быть снабжены выступами (рис. 2.6, л).

Конструктивное оформление шнековых машин направлено на переориентацию линий тока жидкости в канале смесителя.

Приведенное выше многообразие одношнековых машин свидетельствует о гидродинамической сложности процессов смешения и гомогенизации. Поэтому решение задач о течении полимерных материалов в каналах смесителей различного конструктивного оформления возможно при определенных допущениях.

Для других одношнековых смесителей-пластикаторов, применяемых в промышленности производства и переработки пластмасс, характерными являются следующие конструктивные особенности:

• — наличие участков шнека с переменным шагом нарезки;
• — наличие зон торможения (участков с нарезкой разных направлений);
• — участки без нарезки (наличие в середине шнеков гладких цилиндрических смесительных участков);
• — кольца с отверстиями для дросселирования массы;
• — специальные каналы для возвратных потоков массы (прорези), предусмотренные в боковых стенках винтового паза.