1.2. Червячные машины (чм).

1.2.1. Назначение и классификация.

— Машины непрерывного действия, состоящие из цилиндра, в котором вращается червяк, выдавливающий смесь через профильное отверстие головки.

— В зависимости от геометрических параметров червяка ЧМ имеют различное назначение:

1. получение заготовок различного профиля из резиновой смеси;

2. очистка резиновой смеси от посторонних включений;

3. пластикация каучуков;

4. гранулирование каучуков и резиновых смесей;

5. отжатие влаги от каучука и регенерата; подогрев резиновых смесей;

6. смешение;

7. доработка резиновых смесей после РС;

8) как отдельный узел других машин (литьевых машин, литьевых прессов, ротационных вулканизаторов).

— Классификация ЧМ проводится по ряду признаков:

1) по конструкционным признакам ЧМ классифицируют: по диаметру червяка D, по отношению длины червяка к диаметру L/D, по степени сжатия (отношение межвиткового объема одного шага в зоне загрузки и в зоне выдавливания), по числу оборотов червяка, по количеству червяков, по типу привода, по способности перерабатывать холодную или нагретую смесь, по наличию вакуумирования и т.д.

2) по роду выполняемых операций: профилирующие (шприцмашины ШМ) – выпуск полуфабрикатов различного профиля (протекторные заготовки, трубки, шнуры, пластины), обкладочные – для обрезинки кабелей, рукавов, фильтрующие (стрейнеры) – для очистки смесей и регенерата от включений, пластицирующие (пластикаторы) – для пластикации каучука и выдачи его в виде гранул или ленты, гранулирующие (грануляторы) – для измельчения каучуков и резиновых смесей, комбинированные (снабженные двумя и более головками – фильтующие, гранулирующие, листовальные в любом сочетании), смесительные – для приготовления резиновых смесей непрерывным способом.

— По ГОСТу изготавливают следующие ЧМ: МЧТ – теплого питания, для переработки резиновых смесей, имеющих температуру на входе 50^оС, а для принимающих смесь из РС – 80-200^оС; МЧХ – холодного питания, для переработки резиновых смесей, имеющих температуру на входе 15^оС, а в момент поступления в головку 60^оС; МЧХВ – холодного питания с вакуумированием с теми же параметрами по температуре.

— Машины изготавливают в двух исполнениях, если смотреть со стороны загрузочной воронки в сторону головки – Л и П – лево- и правосторонняя схема обслуживания.

— Примеры: МЧТ-63-П-С ГОСТ… – одночервячная машина теплого питания с диаметром червяка 63 мм, с правосторонней схемой обслуживания и ступенчатым регулированием частоты вращения червяка; МЧХВ-63-Л-СБ ГОСТ… – ступенчато-бесступенчатое регулирование частоты вращения; МЧТ-250-Л ГОСТ… – с нерегулируемой (постоянной) частотой вращения; МЧТ-380/450-П-Б ГОСТ… – с диаметром 380 мм в зоне выдавливания и 450 мм – в зоне питания, с бесступенчатым регулированием частоты вращения

1.2.2. Принцип работы.

— На примере ЧМ с фильтрующей головкой. Помещенный в загрузочную воронку материал проталкивается к червяку для облегчения его захвата витками. При вращении червяка материал движется к головке. Состояние смеси изменяется по ходу движения. Часть материала перетекает в соседние витки нарезки в направлении, обратном общему потоку, под воздействием давления, создаваемого вращением червяка. Материал претерпевает деформации сдвига и сжатия – он деформируется, разогревается, уплотняется. Разогретая смесь выдавливается к фильтрующей головке, где включения остаются на решетке (их две).

— Температура регулируется по зонам, т.к. свойства материала изменяются.

— Три зоны: загрузки (питания), пластикации и нагнетания.

— Чем больше давление в головной части, тем больше обратный поток, тем меньше производительность. Но обратный поток необходим для формирования профиля. Следовательно, необходимо оптимальное гидродинамическое сопротивление.

— 1 зона – формирование пробки, материал – гайка, червяк – винт, который выворачивается из нее. Гайка удерживается от вращения с червяком за счет сцепления с корпусом. Червяк заставляет гайку двигаться вдоль цилиндра. Червяк выполняет транспортную функцию.

— 2 зона – материал сжимается, растут сдвиговые деформации, они пронизывают весь материал, растет температура и затраты энергии. Пластицированный материал приобретает способность к формованию, но он должен быть каркасным, не деформироваться под собственной тяжестью после выхода.

— 3 зона – червяк и цилиндр выполняют функцию винтового масс-насоса. Давление пропорционально скорости выдавливания, обратно пропорционально температуре и эквивалентному диаметру отверстия мундштука.

— Температуры по зонам: НК: 35-60 – 70-90 – 90-1110; СК: 20-40 – 40-70 – 70-90.

1.2.3. Устройство основных частей и узлов ЧМ.

— Червяк – основной рабочий орган ЧМ, от геометрической формы и конструкции которого зависят производительность и пригодность для обработки того или иного материала. Состоит из двух частей – рабочей (нарезной) и хвостовой (опорной). Конструкция должна обеспечить равномерный (без пульсаций) выход материала.

— Длина зоны загрузки – (1.2-1.5)D, зоны пластикации – (1.5-2)D. Соотношение размеров зон и характер нарезки зависят от назначения.

— Диаметры (в России): 33, 63, 90, 125, 160, 200, 250, 400, 380/450 мм.

— Различают червяки: с одно-, двух- и трехзаходной резьбой и комбинированной резьбой; цилиндрические, конусные и комбинированные, с постоянным шагом и одинаковой глубиной резьбы по всей длине; с переменным шагом или различной глубиной резьбы.

— В России, в основном, делают червяк цилиндрической формы, двухзаходный, с постоянным шагом и переменной, убывающей по направлению к головке глубиной резьбы.

— В принципе, однозаходный червяк обеспечивает лучший захват материала в первой зоне, меньше тепловыделения.

— Поэтому делают однозаходный червяк в первой зоне, а потом 2-3 захода с переменным шагом и глубиной – это для фильтрующих, гранулирующих, листовальных, пластикаторов, но не для ШМ.

— на конце насадка в виде конуса с 2 заходами для равномерного давления на щайбу.

— Важно L/D – должно обеспечивать качественное профилирование, но при большом L/D возникает опасность скорчинга. У МЧТ L/D12, для МЧХ L/D12 (при переработке пластмасс L/D30). Все зависит от диаметра: для D[32;125] L/D=5-10 (МЧТ) и L/D=12-16 (МЧХ); для D[160;400] L/D=3.5-4.5 (МЧТ).

— Степень сжатия 1-2; шаг нарезки (0.6-1.5)D; глубина (0.2-0.25)D.

— У больших машин гребни изготавливаются с наплавкой твердым сплавом.

— Внутри червяк полый, охлаждается водой противотоком.

— Зазор между червяком и корпусом (0.002-0.005)D – для новых машин и до 0.008D – для старых.

— Зазор между торцом червяка и головкой – не более 1.5D.

— Хвостовая часть составная – в ней система подшипников и на шпонке зубчатое колесо редуктора.

— Головки предназначены для того, чтобы принять подаваемую червяком резиновую смесь, обеспечить ее выдавливание и придание необходимой формы и заданных размеров.

— Их много разновидностей, но все имеют следующие элементы: корпус, который крепится к корпусу машины; мундштук, имеющий профилирующее отверстие при шприцевании монолитного изделия и дорн, который вставляется в мундштук для шприцевания полых трубок. Внутрь подается тальк через соответствующее устройство.

— Виды головок: для выпуска протекторных заготовок из одной резины; для выпуска тонкостенных трубок; для изоляции кабелей, рукавов и др.; для очистки (фильтрования или стрейнирования) смесей; для подключения двух ЧМ; широкощелевые для выпуска листовых изделий.

— Скорость шприцевания: 5-9 м/мин. – для ненаполненных смесей, 15-30 м/мин. – для наполненных.

— При конструировании головок приняты следующие положения: диаметр цилиндрической головки на входе равен диаметру цилиндра машины; головка внутри коническая с диаметром, уменьшающимся к выходному сечению головки, назначение конуса – создать давление на выходе; расстояние от конца червяка до мундштука – не более диаметра червяка; внутренний объем протекторной головки должен быть в 2 раза меньше объема червяка, длина ее для средних машин должна быть больше диаметра червяка на 75%, для больших машин – на 100%, площадь сечения выходной щели должна быть на 50% меньше площади сечения червяка; при выборе конфигурации выходного отверстия головки учитывают усадку и скорость выдавливания; при температуре шприцевания 120^оС температура наружной стенки не должна быть больше 70^оС, что предупреждает подвулканизацию в "мертвых зонах", где мала скорость протекания смеси.

— Привод. Частота вращения изменяется в зависимости от профиля и рецепта смеси.

— Современные ЧМ имеют привод, позволяющий регулировать частоту вращения в пределах от 1:4 до 1:10.

— В ЧМ применяют следующие типы регулируемых приводов:

1. Двигатели с постоянным числом оборотов, снабженные вариатором скорости. Для передачи малых мощностей применяют двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором с бесступенчатыми вариаторами (фрикционные, ленточные и цепные). Для передачи больших мощностей используют гидравлические вариаторы (гидропривод – комбинация насоса и гидроматора). Применяют четырехскоростные электродвигатели переменного тока, обеспечивающие ступенчатое изменение числа оборотов. Такие двигатели используют в ЧМ, применяемых для выпуска одних и тех же изделий и не требующих плавного регулирования скорости. Эти двигатели комбинируют с вариаторами – ступенчато-бесступенчатое регулирование.

2. Приводы с электрическим регулированием. Используют двигатели постоянного тока, при этом число оборотов зависит от напряжения обмотки возбуждения и напряжения на якоре, используют двигатели с частотой от 1:3 до 1:5, это обеспечивает постоянное число оборотов независимо от нагрузки. Двигатели постоянного тока в сочетании с преобразователями системы Леонардо (мотор-генератор-мотор), обеспечивающие плавное регулирование частоты в диапазоне 1:10. Двигатели постоянного тока с электрорегулированием (ламповые или полупроводниковые выпрямители – тиратроны) – изменяют число оборотов в диапазоне 1:100. Двигатели переменного тока короткозамкнутые со ступенчатым регулированием числа оборотов путем переключения полюсов в диапазоне 1:4.

— Редукторы используют горизонтальные цилиндрические двухступенчатые с передаточным отношением 10-20 и вертикальные цилиндрические двухступенчатые. Назначение – снизить число оборотов двигателя.

1.2.4. Механизм процесса.

— При движении смеси по винтовому каналу рассматриваются три составляющих потока.

— Вынужденный поток – поступательное течение смеси вдоль оси червяка, возникающее вследствие движения червяка относительно цилиндра. Эпюра скоростей вынужденного потока в пространстве между червяком и корпусом имеет треугольный характер. На поверхности червяка, вследствие условия прилипания, скорость равна нулю, а на поверхности корпуса рна максимальна.

— Торможение – возникает вследствие сопротивления головки поступательному движению; направлено в сторону, противоположную основному движению Противоток реально не существует, хотя принимается как составляющая движения для облегчения теоретических расчетов производительности. Эпюра скоростей потока торможения носит параболический характер; скорость равна нулю на поверхности червяка и корпуса и максимальна посередине.

— Поток утечки – в зазоре между гильзой и наружной поверхностью витков червяка. Этот поток невелик, и обычно им пренебрегают.

— Соотношение потоков зависит от гидродинамического сопротивления головки. Если обозначить через a отношение расхода материала, идущего противотоком, к расходу вынужденного потока в межвитковом пространстве, то при a=0 моделируется свободный выход (нет потока торможения), а при a=1 – закрытый выход (максимальный поток торможения). Оптимальным считают течение при a=1/3.