1.2.5. Контроль процесса.

— Должен обеспечивать высокое качество при высокой производительности. Большое значение имеет качество смеси, поступающей из подготовительного цеха. При колебаниях свойств смеси будет иметь место изменение размера сечения профиля.

— Отсюда – тщательный контроль качества сырья, каучука. При колебаниях свойств каучука необходимо их снизить (пластикация, распределение партии каучука по группам – рандомизация) и изменить размеры профиля.

— Для контроля размеров применяют оптические методы, лазеры, -лучи. Разумеется, должна существовать система контроля давления и температуры.

1.2.6. Расчет и моделирование параметров экструзии.

— Производительность.

кг/час,

где D_ср – средний диаметр нарезки;  – угол подъема винтовой линии; F – площадь сечения канавки; i – число заходов червяка;  – плотность;  – коэффициент заполнения канала, =0/2-0/35;  – коэффициент подачи, учитывающий, что кроме осевого перемещения происходит и вращение вместе с червяком, =0.4-0.5.

— Упрощенная формула:

кг/час,

где диаметр червяка D подставляется в см, в случае шприцевания кабельных заготовок коэффициент 0.68 заменяется на 0.9.

— С использованием методов моделирования, при условии, что глубина нарезки мала, получена следующая формула:

см^3/мин,

где диаметр червяка D подставляется в см, число оборотов червяка n в мин^-1; для МЧТ и МЧХ с=0.085, для МЧХВ с=0.063.

Мощность.

кВт,

где p – давление, МПа; D – диаметр червяка, см; L – длина червяка, см; f – коэффициент трения резины о сталь; t – шаг винтовой линии, см; n – число оборотов червяка, мин^-1; i – число заходов винтовой линии;  – КПД привода.

— Упрощенная формула:

кВт,

где диаметр червяка D подставляется в см, число оборотов червяка n в мин^-1.

— Тепловой баланс.

где Q₁=N – тепло, выделяющееся в единицу времени за счет внутреннего трения в материале, кВт, N – мощность двигателя, кВт;  – КПД привода; Q₂ – дополнительно подводимое тепло, кВт; Q₂=mh – с паром, m – расход пара, кг/с, h – изменение энтальпии пара, кДж/кг; Q₂=N_н – с электроэнергией, N_н – мощность нагревателей, кВт,  – КПД нагревателей,  – коэффициент, учитывающий режим работы нагревателей; Q₃=GCT – тепло, пошедшее на нагрев резиновой смеси, кВт, G – производительность ЧМ, кг/с, С – теплоемкость резиновой смеси, кДж/(кгК), T – изменение температуры смеси, К; Q₄=F(T_пов – T_в)+с₀F((T_пов/100)⁴–(T_в/100)⁴)– потери тепла в окружающую среду, слагающиеся из конвективных и лучистых, кВт,  – коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции от стенки ЧМ к воздуху, кВт/(м²К), F – поверхность теплообмена, м², T_пов и T_в – температура поверхности ЧМ и окружающего воздуха, соответственно, К, с₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, с₀=5.6710^-3 кВт/(м²К⁴),  – степень черноты; Q₅=m_вС_вT_в – тепло, унесенное охлаждающей водой, кВт, m_в – расход воды, кг/с, С_в=4.2 кДж/(кгК) – теплоемкость воды, T_в – изменение температуры воды, К.

— Тепловой расчет бывает конструкторским и поверочным. В первом случае задают условия теплообмена и рассчитывают конструктивные параметры, во втором – определяют условия теплообмена для уже существующей машины.

— Моделирование.

— Пусть имеется ЧМ с известными параметрами (обозначаемыми нулевыми индексами), необходимо сконструировать новую.

G=G0X^3–2^	Производительность ЧМ
n=n0X^–^	Число оборотов червяка
h=h0X^1–^	Глубина канавки
p=p0X^	Давление в зоне дозирования
N=N0X^3–^	Затрачиваемая мощность
K=K0X^2+^	Коэффициент гидродинамического сопротивления головки
X=D/D0; =½(T2-T1)/(T3-T1), D – диаметр червяка, T – температуры по зонам

1.2.7. Особенности некоторых разновидностей ЧМ.

— Двухчервячные машины – для переработки подогретых особо жестких смесей на основе фтор-каучуков и шприцевания некоторых резиновых технических изделий (РТИ) иногда применяют МЧТ-2-63. Один червяк над другим, бесступенчатое регулирование скорости.

— МЧХ – не требуют подогрева на вальцах, легче автоматизировать питание холодной смесью, лучше используются производственные мощности, меньше затраты труда, меньше потери из-за скорчинга вследствие предварительного подогрева.

— Производительность лимитирунтся опасностью подвулканизации.

— Машина автоматизированной системой регулирования температуры.

— Сложность – необходимо обеспечить большой съем тепла.

— Питание осуществляется лентами с катушек или гранулами.

— МЧХВ – для изготовления беспористых профилей. Цилиндр имеет три зоны: загрузки, вакуумирования (дегазации) и дозирования.

— В зоне вакуумирования глубже нарезка или больше шаг, иногда в этой зоне больше диаметр червяка. Коэффициент заполнения не более 50% – стоит специальное кольцо, снижающее расход из зоны дозирования. Эта зона соединена с вакуум-насосом. Остаточное давление 175 мм Hg.

— Пластикаторы – механическая пластикация осуществляется на вальцах, в РС и на ЧМ.

— При большом расходе каучука оправдано применение ЧМ – до 4 т каучука в час.

— Два типа: 1) пластикат в виде рукава (диаметр 150/40 мм), разрезаемого вдоль; 2) лучше с головкой для получения гранул со специальным режущим устройством.

— На переднем конце червяка монтируется насадка, равномерно распределяющая каучук по внутренней поверхности гранулирующего цилиндра.

— Наружный конец насадки работает в выносном подшипнике.

— Привод – от синхронного двигателя с одноступенчатым цилиндрическим редуктором.

— Грануляторы (пелетайзеры) – для увеличения производительности РС и уменьшения времени смешения необходима высокая степень механизации и автоматизации – отсюда необходимость легкого и точного дозирования каучука для подачи в РС. Кипы каучука превращают в цилиндрические гранулы (1-3 см³) длиной 1-2.5 см и диаметром 1-2 см.

— Грануляторы используют маточные смеси или пластицированный каучук и превращают их в гранулы.

— К головке присоединяют на шарнирах поворотный кронштейн с режущим устройством и гранулирующей решеткой. Четыре ножа срезают гранулы, длина которых зависит от скорости выдавливания.

— Привод – от синхронного двигателя с регулятором скорости, снабжен двухступенчатым редуктором.

— Стрейнеры – принципиально устроены как грануляторы, имеют решетку с ~2000 отверстий диаметром 11 мм. Есть комбинированные варианты с различными головками – гранулирующей (прелетайзер), фильтрующей (стрейнер) и листовальной (слаббер).

— Слабберы (листователи) – на базе стрейнера 380/450 – имеет листовальные головки. Смесь выходит в виде трубки между мундштуком и и дорном, потом разрезается вдоль обогреваемым (140-190^оС)электрическим током дисковым ножом.

1.2.8. Вспомогательные устройства.

— Питание ЧМ и отбор шприцованных изделий.

— Опудривание внутренней полости полых изделий.

— Отбор, охлаждение и сушка гранул.

1.2.9. Новые процессы с ЧМ.

— ЧМХ со штифтами. С целью более интенсивной гомогенизации смеси в ЧМ используют штифты, расположенные в несколько рядов. Штифты заходят в соответствующие прорези в винтовой нарезке, достигается большой смесительный и диспергирующий эффект.

— Штифты нарушают ламинарное течение смеси, разделяют поток на несколько потоков, которые затем вновь встречаются, но новыми поверхностями раздела – это требует больших затрат энергии и тщательного контроля температуры.

— Штифтовые ЧМ используют для изготовления протекторов, боковин и подкладочного слоя в шинном производстве, для изготовления пластин конвейерных лент (НК), кровельных покрытий (бутилкаучук, этиленпропиленовый каучук), высокомодульных резиновых смесей из полихлоропрена для клиновых ремней, для подогрева смесей перед каландром (там, где важна высокая производительность и низкая температура).

— Параметры: D – 90-250 мм, L/D – 12-20, число оборотов – 55-22 мин^-1, мощность – 55-500 кВт, число плоскостей штифтов – 4-16, число штифтов в одной плоскости – 6-10, производительность – 400-5000 кг/час.

— Сравнение штифтовых ЧМ (в знаменателе) с обычными МЧХ (в числителе) в диапазоне 20-40 об./мин. Производительность: 700-1000 / 900-1700 кг/час, температура: 105-121 / 95-102^оС, удельные энергозатраты: 0.065 / 0.09-0.1 кВтчас/кг. Стоимость штифтовых машин выше на 10-20%.

— ЧМ с валковой головкой. Это, фактически, комбинация ЧМ с двухвалковым каландром.

— Получили распространение два типа машин: а) для приема смеси (беч) из РС высокой производительности и листования с охлаждением с последующим смешением или вальцеванием; б) для получения листа точного калибра, питание осуществляется либо непосредственно из РС, либо ленточкой с вальцов

— В обоих случаях используется двухвалковый каландр, который устанавливается после головки экструдера. Из-за принудительного отбора смеси уменьшается в 1.5-2 раза давление в головке, снижается опасность подвулканизации.

— Параметры: толщина листа 2-18 мм, ширина – до 2100 мм.

— Скорости ЧМ (экструдера) и каландра подбираются так, чтобы максимально снизить эффект "разбухания экструдата" (усадку).

— ЧМ с головкой сдвига. Червяк в зоне дозирования выполнен в виде гладкого дорна, не имеющего нарезки, или в виде специально профилированного дорна. В этой же зоне цилиндр имеет специальную охлаждаемую гильзу. Червяк и гильза вращаются в разные стороны с помощью бесступенчатого привода от гидромотора. В тонком изотермическом слое между дорном червяка и гильзой корпуса ЧМ температура точно регулируется в диапазоне 120-190^оС.

— Экструдат проходит щель сдвига за 4-8 с.

— Дорны могут быть различной конструкции, гладкие и с насечками. Гладкий дорн быстрее повышает температуру смеси, но в этом случае больше давление на торце дорна, больше неравномерность температур (5^оС). Применение профилированных дорнов снижает эту величину до 1^оС.

— Системы обеспечения стабильных размеров. Стабильные размеры обеспечиваются поддержанием постоянных вязкоэластических свойств смеси, постоянной температурой, производительностью, постоянной шириной питающей ленты.

— Усадка уменьшается при увеличении длины профилирующего отверстия, но увеличение длины мундштука снижает производительность, особенно МЧТ.

— На участке профилирования можно выделить четыре зоны: 1) начальная зона в районе входа в профилирующий канал, связанная с интенсивными сдвиговыми напряжениями; 2) зона релаксации, занимающая ~ половину канала; 3) область вязкого течения, где устанавливается стабильный стационарный поток (зона в профилирующем канале до выхода из него); 4) область выхода из профилирующего канала.

— Обозначим через D – диаметр заготовки после выхода из профилирующего канала (после усадки), D₀ – диаметр профилирующего канала, L – длина профилирующего канала. Тогда зависимость B=D/D₀ от L/D₀ изобразится ниспадающей кривой с участком стабилизации. Часть кривой на участке резкого падения характеризует течение, связанное с перестройкой потока после входа (геометрический эффект), а область стабилизации величины В характеризует течение, связанное со стационарным потоком и определяется характеристиками материала.

— Анализ показывает, что L/D₀ должно быть не менее 20. Практически из-за снижения производительности это отношение не более 5.

— Снижение усадки достигается также использованием профилирующего отверстия переменного сечения.

— Определенное значение имеют рецептурные факторы: усадку снижает увеличение дозировки технического углерода и регенерата, а также применение частично структурированного каучука.

— Снижает усадку и увеличивает производительность ЧМ применение вибровоздейстсвия. Для этого используют инфразвук (15-20 Гц) и ультразвук (10 кГц). Вибрации передаются на граничные слои смеси, ускоряя ее течение, снижая сцепление с металлом и давление в головке

Амплитуда, %			380			190
Частота, Гц		0	5	10	15	5	10
Давление, МПа	1	24	16.5	15	13	19.5	18
	2	31	18	15.5	14	25.5
Смесь 1: СКИ-3+СКД+БСК+55 мас.ч. технического углерода Смесь 2: НК+БСК+40 мас.ч. технического углерода