Экструдер для полимерных материалов - RU2005612C1
Код документа: RU2005612C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области переработки полимерных материалов и может использоваться на заводах РТИ, шинных заводах и заводах пластмассовых изделий.
Известна червячная машина для переработки пластических масс с червяком, имеющим эксцентричную нарезку, в которой сердечник червяка снабжен дополнительной винтовой нарезкой с противоположным основной нарезке эксцентриситетом с радиусом, равным радиусу основной нарезки, и шириной не более половины и не менее трети ширины основной нарезки. Нарезка с дополнительной эксцентричной нарезкой посредине винтового канала обеспечивает повышенную гомогенность материала, но вследствие нарушения потоков циркуляционного течения и поступательного течения вдоль канала при погружении среднего эксцентричного выступа дополнительной нарезки в материал, находящийся в канале основной нарезки, слабо повышает транспортирующую способность червяка.
Известна червячная машина, в которой червяк выполнен с гладкой поверхностью, а гильзы корпуса на длине гладких участков поверхностей червяка имеют нарезки с наклонной напорной поверхностью; на смесительных участках червяк и гильза имеют нарезки, изменяющиеся по глубине от нуля до максимума и обратно от максимума до нуля. Машина имеет повышенную производительность, эффективные смесительные участки и конструкцию рабочих органов, обеспечивающую эффективный отвод тепла. Однако транспортирующие участки не обеспечивают требуемую интенсивность циркуляции материала в винтовых каналах, при которой глубинные слои поочередно менялись бы местами с пристенными слоями, поочередно контактируя с охлажденными поверхностями рабочих органов, отдавая им накопленное тепло. Это не позволяет обеспечить увеличение скорости червяка и, следовательно, дальнейшее повышение производительности. Смесительные участки с изменением глубины нарезок от нуля до максимума и обратно имеют большое гидравлическое сопротивление и снижают производительность машины. Машина недостаточно хорошо очищается от остатков материала.
Ближайшим по технической сущности к предложенному решению является экструдер для полимерных материалов, содержащий корпус, смонтированную в нем гильзу с эксцентричной винтовой нарезкой по внутренней поверхности, и размещенный в гильзе с возможностью вращения червяк с зонами выдавливания и пластикации.
В известном экструдере благодаря выполнению по внутренней поверхности гильзы эксцентричной винтовой нарезки интенсифицируется процесс переработки полимеров.
Недостатком экструдера является недостаточная производительность и недостаточная степень гомогенности резиновой смеси.
Задачей изобретения является увеличение производительности экструдера и степени гомогенности резиновой смеси.
Указанная задача решается благодаря тому, что в экструдере для полимерных материалов, содержащем корпус, смонтированную в нем гильзу с эксцентричной винтовой нарезкой по внутренней поверхности, и размещенный в гильзе с возможностью вращения червяк с зонами выдавливания и пластикации, согласно изобретению, эксцентричная нарезка гильзы выполнена ступенчатой по глубине канала с противоположным эксцентриситетом ступеней и боковым их расположением, при этом центры ступеней расположены на прямой, проходящей через центр внутреннего диаметра гильзы под углом в направлении вращения червяка, выбранном в пределах от 10 до 45о от вертикали центра ступени, прилежащий к напорной поверхности витка нарезки, расположен выше центра внутреннего диаметра гильзы, а выступ, образованный этой ступенью, скруглен радиусами.
Кроме того, червяк снабжен трубкой для подвода хладоагента с установленным на ней обтекателем с каналами по наружной поверхности, при этом трубка с обтекателем размещены на участке увеличенного диаметра продольной полости, которая выполнена в червяке, а нарезка червяка в зонах выдавливания и пластикации выполнена с большой шириной витков и малой глубиной.
Смена места нарезки (нарезка на гильзе) обеспечивает значительное повышение производительности. Это наглядно подтверждается, если рассматривать течение аномально-вязкой жидкости в винтовых каналах червяка, используя теорию кругового течения аномально-вязкой жидкости в зазоре коаксиальных цилиндров с учетом изменения направления течения и формы сечения винтового канала. Для сравнения определялись производительность стандартного экструдера с червяком D = 90 мм, имеющим шаг t = 120 мм двухзаходной нарезки, ширину винтового канала B = 50 мм и глубину h = 12 мм, а также производительность экструдера с червяком D = 90 мм, имеющим геометрически подобную двухзаходную нарезку на гильзе с шагом, равным = 164 мм, ширину винтового канала прямоугольного сечения B = 72 мм и глубину h = 16,3 мм.
Результаты расчета показали, что экструдер с нарезкой на гильзе имеет в 2,3 раза большую производительность. Нарезка на гильзе корпуса обеспечивает необходимый отвод тепла от материала к хладоагенту за счет больших размеров теплообменных поверхностей.
Эксцентрическая ступенчатая с обратным эксцентриситетом и с боковым расположением ступеней нарезка интенсифицирует циркуляционное и поступательное вдоль канала течения, что повышает расход материала через винтовые каналы и отвод тепла от материала к металлическим стенкам рабочих органов. Малая скорость деформаций материала при плавном изменении боковых каналов под действием эксцентричных ступеней нарезки и обеспечение постоянной величины суммарного сечения винтовых каналов не образует вибрационного действия, вызывающего резкое нагревание материала.
Расположение центров ступеней эксцентрической нарезки на прямой, проходящей через центр внутреннего ее диаметра под углом в 10-45о к вертикали, расположение центра ступени, прилежащей к напорной поверхности витка, и скругление выступа, образованного этой ступенью, обеспечивает очищаемость экструдера. Мелкая нарезка червяка с большой шириной витков повышает очищаемость экструдера и обеспечивает износостойкость наружной поверхности червяка. Кроме того, мелкая нарезка позволяет значительно увеличить теплообменную поверхность продольной полости червяка, а размещение в ней обтекателя с вихреобразующими проточками обеспечивает через утоненную стенку интенсивный отвод тепла от перерабатываемого материала. Геометрия червяка и гильзы из условий их охлаждения и механической прочности позволяют обеспечить пераработку материала с повышенными производительностью и качеством.
На фиг. 1 показан экструдер - общий вид; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - направления потоков при различных положениях эксцентричных ступеней.
Экструдер (см. фиг. 1) содержит корпус 1, состоящий из отдельных секций и вмонтированных в нем гильз 2. Корпус 1 имеет загрузочную воронку 3 и разгрузочное окно 4. В корпусе 1 установлен червяк 5, имеющий транспортирующую нарезку 6 в зоне питания и мелкую нарезку 7 с широким витком 8 в зонах пластикации и выдавливания. Мелкая нарезка 7 червяка 5 предназначается для сбора и удаления остатков материала при чистке машины. Гильзы 2 корпуса 1 имеют витки 9 эксцентрических нарезок, винтовые каналы которых образованы эксцентрическими нарезками ступеней 10 и 11, имеющих противоположные эксцентриситеты l1; l2. Центр ступени 11, прилежащей к напорной поверхности витка 12 с радиусом 13 (см. фиг. 2), из условий очищаемости экструдера, находится выше центра 14 внутреннего диаметра нарезки, а центр ступени 10 с радиусом 15 находится ниже центра 14. Из этих же условий центры радиусов 13 и 15 лежат на прямой 16, проходящей через центр 14 под углом 17 в сторону вращения червяка к вертикали, равным 10-45о. Выступ, образованный ступенью 11, скруглен радиусом R (см. фиг. 3). По всей длине винтовой канал имеет постоянную площадь сечения. Для обеспечения высокой износоустойчивости гильз 2 их целесообразно изготовлять методом кокильного литья из высокохромистого чугуна с содержанием хрома 17-21% .
В продольной полости 18 червяка 5 на большом ее диаметре на трубке 19 для подвода хладоагента жестко установлен резиновый обтекатель 20, на поверхности которого имеются проточки 21, служащие для образования турбулентного потока охлаждающей воды, что значительно повышает теплопередачу от стенки к хладоагенту. Своим концом обтекатель 20 входит в цилиндрическое отверстие наконечника 22 червяка 5, образуя опору скольжения. Для протока хладоагента из трубки 19 в полость 18 обтекатель 20 имеет канавку 23 и отверстие 24. Для выхода перерабатываемого материала из нарезки гильз 2 в полость головки (на фиг. не показано) последняя по ходу материала гильза 25 имеет нарезку 26, которая по глубине изменяется от максимального значения до минимального, а нарезка 27 наконечника 22 червяка 5 изменяется по глубине от нулевого значения до максимального. На входе в экструдер на гильзе выполнена нарезка 28. Работа экструдера осуществляется следующим образом.
Заранее, до начала работы, часовой механизм включает систему тепловой автоматики и систему автоматического питания резиновой смесью. За время выхода машины на тепловой режим, система автоматического питания подает первую платформу с резиновой смесью нужной марки и дает импульс на подготовку машины к пуску. Когда все тепловые зоны машины достигли заданных температур, система теплоавтоматики дает импульс на подготовку к пуску. В начале рабочего времени оператор проверяет по показаниям приборов готовность машины, при этом должно учитываться отличие устройства рабочих органов - температура червяка задается в пределах 60-80оС, а температура гильз корпуса 40-60оС. Заправляется лента резиновой смеси в загрузочную воронку 3 и нажатием кнопки производится пуск.
Под действием нарезки 6 червяка 5 и нарезки 28 гильзы резиновая смесь втягивается в корпус 1 экструдера, предварительно подогревается, перемешивается и подается в винтовые каналы эксцентрической нарезки 9 гильз 2 зон пластикации и выдавливания. Под действием эксцентричной нарезки гильз 2 корпуса 1 материал интенсивно перемешивается, плавно перетекая из большого объема 29 (фиг. 3) одной ступени в малый увеличивающийся объем другой ступени нарезки. В винтовом канале экструдера материала совершает циркуляционное течение, показанное стрелками. Максимальную скорость имеет прилегающая к червяку 5 часть материала, находящаяся на расстоянии 1/3 глубины канала. При перетекании из объема 29 в объем 30 материал будет двигаться вблизи донной части 31 канала, поскольку здесь он встретит меньшее гидравлическое сопротивление. В этом случае поперечное течение, вызванное переменным профилем сечения канала, совпадает с направлением циркуляционного течения, что усиливает циркуляционное и поступательное вдоль канала течения. Поскольку суммарный объем ступеней сохраняется постоянным и профиль нарезки изменяется плавно, вибрационный эффект нагрева не проявляется.
При чистке машины, когда в объеме 30 материала становится недостаточно для образования течения, отдельные его части скатываются вниз по инерции и под действием червяка 5 несколько поднимаются и там задерживаются.
В это время материал, находящийся в каналах 7 малой нарезки червяка 5, взаимодействуя с внутренней поверхностью витков 9 нарезки гильз 2 течет рывками за время нахождения каналов против витков 9. Большая часть винтового канала 7 открыта, и поэтому находящийся в нем материал находится в неподвижном состоянии. Течет только та часть материала, которая взаимодействует с внутренней поверхностью витков 9, вследствие чего в передней части ленточка смеси в канале разрывается и сволакивается в заднюю часть течения, образуя там петли и торчащие концы. На червяке 5 образуется своеобразная щетка, которой подбираются остатки материала из винтовых каналов гильзы 2 в винтовые каналы червяка 5. За счет пульсирующего течения остатки материала по винтовым каналам червяка транспортируются из корпуса 1 наружу. (56) Авторское свидетельство СССР N 923873, кл. B 29 C 47/38, 1982.
Авторское свидетельство СССР N 1666331, кл. B 29 C 47/38, 1991.
Авторское свидетельство СССР N 509446, кл. B 29 C 47/38, 1976.
Реферат
Использование: переработка полимеров на заводах резиновых технических изделий, на шинных заводах и заводах пластмассовых изделий. Сущность изобретения: гильза корпуса экструдера имеет ступенчатую по глубине винтового канала эксцентрическую с обратным эксцентриситетом ступеней с боковым их расположением нарезку. Центры ступеней лежат на прямой, проходящей через центр внутреннего диаметра под углом в сторону вращения червяка в 40 - 45к вертикали. Они расположены так, чтобы центр ступени, прилежащий к напорной поверхности витка, находился выше центра внутреннего диаметра. Выступ, образованный этой ступенью, скруглен радиусами. Червяк в зонах выдавливания и пластикации имеет мелкую с большой шириной витков нарезку. В продольной полости червяка, имеющей увеличенный диаметр, на трубке для подвода хладоагента установлен обтекатель с канавками. Данное решение обеспечивает увеличение производительности экструдера и степени гомогенности резиновой смеси. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.
