/
Text
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ............................ 7
Глава 1. Физико-химические основы переработки полимеров ... 10
1.1. Основные физические закономерности, используемые для опи-
сания процессов переработки полимеров...........................10
1.2. Характеристики сыпучего материала '.......................10
1.3. Теплопередача и радиационный нагрев при переработке по-
лимеров ....................................................11
1.4. Реологические характеристики полимеров....................12
1.5. Нормальные напряжения и высокоэластическая деформация
расплавов.......................................................13
1.6. Сжимаемость расплавов и уравнение состояния .... 14
1.7. Физико-химические аспекты переработки термореактивных
полимеров................................................... 16
Глава 2. Оборудование для приема, хранения и транспортирования
сырья.............................................................. 17
2.1. Оборудование складов сырья...............................18
2.2. Пневмотранспорт........................................ 21
2.2.1. Расчет скорости воздуха в системах пневмотранспорта . . 22
2.2.2. Производительность системы пневмотранспорта ... 23
2.2.3. Потери напора в системе пневмотранспорта.................24
2.3. Питатели и дозаторы для сыпучих материалов .... 26
Глава 3. Оборудование для измельчения.............................29
3.1. Основные виды измельчения ... .29
3.2. Ножевые дробилки........................................30
3.3. Молотковые и роторные дробилки 34
3.4. Струйные мельницы.......................................36
Глава 4. Оборудование для смешения.........................37
4.1. Классификация смесителей для полимерных материалов 37
4.2. Статистическая теория смешения...................38
4.2.1. Экспериментальная оценка гомогенности смеси .... 39
4.2.2. Чувствительность критерия.......................41
4.3. Смесители для сыпучих материалов.................42
4.3.1. Барабанные смесители с вращающимся корпусом ... 42
4.3.2. Смесители с псевдоожиженным слоем материала ... 45
4.3.3. Центробежные смесители ..........................’ . 51
4.3.4. Планетарный турбосмеситель......................52
4.4. Смесители для высоковязких сред..................53
4,4.1. Основные закономерности ламинарного смешения ... 53
4.4.2. Смесительные вальцы.............................55
4.4.3. Двухроторные лопастные смесители................75
4.4.4. Двухроторные смесители закрытого типа...........77
Глава 5. Экструдеры и экструзионные агрегаты.....................
5.1. Классификация экструдеров................................91
5.2. Конструкция одночервячного экструдера................93
5.3. Качественный анализ работы экструдера . •................ЮЗ
5.4. Расчет внешней характеристики экструдера.................Ю6
5.4.1. Расчет давления на входе в зону питания..................Ю7
5.4.2. Скорость движения пробки и производительность зоны пита-
ния ..................................................... ... Ю8
5.4.3. Приращение давления в зоне питания...................НО
5.4.4. Температура поверхности пробки.......................ИЗ
5.4.5. Математическое описание работы зоны плавления . . .115
5.4.6. Распределение давлений в зоне плавления на участке Х»ш/2 И?
5.4.7. Математическое описание работы зоны дозирования . 118
5.4.8. Распределение напряжений сдвига, поле скоростей и объем-
ный расход при поступательном течении..........................120
5.4.9. Элементарная мощность, рассеиваемая в винтовом канале
червяка...................................................... |24
5.4.10. Распределение давлений в зоне плавления на участке X<w/2 128
5.4.11. Давление на выходе из червяка и внешняя характеристика
экструдера.................................................128
5.5. Головки экструдеров. Коэффициенты сопротивления . . 130
5.6. Производительность экструдера. Рабочая точка. Основные
параметры процесса.......................................135
5.6.1. Поверочный расчет экструдера.......................135
5.6.2, Проектный расчет экструдера........................137
5.6.3. Осевое усилие на червяке и мощность привода .... 139
5.7. Экструзионные линии (агрегаты) ....... 142
5.7.1. Грануляторы........................................143
5.7.2. Экструзионные агрегаты для производства рукавных пленок 150
5.7.3. Экструзионные агрегаты для производства плоских пленок 162
5.7.4. Агрегаты для изготовления комбинированных пленок (лами-
нирования) ...................................................166
5.7.5. Экструзионные агрегаты для производства листов . . . 167
5.7.6. Экструзионные агрегаты для изготовления труб . . . 169
5.7.7. Экструзионные агрегаты для изготовления профильных изде-
лий ..........................................................176
5.7.8. Экструзионно-кабельные агрегаты.....................178
5.8. Двухчервячные экструдеры ................................181
5.8.1. Двухчервячные экструдеры с незацепляющимися червяками 182
5.8.2. Двухчервячные экструдеры с зацепляющимися червяками и
со смесительными кулачками................................184
5.8.3. Расчет производительности двухчервячных экструдеров . . 186
5.9. Дисковые экструдеры..................................188
5.10. Техника безопасности и особенности обслуживания экстру-
зионного оборудования ........................................ 192
Глава 6. Каландры и каландровые агрегаты.........................194
6.1. Принципиальная схема каландрового агрегата .... 194
6.2. Конструкция каландра.....................................195
6.3. Основные теоретические представления о процессе каландро-
вания.........................................................201
6.3.1. Влияние основных технологических параметров на темпера-
турное поле в области деформации................................204
6.3.2. Кинетостатические параметры при неизотермическом каланд-
ровании.........................................................205
6.4. Методы компенсации прогиба валков каландра . . . . 206
6.5. Контрольно-измерительные приборы и системы управления 209
6.6. Каландровый агрегат для производства поливинилхлоридной
пленки........................................................211
6.7. Техника безопасности при работе на каландрах .... 213
Глава 7. Оборудование для литья под давлением ...................
7.1. Принципиальная схема литьевой машины..................
7.2. Литьевой цикл.........................................
7.3. Литьевая головка и пластик-атор...................
7.3.1. Литьевая головка с плунжерным пластикатором
7.3.2. Литьевая головка с червячным пластикатором и осевым пе-
ремещением червяка ..........................................
7.3.3. Литьевое сопло........................................
7.3.4. Корпус пластикатора...................................
7.3.5. Привод червяка пластикатора...........................
7.4. Механизм смыкания.....................................
7.4.1. Гидропрессовый механизм смыкания прямого действия
7.4.2. Коленчато-рычажный механизм смыкания . . , , .
7.5. Гидропривод литьевых машин....................... ,
7.5.1. Система управления гидроприводом......................
7.5.2. Числовые системы регулирования расхода и давления масла
в гидроприводе литьевых машин................................
7.6. Система управления литьевой машиной...................
7.7. Литьевые машины для отливки изделий из двух различных
материалов ................................................
7.8. Литьевые машины для литья реактопластов...............
7.9. Расчеты основных параметров литьевого цикла . . . .
7.9.1. Продолжительность стадии охлаждения...................
7.9.2. Продолжительность стадии выдержки под давлением
7.9.3. Параметры режима пластикации..........................
7.9.4. Расчет системы охлаждения.............................
7.10. Многопозиционные литьевые машины......................
7.11. Техника безопасности при работе на литьевых машинах
Глава 8. Оборудование для формования полых изделий методом раз-
дува ............................................................
8.1. Методы формования полых изделий........................
8.2. Оборудование для экструзионно-выдувного формования
8.3. Выдувные машины........................................
8.4. Аппаратура управления экструзионно-выдувными агрегатами
8.5. Оборудование для инжекционно-выдувного формования
8.6. Определение производительности экструзионно-выдувных аг-
регатов ...................................................
8.7. Форма для раздува.....................................
8.8. Техника безопасности при работе на экструзионно-выдувных
агрегатах .................................................
Глава 9. Оборудование для формования изделий из листовых термо-
пластов .......................................................
9.1. Основные методы формования из листовых термопластов
9.2. Основные виды формующего оборудования.................
9.2.1. Однопозиционная полуавтоматическая вакуум-формовочная
машина.............................................
9.2.2. Многопозиционные вакуум-формовочные машины
9.3. Специализированные агрегаты для термоформования
9.4. Системы управления вакуум- и пневмоформовочными маши-
нами ......................................................
9.5. Расчет производительности вакуум-формовочной машины
9.6. Техника безопасности при работе на оборудовании для фор-
мования из листовых термопластов...........................
Глава 10. Прессы и прессовые линии.............................
10.1. Классификация прессов...............................
10.2. Конструкция гидравлического пресса ... ...
10.3. Гидропривод.........................................
10.4. Аппаратура управления гидропрессом..................
10.5. Прессы-автоматы и прессовые линии...................
10.6. Роторные прессы.....................................
10.7. Оборудование для таблетирования.....................
10.8. Расчет основных технологических параметров процесса прес-
сования ............................................. . .
10.9. Особенности монтажа и обслуживания гидравлических прес-
сов. Техника безопасности ................................
Глава 11. Оборудование для изготовления изделий из стеклопластиков
11.1. Оборудование для изготовления заготовок.............
11.2. Установки для контактного формования................
11.3. Оборудование для формования эластичной диафрагмой
11.4. Оборудование для формования пропиткой и прессованием
в форме ..................................................
11.5. Оборудование для изготовления плоских и гофрированных
лент................................................. . .
11.6. Оборудование для центробежного формования
11.7. Оборудование для намотки............................
11.8. Агрегаты для изготовления профилей и труб методом пул-
трузии ............................................... .
11.9. Техника безопасности в производстве стеклопластиков
Глава 12. Промышленные роботы и их применение в производстве из-
делий из пластмасс.............................................
12.1. Устройство промышленных роботов ....
12.2. Информационная система промышленных роботов
12.3. Системы управления и связи с технологическим оборудова-
нием .....................................................
12.4. Технические возможности промышленных роботов
12.5. Применение промышленных роботов для автоматизации тех-
нологических процессов....................................
12.6. Использование промышленных роботов в производстве изде-
лий из пластмасс .........................................
Рекомендательный библиографический спи-
сок ..................................................
Предметный указатель
z высшей
школы
JR В.Торнер, М. С. Акутин
Оборудование
заводов
по переработке
пластмасс
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности
«Технология переработки пластических масс»
МОСКВА
•ХИМИК-
1986
6П7.55
Т 609
УДК 678.057
Рецензенты: Зам. зав. кафедрой «Полимерное машинострое-
ние» МИХМа доц. канд. техн, наук В. К. Ску-
ратов; зав. отделом НПО «Пластик» проф. д-р
техн, наук Э. Л. Калинчев.
УДК 678.057
Торнер Р. В., Акутин М. С. Оборудование заводов по
переработке пластмасс. — М..: Химия, 1986. — 400 с.,
ил.
Приведена классификация технологического оборудования для пере-
работки пластмасс, описаны типовые конструкции наиболее распространен-
ных видов основного и вспомогательного оборудования, изложена физиче-
ская сущность процессов и приведены методы расчета основных техноло-
гических параметров. Особое внимание уделено вопросам монтажа нового
оборудования и ввода его в эксплуатацию. Рассмотрено оборудование под-
готовительных производств.
Предназначена в качестве учебного пособия по курсу «Оборудование
заводов по переработке пластмасс» для студентов химико-технологических
вузов. Может быть полезна инженерно-техническим и научным работни-
кам, занятым созданием, модернизацией н эксплуатацией технологическо-
го оборудования.
Табл. 16. Ил. 268. Библиогр. список: 39 назв.
_ 2803090100—137
Т 050(01)—86 137.86
© Издательство «Химия», 1986 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время развитие мировой экономики и экономики
отдельных стран все в большей мере зависит от уровня разви-
тия производства и применения полимерных материалов.
«Основными направлениями экономического и социального
развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 г.»,
принятыми XXVII съездом КПСС, предусмотрен рост производ-
ства синтетических смол и пластических масс до 6,8-н7,1 млн. т
в 1990 г.
Переработка пластмасс включает в себя три основные груп-
пы процессов: подготовительные, формующие и вспомогатель-
ные. К подготовительным процессам относятся приготовление
композиций, гранулирование и сушка. Формующие — все основ-
ные процессы переработки, с помощью которых осуществляется
изготовление пластмассовых изделий. Их можно разделить на
две группы; непрерывные процессы (экструзия и каландрова-
ние) и периодические процессы (литье под давлением, прессова-
ние, выдувное формование, термоформование листовых мате-
риалов— пневмо- и вакуум-формование, ротационное формова-
ние, напыление и ряд других методов). К вспомогательным от-
носятся процессы механической обработки и доделки отформо-
ванных изделий, окрашивание и металлизация их поверхности,
сварка и склеивание отдельных частей, переработка пластмассо-
вых отходов, образующихся при формовании изделий.
Каждый из методов переработки осуществляется на том или
ином оборудовании. Современная промышленность переработки
пластмасс располагает многочисленным и разнообразным пар-
ком машин, предназначенным для изготовления изделий самого
различного назначения и насчитывающим более 3500 различных
типов машин и аппаратов. Многие из этих машин представляют
собой сложные полуавтоматические или полностью автоматиче-
ские агрегаты, при создании которых широко используются сов-
ременные достижения в области гидравлики, электроники и мик-
ропроцессорной техники. Все более широкое распространение на
заводах по переработке пластмасс получают манипуляторы и
роботы первого и второго поколения. Разумеется, описать все
это многообразие машин в рамках одной книги практически не-
возможно Авторы поставили перед собой цель охватить только
основные типы машин, на которых в промышленности перераба-
тывается большая часть пластмасс.
По назначению все многообразие машин и аппаратов можно
разделить на три большие класса, соответствующие трем на-
званным выше основным группам процессов: 1) оборудование
Для подготовительных производств, к которому относятся устрой-
ства для приемки, транспортирования и хранения сырья, весовые и
объемные дозаторы, смесительное оборудование, оборудование
для дробления сырья и измельчения отходов; 2) основное тех-
нологическое оборудование, к которому относятся все виды ма-
шин и аппаратов, предназначенных для формования изделий из
пластмасс, — экструзионные агрегаты, литьевые машины, маши-
ны для формования методом раздува, машины для термоформо-
вания из листа, прессы,-аппараты для напыления, оборудование
для изготовления изделий из армированных пластмасс, роботы
и манипуляторы; 3) оборудование для окончательной отделки
изделий; это различные станки для механической обработки из-
делий, машины для сварки, аппараты для окрашивания, нанесе-
ния печати и металлизации пластмассовых изделий.
В настоящей книге подробно рассмотрены первые два класса
машин, поскольку именно процессы, осуществляемые на этом
оборудовании, определяют специфику заводов по переработке
пластмасс и выделяют это производство в отдельную отрасль
промышленности.
Книга состоит из двенадцати глав. В гл. 1 изложены основ-
ные представления о физико-химических процессах, протекаю-
щих в перерабатывающем оборудовании. Главы 2—4 посвяще-
ны оборудованию подготовительных производств, включающих
аппараты для хранения и транспортирования гранулированных
полимеров, смесительное оборудование и оборудование для
дробления отходов. Особое внимание уделено вопросам теорети-
ческого определения эффективности смешения и оценки качест-
ва смеси, приготавливаемой в смесителях роторного и валкового
типов. Главы 5—10 содержат описание основного технологиче-
ского оборудования, применяемого при переработке пластмасс.
При этом вначале (гл. 5 и 6) описывается оборудование, приме-
няемое для проведения непрерывных процессов, к которым от-
носятся экструзия (гл. 5) и каландрование (гл. 6). Учитывая
интерес к применению средств вычислительной техники для це-
лей автоматизации сбора экономических данных в системах уп-
равления, в гл. 5 предложен принцип построения классификаци-
онной схемы экструзионных агрегатов, удобный для использо-
вания в программах АСУ, поскольку он позволяет кодировать
тип агрегата с помощью семизначных чисел.
Главы 7—10 посвящены описанию технологического оборудо-
вания, применяемого для осуществления периодических процес-
сов. Наибольшее внимание здесь уделено машинам для литья
под давлением (гл. 7), на которых перерабатывается 40—50%
термопластов. По сравнению с существующими учебными посо-
биями значительно большее внимание уделено системам управ-
ления литьевыми машинами и машинами для формования по-
лых изделий методом раздува (гл. 8),. Это вызвано тем, что
именно в области систем управления в последние 10 лет наблю-
дается наибольший прогресс, связанный с применением микро-
процессорной техники.
Гл. И содержит описание оборудования для изготовления
армированных пластиков. Здесь наряду с оборудованием для
контактного формования и формования напылением описаны
машины для центробежного формования, оборудование для на-
мотки и машины для протяжки.
В гл. 12 описаны роботы и манипуляторы, применяемые в
отечественной и зарубежной промышленности переработки
пластмасс. Такой раздел впервые появился в книге, посвященной
оборудованию для переработки пластмасс. Авторы уверены в его
необходимости, поскольку развитие научно-технического про-
гресса неизбежно приведет к расширению применения роботов
и роботизированных комплексов в промышленности переработки
пластмасс, освобождающих рабочих от тяжелого и монотонного
физического труда, неизбежного при обслуживании многих сов-
ременных видов оборудования (литьевые машины, прессы, ма-
шины для термоформования и др.). Поскольку для понимания
возможностей современной робототехники необходимо распола-
гать определенным минимумом представлений об устройстве ис-
полнительных механизмов и систем управления роботами, в этой
главе изложены основные сведения о конструкции исполнитель-
ных механизмов, системах привода и системах управления сов-
ременных роботов первого и второго поколения.’ Эти сведения
позволят читателю правильно сориентироваться на практике при-
встрече с роботизированными технологическими’ комплексами,
так как, несмотря на все их многообразие, в любом роботе мож-
но выделить одни и те же функциональные части-. Поэтому зна-
комство с основными конструктивными принципами позволит
легко освоить и незнакомые на первый взгляд конструкции.
Использованный в книге математический аппарат рассчитан
на математическую подготовку, получаемую инженерами-техно-
логами в химических и химико-технологических вузах.
Авторы признательны проф. Э. Л. Калинчеву и доц. В. К. Ску-
ратову за ценные советы и замечания, сделанные ими при рецен-
зировании рукописи. Авторы сознают также, что книга не ли-
шена недостатков, поэтому с благодарностью примут предложе-
ния читателей, касающиеся содержания книги.
Гл. 1—-4 написаны совместно проф. Р. В. Тернером и
проф. М. С. Акутиным, гл. 5—11 — проф. Р. В. Тернером, гл. 12
написана совместно проф. Р. В. Тернером и канд. техн, наук
В. Б. Гусевым.
ГЛАВА 1
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ
1.1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ
Для лучшего понимания работы перерабатывающего оборудо-
вания необходимо ясно представлять себе физическую сущность
происходящих в машине физических процессов. Наиболее четко
сущность этих процессов проявляется при анализе математиче-
ского описания (математической модели) реализуемого в маши-
не технологического процесса, построенного на основе физиче-
ских и физико-химических представлений о его сущности.
Математическое описание технологического процесса, реали-
зуемого в перерабатывающей машине, может быть построено с
различной степенью его приближения к реальному процессу.
Естественно, что чем выше степень приближения этого описания
к реальному процессу, тем сложнее становится используемый
математический аппарат и тем более трудоемкими оказываются
вычисления, необходимые для его численной реализации.
С инженерной точки зрения технологический расчет перера-
батывающего оборудования сводится к описанию движения че-
рез него перерабатываемого материала, вызываемого механиче-
ским воздействием на материал рабочих органов оборудования
и инициируемого теплом, подводимым извне или генерируемым
внутри материала в результате диссипативного разогрева. Разу-
меется, такое описание должно учитывать неизбежность измене-
ния физического (или фазового) состояния перерабатываемого
материала, связанного с его нагревом.
Учитывая реальные возможности существующих учебных
программ, авторы везде старались ограничиться минимально не-
обходимым усложнением моделей, с тем чтобы они отражали
лишь самые основные особенности реализуемого на том или
ином виде оборудования технологического процесса.
1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
Описание стадии транспортирования сыпучего материала стро-
ится на анализе движения сыпучей среды, характеризуемой сле-
дующими основными показателями: коэффициентом статическо-
го трения между частицами f и соответствующим ему углом
внутреннего трения Р; коэффициентом внешнего трения частиц о
граничную поверхность fw и соответствующим ему углом внеш-
него трения
Эти основные показатели, характеризующие как взаимодей-
ствие частиц между собой, так и их взаимодействие с рабочими
органами технологического оборудования, определяют значения
предельного нагружения на сыпучий1- материал т*, по достиже-
нии которого он утрачивает подвижность и ведет себя как твер-
дое тело (что приводит к образованию пробок в системах транс-
порта и сводов в бункерах), и коэффициент бокового давле-
ния К, характеризующий отношение возникающих в материале
максимальных нормальных напряжений к минимальным.
Предельное нагружение для сыпучих материалов, определяе-
мое внешним трением, равно
TA = tgP-(T= fo (1.1)
где <т — нормальное напряжение.
Для неслипающихся порошков отношение главных напряже-
ний в сыпучем материале описывается выражением
К = Омакс/Омин = (1 + Sin Р)/(1 — sin Р) (1.2)
Для слипающихся порошков
= °макс/°мин = (1 ~Ь sin P)/(l sin Р) -|- <ТС/(ТМИН ( 1.3)
где Ос — напряжение лавинообразного движения, при котором начинается об-
рушивание сводов или арок, образовавшихся из слипшегося порошкообразного
материала.
Плотность сыпучих материалов в зависимости от давления
описывается выражением вида
Рсо — Р = (Pod — Ро)/еХР (СР) ( 1 • 4)
где роо — предельное значение плотности блока; р — текущее значение плот-
ности; ро — начальное значение плотности' сыпучего материала; С — эмпириче-
ский коэффициент; Р — гидростатическое давление.
1.3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И РАДИАЦИОННЫЙ НАГРЕВ
ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛИМЕРОВ
Нагрев твердого полимера в процессах переработки является,
как правило, результатом одного из трех процессов:
процесса, теплопроводности, в простейшем случае описывае-
мого одномерным уравнением Фурье
(где Т — температура, t — время, а — коэффициент температуро-
проводности полимера, х — координата в направлении потока
тепла);
процесса теплоотдачи, описываемого известным уравнением
Ньютона
дТ(0,1)
a[Ta(t)-T(0,t)] = -k---(1.6)
[где ц — коэффициент теплоотдачи, Ta(t)—температура окру-
жающей среды, Т (0, t) — изменяющаяся во времени температу-
ра омываемой поверхности, k — коэффициент теплопроводно-
сти] ;
процесса радиационного (инфракрасного) разогрева, описы-
ваемого уравнением Стефана — Больцмана
д
eF[T^-T^(0,t)] = -k-^rT(0,t) (1.7)
[где е=5,67-10-8 Вт/(м2-К4)—постоянная Стефана — Больцма-
на, F — суммарный коэффициент лучеиспускания и формы, Ти—
температура излучателя, К] -
Все теплофизические характеристики полимеров являются
функциями температуры. Поэтому для использования известных
решений уравнений теплопроводности приходится усреднять их
во всем интервале разогрева.
1.4. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРОВ
Существенная часть процессов переработки связана с транспор-
тированием и приданием расплаву формы будущего изделия.
Для описания поведения расплава при его движении в перера-
батывающем оборудовании используются два наиболее простых
реологических уравнения состояния:
закон течения Ньютона
Т = т/т] (1.8)
[где у — скорость деформации (скорость сдвига); т — напряже-
ние сдвига; ц — ньютоновская вязкость расплава];
закон течения Оствальда-де-Вилля (степенной закон течения)
У = (т/Цо)" (1 •9)
[где цо — коэффициент консистенции, численно равный напря-
жению сдвига при единичной скорости сдвига, п — индекс тече-
ния, являющийся мерой отклонения реологического поведения
расплава от поведения ньютоновской жидкости (для большинст-
ва полимеров 1 10)].
Для описания релаксационных и эластических характеристик
расплава используются характерное время релаксации t* и мо-
дуль сдвига расплава G.
За характерное время релаксации t* принимают время, в те-
чение которого напряжения (или деформации), существующие в
расплаве, уменьшаются в е раз.
Модуль сдвига расплава G — это мера сопротивления рас-
плава развитию высокоэластических (обратимых) деформаций,
представляет собой коэффициент пропорциональности между де-
формацией сдвига уэ и возникающим при этом в расплаве на-
пряжением сдвига т:
т = Gy3 (1.9а)
Температурная зависимость вязкости чаще всего описывает-
ся эмпирическими уравнениями
г1(Г) = Поехр[6(То —Т)] (1-Ю)
ИЛИ
И (Г) = цоехр [6 (Го — Г)] (1.10а)
где т]о и Р-о — соответственно значения вязкости или коэффициента консистен-
ции при температуре То\ b—температурный коэффициент вязкости.
В отдельных случаях используются более сложные формы
уравнения состояния. Однако современное математическое опи-
сание процессов переработки чаще всего ограничивается этими
двумя простейшими зависимостями.
Создание математического описания любого реального про-
цесса переработки сводится к использованию основных физиче-
ских закономерностей, выражаемых уравнениями равновесия.
К их числу относятся уравнение материального баланса, уравне-
ние энергетического баланса и уравнение сохранения момента
количества движения, используемое в виде различных форм
уравнения Навье — Стокса. Методы построения основных коли-
чественных зависимостей, описывающих движение полимеров в
перерабатывающем оборудовании, подробно рассмотрены в мо-
нографиях Бернхардта, Мак-Келви, Торнера, Тадмора, Уилкин-
сона и многих других авторов. Здесь будут использованы лишь
наиболее простые и хорошо зарекомендовавшие себя резуль-
таты.
1.5. НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКАЯ
ДЕФОРМАЦИЯ РАСПЛАВОВ
Деформация расплавов полимеров под действием механических
полей складывается из трех составляющих: упругой уу, пласти-
ческой у.,) и высокоэластической уэ. В произвольно выбранный
момент времени суммарная деформация, которой подвергается
элементарный объем перерабатываемого полимера, равна их
сумме:
Т = Ту + Тч + Тэ (1-11)
Чисто упругая деформация, связанная с изменением меж-
атомных расстояний и валентных углов, как правило, составляет
доли процента, поэтому ее обычно не принимают во внимание.
В большинстве случаев доминирующее влияние на поведение
полимеров при переработке оказывает пластическая деформа-
ция, закономерности развития которой описываются выраже-
ниями (1.8) и (1.9). Однако в ряде случаев (таких, как истече-
ние полимеров из формующего инструмента и заполнение рас-
плавом литьевых форм) приходится принимать во внимание су-
ществование и высокоэластической деформации, вызывающей
ряд побочных эффектов — таких, как эластическое восстановле-
ние струи свободно вытекающего расплава, возникновение за-
мороженных ориентационных напряжений, вынужденная кри-
сталлизация в наиболее ориентированных областях, приводящая
в отдельных случаях к резкому увеличению вязкости и коренно-
му изменению механизма течения. Во всех этих случаях разви-
тие высокоэластической деформации сопровождается одновре-
менным появлением нормальных напряжений.
Для одномерных сдвиговых течений, в которых скорость из-
меняется только в одном направлении, обычно применяют сле-
дующую нумерацию осей: ось 1—направление, совпадающее с
направлением движения расплава; ось 2 — направление, вдоль
которого изменяется скорость, ось 3 — направление, перпенди-
кулярное плоскости, в которой лежат две первые оси (нейтраль-
ное направление).
На практике рассматривают при определении высокоэласти-
ческих деформаций две разности нормальных напряжений:
гц — ’122 = —чр1Т2 (М2) т22 — т33= —Чг2у2 (1.12а)
где Vi и Чг2— соответственно экспериментально определяемые коэффициенты
для первой (1.12) и второй (1.12а) разностей нормальных напряжений.
Поскольку вторая разность нормальных напряжений не пре-
вышает 10% от первой, то обычно принимают во внимание толь-
ко первую разность нормальных напряжений. Величина высоко-
эластической деформации, накопленной в установившемся сдви-
говом течении, определяется выражением
Уэ — (Тц т22)/(2т12) (1.13)
Поскольку в большинстве реальных течений закон распреде-
ления нормальных напряжений по сечению потока отличается
от распределения тангенциальных напряжений, высокоэластиче-
ские деформации, возникающие в разных сечениях потока, раз-
личаются по величине. Это приводит к тому, что уровень «замо-
роженных» в экструзионных и литых изделиях ориентационных
деформаций в разных точках сечения различен.
1.6. СЖИМАЕМОСТЬ РАСПЛАВОВ И УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
В процессах переработки полимеры подвергаются воздействиям
температуры и давления, вызывающим изменение удельного
объема расплава. Уравнение, описывающее изменение удельного
объема V в зависимости от основных термодинамических пара-
метров— температуры Т и давления Р, принято называть урав-
нением состояния. Рассмотрим два основных вида этого урав-
нения.
Термодинамическое уравнение состояния.
Классическая термодинамика, используя представление о связи
давления Р с изменением внутренней энергии U и энтропии S,
дает следующее выражение для термодинамического уравнения
состояния:
Р = Т (dS/dV)T — (dU/dV)T (1.14)
Поскольку (dSldV)T= (dP/dT)v, уравнение (1-14) можно за-
писать в виде
Р + (dU/dV)T = Т (dP/dT)v (1.15)
Используя выражение для внутренней энергии
U = —a/Vn (1.16)
(где а — коэффициент внутреннего давления, п — параметр) и
известное из статистической физики соотношение
PV=NkT =RT (1.17)
(где N — число Авогадро, k — постоянная Больцмана, R — уни-
версальная газовая постоянная), получим:
Р + na/Vn^ = RT/fV — nb) (1.18)
Если параметр п=0, то уравнение (1.18) превращается в из-
вестное уравнение состояния для идеального газа (1.17). Если
п=1, то уравнение (1.18) превращается в уравнение Ван-дер-
Ваальса:
P + a/V2= RT/(V — Ь) (1.19)
Уравнение состояния Спенсера.— Джилмора.
Обобщая известные экспериментальные данные по сжимаемости
и температурному расширению расплавов полимеров, Спенсер и
Джилмор установили, что это удается сделать с помощью моди-
фицированного уравнения Ван-дер-Ваальса:
(Р + л)(Ц — b) = RT/M (1.20)
где V — удельный объем полимера; М — молекулярная масса структурной еди-
ницы, обусловливающей межмолекулярное взаимодействие; л и b — константы
(л по своему физическому смыслу — это значение внутреннего давления, а Ь —
объем, занимаемый собственно молекулами полимера); л, b и М определяют-
ся экспериментально.
Если продифференцировать уравнение (1.20) по перемен-
ной V, то после несложных преобразований получим:
л Ум + Р1/7Й = V-RT (dP/dV)T (1.21)
Очевидно, что л и М можно рассчитать, если известны значе-
ния (дР/дУ)т и Р. Константу b нетрудно вычислить по значению
удельного объема при атмосферном давлении и известной тем-
пературе.
Изменение объема может происходить при постоянном дав-
лении или при постоянной температуре. Такие изменения харак-
теризуются коэффициентом сжимаемости 0 и термическим коэф-
фициентом линейного расширения Л, в общем случае зависящи-
ми от давления и температуры:
₽ = —(1/Р) {др/дР)т (1-22) К = (1/р) (др/дТ)Р (1.23)
Значение 0 для всех материалов положительно. Для распла-
вов полимеров значение Л также всегда положительно.
Дифференцируя уравнение (1.20), можно получить следую-
щие выражения для 0 и Z:
г Mb I-1
Р = (Р+л)-1 1 + ^-(Р+зх)1 (1.24)
I = [Г + (Mb/R) (Р + л)]-1 (1.25)
Константы уравнения состояния для большинства термоплас-
тов можно найти в литературе.
1.7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЕРЕРАБОТКИ
ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Термореактивными полимерами (реактопластами) называют
материалы, в которых фиксация формы при изготовлении изде-
лий является результатом химической реакции образования
трехмерного полимера («сшивания»), обычно называемой
отверждением. При этом материал необратимо утрачивает спо-
собность переходить в вязкотекучее состояние и растворяться в
растворителях.
Неспособность отвержденных реактопластов переходить в
вязкотекучее состояние заставляет проводить синтез термореак-
тивных полимеров в несколько стадий. Первую стадию заканчи-
вают получением олигомеров (смол) с молекулярной массой
100—1000. Вторая стадия—это, по существу, приготовление
композиций, основанное на том, что низковязкие олигомеры лег-
ко совмещаются с наполнителем, причем даже при 80—85% -ном
наполнении композиции неотвержденного реактопласта облада-
ют высокой текучестью, позволяющей перерабатывать их тради-
ционными методами (литьем под давлением, экструзией, кон-
тактным формованием, прессованием и др.)
Олигомерные композиции, в которых в качестве наполните-
ля используют какое-либо мелкодисперсное вещество (мел,
тальк, древесную муку, слюду, каолин, технический углерод,
графит и т. д.), называют премиксами. Реактопласты, наполнен-
ные непрерывными волокнами, бумагой, тканью и т. д., называ-
ют препрегами. Наконец, третья стадия — это получение собст-
венно полимера с трехмерной сетчатой структурой. Как прави-
ло, эта стадия совмещается с формованием изделия и обычно
называется отверждением.
Олигомеры в реактопластах могут отверждаться самопроиз-
вольно (с тем большей скоростью, чем выше температура) или
с помощью полифункционального низкомолекулярного вещест-
ва— отвердителя. Отверждение может осуществляться по меха-
низму поликонденсации (фенолоальдегидные, эпоксидные, кар-
бамидные, кремнийорганические смолы) и полимеризации (по-
лиалкиленгликольмалеинаты, олигоэфиракрилаты, форполимеры
диаллилфталата).
Реактопласты изготавливают, применяя в качестве связующе-
го фенолоформальдегидные смолы (модифицированные для
большей эластичности поливинилбутирилем, бутадиен-нитриль-
ным каучуком, полиамидами) или эпоксидные смолы (модифи-
цированные феноло- или анилиноформальдегидными смолами
или отверждающимися олигоэфирами); наполнитель может быть
любым.
Моделирование процессов переработки термореактивных по-
лимеров имеет два основных аспекта: а) анализ неизотермиче-
ского течения, сопровождающегося химическими реакциями
отверждения на стадиях пластикации и формования изделия;
б) анализ процессов полимеризации, сопровождающихся выде-
лением тепла в условиях теплообмена с окружающей средой.
Основной характеристикой процесса переработки реакто-
пластов является степень сшивания, рассчитываемая на основа-
нии кинетических уравнений статистической теории гелеобразо-
вания. Особенно подробно эти вопросы рассмотрены примени-
тельно к литью реактопластов в работах 3. Тадмора и Э. Л. Ка-
ланчева (см. список литературы в конце книги).
ГЛАВА 2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИЕМА, ХРАНЕНИЯ
И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ
Химическая промышленность поставляет сырье (термопласты и
реактопласты) упакованным в один из трех видов тары: а) меш-
ки (полиэтиленовые или из крафт-бумаги) массой по 25 кг;
б) контейнеры эластичные одноразового или многоразового ис-
пользования массой 200 кг (емкостью около 0,5 м3); в) цистер-
ны (автомобильные и железнодорожные) емкостью 30—50 м3.
Сырье, поступающее в мешках, с заводского склада перево-
зится в цех на электрокарах, где мешки растариваются или не-
посредственно возле перерабатывающего оборудования, или на
растарочной установке цехового склада сырья.
Контейнеры с площадки хранения подаются в отделение рас-
таривания, где с помощью грузоподъемных механизмов устанав-
ливаются на устройства для растаривания. Конструктивно эти
устройства представляют собой систему зажимов для крепления
контейнера, приемный бункер, соединенный с системой пневмо-
транспорта, и приспособление для открытия клапана (при ис-
пользовании оборотных контейнеров многоразового использова-
ния) или для разрезания боковины Ьу кйиаайиарввиедачразового
использования). Попадающее в приемный бункер сырье подает-
ся пневмотранспортом в складские емкости или пересыпается
непосредственно в технологические контейнеры.
Разгрузку цистерн производят с помощью систем пневмо-
транспорта с гибкими патрубками, снабженными наконечника-
ми для быстрого подсоединения эластичных патрубков к выгру-
зочным патрубкам цистерн. При растаривании цистерн внутрь
подается сжатый воздух под давлением 0,2 МПа. Удаленность
складских емкостей от места разгрузки не должна превышать
25 м.
2.1. ОБОРУДОВАНИЕ СКЛАДОВ СЫРЬЯ
Основное оборудование, предназначенное для хранения сыпучих
ингредиентов, составляют бункера (силосы), которые в зависи-
мости от назначения подразделяются на бункера складского
хранения и расходные бункера систем автоматического дозиро-
вания. Емкость и число бункеров, устанавливаемых на завод-
ском складе, определяется мощностью предприятия, поскольку
запас сырья на складе должен обеспечивать 10—15-суточную ра-
боту предприятия. Емкость бункера составляет от 100 м3 и бо-
лее. Обычно бункер складского хранения (рис. 2.1) представляет
собой сварной цилиндр 1 из листового дюралюминия диаметром
около 5 м и высотой 10—15 м. К нижней части цилиндра прива-
ривается коническое днище 2. Отверстие в днище диаметром
примерно 1 м перекрывается шлюзовым затвором 3, через кото-
рый материал поступает к питателю 4. Верхняя часть цилиндра
перекрывается конической крышкой, внутри или над которой
располагается циклон-отделитель 5 системы пневмотранспорта.
Контроль за уровнем находящегося в бункере сырья может про-
изводиться с помощью радиационных уровнемеров или по весу
с помощью тензометрических силоизмерителей, определяющих
нагрузку в опорных стойках бункера. Угол наклона стенок дни-
ща бункера не должен превышать 20° по от-
ношению к вертикали во избежание сводооб-
разования и зависания в нем сыпучего сырья.
Непосредственно под бункером устанавли-
вается разгрузочное устройство, в качестве ко-
торого чаще всего используется секторный до-
затор (он описан ниже и показан на рис. 2.5).
При достаточно хорошей сыпучести сырья
(свойственной, например, гранулированным
пластмассам) его выгрузку из бункера можно
производить, не применяя никаких дополни-
тельных устройств. В этом случае непосредст-
Рис. 2.1. Схема бункера складского хранения. Поясне-
ния в тексте.
Рис. 2.2. Устройства для выгрузки материала из бункера:
а — с аэрационным рыхлителем; б — с двойным вибрирующим конусом.
Пояснения в тексте.
венно над секторным дозатором устанавливают шлюзовой за-
твор с пневмоприводом и дистанционной системой управления.
Для выгрузки из бункеров материалов, склонных к слежи-
ваемости, применяют аэрацию материала потоком воздуха и
вибрационные устройства (рис. 2.2). В аэрационных рыхлителях
(рис. 2.2, а) воздух подают через фильтр 5, распределительную
заслонку 1 и перфорированное днище 2 в нижнюю часть бунке-
ра 3. Скорость воздушного потока должна быть достаточно ве-
лика для того, чтобы материал в бункере перешел в псевдоожи-
женное состояние. Под действием силы тяжести материал пере-
мещается и поступает из бункера по наклонным перфорирован-
ным трубопроводам 4 непосредственно в технологическое обору-
дование или на дозирование.
Механические вибрационные устройства («активаторы», или
«побудители») устанавливают как вне бункера, так и внутри его.
Эти устройства включают в работу только во время отбора ма-
териала из бункера, так как в противном случае происходит
лишь дополнительное уплотнение материала.
Разгрузочное вибрационное устройство с двойным вибрирую-
щим конусом (рис. 2.2,6) включает в себя конический прием-
ник 1, закрепленный на стяжках 2 через виброизоляционные
прокладки 3 на выходном патрубке бункера 4. Герметичность
соединения обеспечивается эластичным уплотнением 5. Прием-
ник 1 и установленный в нем конус-рассекатель 9 приводятся в
колебательное движение с амплитудой 10 мм и частотой до
500 Гц с помощью механического или гидравлического вибрато-
ра 6. Высыпающийся из бункера .материал выгружается через
разгрузочный патрубок 8 с эластичным уплотнением 7. При ра-
боте вибратора приемник 1 колеблется в горизонтальной плос-
кости. Благодаря этому материал не зависает в выходном кону-
се бункера, ликвидируется его уплотнение и создаются опти-
мальные условия для его свободного и равномерного движения
Рис. 2.3. Червячное разгру-
зочное устройство. Поясне-
ния в тексте.
по поверхности конуса-рассекателя от его центра к периферии.
Кроме аэрационных разгрузочных устройств и вибросит в
некоторых случаях применяют червячные разгрузочные устрой-
ства (рис. 2.3). При вращении червяка 1 материал, находящийся
в приемном окне бункера 2, захватывается его витками и пере-
мещается к разгрузочному патрубку 3. Для регулирования и
стабилизации производительности перед разгрузочным патруб-
ком располагают цилиндрический участок 4 длиной не менее од-
ного диаметра червяка. Радиальный зазор между внутренней
поверхностью желоба и наружным диаметром червяка 6 должен
выбираться таким образом, чтобы скомпенсировать все неточно-
сти сборки и прогиб червяка; при этом червяк не должен сопри-
касаться с поверхностью желоба. Следует, однако, избегать
слишком больших значений радиального зазора во избежание
заклинивания или защемления в зазоре частиц выгружаемого
материала, так как при этом могут возникать чрезмерные изги-
бающие усилия и очень большие тормозные моменты.
Объемную производительность червячного разгрузочного
устройства можно определить по формуле
Q = 14Яиз (1 — №) (1 + №)V2 W COS (6ГО + ®f) sin em/cos d>f (2.1)
где RK— наружный радиус цилиндрической поверхности червяка; RB— радиус
сердечника червяка; 0т — угол подъема винтовой нарезки на среднем радиусе
витка Rm; /?т=1,41 +№; K=RB/RK; Of— угол трения материала о поверх-
ность червяка; N — частота вращения червяка.
Угол вт равен
6т = arctg[0,225//(Ян УГ+Х2)1 (2-2)
Трение в зазоре между материалом и кромкой витка червяка
и между материалом и желобом проявляется по-разному. При
гладкой цилиндрической поверхности желоба материал скользит
по ней; при этом эффективная площадь сечения транспортируе-
мого материала увеличивается, а производительность несколько
возрастает. Шероховатая поверхность и большой зазор приводят
к сдвигу материала по цилиндрической поверхности радиусом
7?в. При этом на стенке желоба образуется слой практически не-
подвижного материала.
2.2.
Пневмотранспорт получил особенно широкое распространение
за последние тридцать лет, и в настоящее время он практически
полностью вытеснил на предприятиях по переработке пластмасс
все другие виды транспорта (конвейеры, транспортеры). Широ-
кое применение пневмотранспорта объясняется следующими
причинами: 1) возможностью перемещения сыпучих материалов
в горизонтальном, наклонном и вертикальном направлениях;
2) герметичностью трубопроводов и отсутствием потерь транс-
портируемых материалов; 3) сравнительной простотой конструк-
ции, обслуживания и эксплуатации при незначительных площа-
дях и объеме зданий; 4) возможностью полной автоматизации
процесса транспортирования и распределения материала, по
бункерам; 5) возможностью совмещения транспортирования ма-
териала с его сушкой подогретым воздухом.
Пневматические транспортные установки (рис. 2.4) могут
быть всасывающими (вакуум-транспорт) и нагнетательными
(пневмотранспорт). Принципиальной разницы между этими си-
стемами нет, поскольку в обоих случаях движущей силой явля-
ется разность давлений на входе и на выходе из трубопровода,
обеспечивающая нужную скорость воздушного потока.
В нагнетательных системах источник движущегося воздуха
(вентилятор, воздуходувку или компрессор) располагают в нача-
ле установки, а во всасывающих системах (вакуум-насос) —
в конце, возле места выгрузки. В первом случае перепад давле-
ний в системе может достигать 0,3 МПа, так как более плотный
воздух лучше поддерживает перемешиваемый материал, что осо-
бенно важно при большой длине трубопроводов. Во втором слу-
чае максимальный перепад давлений не превышает 0,04—
0,05 МПа, поэтому такие системы применяют для транспортиро-
вания сырья на небольшие расстояния.
Всасывающая пневмотранспортная установка (рис. 2.4, а)
состоит из вакуум-насоса 7, приемного сопла 2, трубопровода 3,
циклона-отделителя 4, фильтра 5 и шлюзовых затворов 8. Ва-
куум-насос создает разрежение в системе. Под действием ат-
мосферного давления сыпучий материал 1 вместе с воздухом
засасывается через сопло 2 в трубопровод 3 и поступает в цик-
Рис. 2.4. Схемы пневмотранспортных установок:
« — всасывающей; б — нагнетательной.
Пояснения в тексте.
б
лон-отделитель, в котором скорость воздушного потока резко
снижается и происходит осаждение материала. Воздух, содер-
жащий мелкую пыль, очищается в фильтре 5 и, пройдя через
влагоотделитель 6, поступает в вакуум-насос, откуда он выбра-
сывается в атмосферу. Материал из циклона-отделителя и
фильтра поступает через шлюзовые затворы 8, обеспечивающие
достаточно надежную герметизацию системы, к секторным доза-
торам 9.
Нагнетательная пневмотранспортная установка (рис. 2.4, б)
состоит из воздуходувки 1, калорифера 2, бункера-силоса 3,
секторного дозатора 4, трубопровода 5, циклона-отделителя 6 и
воздушного фильтра 7. Нагнетаемый воздуходувкой воздух про-
ходит через калорифер 2 в трубопровод 5, в который из бунке-
ра 3 сыпучий материал подается секторным питателем 4. Воз-
душный поток подхватывает материал и транспортирует его по
трубопроводу в циклон-отделитель 6, где и происходит его осаж-
дение. Выгрузка материала из циклона 6 и воздушного фильт-
ра 7 производится через шлюзовые затворы 8.
2.2.1. Расчет скорости воздуха в системах пневмотранспорта
Движение порошкообразных и гранулированных материалов в
системах пневмотранспорта основано на эффекте псевдоожиже-
ния. Пропускание воздушного потока через слой сыпучего мате-
риала вызывает уменьшение его насыпной плотности и приводит
его частицы в хаотическое движение. Когда скорость воздушно-
го потока достигнет критического значения (скорость витания),
сыпучий материал переходит в псевдоожиженное состояние и
может транспортироваться по трубам, подобно жидкости.
Скорость начала псевдоожижения зависит от размеров час-
тиц, их плотности, плотности и вязкости газа и ряда других
факторов. Скорость витания vB можно определять по эмпириче-
ской формуле
XRe2=l,333Ar (2.3)
где X — коэффициент сопротивления воздушному потоку; Re — число Рей-
нольдса; Аг — критерий Архимеда.
Коэффициент X равен:
X = 24/Re, если 10-4^Re</2 Х = 18,5/Re°>5, если 2 Re 500
X = 0,44, если 500 Re <Д О5
Для предварительной оценки числа Рейнольдса использует-
ся интерполяционная зависимость, справедливая до значений
Аг<108:
Re = Аг/(18 4-0,6Аг°,5) (2.4)
В формулах (2.3) и (2.4) критерий Архимеда рассчитывает-
ся по формуле
Ar = gds (р — po)/(v2po) (2.5)
где g— ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; d — средний диаметр части-
цы, м; р — плотность твердого материала, кг/м3; р0 — плотность потока возду-
ха, кг/м3; v — кинематическая вязкость воздуха, м2/с.
В качестве примера рассчитаем критическую скорость (скорость витания)
для системы пневмотранспорта гранул ПЭНП, приняв средний диаметр частиц
равным d=4-10-3 м, плотность твердого материала р=920 кг/м3, плотность
воздуха при 20 °C и атмосферном давлении ри=1,21 кг/м3; кинематическая
вязкость воздуха при этих условиях равна 15,06- 10 G м2/с.
Вначале находим значение критерия Архимеда:
9,81-4®-10-9(920— 1,21)
Аг~ (15,Об)2-10-12-1,21 =2,Ы06
Используя формулу (2.4), получим интерполяционное значение числа Рей-
нольдса:
2,1-10в
Re =-------------= 2,36-10®
18 + 0,6-10®У2,1
Поскольку значение Re>500, то Х=0,44. Используя формулу (2.3), полу-
чим число Рейнольдса для скорости витания:
ReB = Д/1,333-2,1 • 106/0,44 = 2,51 • 10®
Определим критическую скорость (скорость витания):
vB = ReBv/d =2,51-10®-15,06-10~«/(4-10“®) = 9,8 м/с
Следовательно, минимальное значение скорости воздушного потока в тру-
бопроводе не должно быть меньше 9,8 м/с.
2.2.2. Производительность системы пневмотранспорта
Загрузка транспортирующего потока транспортируемым мате-
риалом характеризуется величиной коэффициента взвеси т,
равным отношению расхода твердого материала GT к расходу
газовой фазы GT:
m = GilGT (2.6)
С другой стороны, величина этого коэффициента определяет-
ся соотношением
m = cp/(poi) (2.6а)
Здесь о —объемная концентрация транспортируемого мате-
риала:
о = рк/р (2.7)
где рк— кажущаяся плотность транспортируемого материала; р—плотность
транспортируемого материала.
Для определения объемной концентрации о используется
эмпирическое выражение
о = [1 — 0,4Аг°,°27 (с/св)0.1] а0 (2.8)
где v — скорость воздушного потока в трубе; <7о — начальная объемная кон-
центрация; а0=Рн/р; ри — насыпная плотность материала.
Для определения фактической скорости движения частиц ма-
териала в трубопроводе необходимо определить коэффициент
скольжения i:
i = u/v (2.9)'
где и — скорость движения частиц в воздушном потоке.
Обработкой экспериментальных данных для коэффициента
скольжения получена следующая зависимость:
( = 4,92[ро/(ар)]о,и1 (2.10)
Используя формулы (2.6) — (2.10), рассчитаем производительность трубо-
провода диаметром 0,15 м при пневмотранспорте ПЭНП со скоростью воздуш-
ного потока о=25 м/с и ри=500 кг/м3.
Вначале определим значение объемной концентрации транспортируемого
материала, воспользовавшись формулой (2.8)
о= [1 — 0,4 (2,1- 10в)о,<>27 (25/9,8)o,i] (500/920) = 0,19
Затем определим величину коэффициента скольжения:
i = 4,92(1,21/(0,19-92О)]о,и1 = 2,83
Далее рассчитаем массовый расход воздуха, принимая температуру и дав-
ление такими же, как в предыдущем примере:
GB=1,21 (л-0,152/4)25 = 0,535 кг/с
Тогда массовый расход транспортируемого материала равен
GT = mGB = 0,19-920-0,535/(1,21 -2,83) = 27,3 кг/с
2.2.3. Потери напора в системе пневмотранспорта
Сопротивление вертикального участка пневмотранспорта скла-
дывается из сопротивления, возникающего вследствие трения
транспортируемого материала и транспортирующего потока о
стенки трубопровода, из статического напора, соответствующего
весу транспортируемого материала и транспортирующего пото-
ка, вычисленным из условия постоянства объемной концентра-
ции твердой фазы по высоте, и из динамической потери напора,
обусловленной изменением скорости на разгонном и тормозном
участках:
др = 2^4 (2-Н)
Отдельные составляющие выражения (2.11) определяются
следующим образом.
Потери от трения транспортирующего потока APi рассчиты-
вают по формуле
ДР1 = Л(£/О)(р0ц2/2) (2.12)
где L и D — соответственно длина и диаметр трубы.
Коэффициент сопротивления X определяют в зависимости от
значения критерия Рейнольдса по одной из следующих формул:
3-103^ Re<5-lO Л = 0,3164/Re0,26 (2.13а)
5-104 <: Re 3- Ю6 Л = 0,0052 + 0,5/Re0,32 (2.136)
Статический напор транспортирующего потока находят по
весу потока в трубе:
ДР2 = 7оР(1-о) (2.14)
Потери напора на преодоление веса транспортируемого ма-
териала определяются выражением
ДРз = а(Т— ТоН- (2-15)
где у и То— соответственно удельный вес материала гранул и транспортирую-
щего воздуха.
Потери напора на трение о стенки трубопровода материала,
.движущегося в нем со скоростью и, рассчитываются по формуле
ДР4 = V (и2/2) (L/D) ро (2.16)
Значение коэффициента сопротивления К* определяют по
формуле
X* = 4,25 (D/d)°.5/Fr°i75 (2.17)
здесь d — диаметр частицы; Fr — критерий Фруда, рассчитываемый по форму-
ле Ft=u2/(gd), где g— ускорение свободного падения.
Потери напора, связанные с затратами энергии на изменение
скорости частиц на разгонном и тормозном участках, определя-
ют из выражения
ДР6 = ОтДщР (2.18)
где Ди — изменение скорости частиц; F — площадь поперечного сечения тру-
бопровода.
Рассчитаем потери напора в трубопроводе диаметром 0,15 м с вертикаль-
ным участком длиной Д = 10 м. Остальные параметры задачи такие же, как
и в предыдущем примере.
Значение Re при ц = 25 м/с равно
Re = 25-0,15/(15,06-10-6) = 2,5-105
По формуле (2.136) находим
Х= 5,2-10-3-р0,5/(2,5-10б)о,32= 14,7-10-®
Из формул (2.12), (2.14) и (2.15) получаем
hPl= 1,47-10-2 (10/0,15) (1,21-252/2)= 371 (Па) «0,37 (кПа)
ДР2= 1,21-9,81-10(1 —0,37) = 75 (Па) «0,08 (кПа)
ДР3 = 0,19 (920— 1,21) 10-9,81 = 17 125 (Па) « 17,1 (кПа)
Потери напора на трение из (2.16) и (2.17):
V = 4,25 (150/4)0,5/(1,39 - 1О»)о,те = 8,8- щ-2
ДР4 = 7,8-10-2 (8,8'2/2) (10/0,15) 920-0,19 = 11 003 (Па) «11 (кПа)
Потери напора на разгонном участке:
ДР6 = 27,3-8,8/(176-10-4) = 1,36-Ю4 (Па)=13,6 (кПа)
Таким образом, суммарные потери напора на вертикальном участке пнев-
мопровода равны
ДР = 0,37 + 0,08 + 17,1 + 11 + 13,6 = 42,2 (кПа)
Потери напора на горизонтальном участке трубопровода оп-
ределяют из эмпирического выражения
ЬРГ = APj (1 + K'm) (2.19)
здесь К' — эмпирический коэффициент, учитывающий дополнительные потери
энергии от соударения частиц со стенками трубопровода; т — коэффициент
взвеси [см. формулу (2.6)].
Коэффициент К' находят из эмпирического выражения:
. К' = 1,9 (D/d)1,2® 10-2 ReBo,e2 pe-o,65 (2.20)
где ReB— число Рейнольдса, рассчитанное для скорости витания; Re — число
Рейнольдса, рассчитанное для газового потока со скоростью о.
Принимая длину горизонтального участка равной 50 м, рассчитаем потери
напора при условиях предыдущего примера;
ReB = 2,51-103; Re=2,5-105; ДР1= 1850 Па;
К' = 1,9 (0,15/0,004)1>23 10-2 (2,51 • Ю3)3,»2 (2,5- 105)-о,м = 0,7
т = (0,19-920)/(1,21-2,83) = 51
ДРГ= 1850(1 4-51-0,7) = 66 600 (Па)=66,6 (кПа)
Суммируя потери напора на горизонтальном и вертикальном участках,
найдем, что общие потери давления в трубопроводе составят 108,8 кПа.
Следовательно, для транспортировки материала должен использоваться
воздух от компрессора с избыточным давлением не менее 0,15 МПа.
2.3. ПИТАТЕЛИ И ДОЗАТОРЫ ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Механизмы для дозирования сыпучих материалов подразделя-
ются на дозаторы для крупнокусковых, крупно- и мелкозерни-
стых, а также порошкообразных материалов. По характеру дей-
ствия дозаторы подразделяют на устройства непрерывного дей-
ствия (поточные) и циклического действия (порционные). Ре-
гулирование производительности дозаторов может осуществлять-
ся изменением объема дозатора, изменением скорости или сече-
ния потока подаваемого материала, причем регулирование мо-
жет быть как дистанционным, централизованным, так и с индиви-
дуального пульта управления вручную.
Дозаторы непрерывного действия состоят из механизмов,
обеспечивающих перемещение материала; первичных датчиков,
контролирующих расход и преобразующих измеряемую величи-
ну в управляющий сигнал; аппаратуры, выдающей закон управ-
ления; исполнительных механизмов; контрольно-измерительных
и регистрирующих приборов, а также вспомогательных конст-
руктивных элементов.
По принципу дозирования различают объемные и весовые до-
заторы. Выбор конструкции дозатора для конкретного техноло-
гического процесса определяется физическими свойствами дози-
руемого материала, производительностью процесса и требова-
ниями к точности дозирования. Из физических свойств дозируе-
мого материала наибольшее значение имеют: плотность, одно-
родность гранулометрического состава, склонность к слежива-
нию и уплотнению.
Рис. 2.5. Секторный дозатор. Пояснения в тексте.
Рис. 2.6. Лотковый дозатор. Пояснения в тексте.
По конструкции дозаторы непрерывного действия подразде-
ляют на секторные, лотковые, тарельчатые, ленточные, вибра-
ционные и червячные. Наиболее широкое распространение в
подготовительных производствах нашли секторные (объемные)
дозаторы. К их преимуществам следует отнести низкую стои-
мость и простоту в эксплуатации. Основным их недостатком по
сравнению с весовыми дозаторами является меньшая точность
дозирования.
Секторные дозаторы применяют для дозирования гра-
нулированных и сыпучих порошкообразных и кусковых мате-
риалов с размером частиц до 30 мм. Секторный дозатор
(рис. 2.5) состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором рас-
положен секционированный ротор 2, имеющий регулируемый
электрический привод. Дозируемый материал под действием
своего веса ссыпается через патрубок 4 из бункера и поочередно
заполняет секции ротора. При вращении ротора секции, оказы-
вающиеся над разгрузочным патрубком 3, выгружаются, и ма-
териал поступает в приемник. Отверстие А, соединяющее внут-
реннюю полость ротора с атмосферой, служит для сброса избы-
точного давления.
Шибер 6, приводимый в действие пневмоцилиндром 5, слу-
жит для перекрытия доступа материала к дозатору при его ре-
визии или ремонте.
Часовая объемная производительность секторного дозато-
ра Q (м3/ч) определяется по формуле
Q=60wZW (2.21)
где w — объем одной секции (отсека), м3; i — число секций; N — частота вра-
щения, об/мин; Ч*1 — коэффициент заполнения (Чг=0,8-^-0,9).
Лотковый дозатор (рис. 2.6) состоит из лотка (или
трубы) 1, закрепленного непосредственно на вибраторе 2. До-
зируемый материал поступает на лоток через патрубок 3; в нем
расположена заслонка 4, меняя положение которой, можно регу-
лировать толщину слоя подаваемого материала. Вибратор при-
водит лоток в колебательное движение, направление которого
составляет угол р с направлением движения материала. Частоту
колебаний выбирают таким образом, чтобы вся система работа-
ла в зарезонансном режиме. Привод дозатора может быть меха-
ническим, пневматическим, электромагнитным или магнито-
стрикционным.
Часовая объемная производительность лоткового дозато-
ра Q (м3/ч) определяется по формуле
Q = 3,6-lO%AcoK (2.22)
где s — площадь сечения лотка, м2; А — амплитуда колебаний вибратора, м;
со — частота колебаний вибратора, с-1, Д—коэффициент заполнения лотка
(Л=0,6-^0,8; меньшее значение соответствует порошкам, большее — гранули-
рованным полимерам).
Производительность лотковых дозаторов регулируют, изме-
няя толщину слоя, амплитуду и частоту колебаний. Поскольку
массовая производительность в значительной степени зависит
от сыпучести и насыпной плотности материала, изменяющихся
на практике в довольно широких пределах, лотковые дозаторы
обычно используют в тех случаях, когда к точности и воспроиз-
водимости дозы не предъявляют особенно высоких требований
(транспортирование материалов из расходных емкостей, питание
весовых дозаторов, просеивание, промывка и сушка изделий).
К преимуществам лотковых дозаторов относятся малая инер-
ционность, простота чистки, малое загрязнение дозируемого ма-
териала и большой диапазон производительности (от нескольких
килограммов до нескольких сотен тонн в час). Недостатки состо-
ят в невозможности транспортирования липких материалов,
в значительных пульсациях и высоком уровне шума.
Червячные дозаторы применяют для транспортирования
и дозирования мелкозернистых, гранулированных и порошкооб-
разных материалов, склонных к сводообразованию. По числу
червяков различают одно- и двухчервячные дозаторы, причем
последние применяют для дозирования материалов, склонных к
налипанию на нарезку червяков, поскольку в двухчервячных до-
заторах осуществляется взаимная самоочистка находящихся в
зацеплении червяков.
Одночервячный дозатор (рис. 2.7) состоит из корпуса 7,
внутри которого на опорах 2 установлен червяк 1. Дозируемый
материал поступает к червяку через загрузочный патрубок 4 и
выгружается через разгрузочный патрубок 6. Для предотвраще-
ния попадания транспортируемого материала в подшипники
червяка на его концах вблизи разгрузочного и загрузочного пат-
рубков располагают отбойную нарезку 3 и 5 длиной 1—1,5 вит-
ка. Червяки одночервячных дозаторов могут иметь как сплош-
ную, так и прерывистую нарезку. Шаг винтовой нарезки обычно
составляет 0,8—1,5 диаметра червяка.
Объемную производительность одночервячного дозатора Q
можно рассчитать по формуле
Q = 0,79(£>2 — d2)(t — е) W (2.23)
где D — наружный диаметр червяка; d — диаметр сердечника; t — шаг нарез-
ки; е — осевая толщина нарезки; V=0,24-0,33 — коэффициент заполнения ка-
нала червяка; N — частота вращения.
Для точного дозирования сыпучих материалов применяют
весовые дозаторы, которые могут быть непрерывного или перио-
дического действия. Конструктивно весовые дозаторы могут из-
готавливаться ленточного, червячного или роторного типа. Про-
изводительность таких дозаторов контролируют взвешиванием
материала, находящегося в бункере или на подающем механиз-
ме дозатора. Наиболее распространены весовые дозаторы непре-
рывного действия с ленточными питателями производитель-
ностью от 0,5 до 20 000 кг/ч. Точность дозирования составляет
от 0,5 до 4% часовой производительности. Управление дозатора-
ми может осуществляться как с дистанционных пультов, так иг
вручную.
ГЛАВА 3
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
3.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
В технологии переработки пластмасс к процессам измельчения
прибегают в двух случаях:
а) измельчение полимерных материалов для их использова-
ния в специальных технологических процессах (напыление, на-
несение покрытий) или для их повторного использования (дроб-
ление отходов);
б) измельчение исходных компонентов композиционных ма-
териалов (наполнители, красители, твердые реагенты и др-)-
Хрупкие материалы можно измельчать раздавливанием, уда-
ром или срезом. Пластичные и эластичные материалы лучше из-
мельчаются срезом и истиранием. В большинстве видов обору-
дования для измельчения эти процессы накладываются друг на
Друга.
Выбирая метод измельчения, необходимо руководствоваться
величиной разрушающего напряжения при сжатии; по этому по-
казателю все измельчаемые материалы делятся на три класса:
с низкой (до 10 МПа), средней (от 10 до 50 МПа) и высокой
(свыше 50 МПа) механической прочностью. Хрупкий или плас-
тический характер разрушения материала определяет выбор
метода измельчения: удар или срез.
В зависимости от размеров частиц исходного материала и
готового продукта процессы измельчения подразделяются на
пять групп:
Измельчение Исходные размеры частиц (кусков), мм Конечные размеры частиц (кусков), мм
Крупное 150—1500 25—250
Среднее . 25—160 5—20
Мелкое 5—25 1-5
Тонкое 1—5 0,05—1
Коллоидное 0,1—0,2 10-4
В технологии переработки пластмасс встречаются все пере-
численные группы. Крупное измельчение, как правило, связано с
дроблением крупногабаритных отходов производства изделий
методом термоформования, коллоидное — с получением порош-
кообразных полимеров, а также с подготовкой пигментов и кра-
сителей.
3.2. НОЖЕВЫЕ ДРОБИЛКИ
В современных подготовительных производствах наиболее ши-
роко используют режущие устройства с вращательным движе-
нием режущих элементов — ножевые дробилки, которые исполь-
зуют для резки заготовок полимерного материала, армирующих
наполнителей и' различных отходов.
В существующих дробилках применяют ряд различных спо-
собов резки, им соответствуют различные конструкции режущих
органов и форма частиц получаемого материала. Так, возможна
резка полос заданной ширины, при которой получают частицы
кубической формы (или в виде удлиненных параллелепипедов).
Размер частиц можно регулировать, изменяя число установлен-
ных на роторе ножей, скорость вращения ротора и скорость по-
дачи материала. Применяется также резка на частицы непра-
вильной формы.
Процесс резки можно начинать в одной точке, а затем рас-
пространять разрез на всю ширину полосы или выполнять резку
сразу по всему фронту. В последнем случае приходится увели-
чивать мощность привода и чаще заменять ножи из-за более
интенсивного их износа. Первый способ создает более мягкие
условия работы, позволяя снизить мощность привода, уменьшить
шум и количество пылевидных отходов.
Типичная ножевая дробилка («дайсер») для получения гра-
нул кубической формы из листовых материалов (рис. 3.1) со-
стоит из продольно-резательного устройства с дисковыми ножа-
ми 1 и 4, ножевого барабана 9, установленного в кожухе 8 на
Рис. 3.1. Дробилка с дисковыми ножами и режущим ротором («дайсср»).
Пояснения в тексте.
приводном валу 10. Подлежащий измельчению лист 2 проходит
через направляющие 5 и поступает в продольно-резательное уст-
ройство, циркулярные ножи которого 1 и 4 режут лист в про-
дольном направлении на полосы постоянной ширины. Верхний
нож 4 укреплен на поджимаемой пружиной 5 подвижной опоре.
Далее полосы поступают на тянущие ролики 6 и 14, которые
продвигают их к неподвижному ножу 13. Ролик 6 поджимается
пружиной 7. Попадая на него, полосы разрезаются в поперечном
направлении вращающимися ножами 11 барабана 9. Измельчен-
ный материал выводится из дробилки через разгрузочную во-
ронку 12.
Дайсеры способны измельчать листы толщиной до 3 и шири-
ной от 60 до 500 мм. Размер гранул по ширине и длине может
составлять от 2 до 25 мм. При производительности от 40 ДО'
7500 кг/ч мощность привода равна от 3 до 125 кВт.
Для измельчения отходов, образующихся в процессах пере-
работки пластмасс (литники, облой, отходы пленки, бракован-
ные изделия), выпускаются специализированные ножевые дро-
билки. Производительность их составляет от 20 до 2000 кг/ч при
мощности привода от 0,8 до 180 кВт. Измельчаемый материал
загружается через бункер в корпус дробилки и находится в нем
до тех пор, пока ножи не измельчат его до частиц нужного раз-
мера.
Форма и размер загрузочного бункера определяются харак-
тером и размерами подлежащего измельчению материала. Обыч-
но загрузку производят сверху, в редких случаях — по касатель-
ной к окружности вращения ножей. Питание дробилки может
осуществляться вручную или автоматически. Из механических
устройств применяют червячные и роликовые питатели, механи-
ческие конвейеры и пневмотранспорт. Площадь загрузочного от-
верстия определяется размерами подлежащих измельчению от-
ходов, достигая у отдельных дробилок 1,5 м2. Объем приемного
бункера выбирают обычно достаточно большим с тем, чтобы при
периодической загрузке обеспечить непрерывную работу дро-
билки.
Для измельчения отходов трубных производств используют
наклонные бункера — желоба, рассчитанные на прием длинных
кусков бракованных труб. Для уменьшения выброса измельчае-
мого материала из загрузочного бункера (особенно при измель-
чении пенополистирола и отходов производства полых изделий,
получаемых методом раздува) применяют упругие шторки или
металлические дверцы. Качество измельчения и потребляемая
мощность сильно зависят от конструкции ротора и подвижных
ножей. Как правило, привод ротора осуществляется посредством
клиноременной передачи. Частота вращения вала ротора обыч-
но составляет от 315 до 3000 об/мин (наиболее распространен-
ные значения — 600—800 об/мин).
Конструкция применяемого ротора зависит от условий рабо-
ты. При измельчении отходов пленки, полых изделий (тонкие
материалы, легкие условия) применяют сварные и сборные ро-
торы, представляющие собой рамы с закрепленными на них но-
жами. В дробилках, предназначенных для измельчения крупных
отходов, ротор одновременно играет роль маховика. Поэтому
его выполняют в виде сплошного цилиндра. Для особо тяжелых
условий работы при измельчении плотных массивных отходов в
качестве роторов применяют специальные фрезы.
Число ножей, их расположение и форму выбирают таким об-
разом, чтобы в каждый момент времени в разрезании контакти-
рующего с неподвижным ножом материала участвовал только
один подвижный нож. При измельчении мягких и пластичных
материалов ножи устанавливают таким образом, чтобы разру-
шение происходило за счет среза. При измельчении хрупких
материалов предпочтительно разрушение от ударного воздей-
ствия. Конструкция крепления ножей к барабану должна обес-
печивать передачу динамических нагрузок от резания непосред-
ственно на тело ротора, а не на устройство крепления ножей.
Число подвижных ножей обычно составляет от двух до четы-
рех. Однако известны конструкции с 27 подвижными ножами.
Число неподвижных ножей обычно равно двум, хотя известны
конструкции с 12 неподвижными ножами. Профиль ножей зави-
сит от свойств измельчаемого материала. Учитывая быстрый из-
нос рабочих кромок, ножи изготавливают с несколькими режу-
щими кромками (до четырех) и переставляют по мере износа.
Измельченный материал выгружается из камеры дробилки
через металлическую сетку, расположенную в нижней части ка-
меры. Площадь сетки составляет от 36 до 60% всей цилиндриче-
ской поверхности камеры. Размеры ячеек в сетке рассчитаны на
Рис. 3.2. Ножевая дробилка с червячным питателем. Пояснения в тексте.
Рис. 3.3. Молотковая дробилка. Пояснения в тексте.
прохождение через них частиц диаметром от 1 до 15 мм (в за-
висимости от размеров дробилки).
Конструкция дробилок, предназначенных для измельчения
крупногабаритных отходов (например, от изделий, получаемых
при пневмовакуум-формовании), отличается большой длиной
роторов (L/D = 5), в то время как у дробилок общего назначения
отношение L/D лежит в интервале 0,5—2. При измельчении пе-
нопластов для сохранения их ячеистой структуры применяют но-
жи со спиральными лезвиями.
К дополнительным устройствам, устанавливаемым на ноже-
вых дробилках, относятся магнитные ловушки, приспособления
для снятия статического электричества и системы электромеха-
нической блокировки, исключающей возможность доступа опе-
ратора к вращающемуся ножевому ротору. В больших дробил-
ках камера закрывается при помощи гидроцилиндров. Для от-
вода избыточного тепла ротор и камера имеют системы водяно-
го охлаждения.
Схема типичной ножевой дробилки с червячным питателем
представлена на рис. 3.2. Измельчаемый материал загружается
в бункер 1, из которого он захватывается червяком 2, располо-
женным в корпусе 3, и подается в цилиндрический корпус 4,
где установлен ножевой ротор 5. Поступивший в корпус мате-
риал захватывается ножевым ротором и, попадая в пространст-
во между неподвижными ножами 6 и подвижными ножами 7,
измельчается. Куски материала, отрубленные ножами, отбрасы-
ваются на сито 8, установленное в нижней части корпуса 4. Ес-
ли их размер меньше размера ячеек сита, то они проваливаются
через ячейки в разгрузочный патрубок 9, через который дробле-
ный материал попадает в приемную емкость или с помощью
пневмотранспорта подается на повторную переработку.
Значительным недостатком ротационных дробилок является
высокий уровень шума, достигающий 115 дБ. Основные источни-
ки шума — соударение частиц измельчаемого материала с кор-
пусом, ножами и между собой, а также наличие турбулентных
воздушных потоков. Для уменьшения уровня шума используют
звукоизоляцию бункера и загрузочного отверстия, что позволяет
снизить уровень шума до 90—95 дБ. Применение массивных
корпусов и пониженных частот вращения роторов снижает уро-
вень шума еще на 10—15 дБ. Для уменьшения воздействия
шума на обслуживающий персонал ножевые дробилки устанав-
ливают на звукопоглощающих фундаментах в отдельных поме-
щениях.
3.3. МОЛОТКОВЫЕ И РОТОРНЫЕ ДРОБИЛКИ
Молотковые и роторные дробилки применяют для измельчения
как мягких, так и твердых материалов за счет энергии удара
шарнирно подвешенными на вращающемся роторе молотками
(молотковые дробилки) или жестко закрепленными билами (ро-
торные дробилки). Типичная молотковая дробилка (рис. 3.3)
состоит из корпуса 3, внутри которого установлен ротор 4 с
шарнирно подвешенными молотками 5. Через загрузочную во-
ронку-патрубок 1 в корпус дробилки загружается материал, ко-
торый измельчается от удара молотками 5 и удара летящих
частиц материала об отбойные плиты 2. Частицы измельченно-
го материала, отбрасываемые на колосниковую решетку 6, либо
проваливаются через отверстия в ней, либо (если их размер
слишком велик) вновь подхватываются молотками ротора, и
измельчение продолжается.
Корпус дробилок обычно делают сварным с внутренней фу-
теровкой из износостойкого материала. Из такого же материала
изготавливают и отбойные плиты, которые устанавливают на
шарнирах, позволяющих регулировать положение плит относи-
тельно траектории движения измельченного материала.
Ротор изготавливают сборным из отдельных дисков, между
которыми на осях в шахматном порядке устанавливают молотки.
В каждом ряду располагается от 4 до 8 молотков. В дробилках
с вертикальной загрузкой диаметр окружности D, описываемой
концами вращающихся молотков, определяется из выражения
О = 550+ 3d (3.1)
где d — наибольший размер кусков измельчаемого материала, мм.
Длина ротора составляет от 0,8 до l,2D. Частота вращения
N=300=4000 об/мин. Масса отдельного молотка может быть от
3 до 130 кг. Их обычно изготавливают из марганцовистых сталей
или из обычных углеродистых сталей с покрытием из твердого
сплава. Решетка может занимать от 80 до 180° окружности ро-
тора. Для компенсации износа молотков можно перемещать ре-
шетку, поддерживая постоянный зазор между ней и молотками.
Часть измельченного материала вращается по инерции вме-
сте с ротором и измельчается в основном за счет истирания,
Рис. 3.5. Струйная мельница с горизонтальной размольной камерой. Поясне-
ния в тексте.
причем более мелкие частицы располагаются ближе к оси вра-
щения. В результате мелкие частицы, скапливаясь на решетке,
затрудняют выгрузку измельченного материала и вызывают его
чрезмерное измельчение. Чтобы предотвратить забивание от-
верстий решетки, применяют сита с максимальным размером
отверстий и увеличивают зазор между молотками и внутренней
поверхностью камеры.
При тонком и сверхтонком измельчении лимитирующим фак-
тором оказывается вязкость воздуха, ограничивающая скорость
и длину пробега частиц. Для увеличения скорости частиц запол-
няют камеру дробилки низковязким газом (пропаном, бутаном,
водородом) или применяют повышенные частоты вращения ро-
тора. Экспериментально установлено, что для измельчения до
размера частиц 1; 0,1; 0,005 и 0,001 мм окружные скорости вра-
щения ротора должны быть соответственно равны 15:—40, 40—
80, 80—150 и 150—200 м/с.
Производительность молотковой дробилки Q (м3/ч) рассчи-
тывается по эмпирической формуле
Q = IOODPL<W (3.2)
где D и L — соответственно диаметр и длина ротора, м; если D>L, то р=2,
а 9=1; если D<L, то р=1, а 9=2.
' Мощность привода W (кВт) определяют по формуле
И7=0,125О£ДГ (3.3)
Конструктивно роторные дробилки (рис. 3.4) аналогичны мо-
лотковым и состоят из корпуса 1, внутри которого установлены
подпружиненные отбойные плиты 2 и колосниковая решетка 5.
Внутри корпуса вращается ротор 3 с установленными на нем
билами 4. Механизм дробления аналогичен процессу измельче-
ния в молотковых дробилках. Окружная скорость ротора со-
ставляет около 60 м/с. Это позволяет измельчать материалы,
у которых разрушающее напряжение при сжатии достигает
150 МПа.
В подготовительных производствах используют дробилки
среднего и крупного дробления с диаметром роторов от 500 до
1000 мм, которые предназначены для измельчения материала с
первоначальным размером кусков 0,1-—0,20 (среднее дробле-
ние) и до 0,10 (мелкое дробление). Роторные дробилки приме-
няют для измельчения высокопрочных материалов малой перед-
ней абразивности, причем в некоторых конструкциях возможно
одновременное отделение пылевидных частиц, подсушивание и
фракционирование полученного измельченного материала.
3.4. СТРУЙНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ
Измельчение частиц материала в струйных мельницах происхо-
дит при их движении в высокоскоростном газовом потоке внут-
ри рабочей камеры за счет истирания частиц при их соударени-
ях друг с другом и со стенками камеры. Такое оборудование
используют для измельчения полимеров, красителей и пигмен-
тов до частиц размером в несколько микрометров. Предвари-
тельно материал измельчается до размера частиц 0,1—0,5 мм на
каком-либо другом оборудовании.
Струйные мельницы по конструктивным признакам подраз-
деляют на мельницы с горизонтальной и вертикальной размоль-
ной камерой. В мельнице с горизонтальной камерой
(рис. 3.5) предварительно измельченный материал подается в
камеру 1 через штуцер 2 и расположенные по периферии каме-
ры окна, так что направление его движения оказывается тан-
генциальным к внутренней поверхности камеры. Одновременна
в камеру через штуцер 6, распределительное кольцо 7 и соп-
ла 8 поступает под давлением газ или водяной пар. Сопла в каме-
ре установлены таким образом, что струи поступающего через
них газа подхватывают измельчаемый материал и вовлекают
его в круговое движение по концентрическим траекториям со
скоростью 150—200 м/с. Измельчение происходит за счет соуда-
рения частиц, двигающихся с различными скоростями в цент-
ральном (большая скорость) и пристенном (меньшая скорость)
слоях.
Частицы большого размера центробежной силой отбрасыва-
ются к периферии, где они подвергаются дальнейшему измель-
чению. Частицы меньших размеров увлекаются газовым пото-
ком к центру камеры и после прохождения сепаратора 3, в ко-
тором отделяются более крупные частицы, через выводной пат-
рубок 5 подаются на отделение тонкой фракции в мокром ме-
шочном фильтре или водяном скруббере. Отсеявшиеся более
крупные частицы поступают в сборник 4.
Диаметр камеры измельчения 1 может составлять от 50 до
1000 мм.
В качестве рабочего газа чаще всего используют сжатый воз-
дух при давлении до 0,75 МПа и температуре от 50 до 500 °C.
Расход сжатого воздуха при давлении 0,7 МПа на 1 кг готового
продукта составляет 4—12 м3. Обычно размер частиц измельчен-
ного продукта не превышает 0,02 мм.
Производительность струйных мельниц с горизонтальной ка-
мерой составляет от 0,25 (для лабораторных мельниц) до
3000 кг/ч. Качество измельчения, его однородность и производи-
тельность мельницы определяются давлением и температурой
газа.
ГЛАВА 4
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СМЕШЕНИЯ
Смешение широко применяют в различных отраслях промыш-
ленности, в том числе в производстве и при переработке пласт-
масс. Известно, что в подавляющем большинстве случаев чистый
полимер не обладает нужным комплексом свойств и не может
использоваться для изготовления изделий. Поэтому смешение
применяют для введения в базовый полимер пластификаторов,
наполнителей, стабилизаторов, красителей, пигментов, противо-
старителей, структурообразователей и других добавок.
Процесс смешения можно осуществлять в системах твердое
сыпучее вещество — твердое сыпучее вещество, жидкость — жид-
кость, твердое сыпучее вещество — жидкость.
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСИТЕЛЕЙ ДЛЯ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Применяемые в настоящее время в промышленности смесители
для пластмасс можно классифицировать следующим образом:
1) по физическому состоянию исходных компонентов — смесите-
ли для сыпучих материалов (без изменения физического состоя-
ния), низковязких и высоковязких жидкостей, вязкоэластичных
жидкостей (с изменением в процессе смешения агрегатного со-
стояния смеси); 2) по характеру процесса смешения — смесите-
ли периодического и непрерывного действия; 3) по механизму
процесса смешения — смесители конвективного, диффузионного
и конвективно-диффузионного смешения; 4) по режиму процес-
са смешения — смесители турбулентного и ламинарного смеше-
ния; 5) по способу воздействия на смесь — смесители гравита-
ционные, центробежные, сдвиговые; 6) по конструктивному
признаку-- смесители барабанные (без перемешивающих и с
перемешивающими устройствами), с быстроходными, тихоход-
ными, планетарными, овальными, Z-образными, червячными ро-
торами, дисковые и т. д.
На практике при классификации смесителей определяющим
обычно является признак физического состояния и конструктив-
ный, хотя в ряде случаев, как это будет показано ниже, могут
использоваться любые из перечисленных выше признаков.
4.2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СМЕШЕНИЯ
Смешение — это физический процесс, целью которого является
получение однородной смеси, состоящей из двух и более компо-
нентов. При этом начальное состояние системы характеризует-
ся упорядоченным распределением компонентов, а конечное —
неупорядоченным, статистически случайным распределением
компонентов.
Для реализации процесса смешения смеситель должен обес-
печить проведение по меньшей мере двух процессов: измельче-
ния (диспергирования) одного из компонентов (например, при
получении дисперсий несмешивающихся жидкостей), в некото-
рых случаях сопровождающегося изменением физического со-
стояния компонентов (растворением, плавлением, поглощени-
ем); статистически случайного распределения ингредиентов по
всему объему смеси.
В состав любой смеси обычно входят два или более компо-
нентов. Компонент смеси, концентрация которого выше всех
остальных, называется дисперсионной средой (ДС). Компонен-
ты смеси, распределяемые в дисперсионной среде, называют
диспергируемой фазой (ДФ). В многокомпонентных системах
смешение рассматривается как процесс последовательного сме-
шения каждого компонента по очереди с ранее приготовленной
смесью, играющей роль дисперсионной среды.
Для статистической оценки качества процесса смешения не-
обходимо ввести понятия «размер предельной частицы» и «раз-
мер пробы».
Предельная частица — это наименьшая по размеру части-
ца ДФ, получающаяся в процессе смешения. Предельные части-
цы могут быть молекулярных, коллоидных, микроскопических и
макроскопических размеров. В истинных растворах предельны-
ми частицами являются молекулы ДФ. Наибольших размеров
предельные частицы достигают при сухом смешении порошков
или гранул полимеров.
Размер пробы обычно определяется размером предельной
частицы. Если размер пробы соизмерим с размером предельной
частицы, то в отобранной пробе окажется сравнительно мало
таких частиц, и по внешнему виду рассматриваемая смесь мо-
жет быть отнесена к крупнозернистым смесям. Если размер’
пробы много больше размера предельной частицы, то экспери-
ментатору будет казаться, что в пробе содержится много таких
частиц, и рассматриваемая смесь будет отнесена к мелкозернис-
тым смесям.
Для статистического описания смеси используют два стати-
стически определяемых показателя: степень неоднородности (го-
могенность смеси) и степень измельчения; первый характеризу-
ет изменение концентрации ДФ в объеме смеси, второй—-измене-
ние размера частиц ДФ.
Гомогенность смеси можно определить, рассматривая содер-
жание ДФ в пробах смеси. Для простоты будем считать, чтоДФ
состоит из частиц одинакового размера, а дисперсионная среда
является жидкостью, состоящей из одинаковых частиц, размер
которых равен размеру частиц ДФ. Такое допущение позволяет
ввести понятие «общее число частиц в пробе», складывающееся
из числа частиц ДФ и числа частиц ДС. Это допущение может
быть также применено при анализе сыпучих смесей, состоящих
из частиц одинаковых размеров. Если в процессе смешения до-
стигается случайное (беспорядочное) распределение частиц ДФ*
по всему объему смеси, то вероятность того, что в любой точке
смеси содержится частица ДФ, определяется долей частиц ДФ
в общем объеме смеси.
4.2.1. Экспериментальная оценка гомогенности смеси
Для статистической оценки качества смеси от нее отбирают ряд
одинаковых проб (не менее десяти), объем которых должен
превышать объем предельной частицы по меньшей мере в
103 раз. Очевидно, что даже в идеальной смеси число частиц ДФ
в разных пробах будет различно.
Статистическая теория смешения предсказывает, что распределение числа
частиц ДФ в отобранных пробах должно подчиняться биномиальному закону:
п\ , ,
= (4 0
где х=Ъ/п — предполагаемое относительное содержание ДФ в пробе (Ь —
предполагаемое число частиц ДФ в пробе, п — общее число предельных частиц
в пробе); q — относительное содержание ДФ в смеси.
Для такой идеальной смеси мерой предельной неоднородности, неизбежно
Даже в идеальной смеси, является генеральная дисперсия (ГД) о2:
о2 = Д1 — q)!n (4.2)
Формула (4 2) позволяет вычислить относительную ГД. Для определения
фактической ГД — Оф2 — необходимо умножить результат на п2 и ?2:
<Тф3 = <?8(1 —?)« (4.2а)
Минимальный размер пробы, которую можно считать пред-
ставительной, должен удовлетворять следующему условию:
«мин >9/[(1-йд] (4.3)
В этом случае биномиальное распределение практически
совпадает с нормальным (гауссовым) распределением, и для
определения его характеристик можно пользоваться обычным
аппаратом математической статистики.
На практике для оценки гомогенности смеси необходимо про-
анализировать отобранные пробы и определить, соответствует
ли распределение концентрации ДФ в пробах закону биноми-
ального распределения.
Существует много способов определения качества смешения.
Наиболее рациональны те из них, которые основаны на сопо-
ставлении ГД и экспериментальной дисперсии (ЭД) дисперги-
руемой фазы. Для этого данные, полученные при анализе отоб-
ранных проб, используют для определения средней концентра-
ции х и экспериментальной дисперсии ДФ s2 в пробах:
N
1 N
x=~N^xi
(4.4a)
(4.4)
где N — число параллельных проб; х,— концентрация ДФ в i-й пробе.
При этом величина х не должна сильно отличаться от q—•
относительной концентрации ДФ в смеси. Если х сильно отлича-
ется от q, то выбранное число проб явно недостаточно для оцен-
ки качества смеси.
Рис. 4.1. Модельные смеси с разной степенью однородности. Пояснения
в тексте.
Наиболее распространенный критерий смешения — это ин-
декс смешения Ц:
I1 = &/s* (4.5)
Индекс смешения изменяется в интервале от 0 до 1. Значе-
ние 71 = 0 соответствует совершенно несмешанной системе. При
/! = 1 система обладает свойствами идеальной смеси. Иногда
применяется в качестве критерия однородности критерий Лейси:
72 = (oo2-sWo2—о2) (4.6)
где Ooz=?(l—Я)—дисперсия исходной системы, вычисленная в предложении
п= 1.
Значение /2 также изменяется от 0 (совершенно несмешан-
ная система) до 1 (идеальная смесь).
Для оценки качества смеси можно также использовать ко-
эффициент вариации v (%):
u = (s/x)-100 (4.7)
У хороших смесей значение коэффициента вариации состав-
ляет доли процента.
4.2.2. Чувствительность критерия
Для оценки чувствительности различных критериев сопоставим
характеристики модельных смесей и значения соответствующих
критериев.
Пример модельных смесей приведен на рис. 4.1. Каждая
смесь была получена заполнением 600 клеток в решетке, состоя-
щей из 5000 клеток (следовательно, при общем числе предель-
ных частиц в смеси, равном 5000, <7 = 0,12). На рис. 4.1,а пред-
ставлена исходная система. В ней все 600 черных частиц объ-
единены в один агрегат На рис. 4.1, г изображена модель иде-
альной смеси, в которой выбор координат каждой из 600 черных
частиц производился по таблице случайных чисел. Плотность
распределения черных частиц в смесях бив больше в левой
части рисунка.
Для статистической оценки каждой модельной системы в ка-
честве проб отбиралось 100 частиц, расположенных вокруг точ-
ки отбора, координаты которой определялись по таблице слу-
чайных чисел. В каждой модельной смеси отбиралось по 20 проб,
после чего подсчитывалось число черных частиц. Полученные
статистические характеристики модельных смесей приведены
ниже («7=0,12; п=100; о2 = 1,06-10-3; 7V=20):
Характери- стики смесей Смесь а Смесь б Смесь в ’ Смесь
S2-10’ 1050 125 21,3 10,9
7> 1,01-10-2 8,5-10-2 0,5 0,975
72 0 0,85 0,99 1,0
% 88 10,4 1,7 0,9
'Образом невелико различие в
для смесей виг.
Рис. 4.2. Схемы барабанных смесите-
лей.
Пояснения в тексте.
Сравнение полученных зна-
чений с характеристиками би-
номиального распределения
показывает, что смесь г удов-
летворяет условию случайного
распределения. Смеси а, б, в
далеки от идеальной. Принято
считать, что для идеальной
смеси значение критерия Ц
должно быть больше 0,95. Вид-
но, что критерий 12 не отража-
ет разницу между смесями в
и г (значения критерия 1\ для
этих смесей различаются при-
мерно в 2 раза). Аналогичным
чениях коэффициента вариации
Очевидный вывод, вытекающий из сопоставления приведен-
ных данных: наибольшей чувствительностью обладает крите-
рий /ь
4.3. СМЕСИТЕЛИ ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Смесители для сыпучих материалов в большинстве случаев от-
носятся к категории смесителей периодического действия. Это
значит, что все подлежащие смешению ингредиенты одновре-
менно или в заданной последовательности вводятся внутрь ра-
бочей камеры смесителя. Процесс смешения продолжается до
тех пор, пока не будет получена смесь с заданной степенью го-
могенности.
4.3.1. Барабанные смесители с вращающимся корпусом
Наиболее простой и распространенный вид смесителей для сме-
шения порошкообразных пластмасс — это барабанные смесите-
ли. Основные типы барабанных смесителей для сыпучих мате-
риалов приведены на рис. 4.2. Простейший по конструкции сме-
ситель (рис. 4.2, а) представляет собой горизонтально располо-
женный цилиндрический барабан с цапфами на торцах. При
вращении барабана находящийся в нем сыпучий материал пере-
сыпается и благодаря относительному смещению слоев переме-
шивается в вертикальной плоскости. Для осуществления про-
дольного (вдоль образующей барабана) смещения материала
ось вращения располагают наклонно к образующей барабана
(рис. 4.2, б) или перпендикулярно образующей барабана
(рис. 4.2, в), применяют V-образные барабаны (рис. 4.2,г), ка-
чающиеся с комбинированным вращением (рис. 4,2, д), кониче-
ские (рис. 4.2, е) и граненые (рис. 4-.2,яс).
Смешение в барабанном смесителе состоит из следующих
элементарных процессов: 1) перемещение слоев материала при
увеличении наклона его свободной поверхности до значения,
превышающего угол естественного откоса; при этом слои мате-
риала скользят друг по другу, рассыпаясь на отдельные части-
цы, которые внедряются в соседние слои (конвективное смеше-
ние); 2) постепенное проникновение частиц различных компо-
нентов через вновь образующиеся границы раздела (диффузи-
онное смешение); 3) скапливание и агломерация частиц одина-
ковых массы и состава в отдельных частях камеры смесителя
(процесс агрегации).
При смешении сыпучих материалов в барабане смесителя
одновременно протекают все указанные элементарные процессы.
Однако степень их влияния в различные периоды смешения не-
одинакова.
В начальный период смешения гомогенность смеси изменя-
ется в основном за счет конвективного перераспределения ком-
понентов. Смешение происходит за счет смещения макрообъе-
Мов. Поверхность раздела между разнотипными компонентами
в это время еще мала. Поэтому вклад диффузионного смешения
незначителен. Процесс агрегации еще не начался, так как от-
дельные частицы внутри перемешивающихся макрообъемов
практически не смещаются относительно друг друга.
Весь цикл смешения можно разделить на три стадии,
(рис. 4.3). На первой стадии (участок I) интенсивно развивает-
ся конвективное смешение. Начальная неоднородность смеси
довольно быстро уменьшается. На этой стадии скорость процес-
са почти не зависит от физико-химических свойств компонентов,
так как смешение происходит на уровне макрообъемов. Опреде-
ляющее влияние на скорость
процесса смешения на первой
стадии оказывают траектории
движения материала внутри
смесителя. Вторая стадия (уча-
сток II) наступает после того,
как смешиваемые компоненты
в основном распределены по
объему барабана смесителя.
•На этой стадии влияние кон-
Рис. 4.3. Диаграмма изменения коэф-
фициента вариации v для смеси, по-
лучаемой в смесителе барабанного
типа (t — время смешения). Поясне-
ния в тексте.
•вективного и диффузионного процессов становится соизмери-
мым, так как процесс перераспределения частиц происходит на
уровне отдельных частиц (движение частиц относительно друг
друга). Наконец, на третьей стадии, когда достигнута минималь-
ная степень неоднородности, начинает сказываться процесс аг-
регации (область III, кривые 1 и 2). Если после частичной агре-
гации образовавшиеся агломераты вновь диспергируются, то
степень однородности смеси, оцениваемая коэффициентом ва-
риации, колеблется около некоторого значения (кривая 1). Воз-
можен также вариант (кривая 2), при котором два противопо-
ложных процесса в определенный момент времени уравновеши-
ваются. В обоих, случаях проводить дальнейшее перемешивание
не имеет смысла, так как качество смеси не изменяется.
Барабанные смесители — тихоходные машины, так как ок-
ружная скорость вращения барабана обычно не превышает
0,17—1,0 м/с. При больших окружных скоростях возникающие
центробежные силы оказываются сравнимыми с силами тяже-
сти, и движение материала прекращается.
Частота вращения N (об/мин), обеспечивающая хорошее ка-
чество смешения, может определяться по эмпирической формуле
N = (1500 4- 2000) Vd4//?MaKC (4.8)
где d4 — средний диаметр частиц смешиваемых компонентов, мм; Rмакс рас-
стояние от оси вращения до стенки корпуса смесителя, мм.
Степень заполнения барабана смесителя с цилиндрическим
корпусом должна составлять не менее 30 и не более 70%. При
малой степени заполнения (3—10%) порошкообразный мате-
риал скользит сплошным слоем по внутренней поверхности ба-
рабана.
При горизонтальном расположении оси вращения барабана
в материале не возникает интенсивного продольного перемеши-
вания, хотя в нем наблюдается медленное продольное переме-
щение частиц. Появление некоторого продольного перемещения
связано с тем, что частицы, скользящие в направлении, нор-
мальном к оси вращения барабана, за счет случайных соударе-
ний с другими частицами отклоняются от прямолинейной тра-
ектории в ту или другую сторону. Процесс продольного переме-
щения внешне сходен с процессом молекулярной диффузии в
жидкостях и газах. Однако вследствие гораздо меньших скоро-
стей частиц он протекает очень медленно. Поэтому для увеличе-
ния скорости продольного перемещения в корпусе барабанных
смесителей с горизонтальной осью обычно устанавливают спе-
циальные транспортирующие механизмы (ленточные червяки,
винтовые мешалки и т. п.). Схема типичной конструкции бара-
банного смесителя СЛК-200 (Бердичевский завод «Прогресс»)
с ленточной мешалкой представлена на рис. 4.4.
Стальной цилиндрический барабан 1 опирается на катки 7,
установленные на станине 6. Внутри барабана расположена лен-
точная мешалка 2, состоящая из двух рядов закрученных по
Рис. 4.4. Конструктивная схема барабанного смесителя с ленточной мешалкой.
Пояснения в тексте.
спирали металлических лент. Внешние ленты перемещают мате-
риал от периферии к центру, внутренние — к торцевым стенкам.
Подлежащие смешению ингредиенты загружаются в барабан
через люк А (или Б). Через этот же люк выгружается готовая
смесь. В барабане смесителя имеется технологический люк В,
который можно использовать для введения жидких ингредиен-
тов.
Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 5 че-
рез клиноременную передачу 4 и редуктор 3. Отечественной
промышленностью выпускаются барабанные смесители с лен-
точными мешалками и рабочей емкостью барабана 2 и 6,3 м3.
При проектировании цилиндрических стальных барабанов их
наружные диаметры выбирают из следующего ряда чисел: 400,
500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000,
2200, 2400, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000 мм. Смеси-
тельные барабаны изготавливают из хорошо свариваемой стали
(марки ВСТЗ). Если смешиваемый материал коррозионно-акти-
вен, барабаны изготавливают из двухслойной листовой стали:
основной слой — из стали марок Ст.З или стали 20К и дополни-
тельный слой — из коррозионно-стойкой стали.
Мощность привода цилиндрического горизонтального бара-
банного смесителя W (кВт) рассчитывается по формуле
Г = (0м/102) /?осо sin ср (4.9).
где G„ — масса материала в барабане, кг; Rq— радиус центра тяжести массы
материала, заполняющей барабан, м; со — угловая скорость вращения бараба-
на, с-1; ср-—угол естественного откоса перемешиваемого материала.
4.3.2. Смесители с псевдоожиженным слоем материала
В смесителях с быстровращающимися роторами используется
-эффект псевдоожижения порошкообразных материалов, осно-
ванный на том, что при большой скорости движения частиц ки-
Рис. 4.5. Последовательные стадии механического псевдоожижения. Поясне-
ния в тексте.
•нетическая энергия отдельной частицы оказывается больше ра-
боты, необходимой для преодоления сопротивления сил трения
и сил тяжести. Благодаря этому каждая частица приобретает
высокую подвижность, и движение ансамблей частиц оказыва-
ется подобным движению частиц жидкости. По этому принципу
работают отечественные смесители СС-100, двухстадийный сме-
ситель «УкрНИИпластмаш», смесители зарубежных фирм «Хен-
шель», «Папенмайер», «Ангерт», «Вернер — Пфляйдерер» и др.
При быстром вращении ротора с несколькими лопастями в
массе сыпучего материала последний переходит в псевдоожи-
женное состояние. Можно выделить несколько промежуточных
этапов, которым соответствуют различный характер движения
материала и разные формы его свободной поверхности (рис. 4.5).
При сравнительно малых окружных скоростях ротора (о<
<?1 м/с) материал в камере смесителя начинает уплотняться.
Высота его уровня по сравнению с исходной (/—I) при этом
уменьшается (рис. 4.5,а). При скорости 1—2 м/с поверхность
порошка начинает слегка вибрировать, и на ней возникают глу-
бокие трещины; уплотнение порошка продолжается (рис. 4.5, б).
Когда скорость достигает 2—2,5 м/с, весь находящийся в сосуде
материал начинает медленно вращаться. При этом отдельные
частицы перемещаются по концентрическим окружностям,
а плотность порошка начинает уменьшаться (рис. 4.5,в). Уве-
личение окружной скорости до 2,5—3,5 м/с сопровождается
дальнейшим уменьшением плотности (увеличением объема) по-
рошка, поверхность которого вспучивается сначала в центре, во-
круг вала мешалки (рис. 4.5, г), а затем и по всей свободной по-
верхности (рис. 4.5,3). При дальнейшем увеличении скорости до>
4-_5 м/с в центре поверхности порошка образуется глубокая во-
ронка, и начинается интенсивное движение порошка от перифе-
рии к центру сосуда. Поднимающиеся снизу вдоль стенок потоки
порошка по спиральным траекториям движутся к центру и, сли-
ваясь, образуют центральную воронку (рис. 4.5, е). Наконец, при
скорости 5—8 м/с порошок переходит в псевдоожиженное со-
стояние. В массе перемешиваемого порошка наблюдается весьма
интенсивная циркуляция. На поверхности порошка появляются
крупные волны (рис. 4.5,ж). Если еще больше увеличить ско-
рость вращения ротора, то движение порошка становится бур-
ным и сопровождается периодическими выбросами материала,
фонтанирующего из разных точек поверхностного слоя
(рис. 4.5, з). Фактическое значение скорости, при которой начи-
нается псевдоожижение, зависит от отношения высоты слоя по-
рошка к ширине лопасти ротора.
Если в качестве ротора смесителя используют прямоуголь-
ные лопасти с углом атаки около 45°, то предельная высота слоя
над лопастью, при которой еще наблюдается эффект псевдо-
ожижения, для легких материалов (р^0,5 г/см3), например као-
лина, красителя, пресс-порошков, составляет около 105, а для
материалов со сравнительно большой насыпной плотностью
(pss 1 г/см3), например для песка, шифера, мариалита —65
(где b — ширина лопасти).
В начальный момент псевдоожижения циркуляционное дви-
жение материала наблюдается в основном в слое, расположен-
ном над лопастями мешалки (рис. 4.5, д, е). При дальнейшем
увеличении окружной скорости в циркуляционное движение втя-
гивается весь находящийся в смесителе материал, и происходит
его интенсивное перемешивание. Эмпирическая формула, позво-
ляющая рассчитать мощность привода W (кВт) в зависимости
<от свойств порошка, окружной скорости и размеров лопасти
имеет вид
W = сйуРнЛ2!1"92 (b sin а)0,82//1.04/ (4.10)
где с — коэффициент сопротивления массы сыпучего материала движению ло-
пасти, зависящий от природы сыпучего материала; k? — коэффициент уплот-
нения (или разрыхления) массы; рн — насыпная плотность материала, кг/м3;
® — окружная скорость лопасти, м/с; b, L — ширина и длина лопасти, м;
а — угол атаки, град; Н— высота слоя сыпучего материала над лопастью, м;
i — число лопастей ротора..
Схема простейшего смесителя СС-100 для смешения сухих
сыпучих и увлажняемых материалов, а также для приготовле-
ния жидких и пастообразных смесей представлена на рис. 4.6.
'Смеситель состоит из цилиндрической камеры 2 с рубашкой 3,
укрепленных на сварной раме 6. Теплоноситель подается в ру-
башку 3 через расположенный внизу штуцер 4 и выходит из ру-
башки через штуцер 11 у верхнего края рубашки. Такое распо-
ложение штуцеров обеспечивает равномерный обогрев всей бо-
ковой поверхности камеры смесителя. Внутри цилиндрической
/г
Рис. 4.6. Смеситель с механическим псевдоожижением. Пояснения в тексте.
камеры вращается ротор 5, на валу которого насажены две ме-
шалки 10. Нижняя мешалка напоминает обычный двухлопаст-
ный пропеллер, лопасти которого отогнуты в направлении, про-
тивоположном направлению вращения, и выгнуты по форме
днища. Верхняя мешалка выполнена в виде обода, связанного
тремя спицами со ступицей, которая насажена на консольный
вал ротора. К боковой поверхности обода приварены две корот-
кие лопасти, наклоненные под углом 45° к плоскости вращения.
Для управления направлениями потоков материала внутри ка-
меры установлена отражательная лопасть 1, поворачивая кото-
рую, можно изменять направление потока смеси. Привод рото-
ра 5 осуществляется от электродвигателя 12 через клиноремен-
ную передачу 7.
Загрузка смешиваемых компонентов осуществляется через
люк 12, выгрузка готовой смеси — через люк 8, перекрываемый
во время работы смесителя затвором 9, который приводится в
действие пневмоцилиндром. Аналогичным образом устроены
смесители фирм «Хеншель» и «Хеесен» (ФРГ), «Гюнтер Папен-
майер» (Австрия) и комбината «Грейц» (ГДР).
Существуют также и двухкамерные смесители для работы по
двухстадийному технологическому циклу.' Типичная схема та-
кого двухступенчатого смесителя представлена на рис. 4.7. Сме-
ситель снабжен двумя смесительными камерами — для «горяче-
го» 1 и «холодного» 17 смешения, установленными вместе с
электродвигателями роторов на общей сварной станине 8. Для
удобства чистки обе камеры имеют откидные крышки, на кото-
рых располагаются смотровые люки с подсветом. Обогрев верх-
ней камеры осуществляется жидким теплоносителем (глицерин,,,
минеральное масло), циркулирующим в рубашке 2. Верхняя-
камера закрывается откидной крышкой 23, на которой располо-
жен загрузочный люк 24. Крепление крышки к камере осуществ-
ляется откидным винтовым зажимом 22. Открывание и закрыва-
ние крышки осуществляет пневмоцилиндр 3.
В верхней камере на валу 6 установлен комбинированный
ротор, состоящий из крыльчатки 4 (диаметром 420 мм) и ло-
пастного диска 5 (диаметром 560 мм). Привод ротора осу-
ществляется от двухскоростного электродвигателя 9 (П7=
= 55 кВт, N= 1500/750 об/мин) через клиноременную переда-
чу 7, обеспечивающую снижение частоты. вращения ротора до-
520/260 об/мин. При этом окружная скорость ротора соответст-
венно составляет 15, 2/7, 6 м/с. Для управления направлением
потоков смешиваемого материала в верхней камере установле-
на направляющая лопатка 25 с рукояткой 27. Внутри полой оси
лопатки 26 расположена термопара, контролирующая темпера-
туру массы. Выгрузка смеси из верхней камеры производите»
через разгрузочный люк, перекрываемый затвором 20 с приво-
дом от пневмоцилиндра 21. Нижняя камера 17 имеет охлаж-
дающую рубашку 14. Она закрывается откидной крышкой 18 с
помощью откидного винтового прижима 16. Перемешивание-
смеси в нижней камере осуществляется двухлопастным рото-
ром 12, для привода которого используется двухскоростной
Рис. 4.7. Двухступенчатый смеситель. Пояснения в тексте.
-электродвигатель 10 (117=10 кВт, N= 1500/750 об/мин), соеди-
ненный с ротором клиноременной передачей и редуктором 11.
Суммарное передаточное число привода равно 20. Следователь-
<но, частота вращения ротора 12 составляет 75/37,5 об/мин. Го-
товая смесь выгружается через разгрузочный люк, перекрывае-
мый затвором 13 с приводом от пневмоцилиндра 15.
Обе камеры смесителя во избежание коррозии изготовлены
из нержавеющей стали. На всех затворах с пневматическими
приводами и на крышках обеих камер установлены конечные
.выключатели, предотвращающие запуск двигателей смесителя
при незакрытых затворах или крышках камер.
Смеситель работает следующим образом. Порошкообразные
компоненты подают в верхнюю камеру через имеющийся в
крышке пневматический клапан. Во время загрузки ротор сме-
сителя вращается с малой скоростью, соответствующей началь-
ной стадии псевдоожижения. Одновременно с загрузкой порош-
кообразных компонентов в горячую камеру подаются жидкие
.компоненты — стабилизатор и пластификатор (из дозатора или
вручную). Стадия загрузки занимает 1—3 мин. Через 30 с после
«окончания загрузки электродвигатель смесителя автоматически
переключается на большую скорость, и материал в камере пере-
ходит в состояние интенсивного вихревого движения. В процес-
се смешения материал разогревается за счет трения частиц друг
о друга и за счет тепла, подводимого от стенок корпуса (при-
мерно 85% тепла генерируется за счет трения). По достижении
.заданной температуры (около 393 К) термопара подает команду
на выгрузку смеси в нижнюю камеру, предназначенную для
-охлаждения готовой смеси. Одновременно двигатели обеих ка-
мер переключаются на меньшую скорость вращения. Открыва-
ется заслонка 20 разгрузочного окна, и горячая смесь по пат-
рубку 19 пересыпается в нижнюю камеру. Когда смесь из верх-
ней камеры полностью пересыпается в нижнюю, заслонка вновь
^закрывается, а двигатель нижней камеры переключается на
максимальную скорость вращения. При этом реализуется на-
чальная стадия псевдоожижения. Смесь охлаждается за счет
контакта с холодными стенками камеры.
Когда температура смеси снижается до 293—313 К (20—
-40°C), заслонка 13 разгрузочного люка открывается, а двига-
тель привода ротора вновь переключается на минимальную
скорость вращения. Готовая смесь выгружается на транспортер
или в приемный бункер для дальнейшего движения по техноло-
гическому циклу.
Производительность смесителя при емкости каждой камеры
около 370 л достигает 0,56 т/ч.
Мощность W (кВт), потребляемую смесителем в режиме
псевдоожижения, можно подсчитать по формуле
Г= Cffl2,6£3,B (ft sin а)0,7//0,7^0,2рн1 (4.11)
где c«sin<p — коэффициент сопротивления движению лопасти в режиме псев-
достижения (<р — угол естественного откоса); Ь и L — соответственно ширина
и длина лопасти, м; а — угол атаки лопасти; Н — высота слоя сыпучего ма-
териала над лопастью, м; 6/, — зазор между краем лопасти и внутренней стен-
кой корпуса, м; рн— насыпная плотность, кг/м3; i— число лопастей ротора.
4.3.3. Центробежные смесители
В центробежных смесителях вихревые потоки сыпучего мате-
риала возникают вследствие взаимодействия сил трения и цент-
робежных сил, действующих при движении частиц материала по»
кольцевым траекториям. Основным рабочим органом центро-
бежного смесителя (рис. 4.8) является полый конический ро-
тор 1, установленный на валу И, внутри корпуса 2. К днищу
ротора 1 жестко прикреплена лопастная мешалка 7, лопасти ко-
торой установлены под углом 35° В нижней части конуса про-
резаны два симметрично расположенных окна 13. Загрузка сме-
сителя производится через расположенный на крышке 3 люк 4,.
выгрузка — через перекрытый откидной заслонкой люк 12. Кор-
пус смесителя укреплен на цилиндрической сварной станине 9.
Привод ротора 1 осуществляется через клиноременную переда-
чу 10 от электродвигателя 8.
При вращении ротора 1 попавший в него при загрузке ма-
териал вследствие трения вовлекается во вращение. Частицы
материала под воздействием возникающих при их вращении
центробежных сил начинают двигаться по внутренней поверх-
ности корпуса, а затем сбрасываются с нее в кольцевое прост-
ранство между конусом и корпусом. Новые порции материала
поступают внутрь конуса через окна 13. Лопастная мешалка 7,.
вращаясь вместе с ротором, создает эффект псевдоожижения и,,
увеличивая подвижность
сыпучего материала, спо-
собствует его притоку че-
рез окна 13 внутрь рото-
ра 1. Перемешивание
материала происходит
вследствие его движения
по причудливым спираль-
ным траекториям, прохо-
дящим как по внутренней
поверхности конуса, так
и в кольцевом простран-
стве, сопровождающегося
соударениями частиц друг
с другом и со стенками
корпуса и ротора.
Рис. 4:8. Центробежный смеси-
тель. Пояснения в тексте.
В смесителях, предназначенных для смешения материалов с
плохой сыпучестью, в кольцевом пространстве корпуса устанав-
ливают раму 6 с лопастями и острым скребком, который входит
внутрь конуса. Под влиянием сил, действующих со стороны дви-
жущегося материала на скребок и лопасти, рама вовлекается
во вращение. Регулируя с помощью ленточного тормоза 5 со-
противление вращению, управляют частотой вращения рамы.
Из-за существования разности между окружными скоростями
лопастей и материала часть его, наталкиваясь на лопасти, «на-
гнетается» через окна 13 внутрь ротора, остальной материал
•остается в кольцевом пространстве.
Скорость циркуляции через конус зависит от угла конусно-
«сти ротора 6, формы лопасти и коэффициента заполнения корпу-
са материалом. Экспериментально установлено, что наилучшие
результаты дает использование конусов с углом в—60° при ко-
эффициенте заполнения 0,6—0,8 (меньшие значения относятся к
тяжелым материалам, большие — к легким). Угол атаки ниж-
них радиальных лопастей должен при этом составлять около 45°.
Мощность привода центробежного смесителя W (кВт) опре-
деляется эмпирической формулой
Г = 1,25с1С(})рн£60,бйГ1,б7Я1 (4.12)
тде Ci — коэффициент сопротивления сыпучей среды перемешиванию (с1«
sin q>-10-4); Сф — коэффициент формы лопасти (для спиральной лопасти
Сф=0,72, для прямой Сф=1); ф— угол естественного откоса; L — диаметр
окружности, описываемой лопастью, м; Ь— высота лопастей мешалки, м; со —
угловая скорость вращения конического ротора, с-1; Н— высота слоя мате-
риала над нижней кромкой лопастей мешалки, м; i — число лопастей.
_ Значения <р и рн для различных полимеров приведены в
табл. 4.1.
4.3.4. Планетарный турбосмеситель
Планетарный турбосмеситель периодического действия (рис. 4.9)
представляет собой цилиндрическую камеру 5, внутри которой
до круговой траектории движется вращающийся ротор 4, укреп-
Таблица 4.1. Некоторые физические характеристики
^сыпучих полимеров
Полимер Угол естествен- ного откоса <р, град Насыпная плот- ность рн, кг/м3 Средний размер частиц d, мм
ПЭНП (гранулы) :пэвп 32 500 2,5
порошок 27 490 0,16
гранулы ;пвх 36 550 2,5
порошок гранулы зле 33 39 850 0,2
гранулы 42 590 2,5
бисер 24 640 0,5
Рис. 4.9. Планетарный турбосмеси-
тель. Пояснения в тексте.
ленный на планетарной кули-
се 7. На другом конце кулисы
расположен отражатель 6, раз-
бивающий поток отбрасывае-
мых ротором частиц смеси на
два встречных вихря. Кулиса
укреплена на валу 1, который
приводится во вращение от
электродвигателя. Вращение ротора 4 является следствием обе-
гания шестерней 3, установленной на роторе, шестерни 2, кото-
рая также может иметь самостоятельный привод. Скорость вра-
щения кулисы в планетарном смесителе составляет от 100 до
3000 об/мин, продолжительность смешения композиций на осно-
ве ПВХ — от 3 до 10 мин.
4.4. СМЕСИТЕЛИ ДЛЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ СРЕД
Высоковязкими средами принято считать расплавы полимеров,
пасто- и тестообразные композиции с эффективной вязкостью
более 0,01 МПа-c (105 П). Перемешивание таких сред осуществ-
ляется механическими способами и происходит в ламинарном
режиме. Поэтому обычно смесители для высоковязких сред
называют ламинарными. При перемешивании в смесительной
камере может возникать тангенциальное течение (масса дви-
жется параллельно траектории движения лопастей перемеши-
вающего органа), радиальное (масса движется от рабочего ор-
гана перпендикулярно оси его вращения) и осевое (масса по-
ступает и вытекает из смесителя параллельно оси вращения ра-
бочего органа). Различают смесители периодического и непре-
рывного действия.
Для перемешивания высоковязких сред наиболее часто при-
меняются лопастные, валковые, червячные и роторные смесите-
ли. Широко используются также двухроторные смесители за-
крытого типа периодического действия. При необходимости го-
товить большое количество смеси применяют роторные и чер-
вячные смесители непрерывного действия.
4.4.1. Основные закономерности ламинарного смешения
Смешение высоковязких жидкостей является следствием дефор-
маций сдвига и растяжения, под влиянием которых увеличива-
ется поверхность раздела смешиваемых ингредиентов (линей-
ный размер исходного агрегата при этом уменьшается) и вырав-
нивается (в результате неупорядоченного движения) распреде-
ление ингредиентов в объеме смеси.
Рис. 4.10. Схема процесса ламинарного смешения (стрелки показывают на-
правление смещения граней):
а — исходное состояние смеси; б — после незначительной деформации (частицы ДФ вы-
тянулись, и поверхность раздела увеличилась); в — после значительной деформации
сдвига (частицы ДФ сильно вытянулись, поверхность раздела возросла в сотни раз,
текстура смеси близка к случайной).
Предположим, что смешивают две вязкие жидкости А и В,
исходное состояние которых представлено на рис. 4.10. Пусть
Го — характерный размер частиц, из которых состоит дисперги-
руемая фаза (ДФ) А. Разделим мысленно весь объем смеси на
элементарные кубики с размером грани г0. В результате смеше-
ния поверхность раздела между компонентами А и В должна
увеличиться и компонент А должен равномерно распределиться
по всему объему смеси с тем, чтобы дисперсия концентрации
компонента А в любой серии проб, отобранных от смеси, стре-
милась к значению Оф2, определяемому уравнением (4.2а). Если
предположить, что деформированные поверхности раздела оста-
ются плоскими, то объем дисперсной среды (ДС), ограниченной
поверхностями раздела, равен V=S'r/2 (здесь S' — суммарная
поверхность раздела после деформации, г — среднее расстояние
между вытянутыми в полосы элементами ДФ). Деформация
сдвига, обеспечивающая заданную степень изменения ширины
полос в простейшем случае одномерной деформации сдвига, оп-
ределяется выражением
Го 1
7 г д Vi
(4.13)
где т]2 и Гц — эффективная вязкость ДФ и ДС соответственно.
Выражение (4.13) выведено при условии оптимальной ори-
ентации поверхностей раздела смешиваемых фаз относительно
направления деформации сдвига. В случае одномерного сдвига
связь между ориентацией поверхностей раздела и направлением
деформации сдвига, выраженная через угол а, характеризуется
формулой
г0/г = "|/1 + У2 cos2 а к; у cos а (4.14)
Если поверхность раздела нормальна к вектору смещения,
угол та~0. По мере развития деформации сдвига угол та возра-
стает, а интенсивность увеличения поверхности раздела снижа-
ется. Поэтому на практике каждый ламинарный смеситель снаб-
жается приспособлениями для периодической переориентации
поверхностей раздела относительно направления деформации
сдвига. Это достигается периодическим поворотом сдеформиро-
ванного материала, в котором поверхности раздела фаз вытяну-
ты в направлении деформации, на угол, примерно равный л/2.
При этом поверхности раздела вновь оказываются оптимально
ориентированными относительно последующей деформации
сдвига. Момент переориентации обычно совпадает с развитием
деформации сдвига, примерно равной 3—5 единицам деформа-
ции. Суммарная деформация, подсчитанная из выражения
,(4.13), естественно, должна сопровождаться соответствующим
числом актов переориентации.
4.4.2. Смесительные вальцы
Вальцы—самый простой смеситель для высоковязких материа-
лов; они были впервые применены для приготовления резино-
вых смесей Эдвином Шаффе в 1835 г. На вальцах перемешива-
ние материала осуществляется в зазоре между двумя парал-
лельно расположенными, вращающимися навстречу друг другу
полыми цилиндрами (валками). Вальцы подразделяют по диа-
метру валков на лабораторные — с диаметром валков меньше
.225 мм (частным случаем их являются микровальцы с диамет-
ром валков 40—80 мм) и производственные — с.диаметром вал-
ков от 300 до 800 мм. Основные размеры вальцов, выпускаемых
.в СССР, унифицированы в соответствии с рекомендациями СЭВ
(табл. 4.2).
Принципиальная схема обычных двухвалковых вальцов пред-
ставлена на рис. 4.11. На фундаментной плите 4 установлены
Рис. 4.11. Принципиальная схема двухвалковых вальцов. Пояснения в тексте.
Рис. 4.12. Ограничительные стрелки вальцов:
'Л, 5 — раздвижные половины; 2 — передний валок; 3 — задний валок; 4 — стальная план-
аса, закрепленная на передней стрелке.
Таблица 4.2. Техническая характеристика вальцов, применяемых в
Вальцы Обозначение Диаметр валков, мм Длина рабо- чей части валков, мм
переднего заднего
Вальцы-450 лаборатор- ВП Л-225X450 225 225 450
ные* Вальцы-630 подогрева- ВП-315Х630 315 315 630
тельные этажные Вальцы смесительно-по- ВП-660Х1500 660 660 1500
догревательные Вальцы смесительно-по- ВП-660Х2130 660 660 2130
догревательные 660X2130 Вальцы для пресс-по- ВПП-660Х2130 660 660 2130
рошков смесительно-по-
догревательные 660Х
Х2130
* Имеется привод постоянного тока на каждом валке.
Примечание. Поверхность валков — гладкая.
две станины 2, в проемах которых в подшипниках 5 и 7 укреп-
лены валки 1. |На конце заднего валка консольно закреплена
приводная шестерня 6. Подлежащие смешению компоненты —
полимер, пластификаторы, измельченные твердые ингредиенты
(тальк, технический углерод, мел, асбест и др.) —загружаются
в зазор, в котором за счет интенсивной деформации сдвига, со-
провождающейся сильными тепловыделениями, происходит сме-
шение. Валки 1 обычно изготавливают из кокильного чугуна. Ра-
бочая поверхность отбеливается на глубину 15—18 мм; при этом
твердость поверхности по Бринеллю должна составлять
НВ = 300—450. Наружная поверхность валков шлифуется до
класса чистоты 7—9. На поверхности валков дробильных валь-
цов под углом 7—11° фрезеруются рифления глубиной 4,5—
6 мм и шириной 4,5—15 мм; края валков оставляют гладкими.
Валки вальцов делают полыми. В них подается горячий теп-
лоноситель, в качестве которого может использоваться пар, на-
гретое масло, перегретая вода. Валки вальцов, предназначенных
для переработки термочувствительных материалов, снабжают
системой интенсивного теплообмена — сверленые или фрезеро-
ванные каналы, расположенные непосредственно у поверхности
валка, в которых с большой скоростью циркулирует охлаждаю-
щая жидкость. Валки лабораторных вальцов обычно снабжают
системой электрообогрева. В зависимости от назначения валь-
цов скорость валков может быть одинаковой или разной. В по-
следнем случае скорость вращения заднего валка Uz выше, чем
промышленности переработки пластмасс
Окружная скорость валков, м/мии Фрикция Мощность электродви- гателя, кВт Габаритные размеры вальцов, мм Масса, кг
переднего | -заднего длина ширина высота
6,3—25 12,8 6,3—25 17,2 (1:1)_(1:4) 1:1,35 15 2500 1300 1500 3200
14 12,8 17,2 17,2 1:1,23 1:1,35 20 3000 1530 1503 4400 5000
27,1 34,7 1:1,28 100 4880 3415 2060 31 500
24,5 27 1:1,11 125 5280 3765 1900 29 800
35,3 45,2 1:1,28 125 5740 3865 3078 33 000
переднего U\. Отношение окружных скоростей валков называет-
ся фрикцией.
Для регулирования зазора между валками подшипники пе-
реднего валка 5 могут перемещаться при помощи регулировоч-
ных винтов 3 в проемах станины 2. От смещения вверх подшип-
ники удерживаются траверсами 8, которые крепятся к станине
болтами. Для правильной установки зазора регулирующие вин-
ты снабжены указательными шкалами. На вальцах с большими
диаметром и длиной валков привод регулировочных винтов осу-
ществляется от специальных электродвигателей. На вальцах
малого размера и вальцах старых конструкций вращение вин-
тов производится вручную.
При вальцевании полимерного материала в зазоре между
валками возникают распорные усилия, которые пропорциональ-
ны эффективной вязкости вальцуемого материала и могут со-
ставлять в расчете на 1 см длины валка от 3,5 до 11 кН. 'Для
предотвращения поломки валков на концах регулирующих вин-
тов установлены предохранительные шайбы, срезающиеся при
перегрузке.
Валки вальцов обычно устанавливаются в подшипниках
скольжения. Смазка подшипников циркуляционная (от специ-
ального насоса или от лубрикатора). Для отвода тепла корпус
подшипника на производственных вальцах снабжен охлаждае-
мой водой рубашкой.
Для предотвращения попадания вальцуемого материала в
Рис. 4.13. Групповой при-
вод вальцов:
1 — электродвигатель; 2 — редук-
тор; 3— большая шестерня; 4—
малая шестерня; 5 — фрикцион-
ные шестерни; б — валки.
подшипники на концах валков устанавливают профильные плас-
тины 10 (называемые «ограничительными стрелками»), каждая
из которых состоит из двух половин, укрепленных соответствен-
но на подшипнике переднего и заднего валков. На одной из по-
ловин стрелки установлена стальная планка, перекрывающая
зазор, образующийся между стрелками при раздвигании валков
(рис. 4.12).
В большинстве случаев привод осуществляется от электро-
двигателя переменного тока. Привод может быть групповым и
индивидуальным. Специфическая особенность работы привода
вальцов состоит в широком диапазоне изменения потребляемой
вальцами мощности. При групповом приводе несколько (обычно
двое) вальцов приводятся от одного мощного синхронного элек-
тродвигателя, соединенного с ведущим валом через редуктор
(рис. 4.13). Групповой привод позволяет снизить установочную
мощность и способствует увеличению cos «р агрегата. В случае
индивидуального привода (рис. 4.14) используют электродвига-
тель, опрокидывающий момент которого рассчитывается по мак-
Рис. 4.14. Индивидуальный привод вальцов:
1 — передний валок; 2 — задний валок; 3 — фрикционные шестерни; 4 — срезающий нож;
5— намоточный барабан; 6 — приводные шестерни; 7 — редуктор; 8 — тормозное устрой-
ство; 9 — электродвигатель; 10 — механизм регулирования зазора между валками; 11 —*
подшипники.
симальной нагрузке. Это требует примерно полуторакратного
запаса по сравнению со средним значением мощности, потреб-
ляемой в течение рабочего цикла. Завышение установочной мощ-
ности приводит к уменьшению cos ф агрегата. Поэтому на круп-
ных предприятиях индивидуальный привод почти не применя-
ется.
Регулируемый привод обеспечивает возможность изменения
окружной скорости вращения валков (от 6,3 до 25 м/мин) и
фрикции (от 1:1 до 1:4); он применяется только на лабора-
торных вальцах.
Верхний предел окружной скорости вращения переднего
валка обусловлен требованиями техники безопасности;, окруж-
ная скорость переднего валка может составлять не более
38 м/мин, скорость заднего валка, как правило, выше.
Для мгновенной остановки вальцов в случае попадания в них
одежды или руки рабочего служит устройство, называемое ава-
рийным остановом (см. рис. 4.11), которое состоит из коромыс-
ла, соединенного с аварийным выключателем, и троса или
цепи 9, протянутого вдоль переднего и заднего валков на такой
высоте, чтобы оператор, обслуживающий вальцы, мог привести
его в действие с любого места. Время остановки вальцов при
незагруженных валках не должно превышать 1,5—2,0 с. Валки
загруженных вальцов останавливаются практически мгновенно.
При индивидуальном приводе аварийный останов отключает
двигатель привода и приводит в действие колодочный тормоз,
установленный на валу двигателя. При групповом приводе ава-
рийный останов отключает соединительную муфту. В этом слу-
чае управление муфтой обычно осуществляется механически.
На вальцах старых конструкций оператор для улучшения од-
нородности смешения вручную периодически подрезал слой ма-
териала, обволакивающий передний валок, скручивал его в ру-
лон и вновь направлял в зазор. Современные вальцы снабжены
ножом для механического подрезания, укрепленном на суппорте,
который совершает возвратно-поступательное перемещение по
установленному вдоль валка ходовому винту. Иногда на вальцах
предусматривают дополнительный привод для поперечного пе-
ремещения ножа, который в этом случае совершает сложное дви-
жение, имитирующее операции, производимые вальцовщиком:
нож подводится к поверхности валка, выстаивает в течение не-
которого времени и подрезает полосу массы; затем он продвига-
ется вдоль валка и отходит от него (в этот момент срезанная
масса вновь затягивается в зазор).
На некоторых моделях лабораторных вальцов, применяемых
Для исследовательских целей, устанавливается специальная
контрольно-измерительная аппаратура, предназначенная для
замера параметров режима вальцевания. Замер распорных уси-
лий производится посредством месдоз, устанавливаемых на кон-
цах винтов, регулирующих зазор. Температура вальцуемого ма-
териала замеряется встроенной в валок термопарой. Скорость
Рис. 4.15. Схема процесса вальцева-
ния.
вращения переднего и заднего
валков определяется по пока-
заниям тахометра (устанавли-
вается только на вальцы с ре-
гулируемой скоростью враще-
ния валков).
4.4.2.1. Физическая сущность
процесса вальцевания
Рассмотрим движение полиме-
ра в зоне между двумя вра-
щающимися валками (рис.
4.15). Вследствие прилипания наружный слой материала дви-
жется вместе с поверхностью валка. Из-за наличия сил внут-
реннего трения наружный слой увлекает прилегающие к нему
слои, и вся масса материала начинает втягиваться в зазор.
Поскольку площадь поперечного сечения зазора по мере
удаления от входного сечения (поверхность А—Д) все время
уменьшается, а обрабатываемый материал практически несжи-
маем, скорости движения слоев материала, расположенных на
разных расстояниях от поверхности валка, оказываются различ-
ными. Распределение скоростей в зазоре между валками для се-
чений, расположенных на различном расстоянии от входа в за-
зор, показано на рис. 4.16. Всю рабочую зону можно разделить
на две области: область А, в пределах которой центральная
часть потока движется в направлении, противоположном на-
правлению движения валков, и область В, в которой весь нахо-
дящийся в зазоре материал движется в одном направлении.
Рис. 4.16. Распределение скоростей и давлений в вальцуемом материале.
Рис. 4.17. Распределение скоростей сдвига в различных сечениях зазора.
При этом скорость движения материала по мере удаления от
поверхности валка увеличивается.
Существование переменной по сечению скорости приводит
к возникновению в материале, транспортируемом через зазор^
деформации сдвига. При этом скорость деформации зависит как
от окружной скорости, так и от размера зазора, увеличиваясь,
с возрастанием скорости и уменьшением зазора. Типичное рас-
пределение скоростей сдвига по длине зазора приведено на.
рис. 4.17.
Поскольку скорость сдвига пропорциональна напряжению-
сдвига, в разных точках находящегося в зазоре материала дей-
ствуют различные напряжения сдвига, абсолютное значение и;.
направление которых меняются в зависимости от места распо-
ложения и режима (скорость, зазор, температура). Типичная’
картина распределения напряжений в зазоре между валками.,
приведена на рис. 4.18.
Таким образом, материал, проходящий через зазор вальцов,.,
подвергается воздействию напряжений сдвига и претерпевает
существенные деформации сдвига. При этом материал, находя-
щийся в области А (см. рис. 4.16), участвует как в поступатель-
ном, так и в циркуляционном движениях. Существование обла-
сти циркуляционного течения и областей с различной ориента-
цией скорости сдвига и обусловливает возможность применения,
вальцов для смешения.
Смешение происходит в зазоре вальцов за счет того, что-
вальцуемый материал подвергается большим сдвиговым дефор-
мациям, которым сопутствует периодическая переориентация,
расположения поверхностей раздела вследствие циркуляцион-
ного течения в области А и существования областей разноори-
ентированных деформаций сдвига.
Для более эффективного смешения применяют вальцы с.
фрикцией, наличие которой интенсифицирует циркуляционное
течение в области А. Так как перемешивание материала проис-
ходит только в плоскости, нормальной к оси валков, для вырав-
нивания продольного распределения концентраций смешивае-
Рис. 4.18. Распределение напряже-
ний сдвига в зазоре между вал-
ками; значения Т]:
1 — 1; 2 — 0,8; 3 — 0,6; -4 — 0.4; 5 — 0,2.
мых ингредиентов вальцуе-
мый материал периодически
снимается с поверхности
валка, скручивается в ру-
лон, который поворачивает-
ся на 90° и вновь пропуска-
ется в зазор между валка-
ми. Таким образом достига-
ется переориентация облас-
тей, ранее располагавшихся
в разных местах образую-
щей валка, которые при
этом оказываются расположенными примерно в плоскости одно-
то нормального сечения. Поэтому дальнейшее вальцевание обес-
печивает выравнивание концентраций в направлении, не охва-
ченном в предыдущем цикле.
Возникновение в проходящем через зазор материале значи-
тельных напряжений сдвига позволяет кроме смешения осу-
ществлять при вальцевании и операции диспергирования. Вслед-
ствие этого вальцевание используют не только для смешения,
но и для диспергирования в полимере твердых и жидких ингре-
диентов (тальк, технический углерод, мел, пластификаторы, ста-
билизаторы, красители и т. д.). Поскольку процесс диспергиро-
вания происходит тем интенсивнее, чем выше напряжение сдви-
га, а величина напряжения сдвига, в свою очередь, однозначно
определяется эффективной вязкостью, диспергирующее вальце-
вание следует вести при минимально возможных температурах,
так как при этом вязкость, а следовательно, и напряжения сдви-
га максимальны.
Описанные выше изменения в характере течения материала,
находящегося в зазоре, проявляются в изменении гидростатиче-
ского давления. Типичная кривая распределения давления
Р(х), полученная при экспериментальном исследовании процес-
са вальцевания, была приведена на рис. 4.16. Сопоставление
поля скоростей с эпюрой давлений показывает, что трансформа-
ция поля скоростей сопровождается увеличением давления, до-
стигающего в какой-то точке максимума. Профиль скоростей в
.этом сечении имеет вид, изображенный на рис. 4.16 (сече-
•ние О—О). Такая форма профиля скоростей показывает, что
силы, возникающие вследствие изменения гидростатического
давления и действующие с одной стороны сечения, полностью
уравновешиваются аналогичными силами, действующими с дру-
гой стороны. Следовательно, напряжение сдвига в этом сечении
равно нулю, и материал движется подобно твердой пробке, не
подвергаясь никаким деформациям сдвига. При дальнейшем'
движении материала это равновесие нарушается, и центральные-
слои начинают двигаться с большей, скоростью, чем слои, приле-
гающие к поверхности валков. Максимальная разница достига-
ется в минимальном сечении, расположенном на линии, соеди-
няющей центры валков. Дальнейшее движение сопровождается
торможением центральных слоев. Наконец, на выходе из зазора
избыточное давление падает до нуля, а профиль скоростей вновь,
принимает прямоугольную или трапециевидную форму.
4.4.2.2. Гидродинамическая теория изотермического вальцевания полимеров,
обладающих свойствами ньютоновской жидкости
Для вывода Основных уравнений теории изотермического вальцевания рас-
смотрим схему движения, приведенную на рис. 4.15.
Дифференциальные уравнения движения материала записываем в форме
уравнения Стокса без учета массовых сил (считаем, что жидкость несжи-
маема, траектории частиц материала мало отличаются от параллельных, квад-
ратичными членами инерции пренебрегаем):
ар ; : d2vx
дх — р 1 k ду2 4 дх2 J
дР — р , ач \
ду дх2 I- ду2 )
(4.15).
(4.15а)
Пренебрегая сжимаемостью расплава, запишем уравнение неразрывности1
в виде
др,- дуу _
дх ду
(4.16)
Принимая, что материал прилипает к поверхности валков, сформулируем;
граничные условия:
vx I =U cos [arcsin (x/R)] = U V1 —x2/P2 « U (4.17)
\y=h
Р(х!) = Р(—х2) = 0 (4.17a>
Далее, полагая, что члены вида дих/дх и дуу/дх пренебрежимо малы, и
принимая, что dPIdx^dP/dy, сведем уравнение (4.15) к форме, аналогичной,
уравнению Рейнольдса:
Сделанные допущения справедливы в том случае, если й0 мало по сравне-
нию с R, а вязкость среды р столь велика, что инерционными и массовыми
силами можно пренебречь (число Рейнольдса мало).
Интегрируя уравнение (4.18), получим
dvx 1 dP
dy ~ р dx ' 1
(4.19)
В случае движения материала в зазор между валками, вращающимися
с одинаковой окружной скоростью (Ui = U2), задача становится осесимметрич-
ной. Следовательно, dijyjdy^ при р=0, отсюда Ci = 0. При наличии фрикции
нулевое сечение смещается в сторону валка, вращающегося с меньшей ско-
ростыо. При этом величина G оказывается равной
Сх = (170//г) А.
.'.-где (7о= (Hi+t72)/2 — средняя окружная скорость валков;
X = (С7Х — £72)/(2£70)
Интегрируя уравнение (4.19), получим для случая Х=0:
Если А#Ю, то
dP у2 U*ky
Vx~ dx 2р + h +С2
(4.20)
(4.20а)
(4.21)
(4.21а)
Постоянные интегрирования определим из условий прилипания (4.17),
гзюлагая, что х/7?С1. Следовательно, vx(h) = LZi и од—/i)=t7a.
В случае А=0 имеем:
Сг — 2р dx
Тогда выражение для vx принимает вид
у2 —/г2 dP
Vx-----и— 2(х dx
(4.216)
(4.22)
Обратим внимание, что в уравнении (4.22) течение в зазоре между вал*
жами представлено как сумма двух потоков: один поток—-это течение с пря-
..моугольным распределением скоростей (вальцуемый материал движется, как
твердое тело, со скоростью, равной окружной скорости валков); второй по*
ток — это течение под давлением, направление которого зависит от знака
..градиента давлений. На участке зазора, в пределах которого градиент давле-
ний положителен, второй поток направлен навстречу основному движению ма-
териала. В результате в центральной части зазора возникает область проти-
вотока и, как следствие этого, — циркуляционное течение.
При наличии фрикции (W=0) постоянная интегрирования, определенная из
условий прилипания, равна
h2 dP
л.. — Uo
2 2р. dx
(4.21в)
Подставляя это выражение в уравнение (4.21а), получим:
dP
dx
(4.22а)
Выражение для vx оказывается совершенно аналогичным уравнению
(4.22), отличаясь от него только тем, что вместо постоянной окружной ско-
рости U в него входит произведение среднего значения скорости на безразмер-
ный параметр 1+//А/Й.
Величина h (расстояние от оси симметрии зазора до поверхности валков)
связана с координатой х соотношением
h = h0 + R — Yr2 — х2
(4.23)
Объемный расход через единицу ширины зазора определяется выраже*
:нием
vxdy
(4.24)
При отсутствии фрикции интегрирование этого уравнения дает следую-
щее выражение:
/ Л2 dP \ .. .
= (424а)
При наличии фрикции величина объемного расхода равна
(h2 dP \
(4-246)
Введем безразмерные переменные:
I = x/~\/2Rhn; т] = y/h (4.25)
Соответственно получим:
?2 = х2/УЖ - (4.26)
Далее, разложим стоящий в правой части выражения (4.23) корень квад-
ратный в биномиальный ряд и ограничимся первыми двумя членами ряда:
Л=М1+В2) (4.27)
Заменяя градиент давлений dP/dx в уравнении (4.24) на
dP dl _ dP __________________________1_
dg dx ~ dg У2ДЙО
и подставляя h из (4.27), получим:
dP__3yU_ g2-£22
<%, - h0 (I-H2)3 Г h0
Входящий в уравнение (4.28) параметр g2 определяется из условия
dP/dx=0 при х=х2:
l2 = VQ/(^Uh0)-\ (4.29)
С другой стороны, величина g2 определена выражением (4.26).
Следовательно, между объемным расходом и координатой точки отрыва
вальцуемого материала от поверхности валка существует однозначная связь:
х2 = ~[/2Rh0 [Q/(2Uh0) — 1] (4.30)
Для вальцов с фрикцией величина продольного градиента давлений опре-
деляется выражением, аналогичным (4.28):
dP
%
3pt7„ g2-g22
ho (НЧ2)3
(4.28a)
Соответственно изменится и соотношение для определения g2:
g2=V<2/(2f/0M- 1 (4.29а)
Интегрируя уравнение (4.28а), получим выражение, описывающее распре-
деление давлений в зазоре:
(4-31)
Функция g(cz, £) определяется уравнением
/Е El ------£2 ~~Ь ~~Ь ~b ' Е /1 ОЕ 21 ягМст Р 491
([_j_g2j2 £ (* 3g2)arctgg (4.32)
1,0
Рис. 4.19. Зависимость |i от |£2|.
Рис. 4.20. График зависимости g2 от | g21 •
Постоянная интегрирования С определяется из граничного условия
Р(-Ы=0:
С = 112 I - О - 3g22) arctg | | (4.33)
Приравнивая производную dP/di, нулю, получим, что при ^=+?2 функ-
ция Р(£) проходит через максимум.
Далее обратимся к уравнению (4.31). Поскольку по условию (4.17а)
Р(£1) =Р(—'&) =0, выражение (4.32) должно иметь два корня, при которых
оно обращается в нуль. При этом, поскольку один из них определяется выра-
жением (4.29), второй определяется условием
&а1Л2) = -С(и«-5^23 (4-34)
Следовательно, между gi и |5г| существует однозначная функциональная
зависимость, график которой приведен на рис. 4.19. Можно с достаточно вы-
сокой точностью аппроксимировать эту кривую зависимостью
I 0,33 \
ёт = -^(1,2+ 0,55-|Ы) <4-35>
Распределение скоростей. Чтобы получить выражение, описы-
вающее распределение скоростей в зазоре между валками, воспользуемся
соотношением (4.22а), произведя в нем замену переменных (х на g и у на т])
и подставив в него значение dP/dfe, из уравнения (4.28а):
1*3 2 t2 I 3? 2 "I
»х = --прр-& -V) + ---g’ + (1 + £2)] (4-36>
В случае вальцевания без фрикции Z=0 уравнение (4.36) переходит в из-
вестное уравнение:
„ - и 3n2(g2-^2) + 3g22-g2 + 2
Уд.— U 2(1 | ^2) (4. оба)
Типичная картина распределения скоростей, рассчитанная из уравнения
(4.36), приведена на рнс. 4.16. Заметим, что при £=±|2 правая часть уравне-
ния (4.3ба) не зависит от т]. Это означает, что при отсутствии фрикции ма-
териал в этих сечениях движется с постоянной скоростью. Если же скорость
вращения неодинакова, то в этих сечениях эпюра скоростей имеет форму
трапеции, поскольку по мере удаления от оси симметрии скорость линейно
увеличивается (или уменьшается — в зависимости от знака т]) в соответствии
с последним членом выражения (4.36).
Объемный расход через единицу ширины зазора определяется интегриро-
ванием выражения для vx в пределах от —h до +/г. Наиболее рационально
выполнить это интегрирование в сечении, в котором g=+g2. Тогда в случае
вальцевания без фрикции
1
Q = 2h J = 2Uh0 (1 + У) (4.37)
о
В случае вальцевания с фрикцией
_Q=2t/ofto(l+522) (4.37а)
Выше отмечалось, что на входе в зазор существует область циркуляцион-
ного течения. Границу этой области можно определить, положив vx=0 при
т]=0. Величина граничного значения определится как корень квадратного
уравнения
-gs2 + 3g2a + 2 = 0 (4.38)
т. е.
= + 2 (4.38а)
Поскольку вся зона противотока расположена в области положительных
значений g, отрицательный корень отбрасываем.
Скорость сдвига в зазоре можно определить, дифференцируя уравнение
(4.36а):
д«х _ дух дт] Uo 3i](g2 — g22) + X(l +g2)
ду - ду - h0 (l+g2)2
Распределение давлений в зазоре описывается выражением
(4.31). Для приближенного учета аномалии вязкости подставим в это выра-
жение вместо постоянной вязкости эффективную вязкость. Положив средний
градиент скорости y=Uo/ho, получим:
ЗиД1/" Г~Р~
р®у ® + 5^3] (4-40)
Существование аномалии вязкости приводит к ослаблению зависимости
давления от скорости вращения и величины зазора, тем большему, чем больше
индекс течения.
Определим максимальное давление, полагая в выражении (4.40)
oz£3 (441
^макс— 2 h^1/n I/ 2/г0 52
Распорное усилие, приходящееся на единицу ширины валка, определим,
интегрируя уравнение (4.40):
,___7 f Зш,/? / Uo \Мп
Т = V2fl/i0 J Р (g) d£ = g2 (g2) (4.42)
ii
Здесь
g2(U = '1+tJ1 №1+ 1Ы +5II2|3(1 +lx2)] +
+ (1 - 3g22) (112 | arctg | g2 | — gi arctggx) (4.43)
Номограмма зависимости g2 от |g2| представлена на рис. 4.20. С увеличе-
нием |g2| значение функции gsdbl) довольно быстро растет. Так, при изме-
нении g2 от 0,2 до 0,3 значение gzdfel) возрастает почти в 5 раз. Это указы-
вает на существенную связь между объемом загрузки и распорным усилием.
Поэтому во избежание поломки вальцов никогда ие следует сразу загружать
на валки всю порцию вальцуемого материала. Напротив, необходимо загру-
жать' материал постепенно, с тем чтобы величина g2 росла вместе с увеличе-
нием температуры вальцуемого материала. Тогда увеличение распорного уси-
лия, вызванное ростом значения функции йДЬ), будет компенсироваться
уменьшением эффективной вязкости вследствие разогрева материала.
Аномалия вязкости приводит к значительному уменьшению распорных
усилий [см. уравнение (4.42)]. Для иллюстрации определим отношение рас-
порного усилия Тц, рассчитанного по формулам ньютоновского течения, к рас-
порному усилию Тч\ , рассчитанному с приближенным учетом аномалии в слу-
чае вальцевания расплава, для которого Цо-10-8 МПа-с1/2, а п=2 (при рас-
чете в ньютоновском приближении принимаем, что Цо= Ю_3 МПа-c; V/ha~
«250 с-’):
Гц = U/h0 _ fUy-Un
Tt\a~ tU/h^ln - /г0 ]
1/250= 15,4
Иначе говоря, распорное усилие, рассчитанное без учета аномалии вязко-
сти, оказывается примерно в 15 раз больше, чем распорное усилие, рассчи-
танное с учетом аномалии вязкости.
Из уравнения (4.43) видно, что распорное усилие очень сильно зависит
от расстояния между валками, увеличиваясь с его уменьшением. Это связано
с тем, что при уменьшении he одновременно увеличивается и, следователь-
но. S2&2) и возрастает множитель po(C/ho)1/n, поскольку ho входит в знаме-
натель. Экспериментально показано, что при уменьшении в 4 раза толщины
(калибра) каландруемой пленки (от 0,1 до 0,025 мм) распорное усилие воз-
росло в 4,8 раза (материал — наполненная композиция на основе поливинил-
хлорида). Казалось бы, аналогичное влияние на распорное усилие должна
оказывать и скорость вращения валков. В действительности этого не проис-
ходит, потому что одновременно с увеличением скорости вращения валков
возрастает интенсивность тепловыделения, что приводит к снижению вязкости.
4.4.2.3. Определение смесительного воздействия
Смесительное воздействие, которому подвергается материал при
однократном проходе через зазор вальцов, можно оценить, оп-
ределив среднюю деформацию сдвига, которая при этом реали-
зуется в вальцуемом материале. Для определения однородности
полученной смеси необходимо также оценить дисперсию дефор-
мации сдвига в провальцованном материале.
Деформация сдвига, которой подвергается материал, прохо-
дя через зазор, равна
У (ч) = У (ч)z (ч) (4-44)
где у(т]) —средняя скорость деформации; /(ч) —время пребывания материала
в зазоре.
Для определения времени пребывания материала в зазоре
необходимо найти среднюю скорость течения по зазору v для
Рис. 4.21. Основные геометрические
рактеристики процесса смешения
вальцах, вычисленные для Х=0,057:
1 - <р(|Ы); 2-F(jbj).
частицы с координатой тр
, ~*2
- 1 С 1 Г .
v= |х2| J vxdx— ^+1^1 J v^)dl=U0G(t\,l2) (4.45)
Ei
где
С(П»Ы = 0,5(Зт1а-1)<р(||2|) + (1+т]Х) (4.46)
/ I t t \ 1 + Bl 4~ | ^2 I 1 + I22 .. .v.
<P(ll2l)-l arctg l-gjgj ^+1^1 <4-47)
Учитывая полученное значение средней скорости, определим
время пребывания материала в зазоре:
+ I у2 I 1/2№р £1 ~Ь IВ21
v “Л, G(T],|2) • •
(4.48)
Средняя скорость деформации для жидкости, входящей в за-
зор по линии тока с координатой т], равна:
_ _—52
мь+”|
Е1
_________Ср_______f Зт] п £1+ I В2 I 1 . о,
— ^o(Bi+ 1B2D L2 (^)+Zarctg i-gd^i] (4-48)
> (I В2 I) = (I - Bl2) (arctg - -ПН?- - -rqzt) (4-49>
Функции'ф(|^21) иЛО^!) изображены на рис. 4.21.
Деформация сдвига, которой подвергается полимер, прохо-
дя через зазор, равна
т(п) = т(ч)/('п) =
= F (У + Z arctg [G Ob В2)] (4-50)
Прежде чем приступить к определению средней деформации
сдвига, введем дифференциальную функцию распределения
объемного расхода на выходе из зазора:
dq Vyhadri dri ......
f СП) d (11) = -Q- = Woho (1 _j_ ^2) = (i]X + 1) -g- (4.51)
С учетом этого выражения средняя деформация сдвига опре-
деляется по формуле*
____________ -|-1 ,
- 1 1Г 2R р ( + 3 \ -| Г 2R-
?=ТГ ~h^ J T01W + l)*l=^—з— + (4-52)
—1
где
Ф(1) Ф(—1) .
Л=-^--В (4.53) В = (4.54)
Ф = Z arcfg ' I' <4 55>
Для определения качества смеси необходимо кроме значения
средней деформации сдвига, характеризующей степень измель-
чения, определить и величину дисперсии деформации сдвига о2,
характеризующую разброс в значениях ширины полос:
°2= J — *)2/(*) dx = 7^ J (т — yj2Cnk+ 1)^4 =
Хмин
2Д27? / И \ я _
= ^г(1+-пг^) (4-56>
Изменение средней деформации сдвига при многократном
прохождении материала через зазор равно
Тх = Т» (4.57)
где i — число проходов.
При этом за счет переориентации материала, достигаемой
как вследствие воздействия периодического подрезания, так и в
результате существования циркуляционной составляющей тече-
ния, дисперсия деформаций остается неизменной. Благодаря
этому качество смеси (однородность), оцениваемое коэффициен-
том вариации, при каждом проходе возрастает.
Выражение, которым оценивается дисперсия при суммирова-
нии распределений, имеет вид
ох2 = о? + о22 + 2р12ого2
где О]2 и о22— значения дисперсии первого и второго распределения; pJ2—
коэффициент корреляции между распределениями.
Формулы (4.53) и (4.54) справедливы при | g21 <0,4.
Принимая, что вследствие рандомизации pi2=—0,5, а вели-
чина дисперсии при каждом проходе примерно одинакова, полу-
чим:
Че2 = а2 а2 — о2 = о2
Следовательно, качество смеси, оцениваемое коэффициентом"
вариации V (%), после i проходов через зазор будет опреде-
ляться соотношением
У = [а/(р)]-100 (4.58)
Используя выражения (4.56)-—(4.58), нетрудно рассчитать
число проходов, необходимое для получения смеси с заданной
однородностью. При этом время одного прохода всей имею-
щейся на валках смеси определится из выражения
Z1 = G/[2t/o/loPr(l+g22)]
(4.60)
где G — масса имеющейся на валках смеси; р — плотность; W — расстояние
между стрелками.
4.4.2.4. Напряжения сдвига в зазоре и крутящие моменты,
действующие на валки
Распределение напряжений сдвига в зазоре в случае вальцевания среды,
обладающей ньютоновской вязкостью, равно
_ 3r](g2-g22) + X(l + g2)
ду - h0 ' (1-f-g2)2
(4.61)
Приближенный учет аномалии вязкости через средний градиент скорости
дает выражение
_ ту/* зг] (g2 - g22)+х (i + g2)
^ху — (l-[_g2)2
.(4.61a)
На рис. 4.18 приведены значения напряжений сдвига в зазоре между
валками вальцов, рассчитанные для случая вальцевания резиновой смеси на
основе малонаполненного бутадиен-стирольного каучука СКМС-ЗОАРКМ. Из
рисунка видно, что с удалением от поверхности валков напряжения сдвига
довольно быстро падают. На кривых зависимости TxS=f(g) имеются два чет-
ких экстремума: один в области положительных напряжений сдвига, второй —
в области отрицательных.
Крутящий момент, создаваемый напряжениями сдвига, приходящийся на
1 см длины валка, может быть определен интегрированием уравнения (4.61)
при т=±1 в пределах от +gi до —g2 и умножением полученного результата
на радиус валка:
M = pn0'j/r-^-Z?[xarctg-^y^| ±4-^(1В2|)]
(4.62)
где К(Ц2|) определяется выражением (4.49) —см. рис. 4.21.
Здесь знак плюс относится к валку, для которого т]=—J—I. а знак минус —
к валку, для которого т]=—1.
Приближенный учет аномалии вязкости дает выражение
м=I* (хТVtt R I* “cte WB * 4F <1 ы >]
(4.62a)
Из уравнения (4 62) видно, что крутящий момент должен зависеть от h0,
R, щ Uo. Экспериментальные исследования показывают, что, подобно рас-
порному усилию, крутящий момент почти не зависит от окружной скоро-
сти. По-видимому, это обстоятельство является следствием постоянства
произведения р.01/01/п.
Мощность, рассеиваемая в вальцуемом материале на 1 см ширины зазора,
определяется выражением
Гг1 = (М1 + М2)-^- =
= гД j/"[2% arctg ( I £2 I )J
Приближенный учет аномалии вязкости даст выражение
Г’1'=(§L)1/” U° [2Х arctg +3f (1 1)]
(4.63)
(4.63a)
Мощность, необходимая для привода вальцов, оказывается существенно
большей, чем мощность, определенная выражением (4 63), так как значитель-
ная часть мощности расходуется на преодоление трения в подшипниках вал-
ков. Эту мощность можно определить, зная распорное усилие Т, коэффициент
трения подшипника и диаметр шейки валка d:
Wf = nd(N1 + Ni)fsT (4.64)
где d — диаметр шейки валка, Ni, N? — скорость вращения переднего и задне-
го валков; fs — коэффициент трения подшипника, приведенный к диаметру
шейки валка.
Полная мощность, необходимая для привода вальцов, определяется сум-
мированием выражений (4.63) и (4.64).
В уравнениях (4 40), (4.42), (4.61а), (4 62а) и (4.63а) аномалия вязкости
учитывается на основе степенного закона течения и среднего градиента ско-
рости, определенного выражением y—Ua/hu.
Можно видоизменить эти уравнения, положив в них п= 1 и определяя
эффективную вязкость непосредственно по кривой течения. Средний градиент
скорости сдвига будет при этом равен:
^=±1 = Ло(Ех+ Igal) ['2~f(l^l)±Xarctg (4-65)
4.4.2.5. Тепловой баланс и расчет системы охлаждения вальцов
Энергия, потребляемая электродвигателем вальцов, расходуется
на преодоление сил вязкого трения, возникающих при деформа-
ции вальцуемого материала, и сил трения в кинематических
элементах передач (трение в подшипниках, в шестернях и т. п.).
Вся энергия, расходуемая на деформацию полимера, превраща-
ется в теплоту д:
q = (4.66)
где т]2 —суммарный коэффициент полезного действия привода вальцов, учи-
тывающий потери трения в подшипниках валков Ощ =0,34-0,4); W — средняя
мощность, потребляемая двигателем привода.
Суммарное количество тепла, подведенного к вальцам и от-
данного ими, определится из уравнения теплового баланса:
<?=‘71 + (?2 + ‘7з + (74 (4-67)
где — количество тепла, унесенного со смесью; qz и qs— количество тепла,
отданного передним и задним валкам соответственно в окружающую среду;
____количество: тепла, унесенного охлаждающей водой из обоих валков.
Количество тепла, унесенного со смесью, равно
?i = Gcp(7'K— Тн) (4.68)
где G — масса смеси; ср — удельная теплоемкость смеси; Тк и Тк — конечная
и начальная температуры смеси соответственно.
Количество тепла q% и (Вт), отданное в окружающую сре-
ду лучеиспусканием (<?л) и конвекцией (<7к), составляет
?л = еЛ/2Т< (4.69)
?к = мк-14(7' — Т’в) (4-70)
где е — постоянная Стефана — Больцмана, равная 5,67-10-8 Вт/(м2-К4); А—
площадь теплоотдающей поверхности валков, м2; fn — коэффициент излуче-
ния, равный 0,11—0,85*; Т — температура поверхности валка, К; ак —коэффи-
циент теплоотдачи конвекцией; TB — температура окружающего воздуха, К.
Количество тепла, унесенного охлаждающей водой, равно
^4 = Qbcb ( Т'вх 7* вых) (4.70а)
где <2в — расход воды; се — удельная теплоемкость воды; Тг.х и Твых — темпе-
ратура воды на входе и выходе соответственно.
Для поддержания эффективной работы системы охлаждения
необходимо следить за чистотой внутренней поверхности цело-
сти валков, подвергая ее периодической очистке от минеральных
солей, осаждающихся из протекающей воды, которые, илщю'г
очень низкий коэффициент теплопроводности и поэтому,"резко
ухудшают условия теплопередачи через стенку валка?' Для
предотвращения загрязнения теплоотдающих поверхностей ох-
лаждающую (греющую) воду необходимо тщательно очистить
от механических примесей и растворимых солей.
4.4.2.6. Смазка вальцов
Для обеспечения длительной и бесперебойной работы вальцов
необходимо регулярно и тщательно смазывать все трущиеся де-
тали маслами и смазочными материалами, предусмотренными
инструкцией по эксплуатации (солидолом, автолом, машинным
маслом и т. п.). Особое внимание следует уделять смазке под-
шипников валков, так как при работе в них развиваются боль-
шие удельные давления и высокие температуры. Для нормаль-
ной смазки опорных поверхностей необходимо правильно уста-
* Меньшее значение относится к металлической поверхности валка, боль-
шее — к слою резиновой или полимерной массы.
В канализацию
Рис. 4.22. Схема установки контрольно-измерительных и регулирующих при-
боров у вальцов:
1 — режимные часы; 2 — регистрирующие приборы измерителей распорных усилий; 3 —
месдозы (датчики распорных усилий); 4 — манометр на линии охлаждающей воды; 5—
ртутные термометры; 6 — манометры; 7 — валки вальцов.
навливать зазор между шейкой валка и поверхностью втулки,
так как при очень больших зазорах масло будет вытекать из
подшипников, а при очень малых — может произойти задир
втулки из-за недостаточной толщины масляного слоя.
Для контроля за работой вальцов необходимо регулярно из-
мерять температуры валковых подшипников, температуру и рас-
ход охлаждающей воды, температуру поверхности валков. Типо-
вая схема установки контрольно-измерительных и регулирующих
приборов на вальцах приведена на рис. 4.22.
4.4.2.7. Техника безопасности при работах на вальцах
Важнейшими средствами и устройствами техники безопасности
на вальцах являются: устройства аварийного останова, приспо-
собление для реверса валков, кожухи и ограждения всех зубча-
тых передач, муфт и трансмиссионных валков.
Для быстрого останова вальцов используются аварийные вы-
ключатели электродинамического или электромагнитного тор’
можения. Мгновенный останов производят нажатием на тросик
(тягу), одновременно отключая при этом питание электродвига-
теля и включая электродинамическое торможение или электро-
магнитный колодочный тормоз. При этом загруженные вальцы
остановятся мгновенно, а на незагруженных вальцах макси-
мальный проворот, замеренный по смещению поверхности вал-
ка, не должен превышать 400 мм.
Перед началом каждой смены оператор должен в присут-
ствии мастера проверить исправность работы механизма аварий-
ного останова.
4.4.3. Двухроторные лопастные смесители
Простейший вариант двухроторного смесителя, широко приме-
няемый в промышленности переработки пластмасс, — это смеси-
тель с Z-образными лопастями. Несмотря на большое разнообра-
зие конструкций, во всех смесителях такого типа можно выде-
лить основные конструктивные элементы (рис. 4.23). Внутри
опрокидывающейся рабочей камеры 1 располагаются два Z-об-
разных ротора 2, вращающиеся навстречу друг другу с различ-
ными частотами вращения («=180—200 об/мин). Рабочая каме-
ра снабжена крышкой 8 с быстродействующим затвором 7. Ро-
торы приводятся во вращение электродвигателем 4, соединен-
ным цепной передачей 6 через муфту 5 с системой приводных
шестерен, установленных во встроенном редукторе 11. Камера
смесителя имеет рубашку 3, через которую пропускается тепло-
носитель (пар или смесь пара с конденсатом). В крышке каме-
ры смесителя имеются штуцер 9 для подачи жидких компонен-
тов и отвод 10 для удаления вакуумированием газообразных ле-
тучих из камеры.
Компоненты смеси загружаются при открытой крышке или
через загрузочный штуцер и попадают непосредственно на Z-об-
разные роторы, вращающиеся в камере, образованной корытом,
закрытым с торцов боковыми стенками. В стенках установлены
сальниковые уплотнения, препятствующие утечке перемешивае-
мой массы через зазоры между валом и стенками.
Когда смешение закончено, вращение роторов прекращается,
камера смесителя поворачивается с помощью механизма опро-
кидывания 12 на угол 110°, крышка камеры открывается и при
реверсе направления вращения роторов смесь выгружается.
Рис. 4.23. Смеситель с Z-образными роторами. Пояснения в тексте.
Смесители с Z-образными роторами можно классифициро-
вать по следующим признакам:
по технологическому назначению—1) смешение масс друг с
другом и с жидкостями; 2) растворение твердых и густых масс
в жидкости; 3) образование суспензий твердых масс в жидко-
стях или эмульсий жидкостей в густых массах; 4) измельчение
нежестких масс; 5) смешение порошкообразных материалов с
красителями;
по конструктивным особенностям — 1) емкость камеры
смесителя (5, 25, 100, 200, 400, 800, 2000 и 4000 л);
2) максимальная мощность привода (смеситель малой мощно-
сти— до 25 кВт, средней мощности — до 60 кВт, большой мощ-
ности— до 150 кВт); 3) способ выгрузки смеси (смесители с
опрокидывающейся камерой и с выгрузкой смеси через отвер-
стие в дне камеры); 4) форма лопастей (гладкие Z-образные,
защищенные накладками от истирания; зубчатые; с четырех-
крыльчатыми валами); 5) конструкция камеры (корыто без ру-
башки для обогрева; корыто с нагревателями сопротивления,
с жидкостным обогревом, с покрытием внутренних стенок нержа-
веющей сталью; 6) конструкция крышки камеры (герметичная
без давления; герметичные под давлением; для перемешивания
под вакуумом); 7) конструкция сальникового уплотнения (саль-
ник уплотнительный на атмосферное давление; двойные сальни-
ки, рассчитанные на работу при избыточном давлении или под
вакуумом).
Смесительная камера состоит из средней части и боковин,
соединенных между собой болтами. Детали камеры изготавли-
вают литьем из чугуна марки СЧ 18-36 или из листового проката
марки Ст.З.
Лопастные роторы изготавливают сварными. На гребни ло-
пастей по всей длине наплавляют специальный неискрящий
сплав, что исключает опасность искрения при ударах о твердые
Рис. 4,24. Роторы лопастных смесителей. Пояснения в тексте.
включения при работе и обеспечивает возможность взрывобез-
опасной работы в парах горючих органических растворителей
(бензин, толуол и т. п.).
Z-образные лопастные роторы (рис. 4.24, а—г) имеют уни-
версальное применение и могут использоваться при смешении
между собой высоковязких масс или смешении их с жидкостя-
ми. Лопасти с зубчатыми гребнями (рис. 4.24, е) используют
для размельчения и смешения волокнистых материалов. Двух-
крыльчатые лопастные валы (рис. 4,24, г) применяют для пере-
мешивания небольших количеств материала; четырехкрыльча-
тые (рис. 4.24, д) предназначены для перемешивания с целью
дегазации и растворения; многокрыльчатые валы (рис. 4.24, ж)
применяют для смешения и увлажнения сыпучих материалов.
Другие типы роторов, показанных на рис. 4.24, описаны в сле-
дующем разделе.
4.4.4. Двухроторные смесители закрытого типа
Смесители, роторы которых занимают около 60% общего объема
смесительной камеры, называют закрытыми роторными смесите-
лями (ЗРС). Их применяют для смешения полимеров с наполни-
телями, приготовления полимерных композиций, введения в по-
лимер стабилизаторов, пластификаторов, красителей и других
ингредиентов. Типичный ЗРС (рис. 4.25) состоит из камеры 2,
образованной двумя стальными полуцилиндрами и двумя боко-
выми стенками 19; внутри камеры навстречу друг другу вра-
щаются роторы 3. В массивных боковых стенках установлены
роликовые подшипники роторов 20. Зазор между стенкой и шей-
кой роторов уплотняется специальным устройством 18.
Смесительная камера монтируется на чугунной станине 1.
В верхней части камеры располагается загрузочное окно, над
которым установлена загрузочная воронка 5 с откидывающейся
заслонкой 6, передвигаемой пневмоприводом 4. При загрузке
смесителя заслонка отклоняется к стенке воронки и открывает
отверстие в боковой стенке прямоугольной загрузочной шахты,
по которой смешиваемые материалы ссыпаются в смесительную
камеру. По окончании загрузки заслонка возвращается в верти-
кальное положение, перекрывая при этом отверстие в стенке
шахты и препятствуя выбросу пылящих компонентов наружу
при работе смесителя.
В прямоугольной шахте расположен верхний затвор 10, уста-
новленный на штоке 9 воздушного цилиндра 7 с поршнем 8.
При загрузке смесителя затвор перемещается в крайнее верхнее
положение, открывая доступ в камеру смесителя. По окончании
загрузки затвор опускается вниз и через окно в камере-смесите-
ля давит на находящийся в камере материал, создавая в нем
избыточное гидростатическое давление, равное 0,35—0,7 МПа.
Выгрузка готовой смеси производится через нижнее окно в
камере, которое во время загрузки и смешения закрыто нижним
Охлаждающая
Вода
Рис. 4.25. Смеситель закрытого типа. Пояснения в тексте.
затвором 14, состоящим из фигурного клина, укрепленного на
корпусе пневмоцилиндра 15. Шток 13, на котором установлен
поршень пневмоцилиндра, укреплен на станине. Поэтому при по-
даче воздуха в одну из полостей цилиндра последний вместе с
клином перемещается по направляющим под смесительной ка-
мерой, закрывая или открывая камеру снизу. Подача сжатого
воздуха в цилиндр осуществляется через каналы, просверленные
в штоке 13.
В зависимости от формы поперечного сечения и конфигура-
ции роторов (см. рис. 4.24) различают ЗРС с овальными рото-
рами (рис. 4.24, з), с трехгранными и четырехгранными ротора-
ми (рис. 4.24, к) и с цилиндрическими роторами (рис. 4.24, и).
В отечественной промышленности получили распространение
ЗРС с овальными роторами — так называемые смесители типа
Бенбери.
Процесс ламинарного смешения сопровождается интенсив-
ным тепловыделением. Для отвода тепла смеситель имеет систе-
му охлаждения. Роторы охлаждают конденсатом, поступающим
во внутреннюю полость по трубам 16 и разбрызгиваемым по
всей полости ротора через установленные на трубке форсунки.
Из роторов охлаждающая вода сливается через воронку 17 и
поступает в установленную на линии стока воронку 12.
Стенки камеры могут прогреваться пропускаемым через па-
ровую рубашку паром и охлаждаться как пропусканием охлаж-
денного конденсата через рубашку, так и орошением стенок ка-
меры конденсатом снаружи, поступающим на -поверхность ка-
меры через многочисленные патрубки, присоединенные к коллек-
тору 11.
Гребень нижнего затвора 14 и верхний затвор имеют полости,
которые охлаждаются водой.
Привод ЗРС осуществляется, как правило, от синхронных
электродвигателей большой мощности через редуктор с помо-
щью шарнирной муфты 21. В настоящее время наиболее рас-
пространены два варианта кинематических схем привода.
Первый вариант (рис. 4.26, о) состоит из встроенного в сме-
ситель редуктора, первая ступень которого образована парой
приводных шестерен 4, а вторая — парой фрикционных шесте-
рен 3, которые передают вращающий момент от приводного ро-
тора 1 к ведомому ротору 2. При этом они одновременно обес-
печивают и необходимое соотношение скоростей вращения рото-
ров. Обычно передаточное число фрикционных шестерен лежит
в интервале 1,14—1,16. Частота вращения роторов производст-
венных смесителей составляет: для тихоходных смесителей —
около 20 об/мин, для быстроходных смесителей.— около
70 об/мин.
Обычно для привода смесителя используют быстроходный
синхронный электродвигатель мощностью 700 и более кВт с час-
тотой вращения выходного вала 750—1500 об/мин. Поэтому
между встроенным редуктором смесителя и двигателем уста-
3 t
Рис. 4.26. Кинематические схемы приводов ЗРС:
G — индивидуальный привод от быстроходного электродвигателя; б — привод- от быстро-
ходного электродвигателя через блок-редуктор и универсальные шарнирные муфты; 1,
2 — роторы; 3 — фрикционные шестерни; 4 — приводные шестерни; 5 — редуктор; 6 —
быстроходный электродвигатель; 7 — блок-редуктор; 8 — шарнирные муфты; 9 — синхрон-
ный быстроходный электродвигатель; 10 — возбудитель.
навливают дополнительный редуктор 5. Выходной вал редуктора
соединяется с ведущим валом редуктора смесителя посредством
эластичной муфты 10.
Недостатки привода такого типа: громоздкость, тяжелые ус-
ловия работы фрикционных-и приводных шестерен встроенного
редуктора, обычно расположенных внутри ограничительного ко-
жуха, а также перегрузки роторных подшипников распорными и
окружными усилиями, возникающими на шестернях привода.
Второй вариант привода (рис. 4.26, б) отличается наличием
только одного выносного, блок-редуктор а 7, совмещающего в се-
бе функции редуктора и фрикционных шестерен. Два выходных
вала блок-редуктор а соединяются с роторами смесителя посред-
ством валов с карданными шарнирами 8. Благодаря этому уда-
ется полностью разгрузить подшипники роторов от усилий, воз-
никающих в приводных и фрикционных шестернях. Все шестер-
ни—-как приводные 4, так и фрикционные 3 — располагаются в
общем блок-редукторе. Применение подшипников качения, вы-
сококачественных косозубых шестерен, циркуляционной систе-
мы смазки позволило создать компактный блок-редуктор для
передачи мощности, превышающей 1500 кВт. Карданные шарни-
ры 8 допускают небольшой перекос и смещение валов, между ко-
торыми они установлены. Это снижает требования к точности
монтажа,, упрощает и удешевляет сборку и установку смесителя.
Привод смесителя осуществляется от быстроходного электро-
двигателя 9, на одной оси с которым, установлен возбудитель 10.
Роторы смесителя. В настоящее-время в ЗРС применяют три
типа роторов. Овальные роторы (см. рис. 4.24, з) в поперечном
сечении имеют форму сужающегося к одному концу эллипса,
заостренный конец которого переходит в вершину винтовой ло-
пасти. Одна из них, имеющая большую длину (0,55—0,65 длины
ротора), расположена по винтовой линии с углом подъема око-
ло 30°, а вторая (0,35—0,45 длины ротора) — с углом подъема
около 45°. Угол охвата ротора каждой из лопастей не превыша-
ет 90°.
Трехгранные роторы ,(см. рис. 4.24, к), обычно применяющие-
ся в ЗРС фирмы «Вернер — Пфляйдерер», имеют лопасти, напо-
минающие зуб шевронной шестерни. Поперечное сечение этих
роторов имеет форму трехгранной призмы с вогнутыми гранями.
Винтовые роторы (см. рис. 4.24, и), обычно применяемые в
ЗРС фирмы «Интермикс — Шоу», состоят из цилиндрического
сердечника, на поверхности которого расположены два винтовых
выступа (угол подъема винтовой линии — около 42°).
Первые два типа роторов вращаются с различными скоро-
стями, так как гребни роторов не входят в зацепление. Винтовые
роторы вращаются с одинаковыми скоростями, так как выступы
нарезки одного ротора входят во впадины нарезки другого. Су-
ществует модификация овальных роторов, в которой на каждом
роторе вместо двух лопастей расположено по четыре — две длин-
ных и две коротких (см. рис. 4.24,л). Такие роторы обеспечива-
ют примерно полуторакратное сокращение времени смешения.
Роторы обычно изготавливают из стального литья. На гре-
бень (кромку лопасти) ротора для увеличения срока службы
смесителя наплавляют твердый сплав (победит, сормайт). На
гребни роторов, работающих во взрывоопасной среде, наварива-
ют неискрящие сплавы. Роторы смесителей обычно устанавлива-
ют на двух радиально-сферических роликовых подшипниках.
Наружное кольцо одного из подшипников жестко фиксируется
в корпусе, а второе выполняется плавающим. Смазка подшипни-
ков осуществляется от лубрикатора.
Уплотнения роторов. Для предотвращения потерь ингредиен-
тов через зазоры между цапфами вращающихся роторов и
стенками камеры в конструкции РЗС предусмотрены специаль-
ные уплотнения. Уплотнение сальникового типа (рис. 4.27) со-
стоит из установленной на роторе 1 манжеты 8 и набора медно-
графитовых колец 7, размещенных в стальной втулке 3, при-
крепленной к боковой стенке 2. Уплотняющее усилие создается
грундбуксой 6, на которую нажимают пружины 5, установлен-
ные по окружности уплотнения на шпильках 4. Для уменьшения
трения в зазоры между кольцами нагнетается смазка.
Лабиринтное уплотнение (рис. 4.28, а) состоит из запрессо-
ванной в стенку 2 неподвижной втулки 3 и подвижного кольца 4.
Втулка и кольцо имеют проточки в виде торцевых концентри-
Рис. 4.27. Уплотнение сальникового типа. Пояснения в тексте.
Рнс. 4.28. Бессальниковые уплотнения:
а — лабиринтное; б — торцевое.
Пояснения в тексте.
ческих канавок, так что выступы втулки входят в соответствую-
щие канавки, и наоборот. Узкий лабиринт, образованный таким
размещением деталей, создает препятствие выходу расплава из
камеры. Кроме этого на внутренней поверхности втулки 3 име-
ется винтовая канавка. Гладкая поверхность шейки ротора 1,
взаимодействуя с заполняющим канавку расплавом, приводит
его в движение. В результате находящийся в канавке расплав
начинает двигаться в сторону камеры смесителя против направ-
ления потока утечек, создаваемого избыточным давлением в ка-
мере.
Торцевое уплотнение с автоматически регулирующимся уп-
лотняющим усилием (рис. 4.28, б) состоит из напрессованной на
шейку ротора 1 центрирующей втулки 3, на которую насажена
уплотняющая втулка 8, прижатая пружинами 4 к бронзовому
кольцу 5, укрепленному в гнезде неподвижной обоймы 6. Втул-
ка 8 вращается вместе с ротором. Расплав, попадая в простран-
ство между стенкой 2 и втулкой 8, прижимает втулку к поверх-
ности кольца 5 с силой, пропорциональной давлению в камере
смесителя. Установленное между втулками 3 и 8 резиновое
кольцо 7 предотвращает утечку расплава через кольцевой зазор
между втулками. Кольцо 5 является сменной деталью, и его по
мере износа заменяют другим. В область контакта трущихся
частей подается смазка под давлением из лубрикатора.
4.4.4.1. Механизм смешения в камере ЗРС
Для качественного описания процесса смешения рассмотрим схе-
му взаимодействия рабочих органов смесителя (рис. 4.29).
В начальный период работы после загрузки всех ингредиентов
весь рабочий объем камеры и часть горловины загрузочной во-
ронки вследствие большого удельного объема части ингредиен-
тов могут быть заполнены материалом. На этой стадии верхний
затвор давит на смесь ингредиентов, находящуюся в горловине
загрузочной воронки, с усилием, складывающимся из веса затво-
ра и усилия, создаваемого пневмоцилиндром привода. По мере
смешения смесь становится более компактной и занимает уже
только рабочую камеру. На этой стадии верхний затвор замыка-
ет смесительную камеру, и его нижняя часть оказывается как
бы продолжением внутренней стенки камеры.
Полимерная композиция подвергается интенсивной деформа-
ции сдвига в серповидном зазоре между поверхностью камеры
и передней поверхностью лопасти смесителя (область 1 на
рис. 4.29) и в цилиндрическом зазоре между сердечником рото-
ра и стенкой камеры (область III). В начальный момент смеше-
ния скорость деформации сдвига во всем объеме материала
очень мала. Интенсивной деформации материал подвергается
лишь в областях I и II. Затем по мере разогрева материала и
его размягчения (плавления) деформации сдвига начинает под-
вергаться материал, находящийся в областях III и IV.
Двигаясь по винтовой поверхности лопасти, - материал пере-
мещается вдоль оси ротора. Суммируясь с движением по
окружности, это осевое перемещение приводит к тому, что на-
ходящаяся в серповидном зазоре смесь движется по сложной
траектории, напоминающей вытянутую вдоль оси ротора про-
странственную восьмерку. Двигаясь по таким перекрещиваю-
щимся под разными углами линиям тока, частицы смеси равно-
мерно распределяются по всему объему смесителя.
Рис. 4.29. Схема взаимодействия рабочих органов ЗРС. Пояснения в тексте.
4.4.4.2. Математическое описание процесса смешения в ЗРС
Рабочий объем смесителя закрытого типа можно разделить на три зоны:
серповидная область эффективного смешения; область между роторами, в ко-
тором осуществляется пространственная рандомизация пропущенной через
минимальный зазор порции смеси, и затылочная область, куда попадает поли-
мер, пропускаемый через минимальный зазор. При вращении ротора находя-
щийся в серповидном пространстве полимер, прижатый к поверхностям каме-
ры и ротора давлением верхнего затвора, прилипает к поверхности ротора
и увлекается ею в направлении вращения ротора. При этом часть материала,
находящаяся у входа в серповидную область (участок СЛ4), движется по стен-
ке камеры с проскальзыванием. В результате существования граничного тре-
ния давление на поверхности серповидного полимерного клина очень быстро
возрастает в соответствии со степенным уравнением
Р = P0(h1lh)flm (4.71)
где f — коэффициент трения; h — текущая величина зазора; т — уклон.
Как только давление достигает критической величины, обеспечивающей
полное прилипание полимера к внутренней стенке корпуса (1,0—5,0 МПа),
полимер начинает подвергаться деформации сдвига. Очевидно, что область,
занятая деформируемым материалом, составляет только часть серповидного
зазора, причем высота клина на входе в область определяется уравнением
'(4.71) и зависит как от интенсивности сужения серповидного пространства,
характеризуемого величиной уклона т, так и от коэффициента трения поли-
мер — металл f.
Для анализа движения полимера в серповидном зазоре рассмотрим мо-
дельную систему, в которой ротор неподвижен, а корпус вращается в направ-
лении, обратном направлению вращения ротора. Далее, если пренебречь кри-
визной поверхности корпуса, то движение полимерной смеси в серповидном
зазоре окажется подобным вынужденному течению вязкой жидкости в зазоре
между наклонными пластинками.
Для определения кинематических характеристик течения будем считать,
что полимерный расплав является вязкой ньютоновской жидкостью. Для опи-
сания картины течения воспользуемся системой координат, связанной с не-
подвижным ротором и ориентированной так, как это показано на рис. 4.30.
Введем безразмерную координату ^^y/h. Воспользуемся результатом, по-
лученным для вынужденного движения вязкой жидкости:
Vjc==t7(l_g)[l — 3g(l — ft*/ft)] (4.72)
Здесь ft* — сечение зазора, в котором давление экстремально, а градиент дав-
лений равен нулю:
2ftxft2 2а ftj
= ft, + ft2 = a + 1 : a=ftT
ft — текущая величина зазора; ft=ft(—true,
где m= (h\—hzj/L (L — полная длина за-
зора).
Рис. 4.30. Качественный анализ движения
полимеров в серповидном зазоре:
а — схема обращенного движения в системе ро-
тор — стенка камеры; б — распределение скоро-
стей в серповидном зазоре; в — поле давлений в
зоне эффективного смешения.
Скорость деформации, действующей в зазоре, получим, дифференцируя
выражение (4.72):
dv^ dvjg dg
ft*
dy d% dy
ft
(4.-73)
Деформация сдвига, которой подвергается полимер при однократном про-
ходе через зазор по линии тока с координатой g, равна
(4.74)
где
L
f 1 dv ,
) ~h~ ~d^~dX~сРедняя СКОР,ОСТЬ сдвига, действующая на мате-
fl
риал при его движении по линии тока с
координатой g; v
vdx —
о
линии тока с координатой g.
зоны: зону А, в которой существует
этой —------------------- ------
средняя скорость движения полимера по
Разделим область деформации на две
интенсивное встречное течение; границей
с высотой ft0 (в котором напряжение сдвига
нулю), равной
3a
ho = “ДТП
зоны является сечение канала
на поверхности ротора равно
(4.75)
(где a=fti/ft2 — относительное изменение глубины серповидного зазора), и зо-
ну В, в пределах которой встречное течение и циркуляция в зазоре отсутст-
вуют.
Распределение деформаций сдвига описывается выражениями:
в зоне А
ТА
6 (a—2)
m
2-3g , а +
-----111 —3
l-2g
(1-
а — 2
-1
2
(4.76)
в зоне В
2(2a—1)
Vb = ~ m
а 4- 1 За
(2-39-^-^
(1 —g) 1 — 3g 1
-—3(1—2g)
2a
За
а—1 1п ^аТ
(4-77)
Типичные кривые распределения деформаций сдвига в обеих областях,
вычисленные для смесителей с разным отношением а, приведены на рис. 4.31.
Обращает на себя внимание значительно большая величина деформаций сдви-
га, которым подвергается полимер, находящийся в зоне А.
Располагая аналитическим выражением для распределения деформации
сдвига, можно рассчитать среднюю деформацию, реализуемую в материале
при его проходе через каждую из этих двух зон. Для этого вначале необходи-
мо определить дифференциальную функцию распределения .расхода f(£)d£ на
выходе из зон А и В. По определению эта функция равна.
Г &)dl — q — ~ Uh*/2
(4-78)
КО
~ieoi--------------------------
Рис. 4.31. Распределение деформаций
и В; цифры у кривых — значения а.
ос
Рис. 4.32. Зависимость средней де-
формации сдвига у и дисперсии де-
формации сдвига D от относительной
длины зазора a (m=0,17); yi и у2—
средняя деформация сдвига, накапли-
вающаяся в зоне А и зоне В соответ-
ственно; Di и Di — дисперсия дефор-
мации сдвига в зоне А и зоне В со-
ответственно.
сдвига по сечению потока в зонах А
На выходе из зоны А при h=h0
/©=3(1-^
На выходе из зоны В при h=h2
ос. -4- 1 / а — 1 \
(4.79)
(4.79а)
Универсальное выражение, используя которое можно рассчитать среднюю
деформацию сдвига для каждой из зон, имеет вид
1
? = (4-80)
о
На рис. 4.32 приведены рассчитанные по формуле (4.80) зависимости сред-
ней деформации сдвига от относительной длины серповидного зазора, опре-
деляемой величиной а, для смесителя с т=0,17. При изменении а от 3 до
30 средняя деформация сдвига в зоне А увеличивается от 12 до 67 единиц.
В то же время средняя деформация у2, реализуемая в зоне В, увеличивается
от 7 до 18 едйниц. Видно, что большая часть деформации сдвига, которой
подвергается полимер при однократном проходе через серповидный зазор, на-
капливается в зоне А.
Используя известное выражение для аналитического определения дис-
персии
(?-?)2f(B)dg
(4.81)
можно рассчитать величину дисперсии деформации сдвига на выходе из зои А
и В как функцию относительной длины зазора.
Результаты такого расчета в виде кривых Di и также приведены на
рис. 4.32. Особый интерес представляет начальный участок кривых yi и Z>i.
Оказывается, что при Зсас4 дисперсия деформации сдвига на выходе из
зоны A (Di) составляет 2—12. Это значит, что коэффициент вариации, оцени-
вающий однородность смеси, уже после однократного прохода через зону А
будет составлять V= 11 -ь 17%. Очевидно, что для таких коротких зазоров
достаточно 10—15 проходов, чтобы получить однородную смесь с коэффи-
циентом вариации, равным 1—2%. Кстати, именно этим объясняется высокая
эффективность смесителя «Рото-Милл», в котором смешение происходит в се-
рии (20—30) коротких клиновидных зазоров с ««5. Этим же объясняется
увеличение эффективности смесительного воздействия в смесителях типа Бен-
бери при увеличении • числа рабочих лопастей с двух до четырех, так как при
этом одновременно уменьшается и длина рабочего зазора, что эквивалентно
уменьшению значения а.
Очевидно, что средняя деформация сдвига за i проходов увеличивается
в i раз. Однородность смеси, оцениваемая коэффициентом вариации, связана
с числом проходов выражением
V = T/o2/(yi) (4.82)
Для определения продолжительности одного прохода рассчитаем объем-
ную скорость прохождения смеси через зазор между гребнем лопасти и стен-
кой. Для потока единичной ширины объемный расход равен
Uh* 2а
2 ~uhz ац_1 (4.83)
Принимая, что суммарная длина обоих гребней на роторе равна I, а за-
грузка смеси между обоими роторами распределена равномерно, определим
время одного прохода:
G 1 а+1 1
Ъ= 2р I 2а Uft2
(4.84)
где G — масса одной загрузки; р — плотность смеси.
Полное время смешения определится числом проходов, обеспечивающих
заданную величину коэффициента вариации, рассчитанного по формуле (4.82).
4.4.4.3. Динамические характеристики процесса смешения
Для нахождения распределения напряжений сдвига в’ зазоре
воспользуемся выражением (4.73), описывающим распределение
скоростей сдвига:
U
т == ур = —р.
14-3(1—2g) 1
ft* \"|
~ft“JJ
(4.85)
Рис. 4.33. Распределение напря-
жений сдвига и нормированного
давления Р(х) =Р/РмаКс в серпо-
видном зааоре.
Типичная картина рас-
пределения напряжений
сдвига в области эффектив-
ного смешения, рассчитан-
ная по выражению (4.85),
приведена на рис. 4.33.
Для поверхности корпу-
са (g==0) можно выделить
две области напряжений:
область А, в которой на-
пряжения отрицательны и движущемуся клину приходится пре-
одолевать их противодействие, и область В, в которой напря-
жения положительны. Эта область находится за максимумом
давлений, и действующие в ней напряжения сдвига выталкива-
ют полимер из зазора.
Распределение давлений в серповидном зазоре на участке
вязкого течения описывается выражением
ДР =
6р£
1
а-|- 1
(4.86)
Типичный пример рассчитанного по этой формуле распреде-
ления давлений представлен на рис. 4.33.
Величина тормозящего момента, действующего на единичной
ширине серповидного зазора, определится как сумма момента,
возникающего на участке эйлерова трения, и момента, разви-
вающегося в области вязкого течения.
Определим момент, возникающий от сил эйлерова трения:
Mf — R J гтр ds — I1 (V/^i)!1
о
(4.87)
где ттр — напряжения от сил трения; ds — элемент дуги на поверхности кор-
пуса; si — координата точки, в которой кончается проскальзывание и начи-
нается прилипание; hi' — высота серповидного зазора, в котором достигается
условие прилипания (Р>0,5 МПа).
Величина момента, возникающего от сил вязкого трения, оп-
ределится из выражения
= Tds = -^--^41na' + -^-(a'-l)
V
(4.88)
где a'=hi/hz.
Если длина обеих лопастей вдоль ротора равна I, то суммар-
ный момент,’действующий на один ротор, равен
Afs = (Afz4-Af4)Ze (4.89)
где е — коэффициент, учитывающий фактическую длину камеры и равный от-
ношению эффективной длины стенки камеры к ее полной круговой длине.
Мощность, потребляемая смесителем, определяется с исполь-
зованием выражения (4.89) по формуле
IF = -|- Л4е2<1)2 (4.90)
где сог и й>2 — угловые скорости вращения роторов.
Приведенная математическая теория работы смесителя за-
крытого типа является только первым приближением. Она не
учитывает ни аномалии вязкости перемешиваемого материала,
ни изменения его температуры в процессе смешения. Тем не ме-
нее она дает правильную качественную картину процесса и мо-
жет служить оснЮвой для его более детального численного ис-
следования.
4.4А.4. Вспомогательные устройства и механизмы,
устанавливаемые на ЗРС
Автоматизированный ЗРС состоит из: механизированного скла-
да (системы бункеров) для хранения сыпучих ингредиентов;
участка развешивания компонентов, оснащенного автоматиче-
скими весами; системы дозаторов жидких ингредиентов; систе-
мы пневмотранспорта сыпучих ингредиентов, оснащенной воз-
духодувками, фильтрами и секторными питателями, подающими
гранулы из бункеров в линии пневмотранспорта; пульта управ-
ления.
Пульт управления состоит из центрального переключателя
выбора режима управления (автоматическое или ручное); тай-
мера (или другого программного устройства); кнопок ручного
управления; контрольной аппаратуры (вторичного прибора)
контроля температуры в камере смесителя; манометра, контро-
лирующего давление воздуха в верхнем затворе; ваттметра, ре-
гистрирующего мощность, потребляемую приводом смесителя;
мнемосхемы с системой сигнализации, характеризующей нали-
чие смазки в рабочих точках смесителя (подшипниках редукто-
ра, подшипниках роторов и т. д.).
Схема установки приборов на отечественном смесителе
СП 180 приведена на рис. 4.34. Управляющим органом является
командный электропневматический прибор типа КЭП, импульсы
от которого в запрограммированной последовательности посту-
пают к электромагнитным клапанам 2, 3 и 4, открывающим до-
ступ сжатого воздуха к приводным цилиндрам нижнего затво-
ра 16, к воздушным цилиндрам заслонки 14 и к воздушному ци-
линдру верхнего затвора 5. Переключатель 8 позволяет перейти
с автоматического управления приводами на ручное с помощью
Рис. 4.34. Схема установки контрольных и регулирующих приборов на смеси-
теле:
/, // — манометры; 2, 3, 4 — электромагнитные клапаны для управления соответственно
нижним затвором, цилиндрами заслонки и верхним затвором; 5— воздушный цилиндр
верхнего затвора; 6 — регистрирующий н регулирующий пневматический потенциометр;
7 — командный электроп невм этический прибор; 8 — переключатель с автоматического
управления на ручное; 9 — кнопки ручного (дистанционного) управления; 10 — сигнальные
лампы положения поршней в цилиндрах; 12 — расходомер на линии охлаждающей воды;
13 — регулирующий клапан; 14 — воздушный цилиндр заслонки; 15 — термопары; 16 —
воздушный цилиндр нижнего затвора.
кнопок 9. Положение поршней в цилиндрах, а следовательно, и
положение затворов и заслонки контролируется с помощью сиг-
нальных ламп 10. На линии подачи охлаждающей воды к рези-
носмесителю установлены манометр 11, расходомер 12 и регули-
рующий клапан 13.
С помощью термопар 15 и потенциометров 6 замеряется
температура смеси в камере смесителя. Одним из потенциомет-
ров можно регулировать подачу охлаждающей воды посредст-
вом регулирующего клапана. Приборы осуществляют: 1) управ-
ление воздушными приводами узлов; 2) контроль температуры
смеси; 3) регулирование подачи охлаждающей воды; 4) регули-
рование подачи смазки; 5) регулирование продолжительности
цикла смешения и др.
В случае установки смесителя в поточной линии управление
работой смесителя и других механизмов и машин, входящих в
линию, осуществляется со специального пульта управления.
ГЛАВА 5
ЭКСТРУДЕРЫ И ЭКСТРУЗИОННЫЕ АГРЕГАТЫ
5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКСТРУДЕРОВ
При экструзии расплав полимера продавливается через профи-
лирующий инструмент, в результате чего получается изделие
нужного поперечного сечения. Методом экструзии изготавлива-
ют самые разнообразные изделия, такие, как гранулы, трубы,
листы, пленки, профильные полосы, кабельные оболочки и мно-
гие другие.
Основным оборудованием для переработки полимеров мето-
дом экструзии являются одно- и многочервячные экструдеры.
В последнее время для переработки эластичных расплавов на-
чинают применять дисковые бесчервячные экструдеры, в кото-
рых давление экструзии создается по принципу эффекта Вайс-
сенберга. Наконец, в производстве изделий из фторпластов до
сих пор применяют плунжерные экструдеры.
Все многообразие конструкций существующих экструдеров
можно систематизировать с помощью семиступенчатой класси-
фикационной схемы (рис. 5.1). В соответствии с этой схемой
первая ступень (тип) определяет основной конструктивный при-
знак экструдера (одно- или двухчервячный, плунжерный, дис-
ковый). Вторая ступень (класс) обусловливает функциональное
назначение экструдера в наиболее общем виде. Третья ступень
(группа) определяет компоновку червяков (в одну или две сту-
пени). Четвертая ступень (ряд) обусловливает термодинамиче-
скую категорию и виды воздействия на перерабатываемый по-
лимер. Пятая ступень (исполнение) определяет наличие или от-
сутствие зоны дегазации расплава, шестая ступень (модель) —
размерные характеристики экструдера по диаметру червяка и
его относительной длине (D, L/D). Седьмая ступень (вид) ха-
рактеризует особенности конструкции многочервячных экструде-
ров (направление вращения червяков, наличие или отсутствие
взаимозацепления).
В соответствии с этой схемой классификации можно ввести
кодированное обозначение экструдера, используя запись в виде
последовательности групп цифр, отделенных друг от друга ко-
сой чертой, например Э/102/201/301/402/501/6032015. Здесь бук-
ва Э означает, что речь идет об экструдере, сочетание 102 по-
казывает, что на первой ступени (отделяется от последующей
цифры нулем) экструдер относится к типу 2 (одночервячный);
сочетание 201 означает, что на второй ступени экструдер отно-
сится к классу 1 (пластицирующий); сочетание 301 означает,
что на третьей ступени экструдер относится к группе 1 (односту-
пенчатый) ; сочетание 402 показывает, что на четвертой ступени
Экструдеры
Рис. 5.1. Схема классификации экструдеров. Пояснения в тексте.
Рис. 5.2. Принципиальная схема одночервячного экструдера. Пояснения в
тексте.
экструдер относится к ряду 2 (специальный автогенный); соче-
тание 501 означает, что на пятой ступени экструдер относится к
машинам с зоной дегазации; сочетание 6032015 означает, что
диаметр червяка равен 32 мм, a L/D = 15.
Выпускаемые отечественной машиностроительной промыш-
ленностью универсальные экструдеры имеют относительную
длину червяка, равную 20, 25 и 30 диаметрам. Отношение дли-
ны рабочей части червяка к диаметру L/D у отечественных
двухчервячных экструдеров составляет 12 и 15.
5.2. КОНСТРУКЦИЯ ОДНОЧЕРВЯЧНОГО ЭКСТРУДЕРА
Одночервячный экструдер (рис. 5.2) состоит из червяка 1, вра-
щающегося внутри цилиндрического корпуса 2, на котором
установлен бункер И. Внутри корпуса, как правило, запрессо-
вывается гильза 3 с азотированной, закаленной и термообрабо-
танной поверхностью. Обогрев корпуса осуществляется нагрева-
телями 4, сгруппированными в несколько (как правило, три или
четыре) тепловых зон. На конце корпуса устанавливается голов-
ка с профилирующим инструментом 5, соединяющаяся с кор-
пусом экструдера посредством адаптера 6. Между червяком и
адаптером располагается решетка с пакетом фильтрующих се-
ток 7. Корпус устанавливается на станине 8. Осевое усилие вос-
принимается блоком упорных подшипников 10. Привод червяка
осуществляется от регулируемого электродвигателя через шес-
теренчатый редуктор 9. Бункер изготавливается из листовой
стали или алюминиевых сплавов со смотровым окном для конт-
роля за уровнем находящегося в бункере материала. Для пе-
реработки материалов, склонных к сводообразованию (зависа-
нию), в бункере устанавливают перемешивающее устройство.
Бункера экструдеров, предназначенных для переработки мате-
риалов с низкой сыпучестью (порошки, отходы производства
пленок и нитей), оборудуют устройствами для предварительно-
го уплотнения материала. Для переработки гидрофильных по-
Рис. 5.3. Бункер с предварительным
подогревом гранул:
1 — распределительные сопла; 2 — корпус
бункера; 3 — магнитный затвор; 4 — патру-
бок для отвода воздуха; 5 — загрузочный
люк; 6 — промежуточная емкость; 7— за-
слонка, регулирующая подачу горячего
воздуха; 8 — калорифер с регулятором тем-
пературы подогрева воздуха; 9— вентиля-
тор; 10 — загрузочная воронка экструдера.
лимеров применяют
вакуумированием с целью уда-
ления влаги и летучих. В не-
которых случаях используют
бункера, в которых материал
подогревается горячим возду-
хом (рис. 5.3).
Червяки. В современных
экструдерах применяются чер-
вяки с относительной длиной
LfD = 154-35. Диаметр червя-
ков регламентируется ГОСТ 14773—80 и может составлять 20;
32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 450; 630 мм. Наиболее
распространены так называемые зонированные червяки (рис.
5.4), на которых можно выделить зону питания L3, зону плав-
ления Гпл и зону дозирования £д. Основные конструктивные
параметры каждой зоны приведены в табл. 5.1.
Экструзионный материал может поступать на переработку в
виде гранул или порошка. Гранулы загружаются в бункер и че-
рез загрузочное отверстие поступают к червяку. Продвигаясь
вдоль червяка, гранулы расплавляются, расплав продавливает-
ся через решетку и пакет фильтрующих сеток. Затем расплав
проходит через конический диффузор (адаптер) в головку, в ко-
торой установлен профилирующий инструмент.
Червяк-—это основной рабочий орган экструдера. Он заби-
рает непластицированный материал от загрузочного отверстия,
пластицирует его и равномерно подает в Виде гомогенного рас-
плава к головке. Продвигаясь по каналу червяка, материал
разогревается как за счет тепла, выделяющегося вследствие
вязкого трения, так и тепла, подводимого от расположенных
на корпусе нагревателей. В результате уплотнения из материа-
ла удаляется захваченный вместе с гранулами (или порошком)
Рис. 5.4. Пластицирующий червяк с явно выраженной зоной плавления.
Таблица 5.1. Основные конструктивные параметры червяка (шаг нарезки
tilD=0,8—l,2)
Зона червяка Длина зоны L/D Глубина винтового канала Ширина гребня на- резки e-JD Радиальный зазор д* ID
Зона питания 2—10 0,12—0,16* 0,08—0,1 0,06—0,1
Зона плавления 1—15** Плавно уменьшается от /11 ДО /10 0,05—0,1 0,002—0,005
Зона дозирования 2-12 0,б(1 —Г1—-^-(1 — 1 L \ 0,08—0,1 0,002—0,005
h \11/ \*** _1_| '2 1 ~ D J] J
* Постоянная или плавно уменьшается.
** Выбирается по экспериментальным данным об изменении удельного объема ма-
териала по длине червяка.
*** Здесь К — степень сжатия.
воздух, и удельный объем пробки гранул уменьшается. Для ком-
пенсации уменьшения удельного объема гранулята канал чер-
вяка выполняется с уменьшающимся объемом витка. Поэтому
глубина винтового канала червяка на выходе всегда меньше,
чем на входе.
По характеру процессов, протекающих на каждом участке
червяка, его обычно можно разделить по длине на три основ-
ные зоны:
зона питания (или зона загрузки) — участок, на котором пе-
рерабатываемый материал находится в твердом состоянии;
зона сжатия (или зона плавления) — участок, на котором
почти полностью происходит плавление материала;
зона дозирования — участок, на котором материал находит-
ся в расплавленном вязкотекучем состоянии.
Червяк, представленный на рис. 5.4, имеет явно выражен-
ную зону плавления. В зоне питания глубина канала макси-
мальна. В зоне плавления она постепенно уменьшается до. зна-
чения, соответствующего зоне дозирования. По мере приближе-
ния к головке площадь поперечного сечения канала червяка
сокращается. Это достигается в результате уменьшения глуби-
ны канала червяка, вследствие снижения шага нарезки или за
счет того и другого одновременно.
Отношение объемов витков винтового канала в начале и в
конце зоны плавления (геометрическая степень сжатия) рассчи-
тывают по формуле
где Dsi=D—2hi — диаметр сердечника червяка в начале зоны плавления;
Ds2=D—2fto — диаметр сердечника червяка в конце зоны плавления (начало
зоны дозирования).
Из опыта известно, что степень сжатия должна выбираться
в зависимости от типа полимера:
Гранулированный ПЭНП
Порошкообразный ПЭНП
Гранулированный ПЭВП
1,5—3
3—5
2—2,5
2,5—3
1,5—2,2
Пластифицированный ПВХ
Непластифицироваиный ПВХ
Червяки современных экструдеров изготавливают из нержа-
веющих хромомолибденовых, хромоникелевых сталей. Высокая
поверхностная твердость обеспечивается различными видами
термообработки (закалкой, цементацией с последующей закал-
кой, азотированием). Гребни нарезки червяков, предназначен-
ных для переработки композиций с абразивным наполнителем,
защищают, наваривая покрытие из твердых сплавов с твердо-
стью HRC^70.
При работе экструдера на червяк действуют значительные
осевые и радиальные усилия, для восприятия которых в каче-
стве опор применяют конические самоустанавливающиеся под-
шипники, воспринимающие осевые и радиальные усилия, в со-
четании с радиальными подшипниками, воспринимающими толь-
ко радиальные усилия. При расчете подшипников стандартны-
ми методами принимают, что давление в конце червяка (для
подсчета осевой составляющей) равно 70—80 МПа, а срок
службы — 30-103 ч.
Корпус. Корпус одночервячного экструдера изготавливают
из поковок, выполненных из стали 45. Крепление корпуса к
блоку подшипников осуществляют фланцевым соединением.
Гильзы изготавливают из нержавеющей стали, внутреннюю по-
верхность цементируют и азотируют. В экструдерах, предназна-
ченных для переработки материалов, наполненных абразивным
Рис. 5.5. Фланцевое крепление обычными болтами:
1 — фланец корпуса экструдера; 2 — фланец головки; 3 — болт; 4 — решетка фильтра с
пакетом сеток; 5 — опорное кольцо; 6 — червяк: 7 — втулка крепления фильтра.
Рис. 5.6. Фланцевое крепление откидными болтами (поз. 1—7 см. на рис. 5.5).
Рис. 5.7. Крепление стяжными хомутами:
3 — нижняя половина хомута; 8— верхняя половина хомута (остальные обозначения см.
на рис. 5.5).
Рис. 5.8. Байонетно-резьбовой затвор:
1 — резьбовое кольцо; 2 — корпус экструдера с резьбой на конце; 3 — неподвижное упор-
ное кольцо на корпусе головки (остальные обозначения см. на рис. 5.5).
наполнителем, применяют гильзы, внутренняя поверхность ко-
торых покрывается твердым износостойким сплавом (победит,
ксиллой), или борированные биметаллические гильзы длиной
(3-т-4)£). Для переработки порошкообразных полимеров на уча-
стке зоны питания устанавливают втулку с рифленой внутренней
поверхностью.
Корпус экструдера может соединяться с головкой при по-
мощи одного из следующих четырех типов соединений: 1) флан-
цевое крепление обычными болтами (рис. 5.5); 2) фланцевое
крепление откидными шарнирными болтами (рис. 5.6); 3) бы-
стродействующий затвор, состоящий из двух стяжных клиновых
хомутов (рис. 5.7); 4) быстродействующий байонетный затвор,
состоящий из установленной на корпусе байонетной гайки и не-
подвижного упорного фланца, укрепленного на головке (рис.
5.8).
Преимущество быстродействующих затворов состоит в том,
что для их отпирания или запирания достаточно освободить или
затянуть только один конструктивный элемент. На больших
экструдерах (с диаметром червяка более 250 мм) для стяжных
клиновых хомутов вместо винтового механизма применяют гид-
равлический или пневматический цилиндр.
Обогрев корпуса осуществляется нагревателями сопротивле-
ния. Иногда для этой цели применяют индукционные нагревате-
ли, паровой или масляный обогрев.
Для отвода избыточного тепла, выделяющегося из-за вязкого
трения в зонах плавления и дозирования, а также для обеспече-
ния нужного температурного режима в зоне питания служит
система охлаждения. Чаще всего корпус экструдера охлаждают
при помощи систем воздушного охлаждения, обеспечивающих
плавное снижение температуры со скоростью около 2,5 град/мин.
Для этого на экструдере устанавливают систему воздушного
охлаждения, состоящую из одного или нескольких вентиляторов,
системы воздухопроводов и заслонок, управляющих подачей
охлаждающего воздуха.
Для поддержания заданного температурного режима слу-
жит система тепловой автоматики, включающая в себя комп-
лект термопар и комплект регулирующих приборов, собранных
в общий пульт тепловой автоматики. Обычно регулирование
температуры тепловой зоны ведут по показаниям термопары,
установленной в середине зоны, причем отверстие, в которое
вставляется термопара, высверливается до половины толщины
стенки корпуса. Такое расположение термопары имеет два не-
достатка: 1) значительное отклонение замеряемой температуры
от фактической, так как спай термопары регистрирует некото-
рую промежуточную температуру между температурой поверх-
ности нагревателя и температурой внутренней поверхности кор-
пуса; 2) большое время запаздывания и значительные колеба-
ния температуры, так как утопленная термопара не сразу реа-
гирует на изменение температуры расплава или нагревателя.
Более точное поддержание температуры обеспечивает при-
менение систем каскадного регулирования температуры (рис.
5.9), в которых используются две термопары. Одна из термопар
(регулирующая) располагается непосредственно у поверхности
нагревателя и сразу же реагирует на изменение теплового по-
тока, спай второй погружается в расплав или устанавливается
на очень небольшом расстоянии от внутренней стенки корпуса.
Сигнал с этой термопары Тм подается на вход главного пропор-
Рис. 5.9. Схема каскадного регулирования температуры:
Н — нагреватели; Л—Г, — температуры тепловых зон экструдера; —Tsi — уставов-
лениые температуры на регуляторах зон; Тм — температура расплава иа выходе из чер-
вяка (или температура внутренней стенки корпуса); RH1—RH4 — регуляторы температур
каждой из зон.
ционально-интегрального регулятора Rc, который сравнивает
его с установленной величиной Ts и корректирует установку ис-
полнительных регуляторов Rhi—Rh4, соединенных с регулирую-
щими термопарами Тяг-, управляющими включением и выключе-
нием нагревателей Н. Такая система регулирования обеспечи-
вает автоматическую корректировку температуры поверхности
корпуса, которая изменяется до тех пор, пока температура рас-
плава (или внутренней поверхности корпуса) не достигнет за-
данного значения.
Фильтр для расплава. Для предотвращения попадания в
формующий инструмент частиц непроплавленного полимера на
выходе из экструдера устанавливается пакет фильтрующих се-
ток. Обычно пакет набирается из трех-четырех сеток с отвер-
стиями различной величины. При этом в основание пакета укла-
дывается опорная сетка с самыми крупными ячейками. Затем
устанавливаются одна или две промежуточные поддерживаю-
щие сетки, на которые накладывается последняя фильтрующая
сетка с самыми мелкими ячейками. Собранный таким образом
пакет устанавливается на решетку и вставляется в корпус экс-
трудера между червяком и головкой. При установке пакета
необходимо следить за тем, чтобы мелкая фильтрующая сетка
была расположена с внешней стороны пакета. В противном
случае давление расплава прорвет сетку и выдавит ее в от-
верстия решетки.
Такие фильтры рассчитаны на задержание частиц с линей-
ным размером не менее 200 мкм.
В экструдерах, применяемых для изготовления сверхтонких
конденсаторных или магнитофонных пленок, устанавливаются
специальные фильтры, обеспечивающие улавливание посторон-
них включений размером до 16 мкм. Обычно такие фильтры
состоят из двухпозиционной кассеты, в каждое из гнезд кото-
рой вставляется по фильтрующему элементу. Замена фильтра
производится без остановки экструдера, простым передвижени-
ем кассеты с помощью гидравлического * или пневматического
сервопривода. Сигналом, указывающим на необходимость заме-
ны фильтра, является повышение давления в расплаве перед
фильтром. Еще более тонкой очистки удается добиться, приме-
няя фильтрующие элементы, в которых в качестве наполнителя
используют кварцевый песок. В таких фильтрах задерживаются
частицы размером мкм.
Конструкция фильтров, предназначенных для очистки рас-
плава, должна удовлетворять следующим требованиям: а) обес-
печивать замену фильтрующих сеток при минимальной продол-
жительности остановок (или без них) технологического процесса;
б) должна быть герметичной, не допускать утечек расплава
как мимо фильтрующих сеток, так и в окружающую среду;
в) гидравлическое сопротивление фильтра должно быть мини-
мальным; г) в процессе фильтрации в фильтре не должно воз-
никать застойных зон; д) распределение температуры в рас-
Рис. 5.10. Схемы конструкции фильтров шиберного типа:
а — с механическим перемещением гнезд для фильтрующих сеток; б — с самопереме-
щающейся сеткой; в — с промывкой сетки обратным потоком.
Пояснения в тексте.
плаве при прохождении через фильтр должно оставаться неиз-
менным.
Конструкции фильтров классифицируют по характеру фильт-
рующих элементов (шиберного, кассетного и пробкового типа)
и по числу фильтрующих элементов (одно- и двухкамерные).
Схема однокамерного фильтра шиберного типа приведена
на рис. 5.10. Основным рабочим органом такого фильтра явля-
ется шибер / (рис. 5.10, а), который перемещается с помощью
механического привода, поочередно вводя в корпус экструдера
фильтрующие сетки 2 и 3. В фильтре с рулонной самопереме-
щающейся сеткой (рис. 5.10,6) сетка / протягивается через
щель в корпус 2 потоком утечек, расход которого определяет-
ся величиной зазора между корпусом и сеткой со стороны вы-
хода сетки. В самоочищающемся фильтре (5.10, в) засоренная
сетка очищается обратным потоком расплава. Для этого диск 1
поворачивается таким образом, чтобы установленный в нем па-
кет сеток совместился с отверстием, соединяющим камеру
фильтрации 2 с атмосферой. Проходящий через пакет сеток в
обратном направлении поток расплава промывает фильтр от
находящихся на сетке включений.
Рис. 5.11. Конструкция шиберного фильтра Пояснения в тексте.
Типичная конструкция шиберного фильтра приведена на
рис. 5.11. Фильтр состоит из корпуса 6, внутри которого пере-
двигается плоская плита 1 с гнездами 3 и 4 для фильтрующих
сеток. Пакеты сеток 2 установлены на решетках 14 и зафиксиро-
ваны стопорными кольцами 15. Винт 16 служит для продольно-
го перемещения плиты 1. Уплотнение достигается за счет при-
жатия втулки 9 к торцевой поверхности плиты 1 и растяжения
давлением расплава фторопластового кольца 7. Для увеличе-
ния усилия, с которым втулка 9 прижимается к плите, на втул-
ке укреплена обтекаемая торпеда 8. Обогрев корпуса 6 и огра-
ничительной плиты 12 осуществляется электронагревателем 13
с регулирующей термопарой 10. Крепление фильтра к корпусу
экструдера и адаптеру головки осуществляется болтами 5v.ll.
Большей универсальностью обладают кассетные фильтры
(рис. 5.12) с цилиндрической фильтрующей сеткой, имеющей
гладкую или гофрированную поверхность (с продольными или
поперечными гофрами). Фильтрующий элемент 8 состоит из трех
концентрических перфорированных цилиндров 3, 4 и 5 с закреп-
ленными на их поверхности фильтрующими сетками и устанав-
ливается непосредственно в корпусе 2 адаптера формующей го-
ловки. Расплав из экструдера попадает в каналы фильтрующего
элемента 8, а затем проходит через отверстия 1 в цилиндрах и
ячейки фильтрующих сеток и попадает в формующую головку.
Обогрев корпуса фильтра осуществляется нагревателем 7 с ре-
гулирующей термопарой 6. Благодаря большой фильтрующей
поверхности срок непрерывной работы такого фильтра может
достигать одного месяца.
В настоящее время в оборудовании для переработки поли-
меров наиболее широко используют фильтры шиберного типа
(с ручным или гидравлическим приводом шибера) и фильтры
кассетного типа с фильтрующей сеткой цилиндрической формы.
Привод экструдера. Способы регулирования частоты враще-
ния червяка зависят от необходимого диапазона регулирова-
ния. Чаще всего в качестве привода применяют электродвига-
тели постоянного тока с тиристорным управлением и коллектор-
ные двигатели переменного тока. Некоторое распространение
получил гидропривод и асинхронные двигатели в сочетании с
механическими шестеренчатыми редукторами. Зависимость час-
тоты вращения от диаметра червяка показана на рис. 5.13.
Верхняя граница рабочей области выбрана из условия обеспе-
Рис. 5.13. Зависимость частоты вра-
щения червяка от его диаметра. Гра-
фик построен по результатам обра-
ботки паспортных данных 500 совре-
менных экструдеров.
Рис. 5.14. Зависимость максимального вращающего момента от диаметра чер-
вяка.
чения безопасной с точки зрения механодеструкции максималь-
ной скорости вращения червяка (максимальная скорость сдви-
га).
Выбранный привод должен надежно обеспечивать необходи-
мый для работы экструдера вращающий момент во всем рабо-
чем диапазоне частот вращения червяка. Зависимость вращаю-
щего момента от диаметра червяка приведена на рис. 5.14.
Удельные энергозатраты при экструзии складываются из
энергии, потребляемой приводом червяка, и энергии, потреб-
ляемой нагревателями корпуса и головки. С увеличением час-
тоты вращения червяка доля энергии, расходуемой на привод
червяка, увеличивается, а используемой нагревательными эле-
ментами — соответственно уменьшается.
Электроприводы со стабилизацией частоты
вращения червяка. Диапазон регулирования частоты вра-
щения червяков составляет около 1 : 10 (для приемных устройств
диапазон регулирования скорости несколько шире-—от 1 : 30 до
1:50). В настоящее время для регулирования частоты враще-
ния двигателя наиболее широко применяют систему тиристор-
ный преобразователь — двигатель постоянного тока (ТП—Д) с
питанием якорной цепи двигателя от регулируемого тиристор-
ного преобразователя при неизменном токе возбуждения дви-
гателя.
Принципиальная схема автоматической системы регулирова-
ния частоты вращения (АСР) приведена на рис. 5.15. Как и
большинство современных АСР, она имеет два контура регу-
лирования: внутренний (подчиненный)—замкнутый контур ре-
гулирования силы тока с регулятором РТ и измерителем силы
тока ДТ — и внешний (основной) контур регулирования час-
тоты с тахогенератором в качестве датчика частоты ДЧ и регу-
лятором, установленными в цепи обратной связи. При таком
исполнении АСР тиристорный преобразователь ТП, охваченный
отрицательной обратной связью по току, играет роль регулируе-
мого источника питания с большим внутренним сопротивлени-
ем; заданное значение силы тока определяется выходным сиг-
налом регулятора частоты РЧ. Ограничение максимальной си-
лы тока двигателя Д (следовательно, и крутящего момента) до
стигается в такой системе ограничением величины выходного
сигнала основного' регулятора РЧ. Системы управления приво-
дом такого типа вследствие малой инерционности тиристорных
преобразователей обладают высоким быстродействием.
Аппаратура управления экструдеров обычно состоит из пуль-
та управления и шкафа тепловой автоматики. На пульте управ-
ления располагается аппаратура управления двигателем приво-
да, кнопки пуска и останова экструдера и приборы, показыва-
ющие основные параметры процесса: частоту вращения червя-
ка, силу тока в цепи двигателя -привода, температуру и давление
расплава на выходе из червяка. В шкафу тепловой автоматики
устанавливаются приборы для контроля и регулирования тем-
пературы тепловых зон.
В настоящее время широкое распространение получают мик-
ропроцессорные системы управления. В таких системах все
управление процессом экструзии осуществляется микроЭВМ,
в программирующий блок которой лишь вводится перфокарта с
заданным технологическим режимом. Применение ЭВМ с мик-
ропроцессором позволяет производить быструю переналадку
оборудования при переходе с выпуска одного изделия на выпуск
другого. Более качественное ведение процесса дает возможность
уменьшить поле допуска на разнотолщинность изделий и сокра-
тить на 6—10% расход пластмасс.
5.3. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭКСТРУДЕРА
Зона питания. Полимер в виде гранул, порошка или непрерыв-
ной ленты (экструзия резиновых смесей) поступает через за-
грузочную воронку в канал червяка и увлекается им за счет
разности сил трения между полимером и стенкой цилиндра и
полимером и стенками винтового канала. Очень грубой аналоги-
Рис. 5.15. Схема замкнутой автоматической системы регулирования частоты
вращения двигателя постоянного тока с тиристорной системой управления.
Пояснения в тексте.
ей движения полимера на этой стадии является взаимодействие
винта и гайки. Если представить, что масса поступающего че-
рез бункер полимера — это гайка, а червяк — винт, то в этом
случае при вращении винта гайка начинает перемещаться вдоль
винта. Следует лишь иметь в виду, что эта гайка имеет также
возможность проскальзывать относительно стенок цилиндра,
препятствующих ее вращению. Поэтому фактическое расстоя-
ние, на которое перемещается такая гайка-полимер за один
оборот червяка, не равно шагу нарезки, а за счет проскальзы-
вания полимера относительно стенок оказывается во много раз
меньшим.
По мере движения полимера по червяку в нем развивается
высокое гидростатическое давление. Возникающие на контакт-
ных поверхностях силы трения при движении полимера созда-
ют работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на на-
грев полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за
счет теплопроводности от стенок цилиндра, температура кото-
рых обычно превышает температуру поступающего в экструдер
полимера.
Верхний предел, до которого нагревают стенку цилиндра в
зоне питания экструдера, определяется значением коэффициен-
та трения и его температурной зависимостью. При слишком
высокой температуре стенки интенсивные тепловыделения за
счет работы внешнего трения и недостаточный теплоотвод вы-
зывают преждевременное плавление пристенного слоя полиме-
ра. При этом сила трения резко падает, полимер начинает пол-
ностью проскальзывать относительно стенки цилиндра, и его
движение по червяку прекращается. При нормальном темпе-
ратурном режиме вначале образуется длинная пробка из поли-
мера, которая проталкивается силами трения по винтовому ка-
налу. Длина пробки должна быть достаточно велика для того,
чтобы развивающаяся вследствие относительного движения
продольная толкающая сила обеспечивала проталкивание по-
лимера через зону плавления.
По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка
давление в ней возрастает, пробка уплотняется; поверхность
пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой цилиндра, на-
гревается, и на ней образуется тонкий слой расплава. Постепен-
но толщина этого слоя увеличивается; когда она сравняется с
размером радиального зазора между стенкой корпуса и греб-
нем нарезки червяка, он начинает соскребать слой расплава со
стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сече-
ние червяка является фактически концом зоны питания и на-
чалом зоны плавления.
Зона плавления. В пределах зоны плавления полимерная
пробка расплавляется под действием тепла, подводимого от
стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое рас-
плава за счет вязкого трения. Принципиальная схема механиз-
ма плавления приведена на рис. 5.16, на котором представлено
Рис. 5.16. Схема процесса плавления.
Пояснения в тексте.
сечение червяка на этом участке плоскостью, нормальной к оси
винтового канала. Суммарный эффект поступательного движе-
ния полимерной пробки и вращения червяка проявляется в су-
ществовании относительного движения между стенкой корпу-
са 1 и пробкой 4 в направлении к толкающей стенке. Под дей-
ствием этого движения в тонком слое расплава 2, образовав-
шемся на наружной поверхности 3 пробки (поверхность разде-
ла фаз), возникает течение, направленное к толкающей стенке
канала 6. Этот расплав натыкается на толкающую стенку, по-
ворачивает вдоль нее и собирается в поток 5, оттесняя матери-
ал пробки к передней стенке. В результате этого оттесняющего
действия высота пробки h—б остается примерно постоянной,
а ширина X по мере продвижения по червяку постепенно умень-
шается.
Описанный механизм плавления обеспечивает плавление
пробки при ее движении по каналу др тех пор, пока пробка
сохраняет достаточную прочность (пока ее ширина остается
больше 0,2 ш). Как только ширина пробки достигает 0,1 w, цир-
куляционное течение в потоке расплава, собирающемся перед
толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на
мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробле-
ние пробки, можно считать концом зоны плавления и началом
зоны дозирования.
Зона дозирования. Течение расплава в зоне дозирования
(рис. 5.17) возникает под действием сил вязкого трения, разви-
вающихся вследствие относительного движения червяка и сте-
нок цилиндра, подобно течению жидкости в винтовых насосах,
и осуществляется по винтовой траектории (рис. 5.17, в). Приня-
то представлять это течение как сумму двух независимых дви-
жений: поступательного течения вдоль оси винтового канала
(рис. 5.17, а) и циркуляционного течения, возникающего в виде
кругового движения в плоскости, нормальной к оси винтового
канала (рис. 5.17,0.
Объемный расход поступательного течения определяет про-
изводительность экструдера и, следовательно, лимитирует ско-
рость движения пробки гранул в пределах зон питания и плав-
ления. Циркуляционное течение возникает вследствие сущест-
вования составляющей скорости относительного движения в на-
правлении, перпендикулярном оси винтового канала, увлекаю-
щей расплав в этом направлении. Двигаясь поперек канала, по-
wwwwwwwwwww
^wm\wwm\wsw
б
^\\WWW^^^WWW\\
Рис. 5.17. Движение расплава в зоне
дозирования:
а — поступательный поток; б — циркуляци-
онное течение; в — итоговое винтовое тече*
ние.
ток встречает толкающую стенку и поворачивает вдоль нее к
дну канала, а затем в обратную сторону. Циркуляционное те-
чение обеспечивает гомогенизацию расплава, выравнивает рас-
пределение температур и позволяет использовать экструдер для
смешения.
В начале зоны дозирования температура расплава равна
температуре плавления. Продвигаясь по винтовому каналу в
зоне дозирования, полимер продолжает разогреваться как за
счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося
вследствие интенсивной деформации сдвига. Одновременно идет
процесс гомогенизации расплава. Происходит окончательное
расплавление мелких включений и выравнивание температур-
ного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, что-
бы поступающий к рабочему инструменту (к головке) расплав
имел заданную однородную по сечению температуру. Поэтому
время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть
достаточным для его прогрева и гомогенизации.
Взаимосвязь отдельных этапов процесса экструзии показыва-
ет, что для анализа процесса в целом надо рассматривать сово-
купность всех его стадий, имея в виду соблюдение условий по-
стоянства материального расхода полимера для любого сече-
ния червяка.
5.4. РАСЧЕТ ВНЕШНЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСТРУДЕРА
Внешняя характеристика экструдера — это графическое изобра-
жение зависимости производительности от давления на выходе
из червяка. Каждая характеристика рассчитывается для фикси-
Рис. 5.18. Схема к расчету давления на входе
в зону питания.
да
рованных параметров технологичес-
кого режима (таких, как частота вра-
щения червяка, температуры в тепло-
вых зонах) и для конкретного поли-
мера.
Строят такую характеристику,
рассчитывая величину давлений на
выходе из червяка для ряда значений
производительности, выбранных внут-
ри интересующего технолога интер-
вала.
В процессе расчета определяют следующие параметры: дав-
ление на входе в зону питания Pi, давление на выходе из зоны
питания Р3, длину зоны питания L3, давление на выходе из зо-
ны плавления Рпл, длину зоны плавления Ьпл, давление на выхо-
де из зоны дозирования Рг, температуру расплава на выходе из
зоны дозирования Тг.
5.4.1. Расчет давления на входе в зону питания
Давление на входе в зону питания создается находящимися в
бункере экструдера гранулами или порошком. Обычно бункер
экструдера имеет форму цилиндра с усеченным коническим дни-
щем (рис. 5.18). Давление гранул на входе в червяк рассчиты-
вается по формуле
(5.2)
Здесь Ро — давление гранул на входе в коническую часть
бункера, которое определяется выражением
Р° = — ехр (5.3)
где ps — насыпная плотность гранулята; g — ускорение силы тяжести; fw' —
коэффициент трения в паре полимер — металл; — отношение нормальных
напряжений, действующих во взаимно перпендикулярных направлениях, рав-
ное
„____рмин ____ 1 sin в
As= Омаке “ l + sin6
(5.4)
(здесь б — угол трения гранул; tg6=f, где f — коэффициент трения гранул
друг о друга).
В выражении (5.2)
v = 2B'/tg а (5.4а)
Здесь
В' = [sin б sin (2а.— A'oOl/11 — sin б cos (2а -|- /Со')] (5.46)
Ко = Рш + arc sin (sin ₽a>/sin б) (5.4в>
где (Зю — угол трения в паре полимер — металл; arcsin (wsin(3/
/sin6) <л/2.
Так, для ПЭНП [+= 16,7°; fw=0,3; 6=33,7°. Если £)=0,38 м;
Но = 0,8 м; /io=O,19 м; hi = 0,064 м; а=45°; р3 = 595 кг/м3, то Ро =
= 3,33-103 Па и Л= (1,87+0,53)-103 = 2,4‘103 Па, т. е. доля
давления от веса столба гранул в конической части бункера
составляет примерно одну пятую часть суммарного давления.
5.4.2. Скорость движения пробки и производительность
зоны питания
Введем следующие обозначения: Q3* — независимая объемная
производительность зоны питания (загрузки); фпл* — независи-
мая объемная производительность зоны плавления; Q* — неза-
висимая объемная производительность зоны дозирования.
Под независимыми значениями будем понимать значения
производительности, которые могли бы быть достигнуты в каж-
дой из трех зон, если бы они работали независимо друг от друга.
Если Q3*<Q* или <2пл*<Ф*, то говорят, что экструдер ра-
ботает в режиме недостаточного питания. При таком режиме
процесс протекает нестабильно, и качество изделий ухудшается.
Наилучшие результаты получаются при соблюдении следую-
щего условия:
<2з*Х2пл*><2* (5-5)
Это означает, что зона дозирования определяет производи-
тельность процесса. Работа в этих условиях протекает более
стабильно, а качество экструдата оказывается наилучшим. Сле-
дует оговориться, что если Q3~^Q~, то зона дозирования может
попасть в режим избыточного питания, и ее регулирующего
воздействия может оказаться недостаточно для удовлетвори-
тельной стабилизации режима. Поэтому правильный выбор гео-
метрических размеров червяка на участке зоны питания имеет
существенное значение.
Для построения системы расчета последовательных стадий
движения полимера в канале червяка экструдера воспользуем-
ся системой обозначений, приведенной на рис. 5.19. Введем сле-
Рис. 5.19. Расположение координатных осей и обозначения геометрических
параметров червяка.
Рис. 5.20. Схема движения материала в зоне
питания (корпус неподвижен, червяк вращает-
ся). Пояснения в тексте.
дующие обозначения: Z=3tjDtg(p —
шаг винтового канала; ср — угол подъ-
ема винтовой нарезки червяка по
гребню; i — число заходов червяка;
w = (t/i— e)cosq> = nDsincpfl— ei/
/(n£>tg<p)]—нормальная ширина
винтового канала; е — осевая толщи-
на стенки винтового канала; s — нор-
мальная толщина стенки винтового
канала; h — глубина винтового кана-
ла; бд-—радиальный зазор между
внутренней поверхностью корпуса и
наружным диаметром гребня винто-
вой нарезки червяка; £)=Л—h —
средний диаметр винтового канала
червяка; DS=D—2h — диаметр сер-
дечника червяка; х, у, z — система ко-
ординат, связанная с червяком, причем
оси развертки винтового канала; ось I
ось z направлена вдоль
совпадает по направле-
нию с осью вращения червяка.
Рассмотрим механизм движения пробки в винтовом канале
червяка, вращающегося внутри корпуса (рис. 5.20). Точка А —
некоторая точка материала пробки, совпадающая с соответству-
ющей точкой винтового канала в начальном положении. Канал
червяка движется снизу вверх со скоростью U и за время Хав
перемещается на расстояние АВ. Одновременно под воздействи-
ем сил трения движется и пробка материала, которая переме-
щается из точки А в точку А'. Следовательно, вдоль канала
пробка продвигается на расстояние ВА'.
Из рассмотрения треугольников АСА' и ВСА' видно, что
скорость v„, с которой пробка перемещается по каналу, равна
ВА' __________________________U____________<7 sin 6
г'п = АВ = cos ф sin ф etg 0 ~ sin (0 -|- ф) I • )
При установившемся движении силы трения, действующие
на пробку со стороны винтового канала Fs, и силы трения, дей-
ствующие со стороны внутренней поверхности корпуса Fb, долж-
ны быть связаны соотношением
Fs = Fb cos (0 + ф) (5.7)
Угол 6 определяется соотношением коэффициентов' трения
fb (между материалом и поверхностью корпуса) и fs (между ма-
териалом и стенками винтового канала червяка).
В случае однозаходного червяка (7—1) объемная производи-
тельность зоны питания равна
sin 0 sin ф Д е \
Qi = Vawh = nW ~ „Шбф J <5'8>
При работе экструдера соотношение сил трения колеблется
в довольно широких пределах, поскольку изменение скорости
вращения червяка, температуры корпуса, давления в головке и
прочих факторов всегда влияет на значения коэффициентов тре-
ния и, следовательно, угла 6.
Производительность правильно спроектированного экструде-
ра определяется работой зоны дозирования, поэтому во всех
дальнейших расчетах угол трения определяется выражением
0 = arcctg( -c1S<p) (5 9
где U=n.DN — окружная скорость вращения червяка; ps—плотность грануля-
та в пробке; Q — объемная производительность зоны дозирования; р—плот-
ность расплава.
Уменьшение производительности зоны загрузки или даже
полное прекращение питания из-за резкого падения коэффи-
циента трения более вероятно для червяков с большим углом
подъема винтового канала, который на практике редко превы-
шает 18—20°. Обычно из чисто технологических соображений
червяки выполняют с шагом, равным наружному диаметру, и
углом (р=17°42'.
5.4.3. Приращение давления в зоне питания
Для определения давления, развивающегося в зоне питания,,
рассмотрим силы, действующие на элемент твердой пробки
(рис. 5.21).
Сила Fi — это сила трения, действующая со стороны корпу-
са на пробку и заставляющая ее двигаться по червяку. Она про-
порциональна давлению со стороны пробки на корпус Р и дей-
ствует под углом 6 к плоскости, нормальной к оси червяка:
F1 = fbptiS0dz = fl^sPwdz (5.10)
где K.s=Pb/P — коэффициент, характеризующий неизотропность поля давле-
ний, определяется из (5.4).
Рис. 5.21. Силы, действующие
на элемент пробки (а) и теп-
ловые потоки у поверхности
пробки (б). Пояснения в тексте.
Осевая и тангенциальная компоненты Fi соответственно рав-
ны
Л/ = fhPhwdz sin 0 (5.11)
Ле — fbPb^dz cos 0 (5.11a)
Пара сил Л и Fe представляет собой реакции отброшенных
кусков пробки, действующих на рассматриваемый элемент. Их
можно определить, умножив удельное давление на площадь по-
перечного сечения канала.
Если, как это часто бывает на практике, глубина канала
плавно уменьшается (конический сердечник червяка), то
F2 = hwP (5.12) Fe = (P + dP)(h — ^dz)w (5.12а)
Вычитая Fq из F6, получим:
Fe — F2= w (h + dh) dP—wPydz (5.13)
Силы F7 и F8 — это нормальные силы, действующие со сто-
роны стенок канала червяка на пробку. Сила F8 равна
Fs = Pxhdz = PKshdz (5.13а)
где Ks^PJP, определяется из (5.4).
Сила Fq — это сила, с которой на пробку давит толкающая
стенка канала. Она складывается из двух частей: силы, рав-
ной силе F8, и силы F*, уравновешивающей все остальные:
F7 = Pxhdz + F* (5.14)
Разность между Fq и Fs равна неизвестной силе F*.
В червяках с коническим сердечником со стороны сердечни-
ка на пробку действует дополнительная нормальная сила Fs,
равная
Fs = Psws sin (arctg %) dz ж PK^>s%dz (5.15)
Сила трения F3, действующая на пробку со стороны толка-
ющей стенки червяка, равна
Fs=(Pxhdz + F*) fs (5.16)
Сила трения Ft, действующая на пробку со стороны перед-
ней стенки канала, составляет
Л = ЛЛЛ^ (5.17)
Сила трения Fs, действующая на пробку со стороны дна ка-
нала, равна
F5 = P<wdzfs cos (arctg %) « PKswdzfs (5.18)
где Ps — нормальное давление, действующее со стороны стенок канала червя-
ка на пробку.
При нормальной работе экструдера сумма проекций всех сил
на ось червяка должна быть равна нулю:
Fu + (Л — Л)/ — (Л — Л)/ + Л/ + Л/ + Fsi + Fsi = 0 (5.19)
Осевые^ компоненты сил F2—Fg получим, умножая их на
sin ср, sin ф, sinq)s. Умножая каждую из действующих сил на со-
ответствующее значение радиуса, получим уравнение равнове-
сия в моментах сил относительно оси червяка:
D D D D
^16 2 ^2)0 2 ^в)е~2~— ^зо 2
D „ Ds Ds
^*40 2 ^50 2~ ^00 2 0 (5.20)
Тангенциальные компоненты сил F2—Fg получают умноже-
нием модуля соответствующего вектора силы на совф, совф или
cos ф8.
Преобразуя уравнения (5.19) и (5.20), исключая неизвест-
ную нормальную силу F* и выполняя интегрирование, получим
следующее выражение для определения приращения давления
на участке длиной Az=z2—Zi:
Z2
f B1 — A1K
P2 = P1expj dz
Z|
(5.21)
Здесь P] — давление на входе в участок длиной Az; Р2 — давле-
ние на выходе;
= wft,Ks sin 0 — ю/ sin ср -р 2hKsfs sin ср -р
+ wfsKs sin <р (1 -Р %/А)/(1 + х2)1/2 (5.22).
Л2 = to sin ср (5.23)
Br = wfbKb cos 0 -р гих cos —
— 2hKsfssmyd^DID — wKsfs(\ + X/Zs)D^S^y/2' (5-24)
B2 = wh cos cp D/D (5.25)
где cp = arctg р/(л£>)] и <ps = arctg /(nDs)].
Давление в зоне питания определяется по формуле (5.21)
численным методом. В практических расчетах можно заменить
конический сердечник ступенчатым цилиндрическими и, поло-
жив в выражениях (5.22) — (5.24) %=0, вычислять-давление по
более простой формуле:
Pi+1 = Pi exp д2д- в2 Дг (5- >
Если гидростатическое давление в пробке подчиняется за-
кону Паскаля, то Ks = Kb = 1.
Изменение скорости движения пробки, вызванное изменени-
ем плотности гранулята, учитывается при помощи эмпирической:
зависимости вида
-?—-^=ехр(-сР) (5.28Р
где р — плотность пробки при давлении Р\ рет — предельное значение плотно-
сти хорошо спрессованного полимера; р0 — начальная плотность гранулята;.
с — эмпирический коэффициент, равный в случае полиэтилена низкой плотно-
сти 0,16 МПа1.
Изменение плотности приводит к изменению угла трения 6„.
который рассчитывается по формуле (5.9) при заданном значе-
нии массового расхода.
5.4.4. Температура поверхности пробки
Движущаяся с проскальзыванием по поверхности корпуса проб-
ка разогревается за счет тепла, выделяющегося на поверхности,
контакта. Всесторонние исследования тепловыделений, возника-
ющих на поверхности трения, показывают, что около 95% ра-
боты трения расходуется на поверхности пробки, контактирую-
щей с внутренней поверхностью корпуса. Мощность трения, пре-
вращающаяся в тепло на участке поверхности корпуса длиной.
dz, равна
sin <р
| Дпь | Pfbwdz = siND sj'n (е fbwPdz (5.29)
Уравнение (5.29) показывает, что удельная мощность тепло-
выделений на поверхности пробки прямо пропорциональна ло-
кальному давлению. Поскольку последнее увеличивается экспо-
ненциально по длине канала, так же должна увеличиваться и
интенсивность тепловыделений. Поэтому можно ожидать, что и
температура поверхности пробки будет расти по экспоненте, хо-
тя и не столь крутой, так как часть тепла отводится через ме-
таллическую стенку корпуса. Наличие такой жесткой связи:
между давлением в зоне питания и температурой поверхности
пробки обусловливает существование своеобразного защитного
механизма, предотвращающего чрезмерное повышение давления,
так как фрикционный «генератор» давления в зоне питания ра-
ботает только до тех пор, пока поверхностные слои пробки не
нагрелись до температуры плавления. Как только на поверхно-
сти пробки образуется слой расплава, зона питания заканчива-
ется и начинается переходная зона, в которой рост давления
резко замедляется или даже полностью прекращается.
Иногда пытаются увеличить давление экструзии, нейтрали-
зовав этот защитный механизм и задержав образование пленки
расплава резким охлаждением корпуса. Применение этого спо-
соба приводит к разрушению корпусов экструдеров и срезанию
стенок винтового канала.
Развивающееся давление в большой мере зависит от соот-
ношения коэффициентов трения на поверхности корпуса и чер-
вяка. Интенсивность тепловыделения пропорциональна абсо-
лютной величине коэффициента трения о корпус. Поэтому в
экструдере с гладким червяком и сравнительно шероховатым
корпусом, в котором экструдируется полимер с малым коэффи-
циентом трения, высокие давления могут развиваться и до на-
чала плавления поверхности пробки.
Для определения температуры поверхности слоя составим
вначале уравнение теплового баланса для тонкого слоя, отре-
занного от пробки двумя плоскостями, перпендикулярными оси
винтового канала (рис. 5.21, б).
Тепло, выделяющееся на поверхности корпуса, разделяется
на два потока: тепло, идущее на разогрев пробки qs, и тепло,
отводимое в корпус экструдера q'b. Расположим систему прямо-
угольных координат на поверхности пробки так, чтобы ось у
была направлена внутрь пробки. Тогда имеем:
/ дТ А I дТь\ ___
Аь—~~ks ( an ) 4_^б( Qu ) (5.30)
\ °У \ °У /#=о
где ks и kb — значения коэффициентов теплопроводности для материала проб-
ки и металла корпуса; Ть — температура корпуса.
Поскольку kb в 10—100 раз больше, чем ks, то можно при-
нять, что распределение температур в стенке корпуса линейно,
т. е. температура корпуса линейно изменяется от температуры
поверхности контакта 7\(0) до температуры корпуса Тъ(Ь) (или
температуры охлаждающей жидкости) на расстоянии b от внут-
ренней поверхности корпуса.
Пренебрегая теплопередачей через стенки корпуса 1 и сер-
дечник червяка 2, рассмотрим одномерное уравнение теплопро-
водности:
дТ д2Т
~дГ = а* ду2 (б-31)
где as — коэффициент температуропроводности материала пробки.
Решение этого уравнения следует искать для граничных ус-
ловий второго рода (задана плотность теплового потока как
функция координат и времени), описываемых выражением
(5.30). При этом надо иметь в виду, что интенсивность тепловы-
делений зависит от температуры.
Известное аналитическое решение этого уравнения имеет
вид
t
п 1/2 Р /__«2 \ Я-г
r(^0=T“+^r(Z-T)eXP('4fr)^r (5.32)
s о
Удельный тепловой поток на поверхности пробки равен
Я (/) = PfbnND Sins(e ^)-—T- lTs (0.0- Ть (5.33)
При подстановке выражения (5.33) в уравнение (5.32), все
параметры которого зависят от времени, следует заменить t на
I__т и перейти от временной координаты к пространственной ко-
ординате z, воспользовавшись для этого выражением
z = inND sin 6/sin (0 + ср) (5.34)
Поскольку некоторые величины, входящие в уравнение
(5.32), сами зависят от температуры, его интегрирование при-
ходится производить численным методом, разбив весь интервал
интегрирования на ряд достаточно малых участков длиной Аг
и заменив непрерывную подынтегральную функцию ступенчатой.
С этой целью уравнение (5.32) представляется в виде
, , Г sin (ср -|- 6;) “I1/2 Г nND sin ср
Ti+1 =Ti + [as^/(Ms)] [ J ] {-sin(e.+;b fblPi +
kh 1 Az
+ [Ты (fr) - Tki (0)]j -y=- (5.35)-
где i— целое число; l<i<z„/Az; z„ — координата сечения, в котором темпе-
ратура поверхности пробки превышает температуру плавления на 1—2 °C. Это
сечение считается концом зоны питания.
При вычислении Tt+i по выражению (5.35) одновременно
подсчитывают Рг и 6,-, используя для этого выражения (5.27) и
(5.28) и учитывая температурную и пьезометрическую зависи-
мость коэффициентов трения.
Совместный расчет температуры поверхности пробки и дав-
ления позволяет более точно определить конец зоны питания и.
начало зоны плавления.
5.4.5. Математическое описание работы зоны плавления
Процесс плавления гранулированного материала начинается на
поверхности контакта материала с горячей внутренней стенкой
корпуса. На поверхности стенки образуется тонкая пленка рас-
плава. Постепенно толщина пленки увеличивается, и в тот мо-
мент, когда она оказывается больше, чем величина радиального
зазора между червяком и корпусом, передняя кромка стенки
винтового канала начинает соскребать слой расплава, который
и собирается у толкающей стенки. По мере продвижения проб-
ки гранул по каналу ее ширина уменьшается; процесс плавле-
ния заканчивается в тот момент, когда ширина пробки оказы-
вается существенно меньше ширины канала.
За счет процесса теплопередачи в результате наличия пере-
пада температур тепло к твердой пробке 4 (см. рис. 5.16) пе-
редается от внутренней поверхности корпуса 1 через движущу-
юся пленку расплава 2. Дополнительное тепло генерируется в
пленке расплава вследствие работы вязкого трения. Теплопере-
дачей от вращающегося у толкающей стенки слоя расплава 5
пренебрегаем, поскольку на большей части зоны плавления ши-
рина твердой пробки много больше, чем ее высота. Теплопере-
дачей в направлении оси развертки винтового канала (ось z)
также пренебрегаем.
Скорость плавления на поверхности раздела в любом попе-
речном сечении определяется мощностью теплового потока, под-
водимого к поверхности раздела и отводимого от нее. Как экс-
перименты, так и теория показывают, что толщина пленки рас-
плава на внешней поверхности пробки невелика — около 0,02 см.
Скорость относительного движения поверхности корпуса на
практике составляет примерно 10—100 см/с. Учитывая большую
относительную скорость корпуса, можно считать, что течение в
этом тонком слое аналогично вынужденному течению между
двумя бесконечными параллельными плоскостями. Верхняя
плоскость — это внутренняя поверхность корпуса, движущаяся
со скоростью U и имеющая температура Ть, а нижняя плос-
кость— поверхность раздела фаз, температура которой равна
температуре плавления Тё (эта поверхность движется со ско-
ростью vn).
Толщина слоя расплава 6 определяется выражением
Л ([2^т (ТЬ- Те) + |Ла (Ayfc)4 Х\Чг
( U*P[cps(Te- То) + К] J
где km — коэффициент теплопроводности расплава; — эффективная вязкость
расплава при градиенте скорости Доь/6 и температуре Т= (Ть+Тв)/2;
Дць = | U — цп | = U sin <p/sin (0 + <р) (5.37)
X — нормальная ширина пробки; UX=U sing?; cps — теплоемкость твердой фа-
зы; X — теплота плавления полимера.
Переходная зона. Образование слоя расплава на поверхно-
сти пробки еще не означает начала зоны плавления. Механизм
уплотнения пробки начинает действовать только тогда, когда
толщина слоя расплава превышает радиальный зазор в 4—
5 раз.
Длина участка червяка, в пределах которого толщина слоя
расплава возрастает до 5бд, определится из выражения
А 2пер = 56/^psc'n/Oj (5.38)
Здесь со — интенсивность плавления на участке канала с еди-
ничной длиной
со = ФХ1/2 (5.39)
где
UxP [km (Ть-ТЁ) + 0,5|ЛД (Лць)2] р/2
2[Cps(7g То) -[- X] J
(5.40)
Вычисляя длину переходной зоны, при подстановке (5.39) в
(5.38) считаем X=w.
Как только толщина слоя расплава окажется в 3—5 раз боль-
ше радиального зазора, вступает в действие описанный выше
механизм работы зоны плавления. В результате ширина пробки
непрерывно уменьшается, а ширина потока расплава, собираю-
щегося перед толкающим гребнем, увеличивается. Изменение
ширины пробки определяется выражением
Хг+1=(х^2
Фги/i/Az \2 , v I hi
“ 2Qphl+1 )
1
(5.41)
где X,-—ширина пробки на предыдущем шаге расчета; hi+l— глубина канала
на рассчитываемом участке; hi—глубина винтового канала в начале зоны
плавления.
Расчет ведут до тех пор, пока остаточная ширина пробки не
окажется меньше любого наперед заданного размера (напри-
мер, Х^0,01 см).
Длина зоны плавления 1ПЛ определяется суммированием ша-
гов, необходимых для выполнения поставленного условия. Этот
метод расчета применяется при моделировании процесса экст-
рузии на ЭЦВМ.
5.4.6. Распределение давлений в зоне плавления
на участке X^w/2
Профиль давлений в зоне плавления на участке винтового ка-
нала, в котором ширина пробки Xz^w/2, определяется из вы-
ражения, полученного анализом условий равновесия для дви-
жения твердой пробки, аналогичным использованному в разд.
5.4.3. Единственная разница заключается в том,' что вместо си-
лы внешнего трения Fi в соответствующие выражения подстав-
ляется сила вязкого трения:
где
Рщ = Xrlcytiz
~г U sin ср
?= б sin (6 -|- ср)
(5-42)
(5 43)
Эффективная вязкость г)а подсчитывается при средней тем-
пературе пленки расплава:
_ i—А-
»]а=РоехР[— b(Tb— Tg)/2]/f П (5.43а)
Приращение давления на участке винтового канала длиной
Az определяется в этом случае из выражения
(cos 6 - К sin 6) Г ib^-a^k
pi^= xpV а2к+в2
fBS-AfK . \
+ Pi exp A^K _j_ Azj
Az +
(5.44)
Здесь А2, В2 и К определяются из выражений (5.22), (5.25)
и (5.26);
Д* = fs (2h + X) sin ср (5.45)
D _ D.
Bj* = — 2й-p-sin <p ctg ср — Xfs~^~ sincpctg cps (5.46)
Очевидно, что в пределах переходной зоны X=w.
Приращение давлений на участке винтового канала, в кото-
ром X<2w/2, подсчитывается по формулам, описывающим рас-
пределение давлений в зоне дозирования (см. разд. 5.4.10).
5.4.7. Математическое описание работы зоны дозирования
Для удовлетворительного описания процесса экструзии матема-
тическая модель течения расплава в пределах зоны дозирования
должна учитывать основные особенности процесса: существова-
ние аномалии вязкости; взаимное влияние циркуляционного и
поступательного течений; влияние тепла, выделяющегося в ре-
зультате внутреннего трения, и теплообмена с окружающей сре-
дой на температуру и эффективную вязкость расплава.
Очевидно, что для работы экструдера безразлично, враща-
ется ли червяк внутри неподвижного корпуса или, наоборот,
корпус вращается относительно червяка. По этой причине для
упрощения будем считать корпус вращающимся, а червяк не-
подвижным. Расположение связанной с червяком неподвижной
системы координат показано на рис. 5.19. Ввиду малости отно-
шения глубины винтового канала к радиусу (й//?<0,05) можно
пренебречь кривизной винтового канала и развернуть его на
плоскость так, как это показано на рис. 5.22. При этом корпус
будет изображаться бесконечной плоскостью, движущейся над
развернутым каналом в перпендикулярном оси I направлении.
Течение считаем установившимся. Массовыми силами и си-
лами инерции пренебрегаем. С учетом этих допущений уравне-
ния равновесия в напряжениях примут вид
дР dtvx дч,х _ дР дтх, дч.и, _ _ ,
(5.47) -д— (5.47а)
дх ду ' дг ' ’ дг дх ' ду ' г
Среду считаем несжимаемой:
dvx dvu дог
= 0
дх ' dy ' дг
(5.48)
Компоненты тензора напряжений определяются выражением
( ди- dvs \
= i,i = W (5.49)
Для построения модели, допускающей аналитическое реше-
ние, сделаем следующие допущения.
Рис. 5.22. Развертка винтового канала
червяка на плоскости:
у__стенка канала; 2 — развертка червяка;
3 — поверхность корпуса; 4 — канал.
1. Течение в направлении оси
у существует только в непосред-
ственной близости к стенкам ка-
нала. В остальной части сечения
канала течение в направлении
оси у отсутствует (г^ = 0).
2. Размеры канала по всей дл
Ось червяка
постоянны, следовательно,
значения vx и vz не зависят от z.
3. Температурный градиент в поперечном направлении из-за
наличия циркуляционного течения пренебрежимо мал по срав-
нению с температурным градиентом в продольном направлении.
Следовательно, dT/dx=dTldy=Q\ dT/dz=£Q.
Благодаря большому отношению ширины винтового канала
к его глубине, учитывая допущение 2, а также особенности цир-
куляционного течения, можно принять, что на некотором рас-
стоянии от стенок канала скорости vx и vz не зависят и от х.
Следовательно
дсх дух дуг
дх ~~ dz дх
дг — ду —
(5.50)
Для описания температурной зависимости вязкости исполь-
зуем выражение:
т) = t]o/e6 (5.51)
где т)о — вязкость при температуре плавления; b — температурный коэффици-
ент вязкости.
Уравнение энергетического баланса, составленное для уста-
новившегося режима в предположении, что все теплофизические
характеристики не зависят от температуры, имеет вид
дТ д2Т дух дуг
fcPVz~dz~ = ~km + Хх« ~ду~ + ду (°-52>
где ср — теплоемкость расплава; Т — температура расплава (остальные обозна-
чения приведены выше).
Граничные условия для такой дифференциальной модели зо-
ны дозирования имеют вид
vx = Vy= уг = 0 при у = 0
Т = Ts при х = 0 и х = w (для всех у) .
(5.53)
ух = Ux = t/sincp; yz = Uz = U coscp
Т —Tf, при ООО и у = h
где Ts и Тр — соответственно температуры червяка и стенки корпуса.
Итак, компоненты напряжений хху и т,^ оказываются функ-
циями только у и z, причем последняя зависимость возможна и
в том случае, если T=T(z).
При записи уравнений энергетического баланса будем счи-
тать, что теплопередача за счет теплопроводности вдоль оси
канала пренебрежимо мала. В этом случае уравнение (5.52)
сведется к виду
dT1 dvx
рср°г ~аГ = ~0у~ + "ЩГ (5-54)!
Представленное в такой форме уравнение (5.54), по сущест-
ву, превращается в уравнение тепловыделения. При его интегри-
ровании нужно учитывать температурные условия на поверхно-
сти полимерной струи, имея в виду, что температура поверхно-
сти зависит от теплообмена с окружающей средой.
Можно проинтегрировать (5.54) по у. В этом случае вместо
дифференциального уравнения для элементарного объема полу-
чим дифференциальное уравнение для элементарного сечения:
„ат dr ар
®рср az ==к az az (555)
где dW—мощность вязкого трения, рассеиваемая на участке длиной dz.
Для учета теплообмена с окружающей средой в уравнение
(5.55) введена дополнительная характеристика процесса — ко-
эффициент политропичности К, который характеризует направ-
ление теплового потока и количество тепла, отводимого в окру-
жающую среду или, наоборот, подводимого извне.
5.4.8. Распределение напряжений сдвига, поле скоростей
и объемный расход при поступательном течении
В случае изотермического режима исходная система уравнений
равновесия подвергается дальнейшим упрощениям. Вследствие
неизменности температуры величина dxzyldz—0, и уравнения
равновесия сводятся к виду
дР дхух .
дх ду ’
дР дхуг
дг ду
(5.56)
Из второго уравнения следует, что P=P(x,z). Поскольку ле-
вые части уравнений (5.56) зависят только от х и z, а правые
только от у, то
дР dtyx Г
dx dy ’ 11
дР d-iyz Г
dz — dy 2
(5.57)
Последовательно интегрируя (5.57), получим для компонен-
тов девиатора тензора напряжений выражения
dP dP /С с0,
тух = ~dx~y — Cs’ P>z="~d2~y ~Ci (5-5 )
Для функции Рх, z имеем:
dP dP
р <х •= ~dTг + х=с2г+с1х
(5.59)
- Полученные результаты показывают, что градиенты давле-
ния в рассматриваемом случае плоского изотермического тече-
ния постоянны по всему потоку.
Из уравнений (5.58) следует, что напряжения сдвига, дей-
ствующие во взаимно перпендикулярных плоскостях хоу и zoy,
распределены линейно, т. е. зависят только от у.
Для большей наглядности изобразим пространственную эпю-
ру напряжений сдвига, действующих на верхнюю грань элемен-
тарных объемов. Такая эпюра распределения тангенциальных
напряжений (рис. 5.23) показывает, что в каждом из составляю-
щих течений существует сечение нулевых напряжений. При этом,
поскольку в циркуляционном течении всегда существуют обла-
сти с различным направлением движения и, следовательно, гра-
диент скорости меняет знак, то сечение, в котором 1^ = 0, рас-
полагается внутри канала.
Циркуляционное течение возникает вследствие того, что на-
правление относительного движения между червяком и кор-
пусом не совпадает с осью винтового канала. Поэтому ве-
личина действующих в плоскости хоу напряжений сдвига зави-
сит от угла подъема винтового канала, возрастая с его уве-
личением. В случае ньютоновской жидкости взаимное влия-
ние ' поступательного и циркуляционного течений ограничива-
ется только этой зависимостью.
Считая течение в пределах
«сечения толщиной dz изотермиче-
ским, воспользуемся уравнением
(5.49) и выразим хух и xyz в (5.58)
через компоненты тензора скоростей
деформаций. При этом уравнения
(5.58) с учетом (5.50) примут вид:
dvx____1_ [dP_
dy ~ t\ \ dx У. 3
(5.60);
dvz 1 ZdP
dy г) ( dz 4
(5.60a)
Интегрируя эти уравнения и оп-
ределяя постоянные интегрирования
из граничных условий (5.53), получим
выражения, описывающие поля ско-
ростей поступательного и циркуляци-
онного течений.
Рис. 5.23. Типичная пространственная
Диаграмма распределения напряже-
ний сдвига в канале червяка. Пояс-
нения в тексте.
Если пренебречь тормозящим влиянием стенок, то распреде-
ление скоростей в поступательном течении описывается выраже-
нием
игу yh — y* dP
Vz~ h 2г| dz
(5.61)
Здесь первое слагаемое описывает распределение скоростей
вынужденного потока, второе — потока под давлением.
Распределение скоростей вынужденного потока имеет форму
треугольника, а распределение скоростей потока под давлени-
ем— форму равнобокой параболы. Фактический профиль ско-
ростей поступательного потока образуется в результате вектор-
ного суммирования в каждой точке скоростей обоих потоков.
Эпюры результирующего профиля скоростей, соответствующие
различным значениям потока под давлением, приведены в ниж-
ней части рис. 5.24.
Объемную производительность зоны дозирования получим,
интегрируя выражение (5.61) по всей высоте канала:
h
Г t/zwft ой3 dP
Q = w I vzdy = ~ 2 Fd — Fp (5.62)
о
Здесь первое слагаемое — объемный расход вынужденного
потока да, второе — объемный расход противотока др.
Поверхность корпуса
Противоток
vzp
0,8- ВынужВен-
у 0,6~ ный
77 ус- поток
0,2-
О-----------
СерВечник червяка
Результирующий поток
Рис. 5.24. Эпюры скоростей
поступательного течения. Пояснения в тексте.
Рис. 5.25. Коэффициенты формы вы-
нужденного потока Fa (кривая /) и
лтотока под давлением Fp (кривая (2).
Безразмерные коэффициенты Fd и F? учитывают влияние
стенок, проявляющееся в уменьшении эффективной ширины ка-
нала:
(5.63)
р — 16 w V 1 , / gn 22
гдз h 2d g3 “ 2 w
g=1.3,5... '
(5.64)
Значения Fd и Fp, рассчитанные по уравнениям (5.63) и
-(5.64), при изменении hfw в интервале от 0 до 2 приведены на
рис. 5.25.
Введем безразмерную характеристику поступательного тече-
ния:
lq<! h2FpdP/dz
(5.65)
В общем случае, если к обоим концам червяка приложены
произвольные внешние давления, величина а может принимать
любые — как положительные, так и отрицательные значения.
Однако, если внешние давления отсутствуют, значение а изме-
няется от нуля до единицы. При этом для червяка, работающе-
го в режиме свободного выхода, а = 0; для червяка, работающе-
го с полностью закрытым выходом, но при отсутствии утечек,
«=1; из-за) существования утечек a<Zi. Если давление на вы-
ходе из зоны дозирования меньше, чем на входе, то а<0.
Используя этот безразмерный параметр, можно представить
выражение (5.62) в виде
Q = <7d(! —а) (5.66)
Если подставить геометрические характеристики червяка в
(5.62), получим выражение
1 dP
Q = aN — $ — чг
(5-67)
Здесь а-—коэффициент подачи вынужденного потока, чис-
ленно равный половине объема одного витка:
а = 0,5л2£)2/г [1 — ie/(nD tg <p)J sin cos (pFd (5.68)
Коэффициент подачи потока под давлением р равен
f>=jiDh3[l — ie/(3t£> tg <р)] sin2 <pfp (5.69)
Профиль скоростей в циркуляционном течении определяется
выражением, аналогичным (5.61). Если воспользоваться безраз-
мерным отношением расхода вынужденного потока к расходу
потока под давлением в циркуляционном течении, положив его
равным единице (утечки пренебрежимо малы), то распределе-
ние скоростей циркуляционного течения будет описываться вы-
ражением
vx=Ux(3y*/h*-2y/h) (5-70)
Выражение (5.70) показывает, что распределение скоростей
в циркуляционном течении не зависит от давления в головке и
полностью определяется размерами канала и скоростью враще-
ния червяка.
Полученные выше выражения позволяют рассчитать объем-
ный расход в любом сечении винтового канала при заданных
значениях температуры и локального градиента давления. Воз-
можен также и обратный вариант расчета — определение ло-
кальных значений градиентов давления при заданных объемном
расходе и температуре. При этом все расчеты основаны на при-
менимости изотермического приближения, справедливого в пре-
делах участка канала малой длины, например в пределах одно-
го шага расчета (Дг^П/Ю).
5.4.9. Элементарная мощность, рассеиваемая
в винтовом канале червяка
Рассмотрим плоскую модель (рис. 5.26), представляющую собой разверт-
ку корпуса и червяка на плоскость хог.
Работа внешних сил расходуется на преодоление сопротивления от сил
вязкого трения, возникающих как на поверхности винтового канала (уча-
сток АВ), так и в зазоре между гребнем нарезки и стенкой корпуса (уча-
сток ВС). Действующая на поверхности стенки корпуса сила dT представляет
Рис. 5.26. Схема для расчета мощности, диссипируемой в червяке на участке
канала длиной dz.
собой векторную сумму сил вязкого трения dF и dS, возникающих в резуль-
тате существования каждого из этих течений.
Силы вязкого треиия dF и dS, действующие на площадь элемента канала
длиной dz, равны »
dF = xzvwdz (5.71)
dS == xXyWdz (5.72)
Напряжения сдвига, входящие в эти уравнения, определим из выражений
_____________________dv,
^ = г)(Л
(5.73)
(5.74)
Но U,
, dvx I Но Wx
vxy^(T}^=^-^
где Z?(z)=e6<r-rs) — коэффициент, учитывающий снижение вязкости за счет
разогрева расплава.
Мощность, рассеиваемая на участке канала длиной dz, равна
dWt — (dF cos ср + dS sin <p) U
Подставляя значения dF и dS с учетом уравнений (5.73) и
лучим:
(5.75)
(5.74)-, no-
т)п U2w
dWx = -----[(1 + За) cos2 <р + 4 sin2 ср] dz
(5.76)-
Мощность, рассеиваемая в радиальном зазоре, определится из
dlF2 = Нетбд cos <pdz
где тек — напряжения сдвига, действующие в зазоре. *
Определяя направления сдвига из закона Ньютона [см. (1.8)], получим?
Z/2 'По6 cos ^dz
dW2 =
выражения
(5.77)
(5.78)
Итоговая величина элементарной мощности dW, рассеиваемой на участке
dz, равна сумме dlFi и dIF2:
dW = dlTjt + dW2 = N2Adz
(5-79)
где
fw 6
[4 sin2 q> + (1 + За) cos2 q>] -f-
cos <р
(5.80)
a N — частота вращения червяка.
Подставим полученное выражение для элементарной мощности в уравне-
ние энергетического баланса (5.55). Далее, заменяя dz на dZ/sin <р и пренебрегая
величиной QdP (ввиду ее относительной малости), преобразуем уравнение
энергетического баланса к виду
_ ИР______AKl
eb (T~Tt) Qpcp sin Ф
(5.81).
где — дифференциальный коэффициент политропичности, равный
w [(71 ь — Г) Хь + (7\ — 71) Xs]
т]ое~Ь A sin q>№
(5.82)
V'.b — коэффициент теплоотдачи расплав — корпус; Xs — коэффициент теплоот-
дачи расплав — червяк).
Интегрируя выражение (5.82), получим для небольших значений т|0/'Г]т=
=7?(/)<1,3 (т]о — вязкость при Tg, т|г — вязкость при Г), простую расчетную
формулу для термонейтрального червяка (Л5<^Х(,):
R (/) = е (Т Т&> = 1 +
sin <р
(5.83)
Qpcp
где
Ki — 1 4“ 2aiC
ai = шХ/,/(Дт]0№ sin <р)
C=0,5(76 + 7s-27)
(5.84)
(5.85)
(5.86)
Полученное решение справедливо, если /?(/)< 1,3. Это условие означает,
что приращение температуры в пределах одного Шага расчета не должно пре-
вышать 20—25 К (если &~0,01 К-1)- В действительности приращение темпе-
ратуры в пределах одного шага расчета составляет от 3 до 5 К. Следователь-
но, это условие всегда выполняется.
Уравнение (5.84) отражает воздействие основных внешних факторов на
особенности теплообмена в процессе экструзии. Так, при очень малых значе-
ниях коэффициента теплообмена существование перепада температуры между
корпусом и расплавом не оказывает никакого влияния на коэффициент поли-
тропичности, и процесс протекает в адиабатическом режиме, /</=1.
Если же щ велико, то при малых R(l) и больших С (когда средняя раз-
ность температур положительна) процесс идет с подводом тепла извне,
напротив, если R(l) велико и средняя разность температур отрицательна, про-
цесс идет с отводом тепла, Ri<l.
Из уравнения (5.84) следует, что коэффициент политропичности сильно
зависит от среднего значения перепада температур, определяемого разностью
7ь—7. Если этот перепад положителен, то в результате дополнительного
подвода тепла от стенок корпуса коэффициент политропичности оказывается
больше единицы. Если же средний перепад температур отрицателен, то вслед-
ствие отвода тепла в окружающую среду коэффициент политропичности ока-
зывается меньше единицы.
В обоих случаях существенное влияние на тепловой поток оказывает
коэффициент щ, определяющий относительную долю подводимой извне (или
отводимой) энергии по сравнению с энергией, диссипируемой вследствие вяз-
кого трения. Чем меньше щ, тем больше степень термоизоляции системы и тем
ближе рабочий режим к адиабатическому.
Продольное распределение температур описывается соотно-
шением
7f+1 = 7f + ln(7?f/6)
(5.87)
Температура расплава на выходе из червяка также подсчи-
тывается из выражения (5.87), только в этом случае вместо те-
кущей координаты l = i/\l расчет заканчивается по достижении
фактической длины зоны дозирования 1Л. Очевидно, что каждо-
му значению производительности экструдера при фиксирован-
ном значении скорости вращения червяка будет соответствовать
своя длина зон плавления и питания. Поэтому фактическая дли-
на зоны дозирования, которая определяется как разность меж-
ду общей длиной червяка и суммарной длиной зон питания и
плавления, при каждом значении производительности имеет
свою величину.
Рис. 5.27. Типичные эпюры давлений при экструзии термопластов при Qi<QKP
(кривая /) и при Q2>Qkp (кривая 2); I—1 и II—II — фактические границы
зоны плавления; Рг— давление в головке.
Распределение давлений в пределах зоны дозирования (рис.
5.27) определяется из выражения
dP &l 6nDN cos (pa ti;AZ
/’i+i = + Pi = Pi + h^b (Ti+1-Tt)- (5; 88)
где Pi — давление в конце предыдущего шага расчета.
Обычно червяки современных экструдеров состоят из двух
участков с резко различной глубиной винтового канала, соеди-
ненных ступенью сжатия — коротким участком с переменной
глубиной канала (длиной от половины до одного’шага).
Некоторые экструдеры оснащаются червяком с ярко выра-
женной зоной плавления, представляющей собой участок чер-
вяка с коническим сердечником, располагающийся между зоной
питания и зоной дозирования.
Изменение фактической длины зоны дозирования, вызывае-
мое изменением длин зон питания и плавления, приводит к то-
му, что реально существующая зона дозирования состоит из
двух- участков червяка с различной глубиной винтового канала.
Поскольку объемный расход через поперечное сечение кана-
ла остается везде одинаковым (утечками пренебрегаем), изме-
нение глубины канала приводит к тому, что величина а =
~q-plqd по мере уменьшения глубины канала уменьшается, а при
очень больших объемных расходах даже изменяет знак.
Объемный расход, при котором на входе в участок зоны до-
зирования с наиболее мелкой нарезкой градиент давлений меня-
ет знак, удовлетворяет соотношению
Скр амин^ (5.89)
где амин — значение коэффициента а для участка канала с наиболее мелкой
нарезкой.
Дальнейшее увеличение производительности приводит к то-
му, что давление проходит через максимум. При этом эпюра
Давлений приобретает вид, подобный кривой 2 на рис. 5.27.
Если производительность участков канала, расположенных
<5лиже к зоне плавления, оказывается чрезмерно велика, возни-
кающий при этом положительный градиент давления автомати-
чески приводит к ее уменьшению. Аналогичным образом при не-
достаточной объемной производительности участка червяка с ко-
ническим (или цилиндрическим) сердечником избыточный рас-
ход обусловливает возникновение отрицательного градиента
давлений.
5.4.10. Распределение давлений в зоне плавления на участке
X<w!2
На участке зоны плавления, в пределах которого твердая проб-
ка занимает меньше половины широкого канала, давление ге-
нерируется так же, как и в зоне дозирования. Очевидно, что
вследствие изменения реальной ширины потока расплава гра-
диент давления на каждом шаге расчета будет иметь свое зна-
чение. Распределение давлений в зоне плавления на рассчи-
тываемом участке описывается выражением
п (Т) att QsiND cos гр А/
Здесь aft — переменное значение а, равное
afi = l — Qfi/Qfd (5.91)
а Т = {Ть~\-Тg) 12 — средняя температура расплава.
В (5.91) Qfi — объемный расход в поступательном течении
потока расплава, находящегося у толкающей стенки:
XhtVTifi,, U cos <рб { б \
Qfi = <2 -------------2^ Fd X (5.92)
Определяя vn из (5.5) и подставляя в (5.92), получим:
I Xh, \ ё / ё \
Qfi = Q 1 whi J cos 'Р 2 Fа ( X у (5.93)
Объемный расход вынужденного течения в зоне плавления
равен
/ ti \ I
Qfdt = и (w—X)ht cos q>Fd f /2 (5.94)
Определив из (5.93) и (5.94) значения Q/i-и Qjd-1, можно вы-
числить величину a,fi и, подставив ее в выражение (5.90), опрвг
делить давление на соответствующем шаге расчета.
5.4.11. Давление на выходе из червяка
и внешняя характеристика экструдера
Суммарное давление, развивающееся на выходе из червяка,
представляет собой алгебраическую сумму давлений, создавае-
мых в пределах каждой из рассмотренных выше зон.
Учитывая все изложенное выше, можно представить следу-
ющую схему расчета внешней характеристики червяка (зависи-
мости объемной производительности от давления в головке), ра-
ботающего в политропическом режиме.
1. Выбираем четыре-пять значений скорости вращения чер-
вяка в представляющем интерес интервале изменений скорости.
2. Для каждой скорости вращения рассчитываем ряд значе-
ний объемной (или массовой) производительности при несколь-
ких (пяти — семи) значениях а, определив « по последнему вит-
ку червяка.
3. Для каждого из полученных значений производительности
рассчитываем длину зоны питания, распределение давлений и
температур в зоне питания.
4. Для каждого значения производительности определяем
длину зоны перехода, принимая, что давление и температура в
зоне перехода сохраняются на уровне, достигаемом к концу зо-
ны питания.
5. Рассчитываем длину зоны плавления и давление в ней. За
конец зоны плавления принимаем сечение, в котором ширина
твердой пробки составляет 0,1 ширины канала.
6. При каждом значении производительности определяем
фактическую длину зоны дозирования. Последовательно, мето-
дом малых приращений рассчитываем поле температур и дав-
лений.
7. Суммируя приращение давления по участкам, определяем
фактическое давление на выходе из червяка. Пример полей дав-
ления, рассчитанных таким образом, и результаты сопоставле-
ния их с экспериментальными данными приведены на рис. 5.28.
Рис. 5.28. Расчетные кривые распределения давлений в экструдере при пере-
работке термопластов (£> = 6,3 см; £/£> = 26,4; t = D):
t — ПЭНП; ЛГ=40 об/мин; <2=8,6 см3/с; средняя температура корпуса Т6=50'3 К; 2 —
ПП; М=60 об/мии; <2 = 16,6 см3/с; Тг,=503 К; 3 — непластифицированный ПВХ; М=
= 30 об/мин; <2 = 10,2 см3/с; Ть=463 К; / — начало плавления; II — канал заполнен рас-
плавом наполовину. Точки — экспериментальные данные.
Рис. 5.29. Типичная форма характеристик червяка и головки:
1 — характеристика червяка; 2 — характеристика головки; А — рабочая точка.
5.5. ГОЛОВКИ ЭКСТРУДЕРОВ. КОЭФФИЦИЕНТЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Головка экструдера — это профилирующий инструмент, придаю-
щий необходимую форму выдавливаемой струе полимера. От
степени совершенства конструкции головки в значительной ме-
ре зависит точность поперечных размеров экструдируемого из-
делия и качество его поверхности. В соответствии с этим назна-
чением конструкция головки должна удовлетворять следующим
требованиям: 1) она должна способствовать формированию по-
перечного сечения потока, соответствующего форме сечения
экструдируемого изделия; 2) геометрические размеры профили-
рующей щели и углы выхода должны обеспечивать возможность
работы с максимальными значениями производительности, при
которых еще не наблюдается «эластической турбулентности»;
3) конфигурация каналов должна исключать образование в них
зон застоя; 4) головка должна обладать достаточным сопротив-
лением, чтобы на выходе из червяка создавалось противодавле-
ние, обеспечивающее качественное смешение и гомогенизацию
полимера; 5) конструкция профилирующих органов должна
быть достаточно жесткой, чтобы при любых рабочих давлениях
сечение проточной части оставалось неизменным; 6) конструк-
ция головки должна обеспечивать возможность регулирования
распределения объемного расхода по периметру струи для
устранения влияния неточностей расчета и изготовления на про-
филь экструдируемого изделия.
Далеко не все эти задачи поддаются строгому количествен-
ному анализу, п в настоящее время при проектировании голо-
вок используется не только точный инженерный подход, но и в
значительной мере колоссальный практический опыт, накоплен-
ный в этой области.
Одна из основных проблем, которые приходится решать при
конструировании головок, — это определение коэффициента со-
противления, позволяющего рассчитать давление экструзии и
определить фактическую производительность экструзионного аг-
регата.
Объемная производительность определяется как решение си-
стемы двух уравнений: описывающего внешнюю характеристику
экструдера Q = Q(P)N при заданных условиях (N, Ты) и описы-
вающего внешнюю характеристику головки Q = Q(Pr)r- Решение
этих уравнений можно находить как численным, так и графиче-
ским методом, нанося на один график обе характеристики (рис.
5.29). В этом случае точка пересечения кривых (точка А) и оп-
ределяет величину фактической производительности. Эта точка
называется рабочей точкой.
Следует отметить, что определение коэффициента сопротив-
ления строго аналитическим методом даже в случае экструзии
расплавов, обладающих свойствами ньютоновских жидкостей,
возможно только в ограниченном числе простых случаев тече-
ния. Необходимость учета аномалии вязкости в еще большей
Рис. 5.30- Схема проточной части головки
для получения пленки рукавным методом:
/ — цилиндрические каналы решетки; 2 — сходя-
щийся конический канал; 3 — цилиндрический к а'-'4
иал; 4 — разводящий канал; 5, 8 —кольцевой ци-
линдрический канал; 6 — кольцевой конический
расширяющийся канал; 7 — кольцевой конический
сужаютцийся канал.
мере сужает круг задач, поддаю-
щихся строгому аналитическому
подходу. Поэтому обычно прибега-
ют к методам приближенного рас-
чета, основанным на замене реаль-
ных проточных систем упрощенными моделями, составленны-
ми таким образом, чтобы каждый из элементов модели можно
было свести к форме, поддающейся аналитическому описанию.
Рассмотрим в качестве примера схему головки для получе-
ния пленки рукавным методом, схема которой изображена ни-
же на рис. 5.43. Можно в первом приближении считать, что со-
противление, которое преодолевает поток, проходящий через эту
головку, эквивалентно сопротивлению, которым обладает си-
стема из восьми каналов, изображенная на рис. 5.30.
При расчете суммарного коэффициента сопротивления будем
исходить из очевидного условия, что полный перепад давле-
ния в головке Рг, соответствующий некоторой заданной величи-
не объемного расхода, складывается из перепадов давления,
необходимых для преодоления сопротивления каждого из уча-
стков канала в отдельности:
РГ = 2Д^ (5.95)
£=1
где т — число отдельных участков.
В общем случае объемный расход через канал с неизменной
геометрией зависит от перепада давлений следующим образом:
в случае моделирования свойств среды ньютоновской жидко-
стью
Q^^Pr/T) (5.96)
в случае моделирования свойств среды аномально вязкой
жидкостью
Q = Kr'(P/p)« (5.97)
где Кг и К/ — соответственно коэффициенты сопротивления при течении нью-
тоновской и псевдопластичной («степенной») жидкостей.
Располагая значением коэффициента сопротивления для каж-
дого из элементарных участков в отдельности, можно записать
в случае моделирования расплава ньютоновской жидкостью:
ДРг=<?ти/Кгг (5.98)
Рис. 5.31. Цилиндрический канал круглого сече-
ния.
При этом выражение (5.98) позволяет учитывать изменения
эффективной вязкости в разных участках канала, вызванные
как различием в значениях градиента скорости, так и измене-
нием температуры. Эффективная вязкость в пределах каждого
участка рассчитывается по кривой течения при соответствующем
значении пристенного градиента скорости.
Рассчитав значения эффективной вязкости и коэффициента
сопротивления для каждого элемента канала, можно определить
суммарный коэффициент сопротивления по формуле
(5.99)
Зная Кгх, можно определить давление в головке:
Рг — Qf\i/ Ктъ
(5.100)
где T]i — эффективная вязкость в канале профилирующей матрицы.
Если учет аномалии вязкости производится не введением эф-
фективной вязкости, а непосредственно интегрированием урав-
нений движения степенной жидкости, то суммарный коэффи-
циент сопротивления определяется выражением
(5.101)
Выражение (5.101) позволяет определять суммарный коэф-
фициент сопротивления для всех случаев экструзии расплавов
пластмасс. Единственное существующее при этом ограничение
сводится к требованию, чтобы влияние температуры сказыва-
лось только на значении константы щ.
Определим коэффициент сопротивления и значение пристен-
ной скорости сдвига yw для элементарных случаев течения.
Круглый цилиндрический канал (рис. 5.31).
Используя метод эффективной вязкости, можно записать
Кт = пф/(81) (5.102) Ta, = Q(n + 3)/(rr7?3) (5.103)
Использование степенного закона дает
Кг' = nJRn+s/[2F Ln] (5.104)
Плоский щелевой канал (рис. 5.32, а). Используя ме-
тод эффективной вязкости, получим:
Kr = wh^Fp (h/w)/(\2L) (5.105)
Va, = 6Q/(rf) (5.Ю6)
Использование степенного закона дает:
whn+iFp (h/w)
Kr' = (n + 2) 2n+1 Ln
(5.107)
' Коэффициент Fp(h/w), входящий в уравнения (5.105) и
(5.107), учитывает тормозящее влияние стенок и определяется
по номограмме, приведенной на рис. 5.25, или по формуле
(5.64).
Кольцевой цилиндрический канал (рис. 5.32,б).
Используя метод эффективной вязкости, имеем:
Кг = л (Яо + Ri) (Ro — Ri)s/(\2L) (5.108)
Ь> = 6(?/[л(7%2-Rt2) (R0—Ri)] (5.109)
Применяя степенной закон, получаем:
Кг' = л (Яо - 7?г)п+2 № + Ъ)/[(п + 2) 2«+Щ«] (5.110)
Конический канал (рис. 5.33, а). Используя метод эф-
фективной вязкости, получим:
л (1 — cos а)2 (1 + 2 cos а)
sin3 а (2 — 3 sin2 а) (г2~3 — z^-3)
(5.111)
(5.112)
у = 8Q I л | —— -4- . 1
• “ч 11 I Sm а । sin а
3'
-Ступенчатая аппроксимация. Существует метод расчета ко-
эффициента сопротивления конических каналов, основанный на
использовании ступенчатой аппроксимации реального канала се-
рией цилиндрических ступеней, длина которых выбирается та-
ким образом, чтобы диаметры соседних ступеней отличались
друг от друга не более чем на 10%.
Рис. 5.32. Щелевые каналы:
а~~ плоский; б — кольцевой цилиндрический.
Рис. 5.33. Конические каналы:
а — сплошной; б — кольцевой.
Конический канал. Используя уравнения (5.101) и
(5.104) и принимая температуру постоянной по всей длине ка-
нала, получим:
/ т \ ~П
= 2*(п + з)дг» 2 1^1+3/п <5-113)
\ i= 1 /
где т — число ступеней, равное m=L/Ll‘, LI — длина ступени;
*i=c5?L(t'-1)+rs <5-114)
Конический кольцевой канал (рис. 5.33, б). При-
менив метод ступенчатой аппроксимации, выразим размеры эле-
ментов ступени через размеры моделирующего канала. Из гео-
метрических соображений следует:
п . _ О , Ь. , 2(Ro- R1) + ^1-62)
Rot-Ri-i- 2 + 2т 0 — 1)
«1г —R1— 2 + 9т О—Ч
(5.115)
(5.116)
2т
Используя (5.101) и (5.110) и принимая температуру по всей
длине канала постоянной, получим:
— д/n + 2) 2"+1
’ т j
2 (Яог - Rli)1+2/n № + R1)lln
(5.Н7)
Метод ступенчатой аппроксимации обычно дает хорошие ре-
зультаты. Особенно удобно им пользоваться в тех случаях, ког-
да вычисления производятся с применением ЭЦВМ.
5.6. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЭКСТРУДЕРА. РАБОЧАЯ ТОЧКА.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА
Изложенные в предыдущих разделах сведения позволяют рас-
считать внешнюю характеристику экструдера и внешнюю харак-
теристику головки независимо друг от друга. В действительно-
сти всегда приходится иметь дело с их сочетанием. Поэтому
фактический рабочий режим определяется как решение систе-
мы двух трансцендентных уравнений, одно из которых описыва-
ет внешнюю характеристику червяка Q = Q(P)N, а другое —
внешнюю характеристику головки Q = Q(Pt)t- Решение, одно-
временно удовлетворяющее обоим уравнениям, называется ра-
бочей точкой, поскольку при заданной скорости вращения чер-
вяка производительность экструдера, так же как и температура
и давление экструзии, определяется этим решением.
Использование описанной математической модели позволяет
решить ряд практических задач, основными из которых являют-
ся следующие: поверочный расчет экструдера; проектный расчет
экструдера; анализ технологического режима, включающий ис-
следование влияния вариаций температуры нагревателей корпу-
са и свойств сырья на стабильность размеров и температуры
экструдируемого изделия.
5.6.1. Поверочный расчет экструдера
При поверочном расчете экструдера исследуются технические
возможности машины применительно к переработке одного ма-
териала (или группы материалов) в однотипные или различ-
ные изделия. При этом предполагается, что все основные харак
теристики экструдера, перерабатываемого материала и парамет-
ры технологического режима заданы. Ниже приводятся исход-
ные сведения, необходимые для поверочного расчета экстру-
дера:
Документ или технологический
параметр
Чертежи червяка
Чертежи головки
Характеристика материала, реологи-
ческие свойства в диапазоне гради-
ентов скорости и температуры, охва-
тывающем рабочий интервал
Зависимость плотности от температу-
ры и давления
Зависимость теплоемкости и коэф-
фициента теплопроводности от тем-
пературы
Гранулометрический состав, насып-
ная плотность, коэффициенты внеш-
него трения и их зависимость от
температуры и давления
Назначение
Определение геометрических ко-
эффициентов
Определение коэффициента сопро-
тивления и индекса разнотолщин-
ности
Расчет характеристик червяка и
головки
Определение осевого усилия и
мощности привода
Определение температуры разо-
грева
Расчет производительности зоны
питания
Продолжение
Характеристика технологического ре-
жима: заданные скорость вращения
червяка, температурный режим и
производительность
Характеристика экструдируемого из-
делия, профиль поперечного сечения
Допускаемые отклонения по разме-
рам
Определение констант, характери-
зующих свойства материала при
условиях переработки
Проверка на индекс разнотол-
щенности
Расчет необходимой точности под-
держания температур
В ходе поверочного расчета проверяются основные парамет-
ры процесса. Для этого строятся внешние характеристики чер-
вяка при различных значениях скорости вращения (обычно в
пределах рабочего диапазона выбираются три-четыре значения
скорости вращения).
Серьезным затруднением, возникающим при отыскании об-
щего решения для уравнений экструдера и головки, является не-
явный характер функциональной зависимости между давлением
на выходе из червяка и температурой. Это означает, что каждой
точке внешней характеристики червяка соответствует не только
свое значение давления, но и свое значение температуры рас-
плава. Наиболее удобный прием, служащий для нахождения
общего решения, состоит в использовании графоаналитического
метода. При этом удобнее представлять внешнюю характери-
стику в логарифмических координатах в виде зависимости lgQ =
=/ClgP), так как характеристика головки, описываемая выра-
жением вида
<2 = Л/[«(Т)РГ/РО]" (5.118)
изображается в этих координатах прямой линией, угловой ко-
эффициент которой равен п. Изменение температуры расплава
приводит к параллельному смещению характеристики головки
на величину lg R (Т). Поэтому задача выбора соответствующей
прямой решается параллельным смещением характеристики го-
ловки вдоль характеристики червяка до точки, в которой зна-
чения температуры расплава для обеих характеристик совпада-
ют (рис. 5.34).
Для выявления требований к точности системы регулирова-
ния температуры головки на итоговом графике наносится допу-
стимый интервал колебаний производительности и рассчитыва-
ются допустимые изменения R(T), при которых колебания про-
изводительности еще не выходят за установленные пределы. За-
тем по величине допустимых колебаний производительности рас-
считывается предельно возможный интервал изменения темпе-
ратуры. Далее определяются осевое усилие и мощность, необ-
Рис. 5.34. Графоаналитический метод нахождения рабочей точки.
Кривая — внешняя характеристика червяка. Числа на кривой — значения R(T) в соот-
ветствующих точках. Наклонные прямые — характеристики головки при разных значе-
ниях температуры, определяемых значениями R(T).
Рис. 5.35. Номограмма для предварительного определения диаметра червяка
по заданным значениям объемной производительности и среднего градиента
скорости (y—nDN/ho, h0-—глубина канала в зоне дозирования).
ходимые для привода червяка. Данные, полученные в результа-
те поверочного расчета, могут быть использованы для прочност-
ного расчета отдельных узлов и деталей машин.
5.6.2. Проектный расчет экструдера
Проектный расчет экструдера сопряжен с необходимостью выбо-
ра основных параметров, таких, как геометрические размеры
червяка и режим работы машины.
Анализ конструктивных и технологических рекомендаций
позволяет предложить метод предварительного определения
основных геометрических параметров машины в зависимости от
заданной производительности, вида экструдируемого изделия и
перерабатываемого материала^ В табл. 5.2 приведены значения
средних градиентов скорости y=nDNIh, реализуемых при пере-
работке различных термопластов на современных экструдерах.
Там же содержатся рекомендации по относительной длине раз-
личных зон червяка и коэффициенту изменения объема винто-
вого канала. Таблица составлена применительно к червякам с
A/Z)=20—25.
Чтобы распространить рекомендации, приведенные в табл.
5.2, составленной для червяков диаметром 63 мм, на машины с
произвольным диаметром червяка, необходимо воспользоваться
Условиями моделирования. Обычно принимают, что у геометри-
чески подобных червяков средний градиент скорости в канале
Должен быть одинаковым. Предлагаемый закон изменения глу-
бины канала
ft/ft0 = (D0/D)V2
(5.119)
Таблица 62. Конструктивные параметры червяков и значения средних
градиентов скорости, рекомендуемые для переработки некоторых полимеров
Материал Вид изделия Средний гра- диент ско- рости V» с-1 Отношение глубины ка- нала в зонах загрузки и дозирования Число вит- ков в зоне дозирования
ПЭВП Трубы 50—100 3,7—4,35 8 Листы 100—230 3,7—4,35 9 ПЭНП Покрытия 100—240 4,0—4,75 9 Пленки и 50—110 3,7—4,35 9 трубы ПП Любой 55—110 3,5—4,35 9 ПВХ непластифициро- То же 15—40 2,7—3,1 6—5 ванный ПВХ пластифицирован- » 35—100 2,7—3,7 7 ный, сухая смесь 90—210 3,35—4,0 6 Полиамид 6,6 » 50—110 4,0—4,35 9 ПС » 100—200 4,0—4,35 9 Ударопрочный ПС Листы 50—НО 4,0—4,35 9 Полиакрилаты » 40—100 3,35—3,7 9 Примечания. 1. Во всех случаях, за исключением переработки полистирола
(ПС), материал загружался в виде гранул (в случае ПС — в виде порошка). 2. Число
витков в зоне сжатия составляет 1 во всех случаях, кроме переработки иепластифици-
рованного ПВХ (при этом оно достигает 5—6). 3. При переработке пластифицированного
ПВХ в зоне дозирования применяется торпеда.
строго говоря, приложим только к термически нейтральным чер-
вякам (обогрев или охлаждение червяка отсутствуют). Тем не
менее этот закон был использован при построении номограммы
(рис. 5.35), по которой предварительно определяют диаметр чер-
вяка.
Следует оговориться, что эти рекомендации справедливы для
однозаходных пластицирующих червяков с шагом, равным диа-
метру (t=D). При этом у червяков, предназначенных для пере-
работки полиэтилена низкой и высокой плотности, полипропи-
лена, полиамида 6,6 и ударопрочного полистирола, длина зоны
дозирования составляет около половины общей длины червяка.
Все червяки этого типа имеют ступень сжатия, т. е. длина участ-
ка с уменьшающейся глубиной канала составляет у них около
одного витка.
У червяков, предназначенных для переработки полистирола,
сухой смеси пластифицированного поливинилхлорида и отходов
полиолефинов, возможна установка смесительного наконечника
(торпеды), который повышает гомогенизирующую способность
червяка и снижает флуктуации производительности экструдера.
Червяки, предназначенные для переработки пластифициро-
ванного и непластифицированного поливинилхлорида, обычно
имеют удлиненную зону сжатия, составляющую до т/з длины
червяка. Длина зоны питания по-прежнему должна составлять
около половины общей длины червяка. Разумеется, эти конст-
руктивные рекомендации не являются единственно возможными,
но в большинстве случаев они обеспечивают достижение высо-
кой производительности при высокой степени однородности
расплава.
Если выразить все геометрические параметры червяка через
его диаметр (t=D, е=0,1 D, 1i=eD), то при i=l производи-
тельность вынужденного потока qa можно приближенно оценить
по формуле
qd=0,3e2yD3 (5.120)
Номограмма уравнения (5.120) для червяка предлагаемой
(или близкой) геометрии (см. рис. 5.35) позволяет определить
диаметр червяка в зависимости от требуемой производительно-
сти и рекомендуемого режима при переработке полиолефинов и
полиамида 6,6.
Исходя из всего сказанного, предлагается следующая схема
проектного расчета экструдера.
1. По табл. 5.2 выбирают величину рекомендуемого гради-
ента скорости (в соответствии с перерабатываемым материалом
и видом изделия)!
2. Пользуясь номограммой (см. рис. 5.35), определяют диа-
метр червяка, соответствующий заданному значению парамет-
ра Q/y.
3. Вычисляют глубину канала на участке зоны дозирования
по формуле
ft= 1,82(Q/Dy)1/2 (5.121)
4. Вычисляют глубину канала на участке зоны загрузки в
соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 5.2.
5. Определяют все остальные геометрические параметры чер-
вяка.
6. По выбранному градиенту скорости и глубине канала на-
ходят рабочую частоту вращения червяка по формуле
W = уйДлО) (5.122)
Дальнейший расчет экструдера производится так, как ука-
зано в разд. 5.6.1. Разумеется, и в этом случае для полного
расчета необходимо располагать исчерпывающими сведениями
как о свойствах перерабатываемого материала, так и о техноло-
гическом регламенте.
5.6.3. Осевое усилие на червяке и мощность привода
Осевое усилие в зоне дозирования. При работе экструдера чер-
вяк нагружается осевым усилием от продольного и поперечного
градиентов давления. Действующее на червяк осевое усилие Т
складывается из двух компонент — силы ТР, действующей на то-
рец червяка и численно равной произведению давления на вы-
ходе из червяка Рг на лобовую площадь сечения червяка, и си-
лы Ti, действующей на толкающую стенку червяка и равной
произведению перепада давлений на стенке на общую площадь
стенки:
Т = ТР + Ti
(5.123)
где
ТР = Ртя (D —2бд)2/4
= I kPih cos cpdz = ctg ср
z
ПЛ
(5.124)
(5.125)
'ПЛ
Перепад давлений ДР/ между двумя соседними сечениями
винтового канала, отстоящими друг от друга ровно на один
шаг, равен
{ dP dP \ 6л2£>2т]Р „ . „
ДР/ = nD | cos <р -|- sin <р 1 = ——^2--(« cos2 <р + sin2 <р) (5.126)
Подставляя (5.126) в (5.125) и заменяя интегрирование сум-
мированием, получим:
Ti— 6ctg<рл2Р^ R^-(a‘ cos2 ф+ sin2 ф) Д^1 (5.127)
z=i - 1 J
Из (5.126) и (5.127) следует, что даже при отсутствии про-
тиводавления (Рг=0; а = 0) осевое усилие не равно нулю. Оно
оказывается тем значительнее, чем выше вязкость среды и чем
больше скорость вращения червяка.
Осевое усилие в зоне питания. Вследствие трения между
червяком и движущейся по его каналу твердой пробкой нерас-
плавленного материала возникает дополнительная компонента
осевого усилия, направленная в сторону движения материала.
Эту компоненту можно определить, исходя из схемы движения
материала в зоне загрузки, рассмотренной выше.
Вернемся к схеме сил, действующих на элемент пробки дли-
ной dz (см. рис. 5.21). Очевидно, что неизвестная сила F*, на-
правленная в сторону загрузочной воронки, и является искомой
компонентой осевого усилия. Выражая ее из (5.10)—(5.18),
получим:
dTif = CiPdz (5.128)
где
fbw sinG-F2hifs sin tp-}-wfscos(p + (B1 — A1K)/(A2K-i-B2)
1 COS Ф — fs Sin ф v
Подставим P из (5.27) и проинтегрируем уравнение (5.129),
определяя постоянную интегрирования из условия Тц=0 при
2=0:
Tif,t+i = сн В^ — аЛ Pi ехр А2К + В2 Дх (5‘ 130>
Из выражения (5.130) видно, что возникающее в зоне пита-
ния осевое усилие очень сильно зависит как от коэффициента
трения fs, так и от угла ф. Увеличение любого из двух парамет-
ров приводит к резкому росту Сг, сопровождающемуся возра-
станием осевого усилия.
Мощность, необходимая для привода червяка, складывается
из мощности, рассеиваемой в пределах зоны дозирования, мощ-
ности, рассеиваемой в пределах зоны плавления и зоны пита-
ния, и мощности, рассеиваемой в головке. Наибольший инте-
рес представляет определение мощности, рассеиваемой в преде-
лах зон Дозирования и плавления, поскольку именно здесь рас-
ходуется основная мощность привода.
Мощность, рассеиваемая в пределах зоны дозирования. Обо-
значим мощность, расходуемую в пределах зоны дозирования,
через (кВт). В случае политропического режима она опреде-
ляется соотношением
= lO-SpQcpAT/K/ (5.131)
где Ki — среднее значение коэффициента политропичности.
Мощность, рассеиваемая в пределах зоны плавления. В пре-
делах зоны плавления основная мощность расходуется на тан-'
генциальную деформацию расплава в тонком слое, прилегаю-
щем к внутренней поверхности корпуса. Считая, что температу-
ра в этом слое равна среднему значению между температурой
стенки корпуса и температурой плавления, определим напряже-
ния сдвига, действующие на поверхности 'твердой пробки:
тп = -По (Afb/S) exp [—Ь (Ть— Тй)] (5.132)
Мощность, которую нужно подвести к червяку, чтобы ком-
пенсировать работу напряжений сдвига, действующих на по-
верхность пробки, определится из соотношения
zn
Г * 2 m
гп = I Т] wdz = wAuzMz 2 IT (5.133)
J 1
Zf
rp.e. 6,- — средняя толщина слоя расплава.
Мощность, рассеиваемая на участке зоны питания, равна
работе сил внешнего трения в пределах этой зоны.
Мощность, рассеиваемая на элементарном участке зоны пи-
тания, равна
sin <р
dWf= UwfbP sin (e _|_ <p) dz (5.134)
Суммарная мощность, рассеиваемая в зоне питания, опреде-
лится интегрированием этого выражения по длине зоны пита-
ния. В пределах участка малой длины, для которого можно при-
нять, что плотность пробки и коэффициенты трения /ь и fs оста-
ются неизменными, рассеиваемая мощность описывается выра-
жением
sin <р
Wfl = PlfbtUW Дг (5.135)
В том случае, если канал червяка в пределах зоны питания
имеет переменное сечение (например, при коническом сердеч-
нике), приходится прибегать к методу ступенчатой аппрокси-
мации.
Мощность, рассеиваемая в головке. Обозначим мощность,
расходуемую в головке, через Wr. Из уравнения энергетического
баланса следует, что она равна
И7Г = <2РГ (5.136)
Суммарная мощность, необходимая для привода червяка, оп-
ределяется выражением
rs= (Wtj + 1O-6QP + J7Z+ «?'„) Ю-з (5.137)
При расчете по уравнению (5.137) следует иметь в виду, что
размерность Q в этом уравнении — см3/с; при этом размерность
мощности — кВТ.
5.7. ЭКСТРУЗИОННЫЕ ЛИНИИ (АГРЕГАТЫ)
Классификация экструзионных агрегатов производится по виду
изготавливаемых изделий. Различают следующие основные ти-
пы агрегатов: 1) грануляторы (с резкой на решетке, прутко-
вые) ; 2) пленочные агрегаты (для получения рукавной пленки
с вертикальным расположением рукава; для получения рукав-
ной пленки с горизонтальным расположением рукава; для по-
лучения многослойной рукавной пленки; для получения плоской
пленки методом полива на барабан; для получения плоской
пленки с охлаждением в водяной ванне; для получения двухос-
но-ориентированной пленки); 3) ламинаторы (агрегаты для по-
лучения дублированных пленок, например бумага — ПЭ или
фольга — ПЭ); 4) листовальные агрегаты; 5) трубные агрега-
ты; 6) агрегаты для экструзии профилей; 7) кабельные агрега-
ты; 8) агрегаты для получения волокна.
Основой любого экструзионного агрегата является экстру-
дер. При этом самые различные агрегаты могут создаваться на
базе одного и того же экструдера. Исключение составляют гра
нуляторы для полиолефинов (в особенности для ПЭНП), кото-
рые обычно устанавливаются в одной технологической линии с
реактором для полимеризации этилена. Эти экструдеры отлича-
ются специфическими особенностями конструкции, обусловлен-
ными тем, что в них из реактора поступает расплав (отпадает
необходимость в операции захвата и транспортирования твердо-
го полимера и его плавления). Дополнительной особенностью
таких экструдеров является требование весьма высокой произ-
водительности, достигающей у современных машин 16—40 т/ч.
Отличительной особенностью большинства других агрега-
тов является конструкция головки, обусловленная особенностя-
ми экструдируемого изделия. Наконец, форма и размеры экст-
рудируемого изделия определяют и все остальные функцио-
нальные устройства агрегата, такие, как охлаждающие и ка-
либрующие механизмы, тянущие и приемные устройства, при-
боры для управления и контроля за качеством.
Формально в любом экструзионном агрегате можно выделить
следующие функциональные механизмы: экструдер, преобразу-
ющий полимер в расплав с заданными технологическими харак-
теристиками (температура и давление); головка с рабочим ин-
струментом (матрица или дорн и матрица), придающая потоку
расплава форму будущего изделия; калибрующее устройство,
окончательно формирующее контур и размеры поперечного се-
чения изделия; охлаждающая ванна, в которой изделие приоб-
ретает жесткость и формоустойчивость (часто функции калибро-
вания и охлаждения совмещают в одном механизме), тянущее
устройство барабанного или гусеничного типа; приемное устрой-
ство барабанного или рулонного типа, отрезные механизмы с
циркулярными пилами или гильотинными ножницами; контроль-
ные устройства (толщиномеры, измерители диаметров, электри-
ческой прочности и т. д.); различные накопители и компенсато-
ры, позволяющие производить замену приемных барабанов или
бобин без остановки работы агрегата; системы управления и
синхронизации работы отдельных механизмов агрегата.
5.7.1. Грануляторы
Различают грануляторы для первичной грануляции, которые
предназначены для придания товарной формы — гранул — ис-
ходному полимерному материалу, и грануляторы для вторичной
грануляции отходов различных производств (пленочного, литье-
вого, трубного и т. д.).
В производстве ПЭНП грануляторы для первичной грануля-
ции обычно устанавливают в одну линию с реакторами для
Рис. 5.36. Схема агрегата для гранулирования. Пояснения в тексте.
Таблица 5.3. Технические характеристики экструзионных агрегатов
Тип агрегата Тип экструдера Вид перерабатываемого материала
АПОТ-63
АПОТ-9013
АПОТ-90
АГП-125
АГП-200
UWG-15*
UWG-30*
UWG-60*
4ПСк63Х20
4ПСп90Х20
4ПСп90Х20
4ПГ125Х20
4ПГ 200X5
КЕ 250X12
КЕ 350X12
КЕ 600X12
Отходы пленки из ПЭНП и ПЭВП
Отходы капрона
Отходы лавсановой пленки
Суспензионный ПС
Ударопрочный ПС
ПЭНП, поступающий в виде распла-
ва из реактора
То же
»
* Агрегаты фирмы «Берштофф» (ФРГ).
полимеризации этилена или непосредственно под смесителями,
в которых приготавливаются композиции на основе полиэтиле-
на. Во всех случаях питание таких грануляторов осуществляет-
ся уже готовым расплавом. Поэтому отличительная черта их —
сравнительно малая относительная длина червяка, составляю-
щая в большинстве случаев 8£), и применение пара или жидкого
теплоносителя для обогрева корпуса.
Гранулятор такого типа (рис. 5.36) имеет производитель-
ность от 2 до 29 т/ч при диаметре червяка 250—600 мм. Он
состоит из следующих основных частей: обогреваемого корпу-
са 6; приемной воронки 8, соединенной непосредственно с отде-
лителем низкого давления 7; регулируемого привода червяка 9;
гранулирующей головки с фильтром стационарного (сетчатого
или шиберного) типа 5; резательного устройства, состоящего в
свою очередь из ножевой головки 4, установленной, на подвиж-
ной каретке 10, регулируемого привода вала ножевой голов-
ки 11; герметичной водяной камеры, где происходит резка гра-
нул; системы трубопроводов 12, по которым вода с гранулами
транспортируется к виброситам 3, на которых происходит отде-
ление гранул от охлаждающей конденсатной воды и разделение
гранул по размерам (фракционирование). Двигаясь по виброси-
там, гранулы разделяются на основной поток и две фракции:
остающуюся на сите (гранулы слишком большого размера) и
проникающую сквозь сито (гранулы слишком маленького раз-
мера). Основной поток гранул, размеры которых удовлетворяют
требованиям ГОСТа, поступает в систему пневмотранспорта 2,
проходит через осушительный циклон 1 и направляется по пнев-
мопроводу 13 с потоком сухого воздуха в приемные бункера
(емкость каждого такого бункера может составлять 150—
250 м3). Гранулы слишком большого и слишком маленького
размеров поступают через свой циклон в систему пневмотранс-
порта, по которой они направляются в приемный бункер для
для гранулирования пластмасс
Производи- тельность, т/ч Мощность, кВт Габаритные размеры (дли- на, ширина, высота), м Масса, т
электродви- гателей нагревателей
0,03 26,3 14 6,8X1,9X3,7 3,6
0,1 86,0 46 12,5X2,9X3,6 9,2
0,1 82,8 29 12,4X2,9X3,6 9,2
0,2 86,0 11 9,6X2,3X2,6 8,5
0,2 37,1 25 8,2X1,9X3,9 9,3
з,о 380 Масляный о —.
обогрев
Ю 780 То же — —.
25 2450 » —
некондиционной продукции, подвергающейся вторичной пере-
работке.
В табл. 5.3 приведены технические характеристики современ-
ных экструзионных агрегатов для гранулирования.
Конструкции грануляторов различаются по способам охлаж-
дения и резки гранул:
Производи- тельность, • т/ч Диаметр чер- вяка, мм
Резка в водной среде До 30 600
Горячая резка на решетке с последующим охлаждением в водяном кольце До 5,5 320
Горячая резка на решетке с воздушным охлаждением гранул До 2,5 250
Дробление охлажденных прутков (стренго- вый способ) До 2,5 250
Резка (дробление) охлажденных в воде До 1,5 160
полос
Гранулятор с подводной резкой (рис. 5.37) состоит из обо-
греваемого корпуса / с системой разводящих каналов 2, кониче-
ской решетки 3, на которой установлен пакет сеток 4, грану-
лирующей решетки (фильеры) 5, герметичной камеры 11, ноже-
вой головки 10, установленной на валу 9, двигателя регулируе-
мого привода 8, подвижной станины 7, снабженной колесами 6.
При работе гранулятора гомогенизированный расплав из
экструдера проходит через пакет сеток по каналам головки и
выдавливается через отверстия фильеры в виде цилиндрических
стержней в камеру, в которой вращается ножевая головка. Но-
жи движутся со скоростью, обеспечивающей отрезание гранул
заданной длины. Скорость выдавливания гранул определяется
производительностью экструдера. Поэтому частота вращения
ножевой головки синхронизируется со скоростью вращения чер-
вяка.
Фильера гранулятора (рис. 5.38) представляет собой диск с
отверстиями диаметром 2,2—3 мм. Число отверстий в зависимо-
сти от производительности составляет от 40 до 2000. Внутрен-
няя поверхность фильеры, обращенная навстречу потоку рас-
плава, выглядит наподобие сот из-за того, что на входе в каж-
дое отверстие имеется конический участок, причем его входной
диаметр выбирается таким образом, чтобы пересекающиеся
стенки конусов образовывали на входе правильные шестигран-
ники. Благодаря такому расположению и форме отверстий пол-
ностью исключается возможность возникновения в головке зон
застоя.
Фильеры грануляторов с подводной резкой обогреваются на-
сыщенным паром (давление 3—4 МПа). Для этого в теле
фильеры имеются специальные каналы, размеры и расположе-
ние которых подбирают таким образом, чтобы не допустить за-
стывания расплава в отверстиях фильеры, особенно в момент
запуска, когда поверхность фильеры со стороны ножей уже
охлаждается конденсатом, а расплав еще’ не продавливается че-
рез головку.
Фильеры грануляторов для уменьшения износа рабочей по-
верхности изготавливают из специальных сталей высокой твер-
дости (HRC>60). В ряде случаев рабочую поверхность фильер
упрочняют наплавлением слоя твердого сплава.
Механизм для резки гранул на решетке состоит из водя-
ной камеры и ножевой головки с регулируемым приводом, смон-
тированных на передвижной станине. Камера представляет со-
бой литую или сварную конструкцию с фланцем для соединения
ее с гранулирующей головкой, с патрубками для подвода и уда-
ления конденсата, смотровыми окнами, люками и отверстием,
через которое проходит вал резательного устройства.
Рис. 5.37. Гранулятор с подводной резкой. Пояснения в тексте.
Рис. 5.39. Гранулятор с охлаждающим устройством типа водяного кольца:
1— патрубок подвода воды; 2 — спиральная перегородка; 3 — корпус водяной камеры;
4— червяк; 5 — корпус экструдера; 6 — фланец адаптера; 7 — корпус гранулирующей го-
ловки; 8 — корпус подшипников ножевого вала; 9 — механизм регулирования зазора меж-
ду фильерой и иожами; /0 —двигатель привода ножей; // — фильера; 12 — внутренний
цилиндр; 13 — отводящий патрубок: 14 — ножи; 15 — режущая головка.
Ножевая головка предназначена для крепления и вращения
режущих ножей, число которых может составлять от 2 до 24.
Форму ножей и угол их установки относительно решетки выби-
рают в зависимости от марки перерабатываемой пластмассы.
Ножи изготавливают из износостойких сталей, причем твердость
ножей должна быть на 2—10 единиц HRC меньше твердости
фильеры.
Для регулирования зазора между ножами и фильерой реза-
тельное устройство снабжено механизмами грубого и тонкого
регулирования, поскольку от величины зазора зависит как фор-
ма гранул, так и долговечность ножей.
В некоторых грануляторах с резкой гранул на решетке при-
меняют охлаждающее устройство типа водяного кольца (рис.
5.39). Это устройство состоит из цилиндрического корпуса 3,
расположенного соосно по отношению к фильере 11. Внутри
корпуса укреплен цилиндр 12. К боковым стенкам корпуса тан-
генциально приварены два патрубка — 1 и 13. Поступающая
под давлением через патрубок 1 вода формирует в пространстве
между цилиндром 12 и корпусом 3 спиральный поток, который,
проходя через щель А, образует на внутренней поверхности ци-
линдра 12 водяной поток В, прижимаемый к стенке цилиндра
центробежными силами. Поток захватывает отрезанные ножа-
ми 14 гранулы и уносит их через патрубок 13 к устройству для
обезвоживания. Обезвоживание гранул производится в центри-
фугах, циклонах и на виброситах. Привод режущей головки 15
осуществляется от электродвигателя 10.
3
Рис. 5.40. Вибросито. Пояснения в тексте.
Регулирование зазора между ножами и плоскостью филье-
ры 11 производится при помощи винтового механизма 9.
Вибросито (рис. 5.40) состоит из прямоугольного короба 1,
перекрытого сверху гладкими перфорированными листами 2,
изготовленными из тонкой нержавеющей стали, специальных
подвесок 3, эксцентрикового привода 6, станины 5 и секторного
дозатора 4.
Горячий воздух для сушки гранул подается от калорифера
вентилятором в полость станины 5, откуда он проходит в про-
странство между днищем короба 1 и перфорированными листа-
ми. Короб сита закреплен на подвесках, соединенных со стани-
ной, и приводится в колебательное движение эксцентриковым
приводом 6. Амплитуда и частота колебаний вибросита подби-
раются такими, чтобы обеспечивалось равномерное распределе-
ние гранул по поверхности сита и равномерное их перемещение
вдоль него. По мере передвижения гранулы сушатся и сорти-
руются по размерам.
Вибросита, применяемые в грануляторах с водяным охлаж-
дением гранул, комплектуют устройством для отделения воды от
гранул, которое представляет собой камеру с перемычками для
изменения направления и уменьшения скорости потока воды и
наклонной решеткой, на которой гранулы отделяются от конден-
сата.
К основным технологическим параметрам процесса гранули-
рования относятся: производительность экструдера, температура
и давление расплава на входе в фильеру, температура распла-
ва на выходе из фильеры, давление и расход пара, подаваемого
для обогрева фильеры, температура и расход конденсата в ка-
мере, частота вращения ножевой головки, величина зазора меж-
ду ножами и поверхностью фильеры.
Качество гранул и количество отходов зависят от правиль-
ного выбора и точного поддержания параметров технологиче-
ского процесса.
Грануляторы с водяным охлаждением гранул комплектуют
сборником конденсата с подогревателями, насосами для перека-
чивания конденсата из сборника через теплообменник в каме-
ру резки, трубопроводами, по которым гранулы транспортируют-
ся водой к виброситу или центрифуге.
Грануляторы, работающие по механизму резки охлажденных
прутков (рис. 5.41), широко применяют для гранулирования по-
лиамидов, полистирола и различных сополимеров стирола (на-
пример, ABC-пластика), полиэтилентерефталата, полиэтилена
высокой плотности. При этом методе гранулирования выходя-
щие из головки струи расплава (обычно числом не более 20-—
25) проходят через охлаждающую ванну и с помощью тянущих
гуммированных валков подаются в режущее устройство ротор-
ного типа. Необходимый размер гранул достигается подбором
частоты вращения роторов режущего устройства. Торцы гра-
нул, полученных резкой охлажденных прутков, обычно имеют
неправильную форму. Гранулят содержит много пыли и скло-
нен к образованию сводов в бункерах перерабатывающего обо-
рудования. В таком грануляте могут присутствовать даже
мелкие металлические включения, так как резка охлажденных
прутков сопровождается заметным износом ножей.
При горячей резке на решетке гранулы охлаждаются возду-
хом, смесью воды и воздуха или конденсатом. При охлаждении
и подсушке гранул воздухом или воздушно-водяной смесью при-
меняют вентиляторы, системы воздуховодов с циклоном или
виброконвейер, который представляет собой вертикальную тру-
бу с винтовой наружной поверхностью. По бокам трубы под
небольшим углом к ее вертикальной оси устанавливают два виб-
Рис. 5.41. Схема гранулятора с резкой охлажденных прутков:
1— экструдер; 2— прутковая головка; 3— охлаждающая ванна; 4 — воздушная сушил-
ка; 5 — роторная дробилка;-6—направляющие ролики; 7 —жгуты полимера.
ратора, создающих механические колебания, под действием ко-
торых гранулы поднимаются вверх по спирали, обдуваются воз-
духом, подсушиваются и охлаждаются. Грануляторы с воздуш-
ным охлаждением компактны, не требуют дополнительных
устройств для досушки гранул и обладают высокой производи-
тельностью. К их недостаткам следует отнести несколько более
высокую неоднородность гранул по размерам и форме.
Расчет грануляторов. При расчете грануляторов определяют
коэффициент сопротивления фильеры и частоту вращения но-
жей. Исходные данные для расчета: производительность грану-
лятора— G, кг/ч; число отверстий в решетке — т; диаметр от-
верстия в решетке — d, см; плотность расплава при температуре
резки—р, кг/см3; эффективная вязкость расплава —ра, Па-с;
длина гранулы — /г, см; диаметр гранулы — dT, см; число ножей
резательной головки — Z = 2-b24).
Частота вращения вала резательной головки Np определя-
ется по формуле
7VP = G/(47,2pmZdr2lr) (5.138)
Число ножей рекомендуется выбирать таким, чтобы частота
вращения резательной головки во избежание быстрого износа
ножей и фильеры не превышала 1500 об/мин.
Коэффициент сопротивления фильеры подсчитывается по
формуле (5.102) с учетом распределения суммарного расхода по
всем отверстиям фильеры.
5.7.2. Экструзионные агрегаты для производства
рукавных пленок
Пленками называют тонкие полимерные полотна толщиной от
0,005 до 0,5 мм. В настоящее время применяют два основных
способа изготовления пленок: формование из расплава и осаж-
дение из растворов. В промышленности переработки пластмасс
наиболее широко распространен первый способ. При этом раз-
личают три метода изготовления пленок из расплава: а) экстру-
зией через рукавную головку с последующим раздувом рукава
(рукавная пленка); б) экструзией через плоскощелевую голов-
ку (плоская пленка); в) калиброванием в зазоре между враща-
ющимися валками (плоская пленка). Каждый метод изготовле-
ния отличается особенностями аппаратурного оформления. Наи-
более распространены экструзионные агрегаты для изготовления
рукавной пленки.
Экструзионный агрегат для производства рукавных пленок
может быть скомпонован по одной из трех схем, представлен-
ных на рис. 5.42. Агрегат для производства пленки по схеме
«снизу вверх» (рис. 5.42, а) применяют для изготовления пле-
нок любой толщины шириной до 24 м. Агрегат для изготовления
пленки по схеме «сверху вниз» (рис. 5.42, б) используют для из-
готовления тонких узких пленок. Агрегаты для изготовления
Рис. 5.42. Экструзионные агрегаты для производства рукавных пленок. Пояс-
нения в тексте.
пленки по горизонтальной схеме (рис. 5.42, в) применяют при
изготовлении толстых (например, газонаполненных) пленок.
Несмотря на различия в компоновке, все агрегаты состоят
примерно из одного и того же набора функциональных машин
и механизмов: экструдера 1 с бункером 2; фильеры 3; рукавной
головки 4; охлаждающего кольца 9, в котором в качестве хлад-
агента может использоваться воздух или жидкость, поступаю-
щие по трубопроводу 5; складывающих щек 6, иногда имеющих
систему принудительного охлаждения; тянущего устройства 7,
герметизирующего пузырь рукава; эстакады S; второго тянуще-
го устройства 10; закаточной стойки с приемной бобиной 11.
Гранулы поступают в бункер 2 из устройств для подготовки
и подачи сырья. При одновременной эксплуатации нескольких
линий осуществляют централизованную подачу сырья с помо-
щью внутрицехового пневмотранспорта. В большинстве случаев
для подачи сырья в бункер используют индивидуальные пнев-
мо- или вакуум-загрузчики.
Экструдер для приготовления расплава — универсальная ма-
шина, которая снабжается червяком, рассчитанным на перера-
ботку соответствующих полимеров. В связи с повышенными
требованиями к однородности расплава и недопустимости при-
сутствия в нем посторонних включений или непроплавленных
частиц расплав перед входом в головку тщательно фильтруется.
Для увеличения температурной однородности поступающего в
Рнс. 5.43. Схема угловой головки для экструзии рукавной пленки. Пояснения
в тексте.
головку расплава применяют червяки со смесительными насад-
ками.
Кольцевые формующие головки для производства рукавных
пленок классифицируют по следующим признакам: а) по на-
правлению входа расплава — с боковым, центральным или ком-
бинированным подводом расплава; б) по расположению оси ру-
кава относительно оси червяка экструдера — прямоточные и уг-
ловые; в) по виду установки — стационарные и вращающиеся;
г) по виду распределительных каналов — винтовые, гладкие
или решетчатые.
В настоящее время наиболее широко распространены ста-
ционарные угловые головки с центральным подводом расплава
и винтовым распределительным каналом.
Конструкция типичной угловой головки с комбинированным
подводом расплава представлена на рис. 5.43. Головка состоит
из корпуса 1, в который на центрирующем конусе вставлен
дорн 2 с коническим наконечником 4. Кольцевой канал, где фор-
мируется рукав, образован двумя формующими кольцами: ниж-
ним 7 и верхним 10. Фланец 4, который крепится к корпусу го-
ловки болтами 3, служит для крепления матрицы при помощи
разрезной шайбы 6 и центровки нижнего кольца с помощью
болтов 14. Верхнее формующее кольцо 10 крепится к нижнему
утопленными болтами. В кольцевой паз, образующийся между
кольцами, вставляется дросселирующее кольцо У, которое может
перемещаться в пазу при помощи болтов 8 и 12. На входном
участке корпуса по ходу движения расплава установлена цент-
рирующая втулка 15, внутри которой монтируются решетки 16
и 18 с пакетом фильтрующих сеток 17. Головка крепится к кор-
пусу экструдера посредством фланца 19. Обогрев головки осу-
ществляется при помощи пластинчатых нагревателей 11 и 13,
температура в зоне каждого нагревателя контролируется тер-
мопарами 20. Штуцер 21 служит для подвода в центральный
канал дорна сжатого воздуха, раздувающего рукав.
Расплав поступает в головку через входное отверстие кор-
пуса 1 и распределяется разводящим каналом дорна вдоль
кольцевого сборника канала А. Из кольцевого канала расплав
в виде кольцевой струи течет через коническую кольцевую
щель В к формующей щели, образованной верхним формующим
кольцом 10 и наконечником дорна 5. Установка одинакового по
всему периметру радиального зазора в кольцевой щели произ-
водится с помощью набора медных щупов посредством регули-
ровочных винтов 14. Поперечная разнотолщинность пленки, воз-
никающая вследствие неравномерного распределения давлений
по периметру щели, устраняется при помощи дроссельного коль-
ца 9, смещаемого в канале таким образом, чтобы за счет умень-
шения проходного сечения увеличить сопротивление и снизить
давление на участках щели, на которых рукав имеет наиболь-
шую толщину.
Угловая вращающаяся головка с центральным подводом и
спиральным распределителем расплава (рис. 5.44) состоит из
корпуса 6, внутри которого установлен спиральный распреде-
литель 8 с дорном 3, закрепленным на нем болтами 2. Расплав
от экструдера поступает в центр головки, а затем по радиаль-
ным каналам попадает в распределитель 8, где он равномерно
распределяется по всему периметру формующей щели. Обогрев
головки осуществляется нагревателями 7. Температура головки
контролируется термопарами 15. Подвод и отвод охлаждающего
воздуха из внутренней полости рукава производится по кана-
лам А.
При необходимости головка может быть изготовлена с прис-
пособлением для вращения. Совместное вращение корпуса и рас-
пределительных каналов головки (корпус 6 совместно с закреп-
ленной на нем винтами 5 матрицей 4 и дорном 3) позволяет по-
лучать равноплотную намотку пленки в рулон. Для этого верх-
нюю часть головки (включая корпус 6, матрицу 4, дорн 3 и спи-
ральный распределитель 8) закрепляют в подшипниковой опо-
ре 10. Центровка корпуса осуществляется хвостовиком 13, ко-
торый укреплен во втулке 14, изготовленной из износостойкого
материала. Гайка 11 через шариковый упорный подшипник 10
прижимает- торец хвостовика 13 к опорному торцу втулки 14, со-
здавая при этом контактное давление, предотвращающее вы-
текание расплава через щель в стенках канала. По мере изно-
са хвостовика 13 или втулки 14 необходимо подтягивать гай-
ку 11.
От электропривода 12 через шестерню 9 крутящий момент
передается к корпусу головки. В зависимости от типа привода
возможны два варианта вращения корпуса головки: непрерыв-
ное вращение (в этом случае питание всех нагревателей осу-
ществляется при помощи коллектора со щетками) или осцилли-
рующее вращение на 270—300° (в этом случае все электриче-
ские коммуникации головки выполняют из мягких эластичных
проводов).
Точность изготовления деталей головки должна быть не ни-
же второго класса. При сборке головки тщательно контролиру-
ют зазоры между корпусом 6 и распределителем 8, а также по-
стоянство величины формующего зазора по всему периметру
щели. Окончательную корректировку зазора осуществляют при
помощи болтов 1 через 20—30 мин работы экструдера.
Системы охлаждения можно классифицировать по виду
хладагента на воздушные, водяные и смешанные. Наиболее
широко распространены системы воздушного охлаждения (в ли-
ниях для производства пленки шириной от 50 до 6000 мм в сло-
женном виде).
Рис. 5.44. Угловая вращающаяся головка с центральным подводом и винто-
вым распределителем расплава. Пояснения в тексте.
Рис. 5.45. Система воздушного
охлаждения рукавной пленки. По-
яснения в тексте.
Типичная система ох-
лаждения рукавной пленки
(рис. 5.45) состоит из фор-
мующей головки 1, охлаж-
дающего кольца 3, поли-
мерного рукава 4, склады-
вающих щек 5 и тянущих
валков 6, которые сжима-
ют рукав и герметизируют
образующийся в шахте пле-
ночный пузырь. Воздух по-
дается вентилятором по
трубопроводу 2 в рапреде-
лительную камеру А, отку-
да он выходит через коль-
цевые щели в направлении
пленочного рукава 4. Сжа-
тый воздух для раздува ру-
кава под давлением подает-
ся через каналы в дорне. Выходящий из головки рукав разду-
вается сжатым воздухом до диаметра, в 3—5 раз превышаю-
щего диаметр щели, охлаждается потоком воздуха, поступаю-
щего из охлаждающего кольца, и равномерно вытягивается в
продольном направлении роликами тянущего устройства 6.
Складывание рукава осуществляют охлаждаемые щеки 5.
Основным конструктивным элементом системы охлаждения
является охлаждающее кольцо 3. Оно состоит из распредели-
тельной камеры А, образованной верхней 8 и нижней 9 губками
кольца, экрана 7 и коллектора В.
Типичные конструктивные схемы охлаждающих колец при-
ведены на рис. 5.46. Во многих конструкциях угол наклона вы-
ходной щели кольца, определяющий интенсивность охлаждения
и стабильность рукава, регулируется в диапазоне от 0 до 90°.
При выборе размеров распределительной камеры и каналов
кольца важно согласовать предельную скорость обдува с гид-
Рис. 5.46. Охлаждающие кольца:
о— стационарные —3); б — вращающиеся.
1
z
2 — верхняя распредели-
3 — нижняя распредели-
4 — передняя стенка; 5 —
6 — рукав; 7 — на-
Рис. 5.47. Система охлаждения, в ко-
торой используется аэродинамический
эффект струи:
/ — коллектор;
тельная камера;
тельная камера;
воздушный патрубок;
садка; 8— вставка.
Рис. 5.48. Система охлаждения рукава с устройством для внутреннего охлаж-
дения. Пояснения в тексте.
равлическим сопротивлением кольца. Наиболее равномерный
поток создается в безлабиринтных воздушных кольцах (рис.
5.46, а) или во вращающихся кольцах (5.46, б).
Для стабилизации положения рукава используют аэродина-
мический эффект, сущность которого состоит в локальном сни-
жении давления, достигаемом за счет увеличения скорости те-
чения воздуха в зазоре между элементами кольца и поверхно-
стью рукава.
Охлаждающее кольцо при использовании аэродинамического
эффекта струи (рис. 5.47) работает следующим образом. Вы-
ходящий из щели кольца воздушный поток вначале попадает в
полость а, образованную поверхностью рукава и насадкой 7.
В направлении движения воздуха поперечное сечение полости а
уменьшается. Размер полости и ее форма определяются поло-
жением вставки 8 (углом наклона выходной щели) и высотой
конической насадки. В узком зазоре выходной щели полости б
скорость воздушного потока возрастает, а гидростатическое дав-
ление в потоке уменьшается. В результате в этом месте возни-
кает стабилизирующая сила. Положение минимального зазора
определяется формой насадки 7, а также размером и формой
пленочного пузыря. Стабилизация пленочного рукава за счет
аэродинамического эффекта струи позволяет в 2—2,5 раза уве-
личить скорость обдувающего пленку воздуха и соответственно
интенсивность охлаждения.
Еще более эффективны системы с охлаждением воздуха в
пузыре. Различают два вида устройств внутреннего охлажде-
ния: охлаждение замкнутого в пузыре объема воздуха и охлаж-
дение путем обмена воздуха в пузыре. В первом случае воздух
в пузыре охлаждается в теплообменнике, установленном на
дорне головки. Недостаток таких устройств — малая эффектив-
ность охлаждения при большой энергоемкости.
Более совершенна система внутреннего охлаждения пузыря
путем полного обмена находящегося в пузыре воздуха (рис.
5.48). Такая система состоит из кольца наружного охлажде-
ния 4, нагнетающего 8 и отсасывающего 7 вентиляторов; трубо-
проводов для подачи и отсоса воздуха из пузыря, автомата конт-
роля и регулирования ширины пленки 3, управляющего регули-
рующей заслонкой 6; распределительного устройства 9; устрой-
ства стабилизации положения рукава 10, закрепленного на фор-
мующей головке 5; тянущих валков 1 и складывающих щек 2.
Распределительное устройство 9 стабилизирует воздушный
поток в зоне вытяжки рукава, препятствуя его сжатию (образо-
ванию на нем продольных складок). Главной частью системы
является автомат контроля и регулирования ширины и толщи-
ны пленки, поддерживающий заданный режим работы вентиля-
торов подачи и отсоса воздуха в пузырь. Контролируются и ре-
гулируются следующие параметры: диаметр рукава на линии
затвердевания, высота установки датчиков диаметра рукава,
расход воздуха, подаваемого в пузырь и отводимого из него, ко-
нечные ширина и толщина пленки.
Системы контроля и регулирования диаметра рукава разли-
чают по следующим признакам: независимое регулирование диа-
метра рукава и расходов воздуха на входе и выходе из пузыря
или совмещенное регулирование диаметра рукава и расходов
воздуха на входе и выходе из пузыря (т. е. регулирование рас-
хода производится по результатам замера диаметра). Второй
принцип проще, и поэтому используется более широко. При
этом время запаздывания, зависящее от высоты линии затвер-
девания и скорости вытяжки, определяется местоположением
датчика диаметра относительно формующей головки.
Приемное устройство в агрегате для производства рукавных
пленок состоит из стабилизирующего устройства, устройства
складывания и вытяжки пленки и намоточного устройства (рис.
5.49). Стабилизирующее устройство 2 служит для фиксации по-
ложения пузыря относительно вертикали, проходящей через
центр кольцевой щели формующей головки и зазор между тя-
нущими валками. Оно представляет собой шахту квадратного,
Рис. 5.49. Приемное устройство для ру-
кавных пленок. Пояснения в тексте.
ромбовидного или цилиндричес-
кого сечения. Его располагают
на эстакаде 1 в зоне постоянно-
го диаметра рукава перед скла-
дывающим устройством 3. Стен-
ки шахты выполняют из планок
или роликов, коэффициент тре-
ния материала которых о поли-
мерную пленку невелик. Ролики
могут быть неподвижными или
вращающимися за счет контакта
с движущимся рукавом. Число
их по вертикали может состав-
лять от 1 до 10.
Складывающее устройство 3
предназначено для сплющивания рукава и состоит из двух рам,
на которых обычно закрепляют полированные деревянные план-
ки. Щеки с деревянными планками обычно применяют в агре-
гатах для производства широкоформатных рукавных пленок.
Для уменьшения трения пленки о щеки их поверхность иногда
покрывают бумагой или тканью. В некоторых случаях приме-
няют перфорированные алюминиевые листы или древесностру-
жечные плиты. При изготовлении толстых пленок (6^0,2 мм),
а также пленок из пластифицированного ПВХ применяют ох-
лаждаемые металлические щеки. Изменение угла между щека-
ми производят при помощи винтовых механизмов 8.
Фальцовочные устройства 4 предназначены для формирова-
ния боковых продольных складок (фальцев) при сплющивании
рукава. Такие складки позволяют уменьшить ширину сложен-
ного рукава и благодаря этому при неизменной длине валиков
приемных и намоточных устройств изготавливать пленку боль-
шей ширины. Фальцовочное устройство состоит из треугольных
плит (или рам), расположенных с противоположных сторон ру-
кава. Каждая плита одним из углов обращена к зазору между
тянущими валками, основания плит перпендикулярны зазору и
параллельны верхней плоскости формующей головки. Плиты
можно перемещать вдоль зазора и изменять угол их наклона
относительно основания. Глубина фальцовки определяется уг-
лом наклона плит фальцовочного устройства, который подбира-
ется экспериментально.
Тянущее устройство, состоящее из валков 5 и 6, предназначе-
но для продольной вытяжки пленки и ее дальнейшего транспор-
тирования через устройства охлаждения и приема. Обычно оно
состоит из пары обрезиненных (один может быть металличес-
ким) валков; один из валков вращается ют электропривода с
бесступенчатым регулированием частоты вращения. Прижим
валков осуществляется с помощью пружин или пневмоцилинд-
ров. Для уменьшения усилий намотки перед намоточным устрой-
ством устанавливают дополнительные тянущие валки.
Складывающие устройства для уменьшения ширины наматы-
ваемого рукава имеют треугольную форму (при складывании
рукава вдвое) или форму фасонного желоба (при загибе края
пленки). Треугольное складывающее устройство представляет
собой сварную раму, края которой, соприкасающиеся с плен-
кой, скруглены и тщательно отполированы. Его устанавливают
за тянущими валками. В устройстве с фасонным желобом 11
края пленки постепенно отгибаются так, что в сечении полотно
вначале приобретает П-образную форму, а затем отогнутые края
прижимаются к полотну. Конструктивно складывающее устрой-
ство состоит.из двух желобов, установленных по краям плен-
ки, с плавно изменяющимся в направлении движения пленки
профилем. Оба устройства позволяют уменьшать ширину полот-
на в 2 раза. Сложенное полотно валками 12 отводится к намо-
точному устройству.
Ширительно-центрирующие валки 7 предотвращают образо-
вание складок на сложенном рукаве и удерживают полотно в
нужном положении относительно продольной оси агрегата.
В качестве валков ширительного устройства применяют: изогну-
тые обрезиненные валки (максимальный прогиб в середине вал-
ка) ; валки с расходящейся в обе стороны от середины винтовой
нарезкой; две пары наклонных обрезиненных валков, оттяги-
вающих края полотна в противоположные стороны.
Устройство продольной резки пленки на два и более плос-
ких (одинарных или двойных) полотна состоит из одного или
нескольких ножей 9, устанавливаемых в держателях между при-
емными валками 10 и намоточным устройством.
Намоточное устройство предназначено для приема готовой
пленки и сматывания ее в рулон. Конструктивно любое намо-
точное устройство состоит из сварной станины, на которой уста-
новлен регулируемый электропривод для вращения бобины, ме-
ханизмы крепления бобины, отрезания и перезаправки полотна.
По виду привода бобины намоточные устройства подразделя-
ются на центральные, периферийные (контактные) и комбини-
рованные.
В намоточных устройствах центрального типа рулон нама-
тывается на шпулю, установленную на приводной штанге. При-
меняют два способа привода штанги: при постоянном вращаю-
щем моменте или при постоянном натяжении (момент возраста-
ет). В первом случае натяжение полотна по мере увеличения
диаметра рулона снижается, и внешние слои пленки наматыва-
ются не очень плотно. Способ привода определяет схему управ-
ления электроприводом.
Автоматизированное намоточное устройство центрального ти-
па (рис. 5.50) состоит из станины 1, пневмоцилиндров 11, двух-
Рис. 5.50. Автоматизированное намоточное устройство центрального типа. По-
яснения в тексте.
позиционной карусели 4, привода 2, шпуль (бесштангового креп-
ления) 3 и 6, заправочно-отрезного приспособления? 10, прижим-
ного валка 7, компенсирующего ролика 12, отклоняющих роли-
ков 5, шпулярника 13, механизма подачи шпуль 15 и приемника
шпуль 14. При намотке пленочное полотно поступает из прием-
ного устройства через отклоняющий ролик 16 на компенсирую-
щий ролик 12 с противовесом. Ролик 12 связан с сельсином си-
стемы управления намотки и поддерживает постоянное натяже-
ние полотна. Величина натяжения задается массой противовесов
компенсирующего ролика. Полотно с компенсирующего ролика
через отклоняющие ролики 16' и прижимной валок 7 поступает
на шпулю 6, где наматывается в рулон заданного диаметра, при
достижении которого автоматически включается привод карусе-
ли 4, и намотанный рулон из положения намотки 6 переходит в
положение съема 3. При этом один из пневмоцилиндров. 11 пе-
ремещает заправочно-отрезной механизм 10, состоящий из рыча-
гов,- на которых установлены нож 8 и заправочная щетка 9.
Нож отрезает полотно, а щетка заправляет его свободный конец
в зазор между вращающейся шпулей 6 и прижимным валком 7.
В положении съема вращение шпули с рулоном прекращается,
зажимы крепления шпули разводятся с помощью пневмоцилинд-
ров (на схеме не показаны), и рулон скатывается в приемник,
откуда поступает на внутрицеховой транспорт. Из шпулярни-
ка 13 вилка 14 захватывает новую шпулю и пневмоцилиндром 15
подает ее в зажимы вместо снятого рулона.
Намоточные устройства периферийного (контактного) типа
отличаются тем, что в них шпуля (а затем и рулон) приводится
во вращение за счет трения от вращающегося с постоянной ча-
стотой барабана, т. е. вращающее рулон тангенциальное усилие
прикладывается непосредственно к поверхности рулона.
Намоточное устройство периферийного типа, обеспечиваю-
щее одновременную намотку двух полотен пленки (рис. 5.51),
состоит из станины 1, отклоняющих роликов 2, ножа продольной
резки 3, тянущих валков 8, регулируемого электропривода 9,
направляющих рычагов 7, предназначенных для крепления ру-
лонов 5. При намотке полотно А поступает через отклоняющий
ролик к ножам 3, обрезающим с двух сторон кромки рукава, ко-
торый затем разделяется на два полотна; каждое из них про-
ходит через отклоняющие ролики 2 и, попадая в зазор между
барабаном 4 и рулоном 5, наматывается на него. Ось шпули 6
фиксируется в пазах направляющих рычагов 7 в горизонталь-
ном положении, располагаясь параллельно оси барабана 4. По
мере увеличения диаметра рулона рычаги 7 отклоняются, со-
храняя параллельное расположение осей рулона и барабана. По
достижении заданных размеров рулона рычаги 7 опускают ру-
лон на приемник, снабженный гидравлическим демпфером.
Аппаратура управления, к которой относятся система авто-
матизированного электропривода червяка и рабочих органов
оборудования и системы контроля и регулирования параметров
технологического процесса, должна удовлетворять следующим
требованиям: а) поддерживать с требуемой точностью заданные
технологические параметры рабочего процесса; б) обеспечивать
возможность независимого регулирования рабочих параметров в
Рис. 5.51. Намоточное устройство периферийного типа.
Таблица 5-4. Технические характеристики оборудования
Наименование Тип, марка - Диаметр червяка экс- трудера, мм Отношение длины чер- вяка к диа- метру (LfD)
Линия для производства ру- кавной пленки ЛРП-45-700М 45 25
ЛРП-63-1000М 63 30
Агрегат для производства ру- кавной пленки УРП-1500-2 90 20
Линия для производства рукав- ной пленки ЛРП-160-3000 160 20
ЛРП-160-3000М 160 25
ЛРП-250-6000 250 30
Комплект оборудования для производства термоусадочной пленки На базе ЛРП-160- 3000 160 20
установленном диапазоне рабочих характеристик; в) обладать
высокой эксплуатационной надежностью и быть безопасной в
обслуживании; г) иметь возможность подключения к централи-
зованным системам АСУ.
Этим требованиям удовлетворяют современные системы
электропривода с тиристорным управлением, а также системы
измерения и регулирования основных параметров процесса (тем-
пературы нагревателей, температуры и давления расплава, тол-
щины и ширины пленки и т. д.). Регулирование частоты враще-
ния электродвигателя приемно-намоточных устройств произво-
дят по схеме тиристорный преобразователь — двигатель посто-
янного тока (см. разд. 5.2). Технические характеристики отече-
ственных агрегатов для производства полиэтиленовых пленок
приведены в табл. 5.4.
5.7.3. Экструзионные агрегаты для производства
плоских пленок
Различные схемы производства плоских пленок на экструзион-
ных агрегатах приведены на рис. 5.52.
Агрегат для производства плоских пленок с охлаждением их
в водяной ванне (рис. 5.52, а) состоит из экструдера 1, фильтра 2,
плоскощелевой головки 3, охлаждающей ванны с комплектом
для производства полиэтиленовых пленок
Размеры пленок, мм Глуби- на фаль- цовки пленки мм Установлен- ная мощ- ность, кВт Скорость намотки, м/мнн Габариты (ГХВХЯ), мм Масса кг
толщина ширина сло- женного ру- кава элект- родви- гателей элект- рона- грева- телей
0,02—0,15 200—700 80 67,0 7,2 До 60 5000Х4500Х Х4500 6870
0,02—0,20 300—1000 80 64,9 27,7 До 80 7000Х3500Х Х5600 8765
0,03—0,20 1000—1500 — 59,6 — 3—28 7000Х3500Х Х5000 4475
0,08—0,25 2000—3000 — 166,2 92,9 2—20 11000Х5500Х Х9340 32 617
0,08—0,25 При фаль- цовке—2000, при склады- вании по- полам — 1500 500 229,3 98,5 3—30 13000Х7100Х Х9070 33 250
0,1—0,3 При скла- дывании по- полам — 3000 — 607,9 377,7 2,5—50 21000Х17700Х X19000 140 000
0,1—0,2 2000—2800 500 167,3 112,7 — 11100Х5500Х Х9840 32 000
направляющих роликов 4 (справа внизу на рис. 5.52 этот узел
показан подробнее), тянущих валков 5 и намоточного устройст-
ва 6. При работе агрегата расплав из экструдера 1 проходит
через фильтр 2 и, выходя вертикально вниз из профилирующей
щели головки 3, попадает в охлаждающую ванну 4. После
охлаждения пленка проходит тянущие валки 5, устройство для
обрезания кромок и поступает в намоточное устройство 6.
Кроме охлаждения пленки в ванне применяют несколько
разновидностей охлаждения на барабанах. В этом случае по-
лотно, выходящее из формующей щели головки вертикально
вниз, поступает на охлаждаемый металлический барабан (ме-
тод полива на барабан, как показано на рис. 5.52, б) или на
первый приемный валок системы из трех охлаждающих валков
(рис. 5.52, в).
Скорость изготовления плоских пленок достигает сотен мет-
ров в минуту. Поэтому для их намотки используют устройства
с автоматической перезаправкой пленок с рулона на бобину.
Плоскощелевые головки по способу подвода расплава к фор-
мующей щели можно разделить на два типа: коллекторные го-
ловки, в которых расплав подводится к формующей щели через
канал-коллектор, и головки равного сопротивления, в которых
выходящий из экструдера расплав непосредственно растекается
по щелевому каналу.
Основная трудность, встречающаяся при конструировании
плоскощелевых головок, состоит в обеспечении постоянного рас-
хода расплава по всему фронту щелевого канала. Расплав, по-
ступающий из экструдера в коллектор головки (рис. 5.53), про-
ходит на пути к разным местам формующей щели различные
расстояния. В результате этого давления вдоль фронта формую-
щей щели распределяются неравномерно, что приводит к неоди-
наковому объемному расходу на разных участках щели и, как
следствие, к возникновению поперечной разнотолщинности
пленки.
Для устранения разнотолщинности используют локальные ре“
гулируемые сопротивления (дроссели). Применяют также и ло-
кальное изменение толщины щели при помощи упругодеформи-
рующихся губок и, наконец, используют местную корректировку
температуры. ।
Коллекторная плоскощелевая головка (рис. 5.54) состоит из
адаптера 10 с фильтрующим элементом 11 корпуса 3, профили-
рующих губок 4 и 6. Расстояние между губками регулируется
при помощи винтов 2 и 7. Обогрев головки осуществляется ше-
стью или более нагревателями сопротивлений, причем четыре на*
гревателя 1 установлены вдоль щели, а два (12 и 13)— на теле
адаптера 10 и соединительного патрубка 9. Контроль темпера-
Рис. 5.52. Агрегат для производства плоских пленок:
а — с охлаждением в водяной ванне; б — поливом на охлаждающий барабан; в — с ох-
лаждением на валках.
Пояснения в тексте.
Рис. 5.53. Схема распределения по-
токов в коллекторной плоскощелевой
головке.
головка. Пояснения в тексте.
Рис. 5.54. Коллекторная плоскощелевая
туры производится при помощи термопар 8. Ширину экструди-
руемого полотна регулируют штырями 5, которые свободно пе-
ремещаются со стороны боковых щек, запирая часть формую-
щей щели.
Головка равного сопротивления (рис. 5.55) состоит из кор-
пуса 1, в котором монтируются губки 2 и 3. Губка 2 крепится
к корпусу неподвижно, в то время как положение губки 3 мож-
но регулировать установочными винтами 4 для получения плен-
ки постоянной толщины. Канал, подводящий расплав, состоит
Рис. 5.55. Головка равного сопротивления. Пояснения в тексте.
Рис. 5.56. Схема изготовления комбинированных пленок экструзионным ме-
тодом. Пояснения в тексте.
из двух частей: широкого участка А, по которому расплав обте-
кает всю головку, и узкого подводящего канала В, длина кото-
рого подбирается таким образом, чтобы давление перед фор-
мующей щелью было одинаково по всей ширине щели. Для под-
соединения головки к экструдеру служит фланец 5, который
крепится к фланцу 6 корпуса экструдера при помощи откидных
болтов 9. Нагнетаемый червяком 7 расплав проходит через
фильтр 8, буферные каналы Я и В и выдавливается через фор-
мующую щель С.
БЛА. Агрегаты для изготовления комбинированных пленок
(ламинирования)
Агрегат для изготовления ламинированных пленок (рис. 5.56)
состоит из бобины 4 с подложкой, экструдера 1 с плоскощелевой
головкой 2, металлического охлаждающего барабана с полиро-
ванной поверхностью 6, прижимного обрезиненного ролика 3 и
дополнительного охлаждаемого металлического ролика 5, при-
жатого к ролику 3 и охлаждающего его во избежание перегре-
ва и отслоения резинового покрытия. Барабан 6 с роликами 3
и 5 установлен в подвижном корпусе, перемещая который мож-
но изменять расстояние между барабаном и профилирующей
щелью головки. Приемное устройство для ламинированного по-
лотна состоит из направляющих роликов 10, устройства для об-
резания кромок 9 и приемной бобины 8. Отрезанные кромки 7
наматываются на специальные бобины для отходов.
При изготовлении комбинированных пленок из ПЭВП, ПЭНП
и ПП экструзионным методом (см. рис. 5.56) подложка (или
формующий каркас) с размоточного устройства проходит вна-
чале через устройство для поверхностной обработки (химичес-
кой или коронным разрядом), увеличивающей адгезию распла-
ва, затем ламинируемое полотно поступает на охлаждаемый ба-
рабан; в этот момент с поверхностью полотна соприкасается
плоская струя расплава, поступающая вертикально вниз из
плоскощелевой головки при температуре 390—400 °C, Расстояние
между выходным сечением щели головки и линией контакта
расплава с покрытием подбирается таким, чтобы время нахож-
дения струи в воздухе составляло не менее 0,03—0,05 с. Это не-
обходимо для частичного окисления полимера на поверхности
струи. Образовавшиеся кислородсодержащие группы способст-
вуют лучшей адгезии расплава к подложке.
Сформированное покрытие увлекается поверхностью охлаж-
дающего барабана, к которой оно прижимается обрезиненным
валком с регулируемым усилием прижима. Сходящее с охлаж-
дающего барабана ламинированное полотно проходит через си-
стему направляющих роликов и поступает на приемную бобину.
5.7.5. Экструзионные агрегаты для производства листов
Листами называют плоские полимерные изделия толщиной от
0,5 до 2,5 мм. Тонкие листы (толщиной до 1,5 мм) изготавлива-
ют на экструзионных агрегатах для получения плоских пленок.
Для изготовления толстых листов применяют специальные агре-
гаты (рис. 5.57), состоящие из экструдера 1 с фильтром 10,
Рис. 5.57. Экструзионный агрегат для изготовления листов. Пояснения в тексте.
Таблица 5.5. Технические характеристики оборудования для производства Листов из термопластов
Наименование оборудования Тип, марка Размеры листов, мм Установлен- ная мощ- ность, кВт Габариты (LXBXff), мм Масса, кг
толщина ширина
Агрегат для производства лис- тов из ударопрочного полисти- рола АЛ-1500 АЛ-1500-2 0,6—6 1—10 1500 1100—1450 260 360 18 000X5400X3780 17 500X5500X3780 27 263 25000
Линия для производства двух- слойных двухцветных листов из ударопрочного полистирола и АБС-пластика АЛ-90-50-1000 (инд. 591829) 2—16 800—1080 334 19 050X6700X2865 25 500
Линия для производства лис- тов из непластифицированного порошкообразного ПВХ АЛ-125-1500 (инд. 591872) 1—12 1500 248 23 570X6000X2750 43 700
Агрегат для производства лис- тов из гранулированного уда- ропрочного полистирола, пла- стифицированного ПВХ АЛ-20-150 (инд. 591679-0) 0,4—2,0 150 14,5 3320X2700X2035 1820
Линия для производства лис- тов из поликарбоната Инд. 591809 0,5—5,0 800 170 15 460X4000X9320 18 500
Линия для производства ру- лонных материалов из ударо- АРМ-90-1000 (инд. 591709—0) 0,4—1,4 1000 125 7350X4000X3620 10 758
прочного полистирола
плоскощелевой головки 2, гладильного каландра 3, устройства
для обрезания кромок 4, роликового транспортера с охлаждае-
мыми валками 5, тянущего устройства с обрезиненными валка-
ми 6, циркулярной пилы (или гильотинных ножниц) 7, служа-
щих для поперечной резки листа, складывающего механизма 8,
укладывающего готовые листы на передвижную тележку 9, тол-
щиномера 11, системы управления приводом и пульта управле-
ния.
При изготовлении листов расплав, поступающий из экструде-
ра 1, проходит через фильтр 10 в плоскощелевую головку 2 и
выходит из нее в виде плоской ленты, подаваемой на валки гла-
дильного каландра 3 для окончательного калибрования, глян-
цевания и частичного охлаждения. Выходя из каландра, лента
поступает на роликовый транспортер 5, на котором она оконча-
тельно охлаждается. Лента перемещается обрезиненными вал-
ками устройства 6, проходит через толщиномер 11 и подается к
резательному устройству 7. Здесь лента режется на листы и
укладывается в пачки. Листы толщиной свыше 5 мм после ка-
ландра охлаждают в водяной ванне или используя водяное оро-
шение. Для снятия остаточных напряжений толстые листы под-
вергают отжигу в термостабилизирующих камерах. Характери-
стики листовальных агрегатов приведены в табл. 5.5.
5.7.6. Экструзионные агрегаты для изготовления труб
Агрегат для изготовления труб (рис. 5.58) диаметром 32—
1600 мм состоит из экструдера 3, прямоточной трубной голов-
ки 4, калибрующей насадки 5, охлаждающей ванны 6, маркиру-
ющего приспособления 7, тянущего устройства 8, отрезного
устройства (качающейся циркулярной пилы) 10, бункера с
устройством для подсушки и подогрева гранул 2 и пневмоза-
грузчика 1.
Рис. 5.58. Экструзионный агрегат для изготовления труб. Пояснения в тексте.
Рис. 5.59. Прямоточная трубная головка. Пояснения в тексте.
При работе агрегата расплав полимера выдавливается из
головки экструдера в виде непрерывной трубчатой заготовки,
которая тянущим устройством протягивается через калибрую-
щую насадку, где труба калибруется (по наружному или внут-
реннему диаметру) и частично охлаждается; затем труба посту-
пает в охлаждающую ванну, в которой она окончательно охлаж-
дается водой. После прохождения через маркирующее приспо-
собление 7 готовая труба 9 разрезается на куски и укладывается
в штабель 11 (или наматывается в бухту).
Охлаждающие ванны делают сварными из коррозионно-
стойкой стали. На торцах ванн имеются отверстия со сменными
резиновыми манжетами. Диаметр отверстия в манжете должен
быть несколько меньше наружного диаметра экструдируемой
трубы. Внутри ванны устанавливают поддерживающие ролики
из пластмассы или алюминия, удерживающие охлаждаемую
трубу под водой. Ванну обычно устанавливают на роликах, поз-
воляющих перемещать ее по укрепленным в полу направляю-
щим. Для равномерного охлаждения трубы ванны снабжают
автоматическими регуляторами температуры и системами дози-
рования подачи охлаждающей воды.
Протяжка труб осуществляется при помощи гусеничных, ро-
ликовых или комбинированных тянущих устройств с пневмати-
ческим, механическим или гидравлическим зажимом трубы. При-
вод тянущего устройства имеет систему бесступенчатого регу-
лирования скорости вытяжки.
Трубная головка (рис. 5.59) состоит из корпуса 14, внутри
которого смонтирован дорн 7, закрепленный в дорнодержателе 5
при помощи рассекателя 13. Формующая матрица 6 центрирует-
ся относительно дорна при помощи установочных винтов 9 и
крепится в головке посредством фасонной гайки 8. Крепление
головки к корпусу экструдера производится при помощи флан-
ца 1, притянутого к корпусу головки болтами 16. На входе в
головку установлена решетка 3 с пакетом сеток 2. Штуцер 11
служит для подвода сжатого воздуха во внутреннюю полость
через канал 12 заготовки. Головка обогревается тремя ленточ-
ными нагревателями сопротивления 15; отверстия 4 предназна-
чены для установки термопар. Дорнодержатель 5 обычно пред-
ставляет собой плоское перфорированное кольцо, через отверс-
тия которого расплав проходит от экструдера к формующему за-
зору. Для того чтобы отдельные струи могли слиться друг с
другом и образовать сплошной кольцевой поток, дорнодержа-
тель не должен быть расположен слишком близко к формую-
щему зазору. Общая площадь отверстий в дорнодержателе
должна быть несколько больше площади поперечного сечения
формующего зазора.
Для предотвращения сплющивания заготовки, а также для
создания прижимающего усилия при калибровании трубы по на-
ружному диаметру внутрь заготовки через имеющийся в дорне
канала 10 подается сжатый воздух.
Калибрующие устройства. Применяются следующие виды ка-
либрования труб: по наружному диаметру (избыточным давле-
нием или с помощью вакуума); по внутреннему диаметру с по-
мощью дорна или избыточного давления.
Устройство для калибрования труб по наружному диаметру
избыточным давлением (рис. 5.60) состоит из дорна 6, к концу
которого прикреплена штанга 3 с пробкой 1, уплотняющей рези-
новыми манжетами внутреннюю полость экструдируемой тру-
бы 2. Труба, выходящая из фильеры 7, попадает в охлаждае-
мый калибрующий стакан 5, укрепленный внутри цилиндриче-
ского корпуса 4.
К стенкам стакана труба прижимается изнутри избыточным
давлением воздуха, подаваемого в полость А через дорн и от-
Рис. 5.60. Устройство для калибрования труб по наружному диаметру. Поясне-
ния в тексте.
устройство. Внутренняя поверхность
Рис. 5.61. Устройство для
вакуумного калибрования
по наружному диаметру.
Пояснения в тексте.
верстие в штоке. По
выходе из калибрую-
щего устройства труба
попадает в охлаждаю-
щую ванну, а затем
поступает на тянущее
калибрующего стакана
обычно хромируется и тщательно полируется. Иногда вместо
штанги пробку закрепляют на металлическом тросе.
Устройство для вакуумного калибрования по наружному диа-
метру (рис. 5.61) располагается непосредственно у трубной го-
ловки 1 и состоит из калибрующей насадки 5 с рубашкой 3 и
вакуумной линией 4. Рубашка состоит из двух секций, в кото-
рые подается охлаждающая вода. Центральная камера соединя-
ется с вакуум-насосом, и в полости А создается разрежение.
Благодаря наличию отверстий в калибрующей насадке над тру-
бой 2 создается разрежение, внутреннее давление распирает
трубу и прижимает ее к внутренней поверхности калибрующей
насадки.
Калибрующие устройства, в которых пластмассовая труба
охлаждается за счет контакта со стенками металлического ка-
либрующего стакана, не обеспечивают интенсивного охлаждения
трубы, что снижает производительность трубных агрегатов.
Более эффективны вакуумные калибрующие устройства с
прямым охлаждением, состоящие из калибрующих диафрагм
(рис. 5.62). В вакуумной камере 1, на входе в которую установле-
но эластичное уплотнение 2, расположен блок калибрующих ди-
Рис. 5.62. Калибрующее устройство диафрагменного типа. Пояснения в тексте.
Рис. 5.63. Устройство для калиб-
рования труб по внутреннему диа-
метру. Пояснения в тексте.
афрагм 3. Каждая диафраг-
ма представляет собой пли-
ту (или диск) с централь-
ным отверстием, выполнен-
ную из латуни или нержа-
веющей стали толщиной до
6,25 мм. Диафрагмы устанавливают вначале очень близко друг
к другу, а затем расстояние между ними увеличивается. Ка-
либрующие отверстия имеют со стороны входа трубы заход-
ную фаску, выполненную под углом 75°. Охлаждающая вода
поступает в камеру через патрубок 4 и выходит через трубу 5.
Через патрубок 13 камера соединяется с вакуум-насосом. Раз-
режение в камере контролируется вакуумметром 11. Калибро-
ванная труба проходит через диафрагму 6 в охлаждающую
ванну 7, в которой также поддерживается разрежение, так как
полость ванны через патрубок 12 соединена с вакуум-насосом.
Вода поступает в ванну через патрубок 8, а сливается через
патрубок 9. На выходе из охлаждающей ванны установлено
второе эластичное уплотнение 10. Все калибрующее устройство
смонтировано на каретке, которая может перемещаться на ро-
ликах по рельсам. Устройства такого типа можно применять
для калибрования и охлаждения труб диаметром от 4 до 125
мм.
Устройство для калибрования трубы по внутреннему диамет-
ру (рис. 5.63) представляет собой охлаждаемый калибрующий
сердечник 2, который крепится к дорну головки 1. Сердечник
охлаждается водой, поступающей в него по трубке 3 через ка-
налы, имеющиеся в дорне трубной головки. Выходящая из го-
ловки экструдера 5 цилиндрическая заготовка 4 натягивается на
калибрующий сердечник усилием, создаваемым тянущим при-
способлением. Внутренним калиброванием можно получать тру-
бы квадратного, треугольного, овального или другого сечения.
Гусеничное тянущее устройство состоит из роликовых це-
пей, на звеньях которых укреплены покрытые резиной пластины.
Зажим трубы производится посредством изменения расстояния
между гусеницами. На устройстве установлены тахометр для
определения линейной скорости вытяжки и счетчик длины трубы.
Резку труб диаметром до 200 мм производят при помощи
Дисковой пилы маятникового типа. При диаметре труб более
200 мм применяют дисковую пилу с планетарным механизмом,
поворачивающим пилу вокруг трубы. В обоих случаях в про-
цессе резки пила перемещается вместе с трубой, а после ее раз-
резания автоматически возвращается в исходное положение.
Технические характеристики линий для производства труб при-
ведены в табл. 5.6 и 5.7.
Таблица 5.6. Технические характеристики линий
для производства труб из полиэтилена
Тип, марка линии Диаметр червяка*, мм Номенкла- тура выпу- скаемых труб (наруж- ный диа- метр, мм) Перерабатываемый материал
ЛТ20-1/10 20 1—10 Полиолефины
ЛТ45-6/20 45 10—25 Полиолефины, поливинил- хлорид
ЛТ63Х25-25/63 (инд. 591830) 63 25—63 Гранулиров., полиолефины, не- пластифициров. ПВХ
ЛТМ63Х25-25/63 63 25—63 Полиэтилен
ЛТ90Х25-75/160 90 75-160 Гранулиров. полиолефины, не- пластифициров. ПВХ
ЛТ125Х25-140/400 125 140—400 ПЭВП и ПЭНП
ЛТ160Х25-400/800 160 400—800 ПЭВП
Тип, марка линии Установленная мощность, кВт электро- электро- двигателей нагревате- лей Габариты (LXBXH), мм Масса, кг
ЛТ20-1/10 3,/ 2,9 1400X900X1850 ' 3390 ЛТ45-6/20 37,0 10,7 30 750X1500X2800 6080 ЛТ63Х25-25/63 49,5 34,4 40 650X2530X2830 8210 (инд. 591830) ЛТМ63Х25-25/63 73,2 32,1 37 700X2570X3200 13 700 ЛТ90Х25-75/160 84,8 54,6 50 700X3550X3900 14 285 ЛТ125Х25-140/400 212,4 105,9 48 800X2070X4835 34 500 ЛТ160X25-400/800 292,6 202,5 67 500X3200X4250 46^500 * Число червяков — один, отношение длины червяка к диаметру L/D — 25.
Централизованная автоматическая система управления тех-
нологическим процессом экструзии труб (АСУТП). Автоматиче-
ская система состоит из микропроцессора, блока памяти, пуль-
та управления, на котором располагаются мнемосхемы и кла-
виатура для ввода технологической информации; дисплея, на
экран которого можно вызвать сведения о фактических и за-
данных значениях технологических параметров в любой точке
технологического процесса; печатающего устройства, которое
регулярно печатает информацию о работе агрегата; банка тех-
нологических данных; устройства для ввода программ (считы-
вающего устройства).
Подобная система рассчитана на сбор информации, посту-
пающей от 15—20 термопар (о значениях температуры в зонах
корпуса, головки, температуры расплава, воды в калибрующем
устройстве и охлаждающих ваннах);, информация о двух значе-
ниях давления расплава (перед фильтром и за ним); о двух-
трех значениях частоты вращения (червяка экструдера, тяну-
щего устройства); о толщине стенки,- диаметре трубы, давлении
масла в системе смазки. Кроме того, машина снабжается стан-
дартным набором аппаратуры тепловой автоматики и управле-
ния приводом.
При запуске в изготовление конкретного изделия из архива
берется соответствующая программа и вводится в считывающее
устройство. Помимо ввода заданных по всей линии технологиче-
ских параметров с пульта управления нажатием на соответст-
вующие клавиши можно вызвать на цифровое табло (или дис-
плей) значения вводимых параметров и при необходимости вне-
сти в них изменения. Устройство, позволяющее вносить изме-
нения в заданные параметры, имеет запирающуюся систему
блокировки.
Выходящие с пульта управления команды поступают в мик-
ропроцессор, который преобразует их в управляющие команды,
поступающие на исполнительные регуляторы системы тепловой
автоматики и привода агрегата.
Таблица 5.7. Комплектующее оборудование линий для производства
труб из полиэтилена*
Наименование узлов, агрегатов ЛТ20-1/10 ЛТ45-6/20 ЛТ63Х25/63
Экструдер ЧП20Х25 ЧП45Х25 ЧП63Х25
Трубная головка ГФ 1 : 10 ГТ997-758 ГТ25-40,
ГТ40-50
Охлаждающее устройство + + (2) + (4)
Тянущее устройство + + +
Отрезное устройство + + +
Намоточное устройство + + +
Приемное устройство + + +
Маркирующее устройство + +
Сушилка 1— СГ-300
Наименование узлов, агрегатов ЛТ90Х25-75/160 ЛТ125Х25-140/400 ЛТ160Х25-400/800
Экструдер ЧП90Х25 ЧП125Х25 ЧП160Х25
Трубная головка ГТ75-160 ГТ140-225, ГТ400-560,
ГТ250-400 ГТ680-800
Охлаждающее устройство + + (4) +
Тянущее устройство + '+ +
Отрезное устройство + + +
Намоточное устройство + •— —
Приемное устройство + + +
Маркирующее устройство + +
Сушилка СГ-300 СГ-1000 СГ-1000
* Знак «+» означает наличие устройства в линии, знак «—» — отсутствие его. Циф-
Та в скобках означает число устройств (если их больше одного).
Запуск агрегата может производиться в режиме ручного
управления. Однако можно подготовить специальную програм-
му пуска и, нанеся ее на перфоленту (или магнитную ленту)»
ввести ее в управляющий процессор. Применение такой про-
граммы позволяет существенно сократить время пуска й выво-
да линии на рабочий режим.
5.7.7. Экструзионные агрегаты для изготовления
профильных изделий
Экструзионные агрегаты для изготовления профилей состоят из
тех же устройств и механизмов, что и агрегаты для изготовле-
ния труб. Отличие сводится к несколько иным конструкциям го-
ловки и калибрующего устройства, специфика которых опреде-
ляется конфигурацией поперечного сечения экструдируемого из-
делия.
Профильные изделия подразделяют на полые и открытые.
Поскольку калибровать полые профили значительно проще, чем
открытые, целесообразно по возможности изготавливать послед-
ние разрезанием полых. Поперечное сечение изделия следует
насколько можно упрощать, отдавая предпочтение равнотолщин-
ным конструкциям. Сечение полости необходимо делать макси-
мальным, чтобы обеспечить высокую жесткость дорна головки.
Можно выделить два типа головок для изготовления про-
фильных изделий (рис. 5.64): с плавным (рис. 5.64, а) и резким
(рис. 5.64,6) изменением сечения профилирующего канала. Го-
ловки второго типа конструктивно проще головок первого типа.
Они применяются главным образом для экструзии профилей из
пластифицированного и непластифицированного ПВХ.
Сложные профили из непластифицированного ПВХ изготав-
ливают на головках первого типа, отличающихся отсутствием
застойных зон. Сечение профилирующего канала стараются де-
лать по возможности симметричным. Канал головки можно ус-
ловно разделить на три зоны: входную, переходную и формую-
щую с постоянными размерами поперечного сечения. При тече-
нии расплава по каналу в пределах первой и второй зон в по-
лимере возникают накопленные высокоэластические деформа-
ции, релаксация которых происходит при течении полимера по
каналу третьей (формующей) зоны и требует определенного)
времени. Поэтому длина формующей зоны должна быть тем
больше, чем больше время релаксации.
Для экструзии профильных изделий необходимо обеспечить
равенство линейных скоростей истечения по всему сечению ка-
нала. Поэтому коэффициент сопротивления каждого участка
формующей щели должен удовлетворять условию.
ki/si = const (5.139)
где kt — коэффициент сопротивления соответствующего участка щели; st
площадь поперечного сечения этого участка.
Рис. 5.64. Головки для экструзии профильных изделий:
а — головка с плавным изменением сечения профилирующего канала (7 —верхний-
вкладыш; 2— патронный нагреватель; 3 — откидной болт крепления головки; 4— фла-
нец головки; 5 — фланец корпуса экструдера; 6 — термопара; 7—пакет фильтрующих
сеток; 8~ решетка; 9— иижний вкладыш; 10 — профилирующая матрица); б — головка;*
с резким изменением сечения профилирующего канала (/ — корпус; 2 — опорная втул+
ка; 3 — расширитель потока; 4 — коническая втулка крепления матрицы; 5 —иижняя по-
ловина матрицы; 6 —верхняя половина матрицы; 7 —винт).
5.7.8. Экструзионно-кабельные агрегаты
Экструзионно-кабельные агрегаты применяют как для нало-
жения изоляции на металлические жилы, так и для нанесения
пластмассовой оболочки на пучок (скрутку) отдельных ранее
изолированных проводов. Линейные скорости наложения изо-
ляции в зависимости от диаметра провода и толщины изоляции
составляют от 2 км/мин до 10 м/мин.
Обычно кабельный агрегат (рис. 5.65) состоит из отдающе-
го (раскаточного) устройства 1, на котором устанавливается бо-
бина с медной жилой (или барабан с скруткой ранее изолиро-
ванного провода); правильного устройства 2; устройства для
предварительного подогрева 3, экструдера 4 с кабельной голов-
кой 5; охлаждающих ванн 6, приспособления для измерения
..диаметра 7; камеры для контроля сплошности изоляции 8; ба-
рабанного тянущего устройства (кабестана) 10; компенсатора 11
:и приемного устройства 12. В некоторых случаях правильное
устройство совмещают с устройством для предварительного
^подогрева изолируемой проволоки. При наложении изоляции ме-
таллическая жила, сматываемая с бобины, проходит через пра-
вильное приспособление, устраняющее неровность жилы, и по-
догревается до температуры 90—100 °C, а затем поступает в уг-
ловую головку экструдера, в которой на жилу наносится слой
расплава. Вышедшая из головки изолированная жила 9 посту-
.пает в серию последовательно установленных охлаждающих
шанн 6.
Затем жила проходит через измеритель диаметра 7, управля-
ющий скоростью приема. Если толщина изоляции больше за-
данного значения, скорость приема увеличивается, в противном
случае — уменьшается.
После контроля диаметра провод попадает в камеру элект-
рического контроля сплошности изоляционного слоя 8. В случае
^наличия сквозных пор или недопустимого снижения сопротивле-
ния изоляции агрегат останавливается и бракованный участок
.провода вырезается. Проверенный провод попадает на барабан
тянущего устройства 10, а затем проходит через компенсатор 11
:и наматывается на приемную бобину 12. При автоматической
замене бобин изготовленный провод скапливается в компенса-
торе.
'Рис. 5.65. Кабельный агрегат. Пояснения в тексте.
Рис. 5.66. Схема кабельной головки. По-
яснения в тексте.
При изготовлении тонких жил
вместо бобин обычно приме-
няют цилиндрические приемники,
внутрь которых жила укладыва-
ется в виде аккуратной бухты с
помощью планетарного укладчи-
ка.
Схема типичной кабельной головки, предназначенной для на-
ложения изоляции на проволоку, представлена на рис. 5.66.
Головка состоит из матрицы 1, внутри которой концентрично
укреплен полый дорн 2. Металлическая жила 3 проходит через-
отверстие в дорне и попадает в кольцевую полость Л, в кото-
рую от экструдера по кольцевому каналу В нагнетается рас-
плав 5, образующий на проводе изоляционный слой 4 толщи-
ной h.
При расчете кабельной головки необходимо: во-первых, ис-
ходя из заданной толщины изолирующего слоя, рассчитать гео-
метрические размеры профилирующей матрицы; во-вторых, рас-
считать характеристику головки; в-третьих, правильно спрофи^
лировать контур входного участка канала для того, чтобы из-
бежать появления поверхностных дефектов на изоляции.
Определяя диаметр матрицы, следует иметь в виду, что про-
ходящий через головку провод уносит с собой некоторое коли-
чество расплава Qd за счет существования вынужденного пото-
ка. Кроме того, определенное количество расплава QP выдавли-
вается из головки избыточным гидростатическим давлением, су-
ществующим в головке. Следовательно
Q=Qd+QP (5.140)
Если заданы толщина покрытия, диаметр и линейная ско-
рость протягивания провода, то суммарный объемный расход;
определяется выражением
Q = 2iww (Rt + h/2) h (5.141 )
где vw — скорость протягивания провода; — радиус провода; h — толщина,
изоляции.
Степень вытяжки. Средняя скорость продольного движения
вытекающей из кабельной головки кольцевой струи, как пра-
вило, отличается от скорости протягивания провода. Величина,
средней скорости истечения, если пренебречь высокоэластиче-
ским восстановлением, определяется из выражения
vw = Q/fO,5 «£)(£) — 2/?j)] (5.142)
При учете высокоэластического восстановления скорость
струи еще больше уменьшается:
vfa = Q/[2n (Rt /1э/2) М (5.143)
где h3 — толщина изоляции, замеренная после эластического восстановления.
Степень вытяжки Л определится как отношение скорости про-
тягивания к скорости струи:
.__ Уи>_____(1 4~ h3/2Rj) h3
vf3 -0,5D\Pl(2Ri)-\}
(5.144)
Давление экструзии. Если известен объемный расход распла-
ва (Q задано), то можно определить давление, развивающееся
на выходе из червяка. При расчете следует иметь в виду, что на
участках I и II течение расплава происходит в кольцевом ци-
линдрическом и кольцевом коническом каналах (Qd=0). На
участках III и IV одновременно имеют место расход под дав-
лением и расход вынужденного течения. Поэтому потери дав-
ления на участках I и II определяются по (5.97) и (5.110).
Для участков Ill и IV необходимо вначале определить рас-
ход вынужденного потока. Если расплав обладает свойствами
ньютоновской жидкости, то можно воспользоваться выражением
Qd = 2 (Ro2 — Ri2) jn р — рг__1 j (5-145)
где Р=йо/Кг, Ro—D/2.
Если расплав обладает свойствами степенной жидкости, то
гиспользуется выражение
itVni Г 2 (п — 1) 1 4 1
Qd=—2~(Ro2 — Rt2) я_з 1 _pn-i + (п_з)(Р2 — 1)J (5-146>
Полный перепад в головке определяется суммированием по-
терь давления на участках I—IV.
Конструкция типичной кабельной угловой головки приведе-
на на рис. 5.67. Корпус 14 обычно изготавливают из стальной
поковки. В нем растачивается полость А, в которой устанавли-
вается дорнодержатель 2; продольное положение его фиксирует-
ся контргайкой 13, и матрица, состоящая из фиксирующего
кольца 7 и регулируемой фильеры 4, центровка которой отно-
сительно дорна производится при помощи болтов 9. Обогрев
головки и матрицы осуществляется ленточными нагревателями
сопротивления 6, 8, 10 и 11. Температура головки контролиру-
ется термопарой 12. Съемная пробка 1 служит для удаления
расплава перед разборкой головки.
Формующая щель образуется между дорном 3, устанавли-
ваемым на дорнодержателе 2, и матрицей 4. Изменяя расстоя-
ние между концом дорна и поверхностью матрицы, можно ре-
гулировать сопротивление головки, толщину накладываемого
слоя изоляции и время контакта провода с расплавом полиме-
ра, определяющее прочность адгезии провода к изоляции.
Для точного калибрования диаметра жилы иногда в конце
Лорна вставляют «алмазную» фильеру 5, которая одновремен-
но предотвращает попадание расплава в полость дорна.
Аппаратура управления кабельными агрегатами в основном
Рис. 5.67. Конструкция типичной кабельной головки. Пояснения в тексте.'
подобна аппаратуре управления трубным агрегатом и отлича-
ется от нее лишь наличием указателя сопротивления изоляции
и системы останова агрегата при обнаружении в изоляции
сквозных пор.
5.8. ДВУХЧЕРВЯЧНЫЕ ЭКСТРУДЕРЫ
В отличие от одночервячных машин в корпусе двухчервячных
экструдеров параллельно располагаются два червяка. По ха-
рактеру расположения и направлению вращения червяков раз-
личают двухчервячные машины с зацепляющимися и незацеп-
ляющимися червяками; с одинаковым и с различным (встреч-
ным) направлением вращения червяков. В остальном класси-
фикация двухчервячных экструдеров подобна классификации
одночервячных, и определяющими параметрами для них также
являются диаметр D и относительная длина червяков LID.
Практически любой двухчервячный экструдер (рис. 5.68) состо-
ит из корпуса 1, червяков 2 и 2а, блока упорных подшипников
5 и 5а с фрикционными косозубыми шестернями 4 и 4а, трех-
ступенчатого редуктора 7, соединенного с ведомым червяком
при помощи цепной передачи 6. Привод экструдера осуществля-
ется от регулируемого электродвигателя 8. Перерабатываемый
материал поступает в экструдер через загрузочную воронку 3.
Готовый пластикт экструдируется через гранулирующую голов-
ку 9.
Обогрев корпуса экструдера может осуществляться электри-
ческими нагревателями, жидким теплоносителем, перегретой
водой или паром.
Значительные осевые усилия, возникающие в двухчервяч-
ных экструдерах, воспринимаются специальными упорными
подшипниками, диаметры которых ограничиваются расстояни-
ем между осями червяков. Стремление к увеличению срока
службы упорных подшипников качения привело к необходимо-
сти создания специальных конструкций (рис. 5.69), в которых
осевая нагрузка, передаваемая на упорные подшипники 1 и 5,
распределяется по ним равномерно благодаря наличию блока
тарельчатых пружин 4, предварительное сжатие которых осу-
ществляется втулкой 3, установленной на хвостовике вала чер-
вяка 2.
При работе машины осевая нагрузка, сжимая тарельчатую
пружину 4, нагружают подшипник 5 и перемещает вал 2 впра-
во до тех пор, пока не будет полностью выбран зазор а. Даль-
нейшее увеличение осевого усилия будет восприниматься толь-
ко подшипником 1.
Радиальные нагрузки в этих машинах воспринимаются
игольчатыми или коническими роликовыми подшипниками. Для
отвода избыточного тепла подшипники снабжают системой цир-
куляционной смазки.
Двухчервячные экструдеры, выпускаемые различными зару-
бежными фирмами, отличаются многообразием конструкций
червяков, корпусов, приводов, станин и загрузочных бункеров»
5.8.1. Двухчервячные экструдеры с незацепляющимися
червяками
Важнейшими областями применения машин этого типа являют-
ся смешение и гомогенизация при подготовке композиций на
основе термопластов, а также дегазация расплава. Типичными
Рис. 5.69. Блок упорных подшипни-
ков. Пояснения в тексте.
экструдерами этого вида явля-
ются машины фирмы «Велдинг
инжинирс» ((США).
Двухчервячный экструдер
(рис. 5.70) состоит из корпу-
са А в котором установлены
два незацепляющихся
червяка 2 и 3, причем червяк 2 имеет
большую длину и заканчивается зоной дозирования, выдавли-
вающей готовую композицию через фильеру 7 гранулирующей
головки 8. Корпус состоит из отдельных секций, соединяемых
между собой на болтах. Каждая секция снабжена рубашкой 9,
через которую циркулирует жидкий теплоноситель (или пар).
Меняя число секций корпуса и червяка, можно получать ма-
шины с относительной длиной LID от 16:1 до 70: 1.
Для уменьшения износа в каждую секцию корпуса запрес-
сованы гильзы с покрытием из ксаллоя.
Вращающий момент от двигателя подводится к длинному
червяку 2.
Привод короткого червяка 3 осуществляется при помощи
косозубых шестерен. 5. Действующее на червяк 2 осевое усилие
воспринимается мощным упорным подшипником 4. Поскольку
на червяк 3 действует невысокое осевое усилие,, его устанавли-
вают в облегченных подшипниках 6.
Вращающиеся навстречу друг другу незацепляющиеся чер-
вяки с глубоким винтовым каналом в зоне питания облегчают
захват материалов с плохой сыпучестью. В машинах с диамет-
ром червяков более 51 мм имеется система принудительного
охлаждения червяков.
Питание экструдера осуществляется через бункер специаль-
ными дозирующими устройствами, изменяя настройку которых
можно регулировать производительность машин. Жидкие ком-
поненты вводятся через специальные инжекционные отверстия.
Рис. 5.70. Схема двухчервячного экструдера с незацепляющимися червяками.
Пояснения в тексте.
Экструдеры фирмы «Белдинг инжинирс» изготавливаются
шести типоразмеров с диаметрами червяков 20, 51, 71, 89, 116,
152 мм. Производительность машин составляет от 5 до 1800 кг/ч.
5.8.2. Двухчервячные экструдеры с зацепляющимися червяками
и со смесительными кулачками
Наибольшее распространение в отечественной промышленности
получили двухчервячные экструдеры с зацепляющимися червя-
ками с одинаковым направлением вращения. Червяки этих
экструдеров изготовлены наборными и состоят из винтовых
элементов с различным шагом, чередующихся с секциями из
смесительных кулачков. Машины этого типа применяют для
получения различных композиций на основе поливинилхлорида,
введения стабилизаторов, смешения различных пластмасс, при-
чем они могут оснащаться как гранулирующими, так и листо-
вальными головками.
Наиболее типичным представителем машин этого вида яв-
ляются двухчервячные экструдеры ZSK фирмы «Вернер—
Пфляйдерер» (ФРГ). Экструдер ZSK-83 (рис. 5.71) состоит из
сварной станины 17, окна которой закрыты легкими щитками,
с жалюзи, установленными на уплотняющих резиновых про-
кладках. Наборные червяки 2 и 2а (наружный диаметр 83 мм,
межцентровое расстояние 73 мм) установлены на валах 20 и
20 а, проходящих через всю машину от гранулирующей головки
3 до блоков упорных подшипников 15 и 16. Каждый блок со-
стоит из комплекта четырех упорных подшипников с цилинд-
рическими роликами, стянутых между собой тарельчатыми пру-
жинами, и четырех игольчатых подшипников. Блоки упорных
подшипников сдвинуты относительно друг друга что позволяет
Рис. 5.71. Схема двухчервячного смесителя ZSK-83 фирмы «Вернер — Пфляй-
дерер». Пояснения в тексте.
Рис. 5.72. Схема профилей и взаим-
ного расположения смесительных ку-
лачков. Пояснения в тексте.
увеличить их диаметры. При-
вод червяков осуществляется
цилиндрическими прямозубы-
мы колесами 18 и 18а, наса-
женными со смещением на
всю ширину на валы 20 и 20а
широкой шестерней с внутренними зубьями 19, которая уста-
новлена на игольчатых подшипниках в корпусе редуктора 12
таким образом, что валы обоих червяков проходят внутри ше-
стерни.
Смазка зубчатых передач и роликовых подшипников осу-
ществляется распылением масла в корпусе редуктора. Упорные
подшипники червяков смазываются маслом от централизован-
ной циркуляционной системы 10 с охлаждением и фильтрацией
масла в баке 9. Рабочие элементы червяков представляют со-
бой отдельные секции трехзаходных червяков и комплекты из
треугольных овальных кулачков (рис. 5.72), смещенных относи-
тельно друг друга на ЗО10 таким образом, что их вершины рас-
полагаются по винтовой линии, являющейся как бы продолже-
нием гребня винтового канала червячной секции. Комплекты
червячных и кулачковых секций устанавливаются на шпонках
на рабочий участок пустотелого червячного вала, внутри кото-
рого циркулирует охлаждающая вода.
Такая конструкция червяков позволяет, подбирая нужную
последовательность профилей различных участков, производить
на машине различные технологические операции: смешение,
пластикацию, диспергирование, дегазацию в любой необходи-
мой последовательности.
При вращении червяков расплав захватывается нижним
кулачком (рис. 5.72, а) и проталкивается в межкулачковое про-
странство, в котором он подвергается интенсивной деформации
сдвига (рис. 5.72,6). После этого верхний кулачок выносит
расплав из межкулачкового зазора и транспортирует его внутри
корпуса (рис. 5.72,в). При этом находящаяся перед выступом
кулачка порция расплава подвергается дополнительной дефор-
мации сдвига.
Корпус состоит из отдельных опирающихся на цилиндриче-
ские колонны секций 6, соединяемых болтами. Одна из секций
имеет загрузочное окно, над которым установлен загрузочный
бункер 21 (см. рис. 5.71). В двух секциях имеются отверстия
с патрубками для удаления летучих и в одной — для ввода
стабилизаторов. Для увеличения поверхности охлаждения в кор-
пусе по всей его длине прорезаны радиальные канавки, делаю-
щие его поверхность ребристой. На ребра корпуса надеваются
блоки нагревательных элементов, встроенных в литые алюми-
ниевые корпуса. Охлаждение корпуса осуществляется при по-
мощи четырех вентиляторов 7, подводящих воздух к каждой
тепловой зоне.
Выпускаются также и экструдеры с водяным охлаждением
корпуса, которое состоит из коллектора для подвода охлаж-
дающей воды 1, камеры 5 и поддона 4, откуда вода поступает
в сливной коллектор.
Регулирование температуры осуществляется при помощи си-
стемы тепловой автоматики, состоящей из комплекта термопар,
дозаторов мощности и аппаратуры управления. Для охлажде-
ния зоны загрузки имеется водяная рубашка 8. В агрегатах,
рассчитанных на питание готовым расплавом, обогрев корпуса
осуществляется паром или перегретой водой, поступающей
в коллектор 1. В бункере машины установлен трехлопастный
питатель с приводом от индивидуального регулируемого элект-
родвигателя.
Обычно экструдеры ZSK комплектуются гранулирующей
головкой 3, по выходе из которой осуществляется резка распла-
ва на воздухе и последующее охлаждение в водяной ванне.
Четырехножевое режущее устройство устанавливается на сме-
щенном валу и приводится во вращение электродвигателем
через цепной вариатор. Привод экструдера осуществляется от
регулируемого электродвигателя постоянного тока 14, соединен-
ного через муфту 13 с приводным валом редуктора И.
В настоящее время выпускается шесть типоразмеров ма-
шин (табл. 5.8).
При переработке термопластов перед гранулирующей голов-
кой может устанавливаться кассетный фильтрующий элемент.
5.8.3. Расчет производительности двухчервячных экструдеров
Производительность двухчервячных экструдеров с незацепля-
ющимися червяками определяется как сумма производительно-
сти двух червяков; производительность каждого червяка рас-
считывают как производительность одночервячного экструдера.
' Двухчервячные экструдеры с зацепляющимися червяками
представляют собой разновидность коловратных винтовых на-
Таблица 5.8. Модели и технические характеристики машин ZSK
Тип (модель) Диаметр червяков D, мм Отношение длины к диаметру LID Глубина канала h, мм Частота вра- щения чер- вяка N, об/мин Мощность привода "макс- кВт Мощность нагрева од- ной секции длиной L/D=3 кВт
53 53 9—42 5,5 10—300 32 3,0
83 83 9—42 7,5 30—300 130 6,0
120 120 9—36 10,5 250 300 12,5
160 160 9—36 14,5 250 700 17,5
220 220 9—36 16 160 1180 40
280 280 9—36 20 125 2050 60
Рис. 5.73. Схема расположения зацепляющихся червяков.
сосов, в которых набегающий выступ винтового канала вытес-
няет расплав из С-образной секции, образованной двумя на-
ходящимися в зацеплении червяками (рис. 5.73), наподобие
поршня в литьевой плунжерной машине.
Производительность экструдера с зацепляющимися червяка-
ми определяется выражением
Q = Qn + Qp>— Qp—Qe (5.147)
Здесь Qn — поршневой (принудительный) поток; Qd — вы-
нужденный поток в боковых зазорах зацепления; QP — поток
под давлением в этих же зазорах; Q& — поток утечки через
зазор между наружными поверхностями гребней нарезки и
внутренними поверхностями корпуса.
В случае одностороннего вращения червяков расход вынуж-
денного потока Qd суммируется с принудительным потоком
[знак плюс в выражении (5.147)].
Принудительный поток определяется как величина вытес-
ненного при вращении червяка объема:
Qn = VNi (5.148)
' Здесь V — объем С-образной секции, равный
V=(nDtgq>—6)[n(D— h)h — Гг] (5.149)
N — частота вращения червяка; i — число заходов.
В (5.149) Fz—площадь сопряжения (см. рис. 5.73), равная
h Г 2h ft2 ]
Fz = -2~ (D - arccos [1 — D — h + 2(0 —ft)2 J (5-150)
где ср — угол подъема винтового канала; остальные обозначения см. на
рис. 5.73.
Вынужденный поток, возникающий в боковых зазорах при
одностороннем вращении, рассчитывается по формуле
Q,j = л (h'D) (D — h) [66 + 2е (h — б)] NI (5.151)
При встречном вращении
Qd = -л (D — h) [66 + 2е (ft — б)] Ni (5.152)
Из-за наличия перепада давлений между соседними С-об-
разными секциями возникают потоки утечек через зазоры за-
цепления, которые можно рассчитать как напорные потоки
в кольцевых щелях. Если принять длину кольцевого канала
равной 0,008 D, то выражение для расчета потока утечек бу-
дет иметь вид
~ И3 е3 ДРС
0,13x0 + с
6 Г
(5.153)
где ДРС — перепад давления между соседними С-образными секциями; щ —-
эффективная вязкость расплава, рассчитанная при среднем градиенте скоро-
сти в зазорах зацепления.
Поток утечки Q6 в радиальном зазоре между наружными
поверхностями гребней нарезки и внутренней поверхностью
цилиндра возникает вследствие сопротивления головки экстру-
дера.
Этот поток направлен вдоль осей червяков от головки к за-
грузочной воронке:
Г /4/i 2 А2 \"1 —
Qg = 2л — arccos 11 — —I Обь3ДРс tg (р/(12р.й6) (5.154)
При малых боковых зазорах внешняя характеристика двух-
червячного экструдера изображается прямой, расположенной
почти параллельно оси давлений. Это означает, что производи-
тельность такого экструдера практически не зависит от сопро-
тивления головки.
5.9. ДИСКОВЫЕ ЭКСТРУДЕРЫ
В традиционных одночервячных экструдерах движение полиме-
ра в канале червяка обусловлено тангенциальными силами,
возникающими в результате смещения полимера относительно
внутренней поверхности цилиндра. Другая поверхность кана-
ла — поверхность сердечника червяка не выполняет никакой
полезной функции, а служит лишь геометрической границей,
фактически снижающей эффективность транспортирующего
действия червяка. В поисках новых решений конструкторам
пришлось отказаться от традиционного червяка и разработать
аппарат, в котором полимер находится между двумя движу-
щимися поверхностями, являющимися боковыми стенками на-
саженных на общий вал дисков. Машины такого типа получили
название дисковых экструдеров. Для примера рассмотрим:
экструдер «Дископэк» фирмы «Фарелл» (США).
Экструдер «Дископэк» состоит из ряда последовательно со-
единенных цилиндрических секций (рис. 5.74), проходя через
которые полимер плавится, гомогенизируется, может подвер-
гаться дегазации и, наконец, выдавливается через профилиру-
\\\\\\^
Рис. 5.74. Принципиальная схема единичной секции экструдера «Дископэк»:;
а — секция с каналом постоянной ширины; б — секция с коническими дисками.
Пояснения в тексте.
Рис. 5 75. Принципиальная схема смесительной секции. Пояснения в тексте.
зощее отверстие. Каждая экструзионная секция состоит из двух
дисков 1 и 1а, закрепленных на валу 2, вращающемся внутри
корпуса 3. Перерабатываемый полимер через окно 5 поступает
в рабочее пространство между дисками (полость Л) и увлека-
ется ими в направлении вращения. На пути материала уста-
новлен неподвижный выступ 4, направляющий расплав полиме-
ра в канал В. Экструзионная секция с каналом постоянной ши-
рины (рис. 5.74,«) обеспечивает работу с максимальной произ-
водительностью при транспортировании и плавлении полимера.
Секция с коническими дисками, обеспечивающими постоянные
напряжения сдвига по всей глубине канала (рис. 5.74,6), поз-
воляет нагнетать расплав под более высоким давлением.
Смесительная секция дискового экструдера (рис. 5.75) сос-
тоит из двух параллельных дисков 5, насаженных на общий
вал 6 и расположенных в корпусе 4. Расплав поступает в ка-
нал 2 через окно 1, увлекается дисками и движется по кругу.
Натыкаясь на направляющую лопасть 8, расплав поворачивает
и выдавливается через окно 7. В стенках корпуса на пути по-
тока установлены смесительные штифты 3, которые создают
значительное сопротивление потоку расплава. Вследствие этого
в канале возникает циркуляционное течение, обеспечивающее
весьма интенсивное смесительное воздействие.
Производительность единичной секции экструдера «Диско-
:пэк» определяется по формуле
Q = Qd-Qp (5-155)
тде Qa — вынужденный поток, a QP — поток под давлением.
Элементарный анализ движения жидкости между разверт-
жами дисков на плоскость приводит к следующим формулам:
Qd = nDh (D — Ds) N (5.156)
hs dP
(5Л57)
тде D=(D+Ds)/2.
Сопоставление теоретической производительности экструде-
ра такого типа с производительностью одночервячного экстру-
дера показывает, что при равном градиенте противодавлений
-она в 2,8 раза превышает производительность одночервячного
экструдера аналогичных размеров. Движение расплава, увле-
каемого дисками, при наличии сопротивления на выходе гене-
рирует довольно высокое давление, в 8 раз превышающее дав-
ление, генерируемое обычным одночервячным экструдером при
одинаковой длине развертки винтового канала.
В конструкции промышленного дискового экструдера «Дис-
жопэк» обычно сочетаются все три вида секций. Типичный
многофункциональный дисковый экструдер, предназначенный
для непрерывного смешения и дегазации (рис. 5.76), состоит
из цилиндрического корпуса 2 с двумя загрузочными окнами 1.
Рис. 5-76. Принципиальная схема промышленного многоступенчатого дисково-
го экструдера.
На краях корпуса под загрузочными окнами расположены две
плавильные камеры, в которых установлено по шесть плоских
дисков 3. Рядом с ними ближе к центру машины располагают-
ся две дегазационно-смесительные камеры, в каждой из кото-
рых установлено по четыре плоских диска 8 и по нескольку-
смесительных штифтов. В центральной части корпуса находит-
ся нагнетательная камера, в которой установлены четыре кони-
ческих диска 9.
Все диски насажены на общий вал 4 и образуют единый-
дисковый ротор. В корпусе имеются соединительные проходы,
расположенные таким образом, что поступающий в плавиль-
ную камеру гранулят движется по каналам 5 параллельными
потоками. В пределах дегазационно-смесительной камеры рас-
плав последовательно проходит из одного канала 6 в другой,
а затем потоки из левой и правой камер поступают по соответ-
ствующим проходам в нагнетательную камеру. Подходящие
с двух сторон потоки расплава направляются в общий кони-
Таблица 5.9. Характеристики одноступенчатого зкструдера «Дископзк»
(давление на выходе 10,5 МПа, материал — ПЭНП; ПТ Р-2)
Диаметр диска, см Расстояние между ди- сками h, см Частота вра- щения диска, об/мин Адиабатиче- ский разо- грев, °C Мощность, подводимая к полимеру, кВт Производи- тельность, кг/ч
25,4 0,51 91 3 3 453
50,8 1,02 63 - 3 14 2260
63,5 1,14 63 2 25,5 4530
84 1,53 60 2 65 11300
114,5 2,02 5 2 129 22 600
ческий канал 10, из которого расплав через патрубок 7 нагне-
тается в формующую головку.
В настоящее время фирма «Фарелл» выпускает пять типо-
размеров дисковых машин в одно-, двух- и многосекционном
исполнении; характеристики отдельной секции приведены
IB табл. 5.9.
Предполагается, что такие машины ввиду их простоты най-
дут широкое применение в процессах смешения и дегазации
полимерных композиций.
5.10. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ ОБСЛУЖИВАНИЯ
ЭКСТРУЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Ввод экструдера в эксплуатацию разрешается только после
полного окончания всех монтажных и наладочных работ, удо-
стоверяемых актами ревизии оборудования и приборов КИП,
протоколами завершения монтажа и наладки. Перед первым
пуском, а также перед длительными остановками необходимо
тщательно очистить червяк, корпус, решетку и формующую го-
ловку от остатков ранее перерабатывавшихся термопластов
(исключение составляют только полиолефины, допускающие
повторный запуск без предварительной очистки рабочих орга-
нов) .
Запуск экструдера необходимо осуществлять только после
нагрева зон корпуса и головки до заданных температур и вы-
держки при этих температурах в течение 25—30 мин до полно-
го прогрева головки и червяка.
Экструдер вначале запускают на минимальной частоте вра-
щения червяка (5—8 об/мин) при периодическом (голодном)
питании. После появления расплава из головки плавно увели-
чивают частоту вращения червяка до заданной и полностью от-
крывают шибер бункера.
Нарушение этого правила может привести к перегрузке и
поломке экструдера (обрыв болтов крепления головки, разру-
шение упорного подшипника, повреждение внутренней поверх-
ности корпуса).
Если при запуске или во время работы имела место термо-
деструкция полимера в экструдере, необходимо немедленно
удалить из него разложившийся полимер, одновременно снизив
температуры в зонах дозирования и головки и увеличив часто-
ту вращения червяка. Если это не дает желаемого результата,
до необходимо прекратить питание, через 1—2 мин остановить
экструдер, выключить обогрев, включить охлаждение по всем
.зонам, отсоединить головку, соблюдая все меры предосторожно-
сти.
При разложении галогенсодержащих полимеров оператор,
«отсоединяющий головку, должен надеть противогаз и при ра-
боте находиться в стороне от каналов, по которым полимер вы-
текает из головки и корпуса экструдера, избегая поражения вы-
брасываемыми газами и парами кислот или других продуктов
разложения.
При эксплуатации экструдера .необходимо периодически
контролировать все термически нагруженные соединения, кото-
рые могут быть ослаблены вследствие колебания температуры.
В случае появления стука и посторонних шумов при работе
экструдера необходимо его немедленно остановить и устранить
неисправности.
Для очистки червяка и головки от прилипшего полимера
следует применять только медные или латунные скребки во из-
бежание образования царапин или забоин, которые впоследст-
вии могут стать источниками застоя и разложения термопласта.
Вращение незаполненного материалом червяка разрешает-
ся только при минимальных значениях частоты в течение ко-
роткого промежутка времени при обильной заливке в цилиндр
корпуса графитизированной смазки. Несоблюдение этого пра-
вила приводит к задирам, заклиниванию и поломке червяков.
При эксплуатации экструзионных агрегатов следует соблю-
дать необходимую чистоту рабочего помещения, исключающую
загрязнения перерабатываемого материала и особенно попада-
ние в него металлических включений; чистку оборудования
производить сразу же после окончания работы, пока оно не
охладилось ниже температуры плавления термопласта более
чем на 5—1О'°С.
Ремонт экструдеров обычно выполняют в ремонтно-механи-
ческих цехах заводов, эксплуатирующих экструзионное обору-
дование. Запасные части, требующие специальных условий из-
готовления (червяки, гильзы), поставляются заводами-изгото-
вителями экструдеров. Восстанавливают обычно червяки плаз-
менной наплавкой гребней и последующей их шлифовкой.
Электротехнические средства и приборы КИП ремонтируют
в специализированных службах.
Эксплуатация экструзионного оборудования разрешается
только при наличии письменного свидетельства инспекции по
технике безопасности об исправности всех предохранительных
и защитных устройств, систем вентиляции в помещении и вы-
тяжки над головкой.
Во избежании поражения обслуживающего персонала элект-
рическим током шкафы электропривода, тепловой автоматики
и сам экструдер должны быть заземлены.
Все вращающиеся и обогреваемые части экструдера долж-
ны быть защищены защитными кожухами.
Оператор при обслуживании нагретой головки корпуса дол-
жен во избежание ожогов работать в защитных рукавицах.
При зависании материала в бункере или загрузочном от-
верстии его следует проталкивать пластмассовыми стержнями.
Применение для этой цели металлических прутьев недопустимо.
ГЛАВА 6
КАЛАНДРЫ И КАЛАНДРОВЫЕ АГРЕГАТЫ
6.1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КАЛАНДРОВОГО АГРЕГАТА
Каландры применяют в различных областях технологии уже
более 100 лет. В металлургической промышленности — это.
прокатные станы; в текстильной промышленности, бумажной,
промышленности и промышленности переработки пластмасс —
это машины, сходные по конструкции, называемые каландрами.
За последние 50 лет скорости каландрования возросли с 10—-
15 до 400 м/мин, и, по-видимому, эта скорость не является пре-
делом.
При каландровании происходит непрерывное продавливание
полимерного материала через зазор между вращающимися на-
встречу друг другу обогреваемыми полыми цилиндрами, в ре-
зультате которого образуется бесконечный тонкий лист или
пленка. В отличие от вальцевания при каландровании поли-
мерный материал проходит через зазор только один раз. Поэ-
тому для получения листа или пленки с гладкой поверхностью,
приходится пропускать ее через несколько (обычно два или
три) зазоров. Каландрование широко применяется в резиновой
промышленности и промышленности переработки пластмасс для
изготовления тонких пленок и листов из полимерного материа-
ла, а также для наложения слоя полимерного материала на
ткань.
Обычно каландрование производят на специализированных
установках — каландровых агрегатах, главной частью которых
является каландр. Схема типичного агрегата для изготовления
пленки из ПВХ приведена на рис. 6.1. Приготовление компози-
ции осуществляется в смесителе закрытого типа 1 (или смеси-
теле непрерывного действия). Готовая смесь выгружается из
смесителя на валки питательных вальцов 2; срезаемая с вал-
ков лента направляется в верхний зазор каландра 4. По пути
к каландру лента проходит мимо головки детектора металла
прекращающего подачу массы в случае присутствия в ней
крупных металлических включений. Этим предотвращается
опасность повреждения валков попадающими в полимер ме-
Рис. 6.1. Схема каландрового агрегата. Пояснения в тексте.
Рис. 6.2. Схемы расположения валков каландра. Пояснения в тексте.
таллическими предметами. Если питание каландра осуществля-
ется от экструдера 9, на нем устанавливается стрейнирующая
головка, решетка которой не пропускает никаких твердых пред-
метов. В этом случае необходимость в установке детектора
металла отпадает.
Выходящая из каландра 4 пленка поступает на охлаждаю-
щие барабаны 5; затем пленка проходит через толщиномер 6,
приспособление для обрезания кромки 7 и принимается на бо-
бину закаточного устройства 8.
6.2. КОНСТРУКЦИЯ КАЛАНДРА
По числу валков каландры подразделяются на двух-,
трех-, четырех- и пятивалковые. Наиболее распространенные
схемы расположения валков приведены на рис. 6.2. В линию
вертикально выполняются двух-, трех-, четырех- и пятивалковые
каландры (рис. 6.2, а, б, в, г), в линию горизонтально — только
двухвалковые каландры (рис. 6.2,5). L-образные каландры бы-
вают четырех- и пятивалковые. Различают L-образные прямые
(рис. 6.2 е, ж) и перевернутые (рис. 6.2, з) каландры; Г-образ-
ные четырех- (рис. 6.2, к) и пятивалковые (рис. 6.2, л) каланд-
ры; каландры в виде косого Г (рис. 6.2, и); Z-образные четырех-
валковые каландры (рис. 6.2, м, н); треугольные трехвалковые
каландры (рис. 6.2,о).
По назначению различают каландры листовальные —
Для получения тонких листов и пленок — обычно четырех- и
пятивалковые (рис. 6.2, б, е, ж, з, и, м, н); тиснильные •— для тис-
нения поверхности пленок или листов (рис. 6.2, в, 5); дублиро-
вочные — для дублирования пропитанной ткани или ’ листов
термопластичного материала (рис. 6.2, а, з, е, м, н); гладильные—
Для обработки поверхности жестких материалов (рис. 6.2, а, в,
д); отжимные — для удаления избытка пропитывающего мате-
риала, например при изготовлении специальных картонов (рис.
6.2, а, в, д).
По диаметру валков каландры подразделяют на лаборатор-
ные (диаметр валков до 225 мм) и производственные (диаметр
валков до 950 мм). В свою очередь, производственные каланд-
ры по диаметру D и длине валка L подразделяют на каландры
легкого типа (£)<360 мм, £<1100 мм), среднего (610<£><
^710 мм; £^1800 мм) и тяжелого (D — 950 мм, £=2800 мм).
Принципиальная схема современного четырехвалкового ка-
ландра представлена на рис. 6.3. Каландр состоит из двух ли-
тых чугунных (или стальных) станин 6, установленных на чу-
гунной фундаментной плите 8 и соединенных сверху траверсой 4.
В пазах станины установлены корпуса подшипников 7 валков 5.
Гладкие валки обычно изготавливают из высококачественного
чугуна кокильной отливкой. Поверхностный отбеленный слой
имеет твердость HRC 45—50. Качество поверхности каландру-
емого материала в значительной мере определяется качеством
поверхности валков; поэтому рабочая поверхность валка тща-
тельно шлифуется и полируется до зеркального блеска.
Для термостатирования валок имеет внутреннюю полость,
в которую при работе подаются пар или пароводяная смесь.
В новейших моделях каландров применяют валки, в которых
теплоноситель циркулирует по просверленным непосредственно
у поверхности валка периферийным каналам диаметром 38—
50 мм (рис. 6.4). Центральная полость служит в таких валках
только для подвода и отвода теплоносителя.
Рис. 6.3. Принципиальная схема четырехвалкового каландра. Пояснения в
тексте.
Теплоноситель
Рис. 6.4. Валок с периферийным охлаждением.
Окружные скорости валков изменяются в диапазоне 15—
400 м/мин. Максимальное давление в зазоре в зависимости от
реологических свойств материала и толщины каландруемого
изделия может составлять 7—70 МПа. С увеличением диаметра
валков распорные усилия возрастают. Так, при формовании
пленки толщиной 0,1 мм из пластифицированного поливинил-
хлорида (32% ДОФ) при 443 К и скорости каландрования 0,6 м/с
распорное усилие для каландра с диаметром валков 915 мм и
длиной 23401 мм равно 93- 104 Н, а для каландра с диаметром
валков 610 мм и длиной 1670 мм — 44 • 104 Н.
Валки каландров обычно устанавливают в подшипниках
скольжения. Однако на некоторых современных каландрах для
этой цели применяют сферические роликовые подшипники. За-
зор в подшипниках должен быть минимальным, поскольку сме-
щение шеек приводит к изменению зазора между валками и
появлению поперечной разнотолщинности каландруемого изде-
•лия. В каландрах с расположением валков в линию для
уменьшения влияния «игры» подшипников на точность по-
перечного размера пленки применяют предварительное нагру-
жение валков при помощи специальных гидроцилиндров.
Регулирование зазора между валками осуществляется за
счет перемещения подшипников внешних валков; для этого на
каландре имеются специальные механизмы (см. рис. 6.3), обес-
печивающие синхронное смещение обоих подшипников валка.
Каждый такой механизм имеет свой самостоятельный привод
с индивидуальной системой управления, позволяющей произво-
дить регулирование зазора, перемещая каждый подшипник в от-
дельности.
Механизм перемещения подшипников валков (рис. 6.5) со-
стоит из регулировочного винта 4, соединенного через подшип-
ник 8 и месдозу 3 с корпусом валкового подшипника 1. При
вращении винта 4 он перемещается в гайке 5, неподвижно
укрепленной в станине 2, и передвигает подшипник валка. При-
вод винта осуществляется от асинхронного электродвигателя
(на рисунке не показан) через понижающий червячный редук-
тор 6 с передаточным числом i>700—1000. Возможность акси-
ального перемещения винта 4 в червячном колесе 7 обеспечи-
вается благодаря наличию шлицевого соединения между хво-
стовиком винта и червячной шестерней редуктора. Для предо-
твращения поломки механизма из-за упора корпуса подшипни-
ка в станину служит конечный выключатель 3.
Рис. 6.5. Механизм перемещения подшипников валков. Пояснения в тексте.
Рис. 6.6. Схемы расположения механизмов регулирования зазора на трехвал-
ковом (а), Г-образном (б) и Z-образном (в) каландрах.
Валки каландров современной конструкции приводятся от
индивидуальных электродвигателей постоянного тока 1 (см.
рис. 6.3), которые устанавливаются на общем блок-редукторе
2. Понижающий редуктор привода каждого валка располага-
ется в отдельном корпусе. Каждый валок соединяется с выход-
ным валом редуктора при помощи своего карданного вала 9.
При таком приводе возможный диапазон изменения фрикции
ограничивается только регулировочными характеристиками дви-
гателей и обычно позволяет изменять окружную скорость вал-
ков в диапазоне 1 : 10, обеспечивая постоянство заданной ско-
рости с точностью ±0,2°/о- Схемы расположения механизмов
регулирования зазора на каландрах с различным числом и
расположением валков приведены на рис. 6.6. В последнее время
в каландрах широко применяют гидроприводы в механизмах
для выбора люфта валковых подшипников, перекоса валков и
регулирования зазоров. Рабочие цилиндры гидроприводов мон-
тируют на станинах каландра, а штоки поршней цилиндров со-
единяют с корпусами валковых подшипников. В каландрах при-
меняют централизованную, индивидуальную и комбинирован-
ную системы смазки. Централизованная система работает на
жидкой или консистентной смазке.
Если необходимо охлаждать циркулирующее в системе мас-
ло, отводя тем самым избыточное тепло от смазываемых ме-
ханизмов, то следует использовать жидкую смазку. Централи-
зованная система жидкой смазки универсальна и может при-
меняться для смазки как подшипников скольжения, так и под-
шипников качения. Консистентная смазка используется в ос-
новном для подшипников качения.
Типовая система централизованной смазки (рис. 6.7) состо-
ит из обогреваемого масляного бака 9, шестеренчатого насо-
са 7, фильтра 4, обратного клапана 3, коллектора регулиро-
вочных вентилей 11, системы трубопроводов, разводящих мас-
ло к точкам смазки на подшипниковых узлах 1.
Перед пуском каландра для подогрева масла в змеевик 8
подается пар. При закрытом вентиле 5 и открытом перепуск-
Рис. 6.7. Схемы системы централизованной смазки подшипников. Пояснения
в тексте.
Рис. 6.9. Изменение ширины калаид-
руемого листа при переходе с одно-
го валка на другой.
Рис. 6.8. Кинематические схемы приводов каландра:
а — с общим электродвигателем и карданными валами; б — с блок-редуктором, комп-
лектом карданных валов и индивидуальными фланцевыми электродвигателями; 1 — элек-
тродвигатель; 2 — соединительная муфта; 3 — редуктор; За — блок-редуктор; 4 — кардан-
ный вал; 5 — валок каландра.
ном кране 6 включается шестеренчатый насос 7. На этой стадии
масло еще не поступает к подшипникам, а циркулирует по кон-
туру масляный бак 9 — насос 7 — бак 9 до тех пор, пока оно
не нагреется до необходимой температуры. После этого откры-
вается вентиль 5, а кран 6 закрывается. Масло через фильтр 4
и обратный клапан 3 поступает в коллекторы регулировочных
вентилей 11, а затем через регулировочные вентили 2 направля-
ется к точкам смазки на подшипниках. Из подшипников масло
по трубопроводам сливается в маслоприемник 14, снабженный
термопарой с ^дистанционным вторичным прибором 15. Из мас-
лоприемника масло стекает в стакан 10, укрепленный на коро-
мысле с противовесом 13. В дне стакана имеется отверстие, че-
рез которое масло вытекает в маслозаборник бака 9. При задан-
ном расходе масла в стакане поддерживается определенный
уровень его, благодаря чему вес стакана превышает вес проти-
вовеса, и рычаг, надавливая на конечный выключатель 12,
разблокирует привод каландра. Если по каким-либо причинам
расход масла снижается, то соответственно уменьшается и его
уровень в стакане. Тогда стакан под действием противовеса 13
поднимается, срабатывает конечный выключатель 12, и привод
каландра отключается. Такая система контроля подачи масла
имеется у каждого подшипника каландра. Поэтому нарушение
режима смазки любого подшипника приводит к останову ка-
ландра.
На тихоходных каландрах, предназначенных для изготовле-
ния толстых листов и линолеума (Ъ<20 м/мин), можно приме-
нять общий редуктор с приводом от одного электродвигателя
(рис. 6.8а). На современных быстроходных каландрах каждый
валок имеет свой индивидуальный электродвигатель (рис.
6.86).
6.3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ПРОЦЕССЕ КАЛАНДРОВАНИЯ
Математическое описание процесса каландрования полностью
подобно описанию процесса вальцевания, приведенному в гл. 4.
Основные теоретические результаты были получены именно при
анализе процесса каландрования. Поэтому для описания кине-
матики потока, возникающих в зазоре напряжений сдвига,
распорных усилий и мощности, необходимой для привода вал-
ка, можно пользоваться зависимостями, выведенными в гл. 4.
При этом следует иметь в виду, что ширина листа при перехо-
де полотна с одного валка на другой в связи с уменьшением
зазора несколько возрастает (рис. 6.9), так', чтобы величина
объемного расхода оставалась неизменной. Поэтому при рас-
чете всех интегральных характеристик процесса (распорные
усилия, действующий на валок крутящий момент, мощность
привода каждого валка) необходимо учитывать это увеличение
ширины.
Поскольку внешние валки контактируют только с одной по-
верхностью зазора, на которой действуют напряжения сдвига,
а внутренние — с двумя, а также и потому, что ширина листа
на внешних валках меньше, мощность, необходимая для при-
вода центральных валков, превышает мощность, требуемую для
привода внешних, примерно в 2—2,5 раза. Типичное распреде-
ление мощности двигателей привода для четырехвалкового ка-
ландра, выполненного по схеме рис. 6.2, з: 0,14/0,33/0,36/0,17.
Математическая модель неизотермического каландрования строится в
предположении, что реологические свойства полимера могут быть описаны
степенным уравнением. Кинематическая картина движения и все упрощающие
предположения остаются такими же, как в случае симметричного вальцевания
ньютоновской жидкости. С учетом этих допущений математическая модель,
в которую входят уравнение движения, уравнение неразрывности, уравнение
теплопроводности, реологическое уравнение состояния, а также начальные и
граничные условия, имеет вид
dP dim dvx . dvv
ii„ I dvx \'/п . dvx
V!/=exp[(T— 7g)t] J ду | Slgn dy (6'3)
dT . d*T dvx
^r’1Vx~dx~~~!>'~d^ + dy
где р, ср и k — плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопровод-
ности расплава соответственно; остальные обозначения приведены выше.
Начальные и граничные условия:
х=х1; Р = 0; Т = Тд;
X — Xg > ~ 6 1 ^Ху —6 f Vx —
(6.5)
„ дТ
У = 0; — 0; тХу - 0; = 0
y=±h; vx = U; T — Tw; Т0—Та!- U =a>R
Решение системы уравнений (6.1)—(6.4) с учетом начальных условий
(6.5) позволяет рассчитывать как температурные поля, так и все кинетостати-
ческие и энергетические параметры процесса. Система уравнений (6.1) — (6.5),
представляющая полную математическую модель неизотермического каланд-
рования, состоит из нелинейных дифференциальных уравнений в частных про-
изводных. Аналитическое решение такой системы невозможно. Поэтому для
расчета температурных полей и кинетостатических характеристик использовали
численные методы.
Типичный пример рассчитанного температурного поля для
каландрующего зазора лабораторного каландра представлен
на рис. 6.10. Особенностью профиля температур является на-
личие трех экстремумов — двух максимумов и одного миниму-
Рис. 6.10. Температурное поле в зоне деформации калибрующего зазора лабо-
раторного каландра с валками 160x320 мм; 2й'о=1 мм; о=7,85 см/с. Сплош-
ные линии — расчет, точки — экспериментальные данные.
Рис. 6.11. Продольное распределение
экстремального приращения темпера-
туры в зоне деформации каландра.
ма. Оба максимума располагаются в непосредственной близо-
сти от поверхности валков, а минимум — в центре зазора. Та-
кая форма температурного поля обусловлена тем, что величина
мощности диссипации достигает максимального значения на
поверхности валков, а в центре тепловыделение отсутствует.
В результате теплопроводности часть тепла отводится к вал-
кам, максимум температуры смещается на некоторое расстоя-
ние внутрь зазора. Таким образом, теплопроводность играет
существенную роль только в непосредственной близости от по-
верхности валков и проявляется в некотором выравнивании тем-
пературного поля.
По мере продвижения полимера вдоль зазора максимумы
температур вследствие процесса теплопроводности смещаются
вглубь, а в центре наблюдается незначительное повышение
температуры. Поскольку теплопроводность полимеров невели-
ка, безразмерная координата максимума температуры в потоке
каландруемого материала составляет т]= ±0,8—0,65.
Возрастание температуры в середине листа, как правило, не
превышает 1—2|ОС. Наиболее интенсивный разогрев происходит
на начальном участке области деформации (рис. 6.11). Затем
температура несколько снижается и сохраняется в дальнейшем
примерно на одном уровне. Это объясняется снижением дисси-
пативных тепловыделений в сечении максимального давления
(напряжения сдвига равны нулю) и некоторым выравнивани-
ем температурного поля вследствие теплопроводности. В ос-
новной массе каландруемого материала профиль температур-
ного поля определяется процессом конвективного переноса теп-
ла.
Неравномерный характер распределения температур следу-
ет учитывать при выборе режимов каландрования термочувст-
вительных полимеров. Расчетные и экспериментальные данные
показывают, что локальные приращения температуры в сечении
каландруемого листа при высоких скоростях каландрования
высоковязких смесей могут достигать нескольких десятков гра-
дусов. Можно полагать, что именно локальный разогрев явля-
ется причиной таких видов наблюдающегося при каландрова-
нии брака, как пористость и пузыри, возникающие вследствие
термодеструкции ПВХ при каландровом методе получения ли-
нолеума и лимитирующие максимальную скорость каландрова-
ния.
6.3.1. Влияние основных технологических параметров
на температурное поле в области деформации
В качестве характеристики температурного поля воспользу-
емся максимальным приращением температуры в сечении ми-
нимального зазора. Результаты теоретического и эксперимен-
тального исследований приращения температуры в зависимости
от величины характеризующей величину запаса при изме-
нении ее в интервале 3>£i> 1, для трех полимерных материалов
представлены на рис. 6.12. Как видно из рисунка, приращение
температуры прямо пропорционально координате входа.
Увеличение окружной скорости валков также вызывает
примерно пропорциональное увеличение разогрева (рис. 6.13).
Значение производной dT/dU определяется реологическими и
теплофизическими характеристиками каландруемого материа-
ла. Особенно большое влияние оказывает значение коэффици-
ента консистенции, с увеличением которого крутизна кривых
Д7 =f(u) возрастает. Это объясняется увеличением количества
тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения. Анализ за-
висимостей такого рода позволяет определять максимальную
скорость каландрования, безопасную с точки зрения перегрева
материала.
Исследование влияния минимального зазора на температур-
ное поле показывает, что для зазоров, величина которых суще-
ственно превышает толщину пристенного слоя, в котором идет
Рис. 6.12. Зависимость экстремального разогрева от длины зоны деформации,
определяемой координатой входа gi; каландр с валками 160x320; 2А0= 1 мм;
67=15,6 см/с; 7'о=7'ш=313 К; п=5,2; 6=0,01 К; Щ равно:
— 0,26; 2— 0,38; 3 — 0,51 МПа-с1/”. Точки — экспериментальные данные, сплошные
кривые — расчет.
Рис. 6.13. Зависимость экстремального разогрева от окружной скорости вал-
ков каландра. Точки — экспериментальные данные, сплошные кривые — рас-
чет; п = 5,2; р,0 равно:
1 — 0,51; 2 — 0,38; 3 — 0,26 МПа-с1/".
Рис. 6.14. Распределение прогиба вал-
ков у и разноголщинности Ly по шири-
не листа:
л— влияние распорного усилия и методов
компенсации на форму калибрующего зазора
между валками каландра (/ — фактическое
распределение прогиба валков у, 2 — измене-
ние профиля в результате перекрещивания и
контризгиба); б — продольное распределение
разности между корректирующей кривой и
фактическим прогибом, характеризующее окон
чательную разнотолщинность изделия Ку.
н______। । । I I
О 25 50 75 100 125
интенсивное тепловыделение,
прииращение температуры прак-
тически не зависит от величины
зазора. Так, при изменении за-
зора в интервале 1,5^Л0^1 мм
изменение приращения темпера-
туры для различных материалов
составляет 4—15СС.
Принципиально иная картина получается при исследовании
разогрева в тонких пленках, толщина которых соизмерима с тол-
щиной пристенного слоя (Zi0<0,3 мм). В этих случаях вследст-
вие теплопроводности оба максимума сливаются, и образуется
профиль, напоминающий параболу.
6.3.2. Кинетостатические параметры
при неизотермическом каландровании
Исследование зависимости основных кинетосгатических па-
раметров (удельное давление, распорные усилия, крутящий мо-
мент) при неизотермическом каландровании показало, что во
всех случаях наличие разогрева приводит к некоторому умень-
шению фактического значения каждого из параметров по срав-
нению со значением, предсказываемым изотермической теори-
ей. При этом отклонение оказывается тем большим, чем ярче
выражена температурная зависимость вязкости и чем выше аб-
солютное значение приращения температуры.
Так, расчет распорных усилий для промышленного каландра
с размером валков 610X1800 мм при листовании резиновой
смеси на основе бутадиен-стирольного каучука по формулам
изотермической модели дает значение, на 17,5% превышающее
Данные расчета по неизотермической модели.
Ошибка в определении мощности, необходимой для враще-
ния валка, достигает при этом ~21,5%. Для лабораторного ка-
ландра с валиками 160X320 мм ошибки значительно меньше
(так, ошибки при расчете мощности составляют около 6%).
Иначе говоря, чем сильнее разогрев, тем больше ошибка, кото-
рую дает расчет по формулам изотермической модели.
6.4. МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ПРОГИБА ВАЛКОВ КАЛАНДРА
Под действием распорного усилия валки каландра прогибают-
ся. Если валки имеют цилиндрическую форму, толщина каланд-
руемого изделия (листа или пленки) будет по ширине пере-
менной. Поскольку прогиб валков в центре максимален, толщи-
на изделия в центре будет больше, чем на краях, на величину
прогиба (рис. 6.14).
Зная распорное усилие, можно рассчитать максимальный
прогиб в центре валка:
Гр (8Z3 — 4ги2/-|-ги3) /Д д.
апмакс— 384EJ
где ДЛмакс — максимальный прогиб валка в центральной части; Т„ — усилие,
действующее на 1 см длины валка; Z — расстояние между подшипниками вал-
ков (рис. 6.15); w — ширина рабочего участка валка; Е — модуль упругости
материала валка; 1 — полярный момент инерции сечения валка.
Распределение прогиба по длине описывается уравнением
Д/г 8[z(3Z2— w2 — 4z2)-f-2(z— dp/w]
Д/гмаКС = 8Z3 — 4ги2/-р аР (6'7)
где а= (I—w)/2.
Фактическое изменение профиля сечения зазора равно удво-
енной величине прогиба валка.
Для получения равнотолщинного изделия необходимо обес-
печить полную компенсацию прогиба валка. Для этого приме-,
няют три основных метода (рис. 6.16): бомбировку валков
(рис. 6.16,а); перекрещивание валков (рис. 6.16,6); контризгиб
валков (рис. 6.16, в).
Бомбировка валков — метод, заключающийся в придании
внешнему калибрующему валку каландра бочкообразной фор-
мы. Диаметр средней части такого валка делают несколько
большим, чем на его концах, а профиль поверхности выполня-
ют по параболе. Применение бомбировки позволяет полностью
скомпенсировать прогиб валка только для одного определен-
ного значения распорного усилия, соответствующего для каж-
Рис. 6.15. Схема расположения координатных осей и нагрузок при расчете
прогиба валков.
Рис.'6.16. Методы компенсации прогиба:
й___бомбировка; б — перекрещивание; в —
контризгнб.
дого материала определенным
значениям параметров процесса
(йо, U, Т). Изменение любого из
этих параметров (и прежде все-
го толщины каландруемого
изделия) сопровождается изме-
нением распорного усилия и,
следовательно, изменением про-
гиба валка. Поэтому одна бом-
бировка никогда не может обес-
печить полной компенсации про-
гиба валка при всех рабочих ре-
жимах.
Перекрещивание валков —
метод, при котором внешний ка-
либрующий валок поворачивает-
ся в горизонтальной плоскости
вокруг вертикальной оси, прохо-
(6-8)
дящей через середину валка. Вследствие поворота зазор на
краях валка оказывается больше, чем в середине. Изменение
зазора между валками, достигаемое при перекрещивании, мож-
но определить из выражения
c^fZ —2г)2 у/2
D2 +
Z2
где С; — горизонтальное смещение центра подшипника валка (остальные
обозначения см. на рис. 6.15).
Выражение (6.8)—это уравнение равнобочной гиперболы.
Сопоставление его с уравнением (6.7), описывающим линию
прогиба валка, показывает, что метод перекрещивания не обес-
печивает полной компенсации прогиба по всей длине валка.
Даже если подобрать величину перекрещивания так, чтобы
полностью скомпенсировать прогиб в центре валка (Дймакс =
~^У\г=1 /2), то и в этом случае сечение каландруемого листа не
будет иметь правильной прямоугольной формы. Достигаемая
при этом степень компенсации иллюстрируется рис. 6.14. Од-
нако, несмотря на неполноту компенсации, преимущество ме-
тода перекрещивания очевидно, поскольку изменяя величину
перекрещивания, можно подбирать нужную степень компенса-
ции в зависимости от свойств материала и толщины пленки.
Расположение валков каландра оказывает существенное
влияние на распорное усилие и фактический прогиб. Если со-
поставить схемы нагружения L-образного и Z-образного ка-
ландров (рис. 6.17) и посчитать действующие на валки суммар-
ные нагрузки, предполагая, что режимы каландрования полно-
-стью идентичны, то окажется, что нагрузка на валки Z-образ-
Рис. 6.17. Схема нагружения валков L-образного (а) и Z-образного (б) ка-
ландров. Нагрузка: вес валка 1У=45 кН; Li = 317 кН; Л = 27 кН; L2=720 кН;
Р2=20,5 кН; L3=900 кН; Р3=18,5 кН. Усилия, вызывающие подлежащий ком-
пенсации изгиб:
а —валок 1, горизонтальная плоскость, 317 кН; валок 2, горизонтальная плоскость,
286 кН; валок 3, вертикальная плоскость, 700 кН; валок 4, вертикальная плоскость,
950 кН; б — валок 1, горизонтальная плоскость, 317 кН; валок 2, горизонтальная пло-
скость, 286 кН; валок 2, вертикальная плоскость, 700 кН; валок 3, вертикальная пло-
скость, 750 кН; валок 3, горизонтальная плоскость, 970 кН; валок 4, горизонтальная
плоскость, 900 кН.
кого каландра примерно в 1,5 раза больше, чем на валки L-
образного. Соответственно возрастает и подлежащий компен-
сации прогиб. Тем не менее Z-образный каландр обладает су-
щественным преимуществом по сравнению с Г- и L-образными
каландрами. Это преимущество заключается в том, что при Z-
образном расположении валков можно независимо регулиро-
вать зазор каждой пары валков.
Из рис. 6.17 видно, что для компенсации прогиба валков 2
и 3 можно повернуть в горизонтальной плоскости ось валка 2
относительно оси валка 3. Прогиб между валками 1, 2, 3 и 4
компенсируется поворотом в вертикальной плоскости осей вал-
ков 1 и 4. Кроме того, такое расположение валков сводит до
минимума взаимное влияние распорных усилий, изменение ко-
торых вследствие свойств материала или температурного ре-
жима приводит к изменению прогиба и, следовательно, к изме-
нению толщины листа.
Контризгиб валков — метод компенсации прогиба, который
состоит в том, что к концам внешнего калибрующего валка
прикладываются усилия FK, создающие изгибающий момент,
противоположный по знаку моменту, возникающему под дейст-
вием распорного усилия (см. рис. 6.15).
Изменения профиля зазора, возникающие в результате
контризгиба, описываются выражением
f1 G
^VF = -257" (z2 — Zz) (6.9)
Если подобрать силу FK так, чтобы полностью компенсиро-
вать прогиб в середине валка, то, как и при перекрещивании,
компенсация не будет совершенной „(см. рис. 6.14). Интересно,
что степень компенсации, достигаемая при контризгибе валков,
мало отличается от компенсации, достигаемой за счет перекре-
щивания валков.
Большинство современных каландров оснащается как бом-
бированными валками, так и устройствами для перекрещивания
или контризгиба валков. Комбинируя эти методы, удается до-
биться компенсации прогиба, при которой максимальные от-
клонения толщины пленки от номинального значения не пре-
вышают (1н-2) • 10~6 м.
Одной из часто встречающихся на практике задач является
определение максимальной гарантированной точности профиля,
которую можно обеспечить при каландровании тонких пленок.
Располагая данными о реологических свойствах материала, а
также сведениями о температурном и скоростном режимах,
можно по формуле (6.6) рассчитать максимальный прогиб. За-
тем подбирают величину перекрещивания, причем смещение
валков рассчитывают так, чтобы перемещение на краю равня-
лось удвоенному прогибу валка [см. уравнение (6.7)].
В качестве примера рассмотрим следующую задачу: на каландре с диа-
метром валков 910 мм и длиной 2330 мм производится пленка из пластифи-
цированного ПВХ толщиной 0,05 мм. Температура валков 443 К, частота вра-
щения валков 2,1 об/с. Реологические свойства расплава ПВХ при температу-
ре переработки описываются степенным уравнением (1.9), константы которого
при температуре переработки равны: п=2,5; ро = О,О85 с1/2’5 МПа. Распорное
усилие, рассчитанное по формуле (4.42), равно 21-106 Н (|2=0,37; h0=
= 0,015 мм). Максимальный прогиб валка, рассчитанный по формуле (6.6),
равен Д/1макс = 0,04 мм (ш = 223 см; ./=300 см; £) = 51 см). Распределение про-
гиба по длине валка иллюстрируется рис. 6.14. Если величина перекрещивания
валков определяется из условия полной компенсации прогиба в центре, то
смещение конца валков должно составлять 11 мм. Изменение профиля зазора
показано на рис. 6.14,а (кривая 2). Достигаемая при этом компенсация опре-
деляется как разность значений прогиба и увеличения зазора (см. рис. 6.14,6).
Видно, что отклонение профиля пленки от прямоугольного составляет в этом
случае ±2,5-10~6 м.
6.5. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Для управления работой каландрового агрегата он комплекту-
ется датчиками для получения информации о следующих пара-
метрах процесса: а) температура полимера, поверхности вал-
ков, валковых подшипников, охлаждающего конденсата; б) тол-
щина калибруемой пленки; в) расход пара и конденсата;
г) давление пара, масла в системе смазки подшипников редук-
тора.
Для изменения температуры обычно используют термопары
или термометры сопротивления.
Существующие толщиномеры для измерения толщины плен-
ки по принципу действия можно разделить на механические,
пневматические, индукционные, изотопные, емкостные.
Механические толщиномеры просты по конструкции, их ки-
нематическая схема состоит из рычажной или зубчатой переда-
чи. Однако из-за большого количества люфтов, отсутствия
демпфирования, а также непрочности конструкции они быстро
теряют точность, их трущиеся поверхности быстро изнашивают-
ся, а при незначительных ударах при заправке и по другим
причинам они часто выходят из строя. Поэтому механические
толщиномеры не получили широкого распространения.
Пневматические толщиномеры работают по принципу
«сопло — заслонка» и указывают отклонение толщины листа от
заданного значения. Показания бесконтактного толщиномера
основываются на том, что давление воздуха в камере пневма-
тической головки зависит от расстояния (зазора) между соп-
лом и полотном пленки.
Индукционные толщиномеры представляют собой индуктив-
ные мосты, работающие по принципу компенсации. Плечи мо-
ста состоят из двух дросселей датчика и двух катушек вто-
ричного прибора. Сигналы разбаланса усиливаются электрон-
ным усилителем. Прибор сигнализирует о недопустимых откло-
нениях толщины от заданного значения. Индуктивный датчик,
контактирующий с поверхностью пленки на валке, представ-
ляет собой цилиндрический корпус, внутри которого располо-
жены два дросселя. Один из них является датчиком, а второй
служит для настройки толщиномера на заданное значение тол-
щины пленки (от 0 до 0,5 мм). Положительное свойство индук-
ционных датчиков — способность обеспечивать сигнал доста-
точной мощности для работы измерительной схемы без усили-
теля.
Изотопные толщиномеры хорошо зарекомендовали себя
в других отраслях народного хозяйства, особенно при прокат-
ке листового металла.
Регулирование толщины пленки осуществляется и бескон-
тактным способом при помощи р-лучевых толщиномеров, уста-
навливаемых в потоке каландровых линий. Устройство Р-луче-
вого толщиномера основано на использовании p-излучения ис-
кусственного или естественного радиоактивного вещества.
В разреженной газовой среде эти лучи производят иониза-
цию, вызывая электрический сигнал, мощность которого зави-
сит от количества попавших в счетчик р-частиц. Количество
прошедших через материал частиц прямо пропорционально
массе единицы площади этого материала. Способность лучей
вызывать электрические сигналы (в ионизационной камере)
обеспечивает возможность регулирования процесса путем пере-
дачи электрического сигнала к токоприемникам без преобразо-
вания его в другие виды энергии.
Прибор калибруется в единицах массы или единицах пло-
щади. Толщиномер состоит из двух измерительных головок,
расположенных на С-образных скобах с каждой стороны корд-
ного полотна. Источником радиоактивного излучения является
90Sr, который помещается в верхней части, а в нижней части
расположена ионизационная камера. Полотно проходит через
щель шириной 50 мм. Регистрация и регулирование толщины
производится следующим образом. Ток, образующийся в иони-
зационной камере под действием р-лучей, усиливается в элект-
ронных усилителях, сравнивается с эталонным, и разностное
значение передается регистрирующему прибору и электродви-
гателям, управляющим зазорами валков каландра. Отклонение
показаний приборов от эталонных (полученных в стандартных
условиях) показывает полученную толщину, а реверсивные
электродвигатели механизмов перемещения подшипников ка-
ландра автоматически исправляют это отклонение.
6.6. КАЛАНДРОВЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНОЙ ПЛЕНКИ
Агрегат для производства пленки каландровым методом и на-
несения на нее клеящего слоя (рис. 6.18) состоит из трех дози-
ровочных весов 1, 2 и 3, бункера 4, двухстадийных порошковых
смесителей 5, червячного осциллирующего смесителя непрерыв-
ного действия 6 (40С 300-1), качающегося транспортера пита-
теля 7, Г-образного четырехвалкового каландра 8 (710X1800),
отклоняющего барабана 9, регуляторов натяжения пленки 10
и 13, охлаждающего устройства 11, установки для съема ста-
тического электричества 12, радиоизотопного толщиномера
(РТП2-65) 14, намоточного устройства 15, магнитного сепара-
тора 16, напылителя 17, подъемника 18, коллектора 19, уста-
новки для нанесения слоя клея и сушки поверхности пленки 20,
автомата для намотки липкой ленты 21, стеллажа-конвейера 22
для 48-часовой выдержки рулонов, станка для поперечной рез-
ки рулонов 23, загрузочного транспортера 24.
Рис. 6.18. Схема каландрового агрегата для получения поливинилхлоридных
пленок с клеящим слоем. Пояснения в тексте.
Компоненты смеси, дозированные весами 1—3, попадают
в бункер 4, откуда они поступают в двухстадийные смесители 5,
в которых происходит предварительное перемешивание компо-
зиции. Оттуда пластифицированная масса подается в бункер
с перемешивающим устройством, а затем в осциллирующий сме-
ситель 6. Готовая смесь выходит из головки смесителя в виде
жгута и попадает на качающийся питатель 7, который равно-
мерно распределяет смесь по верхнему зазору каландра 8.
Окончательная проработка массы и формирование пленки про-
исходит в зазорах четырехвалкового' L-образного каландра.
С нижнего валка каландра пленка поступает на направляю-
щий ролик 9, который расправляет полотно и устраняет склад-
ки, а затем на тиснильное устройство (на схеме не показано).
Далее пленка проходит через регулятор натяжения 10 и попа-
дает на охлаждающие барабаны устройства 11, откуда она по-
ступает на установку для съема электростатических зарядов 12.
Затем пленка последовательно проходит через- регулятор на-
тяжения 13, радиоизотопный толщиномер 14 и поступает на на-
моточное устройство 15, на котором она наматывается в рулоны
диаметром 800 и шириной 1800 мм. Готовые рулоны тельфе-
ром 18 подаются к накопителю 17, через дверцу которого они
поступают на установку 20 для нанесения клеевого слоя и суш-
ки пленки.
Установка 20 представляет собой ленточный транспортер,
помещенный в сушильную камеру тоннельного типа. Рулон
пленки устанавливают в центре размоточного устройства, по-
мещаемого в передней части рамы транспортера. Механизм для
нанесения клея состоит из обогреваемого горячей водой (с тем-
пературой Эб^С) приводного ролика, ножа-ракли, стола, огра-
ничительных ножей и рамы. Нож, с помощью которого устанав-
ливается толщина клеевого слоя на пленке, имеет систему
крепления, позволяющую перемещать его в трех взаимно пер-
пендикулярных направлениях. Клей на пленку поступает из
обогреваемого горячей водой резервуара, установленного над
механизмом нанесения клея.
После того как на пленку нанесен клеевой слой, она посту-
пает на транспортер, проходящий через сушильную камеру
длиной 13 м со скоростью 5 м/мин (поперечное сечение 1900Х
ХЗбООмм). В камере при температуре 60—80 °C происходит ис-
парение растворителя, и клеящий слой приобретает необходи-
мые свойства.
В камере имеется система аварийной вытяжной вентиля-
ции, срабатывающая по сигналу датчика взрывоопасной кон-
центрации паров растворителя.
. После сушильной камеры липкая пленка поступает на ав-
томат намотки 21, на раме которого установлены пневмоци-
линдры системы перезарядки, срабатывающей по достижении
диаметра рулона 250 мм и передающие рулон на стеллаж-
конвейер 19, состоящий из транспортера элеваторного типа и
стеллажа, ин предназна енля ри а ул н липкои плен-
ки их транспортировки и выдержки в течение 48 ч.
’Снаружи стеллажа в месте выхода рулонов смонтирован
-отсекатель для автоматической передачи через заданное время
каждого рулона на загрузочный транспортер 24, который авто-
матически подает их в накопитель, откуда рулон поступает на
станок поперечной резки 23. Готовые бобины пленки подаются
,на упаковочный станок.
На современных каландровых агрегатах можно производить
пленки или листы шириной до 2,5 м и толщиной 1—2 мм. Даль-
нейшему увеличению толщины препятствует появление воздуш-
ных. пузырей.
Каландровый агрегат обслуживает бригада из шести—семи
человек. У смесителя, в котором готовится сухая смесь из поли-
мера, стабилизатора, пластификатора и пигментов, работают
два — три человека. Для обслуживания стрейнера и каландра
обычно достаточно одного оператора. На участке между ка-
ландром и приемной стойкой также работает один оператор.
Если перезарядка приемных бобин не автоматизирована, то у
закаточной стойки приходится работать еще двум операторам.
В их обязанности входит съем’ заполненной бобины, ее затари-
вание, навешивание этикетки и замена бобины.
Внедрение компьютерных систем управления и автоматиза-
ция погрузочно-разгрузочных работ позволяют сократить чис-
ло операторов до трех человек. Однако уменьшение трудоза-
трат не единственный результат внедрения АСУТП. Одновре-
менно уменьшается разнотолщинность (пленки) и повышается
ее качество.
Принято считать, что качество каландрованных листов вы-
ше, чем экструзионных. Это связано с более равномерным рас-
пределением ориентационных напряжений по сечению листа.
К преимуществам каландрового метода относится простота ре-
гулирования толщины и ширины листа и более высокая по
сравнению с экструзионным методом производительность. Сов-
ременные экструзионные листовальные агрегаты имеют произ-
водительность 300—500 кг/ч, в то время как производительность
современного каландрового агрегата может достигать 1,5 т/ч.
6.7. техника безопасности при работе на каландрах
Для обеспечения безопасных условий обслуживания каланд-
ров и других валковых машин необходимо предусмотреть огра-
ждение всех вращающихся деталей, зубчатых и других . пере-
дач, а также установить надежный в работе аварийный выклю-
чатель для мгновенного останова машины. Механизм аварий-
ного останова валковых машин обычно состоит из штанг или
тросов, размещаемых вдоль валков и соединяемых с системой
Конечных выключателей, и тормозов приводов.
При нажатии с определенным усилием на трос или штангу
человек отключает электродвигатель привода машины от ис-
точника тока. Для торможения и останова деталей привода,
продолжающих вращаться по инерции, используют так на-
зываемые электромеханические и электродинамические спосо-
бы торможения. При электромеханическом торможении после
воздействия на трос или штангу отключается электродвигатель
привода машины, одновременно включается электромагнит ко-
лодочного тормоза, далее под действием груза и системы ры-
чагов колодки тормоза обжимают барабан тормоза, и продол-
жающий по инерции вращаться привод каландра останавлива-
ется.
При электродинамическом торможении механизм аварийно-
го останова переключает цепи электродвигателя привода так,
что на его роторе создается электродинамический момент, дей-
ствующий в направлении, противоположном вращению. Пово-
рот незагруженных валков после срабатывания аварийного вы-
ключателя не должен превышать оборота. Работу системы
аварийного останова следует проверять перед началом каждой
смены. Ввиду повышенной опасности работы на каландре из-
за возможности получения механических травм и ожогов к об-
служиванию каландра допускаются только лица, прошедшие
обучение по специальной программе и имеющие удостоверение
каландровожатого.
ГЛАВА 7
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
7.1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЛИТЬЕВОЙ МАШИНЫ
Литье под давлением — один из основных методов переработки
полимеров, широко применяющийся при производстве самых
различных изделий из термопластичных и термореактивных ма-
териалов. При формовании методом литья под давлением по-
лимер вначале расплавляется, а затем под высоким давлением
впрыскивается в полость закрытой формы. При литье термо-
пластичного материала заполнивший форму расплав охлажда-
ется и затвердевает, а затем форма открывается, и готовое из-
делие удаляется из гнезда формы. При литье термореактивно-
го материала впрыснутый в форму расплав нагревают до тем-
пературы отверждения и выдерживают в течение времени, не-
обходимого для полного отверждения изделия.
Таким образом, литье под давлением термопластичных и
термореактивных материалов имеет много общего в той части,,
Рис. 7.1. Принципиальная схема литьевой машины:
/ — форма; 2 — бункер; 3 — манометр для контроля за давлением впрыска; 4 — гидрав-
лический Цилиндр впрыска; 5 — конечные выключатели, определяющие объем впрыски-
ваемой порции; 6 — литьевой плунжер; 7 — аппаратура управления отдельными пара-
метрами цикла; 8 — нагревательный цилиндр; 9 — торпеда; 10— форсунка; // — замыкаю-
щий пресс.
которая касается плавления полимера и заполнения формы.
Отличие состоит в разных методах фиксации формы готового
изделия.
В настоящее время методом литья под давлением изготав-
ливают самые разнообразные изделия — от предметов повсе-
дневного обихода до деталей машин и аппаратов. Машиностро-
ительная промышленность выпускает литьевые машины самых
различных размеров, рассчитанные на формование как очень
малых изделий (массой около 2 г), так и очень крупных (до
170 кг). I
Любая литьевая машина состоит из следующих основных
устройств (рис. 7.1): устройства для плавления гранулирован-
ного или порошкообразного материала, называемого обычно
пластикатором, и механизма для впрыска расплава в форму.
Обычно эти два устройства конструктивно объединяют
в один общий блок, который называется инжекционным меха-
низмом или литьевой головкой, охлаждаемой (или обогревае-
мой) формы 1, состоящей из отдельных частей и раскрываю-
щейся в момент удаления изделия; приспособления для вытал-
кивания готового изделия из полости формы; замыкающего
пресса 11 гидравлического, механического или какого-либо
иного типа; аппаратуры управления 7 отдельными параметра-
ми цикла (температурой расплава, температурой пресс-формы,
объемом впрыска, продолжительностью цикла и т. д.); вспомо-
гательной аппаратуры; приводов (механических, гидравличе-
ских, пневматических и др.) 4; устройств, обеспечивающих бе-
зопасность работы (систем электрической и механической бло-
кировки и т. п.).
Таблица 7.1. Техническая характеристика однопозиционных машин
для литья под давлением термопластичных материалов
Параметр ДБ 3121-16П ДБ 3124-32П ДБ 3127-63П Д 3127-63 Д 3130-125П Д 3130-125 Д 3130-95 Д 3130-170 Д 3132-250П
Номинальное усилие запирания фор- ^.125 ' 250 500 500 1000 1000 1000 1000 1600 мы, кН Ход подвижной плиты, мм 160 200 250 250 320 320 320 320 400 Высота устанавливаемого инструмен- та, мм наибольшая 160 250 250 250 320 320 320 320 400 наименьшая ПО 125 140 140 160 160 160 160 200 Расстояние между колоннами, мм горизонтальное 200 250 320 320 400 400 400 400 500 вертикальное 150 200 250 250 320 320 320 320 400 Наименьшее время одного раскрытия 1,0 1,2 3.0 2,9 4,0 4,0 4,0 4,0 5,3 и закрытия формы, с Наибольшее расстояние между по- 320 400 500 500 640 640 640 640 800 движной и неподвижной плитой, мм Номинальное давление рабочей жид- 12,5 12,5 10 10 12,5 10—12,5 10—12,5 10—12,5 20 кости, МПа Номинальный объем впрыска за 16 32 63 63 125 125 95 170 250 цикл, см3 Номинальное давление литья, МПа 112 112 132 132 132 132 180 100 132 Объемная скорость впрыска, см3/с 30 47 60 60 78 78 78 78 — Диаметр пластицирующего червяка, 22 26 36 36 40 40 36 45 50 мм Частота вращения пластицирующего 20—240 20—240 20—400 40—250 20—200 20—200 20—240 20—240 40—400 червяка, об/мин Наибольший ход пластицирующего 55 75 90 80 160 160 160 160 — червяка, мм Наибольшая пластикационная спо- 18 31 38 38 80 75 80 90 — собность по полистиролу (теоретиче- ская), кг/ч
Суммарная мощность, кВт ' .. „ * „„ л электродвигателей 5,5 7,5 17,0 14,0 18,5 18,5 18,7 18,5 30,2 электронагревателей 1,6 2,4 5,5 3,8 5,5 5,5 5,5 5,5 9,6 Габариты, мм длина 2290 2620 3650 3550 5000 5000 5000 5000 5530 ширина 1100 1100 825 850 1042 1042 1042 1042 1100 высота 1670 1670 1750 1750 1890 1800 2150 1890 1980 Масса машины, кг 1200 1473 3000 2690 6600 4800 6700 6500 8588
Параметр Д 3138-2000 Д 3140-4000 Д 3140-5300
Номинальное усилие запирания фор- 6300 10 000 10 000
мы, кН 1120
Ход подвижной плиты, мм Высота устанавливаемого инструмен- та, мм 850 1120
наибольшая. 800 1000 1000
наименьшая Расстояние между колоннами, мм 400 500 500
горизонтальное 800 1000 1000
вертикальное 800 1000 1000
Наименьшее время одного раскрытия и закрытия формы, с 13 12 12
Наибольшее расстояние между по- движной и неподвижной плитой, мм Номинальное давление рабочей жид- кости, МПа — 2120 2120
20 .20 20
Номинальный объем впрыска за цикл, /л» <3 2200 4000 5300
см Номинальное давление литья, МПа 132 132 100
Объемная скорость впрыска, см3/с — 655 800
Диаметр пластнцирующего червяка, мм 100 115 130
Продолжение таблицы 7.1
Параметр ДЗ138-2000 ДЗ 140-4000 ДЗ 140-5300
Частота вращения пластицирующего 10—166 10—120 10—120
червяка, об/мин Наибольший ход пластицирующего — 480 480
червяка, мм Наибольшая пластикационная способ- — 530 600
ность по полистиролу (теоретиче- ская), кг/ч Суммарная мощность, кВт электродвигателей 81 125 125
электронагревателей 27,2 36,0 36,0
Габариты, мм длина 9800 11 170 11 170
ширина 2680 2600 2600
высота 2590 2515 2515
Масса машины с гидроэлектрообору- 33145 50 900 50 990
дованием, кг
Параметр Д 3132-250 Д 3132-190 Д 3132-340 3134^50017 Д 3134-500 Д 3134-380 Д 3134-670 Д 3136-1000 Д 3136-750 Д 3136-1320
Номинальное усилие запи- 1600 1600 1600 2500 2500 2500 2500 4000 4000 4000 рания формы, кН „ Ход подвижной плиты, мм 400 400 400 500 500 500 500 630 630 630 Высота устанавливаемого инструмента, мм наибольшая 400 400 400 500 500 500 500 630 630 630 наименьшая 200 200 200 250 250 250 250 320 320 320 Расстояние между колон- горизонтальное 500 500 500 500 500 500 500 630 630 630 вертикальное 400 400 400 500 500 500 500 630 630 630
Наименьшее время одного раскрытия и закрытия фор- 5,3 5,3 5,3 7,1 7,1 7,1 7,1 9,5 9,5 9,5
мы, с Наибольшее расстояние 800 800 800 1000 1000 1000 1000 1260 1260 1260
между подвижной и непо- движной плитой, мм Номинальное давление ра- 10 12—16 10—16 13—20 13—20 12—20 13—20 20 20 20
бочей жидкости, МПа Номинальный объем впрыс- 250 190 340 500 500 380 670 1000 750 1320
ка за цикл, см3 Номинальное давление 132 180 100 132 132 180 100 132 180 100
литья, МПа Объемная скорость впрыс- 150 120 210 192 192 146 400 230 400
ка, см3/с Диаметр пластицирующего 50 45 60 60 60 50 70 80 70 90
червяка, мм Частота вращения пластн- 20—320 40—400 40—400 10—220 10—220 10—220 10—150 10—180 10—180 10—180
цирующего червяка, об/мин Наибольший ход пластнци- 180 180 180 250 250 250 250 250 250 250
рующего червяка, мм Наибольшая пластикацион- 85 87 95 • 114 114 87 154 200 155 255
иая способность по поли- стиролу (теоретическая), кг/ч Суммарная мощность, кВт электродвигателей 40,0 40,2 40,0 43,0 43,0 43,0 44,5 43,0 43,2 43,0
электронагревателей 6,0—9,6 5,0—9,6 5,0—9,6 10,4 10,5 12,9 12,9 12,3 19,1 16,6
Габариты, мм длина 5530 5160 5530 6140 6140 6140 6140 7900 7620 7620
ширина 1100 1100 1100 1480 1480 1480 1480 1740 1740 1740
высота 1980 1975 1980 2220 2220 2500 2220 2610 2610 2610
Масса машины,'кг 8540 9000 9000 13400 11800 13 500 13400 21500 21 500 21500
Таблица 7.2. Техническая характеристика машин для литья
под давлением термореактивных материалов
Параметр Д 3127-63Р Д 3130-125Р ДА 3130-125Р Д 3132-250Р Д 3134-500Р Д 3136-1000Р
Номинальное уси- 500 1000 1000 1600 2500 4000
лие запирания формы, кН Ход подвижной 250 320 320 400 500 630
ПЛИТЫ, мм Высота устанавли- ваемого инстру- мента, мм наибольшая 250 320 320 400 500 630
наименьшая 140 160 160 200 250 320
Расстояние между колоннами, мм горизонталь- 320 400 400 500 500 630
ное вертикальное 250 320 320 400 500 630
Наименьшее вре- 3,0 4,0 4,0 5,3 7,1 9,5
мя одного раскры- тия и закрытия формы, с Наибольшее рас- 500 640 640 800 1000 1260
стояние между по- движной и непо- движной плитой, мм Номинальное дав- 12,5 10—12,5 10 16 13—20 20
ление рабочей жидкости, МПа Номинальный объ- 63 125 125 250 500 1000
ем впрыска за ПИКЛ, см3 Номинальное дав- 132 180 132 132 132 132
ление литья, МПа Объемная скорость — 78 78 125 192 300
впрыска, см3/с Диаметр пластици- 36 40 36 50 60 80
рующего червяка, мм Частота вращения 4—378 10—200 10—240 40—400 10—220 10—100
пластицирующего червяка, об/мин Суммарная мощ- ность, кВт электродвига- 14,0 18,5 17,0 16,2 43,0 43,0
телей электронагре- 7,5 11,9 11,8 30,0 11,0 23,0.
вателей Габариты, мм длина 3550 4750 4350 5160 6140 7620
ширина 870 1042 1042 1100 1480 1740
высота 1750 1890 1900 1975 2220 2610
Масса машины, кг 2945 6500 5110 9843 11 639 21500
Таблица 7.3. Техническая характеристика литьевых машин,
изготавливаемых в ГДР
Параметр Kuasy 100/25 Kuasy 160/50 Kuasy 260/100'
Диаметр червяка, мм 28 36 45
Номинальное давление литья, МПа 185 163 152
Теоретический объем впрыска за 53 95 178
цикл, см3 Объемная скорость впрыска, см3/с 91 95 143
Скорость осевого перемещения чер- 140 95 90
вяка, мм/с Частота вращения червяка, об/мин До 480 25—300 20—120
Наибольшая пластикационная спо- 50 70 85
собность по полистиролу (теоретиче- ская), кг/ч Усилие прижатия сопла, кН 92 72,5 72,5
Мощность нагревателей цилиндра, 3,3 5,0 7,5
кВт Номинальное усилие запирания фор- 250 500 1000
мы, кН Скорость движения плиты, мм/с вперед 320
при обратном ходе •— — 520
Ход подвижной плиты при наиболь- 100—220 125—250 320
шей высоте инструмента, мм Расстояние между подвижной и не- 125/485 130/520 160/640
подвижной плитой (мии/макс), мм Расстояние между колоннами в све- 280X 280 320x320 365X365
ту, мм Общая мощность, кВт 19,0 20,5 27,0
Объем гидравлического масла, дм3 200 200 200
Расход охлаждающей воды (входная •— -—- 0,5
темп. 15 °C), м3/ч Габариты, мм длина 2400 3800 4460
ширина 800 1000 1200
высота 1300 1750 1840
Масса, кг 1650 2400 3300
Параметр Kuasy 630/160 Kuasy 1400/250 Kuasy 1700/40®
Диаметр червяка, мм 56 70 80
Номинальное давление литья, МПа 161 160 146
Теоретический объем впрыска за цикл, СМ3 405 880 1160
Объемная скорость впрыска, см3/с 260 350 582
Ход червяка (макс,), мм 165 230 230
Скорость осевого перемещения чер- вяка, мм/с 8,5—106 6—91 18—115
Частота вращения червяка, об/мин 35; 45; 56; 71; 90; 112; 140 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125 25;32; 40; 50; 63; 80; 100
Наибольшая пластикационная спо- собность по полистиролу (теоретиче- ская), кг/ч 90 140 180
Продолжение таблицы 7.3
Параметр-' Kuasy 630/160 Kuasy 1400/250 Kuasy 1700/400
Усилие прижатия сопла, кН 113 144 164
Ход литьевой части, мм 320 400 400
Мощность привода, кВт 7,5/10 13/19 13/19
Мощность нагревателей цилиндра, кВт 13 20 16
Номинальное усилие запирания фор- мы, кН 1000—1750 1750—2750 3000—4000
Усилие размыкания формы (макс.), кН Скорость, мм/с 80 155 290
движения плиты вперед 75—510 75—465 75—500
замыкания формы 75 75 75
открывания формы 80 75 75
движения плиты при обратном ходе 80—535 75—475 75—485
Ход подвижной плиты при наиболь- шей высоте инструмента, мм 400 500 630
Расстояние между подвижной и не- подвижной плитой (мин./макс.), мм 100/800 100/1000 130/1260
Усилие выталкивателя, кН 80 155 290
Ход выталкивателя, мм 80 100 125
Скорость выталкивателя (макс.), мм/с Расстояние между колоннами в све- ту, мм 80 75 75
400X400 500X500 630X630
Общая мощность, кВт 60 80 75
Мощность гидравлических насосов, кВт 33,5 37 40
Объем масла в гидросистеме, дм3 670 1050 1250
Рабочее давление радиально-поршне- вого насоса, МПа Габариты, мм 14 14 16
длина 6850 8250 7950
ширина 1200 1400 1600
высота 2300 2600 2550
Масса, кг 6050 9650 14 000
Параметр Kuasy 5000/630 Kuasy 9000/1000 Kuasy 16000/1600
.Диаметр червяка, мм 100 125 160
Номинальное давление литья, МПа 177 175 168
Теоретический объем впрыска за 2820 5150 9650
цикл, см3
Объемная скорость впрыска, см3/с 1080 1930 2780
Ход червяка (макс.), мм 360 420 480
Скорость осевого перемещения чер- 138 158 135
вяка (макс.), мм/с
Частота вращения червяка, об/мин 30; 37; 46; 28; 33; 43; 25; 30; 36;
55; 69; 95; 51; 60; 76; 42; 50; 62;
100; 124; 152 88; ЮЗ; 132 74; 88; 108
Продолжение таблицы 7.3
Параметр Kuasy .5000/630 Kuasy 9000/1000 Kuasy 16000/1600
Наибольшая пластикационная способ- ность по полистиролу (теоретиче- ская), кг/ч 3450 540 700
Усилие прижатия сопла, кН 171 (17,1) 195 (19,5) 248 (24,8)
Ход литьевой части, мм Мощность привода, кВт 630 710 /800
45 55 90
Мощность нагревателей цилиндра, кВт 40 54 83 (103)
Номинальное усилие запирания фор- мы, кН Скорость, мм/с 1300—6300; 8000 4200—10 000 6700—16 000
движения плиты вперед 40; 215; 280; 40; 215; 280; 20; 175; 225;
460; 530 460; 530 375; 420
замыкания формы .. 8 8 4
открывания формы <4 7 10
движения плиты при обратном 45; 240; 315; 45; 240; 315; 20; 185; 235;.
ходе 520; 600 520; 600 390; 425
Ход подвижной плиты при наиболь- шей высоте инструмента, мм 950 1250 1500
Расстояние между подвижной и не- подвижной плитами (мин./макс.), мм 400/1950 — —
Усилие выталкивателя, кН (250 820 400
Ход выталкивателя, мм 320 320 400
Скорость выталкивателя (макс.), ' мм/с 180 140 120
Расстояние между колоннами, мм 800X800 1000X1000 1280Х12801
Общая мощность, кВт ,144 183 295
Мощность гидравлических насосов, кВт 59 74 96
Объем масла в гидросистеме, дм3 700 1000 1300
Расход охлаждающей воды (вход- ная темп. 15°C), м3/ч Габариты, мм 0,6 1,2 1,8
длина 9550 И 760 14 260
ширина* ,6000 6000 7000
высота ,2575 2875 3250
Масса, кг 26 800 45 000 75 300
* Со шкафом управления и вакуумной станцией.
Все механизмы, предназначенные для перемещения формы и
удержания ее в замкнутом состоянии, конструктивно объеди-
няются в один механизм — механизм смыкания.
В зависимости от расположения плоскости разъема формы
литьевые машины подразделяются на горизонтальные, верти-
кальные и угловые-, в зависимости от типа привода замыкающе-
го пресса — на механические, гидравлические, гидромеханиче-
ские и пневматические. Для смыкания формы применяют раз-
личные разновидности механических, гидравлических или гид-
ромеханических • устройств, подробно рассматриваемые ниже.
В настоящее время машиностроительными фирмами разных
стран выпускается более тысячи типов литьевых машин. Клас-
сификация литьевых машин производится по следующим ос-
новным признакам: 1) объем (или масса) впрыскиваемого за
один цикл расплава (от 1 до 70-Ю3 см3); 2) усилие смыкания
формы (от 102 до 105 кН); 3) размер плит механизма смыка-
ния (от 10X10 до 5000X2000 мм); 4) высота литьевых форм
(от 10 до 2400 мм); 5) тип литьевой головки и пластификато-
ра (плунжерный, червячно-плунжерный, червячный с осевым
перемещением червяка); 6) тип механизма смыкания (меха-
нический, гидравлический, гидромеханический и т. д.); 7) осо-
бенности применяемой системы управления (электромеханиче-
ская, электронная, микропроцессорная).
Технические характеристики отечественных литьевых машин
для термопластов и реактопластов приведены в табл. 7.1 и 7.2.
В табл. 7.3 приведены технические характеристики литьевых
машин, изготавливаемых, в ГДР.
7.2. ЛИТЬЕВОЙ ЦИКЛ
Проследим путь материала в литьевой машине и посмотрим,
как изменяются при этом основные параметры литьевого цикла:
температура, давление и продолжительность каждой стадии
цикла. Из бункера 2 ,(см. рис. 7.1) в нагревательный цилиндр
пластикатора 8 гранулы обычно поступают при комнатной тем-
пературе. Проходя через кольцевое пространство, образованное
внутренней поверхностью цилиндра 8 и наружной поверхностью
торпеды 9, гранулы разогреваются и выходят в виде гомоген-
ного расплава. Через форсунку 10 расплав поступает в форму 1,
удерживаемую в закрытом состоянии гидроцилиндром 11. В по-
лости формы происходит охлаждение и затвердевание пласт-
массы (или отверждение термореактивных материалов). Охла-
ждение расплыва начинается, строго говоря, еще во время за-
полнения полости формы и продолжается до тех пор, пока из-
делие не станет достаточно жестким для того, чтобы его мож-
но было извлечь из формы, не опасаясь коробления.
Рассмотрим диаграмму рабочего процесса, на которой лить-
евой цикл разделен на отдельные этапы, отличающиеся друг от
друга величиной давления в форме (рис. 7.2). Начальный уча-
сток нулевого давления (от точки 0 до точки 1) — это время,
предшествующее началу заполнения формы, в течение которого
форма закрывается и литьевая форсунка подводится к литни-
ку формы; следующий участок (от точки 1 до точки 2) — пе-
риод впрыска. Пока форма не заполнена, давление в ней неве-
лико. Но как только она заполнится, давление в ней очень
быстро возрастает до максимального значения (участок 2—3).
За этим этапом следует стадия уплотнения (участок 3—4).
На этой стадии цикла течение расплава в форму почти полно-
стью прекращается. Из литьевой головки в форму поступает
только небольшое количество полимера, компенсирующее ежа-
Рис. 7.2. Диаграмма литьевого цикла:
а — форсунка без обратного клапана; б — форсунка с обратным клапаном.
тие полимера под воздействием повышенного давления и умень-
шение удельного объема в результате охлаждения и темпера-
турной усадки.
При этом возможны различные варианты этой стадии цик-
ла, соответствующие различным особенностям конструкции ма-
шины. Так, если конструкция литьевой головки рассчитана на
поддержание постоянного давления впрыска, то по мере охлаж-
дения и усадки находящегося в форме расплава литьевой пор-
шень будет перемещаться вперед, нагнетая дополнительное ко-
личество расплава в форму. В этом случае давление расплава
в форме во все время стадии уплотнения остается постоянным
(пунктирная кривая на участке 3—4 рис. 7.2, а). Если же лить-
евой поршень занимает в конце впрыска крайнее переднее по-
ложение, то во время стадии сжатия наблюдается некоторое
уменьшение давления. Приток расплава в форму происходит
при этом за счет разности давлений в литьевой головке и фор-
ме.
Следующая стадия цикла — это обратное движение литье-
вого поршня. Эта стадия называется также стадией утечки.
Обычно утечку можно наблюдать при формовании массив-
ных изделий, которые не успевают полностью затвердеть к то-
му моменту, когда литьевой поршень начинает свое обратное
движение. Так как в этот момент давление в литьевом цилинд-
ре оказывается меньше давления в форме, часть расплава вы-
текает из формы. При этом давление в форме заметно снижа-
ется (участок 4~5 на рис. 7.2, а). Существуют литьевые сопла,
оснащенные специальным обратным клапаном, предотвращаю-
щим обратное течение расплава. В таких случаях диаграмма
давления имеет вид, изображенный на рис. 7.2,6 (участок 4—5).
Дальнейшее охлаждение формы приводит к затвердеванию
материала в впусковом канале, после чего никакое течение ма-
териала — ни в форму, ни из формы — оказывается невозмож-
ным. 1
Последующее охлаждение расплава сопровождается темпе-
ратурной усадкой и уменьшением давления в форме до момен-
та открытия формы, отмеченного на диаграмме точкой 6. Отме-
тим, что в момент открытия в форме сохраняется определенное
остаточное давление. Это остаточное давление, однако, не
должно быть слишком велико. В противном случае возможны
повреждение, растрескивание или даже застревание готового
изделия в полости формы.
Процесс заполнения и охлаждения отформованного изделия
оказывает решающее влияние на надмолекулярную структуру
и, следовательно, на прочностные и эксплуатационные характе-
ристики готового изделия. Существуют различные методы уп-
равления процессом структурообразования, однако во всех
случаях для получения структуры, однородной по всему сече-
нию изделия, необходимо обеспечить максимальное постоянст-
во исходной температуры расплава. Поэтому одно из основных
требований, предъявляемых к пластицирующим устройствам,
состоит в максимальном ограничении допустимой неравномер-
ности температуры расплава.
7.3. ЛИТЬЕВАЯ ГОЛОВКА И ПЛАСТИКАТОР
По конструкции пластицирующего элемента все литьевые го-
ловки можно разделить на две основные группы: литьевые го-
ловки с пластикаторами плунжерного типа и литьевые головки
с пластикаторами червячного типа. В пластикаторах плунжер-
ного типа (рис. 7.3) разогрев материала осуществляется за
счет теплопередачи от стенок цилиндра 2 и торпеды 3 пласти-
катора. Головками с пластикаторами такого типа обычно осна-
щают простые литьевые машины, объем впрыска которых не
превышает 20—30 см3.
Для увеличения площади обогреваемой поверхности в наг-
ревательной камере пластикатора устанавливается специальное
приспособление — торпеда. В большинстве случаев тепло к
торпеде передается по металлическим стойкам, посредством
которых она соединяется с цилиндром. Однако в некоторых
конструкциях пластикаторов в тело торпеды дополнительно
встраиваются патронные нагреватели. Недостатки литьевых го-
Рис. 7.3. Схема плунжерного пластикатора:
1 поршень; 2 — обогреваемый цилиндр; 3 — торпеда; 4 — литьевое сопло (форсунка);
5 — нагреватель.
1
Рис. 7.4. Схема плунжерной литьевой головки с разделенными пластикатором
и литьевым цилиндром. Пояснения в тексте.
ловок с пластикаторами такого типа связаны с трудностью ре-
гулирования температуры и давления расплава во время впрыс-
ка полимера.
Другая разновидность плунжерных литьевых головок — это
головки с разделенными пластикатором и литьевым цилиндром
(механизмом впрыска) (рис. 7.4). В литьевых головках такого
типа пластикация материала осуществляется в то время, пока
происходит охлаждение уже сформованного изделия. При этом
готовый расплав из пластикатора 1 поступает в литьевой ци-
линдр 2, отодвигая литьевой плунжер 3.
В пластикаторах плунжерного типа нагрев материала осу-
ществляется за счет теплопередачи от стенок камеры к распла-
ву. Поэтому пластикаторы такого типа не могут обеспечить
высокой температурной однородности расплава, ибо во всех
случаях для создания теплового потока необходим перепад
температур. Другой недостаток пластикаторов плунжерного
типа связан с низкой температуропроводностью расплавов, из-
за которой увеличение пластикационной производительности,
сопровождающееся уменьшением времени пребывания расплава
в пластификаторе, всегда вызывает снижение температурной
однородности расплава.
В литьевых головках с червячным пластикатором плавле-
ние и гомогенизация полимера осуществляется в червяке. Вна-
чале появились литьевые головки (рис. 7.5), у которых чер-
вячный пластикатор 1 служил только для приготовления рас-
плава, нагнетавшегося червяком в литьевой цилиндр 2. Впрыск
по-прежнему осуществлялся плунжером 3.
Дальнейшее совершенствование литьевых машин .шло по
пути совмещения функции пластикации и впрыска в одном аг-
регате. В результате возникла наиболее распространенная в на-
стоящее время конструкция червячной литьевой головки, в ко-
торой червяк обладает, возможностью не только вращательного,
но и возвратно-поступательного движения (рис. 7.6). В голов-
Рис. 7.5. Схема литьевой головки с разделенными червячным пластикатором
и плунжерным литьевым устройством. Пояснения в тексте.
ках такого типа впрыск осуществляется за счет осевого пере-
мещения червяка 2 поршнем 3. Затем в течение времени, необ-
ходимого для затвердевания материала в форме, червяк пла-
стикатора вращается и нагнетает материал в переднюю полость
камеры 1, одновременно перемещаясь назад.
Червячные пластикаторы такого типа позволяют перераба-
тывать те же термопласты, что и пластикаторы плунжерного
типа. При этом пластикационная производительность червяч-
ных пластикаторов при тех же габаритах всегда выше, так как
большая часть тепла сообщается материалу за счет работы
внутреннего трения, что повышает и температурную однород-
Рис. 7.6. Схема червячного пластикатора с осевым перемещением червяка при
впрыске.
Рис. 7.7. Обратный клапан, устанав-
ливаемый на червяках для переработ-
ки полиолефинов и полиамидов:
а — клапан открыт, расплав свободно про-
ходит из винтового канала червяка в по-
лость А (1 — корпус, 2 — червяк, 3 — кла-
цал, 4 — наконечник, 5 — сопло); б — кла-
пан* закрыт, расплав из полости А не мо-
жет попасть в канал червяка.
ность расплава. Поскольку
червяк одновременно играет
роль плунжера, то при пере-
работке полимеров, расплавы
которых обладают сравни-
тельно невысокой вязкостью
(полиамиды, полиэтилен, по-
липропилен), развивающимся
в момент впрыска давлением
расплав нагнетается не только
в форму, но и в винтовой канал червяка. Для того чтобы пред-
отвратить это обратное течение расплава, которое ухудшает ус-
ловия дозирования и формования изделия, на конце червяка
пластикатора устанавливают специальный обратный клапан
(рис. 7.7), открывающийся под действием давления расплава и
пропускающий расплав в переднюю полость А, образующуюся
перед концом червяка при его отходе назад.
Поскольку разогрев материала является результатом рабо-
ты внутреннего трения, его величина, как это следует из теории
политропической экструзии, в значительной мере зависит от
давления на выходе из червяка. Поэтому литьевые форсунки,
установленные на литьевых головках с червячной пластикаци-
ей, снабжают запорным клапаном, открывающимся только в мо-
мент впрыска под воздействием усилия, прижимающего фор-
сунку, к литьевой втулке.
7.3.1. Литьевая головка с плунжерным пластикатором
Типичная конструкция литьевой головки с пластикатором плун-
жерного типа (рис. 7.8) состоит из литьевого сопла 1, вверну-
того в крышку 2 нагревательного цилиндра 3, внутри которого
на стойках установлена торпеда 4. Плунжер 8 соединен со што-
ком гидравлического цилиндра 12 муфтой 11, в которую ввер-
нута стойка 10, соединенная штангой 9 с толкателем дозатора 7,
установленным под загрузочным бункером 6. Загрузочная часть
Цилиндра охлаждается водой, подаваемой по каналам а.
Дозирование материала, поступающего в нагревательный
Цилиндр, производится по объему. Регулирование подаваемой
Дозы осуществляется изменением расстояния между начальным
положением толкателя 7 и планкой 5 за счет изменения рассто-
Рис. 7.8. Литьевая головка плунжерного типа. Пояснения в тексте.
яния между стойкой и торцом толкателя, которое достигается
ввертыванием в него (или вывертыванием) резьбового конца
штанги 9.
Основное назначение нагревательного цилиндра — плавле-
ние полимера и равномерный нагрев его до температуры фор-
мования. Эта задача существенно усложняется низкой тепло-
проводностью полимеров (в 300—400 раз меньшей, чем у ме-
таллов) и сравнительно небольшим допустимым перепадом
температур, поскольку максимальная температура стенок на-
гревательного цилиндра ограничивается температурой термо-
деструкции перерабатываемого полимера.
Для ускорения нагрева полимера в цилиндре расплав дро-
бят на отдельные струи малой толщины. Особое внимание уде-
ляют предотвращению образования зон застоя у нагретых сте-
нок цилиндра. С этой целью в центре нагревательного цилинд-
ра 2 устанавливается торпеда-рассекатель 4.
Основные типы неподвижных торпед представлены на рис.
7.9. Торпеда с передним фланцевым креплением и пазами на
наружной поверхности
(рис. 7.9, а) имеет уве-
личенную поверхность
нагрева и обеспечива-
ет удовлетворительную
температурную одно-
родность расплава.
Торпеда с внутренним
креплением и коротки-
ми
ребрами
проста
В-В
Б~Б
центрирующими
(рис. 7.9, б)
в монтаже, но
Торпеды нагрева-
цилиидров плун-
Рис. 7.9.
тельных
жерных пластикаторов.
Рис. 7.10. Пластикатор с перфорированной гильзой.
не обусловливает температурную однородность расплава.
Большую температурную однородность расплава обеспечивают
нагревательные цилиндры с перфорированной гильзой (рис.
7.10) или с вращающейся торпедой (рис. 7.11).
В пластикаторе с перфорированной гильзой полимер вна-
чале продавливается в кольцевое пространство между корпу-
сом 2 и внешней поверхностью гильзы 1, а затем поток рас-
плава разбивается на множество отдельных струй, продавли-
ваемых через многочисленные отверстия в стенке гильзы, ко-
торые вновь собираются вместе в центральной полости гиль-
зы. Оттуда расплав поступает в литьевое сопло 3, через кото-
рое он впрыскивается в полость формы.
Для повышения температурной однородности расплава при-
меняют пластикатор с вращающейся торпедой (см. рис. 7.11).
В центре полости нагревательного цилиндра 1 устанавливается
цилиндрическая торпеда-рассекатель 2, на поверхности которой
профрезерованы наклонные пазы. Рассекатель опирается на
два ряда шариков 3 и 4, расположенных по окружности ана-
логично шарикам в шариковых подшипниках. Обогрев цилинд-
ра осуществляется электрическими нагревателями сопротивле-
ния 5. Перерабатываемый полимер поступает из питателя по
Б~Б
Рис. 7.11. Пластикатор с вращающейся торпедой. Пояснения в тексте.
Рис. 7.12. Литьевая головка с червячным пластикатором литьевой машины Д 3132-250. Пояснения в тексте.
каналу а в пространство перед плунжером 6, который продав-
ливает его через нагревательный цилиндр. Проходя по наклон-
ным пазам торпеды, материал приводит ее во вращение. Вза-
имное наложение поступательного и вращательного движений
заставляет расплав двигаться по винтовой траектории. При
этом происходит перемешивание расплава, и достигается его
высокая температурная однородность.
7.3.2. Литьевая головка с червячным пластикатором
и осевым перемещением червяка
Конструкция червячного пластикатора с осевым перемещением
червяка отечественной литьевой машины Д 3132-250 приведена
на рис. 7.12.
Нагревательный цилиндр 1 крепится к корпусу механизма
впрыска 9 при помощи цапфы 5, которая фиксируется в рабо-
чем положении призмой и зажимается сухарями 6. Червяк 3
приводится во вращение от гидромотора 10 через червячный
редуктор 11 и вал 8, соединенный с хвостовиком червяка по-
средством муфты 7. Действующие на червяк аксиальные нагруз-
ки воспринимаются шариковым упорным подшипником 14, уста-
новленным в поршне 15 гидроцилиндра 13, который крепится
к корпусу 9 шпильками 12. Обогрев цилиндра осуществляется
электрическими нагревателями сопротивления 4, сгруппирован-
ными в три зоны. Замер температуры производят при помощи
термопары 2. Червяк заканчивается укрепленным на резьбе
наконечником 17 с обратным клапаном 16 (см. также рис. 7.7).
Впрыск расплава в.форму производится через литьевое соп-
ло 18.
Механизм работы червячных пластикаторов в основном по-
добен механизму работы одночервячных пластицирующих
экструдеров (см. разд. 5.3). Единственное отличие заключает-
ся в том, что процесс пластикации сопровождается осевым пе-
ремещением червяка. В результате его эффективная длина
уменьшается, а соответственно уменьшается и длина зоны до-
зирования. Очевидно, что следствием этого будет некоторое
снижение температуры последних порций расплава, подаваемых
червяком в переднюю полость. Поскольку длинные червяки ме-
нее чувствительны к изменению эффективной длины, в послед-
нее время наметилась тенденция к увеличению длины червяков
до LID=25.
Современные пластикаторы обычно снабжают набором спе-
циализированных червяков, предназначенных для переработки
различных групп пластмасс. Все литьевые материалы подразде-
ляют на четыре группы: группа I — это аморфные и кристал-
лические полимеры с высокой термостабильностью (полистирол
и сополимеры стирола, полиэтилен и различные сополимеры
этилена); группа II — высококристаллические жесткие пласт-
массы, отличающиеся резким уменьшением вязкости при плав-
Таблица 7.4. Особенности конструкции червячных пластикаторов*
Группа материалов Относитель- ная длина червяка L/D Относитель- ное измене- ние глубины канала hilha Наконечник червяка Литьевое сопло
I 204-25 2,5—3,2 С клапаном; без Самозапирающееся с
II 18—24 2—2,8 клапана со смеси- тельной торпедой С клапаном игольчатым клапа- ном; со скользящим штоком; открытое Самозапирающееся с игольчатым клапаном
III 15-У 25 1,5—2,0 Конический с лом 20—30° уг- Открытое
IV 15—20 0,8—1,0 Конический с лом 40—60° уг-
* Профили сердечников червяков для переработки материалов групп I—IV показаны
на рис. 7.14.
лении (полиамиды, поликарбонаты); группа III — пластмассы
с низкой термостабильностью, склонные к механодеструкции
(полиформальдегид, непластифицированный поливинилхлорид);
группа IV — термореактивные пластмассы.
В червяках, предназначенных для переработки материалов
групп I и II, обычно имеются явно выраженные зоны питания и
плавления. Червяки для переработки материалов группы III
делают с коническим сердечником на участке зон питания и
плавления и снабжают системой охлаждения, позволяющей
быстро снижать температуру расплава в случае появления
опасности перегрева и термодеструкции материала. Основные
размеры червяков всех трех групп приведены в табл. 7.4. На-
конечники червяков для каждой из групп имеют свою конструк-
цию. Для материалов группы I применяют гладкие наконечни-
ки со смесительной торпедой (рис. 7.13, а) и наконечники с об-
ратным клапаном (см. рис. 7.7). Для материалов группы II
используют наконечники с обратным клапаном, для материа-
лов группы III — гладкие конические наконечники (рис. 7.13, б).
Для пластикаторов машин, работающих в режиме интрузии,
применяют конические наконечники со спиральной нарезкой
(рис. 7.13,в), обеспечивающие дополнительный подогрев ма-
териала непосредственно перед его нагнетанием в форму.
Об особенностях наконечников червяков группы IV сказано
ниже (разд. 7.8).
7.3.3. Литьевое сопло
Сопло соединяет горячий пластикатор с охлаждаемой формой.
Поэтому необходимо уделять особое внимание точности под-
держания его температуры. Для регулирования температуры
сопла на его конце устанавливают специальную термопару,
подключенную к отдельному регулирующему прибору. Обычно
на сопле устанавливают один кольцевой ленточный нагрева-
тель. На длинных соплах для создания более равномерного
температурного поля лучше устанавливать несколько коротких
нагревателей. Температура сопла должна поддерживаться на
уровне температуры расплава, поскольку перегрев сопла при-
водит к термодеструкции или к утечке расплава, особенно при
переработке низковязких расплавов. Открытое сопло (рис.
7.15, а) состоит из корпуса 1 и нагревателей 2. Корпус имеет
коническое заходное отверстие, в которое в конце впрыска
₽ис. 7.13. Наконечники червяков:
а — гладкий со смесительной торпедой; б — гладкий конический; в конический со спи
ральной нарезкой; г — конический со скребками.
Рис. 7.14. Профили сердечников червя -
ков для переработки материалов групп
I—IV (см. табл. 7.4).
входит конический наконечник
червяка. Внутренний контур соп-
ла, предназначенного для впры-
ска аморфных полимеров (ниж-
ний вариант рис. 7.15,о), обра-
зован удлиненным конусом, пе-
реходящим в длинный цилиндри-
ческий канал (L/d=7-yl0). Соп-
ло, предназначенное для впрыс-
ка кристаллических полимеров
(верхний вариант), состоит из
короткого конического участка, переходящего в сравнительно
длинный цилиндрический канал, заканчивающийся коротким
расширяющимся каналом (L/d=24-2,5) с углом при вершине
конуса, равным 34-5°.
Термопару для более точного регулирования температуры
устанавливают у конца сопла. На цилиндрическом корпусе
сопла укрепляют ленточный нагреватель сопротивления 2.
При литье тонкостенных изделий из расплавов с низкой
вязкостью применяют самозапирающиеся сопла (рис. 17.15,6,
в и г) или управляемые сопла (рис. 4.15,6). Сопло с шарико-
вым клапаном (рис. 17.15,6) открывается при упоре головки
сопла в литниковую втулку формы. Усилие, с которым литни-
ковая втулка давит на головку 1, сжимает пружину 3 и ото-
двигает от седла шариковый клапан, установленный на конце
иглы 4. Расплав, поступающий из пластикационной камеры,
по каналам 5 проходит через отверстия в головке сопла в
литниковую втулку. Обогрев сопла осуществляется пластинча-
тым нагревателем 2.
Другая разновидность сопла, открывающегося при упоре в
литниковую втулку, представлена на рис. 7.15, в. Во время
пластикации избыточное давление расплава в камере пласти-
катора прижимает головку клапана 2 к седлу 3. При этом ка-
налы А оказываются разобщены с полостью Б. При упоре го-
ловки 1 в литниковую втулку 4 клапан сдвигается влево, и
каналы А сообщаются с полостью Б.
На рис. 7.15, г представлена схема сопла, открывающегося
по достижении заданного давления, определяемого усилием
пружины 1, которая, упираясь в шайбу 2, прижимает игольча-
тый клапан 5 к седлу втулки 4. Расплав, поступающий в сопло
по каналу А, давит на торец игольчатого клапана 5. Когда
давление расплава при впрыске достигает заданного значения,
действующее на клапан 5 усилие сжимает пружину и откры-
вает центральный канал сопла. Обогрев сопла осуществляется
нагревателем 3.
На рис. 7.15, д представлено запирающееся сопло шибер-
ного типа с управляемым моментом открытия. Сопло такого
типа применяют на литьевых машинах фирмы «Краус-Маф-
фей» (ФРГ). При подаче команды в сервоцилиндр 3 переме-
щается шибер 2, перекрывающий в нормально закрытом поло-
жении выход из канала сопла 1.
Используя запирающиеся сопла, показанные на рис. 7.15, г
и д, можно с успехом применять разработанный советскими уче-
ными метод литья тонкостенных изделий в режиме предвари-
тельно сжатого расплава, обеспечивающий снижение времени
заполнения форм при литье тонкостенных изделий.
Обычно сопло крепится к корпусу пластикатора на резьбе
(см. рис. 7.15), однако гораздо лучше использовать накидную
Пояснения в тексте.
Рис. 7.16. Крепление сопла на-
кидной гайкой:
1 — сопло; 2 — гайка; 3 — гнездо для
термопары; 4 — резьбовой выступ
корпуса пластнкатора; 5 — канавка
для оттока расплава.
«ЖЖ
гайку (рис. 7.16). Основ-
ной недостаток резьбово-
го соединения — это труд-
ность в обеспечении гер-
метичности в зоне кон-
такта сопла с корпусом
пластнкатора. Негерме-
тичное уплотнение приводит к утечкам расплава и термодест-
рукции полимера. Применяя любой метод крепления сопла, не-
обходимо предусматривать в конструкции узла крепления ка-
налы для отвода расплава, который может пробиться через уп-
лотнение.
7.3.4. Корпус пластнкатора
У большинства литьевых машин корпус пластнкатора рассчи-
тывают на рабочее давление около 140 МПа. Корпуса обычно
изготавливают из азотируемой стали. В некоторых случаях в
корпус запрессовывается биметаллическая гильза со слоем
сверхтвердого сплава (например, ксаллоя). Такие корпуса об-
ладают повышенной износостойкостью и обычно применяются
в машинах для переработки стеклонаполненных пластмасс.
Загрузочное отверстие, как травило, имеет круглую форму и
располагается то оси корпуса. Его диаметр равен диаметру
червяка. На некоторых моделях машин для улучшения усло-
вий питания устанавливают специальные загрузочные камеры
с большими квадратными отверстиями.
Рис. 7.17. Загрузочная секция корпуса:
/ — бункер; 2—пазы; 3— втулка с продольными пазами; 4 — корпус; 5 — водяная ру-
башка.
Примыкающий к загрузочному отверстию участок корпуса
обычно имеет водяную рубашку 5, предотвращающую перегрев
материала и его спекание в зоне загрузки (рис. 7.17). Для уве-
личения производительности зоны загрузки при переработке
порошкообразных полимеров в зоне питания устанавливают
втулки 3 с глубокими продольными пазами 2, увеличивающи-
ми силы сцепления между твердым полимером и стенкой кор-
пуса. Так как такие втулки подвергаются интенсивному разо-
греву, их обычно снабжают охлаждаемыми водяными рубаш-
ками. В пластикаторах с продольными пазами применяют
специальные червяки с уменьшенной глубиной винтового кана-
ла в пределах зоны питания (постоянный диаметр сердечника
червяка). При переработке порошкообразных полимеров в та-
ких пластикаторах достигается двукратное увеличение пласти-
кационной производительности. К недостаткам пластикаторов
с продольными канавками следует отнести: 1) интенсивный из-
нос гильзы с канавками (поэтому ее надо изготавливать из
более износостойкого материала, чем обычная азотируемая
сталь); 2) развитие в зоне питания очень высоких давлений,
достигающих в отдельных случаях 140 МПа.
Обогрев корпуса обычно осуществляется системой электри-
ческих нагревателей, сгруппированных в несколько зон, длина
каждой из которых составляет примерно четыре диаметра
червяка. Каждая зона имеет свои термопару и регулятор, под-
держивающий температуру с точностью ±1°С.
7.3.5. Привод червяка пластикатора
Привод червячных пластикаторов должен обеспечивать пере-
дачу вращающего момента на червяк, одновременно переме-
щающийся в продольном направлении. Это требование накла-
дывает отпечаток на конструкцию всех существующих систем
привода.
Рис. 7.18. Принципиальная схема электромеханических приводов: •
с — с встроенным червячным редуктором; б — с вращающимся поршнем и выносным
червячным редуктором.
Рис. 7.19. Принципиальные схемы гидропривода:
а —с осевым перемещением зубчатого колеса; б —с подвижным гидромотором.
Различают пластикаторы с электромеханическим (рис. 7.18)
и гидравлическим (рис. 7.19) приводом. В электромеханических
приводах для изменения частоты вращения червяка используют
коллекторные двигатели переменного тока с регулируемой ча-
стотой вращения или тиристорные приводы постоянного тока.
В гидравлических приводах применяют гидромоторы с постоян-
ным вращающим моментом и плавным бесступенчатым измене-
нием частоты вращения. В обоих вариантах осевое перемеще-
ние червяка осуществляется с помощью гидроцилиндра.
Типичный гидромеханический привод с встроенным червяч-
ным редуктором (рис. 7.18, а) состоит из червяка 8, установ-
ленного в корпусе 7 редуктора 1 и соединенного эластичной
муфтой с регулируемым электродвигателем 2. Через зубчатое
колесо 5 и шлицевое соединение 6 вращающий момент пере-
дается к червяку 8. Осевое перемещение червяка осуществляет
плунжер 4, установленный в гидроцилиндре 3.
Гидромеханический привод с выносным редуктором (рис.
7.18,6) отличается тем, что червячное колесо 5 установлено на
консольном шлицевом валу 6, соединенном с плунжером 4.
Другая сторона плунжера соединена с червяком 7.
Гидравлический привод с подвижным зубчатым колесом
(рис. 7.19, а) состоит из гидромотора 3, укрепленного на фланце
корпуса редуктора 2 и соединенного эластичной муфтой с ше-
стерней 1, передающей вращающийся момент через колесо 6
к червяку 7. Осевое перемещение червяка осуществляет плун-
жер 5 гидроцилиндра 4. В другой разновидности гидропривода
(рис. 7.19,6) гидромотор с редуктором укрепляется на штоке
плунжера 5 и перемещается вместе с червяком в осевом на-
правлении.
Пластикационная производительность и мощность привода
червячного пластикатора рассчитывается по формулам, приве-
денным в разд. 5.4. При использовании этих формул необходи-
мо иметь в виду, что эффективная длина червяка по мере на-
копления дозы расплава уменьшается.
ТА. МЕХАНИЗМ СМЫКАНИЯ
Механизм смыкания литьевой машины — это пресс, обеспечи-
вающий раскрытие и закрытие формы, а также удерживающий
форму в закрытом состоянии во время впрыска и охлаждения
(отверждения) отлитого изделия. Конструкция механизма
смыкания оказывает существенное влияние на технико-экономи-
ческие показатели и трудоемкость изготовления литьевой ма-
шины. Достаточно отметить, что масса механизма смыкания
составляет более половины массы машины.
7.20. Основные виды механизмов смыкания форм:
' — гидравлические или пневматические; б — гидравлические или пневматические, ры
ажные; в — электромеханические рычажные; г — электромеханические винтовые; 1
Ростые; II__сблокированные (Л— сблокированные гидравлические, Б сблокированные^
J-гидра в лические).
Рис. 7.21. Типичный гидропрессовый ме-
ханизм смыкания прямого действия.
Пояснения в тексте.
Все многообразие конструк-
ций механизмов смыкания мож-
но подразделить на три основ-
ные группы: гидравлические,
гидромеханические и механиче-
ские (или электромеханические).
По методу реализации рабочего хода и создания усилия
смыкания все механизмы можно подразделить на простые и
сблокированные. В простых конструкциях смыкание формы и
создание запирающего усилия осуществляется одним и тем
же механизмом, в сблокированных конструкциях перемещение
подвижной плиты производится одним механизмом, а усилие
смыкания создается другим (рис. 7.20).
В большинстве случаев литьевые машины имеют горизон-
тальную компоновку, и изделие отливают в форму с вертикаль-
ной плоскостью разъема и центральным литником. Однако
при литье изделий с арматурой используют формы с горизон-
тальным разъемом (вертикальная компоновка механизма смы-
кания) .
7.4.1. Гидропрессовый механизм смыкания прямого действия
Как правило, механизм смыкания представляет собой четырех-
или двухколонный пресс (рис. 7.21), состоящий из двух непо-
движных траверс (передней 1 и задней 9), соединенных четырь-
мя стальными колоннами 3. По колоннам, как по направляю-
щим, перемещается подвижная плита 2, в которую запрессова-
ны четыре втулки 10. Гидроцилиндр 6 с дифференциальным
плунжером 7 и манжетным уплотнением 8 укреплен на непо-
движной траверсе 9; шток плунжера соединен с подвижной
плитой 2. Колонны 3 крепятся к неподвижным траверсам при
помощи гаек 4, зафиксированных посредством контргаек 5.
При подаче рабочей жидкости в полость А цилиндра 6 плита
2 перемещается вправо, и форма 11 запирается; при подаче
жидкости в полость Б форма раскрывается. Скорость движения
плиты 2 регулируется расходом поступающей жидкости. Основ-
ные недостатки такого механизма — большие размеры гидро-
цилиндра, требующие для сокращения времени перемещения
плиты значительного расхода жидкости, а также массивность
механизма при необходимости создания больших усилий смы-
кания. Достоинство механизма — его простота. На крупных
машинах применяется система предварительного заполнения
цилиндра самотеком. При этом масло поступает через напол-
няющий клапан под действием атмосферного давления в глав-
ный цилиндр из бака, устанавливаемого обычно над главным,
цилиндром, быстрое перемещение которого осуществляют ре-
турные цилиндры. После закрытия .формы наполняющий кла-
пан закрывается, и в главный цилиндр поступает жидкость
под рабочим давлением (до 40 МПа). При открытии формы
во время обратного хода поршня масло из главного цилиндра
выдавливается обратно в бак.
Особенности гидропрессового механизма смыкания прямого
действия состоят в следующем: он прост по конструкции;
смазывать необходимо только направляющие втулки подвиж-
ной плиты; при работе его происходит перемещение больших
масс; на колонны не действуют никакие изгибающие нагрузки,
кроме веса плит и частично поршня; на плиты не действуют
никакие побочные силы, кроме усилия смыкания; усилие
смыкания передается большой поверхностью.
Для более полного и всестороннего анализа конструкции
механизма смыкания сформулируем основные предъявляемые
к нему требования. Механизм смыкания должен обеспечивать:
1) безопасное обслуживание с помощью по меньшей мере трех
независимых систем останова: электрической, гидравлической
и механической; 2) параллельность плит на всем пути смыка-.
ния не менее 0,02/100 мм; 3) усилие запирания, достаточное
для создания давления на поверхности формы не менее
90 МПа; 4) жесткость плит, исключающую их большие дефор-
мации при полном усилии смыкания, даже в случае установки
малогабаритных или нецентрально расположенных форм;
5) удобное крепление форм при помощи унифицированных,
приспособлений на плитах; 6) возможность установки выталки-
вателей в нескольких местах (только центрального выталкива-
теля недостаточно); 7) регулируемую скорость смыкания, при-
чем переход от одной скорости к другой должен осуществляться-
плавно.
Конструкция механизма смыкания, кроме того, должна
обеспечивать возможность простого регулирования хода, гарант
тируя воспроизводимость его величины, возможность регулиро-
вания высоты формы и простого демонтажа по крайней мере
одной из колонн.
Для обеспечения параллельности плит их направляющие-
втулки должны иметь максимальную длину (не меньше двух;
диаметров колонн). Большое внимание следует уделять за-:,
тяжке гаек крепления колонн, особенно после замены колонн,
Обычно машиностроители наносят на колоннах монтажные,
метки, которыми следует руководствоваться при сборке..
В ряде случаев на пресс устанавливают специальные са^
лазки, поддерживающие подвижную плиту и разгружающие
колонны от боковых нагрузок, создаваемых весом плиты и по-
луформы. Такие салазки должны иметь механизмы регулиро^
вания для компенсации износа втулок.
Все движущиеся части должны автоматически смазываться.
Замена колонны. Легкость демонтажа колонны (или двух)
имеет в ряде случаев большое значение. При этом, сравнивая
различные конструкции механизмов смыкания, следует обра-
щать. внимание на следующие моменты: 1) существует ли
возможность повреждения резьбы на концах колонны, особен-
но если демонтированная колонна остается подвешенной на
тали в неподвижной плите; 2) можно ли без больших затруд-
нений демонтировать упорные втулки, не снимая с машины
других механизмов; 3) просто ли добраться до гаек крепления
колонны при их закручивании вручную и затяжке с помощью
специального инструмента; 4) поставляется ли заводом-изго-
товителем инструмент для затяжки гаек; 5) если гайки слиш-
ком велики для их подъема вручную, то снабжены ли они
приспособлениями для крепления к грузоподъемным механиз-
мам; можно ли их легко навернуть на резьбу колонн; в таких
случаях необходимо применять специальные монтажные при-
способления.
Усилие смыкания. В настоящее время давления на поверх-
ности форм для безоблойного формования достигают 90—
НО МПа. Обычно принятый метод определения усилия смыка-
ния, который состоит в умножении давления впрыска на пло-
щадь формы, на практике дает ошибочные результаты. Поэто-
му, определяя усилие смыкания, нужно увеличивать определен-
ное таким способом усилие в 1,2 раза или вести расчет на
максимальное давление впрыска, достижимое на данной литье-
вой головке.
Жесткость плит и крепление форм. Применяя Т-образные
пазы для крепления форм, необходимо увеличивать толщину
плит на 20% по сравнению с плитами, к которым формы кре-
пятся через круглые отверстия. Следует также иметь в виду,
что любое резьбовое отверстие — это потенциальный концентра-
тор напряжений, уменьшающий прочность плит.
7.4.2. Коленчато-рычажный механизм смыкания
В большинстве случаев на современных машинах применяют
коленчато-рычажные механизмы смыкания с гидроприводом,
так как кинематика такого механизма обеспечивает быстрое
движение плиты практически на всем пути смыкания формы
с автоматическим снижением скорости в момент смыкания
(рис. 7.22). Кроме того, эти механизмы обеспечивают большие
усилия смыкания при небольших усилиях, действующих со
стороны поршня гидроцилиндра смыкания, что позволяет суще-
ственно снизить максимальное давление, используемое в гидро-
системе механизма смыкания.
По конструктивным признакам различают одинарные (не-
уравновешенные) и сдвоенные (уравновешанные) коленчато-
рычажные механизмы.
Рис. 7.22. Коленчато-рычажные гидромеханические механизмы смыкания:
а — одинарный; б — сдвоенный.
Пояснения в тексте.
Одинарный механизм смыкания (рис. 7.22, а) состоит из не-
подвижных траверс 7 и 16, соединенных стальными цилиндри-
ческими колоннами 5, закрепленными гайками 6 и контргай-
ками 8. Гидроцилиндр 11 вертикально укреплен на рычагах
10, один из которых шарнирно закреплен в стойке траверсы
7, а второй — в стойке подвижной плиты 2. При опускании
поршня 13, закрепленного гайкой 12 на штоке 14, серьги 4
выпрямляются, совмещаясь с горизонтальной осью, соединяю-
щей шарниры 3 и 9. Расстояние между шарнирами 3 и 9 уста-
навливается таким образом, чтобы при полностью сомкнутой
форме оно было несколько меньше, чем суммарная длина
обеих серег 4. Поэтому при выравнивании серег в линию ко-
лонны 5 растягиваются возникающим при выпрямлении серег
распорным усилием. Это усилие и удерживает форму 1 в за-
крытом состоянии во время впрыска и охлаждения расплава.
При ходе поршня вверх шток 14 тянет за собой серьги 4, и
они занимают положение, показанное на рисунке пунктиром.
При этом подвижная плита 2 отходит влево, и форма раскры-
вается. Недостатком одинарного коленчато-рычажного меха-
низма является наличие нескомпенсированных боковых сил,
нагружающих направляющие втулки 15 и колонны 4. Механиз-
мы смыкания такого типа применяются на малых машинах
(с объемом впрыска до 30 см3).
Сдвоенные коленчато-рычажные механизмы в настоящее
время получили наиболее широкое распространение. Типичный
сдвоенный механизм, применяемый на литьевых машинах
фирмы «Демаг» (ФРГ) с усилием смыкания до 12 500 кН, пред-
ставлен на рис. 7.22,6. Механизм состоит из неподвижной
траверсы 1, на которой укреплен гидроцилиндр 18. Четыре ко-
лонны 10 соединяют" траверсу с неподвижной плитой 11. По-
движная плита 12 соединена со штоком 16 при помощи двух
пятишарнирных механизмов, каждый из которых в свою оче-
редь состоит из подвижной серьги 6, шарнирно закрепленной
на стойке 7 подвижной плиты 12; качающегося рычага 5, шар-
нирно закрепленного на траверсе 1; и короткой серьги 4, со-
единяющей рычаг 5 с коромыслом 2, установленным на штоке
16. Для увеличения хода плиты при открытии длина передних
серы 6 несколько больше, чем длина рычагов 5. С этой же
целью расстояние между шарнирами 3, расположенными на
неподвижной траверсе, больше расстояния между шарнирами
8, установленными на подвижной плите. Боковые усилия в та-
ком сдвоенном механизме полностью скомпенсированы. Для раз-
грузки колонн от веса подвижной плиты (с формой 9} на ней
установлены салазки 13, опирающиеся на закрепленные на
станине машины 17 направляющие 14. Выталкивание отлитых
изделий из формы производится гидравлическим выталкивате-
лем 15. Применение пятишарнирного коленчато-рычажного ме-
ханизма позволяет обеспечить высокое усилие раскрытия фор-
мы, соизмеримое с усилием смыкания.
Несомненными достоинствами коленчато-рычажных гидрав-
лических механизмов смыкания являются: быстрое перемеще-
ние подвижной плиты на холостом ходу; замедленное движе-
ние при смыкании и размыкании формы; возможность созда-
ния больших усилий смыкания при сравнительно малых диа-
метрах рабочих гидроцилиндров, потребляющих небольшое ко-
личество рабочей жидкости. Недостаток коленчато-рычажных
механизмов — необходимость регулирования подвижной плиты
в зависимости от высоты формы. С этой целью механизмы
смыкания оснащают различными устройствами для перемеще-
ния неподвижной траверсы относительно колонн с тем, чтобы
при выпрямлении звеньев механизма в линию форма оказыва-
лась закрытой.
Максимальное усилие смыкания- развивается в тот момент,
когда все т,ри шарнира оказываются на одной линии. Это поло-
жение соответствует полностью выдвинутому до упора поршню
гидроцилиндра. Если из-за неточного регулирования коленча-
то-рычажного механизма серьги проскакивают за положение
«шарниры в линию», то пресс, как правило, открыть невоз-
можно. Это особенно опасно, если такая ситуация возникла при
максимальном усилии смыкания и максимальном давлении
впрыска. Напомним, что усилие смыкания в таких механиз-
мах создается за счет упругого растяжения колонн. Поэтому
фактическое усилие смыкания с увеличением давления впры-
ска возрастает.
При неправильном регулировании коленчато-рычажного ме-
ханизма может возникнуть так называемый «оверлок», при ко-
тором усилия гидроцилиндра оказывается недостаточно для
открытия пресса. На практике в этом случае, чтобы отпереть
машину, необходимо надеть на колонны ленточные нагревате-
ли и прогреть их до такой температуры, при которой они
удлинятся и разгрузят механизм смыкания. При этом, однако,
можно только отпереть пресс, но не открывать форму до пол-
ного остывания колонн, так как нагретые колонны могут за-
клиниваться в направляющих втулках подвижной плиты.
Все механизмы смыкания должны оснащаться тремя неза-
висимыми системами аварийного останова: электрической, гид-
равлической и механической. Следует отметить, что любая си-
стема должна обеспечивать останов плит на любой стадии хо-
да, независимо от других систем.
Электрическая система останова достаточно надежно обес-
печивается установкой конечных выключателей на щитках
ограждения. Таких выключателей устанавливают не менее
двух, а схема их подключения обязана обеспечивать останов
механизма смыкания даже в том случае, если один из них не
сработал. Механическая система должна блокировать подачу
масла в рабочую полость гидроцилиндра, соединяя ее со сли-
вом. Система гидравлической блокировки предназначена для
блокирования подачи жидкости к гидроцилиндру механизма
смыкания и одноврёменного переключения главного дистрибу-
тора в положение «слив масла обратно в бак». Все три систе-
мы должны срабатывать при очень небольшом смещении
ограждения.
Для надежности в системах блокировки не следует приме-
нять пружин. С этой же целью клапан гидравлической блоки-
ровки должен быть всегда прижат давлением масла к щиткам
ограждения, с тем чтобы при их удалении немедленно проис-
ходило его срабатывание.
В некоторых машинах настройку конечных выключателей
механизма выталкивания приходится выполнять при открытом
ограждении, сдвинутом за переднюю плоскость подвижной
плиты. И в этом случае конструкция блокировок должна ис-
ключать возможность работы при не полностью закрытом
ограждении.
7.5. ГИДРОПРИВОД ЛИТЬЕВЫХ МАШИН
Большинство современных литьевых машин приводится в дей-
ствие от гидравлических исполнительных механизмов, имею-
щих индивидуальный гидропривод. Можно выделить три груп-
пы механизмов, работа которых обеспечивается гидроприводом:
1) литьевая головка, состоящая из червячного пластикатора
с осевым перемещением червяка и гидросистем привода чер-
вяка, а также гидроцилиндра осевого перемещения головки и
гидроцилиндра впрыска; 2) механизма смыкания формы;
3) механизма выталкивания готовых изделий из формы.
Для нормальной работы машины гидропривод должен обес-
печивать возможность реализации в каждом из этих механиз-
мов различных движений. Так, гидравлические механизмы
литьевой головки должны осуществлять: 1) вращение червяка
пластикатора гидромотором с регулируемой и точно поддержи-
ваемой частотой вращения; 2) строго контролируемое переме-
щение червяка пластикатора при помощи электрогидравличе-
ской системы слежения при заданном противодавлении (доза
впрыска); 3) впрыск со строго контролируемыми скоростью
и давлением при помощи системы управления объемным рас-
ходом и давлением масла, подаваемого в гидроцилиндр впры-
ска. В некоторых конструкциях обеспечивается возможность
Рис. 7.23. Принципиальная схема гидропривода. Пояснения в тексте.
программированного изменения скорости впрыска. Существен-
но, чтобы выбранные значения технологических параметров
точно воспроизводились от цикла к.диклу.
Гидравлическая аппаратура механизма смыкания должна
обеспечивать: 1) регулируемую скорость закрытия и открытия
пресса; 2) регулируемое давление смыкания формы: 3) регу-
лируемое усилие и ход выталкивателя. При этом существен-
ное значение имеет соблюдение последовательности срабаты-
вания каждого из механизмов в строгом соответствии с про-
должительностью всех стадий литьевого цикла.
Решение всех этих задач требует применения достаточно
гибкой и разветвленной системы гидропривода, состоящей
(рис. 7.23) из насосной установки с обогреваемым масляным
резервуаром и фильтром, системы управления 8 и исполнитель-
ных механизмов: гидромотора привода червяка 11; гидроци-
линдра системы осевого перемещения червяка 12; гидроцилинд-
ра перемещения литьевой головки 13; гидроцилиндра механиз-
ма смыкания 9; гидроцилиндра выталкивателя 10.
Насосная установка состоит, как правило, из масляного ре-
зервуара 3, насосов высокого давления 1 и низкого давления
5, масляного фильтра 17, охлаждающего масло змеевика 6,
нагревателя 4 и электродвигателя привода насосов 2.
7.5.1. Система управления гидроприводом
i
В настоящее время существует две принципиально отличных
систем управления гидроприводом литьевых машин: аналого-
вая система с электрогидравлическими золотниками управле-
ния и числовая клапанная система с электрогидравлическим
управлением клапанами.
В аналоговой золотниковой системе управления изменение
направления потоков масла осуществляется с помощью золот-
никовых дистрибуторов, часто называемых просто золотника-
ми. Простейший двухпозиционный золотник (рис. 7.24) со-
стоит из корпуса 5, в цилиндрическом отверстии которого пе-
ремещается цилиндрический плунжер 6 с кольцевыми проточ-
ками. В корпусе золотника имеются четыре окна: 7 — для под-
вода масла от насосной станции; 4 — для слива масла обратно
в бак; 3 и 8— соединенные трубопроводами с полостями А и
Б цилиндра 2. Если плунжер 6 смещен вправо (рис. 7.24, а) ,
то через окно 7 и золотник жидкость под давлением поступает
по трубопроводу 3 в полость А, а жидкость из полости Б по
трубопроводу 8 через золотник по каналу С поступает к окну
4, через которое она сливается в бак. При этом поршень "1
смещается влево. Если плунжер 6 смещен влево (рис. 7.24,0,
то жидкость нагнетается в полость Б. Из полости А жидкость
сливается по трубопроводу 3, попадает в золотник и через
него поступает в сливную магистраль 4.
Рис. 7.24. Схема работы двухпозиционного золотника:
z — поршень 1 гидроцилиндра 2 движется влево; б — поршень 1 гидроцнлиндра 2 дви-
жется вправо.
Справа показано изображение двухпозиционного золотника, используемое
в гидросхемах. Пояснения в тексте.
Используемое в гидросхемах обозначение двухпозиционного
золотника показано на рис. 7.24 справа. Направление потока
жидкости, пропускаемой золотником в каждом положении,
указано стрелками. Справа на схеме показано стрелками на-
правление жидкости, соответствующее рис. 7.24, а. Напорная
магистраль Р связана с поршневой полостью цилиндра А, а
штоковая полость цилиндра Б — со сливом С. При переклю-
чении золотника рабочей становится левая секция (рис. 7.24,6).
В гидросистемах литьевых машин применяют также трех-
позиционные золотники (рис. 7.25). Если напорная магистраль
Р соединяется через золотник 6 линией 3 с полостью А ци-
Рис. 7.25. Схема работы трехпозиционного золотника:
а — поршень 1 гидроцнлиндра 2 движется влево; б — поршень 1 гидроцилиидра 2 дви-
жется вправо.
Справа показано изображение трехпозиционного золотника, используемое
в гидросхемах. Пояснения в тексте.
,линдра (рис. 7.25, а}, то жидкость из полости Б по линии 4
1через золотник идет на слив С. Поршень движется влево.
При другом положении золотника (рис. 7.25, б) направление
потока жидкости изменяется. Теперь магистраль Р соединяется
по линии 4 с полостью Б, а полость А по линии 3— со сливом
через отверстие в золотнике 6. Поршень перемещается в дру-
гую сторону.
Схема трехпозиционного золотника приведена на рис. 7.25
справа. Правая секция соответствует положению золотника,
показанному на рис. 7.25, а, а левая — положению золотника,
показанному на рис. 7.25, б. Нейтральное положение золотника
соответствует средней секции.
Передвижение золотника могут осуществлять электромаг-
ниты (электрическое управление) или рабочая жидкость (гид-
равлическое управление). На рис. 7.26, а показан золотник с
гидравлическим управлением, на рис. 7.26, б, в и г — схемы его
работы.
Рис. 7.26. Схема работы трехпозиционного золотника с электрогидравлическим
управлением:
zz — вспомогательный золотник сдвинут влево, а управляющий вправо; б—вспомогатель-
ный золотник сдвинут вправо, а управляющий — влево; в — схематическое изображение
ситуации, представленной на рисунке а; г — оба золотника находятся в среднем (ней-
тральном) положении.
Пояснения в тексте.
На рис. 7.26, в вспомогательный золотник II передвинут
электромагнитом ЭМ2 влево по команде управляющей элект-
росистемы. Жидкость из напорной магистрали Р через золот-
ник II по линии 5 поступает к левой торцевой полости золот-
ника I, который перемещается вправо, и жидкость из напорной
магистрали Р через золотник I по линии 3 перетекает в по-
лость А гидроцилиндра 2. Из полости Б жидкость сливается
по линии 4 в сливную магистраль С. Правая торцевая полость
золотника I соединяется по линии 6 через золотник II со слив-
ной магистралью. Поршень 1 движется влево. При перемеще-
нии золотника II вправо (рис. 7.26, б) жидкость из напорной
магистрали Р через золотник II по линии 6 поступает к правой
торцевой полости золотника I, перемещая его влево. При этом
поршневая полость А соединяется со сливом, а масло из на-
порной магистрали поступает в штоковую полость Б, и пор-
шень I движется вправо. Если оба электромагнита отключе-
ны, то золотник II перемещается пружинами в нейтральное
положение (рис. 7.26, г). При этом жидкость из напорной ма-
гистрали поступает в обе торцевые полости золотника I, пере-
мещая его в нейтральное положение, в котором напорная ма-
гистраль соединяется со сливом.
Предохранительный клапан с переливным золотником, при-
меняемый для поддержания в гидросистемах постоянного дав-
ления, а также для предохранения системы от перегрузок, на
схемах обозначается так, как показано на рис. 7.27. При от-
крытом кране 5 давление в полости А равно давлению в ма-
гистрали 4. При достижении заданного давления, определяемо-
го усилием сжатия пружины 7, шариковый клапан открывает-
ся, давление в полости А снижается, и золотник 3 под дей-
ствием давления жидкости, находящейся в полости Б, смещает-
ся влево, соединяя магистраль 4 через магистраль 2 со сливом.
Как только давление в магистрали 4 упадет до заданного, кла-
пан 6 закроется, и золотник под действием давления жидкости,
находящейся в полости 4, переместится вправо, разобщая ма-
гистрали 4 и 2. Магистраль 1 служит для дистанционного
управления.
Рис. 7.27. Схема предохранительного клапана с переливным золотником.
Рис. 7.28. Схема дросселя. Пояснения в тексте.
Регулирование скорости перемещения поршня гидроцилинд-
ра может осуществляться как непрерывным, так и дискретным
способом. В первом случае для этой цели применяют регуля-
тор расхода жидкости, называемый дросселем; во втором —
используют числовые системы управления, состоящие из блока
диафрагм и системы клапанов.
Обычный дроссель с ручным управлением (рис. 7.28) со-
стоит из регулятора расхода 1 (щель с регулируемым сече-
нием), золотникового регулятора давления 4, золотникового
предохранительного клапана 6 и фиксированного сопротивле-
ния 2; напорной магистрали 3, магистрали 7, в которую по-
дается рабочая жидкость при заданных величине расхода и
давлении, и сливной магистрали 5. Наличие двух регуляторов-
давления (4 и 6) обеспечивает постоянство перепада давления
на регулируемом сопротивлении 1, что и дает возможность
поддерживать заданное значение расхода.
Типичным примером гидравлической системы с электроме-
ханическим управлением является приведенная на рис. 7.29
гидравлическая схема литьевой машины Д3328, предназначен-
ной для отливки изделий объемом до 63 см3.
Коленчато-рычажный гидравлический механизм смыкания
состоит из качающегося цилиндра 25 и системы рычагов 2.
Расстояние между плитами регулируется смещением непо-
движной траверсы 24, осуществляемым при помощи винтового
устройства 1. Литьевое устройство с червячным пластикатором
закреплено на станине неподвижно. Бункер 8 установлен над
загрузочным отверстием цилиндра 7 и соединен с ним эластич-
ным рукавом. В момент закрытия формы плита 5 вместе- с
пресс-формами смещается вперед (вправо), сжимая располо-
женные между гайками 6 пружины. При этом литьевая втулка
пресс-формы прижимается к соплу цилиндра 7. Для отрыва
литника при раскрытии формы сопло отводится от формы
передней подпружиненной плитой 5, начальное положение ко-
торой регулируется при помощи упорных гаек и контргаек 6.
Гидросистема состоит из бака 41, фильтра 37, двух насосов
34 и 36 с производительностью соответственно 100 и 8 л/мин,
гидромотора привода червяка пластнкатора 10, гидроцилинд-
ра 11 (поршень которого 12 служит для осевого перемещения
червяка при впрыске), качающегося гидроцилиндра 25 (приво-
дящего в действие коленчато-рычажный механизм смыкания),
серии управляющих золотников, регуляторов давления, дрос-
селей и конечных выключателей.
Машину пускают нажатием на кнопку управления. При этом
включаются электродвигатель 33 привода масляных насосов,
а также электромагниты 1Э и 2Э, причем 1Э перемещает зо-
лотник 30, подключающий к напорной магистрали А регуля-
тор давления 29, а 2Э перемещает реверсивный золотник в
устройстве 40 влево, соединяя магистраль 28 с магистралью'
27, по которой масло поступает в штоковую полость цилиндра
Рис. 7.29. Гидравлическая схема литьевой машины Д-3328. Пояснения в тексте.
25. Поршень 23 начинает двигаться вниз, рычаги 2 выпрям-
ляются, а плита 3 перемещается по колоннам 4, закрывая
форму. В магистрали 27 установлен золотник гидравлической
блокировки 22, направляющий масло на слив в том случае,
если ограждение формы не задвинуто на место. В конце хода,
когда форма закрыта, подвижная плита нажимает на конеч-
ный выключатель 1КВ, включающий электромагниты ЗЭ и 4Э,
причем 4Э перемещает золотник 39 вправо, соединяя магист-
рали 28 и 18. При этом масло от высокопроизводительного на-
соса 36 поступает в поршневую полость гидроцилиндра впры-
ска 11. Электромагнит ЗЭ перемещает золотник 32 вправо, со-
единяя магистраль 31 с насосом высокого давления 34. Поток
масла от насоса 34, пройдя через обратный клапан 14, сме-
щается с потоком масла от насоса 36, нагнетаемым в цилиндр
впрыска 11. Вследствие осевого перемещения поршня 12 червяк
пластикатора впрыскивает расплав в форму. По мере запол-
нения формы давление в системе впрыска увеличивается.
Одновременно увеличивается и давление масла в гидроси-
стеме впрыска (магистрали 18 и 31). Когда оно достигает пре-
дельного для насоса 31 значения, срабатывает предохранитель-
ный клапан 29, и масло от насоса 36 сбрасывается на слив.
Давление в магистрали А снижается, и обратный клапан А1
закрывается, отрезая магистраль 28 от насоса 36. Дальнейшее
движение поршня осуществляется под действием потока масла,
поступающего от насоса высокого давления 33. На этой стадии
давление впрыска контролируется регулятором давления 35.
В конце хода червяка, когда заданная доза расплава
впрырнута в форму, срабатывает конечный выключатель 2КВ,
отключающий электромагниты 1Э, 2Э и 4Э. Одновременно-
включается реле времени I выдержки материала по давле-
нием (на рисунке не показано). По окончании времени вы-
держки первое реле времени отключает электромагнит ЗЭ, при
этом золотник 32 смещается влево, отсоединяя магистраль 31
от насоса высокого давления. Одновременно включаются реле-
времени II (на рисунке не показано), определяющее продол-
жительность стадии охлаждения, и электромагниты 5Э и 1Э.
Золотник 30 вновь отсоединяет магистраль А от линии слива,
а золотник 39, перемещаясь 'влево, соединяет магистраль 28
с магистралью 15, по которой масло попадает в гидромотор
10. Скорость вращения червяка, приводимого через редуктор 9,.
регулируется дросселем 17. По мере накопления дозы расплава
червяк смещается вправо, и масло из цилиндра 11 вытесняется?
поршнем 12 через магистраль 18, золотник 39 и регулятор
давления пластикации 38 на слив. В конце хода червяка, когда
заданная доза расплава собралась в передней полости пласти-
катора, регулируемый кулачок 16, перемещаемый по штанге
13, нажимает на конечный выключатель ЗК.В, отключающий
электромагниты 5Э и 1Э. Насос 36 работает на слив через
клапан 29 и золотник 30.
По истечении времени охлаждения реле времени II отклю-
чается и включает электромагниты 1Э и 5Э. Золотники 30 и
39 перемещаются, и масло из магистрали 28 поступает по тру-
бопроводу 26 в поршневую полость цилиндра 25, поршень ко-
торого «перемещается вверх; форма раскрывается. При переме-
щении подвижной плиты влево вместе с ней под действием
установленных на колонках пружин перемещается и передняя
плита 5, жестко соединенная с поршнем 21 цилиндра 19. Это
перемещение продолжается до тех пор, пока поршень 21 не
перекроет отверстия а и б, через которые масло выходит из
цилиндра 19.
В конце хода размыкания подвижная плита действует на
конечный выключатель 4КВ, отключающий электромагниты
1Э и 6Э и включающий реле времени 111 (на рисунке не пока-
зано), определяющее продолжительность паузы между цик-
лами.
Гидроцилиндр 19 предназначен для перемещения передней
плиты в наладочном режиме и управляется с помощью золот-
ника 20 с ручным управлением.
Начальные и конечные моменты каждой стадии цикла за-
даются на таких машинах электрокомандным аппаратом, пред-
ставляющим собой ту или иную разновидность центрального
кулачкового контактора, и конечными электромеханическими
выключателями, срабатывающими при набегании на них ре-
гулируемых упоров или кулачков.
Для достижения высокой точности изготовления отливок
необходимо не только уделять большое внимание поддержанию
температуры расплава и формы. Не меньшее значение имеет
поддержание постоянной температуры масла в системе гидро-
привода. Только в том случае, если температура, а следова-
тельно, и вязкость масла остаются неизменными, удается до-
биться устойчивой работы гидравлических систем в течение
длительного времени. Поэтому гидросистемы современных
литьевых машин оснащают теплообменниками для предвари-
тельного подогрева масла и холодильниками для отвода из-
лишнего тепла. Подогрев масла достигается за счет его цир-
куляции через дросселирующий клапан; замеряющий темпера-
туру масла датчик присоединен к двухпозиционному регуля-
тору, управляющему подачей охлаждающей воды в змеевик
системы охлаждения. Такая система регулирования, несмотря
на простоту, позволяет поддерживать температуру масла с
точностью ±2—3°С.
7.5.2. Числовые системы регулирования расхода
и давления масла в гидроприводе литьевых машин
Числовая система управления. Принципиально новым реше-
нием в области систем управления является создание число-
вых систем регулирования в сочетании с клапанными электро-
Рис. 7.30. Схема числового регулятора скоро-
сти. Пояснения в тексте.
магнитными дистрибуторами. В отличие от традиционных си-
стем, в которых регулирование скорости и давления впрыска
осуществляется вручную, плавной настройкой дросселя и ре-
гулятора давления, числовые регуляторы расхода состоят из
серии регуляторов, причем каждый из них настроен на какое-
то одно значение расхода. Если такая управляющая система
включает в себя п отдельных звеньев, то, соединяя их в раз-
ных последовательностях, можно получить z различных значе-
ний объемного расхода:
г=2п —1 (.7.1)
Так, числовая система регулирования скорости, состоящая
из пяти дискретных регуляторов (рис. 7.30), обеспечивает воз-
можность задания 31 значения объемного расхода. Каждый
регулятор состоит из установленной между напорной магист-
ралью Р и потребляющей магистралью А тарированной диа-
фрагмы 1, управляемого гидравлически клапана 2 и управляю-
щего электромагнитного клапана 3. Постоянный перепад дав-
ления между магистралями поддерживается при помощи зо-
лотникового регулятора давления 4. Отверстия в диафрагмах
подбирают таким образом, чтобы обеспечить следующее соот-
ношение объемных расходов:
Q6 = 2Q4 = 22Q3 = 28Q2 = 24Qj (7.2)
Открывая различные клапаны, можно суммировать расходы,
задаваемые каждой из диафрагм. Очевидно, что максимальный
расход, обеспечиваемый такой числовой системой, превышает
минимальный в 31 раз:
Qm3kc/Qi = 24 + 2® + 22 + 2 4-1 = 31 (7.3)
При этом система управления позволяет реализовать любой
дискретный расход, равный
Q = Q1j, где 31 ^/<1 (7.4)
Рис. 7.31. Схема числового регулятора давле-
ния:
/ — индивидуальный регулятор давления; 2 — управ-
ляющий золотник; 3 — предохранительный клапан.
Числовой дискретный регулятор давления, обеспечивающий
высокую точность поддержания заданного давления, состоит
из нескольких соединенных последовательно золотниковых ре-
гуляторов, каждый из которых настроен на поддержание свое-
го индивидуального значения перепада давлений. В числовой
системе, состоящей из пяти регуляторов давления (рис. 7.31),
каждый индивидуальный регулятор имеет свой электромагнит-
ный управляемый золотник (I—V). Фиксированные перепады
давлений, реализуемые в каждом регуляторе, находятся меж-
ду собой в соотношении
Р1:Р2:Р8:Р4:Р5 = 1:2:22:28;2^ (7.4а>
Соединяя их в различных последовательностях, можно
реализовать 31 вариант давлений в магистрали потребителя Е
по сравнению с давлением в напорной магистрали Р.
Очевидно, что если открыты все регуляторы давления, кро-
ме (первого, то давление в магистрали Е равно Pi, если откры-
ты все, кроме второго, то давление в магистрали Е равно Рг
и т. д. Комбинируя регуляторы в различной последователь-
ности, можно реализовать 31 фиксированное значение давле-
ний. В системах с контролируемой температурой масла регуля-
торы такого типа обеспечивают поддержание заданного дав-
ления с точностью 0,5% при числе переключений до отказа,
равном около 106.
Клапанные дистрибуторы для числовых систем управления.
В последнее время в системах управления литьевых машин
получили распространение управляющие элементы, представ-
ляющие собой конические клапаны, обозначаемые кодом 2/2,
означающим, что каждый элемент может находиться в одном
из двух положений (открыто или закрыто) и, соединять или
разъединять только две магистрали. Применение таких индиви-
дуальных управляющих (логических) элементов позволяет со-
здавать гибкие системы с числовым программным управле-
нием.
Типичный управляющий клапан типа 2/2 (рис. 7.32) состоит
из стакана 2, вставляемого в цилиндрическое гнездо корпуса
1 и удерживаемого в нем крышкой 5. В цилиндрическом от-
верстии стакана располагается клапан 3, прижимаемый пру-
жиной 4 к седлу 6. Герметизация неподвижных и подвижных
соединений достигается при помощи резиновых уплотнитель-
ных колец 7, 8 и 9.
При работе клапана давление жидкости Р3, находящейся
в полости Е, и усилие пружины Fs прижимают его к седлу,
в то время как давление жидкости в магистралях В (Р3) и
A (Pi) стремится открыть клапан. Обозначая результирующую
Рис. 7.32. Управляющий элемент клапанного дистрибутора типа 2/2 (Дь
и Д3 — площади соответствующих сечений). Пояснения в тексте.
силу через X и определяя ее из условий равновесия, получим:
Х=Р1Л1 + Р2Лг-Р8Л8-Р, (7.5)
Если Х<0, то клапан закрыт (см. рис. 7.32); если Х>0, то
клапан открыт. Следовательно, достаточно соединить полость
Е через магистраль Б со сливом, и клапан немедленно откроет-
ся. Напротив, если подать в полость Е избыточное давление,
удовлетворяющее условию Х<0, клапан закроется.
Варьируя отношения площадей Л1 :Л2 и усилие пружины
Fs, можно получить широкую гамму управляющих элементов,
комбинируя которые удается создавать системы управления,
реализующие все необходимые управляющие воздействия.
Принципиальная схема гидропривода машины с числовым
управлением (рис. 7.33) состоит из бака 1, насосов высокого 2
и низкого 3 давления, электродвигателя 4, блока предохрани-
тельных клапанов 5, числового регулятора расхода 7, числового
регулятора давления 11, золотника управления гидроцилинд-
ром механизма смыкания 8, золотника управления гидроци-
линдром перемещения пластикатора 9 и золотника управления
гидроцилиндром осевого перемещения червяка 10.
Гидроцилиндр механизма смыкания 16 соединен с управ-
ляющим золотником через магистрали Л и В, на которых
установлено четыре управляемых двухходовых клапана 12—15.
Если золотник 8 находится в нейтральном положении, то кла-
паны 12—15 закрыты; шток 17 цилиндра смыкания неподви-
Рис. 7.33. Схема гидропривода машины с числовым управлением. Пояснения
в тексте.
жен. Если золотник 8 переместится вправо, подпорная область
клапанов 12 и 14 соединится со сливом. При этом клапаны 12
и 14 открываются. Масло из магистрали D начинает поступать
через магистраль В в надштоковую полость цилиндра 16, и
шток 17 смещается влево, а форма раскрывается. Из надплун-
жерной области масло по магистрали А через клапан 12 сли-
вается в бак. Если золотник 8 сместится влево, клапаны 12 и
14 закроются, а клапаны 13 и 15 откроются. При этом масло
из магистрали D начнет поступать через магистраль А в над-
плунжерную область цилиндра 16, а масло из надштоковой
области через магистраль В и клапан 15 будет сливаться в бак.
При этом шток 17 движется вправо, и форма закрывается.
Золотник 9 управляет перемещением штока 18 гидроцилйнд-
ра 19, связанного с кареткой литьевой головки. Если золотник
переместить влево, шток 18 движется влево, и сопло прижи-
мается к литьевой втулке формы. Если золотник 9 переместить
вправо, шток 18 также переместится вправо, отводя литьевую
головку от формы.
Система управления перемещением поршня 21, соединенно-
го с червяком пластикатора, состоит из золотника 10, регуля-
тора давления 22, двухходового клапана 23 и золотника управ-
ления клапаном 24. На стадии пластикации, когда золотник
10 находится в крайнем правом положении, масло из магист-
рали D поступает по трубопроводу Е в надштоковую полость
цилиндра 20. При этом масло из надплунжерной полости ци-
линдра 20 выдавливается на слив под действием давления рас-
плава через регулятор давления 22, поддерживающий заданное
давление пластикации. Во время впрыска золотник 10 переме-
щается влево. При этом надштоковая полость цилиндра 20 со-
единяется со сливом, а в надплунжерную полость масло по-
ступает через двухходовой клапан 23, управляемый золотником
24.
Привод червяка пластикатора осуществляется гидромото-
ром 25, масло к которому поступает через двухходовой клапан
27, управляемый золотником 26. Регулирование скорости вра-
щения гидромотора, как и регулирование скорости впрыска,
производится с помощью числового регулятора расхода 7. Ре-
гулирование давления впрыска осуществляется при помощи
числового регулятора давления 11. Давление в системе управ-
ления поддерживается аккумулятором 6.
7.6. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЬЕВОЙ МАШИНОЙ
Для нормальной работы литьевой машины система управления
должна поддерживать от цикла к циклу одинаковыми темпе-
ратуру и давление поступающего в форму расплава, а также
обеспечивать одинаковую массу впрыскиваемого в форму ма-
териала. Для этого в систему управления включаются три
основных управляющих блока: шкаф тепловой автоматики,
управляющий температурами нагревателей пластнкатора и
температурой формы; блок управления гидроприводами испол-
нительных механизмов машины, в который входят регуляторы
скорости и давления впрыска, регуляторы дозы впрыска, регу-
ляторы усилия и скорости смыкания; реле-программатор, опре-
деляющее последовательность выполнения и продолжитель-
ность каждой стадии цикла.
В настоящее время различают три основных типа систем-
управления.
Первый тип — электромеханические системы, в которых для
контроля температур используются традиционные приборы теп-
ловой автоматики, программирование литьевого цикла осуще-
ствляется при помощи штифтовых (кулачковых) программато-
ров, а управление каждой стадией цикла — с помощью конеч-
ных выключателей. Регулирование скорости перемещения рабо-
чих органов, частоты вращения червяка пластнкатора, скорости
и давления впрыска, как и усилия смыкания, производится
при помощи настройки традиционной аналоговой гидравличе-
ской аппаратуры (дросселей регуляторов скорости и золотни-
ковых регуляторов давления).
Второй тип — электронные системы с числовым программ-
ным управлением. Системы управления этого типа состоят из
серии бесконтактных электрогидравлических регуляторов, в ко-
торых вместо механических контактов применены транзистор-
ные вентили; копиров и датчиков перемещения червяка пласти-
каТора, настраиваемых дистанционно с клавишных пультов.
В качестве датчиков перемещения могут применяться фотоэле-
менты, шаговые устройства типа зубчатой рейки и аналоговые
датчики типа ползунковых потенциометров.
Скорость и давление впрыска, как и .противодавление плас-
тикации, регулируется с применением систем управления с
обратной связью. Недостатком систем управления без обрат-
ной связи является существование зоны нечувствительности
регуляторов. Допустим, что регулятор срабатывает только в
том случае, если значение регулируемого параметра (давления,
расхода) изменится более чем на 1%. Это означает, что если
управляющий сигнал изменяется менее чем на 1%, то испол-
нительный механизм просто игнорирует это изменение. Совер-
шенно иначе выглядит эта же ситуация в системе с обратной
связью (рис. 7.34).
В такой системе управляющий сигнал (обычно называемый
сигналом разбаланса) определяется в блоке сравнения 5 как
разность между заданным и фактическим значением скорости
(разность между заданным напряжением и фактическим на-
пряжением, поступающим из преобразователя 4). Эта разность
может быть очень мала, поэтому сигнал рассогласования,
прежде чем он подается к регулятору 6, во много раз усили-
вается. Таким образом, клапан реагирует на величину откло-
нения гораздо большую, чем фактическая. Достижимая точ-
Рис. 7.34. Схема пропорционального
регулятора скорости, работающего в
замкнутом контуре управления:
/ — гидроцилиндр осевого перемещения
червяка пластнкатора; 2 — червяк; 3 — дат-
чик перемещения; 4 — преобразователь
сигнала перемещения в сигнал «скорость
впрыска»; 5 — блок сравнения и усилитель
управляющего сигнала; 6 — пропорциональ-
ный регулятор давления.
значения скорости зависит
ность поддержания заданного
прежде всего от собственной частоты управляемой системы и
величины ее коэффициента демпфирования. Собственная часто-
та системы определяется в основном массой передвигающихся
деталей (поршня, штока, червяка и жидкости), площадью
поршня и модулем объемного сжатия гидравлической жидко-
сти. Для увеличения собственной частоты системы нужно све-
сти к минимуму объем жидкости в трубопроводе, соединяющем
регулятор с гидроцилиндром. Поэтому регулятор следует рас-
полагать как можно ближе к гидроцилиндру.
Исследования последних десятилетий показывают, что рав-
нопрочные изделия с гладкой поверхностью удается получать,
если скорость распространения фронта потока в форме во
время ее заполнения сохраняется неизменной. Поскольку на
практике сечение канала, ио которому движется поток, не
остается неизменным, для того чтобы удовлетворить этому
требованию, в систему управления скоростью впрыска встраи-
вается блок программного изменения этого параметра. Управ-
ляющий сигнал поступает от того же датчика перемещения
червяка, который используется для определения скорости
впрыска. Число заданных значений скорости впрыска зависит
от сложности отливки, однако оно не может быть меньше трех
(движение фронта в литьевой втулке, в полости формы в про-
цессе заполнения и в полости формы
ния).
Типичным примером машин такого типа являются литьевые
машины KuASY серии 400/100 (ГДР). Электронно-гидравличе-
ская система управления этих машин обеспечивает:
числовое задание любого из 14 значений скорости
Для каждого из четырех независимых участков хода
Эти значения получают, разделив максимальную
впрыска на четырнадцать интервалов, отличающихся
Друга на. 8 мм/с;
числовое задание давления впрыска может осуществляться
независимо на двух участках хода впрыска. Задаваемое значе-
ние давления впрыска выбирается из 16 возможных значений,
полученных делением максимального давления впрыска на
16 равноотстоящих уровней.
в конце стадии заполне-
впрыска
впрыска,
скорость
друг от
еличинапротиводавления может изменяться от 0,15 до
21 МПа с шагом 0,15 МПа.
Доза впрыска на этих машинах контролируется по смеще-
нию червяка с помощью фотоэлектронного датчика с разре-
шающей способностью по смещению червяка не менее 0,5 мм.
Третий тип — микропроцессорные системы управления.
В состав микропроцессорных систем управления входит чис-
ленно программируемая система управления, два микропроцес-
сора, блок памяти, в котором хранится набор стандартных
программ; устройства для ввода и считывания программ тех-
нологического цикла с носителей информации (магнитных карт,
перфокарт или перфолент); дисплей, на экран которого выво-
дится по требованию вся необходимая информация о рабочих
параметрах процесса; электрическое цифровое печатающее
устройство (ЭЦПУ) для вывода на печать необходимой тех-
нологической информации.
ЭВМ управляет всем циклом литья, осуществляя одновре-
менно три вида функций: контроль всех регулируемых пара-
метров технологического процесса, наблюдение за ходом дан-
ного литьевого цикла, предупреждение оператора о выходе
любого контролируемого параметра процесса за допустимые
пределы или о неправильной работе какого-либо из агрегатов
машины. Как правило, ЭВМ контролирует в процессе работы
более двадцати параметров, включая температуру расплава,
давление, скорость впрыска и ее программное изменение, дозу
впрыска, температуру формы, усилие смыкания, длительность
и заданную последовательность каждой стадии литьевого
цикла.
Типичная современная микропроцессорная система управ-
ления состоит из двух восьмибитных микропроцессоров, блока
твердой памяти, кассетного магнитофона, блока внешней па-
мяти на магнитной ленте. Для диалога оператор— машина
служит пульт оператора (рис. 7.35), на котором обычно рас-
положен дисплей 1 черно-белый или цветной, 20-колонная пе-
чать (ЭЦПУ) 3, клавишный пульт 2 и мнемосхема 4, состоя-
щая из изображения машины 4 и сигнальных ламп 5, опреде-
ляющих текущее положение отдельных механизмов. Задание
необходимой последовательности стадий цикла и продолжи-
тельности каждой из них осуществляется с пульта оператора,
Для этого на клавиатуре управления имеется 18 клавиш А,
на каждой из которых изображен символ соответствующего
механизма и указан его адрес. Фактическое значение вводимо-
го параметра набирается на числовой клавиатуре В. Дополни-
тельные клавиши служат для переключения пульта с режима
набора последовательности и продолжительности стадий цикла
на режим ввода значений технологических параметров (темпе-
ратур по зонам, дозы впрыска, скорости впрыска, давления и
скорости впрыска). Система регулирования температур обыч-
но обеспечивает поддержание заданной температуры в интер-
Рис. 7.35. Типичный вид пульта оператора литьевой машины с микропроцес-
сорным управлением. Пояснения в тексте.
вале 40—500°C с точностью ±0,5°С. При этом, если величина
рассогласования между фактическим и заданным значением
температуры превышает 5 °C, система управления работает как
двухпозиционный регулятор. При меньшей разнице температур
система регулирования работает как пропорциональный регу-
лятор с интегральным и дифференциальным звеном.
Программный регулятор стадий цикла позволяет незави-
симо задействовать до 128 команд-положений и обычно содер-
жит не менее 16 независимых счетчиков и 8 таймеров (реле
времени).
Управление технологическим циклом осуществляется по
одной из трех программ.
По заданному давлению в полости формы.
Работая по этой программе, ЭВМ контролирует скорость
впрыска, ведя процесс заполнения по заданной технологиче-
ской карте, и прекращает заполнение в тот момент, когда дав-
ление в форме достигает заданного значения. С этого момента
последовательно включаются программы «выдержка под дав-
лением», «продолжительность охлаждения» и т. д.
Самонастраивающаяся (адаптивная) система коррекции
дозы впрыска автоматически вводит поправку в заданное зна-
чение дозы по положению плунжера цилиндра впрыска в мо-
мент достижения максимального давления.
Разновидностью самонастраивающейся системы, ведущей
процесс по заданному давлению впрыска, является разрабо-
танная в 1973 г. фирмой «Тошиба» (Япония) система «Инжект-
мастер». Особенность этой системы состоит в отсутствии дат-
чика давления. Вместо него в качестве индикатора давления
используется деформация колонн механизма смыкания, опре-
деляемая по величине хода раскрытия формы, замеряемой с
Рис. 7.36. Принцип работы системы «Инжектмастер»:
а — зависимость массы отливки от величины раскрытия формы при литье шкатулки из
поликарбоната; б — работа самонастраивающейся системы, выводящей машину в опти-
мальный режим.
помощью специального индуктивного датчика перемещения,
устанавливаемого на неподвижной плите механизма смыка-
ния.
При использовании системы «Инжектмастер» усилие смы-
кания подбирается таким образом, чтобы в конце стадии за-
полнения, когда давление в форме достигает максимального
значения, форма слегка приоткрывалась, а затем по мере
снижения давления, вызванного процессом термической усадки,
вновь закрывалась. Величина хода раскрытия оказывается
при этом очень чувствительным индикатором фактического дав-
ления в форме, которое однозначно связано с массой отливки
(рис. 7.36). На рис. 7.36,а можно выделить три области. Об-
ласть А, которой соответствует величина раскрытия 0—0,03 мм.
Отлитые в этом режиме изделия оформлены не полностью.
На их поверхности имеются утяжины в районе впуска. Масса
этих бракованных изделий составляет от 103,85 до 106,60 г.
Дальнейшее увеличение давления впрыска, проявляющееся в
увеличении раскрытия формы до 0,05 мм (область В), сопро-
вождается увеличением массы изделий до 107,30 г. Изделия с
такой массой полностью оформлены, глубина утяжин посте-
пенно уменьшается до полного исчезновения у отливок массой
107,52 г (область С).
Самонастраивающая система управления «Инжектмастер»
обеспечивает автоматический вывод машины на режим формо-
вания отливок с оптимальной массой (рис. 7.36,6) следующим
образом. Величина раскрытия формы, определенная экспери-
ментальным (или расчетным) методом, задается на пульте
«Инжектмастера». Если начальная установка дозы оказывает-
ся несколько заниженной, то первые 10 изделий получаются с
недоливом, но одновременно регулятор дает команду на по-
стоянное увеличение дозы с шагом, вначале равным 0,5 г. За-
тем по мере увеличения раскрытия формы шаг увеличения
объема отливки уменьшается до 0,02 г за цикл и на 20-м цикле
машина выходит на оптимальный режим, в котором отливают-
ся изделия только хорошего качества.
По заданной величине дозы впрыска, опре-
деляемой ходом плунжера гидроцйлиндра впрыска. Этот ме-
тод применяют в том случае, если форма не имеет датчиков
давления расплава. При работе по этой программе скорость
впрыска контролируется на протяжении всей стадии заполне-
ния. По достижении плунжером цилиндра впрыска крайнего
переднего положения впрыск прекращается и включается про-
грамма выдержки под давлением.
По заданной величине максимального
давления в гидросистеме цилиндра впрыска,
момент достижения которого определяется при помощи датчика
давления, установленного в гидросистеме. При этом обязатель-
но контролируется скорость впрыска, так как в противном
случае из-за очень высокой скорости заданное давление может
быть достигнуто до заполнения формы.
Система сбора экономических данных позволяет автомати-
чески регистрировать время простоев и учитывать ряд других
затрат на эксплуатацию литьевой машины. Применяемая си-
стема регистрации потерь времени позволяет дифференциро-
вать их по следующим категориям: потери на пересменку, на
наладку, на планово-предупредительный ремонт, потери из-за
отсутствия оператора, потери, связанные с заменой форм, с от-
сутствием сырья. Система самодиагностики обеспечивает ав-
томатическое и своевременное выявление узлов и агрегатов,
которые утратили большую часть своего эксплуатационного
ресурса и дальнейшая эксплуатация которых может привести
к изготовлению некачественных изделий.
Наличие устройств для ввода программ на магнитных
лентах позволяет при замене формы существенно упростить
переход с одного технологического режима на другой, по-
скольку изменение всех технологических параметров может
осуществляться самим процессором после ввода в него новой
программы.
Применение адаптивных систем управления существенно
уменьшает продолжительность пускового периода, позволяя
одновременно в два — т.ри раза сократить число полученных на
этой стадии некондиционных изделий.
7.7. ЛИТЬЕВЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ОТЛИВКИ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ДВУХ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Формование изделий, состоящих из двух различных мате-
риалов (например, вспененная сердцевина и сплошной наруж-
ный слой) или из материалов разного цвета, производят на
Машинах специальной конструкции (рис. 7.37), снабженных
двумя независимыми пластикаторами 1 и 5. Расплав из каждо-
го пластикатора поступает к литьевому соплу 2, в котором
Рис. 7.37. Пластикатор литьевой машины для формования
различных материалов.
изделия из двух
установлен двухходовой кран 4, попеременно соединяющий
центральное отверстие сопла череа каналы а или б с одним из
двух пластикаторов. При работе литьевой машины в каждый
из пластикаторов загружается свой полимер (отличающийся
от другого цветом или маркой). Во время пластикации червя-
ки в обоих цилиндрах отходят назад в положение, соответ-
ствующее пластикации нужной дозы соответствующего поли-
мера. Вначале к пластикатору подходит форма, в которой
формируется сердцевина изделия. Затем отформованная за-
готовка переносится во вторую форму, которая перемещается
к литьевой втулке 3. Кран 4 поворачивается поршнем гидро-
цилиндра 6, и в форму нагнетается расплав из второго пласти-
катора. В некоторых случаях двухцветные изделия изготавли-
вают на специальных карусельных или револьверных многопо-
зиционных автоматах с пятью или восемью формами.
7.8. ЛИТЬЕВЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ РЕАКТОПЛАСТОВ
Машины для литья реактопластов отличаются конструкцией
червяка, системы обогрева пластикационного цилиндра и кон-
струкцией литьевого сопла. Их обычно создают на базе машин
для литья термопластов с заменой цилиндра пластнкатора и
червяка. Для более точного поддержания температурного ре-
жима по зонам пластнкатора часто применяют жидкостный
обогрев, создающий более мягкий режим.
У червяков, применяемых для пластикации реактопластов,
обычно LID=ib—16. Они имеют винтовой канал с постоянной
или даже увеличивающейся глубиной (/12/^1= 14-0,8), причем
Л1= (0,14-0,13)7). Это связано с тем, что у червяков с таким
профилем сердечника меньшая часть механической работы пе-
реходит в тепло вязкого трения, что обеспечивает поддержание
заданного температурного режима за счет управления потоком
тепла, поступающего от обогреваемых тепловых зон.
Как правило, червяки снабжают коническими наконечника-
ми, на которых выполнена винтовая нарезка (см. рис. 7.13,6)
или имеются острые скребки (см. рис. 7.13, г). Угол при вер-
шине конуса наконечника соответствует внутреннему профилю
входа в сопло и обычно составляет 40—60°. Недостатком на-
конечника со скребками является необходимость периодическо-
го удаления собирающегося между ножами соскребаемого со
стенок материала, не удаляющегося из цилиндра при впрыске.
Наконечник с винтовой нарезкой при вращении червяка
отбрасывает находящийся у стенок полимер обратно к винто-
вому каналу червяка, благодаря чему предотвращаются скоп-
ление материала на входе в сопло и его пригорание к стен-
кам.
Применяют литьевые сопла открытого типа с диаметром
выходного отверстия не менее 3 мм. Внутренняя поверхность
сопла тщательно шлифуется и полируется, так как наличие
даже неглубоких царапин приводит к прилипанию и отверж-
дению в них реактопласта.
Поскольку мощность, потребляемая червяком при пласти-
кации реактопластов, меньше, чем при пластикации термо-
пластов, привод червяка при замене пластикатора остается не-
изменным. Для лучшей проработки материала и удаления из
расплава захватываемого полимером воздуха противодавление
на червяк несколько увеличивают по сравнению с используе-
мым при переработке термопластов, поддерживая его на уров-
не 1—15 МПа.
Для отверждения отливок температуру формы устанавли-
вают 160—210 °C. Обогрев может осуществляться как электри-
ческими нагревателями сопротивления (трубчатого или пла-
стинчатого типа), так и жидким теплоносителем, подаваемым
от специальной тепловой станции. Особое внимание следует
уделять точности поддержания температуры формы. Цикл ра-
боты машины для литья реактопластов состоит из тех же от-
дельных стадий, что и при литье термопластов. В отличие от
термопластов при литье реактопластов используют режим, при
котором после заполнения формы для удаления летучих из нее
усилие смыкания и давление впрыска уменьшают практически
До нуля. Затем, после выдержки 2—5 с, усилие смыкания и
давление впрыска вновь увеличивают до номинальных значе-
ний.
Во избежание перегрева материала в цилиндре и литьевом
сопле необходимо отводить червяк от горячего сопла сразу
же после окончания выдержки под давлением и выбирать мо-
мент начала стадии пластикации таким образом, чтобы под-
готовка очередной порции материала заканчивалась непосред-
ственно перед началом следующего впрыска.
7.9. РАСЧЕТЫ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛИТЬЕВОГО ЦИКЛА
Количественный анализ литьевого цикла состоит из следую-
щих этапов: а) определение параметров процесса пластикации
(противодавление, температура, продолжительность тп); б) рас-
чет продолжительности стадии заполнения (тв); в) определе-
ние продолжительности стадий выдержки под давлением (тд)
и на охлаждение (t<J.
Полное время цикла определяется из выражения
т = тв + тд + -го + -1р + -гу + -гэ (7.6)
где ip, Ту и т3 — значения времени раскрытия формы, удаления изделия и за-
крытия формы соответственно.
Все эти параметры определяются конструкцией машины.
Продолжительность стадии пластикации, определяющая фак-
тическую производительность, должна удовлетворять условию
Тп То -|- Тр -|- Ту ф- т3 (7.7)
7.9.1. Продолжительность стадии охлаждения
Время, необходимое для охлаждения изделия до температуры,
при которой его можно удалить из формы, оказывает домини-
рующее влияние на общую продолжительность цикла и, следо-
вательно, на фактическую производительность литьевой ма-
шины.
Охлаждение находящегося в форме изделия происходит в
основном за счет теплопроводности. Поэтому при теоретическом
анализе процесса охлаждения реальных изделий следует ис-
пользовать результаты, полученные в террии нестационарных
тепловых процессов. В настоящее время получено достаточно
большое число решений одномерных уравнений теплопровод-
ности для тел различной геометрической формы.
В качестве примера можно рассмотреть задачу об охлаждении тонкой
пластины (рис. 7.38).
Принимая, что температура на поверхности изделия немедленно становит-
ся равной температуре стенки формы, можно воспользоваться для анализа про-
цесса охлаждения тонкой пластины решением Карлсоу и Егера, полученным
для граничных условий третьего ряда (заданы температура и коэффициент
теплоотдачи на поверхности контакта).
Для случая, когда в начальный момент температура пластины Тв во всех
точках одинакова, а коэффициент теплоотдачи очень велик (это эквивалентно
Рис. 7.39. Номограмма зависимости безразмерной температуры 6 от критерия
Фурье Fo:
/ — центр шара; 2 — цилиндр (Z = D); 3 — куб; 4— цилиндр (L = oo); 5 — стержень квад-
ратного сечения 6 — середина бесконечной пластины.
заданию постоянной температуры на стенке), решение имеет вид
0 = Ф(1/2Ро1/2) = Ф(х/21/й) (7.8)
Здесь 0 — безразмерная температура, равная
То-7^
0 = -=-— (7.8а)
/ о / w
где Tw — температура стенки формы (см. рис. 7.38).
Критерий Фурье Fo равен Fo=at/x2 (где а — коэффициент температуро-
проводности) . Функция ошибок Ф (х) равна
Ф(х)=ег1х (7.9)
где
О Оу / у2 у 4' уб \
erf*=+ — (7-9а)
О
Средняя температура в пластине в момент времени t равна
8 1 Г й(2п + 1)2эт2/1 „
6== л2 S 2«4-1 еХр “ 4/2 (7Д0)
п=0
где I — полутолщина пластины.
Для прикидочных расчетов удобно пользоваться номограммой зависимо-
сти 0 от Fo (рис. 7.39).
Использование этого решения и приведенной на рис. 7.39 номограммы
состоит в следующем.
1. Определив на основании результатов лабораторных испытаний темпе-
ратуру теплостойкости, рассчитывают по формуле (7.8а) безразмерную темпе-
ратуру в центре пластины (х=0).
2. По номограмме (см. рис. 7.39) определяют безразмерное время (при-
нимают, что а=оо).
3. Подставляя значение коэффициента температуропроводности а и полу-
толщины стенки I, определяют фактическое время охлаждения:
t=l2Fo/a (7.11)
Наибольшее время необходимо для охлаждения наиболее
массивных мест изделия. Номограммы, описывающие зависи-
мость безразмерной температуры от критерия Фурье (безраз-
мерное время на оси бесконечного цилиндра и в центре шара),
также приведены на рис. 7.39.
Расчет продолжительности охлаждения реального изделия
сводится, таким образом, к расчленению изделия на ряд про-
стых по геометрической форме частей и определению продол-
жительности охлаждения каждой из этих частей в отдельности.
При этом следует стремиться к тому, чтобы разница между
минимальным и максимальным значением времени охлажде-
ния различных частей детали не была слишком велика.
Для приближенной оценки продолжительности охлаждения
можно воспользоваться упрощенной зависимостью:
т0 = 0,08 (Р/а) 1g (0,7856) (7.12)
При использовании любого из описанных методов расчета
нужно иметь в виду, что теплопроводность материала зависит
от температуры. Поэтому при расчетах следует использовать
ее среднее значение, определенное для интервала температура
впрыска -— теплостойкость.
7.9.2. Продолжительность стадии выдержки под давлением
Продолжительность выдержки под давлением определяется
временем, в течение которого температура расплава во впу-
скном канале снижается до температуры плавления. Очевидно,
что простейший способ определения этого времени состоит в-
использовании номограммы, приведенной на рис. 7.39 (кри-
вая 2).
7.9.3. Параметры режима пластикации
Литьевая машина с червячным пластикатором во многом по-
добна обычному одночервячному экструдеру. Поэтому матема-
тическое описание стадии пластикации, во время которой чер-
вяк пластикатора нагнетает в переднюю полость очередную
порцию материала, аналогично описанию процесса экструзии.
Используя математическую модель экструзии для описания
процесса пластикации, следует иметь в виду, что по окончании
стадии впрыска часть червяка в пределах зоны питания
AL» (0,14-4)7) оказывается не заполненной полимером. Поэто-
му в начале стадии пластикации в червяке одновременно про-
текают два процесса. Продолжается пластикация материала,
оставшегося в винтовом канале от предыдущего цикла.
При этом конец заполненного участка червяка смещается к
выходу из червяка по мере выдавливания пластицированного
расплава. Одновременно по начальному участку зоны питания
ускоренно перемещается фронт пробки гранулята, который до-
гоняет смещающийся к выходу конец предыдущей порции.
Только после того как новая порция гранулята, засранная
червяком из бункера, сомкнется с концом предыдущей, меха-
низм работы пластнкатора становится полностью подобен ра-
боте червяка обычного пластицирующего экструдера. Един-
ственное отличие заключается в том, что пластицируемый ма-
териал собирается перед концом червяка, вызывая его смеще-
ние назад. Поэтому эффективная длина червяка в процессе
этой стадии цикла не остается постоянной, а изменяется. По-
скольку снижение эффективной длины приводит к уменьшению
температурной однородности расплава, смещение обычно огра-
ничивается величиной (0,14-4)£>.
Разогрев расплава и степень гемогенизации в значительной
мере зависят от противодавления, которое задается в гидроци-
линдре осевого перемещения. Его следует выбирать таким об?
разом, чтобы давление расплава на выходе из червяка во вре-
мя пластикации не превышало 35 МПа. Рекомендованные
значения давления и температуры пластикации для ряда тер-
мопластов приведены ниже:
Материал Давление, МПа Температура, К
Полистирол 7,0—18,0 491—505
Полипропилен 20,0—30,0 505—519
ЛВС-пластик 3,5—7,0 477—505
Полиэтилен 20,0—25,0 505—519
Полиамид 3,5 539—550
Эти данные получены при экспериментах с червяком диа-
метром 63 мм. Опыт показал, что эти давления и температу-
ры можно рекомендовать и для червяков большего размера
Температура загрузочной зоны должна поддерживаться на 28—
56 К ниже приведенных значений
Частота вращения червяка выбирается в зависимости от
типа перерабатываемого материала. Для машины с диаметром
червяка 63 мм рабочий диапазон частот вращения может со-
ставлять от 20 до 180 об/мин. Нижний предел (рекомендуется
применять при переработке термочувствительных материалов
(например, поливинилхлорида), а верхний — для переработки
полиэтилена, полиамида и АВС-пластика.
Поскольку разогрев материала осуществляется преимуще-
ственно за счет работы вязкого трения, можно определить про-
изводительность и пластицирующнй эффект (разогрев материа-
ла) в червячном пластикаторе, если воспользоваться уравне-
нием политропического режима экструзии.
Допустим для простоты, что расплав обладает свойствами
ньютоновской жидкости, и применим математическую' модель
политропической экструзии ньютоновской жидкости.
Для дальнейшего упрощения анализа используем модифи-
цированное уравнение политропической экструзии:
Q = aN — f>Al\iN^P/(cpQ^T) (7,13)
где а и р определяются выражениями (5.68) и (5.69); А и Ki определяются
выражениями (5.80) и (5.84); ДР и АГ — приращения давления и температуры
расплава, достигаемые в зоне дозирования; Q — объемный расход.
Особенность этого уравнения состоит в том, что оно в явной
форме связывает все основные параметры процесса пластика-
ции. Воспользуемся уравнениями (5.87) и (5.88) для того,
чтобы исключить из правой части Q и ДГ. После несложных
алгебраических преобразований получим уравнение для расче-
та характеристик пластикатора:
РРПЛ a In Р In 7?
ОНо ~ MNL ~~ R— 1 (/14)
где Рил — давление пластикации; M=KlvKLA/(ficP)-
Уравнение (7.14) позволяет выбрать все основные парамет-
ры рабочего режима. Если задана температура на выходе из
червяка, то, определив величину 7? и задавшись противодавле-
нием, можно рассчитать значение N. Напротив, зная частоту
вращения червяка, можно подобрать противодавление, которое
обеспечит заданную величину разогрева. Остановимся несколь-
ко подробнее на анализе уравнения (7.14), представив его для
этой цели графически (рис. 7.40) в координатах Pnn/Q=f(N-1).
Каждому значению R, характеризующему величину разогрева,
соответствует своя прямая. С ростом разогрева, определяемым
значением In/?, эти прямые располагаются все более и более
круто, поскольку при этом возрастает угловой коэффициент
прямых, равный aln/?/(ML). Одновременно смещается влево
и точка пересечения прямой с осью абсцисс, так как ее значе-
ние определяется выражением
N~* = ML/[a (7? — 1)] (7.14а)
Чтобы получить рабочие характеристики пластикатора, не-
обходимо установить зависимость между производительностью,
частотой вращения и противодавлением. Производительность
при фиксированном значении частоты вращения червяка можно
определить из формулы (5.83).
Противодавление рассчитывается по зависимости Pnn=f(^?)w
с использованием данных, представленных на рис. 7.40. Расчет
выполняется следующим образом.
1. Выбирается ряд фиксированных частот вращения чер-
вяка.
2. При соответствующих значениях аргумента 1/7V по номо-
грамме на рис. 7.40 определяется значение Рпл/Q, соответствую-
щее разным значениям /?.
3. По формуле (5.83) рассчитывается производительность
при каждом значении /?. Для каждого Q рассчитывается вели-
чина противодавления Pn3i=Q(P^/Q). Затем строится график
Рис. 7.40. Типичные графики зависимости Рпл/Q—f(W-1), рассчитанные для
червячного пластнкатора литьевой машины Д 3130-125 (материал — поли-
амид 68). Числа на кривых — температура расплава, К.
Рис. 7.41. Внешние характеристики червячного пластнкатора литьевой машины
Д 3130-125 (материал — полиамид 68); частота вращения червяка:
1—25 об/мин; 2 — 50; 3 — 80; 4—100 об/мин.
Числа у пунктирных кривых — температура расплава.
Q(Pnn) (рис. 7.41). Построенная таким образом характеристи-
ка пластикатора имеет вид кривой с максимумом, соответ-
ствующим некоторому максимальному противодавлению. Каж-
дой точке этой кривой (при фиксированном N) соответствует
свое значение приращения температуры. Если нанести на гра-
фик серию кривых, построенных для различных значений ча-
стоты вращения, а затем соединить между собой точки с оди-
наковым значением R (пунктирные кривые на рис. 7.41), то
получится сетка изотерм. Каждая такая изотерма позволяет
определить всю гамму параметров режима (Q, РПц и N), обес-
печивающих разогрев расплава до заданной температуры (при
фиксированных значениях температур корпуса).
Располагая этими двумя номограммами, очень просто вы-
брать основные параметры режима пластикации (Рпц и N).
Для этого сначала по выбранной из соображений усадки и
формуемости температуре впрыска рассчитывается приращение
температуры АТ (за АТ принимается разность между темпера-
турой впрыска и температурой плавления Tg). Затем по вели-
чине объема впрыска w и продолжительности стадии пластика-
ции рассчитывается объемная производительность пластикато-
ра <2=№7тпл- По номограмме рабочих характеристик опреде-
ляется необходимое противодавление. Для этого через точку
оси ординат с нужным значением Q проводится прямая, парал-
лельная оси абсцисс, до пересечения с соответствующей изо-
термой. Абсцисса точки пересечения и определяет значение
противодавления. Затем рассчитывается величина параметра
•Рпл/Q и по номограмме на рис. 7.40 определяется частота вра-
щения червяка. Выбранный таким образом режим обеспечи-
вает непрерывную пластикацию материала в течение всего воз-
можного времени. При этом снижается до минимума продол-
жительность пребывания материала в состоянии покоя в каме-
ре пластикатора, во время которого в результате теплообмена
между корпусом и расплавом может возникнуть дополнитель-
ная неоднородность температур расплава.
При выборе рабочего режима следует иметь в виду, что
начальная область кривой (от точки нулевого противодавле-
ния до точки Рпл макс) — это область устойчивых рабочих ре-
жимов. Если технологические параметры процесса выбраны
так, что его рабочая точка лежит на этом участке, то всякие
случайные отклонения в свойствах материала при параметрах
процесса (Рпл, N) будут автоматически вызывать соответствен-
ное изменение параметров, режимат направленное на его ста-
билизацию.
Допустим, что в результате флуктуации свойств сырья в
червяк попала порция материала с повышенной вязкостью.
При этом температура расплава несколько повысилась. Сле-
дующая порция расплава, чтобы разогреться до этой же тем-
пературы, должна поступить под более высоким давлением и
при меньшей производительности. Поскольку значение проти-
водавления зафиксировано настройкой регулятора давления,
такое повышение давления практически невозможно. Следова-
тельно, .разогрев расплава автоматически уменьшается. На-
против, при уменьшении температуры производительность по-
высится, но одновременно должно будет снизиться давление.
Регулятор подаст в гидроцилиндр осевого перемещения червя-
ка дополнительную порцию масла, и червяк сместится вперед,
компенсируя таким образом увеличение производительности.
Участок характеристики, расположенный между Q(Pmskc)
и Q=0,— область неустойчивых .рабочих режимов. Если рабо-
чая точка выбрана в этой области, то всякая флуктуация в
свойствах будет приводить к самопроизвольному нарушению
режима.
Рассмотрим случай перегрева расплава, который в этой
области сопровождается уменьшением производительности и
падением давления. Поскольку регулятор настроен на более
высокое давление, снижение давления вызывает подачу масла
в цилиндр осевого перемещения, и червяк начинает смещаться
вперед, вызывая обратное течение .расплава и дополнительное
уменьшение производительности. Такое смещение будет сопро-
вождаться дальнейшим перегревом расплава и может в резуль-
тате привести к термическому разложению полимера. Поэтому
рабочую точку следует выбирать только в области устойчивых
режимов.
7.9.4. Расчет системы охлаждения
Для отвода тепла, выделяющегося при охлаждении отформо-
ванного изделия, литьевые формы, как правило, снабжают си-
стемой жидкостного охлаждения. В простейшем случае в теле
формы сверлятся каналы, по которым циркулирует охлаждаю-
щая вода. В тех случаях, когда надо обеспечить интенсивное
охлаждение какого-либо участка формы (например, области
расположения литника), применяются коаксиальные каналы,
каналы и плоскости с отражателями и перегородками, позво-
ляющими подвести воду с самой низкой температурой к тому
месту формы, где требуется наиболее интенсивный теплоотвод.
Поперечное сечение каналов следует выбирать таким, чтобы
не происходило резких изменений скорости течения охлаж-
дающей воды, вызывающих неравномерное охлаждение формы.
Мощность системы охлаждения должна обеспечивать надеж-
ный отвод всего тепла, выделяющегося в процессе охлаждения
изделия.
г Если задана минимальная продолжительность цикла, то
средняя интенсивность теплосъема при охлаждении опреде-
ляется из выражения
? = ОиДг/т0 (7.15)
где Си — суммарная масса всех изделий и литников, формуемых за один цикл;
At— изменение теплосодержания пластмассы при охлаждении от температуры
впрыска до температуры теплостойкости; то — продолжительность стадии
«охлаждения.
Мощность системы охлаждения — это количество тепла,
отводимое в единицу времени. Для циркуляционной системы
охлаждения интенсивность теплосъема определяется зависи-
мостью
д = а'8(Тф—Тв) (7.16)
где а' — коэффициент теплоотдачи от стенки канала к текущей воде; S —
площадь поверхности охлаждающих каналов формы; T$— температура формы;
Тв — средняя температура воды в охлаждающих каналах формы.
Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости течения
воды и определяется через критерий Нуссельта Nu:
а' = Nu 1/d (7.17)
& — теплопроводность воды; d — диаметр охлаждающего канала.
С другой стороны, интенсивность теплосъема определяется
изменением теплосодержания охлаждающей воды:
<7 = СБ(Ге-Гг) (7.18)
где GB — массовый расход воды в секунду; Те — температура воды на выходе
из формы; Т, — температура воды на входе в форму.
Если известна минимальная температура охлаждающей
воды, то, определив по формуле (7.15) необходимую среднюю
интенсивность теплоотвода, можно рассчитать систему охлаж-
дения, определив расход воды, обеспечивающий нужное значе-
ние теплосъема.
I
7.10. МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИТЬЕВЫЕ МАШИНЫ
Многопозиционные литьевые машины отличаются наличием
нескольких параллельно расположенных позиций впрыска и
смыкания форм. Это позволяет в несколько раз увеличить
производительность единичного агрегата.
Многопозиционные литьевые машины подразделяются на
револьверные, револьверно-роторные и роторные. Револьверные
машины имеют одну позицию впрыска и несколько позиций
смыкания форм, расположенных по окружности поворотного
стола. Роторные машины содержат одинаковое число позиций
впрыска и смыкания форм. Револьверно-роторные машины
имеют число позиций впрыска меньше числа позиций смы-
кания. Различие в соотношении числа позиций впрыска и смы-
кания приводит к различию и в кинематике движения. Так,
роторные машины обычно оборудованы непрерывно вращаю-
щимся ротором или столом с формами, в то время как столы
(или барабаны) револьверных или роторно-револьверных ма-
шин имеют периодическое вращение (каждый раз ротор или
стол поворачивается на определенный угол).
На практике благодаря простоте конструкции и технологи-
ческой универсальности наибольшее распространение получили
роторно-револьверные машины. Вначале эти машины приме-
няли в основном для литья толстостенных изделий с длитель-
ным временем охлаждения в форме. Применение многопози-
ционного ротора с несколькими формами позволило существен-
но повысить производительность машины.
В настоящее время роторно-револьверные машины исполь-
зуют для отливки двух- или трехцветных изделий. Для этой
цели такие машины оснащают соответственно двумя или тремя
червячными литьевыми устройствами, которые последователь-
но впрыскивают материал разных цветов в каждую форму.
Типичная горизонтальная револьверная машина для литья
под давлением (рис. 7.42) состоит из станины 19, на которой
смонтированы червячная литьевая головка (I) и ротор с фор-
мами (II).
Пластикатор состоит из обогреваемого цилиндра 12 с чер-
вяком 14 и нагревателями 13, сгруппированными в несколько
(три или четыре) тепловых зон. Материал подается через бун-
кер 15. Вращение червяка осуществляется от гидродвигателя
17 через понижающий редуктор 16, а поступательное движе-
ние— от поршня гидроцилиндра 18. На оси 7 установлен ше-
стипозиционный поворотный револьверный ротор II. Для пово-
рота ротора служит храповой механизм' 3. Подвижные полу-
формы 6 крепятся к штокам 4 гидроцилиндров двойного дей-
Рис. 7.42. Горизонтальная револьверная машина для литья под давлением. Пояснения в тексте.
ствия 5, а неподвижные полуформы 18 закреплены на столе 9.
Гидроцилиндры 5 предназначены только для запирания и рас-
крытия формы. На позиции впрыска форма удерживается в
закрытом положении поршнем 2 гидроцилиндра 1. Гидропри-
вод состоит из двух насосов 20 и маслобака 21.
Поступающий из бункера 15 материал захватывается чер-
вяком и транспортируется, одновременно пластицируясь, в
переднюю полость пластикатора. Одновременно находящаяся
на позиции впрыска форма прочно замыкается поршнем 2 и
прижимается к литьевому соплу. При этом открывается клапан
сопла, и червяк, перемещаясь вперед, впрыскивает в форму
порцию расплава, формуя изделие 22. После заполнения форма
удерживается в течение времени выдержки под давлением
прижатой к соплу. Затем запирающий поршень отходит, и ме-
ханизм запирания под действием возвратных пружин возвра-
щается в исходное положение. После этого револьверный ба-
рабан поворачивается, перемещая форму в следующую пози-
цию, на которой игла 10, приводимая в действие гидроцилинд-
ром 11, удаляет литник из литьевой втулки. На следующих
позициях формы раскрываются, готовые изделия свинчиваются
с пуансонов (при изготовлении резьбовых изделий) и по течке
23 сбрасываются в приемную тару.
Револьверные машины такой конструкции, выпускаемые
фирмой «Нотхельфер» (ФРГ) четырех типоразмеров, предна-
значены для выпуска тонкостенных стаканов и тары с массой
одного изделия от 5 до 75 г.
7.11. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА ЛИТЬЕВЫХ
МАШИНАХ
При работе на литьевых машинах одним из главных вредных
факторов, угрожающих здоровью рабочих, является выделение
различных газообразных продуктов термодеструкции полиме-
ров и остаточных мономеров из расплава при его пластикации
и впрыске в форму. К числу токсичных газообразных продук-
тов, на содержание которых в воздухе рабочих помещений
устанавливаются ограничения — предельно допустимые кон-
центрации (ПДК), относятся прежде всего стирол, этилен,
нитрил акриловой кислоты и другие вещества (в зависимости
от вида перерабатываемой пластмассы).
Кроме выделения токсичных летучих веществ и избыточного
тепла в литьевых цехах при загрузке бункеров машин обра-
зуется много пыли. Основным мероприятием по обеспечению
нормальных условий труда в литьевых цехах является установ-
ка приточно-вытяжной вентиляции. Приточная вентиляция вы-
полняется в виде общеобменной, а вытяжная — в виде местных
отсосов, расположенных над местами выделения токсичных ве-
ществ. Вытяжные зонты необходимо располагать таким обра-
зом, чтобы они не мешали нормальному обслуживанию машин
и отсасываемый воздух перемещался от рабочего к всасываю-
щему зонту. Особое внимание следует уделять тому, чтобы
поток воздуха со следами токсичных газов не проходил мимо
рабочего в зоне его дыхания.
Источником травматизма при работе на литьевых машинах
могут служить: незащищенные кожухами нагреватели, брызги
расплавленного материала, выбрасываемые в окружающую
среду вследствие недостаточно плотного крепления формы или
при ее перекосе. К таким же последствиям может приводить
неплотное примыкание литьевого сопла к литниковой втулке
пресс-формы. Другой причиной разбрызгивания расплава мо-
жет быть отсутствие регуляторов температуры (или их непра-
вильная работа) в отдельных зонах обогрева, приводящее к
перегреву и термодеструкции перерабатываемого материала.
Для предотвращения ожогов рабочих брызгами расплава
все литьевые машины снабжают специальными передвижными
защитными экранами, ограждающими опасную зону. При
впрыске расплава в форму экран располагается перед ней, а
по окончании цикла литья, в момент открытия формы он сме-
щается в сторону, открывая доступ к полости формы.
Во избежание возможного травмирования рабочего смы-
кающимися частями формы рабочее пространство механизма
смыкания должно быть защищено подвижными ограждениями,
имеющими систему трех независимых блокировок, обеспечи-
вающих мгновенный останов механизма смыкания при попыт-
ке смещения ограждения на работающей машине.
Ввод новых литьевых машин в эксплуатацию разрешен
только .после окончания всех монтажных и наладочных работ,
удостоверенного актами ревизии систем электрооборудования,
КИП, гидропривода, систем управления, а также протоколами
о завершении работ по монтажу и наладке машины.
Перед первым пуском машины необходимо тщательно очи-
стить пластикатор и форму от консервационной смазки. Каж-
дому пуску машины должна предшествовать проверка исправ-
ности электрических цепей, заземления, систем блокировки, а
также наличия масла в гидросистеме (обычно проверяется по
указателю уровня). Затем контролируется тщательность креп-
ления полуформ к плитам механизма смыкания. Для этой цели
медным молотком постукивают по болтам и шпилькам креп-
ления. При исправном креплении раздается чистый металли-
ческий звон без какого-либо дребезжания. Если же при по-
стукивании молотком слышно дребезжание или звук глухой,
то соответствующее крепление необходимо подтянуть.
Правильность сопряжения полуформ можно проверить по
отпечатку на листе бумаги, вложенном между ними.
Перед началом работы надлежит удостовериться в отсут-
ствии перекоса формы, проверить правильность сопряжения
литниковой втулки с соплом и соосность формы с механизмом
впрыска. Далее необходимо ввести в систему управления пара-
метры технологического режима: температуры по зонам, тем-
пературу литьевого сопла, объем и давление впрыска, усилие
смыкания, частоту вращения червяка, время выдержки, время
охлаждения, температуру формы и т. д.; после этого включить
нагреватели машины и через 30—40 мин после выхода на
заданные температурные режимы начать работу в режиме руч-
ного управления.
При отладке технологического цикла особое внимание сле-
дует уделять работе механизмов выталкивателя. Убедившись
в стабильном получении качественных изделий, можно пере-
вести управление машиной на работу в полуавтоматическом
режиме. Спустя примерно 30 мин можно при отсутствии сбоев
перевести машину на работу в полностью автоматическом ре-
жиме.
ГЛАВА 8
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ПОЛЫХ
ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ РАЗДУВА
8.1. МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ
Изготовление полых изделий методом раздува осуществляется
в две стадии: вначале формуют трубчатую заготовку, а затем
переносят ее в форму и, раздувая заготовку сжатым воздухом,,
придают ей конфигурацию готового изделия. Изделие выдер-
живают в форме, охлаждая его до температуры теплостой-
кости, после чего форма раскрывается, и изделие удаляется.
По способу изготовления трубчатой заготовки различают
два основных метода: литьевое формование заготовки в спе-
циальной форме и свободная экструзия трубчатой заготовки.
В обоих случаях окончательное формование изделия произ-
водят в охлаждаемой форме, в которую помещают нагретую
до температуры высокоэластичности трубчатую заготовку, гер-
метично закупоривают ее концы и раздувают заготовку .сжа-
тым воздухом, придавая ей конфигурацию готового изделия.
В настоящее время наиболее широкое распространение по-
лучил экструзионно-выдувной способ формования (рис. 8.1),
при котором трубчатая заготовка экструдируется из головки
экструдера в полость открытой формы (рис. 8.1, а). Когда за-
готовка достигает заданной длины, полуформы смыкаются,
обжимая верхний конец заготовки по контуру формующего
горловину ниппеля. Нижний конец заготовки при этом сплю-
щивается и герметично заваривается (рис. 8.1,6). Затем внутрь
заготовки подается сжатый воздух, который раздувает ее до
соприкосновения со стенками охлаждаемой формы. После
охлаждения изделия до температуры теплостойкости форма
раскрывается, и готовое изделие удаляется (рис. 8.1, в).
Рис. 8.1. Схема формования полых изделий методом раздува:
а — экструзия заготовки; б — раздув; в — выгрузка готового изделия; / — подача воздуха
сверху; II — подача воздуха снизу; III — подача воздуха через дутьевую иглу.
Этим методом изготавливают полые изделия объемом от
0,03 до 3-103 л, имеющие как круглое, так и прямоугольное
поперечное сечение (бутыли, бочки, бидоны, канистры и т. и.).
Обычно сжатый воздух нагнетают в заготовку через полый
Дорн, одновременно используемый для формования горловины
сосуда. В некоторых случаях воздух в заготовку вводят при
помощи специальной иглы, которая (прокалывает стенку или
донышко заготовки. После окончания раздува игла вытаски-
вается, и отверстие в заготовке заваривается. Иногда раздув
осуществляется газом, выделяющимся при нагреве предвари-
тельно заложенных в заготовку таблеток.
8.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСТРУЗИОННО-ВЫДУВНОГО
ФОРМОВАНИЯ
Экструзионно-выдувной агрегат (ЭВА) состоит из трех основ-
ных частей: экструдера с головкой, предназначенного для
формования одной или нескольких заготовок; выдувной маши-
ны с одной или несколькими формами; аппаратуры управле-
ния, в которую входит аппаратура управления экструдером,
выдувной машиной и головкой, формующей заготовку, и- систе-
мы пневмо- или гидропривода.
По способу формования заготовки ЭВА подразделяются на
агрегаты с непрерывной экструзией заготовки, агрегаты с осе-
вым перемещением червяка и периодической экструзией заго-
товки и агрегаты с копильником и периодической экструзией
Рис. 8.2. Экструзионно-выдувной агрегат. Пояснения в тексте.
Рис. 8.3. Прямоточная головка. Пояснения в тексте.
3
заготовки (применяются для изготовления изделий большой
емкости.— свыше 50 л).
По расположению червяка различают ЭВА с горизонталь-
ным и вертикальным червяком.
В настоящее время наиболее широко распространены экс-
трузионные агрегаты с непрерывным выдавливанием заготов-
ки (для изделий емкостью До 0,5 л) и экструзионные агрегаты
с копильником (для изделий емкостью 0,5 л).
По емкости формируемых изделий ЭВА в соответствии с
ОСТ 2610—73 подразделяются на десять основных типоразме-
ров (табл. 8.1). Типичный ЭВА (рис. 8.2) состоит из экструде-
ра 1, многоручьевой головки для формования заготовок 2,
выдувной машины с комплектом форм 3, устройства для сушки
и подогрева гранул 5, пневмозагрузчика 6, шкафа тепловой ав-
томатики 8, пульта управления 9, системы пневмо- и гидропри-
вода 7 и устройства для удаления облоя 4.
Головки для изготовления трубчатых заготовок по направ-
лению потока расплава разделяются на прямоточные и угло-
вые, по числу одновременно формуемых заготовок — на одно-
и многоручьевые.
Схема простейшей прямоточной головки приведена на рис.
8.3. Головка состоит из разъемного корпуса 1, обогреваемого
плавного колена 3, адаптера 4, матрицы 7, дорна с кониче-
ским наконечником 8, перфорированного дорнодержателя 2Г
ленточных нагревателей 5, сгруппированных в три тепловые-
зоны, и трех термопар (на рисунке не показаны). Расплав А
непрерывно поступает от экструдера и, проходя по угловому
каналу, попадает через отверстия дорнодержателя 2 в кольце-
вой канал корпуса головки, из которого он попадает в кониче-
скую щель В, образованную коническим наконечником и кони-
ческим отверстием в матрице, откуда и выдавливается в виде
заготовки С. Центровка матрицы относительно дорна произ-
водится с помощью трех равнорасположенных центровочных
болтов. Крепление матрицы к головке осуществляется накид-
ным фланцем 6.
Двухручьевая головка с тангенциальным вводом расплава
(рис. 8.4) состоит из адаптера 1, через который по каналам а
и в расплав от экструдера поступает в кольцевые каналы д и
б, выполненные в виде кольцевых канавок на обоих дорнах 2,
закрепленных в конических гнездах корпуса 6. Вытекая из
кольцевых каналов, расплав формирует кольцевую струю, ко-
торая выдавливается через конический формующий зазор, об-
разованный наконечником 5, укрепленным на конце дорна 2,.
перемещаемым микрометрическим винтом 7, и матрицей 4.
Центровка матрицы относительно дорна осуществляется при
помощи трех центровочных болтов, равномерно расположен-
ных по периферии накидного фланца 3, крепящего матрицу к
корпусу головки. Микрометрические винты 7 служат для про-
дольного перемещения наконечника 5, за счёт которого осуще-
ствляется регулирование формующего зазора, необходимое для
Таблица 8.1. Основные параметры отечественных выдувных агрегатов
Тип агрегата Емкость из- делий, л Число из- делий, по- лучаемых за один цикл Емкость копильни- ка, см3 Усилие за- мыкания формы, кН Размеры крепежных плит (длинах х ширина), см Расстояние между кре- пежными плитами, см
при разомк- нутой форме при замкну- той форме
АВ-0,15 0,05—1,15 2—4 60 14 20X18 19 9
АВ-0,5 0,15—0,50 2—4 125 21 28x22 25 11
АВ-1 0,5—1,0 2—4 250 36 36x25 28 13
А-В-2,5 1,0—2,5 2—4 500 60 45x28 28 13-
АВ-Ю 2,5—10,0 2—4 2 500 150 75X36 71 20
АВ-30 10—30 1-2 5 000 150 75x63 85 28-
АВ-60 30—60 1 7 500 224 50x75 106 48-
АВ-125 60—125 1 11 800 316 75x90 125 60
АВ-250 125—250 1 ' 25 000 450 90x100 160 75
АВ-500 250—500 1 50 000 630 100X140 200 85
Рис. 8.4. Двухручьевая пинольная головка. Пояснения в тексте.
Рис. 8.5. Заготовка с программным изменением толщины стенок. Числа — зна-
чения толщины стенок заготовки (справа) и изделия (слева) в мм.
'Обеспечения равенства толщины стенок обеих экструдируемых
заготовок.
Для выравнивания давления .по периферии кольцевой щели
служит имеющаяся на дорне фигурная кольцевая расточка.
Для улучшения свариваемости частей потока, рассекаемого
дорном, на пути расплава располагается область сжатия г,
в пределах которой поперечное сечение потока уменьшается.
Головки с продольным перемещением наконечника дорна
иногда называют пинольными.
При изготовлении фасонных изделий для уменьшения рас-
хода материала необходимо использовать заготовки с про-
граммным изменением толщины стенок (рис. 8.5). Для изготов-
ления таких заготовок применяют специальные головки с по-
движным дорном (рис. ,8.6). Головка состоит из корпуса 1,
в коническом седле которого неподвижно закреплен дорн 2,
удерживаемый гайкой 9. Конический наконечник дорна 3 уста-
новлен на штоке 5 поршня 7 гидроцилиндра 6, укрепленного
на корпусе при помощи шпилек 8.
Изменение величины формующего зазора между матрицей 4
и наконечником 3 осуществляется при вертикальном перемеще-
нии наконечника 3, приводимого в движение поршнем 7 гидро-
цилиндра 6.
Схема управления перемещением наконечника дорна при-
ведена на рис. 8.7. В исходном состоянии электромагниты 5
и 12 обесточены, управляющие золотники 6 и 11 находятся в
нейтральном положении, перекрывая выход гидравлической
жидкости из обеих полостей гидроцилиндра 8. При этом пор-
шень оказывается запертым и не может перемещаться ни
вверх, ни вниз, в результате чего формующий зазор остается
постоянным. При лодаче напряжения на обмотку какого-либо*
электромагнита, например золотника 6, последний открывает
доступ маслу под давлением в верхнюю полость гидроцилинд-
ра и направляет его на слив из нижней (штоковой) полости
цилиндра. Поршень гидроцилиндра вместе со штоком и нако-
нечником дорна 10 при этом опускается. Одновременно увели-
чиваются формующий зазор и толщина заготовки. Как только
величина формующего зазора достигнет заданного значения,,
обмотка электромагнита 5 обесточится, и золотник 6 под дей-
ствием пружины вернется в исходное положение, перекрывая
движение масла в полостях гидроцилиндра и фиксируя его
поршень в новом положении. Аналогичным образом происходит
и перемещение поршня вверх, ведущее к уменьшению зазора
и утонению заготовки. Управление толщиной заготовки осуще-
ствляется по программе, заданной в блоке электронного управ-
ления, следящего за длиной экструдируемой заготовки при
помощи фотореле.
Для изготовления изделий емкостью от 4 л и более приме-
няют аккумуляторные головки с копильниками плунжерного
или кольцевого типа. Простейшая аккумуляторная головка
Рис. 8.6. Головка с регулируемой величиной щели. Пояснения в тексте.
Рис. 8.7. Гидравлическая схема управления перемещением дорна:
1 — фильтр; 2 — гидронасос; 3 — предохранительный клапан; 4 вентиль; 5, 12 — управ-
ляющие электромагниты; 6, 11 — золотники управления; 7 — экструдер; 8 — гидроцй-
линдр; 9 —головка; 10 — дорн.
который в нужный момент набегает на
Рис. 8.8. Аккумуляторная
головка плунжерного типа.
Пояснения в тексте.
плунжерного типа
(рис. 8.8) состоит из
обогреваемого корпуса
4, на котором с по-
мощью разъемной ко-
нической муфты 3 ук-
реплен наконечник 2
с дорном 14 и матри-
цей 13. Расплав, на-
гнетаемый экструде-
ром 12, поступает по
каналу а в рабочую
полость 5 аккумулято-
ра, перемещая вверх
поршень 11. Величина
пластицируемой дозы
определяется положе-
нием установленного
на штоке 6 кулачка 10,
конечный выключатель
9, останавливающий червячный экструдер. Заготовка 1 выдав-
ливается из копильника поршнем 7 гидроцилиндра 8. Преиму-
щества плунжерного аккумулятора по сравнению с непрерыв-
ным процессом экструзии состоит в том, что он позволяет вы-
давливать заготовку со скоростью, при которой заготовка не
успевает деформироваться под действием собственного веса.
Для формования заготовок большого диаметра применяют
аккумуляторные головки с кольцевым поршнем (рис. 8.9).
Расплав, поступающий из экст-
рудера по центральному каналу
а, проходит в кольцевое прост-
ранство б, откуда он перетекает
под кольцевой поршень 3, соеди-
ненный тремя штангами с порш-
нем гидроцилиндра впрыска (на
схеме не показаны). Под давле-
нием расплава поршень смеща-
ется вверх, причем величина сме-
щения определяется заданным
объемом заготовки. При выдав-
Рис. 8.9. Аккумуляторная головка с
кольцевым поршнем. Пояснения в тек-
сте.
Рис. 8.10. Головка для экстру-
зии трехслойной заготовки. По-
яснения в тексте.
ливании заготовки гидро-
цилиндр перемещает пор-
шень вниз, продавливая
расплав через кольцевой
канал в между коничес-
ким наконечником 7 дор-
на 4 и матрицей 6, ук-
репленной на корпусе го-
ловки 2 при помощи шпи-
лек 5. Центровка матри-
цы относительно дорна
производится при помо-
щи центровочных винтов
8. Для предотвращения
чрезмерного износа па-
ры плунжер — цилиндр
служит сменная втулка
1, запрессованная в обо-
греваемый корпус 2.
Дорн 4 соединен с порш-
нем механизма програм-
много регулирования за-
зора между матрицей и
наконечником дорна. Ак-
кумуляторные головки с
кольцевым поршнем такого типа применяют для изготовления
изделий объемом от 1,5 до 400 л. Максимальный диаметр заго-
товки достигает 1300 мм.
В последнее время получили распространение ЭВА, на ко-
торых производят многослойные изделия, например бутыли,
наружный и внутренний слои которых изготавливаются из од-
ного материала, а промежуточный — из другого. Такие машины
комплектуются двумя экструдерами, каждый из которых экс-
трудирует свой полимер. Оба потока расплава подводятся к
общей головке, в которой формируется слоеная заготовка. Ти-
пичный пример головки такого типа приведен на рис. .8.10.
Расплав А, формующий наружный и внутренний слои, по-
ступает от одного из экструдеров через соединительный патру-
бок 1 и, попадая в головку, делится на два потока. Один из
них проходит по центральному каналу и направляется к кони-
ческому рассекателю 2, установленному на перфорированном
дорнодержателе 3. Проходя через отверстия в дорне дорнодер-
жателя, расплав попадает в кольцевое пространство а, обра-
зованное внутренней поверхностью корпуса головки 4 и наруж-
ной поверхностью дорна 5. Эта кольцевая струя формирует
внутренний слой заготовки. Расплав Б, из которого формирует-
ся промежуточный слой, поступает в головку от второго экс-
трудера через патрубок 6 по каналу д и, попадая в фигурный
кольцевой канал г, образует кольцевую струю, которая по-
кольцевой щели е выдавливается на поверхность ранее сфор-
мированной струи первого расплава. Сформировавшийся двух-
слойный поток поступает к щели ж, через которую на его по-
верхность выдавливается третий внешний слой, подаваемый к
щели ж через боковые каналы в и спиральный кольцевой ка-
нал б. Сформированная трехслойная струя выдавливается
через формующий зазор между наконечником дорна 7 и мат-
рицей 8, закрепленной при помощи фланца 9 на подвижном
стакане 10, который установлен на колонках 11, соединенных
с поршнем механизма программного регулирования зазора
между матрицей и наконечником дорна.
Отличительная особенность этой головки — возможность
изготовления трехслойной заготовки с программированным из-
менением толщины.
8.3. ВЫДУВНЫЕ МАШИНЫ
Выдувная машина является одной из основных частей ЭВА и
предназначена для перемещения форм к головке, отрезания и
приема заготовок, смыкания и герметизации форм, подачи
воздуха и раздува заготовки, отвода формы от головки, охлаж-
дения отформованного изделия, раскрытия формы и удаления
из нее готового изделия.
По числу рабочих позиций выдувные машины подразде-
ляются на одно-, двух- и многопозиционные, .причем позицион-
ность машины определяется, как правило, числом установлен-
ных форм.
Однопозиционные машины подразделяют, в свою очередь,
на машины с неподвижным столом, в которых форма не может
перемещаться в вертикальном направлении, а лишь имеет воз-
можность открываться и закрываться, и машины с подвиж-
ным столом (рис. 8.11).
5
Рис. 8.11. Принципиальная схема однопо-
зиционной машины с подвижным столОм:
1 — головка; 2 — плита с полу форм ой; 3 — пневмо-
цилиндр перемещения полуформы; 4 — подвиж-
ный стол; 5 — станина; 6 — заготовка.
Рис. 8.12. Механизмы смыкания вы-
дувных машин:
42 — плоскопараллельный механизм смыка-
ния с пневматическим приводом; б — шар-
нирный механизм смыкания.
Пояснения в тексте.
Однопозиционные выдувные машины с неподвижным столом
обычно применяют в агрегатах для изготовления крупногаба-
ритных изделий.
По способу смыкания полуформ (рис. 8.12) выдувные ма-
шины разделяют на машины с плоскопараллельным смыканием
форм, в которых полуформы устанавливаются на подвижные
плиты, перемещающиеся по цилиндрическим направляющим
(рис. 8.12, а), и машины с шарнирным механизмом смыкания
форм (рис. 8.12,0.
Машина с плоскопараллельным смыканием (рис. 8.12,0
•состоит из трех неподвижных плит 3, 7, 9, соединенных двумя
или четырьмя колоннами 6, по которым перемещаются подвиж-
ные плиты 5 и 8. Перемещение плит осуществляют пневмоци-
линдры 2 и 10, установленные на неподвижных плитах 9 и 3.
Установленные на плитах полуформы 13 и 14 попеременно от-
крываются и замыкаются в результате перемещения подвиж-
ных плит, связанных штоками 4 с поршнями 1 пневмоцилинд-
ров 2. Вся выдувная машина может перемещаться на роли-
ках 12 по направляющим рельсам 11. Перемещение машины
под экструзионную головку осуществляется при помощи пнев-
моцилиндра 16. Гидравлический амортизатор 15 обеспечивает
Необходимую плавность хода и мгновенный останов машины
на позиции приема заготовок.
Шарнирный механизм смыкания (рис. 8.12, б) состоит из
двух рычагов 5 и 8, укрепленных на оси 6. На каждом из ры-
чагов укреплена полуформа 7. Серьгами 4 рычаги соединяются
с сухарем 3, установленным на штоке 9. Поршень 2 пневмоци-
линдра 1, укрепленный на штоке 9, предназначен для открытия
и закрытия формы. При ходе поршня влево сухарь 3 увлекает
за собой серьги 4, при этом рычаги 5 и 8 поворачиваются и
раскрывают форму. При обратном ходе поршня форма закры-
вается.
Гидропривод современных ЭВА в основном подобен гидро-
приводу литьевых машин. Отличительная особенность привода
машин для изготовления крупногабаритных изделий состоит в
применении пневмогидравлических аккумуляторов, использова-
ние которых позволяет значительно увеличить скорость экстру-
зии заготовки, не прибегая к существенному увеличению про-
изводительности насосов высокого давления.
8.4. АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ ЭКСТРУЗИОННО-ВЫДУВНЫМИ
АГРЕГАТАМИ
Аппаратура управления экструзионно-выдувными агрегатами
(ЭВА) во многом напоминает аппаратуру управления литьевой
машиной. В комплект аппаратуры входит шкаф тепловой ав-
томатики, регулирующий температуру тепловых зон экструде-
ра, система управления гидроприводом механизма формова-
ния заготовки, система управления работой выдувной машины
и система управления приводом экструдера.
Подобно системам управления литьевых машин, системы
управления ЭВА могут быть электромеханическими, электрон-
ными и микропроцессорными.
Большинство современных ЭВА оснащено гибридными
системами управления, в которых управление последователь-
ностью отдельных стадий цикла формования осуществляется с
помощью числовой программной системы управления, в то
время как задание температуры по каждой из тепловых зон
(а в отдельных случаях и продолжительность каждой стадии
цикла) производится с индивидуальных пультов, сгруппирован-
ных на общей панели управления. Настройка гидравлических
клапанов и регуляторов давления и скорости вращения червяка
осуществляется вручную. Вручную же перемещаются и конеч-
ные выключатели, определяющие крайние положения плунже-
ра аккумуляторного механизма формования заготовки.
Примерно с 1979 г. ряд зарубежных фирм применяет инте-
гральные микропроцессорные системы управления «Мако VI».
Эта система практически аналогична микропроцессорным си-
стемам управления литьевых машин, подробно описанным в
гл. 7. Ее особенность состоит в наличии специального механиз-
ма для пррграммного управления толщиной заготовки, состоя-
щего из механизма слежения за ее длиной и устройства для
непрерывного изменения формующего зазора. Современные
системы управления толщиной заготовки позволяют программ
мировать толщину заготовки по различному числу точек. Са-
мые простые системы управления обеспечивают программиро-
вание по 16—20 равномерно распределенным точкам. Более
совершенные системы позволяют увеличить число точек про-
граммирования до 32—40. Наконец, наиболее совершенные си-
стемы, подобные «Мако VI», дают возможность программиро-
вать по -49 произвольно расположенным точкам. Увеличение
числа программируемых точек позволяет формировать заготов-
ку, толщина которой наиболее точно соответствует профилю
изделия, и существенно снизить расход материала. Так, при
изготовлении баков емкостью 220 л увеличение числа програм-
мируемых точек с 20 до 32 обусловило уменьшение расхода
сырья более чем на 10%.
Возможность произвольного размещения точек программи-
рования по длине заготовки также способствует увеличению
точности программирования и экономии сырья.
Существенное изменение произошло и в самой процедуре
задания профиля заготовки. В применявшихся ранее системах
управления параметры профиля задавались либо посредством
перестановки штифтов в управляющей матрице, либо переме-
щением ползунков потенциометров, установленных на панели
управления.
В микропроцессорных системах управления значения про-
дольной толщины заготовки в каждой ее точке вводятся непо-
средственно с клавиатуры пульта оператора. При этом в си-
стеме «Мако VI» эти значения демонстрируются на экране дис-
плея в виде распределения относительных значений, вычислен-
ных в процентах от номинальной толщины профиля.
Система микропроцессорного управления, разработанная
фирмой «Хартиг» (США), позволяет задавать продольное рас-
пределение толщин заготовки, рисуя ее масштабный чертеж
световым пером непосредственно на экране дисплея. При этом
система может при желании изображать на экране профиль
фактически экструдируемой заготовки, позволяя оператору
сопоставить его с заданным. Такая возможность является ре-
зультатом совершенствования систем слежения за фактиче-
ским профилем экструдируемой заготовки, определяемым по
положению ее Конца, контролируемому фотоэлектрическим дат-
чиком, и величине формующего зазора.
8.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНЖЕКЦИОННО-ВЫДУВНОГО
ФОРМОВАНИЯ
Инжекционно-выдувные агрегаты обычно изготавливают на
основе традиционных литьевых машин. Процесс, реализуемый
на этих машинах (рис. 8.13), состоит в том, что полую заготов-
ку 2 вначале отливают в литьевой форме 3 (рис. 8.13,а), а за-
4
Рис. 8.13. Схема инжекционно-выдувного формования:
а — формование заготовки; б — раздув и формование изделия.
Пояснения в тексте.
тем дорн 1 с горячей заготовкой переносят в выдувную фор-
му 4, где ее раздувают сжатым воздухом, окончательно фор-
муя изделие (рис. 8.13, б).
Инжекционно-выдувной метод менее производителен, чем
экструзионно-выдувной. Он не позволяет формовать полые из-
делия большого размера и сложной конфигурации. К достоин-
ствам метода относится возможность формования изделий с
калиброванной горловиной при минимальном количестве от-
ходов. Изделия получаются, как правило, более прочными и
имеют более гладкую поверхность.
Для съема готового изделия с дорна применяют устрой-
ства двух типов. В устройствах первого типа вначале' дорн
удаляется из закрытой формы, а затем форма раскрывается,
и изделие из формы падает в приемный лоток или тару.
В устройствах второго типа вначале раскрывается форма, а
затем изделие снимается с дорна с помощью специального
съемника.
Для повышения производительности применяют конструк-
ции машин с двумя и более дорнами. При этом формы могут
располагаться как на каретке с возвратно-поступательным дви-
жением, так и на вращаю-
щемся револьверном столе
(рис. 8.14).
Разновидностью метода
инжекционного раздува яв-
ляется раздув с предвари-
тельной вытяжкой (рис.
8.15). При этом способе
формования отлитая заго-
товка вначале переносится
Рис. 8.14. Трехпозиционная ротор-
ная машина для инжекционно-вы-
дувного формования.
Рис. 8.15. Производство ориентированных бутылок методом раздува с предва-
рительной вытяжкой. Пояснения в тексте.
в форму (рис. 8.15,а), а затем сердечник выдвигается и, рас-
тягивая заготовку в продольном направлении, подвергает ее
предварительной продольной вытяжке (рис. 8.15,6), создающей
продольную ориентацию. По окончании вытяжки через сердеч-
ник подается сжатый воздух, который осуществляет раздув за-
готовки и окончательное формование изделия (рис. 8.15, в).
Совместное действие продольного и тангенциального растяже-
ния приводит к возникновению двухосной ориентации, сущест-
венно улучшающей механические и оптические свойства и умень-
шающей газопроницаемость. Все это позволяет существенно со-
кратить толщину стенок и соответственно снизить массу изде-
лия.
8.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ЭКСТРУЗИОННО-ВЫДУВНЫХ АГРЕГАТОВ
Цикл работы ЭВА состоит из следующих стадий: экструзия
заготовки, смыкание формы и заваривание донышка, раздув
заготовки, охлаждение изделия, раскрытие формы и удаление
из нее готового изделия. Очевидно, что суммарная продолжи-
тельность цикла определится как сумма продолжительности
всех его стадий:
Гц = Tj + т2 + т3 + т4 + т5 (8-1)
T1 — время экструзии заготовки; т?— время смыкания формы; Тз — время раз-
дува; т4 — время охлаждения; Ts — время раскрытия формы и удаление гото-
вого изделия.
Прежде чем перейти к определению времени экструзии за-
готовки, необходимо рассчитать ее размеры. Если известны
основные характерные размеры изделия (длина Ьи, наружный
диаметр DK и средняя толщина стенки 6И), то для определения
размеров заготовки можно воспользоваться следующими фор-
мулами.
лина заготовки выбирается примерно на 15% длинее, чем
длина изделия. Такое увеличение длины делается с расчетом
на формирование донышка будущего изделия:
£3=1,15Ли (8.1а)
Наружный диаметр заготовки определяется выбранным
коэффициентом раздува еР, обусловливающим степень танген-
циальной ориентации. Коэффициент раздува для большинства
изделий составляет 1,5—5. Увеличение этого коэффициента
приводит к повышению прочности изделия, но одновременно
несколько снижает производительность оборудования из-за
возрастания времени раздува.
Выбрав величину ер, можно определить диаметр заготовки:
О3 = Ои/ер (8.2)
Толщина заготовки, исходя из условия постоянства массы
изделия и заготовки, рассчитывается из выражения
= Ри - (Ои2 - 4ер2Оиби + 48р2би2)1/2]/(1 >72ер) (8.3)
Зная основные размеры заготовки, можно рассчитать опти-
мальную скорость ее выдавливания V3 (см/с), исключающую
опасность утонения заготовки под действием собственного веса:
V3 = 1,6рЛ32/т]0 (8.4)
где р — плотность расплава, кг/м3; т|0 — вязкость расплава в области ньюто-
новского течения, Па-с; L3 — длина заготовки, м.
Объемный расход расплава определится из выражения
<2 = лб3 (D3 — б3) У3 (8.5)
Для определения размеров матрицы и дорна необходимо
учесть высокоэластическое восстановление струи расплава,
в результате которого наружный диаметр заготовки оказы-
вается больше, чем внутренний диаметр матрицы. Изменения
внутреннего и наружного диаметров заготовки вследствие высо-
коэластического восстановления практически одинаковы и с
увеличением средней скорости сдвига возрастают до некоторого
предельного значения.
Характеризуя реологические свойства расплавов, исследо-
ватели обычно приводят зависимость коэффициента высоко-
эластического восстановления
(ВЭВ) р0 круглой струи от
скорости сдвига. Вид такой
зависимости приведен на рис.
8.16. Предельное значение ско-
рости сдвига, при котором на-
блюдается стабилизация вы-
Рис. 8.16. Зависимость коэффициента
высокоэластического восстановления
Ро от скорости сдвига.
сокоэластического восстановления, составляет около 20 с-1.
Приближенно зависимость между коэффициентом ВЭВ трубча-
той заготовки р3, ее размерами и коэффициентом ВЭВ для
круглой струи можно получить из выражения
11/г
где ₽о — коэффициент ВЭВ для круглой струи.
(8.6)
Располагая значением 03, рассчитываем размеры матрицы
и дорна. Наружный диаметр дорна равен
Рд = (О3-2<53)/р3 (8.7)
Внутренний диаметр матрицы составляет:
Рм = Рз/₽з (8.7а)
Длина формующего участка матрицы должна выбираться
такой, чтобы за время движения расплава в кольцевой щели
наступила стабилизация присущей режиму течения величины
высокоэластической деформации. Обычно для обеспечения
этого условия достаточно, чтобы длина кольцевой щели состав-
ляла около 20 толщин формующего зазора.
Для расчета усилия, действующего со стороны поршня гид-
роцилиндра аккумулятора на расплав, необходимо определить
давление, под которым расплав выдавливается через формую-
щую щель.
Рассматривая процесс истечения через кольцевую фильеру
так же, как это делалось при расчете трубчатых головок, опре-
делим давление экструзии по формуле
P = Qi\/Kt (8.8)
Если расплав моделируется степенной жидкостью, вместо фор-
мулы (8.8) используется выражение
Р == КЖ'Н'Ф (П , (8.8а)
Продолжительность стадии раздува рассчитывается по фор-
муле
r3=WkT/C (8.9)
где W — объем внутренней полости изделия; kT — коэффициент, учитывающий
изменение удельного объема воздуха, вызванное изменением температуры и
Давления; С — объемный расход воздуха, нагнетаемого в заготовку.
Коэффициент kT равен
*r = W?i) (8.Ю)
где Pi и Т> — значения давления и температуры воздуха перед дутьевым соп-
лом, Р2 и Т2— то же в конце цикла раздува в полости изделия.
Если давление в изделии в конце стадии раздува оказы-
вается равным давлению перед соплом, то kT = T\/T2.
Рис. 8.17. Форма для изготовления сосудов с широким горлом с центральным
(а) и боковым (б) расположением дутьевой иглы (& — отверстие от иглы).
Объемный расход воздуха, поступающего через дутьевое
сопло, определится из формулы
с = 3.38Д (8.П)
где А — площадь отверстия в сопле; р (7\) — плотность воздуха при темпера-
туре 7\ и давлении P=Pi/2.
Продолжительность стадии охлаждения может быть опре-
делена одним из методов, описанным в разд. 7.9.4.
8.7. ФОРМА ДЛЯ РАЗДУВА
Форма предназначена как для оформления изделия, так и для
зажима и герметизации стыка заготовки, калибрования горло-
вины изделия, управления подачей воздуха при раздуве, зава-
ривания приколотого дутьевой иглой отверстия, удаления об-
лоя и охлаждения сформованного изделия. Сжатый воздух
для раздува заготовки может подаваться по каналу, проходя-
щему через формующий горловину ниппель, или при помощи
дутьевой иглы (рис. 8.17). Дутьевая игла обычно прокалывает
заготовку по центру (рис. 8.17, а) или сбоку (рис. 8.17,6), при-
чем в последнем случае предпочтительно располагать иглу в
плоскости разъема формы.
Рис. 8.18. Различные методы калибрования горловины:
а— с помощью цилиндрического ниппеля (/ — сменный ниппель; 2— пресс-каит; 3 —
резьбовой вкладыш; 4— воздушный канал); б — с помощью ступенчатого ниппеля (/ —
ступенчатый ниппель; 2 — обрезающее кольцо; 3 — пресс-кант; 4 — резьбовой вкладыш;
5 — воздушный канал). J
Рис. 8.19. Конструкция и размеры пресс-канта:
а— с односторонним карманом; б —с двухсторонним карманом; в — без кармана;
= (0,5 : 1,0)5; b=S; (l,5-s-3)s; (12-5-18)3; а—60—90°; s — толщина стенки изделия.
Для калибрования горловины применяют ниппели двух ти-
пов (рис. 8.18): цилиндрические (рис. 8.18, а) или ступенчатые
(рис. 8.18,6). В первом случае ниппель обжимается по пери-
метру резьбовой частью формы, во втором случае ниппель, на
поверхности которого имеется винтовой выступ, обжимается
горловинной частью формы.
Отрезание заготовки и формование герметичного дна осу-
ществляют специальные детали формы, именуемые пресс-кан-
тами (рис. 8.19). Пресс-кант состоит из режущей кромки 1 и
зажимного кармана 2, образованного либо с одной стороны —
односторонний карман (рис. 8.19, а), либо с двух сторон—
двухсторонний карман (рис. 8.19,6). В формах для тонкостен-
ных изделий применяют пресс-кант без кармана (рис. 8.19, в).
Глубина кармана в каждой ' полуформе должна составлять
около одной толщины изделия.
Длина сварных кромок не должна быть слишком велика,
чтобы при смыкании формы в плоскости разъема не образо-
вывалась пленка.
Для изготовления форм применяют самые различные мате-
риалы— сталь, бронзу, цинк, но во всех случаях пресс-канты
делают из стали. Экспериментальные формы можно изготав-
ливать из гипса или дерева.
В настоящее время для изготовления выдувных форм
широко применяют наполненные полиэфирные, фенольные и
эпоксидные смолы. Изготовленные из таких материалов фор-
мы имеют сравнительно гладкую рабочую поверхность, благо-
даря чему формуемые в них изделия практически не нуж-
даются в дополнительной обработке. Эти формы легко ремон-
тируются и значительно дешевле металлических. К их недо-
статкам относится меньшая теплопроводность и меньший срок
службы по сравнению с металлическими. Поэтому их приме-
няют обычно для изготовления мелких серий и опытных образ-
цов изделий.
Для удаления воздуха из пространства между заготовкой
И полостью формы в плоскости смыкания формы фрезеруют
канавки глубиной 0,08—1,2 мм или предусматривают специаль-
ные вентиляционные каналы диаметром 0,8—1,2 мм, но не бо-
лее половины толщины стенки изделия. Иногда для этой цели
плоскость смыкания полуформ обрабатывают пескоструйным
методом.
8.8. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ
НА ЭКСТРУЗИОННО-ВЫДУВНЫХ АГРЕГАТАХ
Экструзионно-выдувные агрегаты должны быть снабжены при-
способлениями, облегчающими съем форм, головок, фильтрую-
щих сеток. Конструкция адаптеров, соединяющих экструдер с
головкой, обязана обеспечивать прочность и герметичность со-
единения. Нагреватели, расположенные на головке и цилиндре
экструдера, при отсутствии на машине защитного кожуха сле-
дует закрывать специальными щитками с теплоизоляцией. При-
вод экструдера раздувного агрегата снабжается блокирующим
устройством, не допускающим включения двигателя привода
до достижения заданных температур в ' обогреваемых зонах
экструдера и головки. Дополнительная независимая система
блокировки предназначена для предотвращения включения
двигателя в случае отказа (или невключения) вспомогатель-
ных устройств — маслонасоса, системы смазки, подачи охлаж-
дающей жидкости в змеевик редуктора и вариатора, отсутствия
решетки ограждения.
Для защиты от перегрузок двигателя система управления
ЭВА должна быть снабжена устройствами, автоматически от-
ключающими главный двигатель или его электромагнитную
муфту при превышении вращающего момента на червяке; до-
пускается применение регулятора частоты вращения червяка,
автоматически снижающего частоту вращения при возрастании
нагрузки. В ЭВА с гидравлическим приводом червяка необхо-
димо предусматривать автоматическое отключение привода
при чрезмерном возрастании давления в системе гидропривода.
Конструкция бункера ЭВА должна позволять производить его
очистку при переходе на другой перерабатываемый материал
(желательно использование поворотных бункеров, отводимых
от загрузочного окна цилиндра).
Пульт управления выдувной машиной должен быть рас-
положен удобно, в безопасном месте; на пульте управления
следует предусмотреть возможность простого перевода прием-
ного устройства с автоматического режима работы на работу
с ручным управлением. Выдувная машина снабжается приспо-
соблениями для снятия или нейтрализации зарядов статическо-
го электричества. Во избежание попадания рук оператора в
опасную зону при формовании изделия ЭВА необходимо осна-
щать защитным ограждением; при открытом ограждении не
должно происходить смыкания и размыкания раздувных полу-
форм.
Сжатый воздух можно подавать в форму только после на-
дежного зажатия заготовки полуформами.
ЭВА следует снабжать вытяжными устройствами для уда-
ления из рабочей зоны вредных летучих веществ, образующих-
ся при' нагреве и формовании пластмасс. В случае отсутствия
вытяжных устройств конструкция ЭВА должна обеспечивать
возможность их установки и подключения к вентиляционной
системе цеха. На каждом рабочем месте необходимо устанав-
ливать аварийный выключатель для полного отключения ЭВА.
На рабочем месте не должно быть предметов, не относящих-
ся к работе; на полу у ЭВА не должно быть грязи, подтеков
масла и воды. После окончания работы на ЭВА необходимо
отключить систему водяного охлаждения, питание от электро-
сети и линию сжатого воздуха.
ГЛАВА 9
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ЛИСТОВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ
9.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ ИЗ ЛИСТОВЫХ
ТЕРМОПЛАСТОВ
Полые изделия из листовых термопластов можно изготавли-
вать механической вытяжкой, вакуумным и пневматическим
формованием, а также комбинированными методами. Перед
формованием лист термопласта нагревают до температуры
высокоэластического состояния, а затем закрепленную по кон-
туру заготовку устанавливают над формовочной камерой.
Формование изделия происходит под действием перепада дав-
лений, создающегося между внутренней и внешними поверх-
ностями листа. При вакуум-формовании этот перепад равен
разности давления окружающего воздуха и остаточного давле-
ния в форме. При пневмоформовании — это разность между
давлением сжатого воздуха и атмосферным давлением.
В зависимости от конструкции формы и способа придания
изделию окончательной конфигурации различают несколько
основных методов формования (рис. 9.1): свободное формова-
ние, при котором нагретой заготовке придают сферическую
форму, создавая перепад давлений на ее поверхности (рис.
9.1, а); негативное вакуум-формование, когда нагретая заго-
товка втягивается в форму под действием разности между ат-
мосферным давлением и остаточным давлением в вакуумируе-
мой полости формы (рис. 9.1,6); негативное вакуум-формова-
ние с предварительной вытяжкой пуансоном, при котором на-
гретую заготовку вначале вытягивают при помощи специаль-
ного пуансона, а затем придают ей окончательную конфигура-
Рис. 9.1. Основные методы формования из листа. Пояснения в тексте.
цию, создавая разрежение в полости формы (рис. 9.1, в); пози-
тивное вакуум-формование, при котором нагретый лист при-
жимается к пуансону перепадом давлений, возникающим из-за
разности давлений, действующих на противоположных сторо-
нах листа (атмосферное на наружной и остаточное — на вакуу-
мируемой) (рис. 9.1, г); позитивное с предварительной вытяж-
кой воздухом (рис. 9.1, д); позитивное с предварительной вы-
тяжкой пуансоном (рис. 9.1, е).
При негативном формовании толщина стенок изделия по
мере приближения к основанию уменьшается. Применение
предварительной механической вытяжки позволяет увеличить
равностенность изделий с глубокой вытяжкой. Однако дно та-
ких изделий будет иметь несколько увеличенную толщину,
потому что в зоне контакта пуансона с заготовкой формуемый
лист охлаждается и практически не растягивается. Если необ-
ходимо получить равностенное изделие, то применяют формо-
вание с предварительной пневматической вытяжкой.
При позитивном формовании с предварительной механиче-
ской вытяжкой лист термопласта зажимается в раме над рас-
положенным под ней пуансоном. Пуансон поднимается, и на-
гретый до температуры формования лист плотно обтягивает
его. Затем под листом создается разрежение, и атмосферное
давление плотно прижимает лист к поверхности пуансона,
точно воспроизводя его форму. Получаемые этим методом из-
делия имеют более толстое дно и равномерно вытянутые боко-
вые стенки.
g.2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ФОРМУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
Основным параметром формовочной машины принято считать
максимальный размер ее зажимного устройства и наибольшую-
глубину формования. Минимальные размеры зажимной рамы
составляют 200X200 мм, а максимальные могут достигать
2000X1000 мм. Глубина формования составляет от 100 до
600 мм.
Машины для термоформования обычно классифицируют
по следующим признакам: а) метод формования (механиче-
ское, пневматическое, вакуумное, комбинированное); б) вид
перерабатываемого материала (лист, рулон); в) количество
позиций (одно-, двух- и многопозиционные); г) конструктив-
ные признаки и вид управления; д) назначение (универсальные
или специализированные).
Однопозиционная универсальная машина для пневмова-
куум-формования (рис. 9.2) состоит из вакуум-насоса 1, реси-
вера 2, инфракрасных нагревателей 3 и 4, верхнего пуансона 5,
рамки 6 и формы 7. Лист термопласта закладывают при ра-
боте в рамку, которую затем перемещают на позицию нагрева
между нагревателями 3 и 4. Рамку с нагретым до высокоэла-
стического состояния листом устанавливают над формой 7 и
приступают к формованию. Пуансон 5 может использоваться
как для предварительной механической вытяжки, так и для
позитивного формования. При использовании пневматической
вытяжки или формовании с воздушной подушкой к пуансону
через клапанный распределитель 10 подводят сжатый воздух.
Затем открывается клапан 8, полость формы соединяется с ре-
сивером и из нее быстро отсасывается воздух. Когда давления
в ресивере и форме сравняются, клапан 8 закрывается и от-
крывается клапан 9, соединяющий форму с вакуум-насосом 1,
создающим в форме окончательное разрежение.
Нагрев листа до температуры формования может осуществ-
ляться инфракрасными нагревателями, расположенными с од-
ной или с обеих сторон нагреваемого листа. В качестве нагре-
вателей используют элементы сопротивления, изготовленные
из нихромовой проволоки, лент или стержней. Проволочные
элементы выполняют в стеклянной или керамической изоляции.
Максимальная температура проволоки со стеклянной изоля-
цией составляет 643—693 К. Удельная мощность таких нагре-
вателей при максимальной температуре равна 2,2—3,3 Вт/см2.
Использование керамической изоляции позволяет повысить
температуру поверхности проволоки до 873 К и довести удель-
ную мощность до 6 Вт/см2. Недостатком керамической изоля-
ции является большая масса нагревателя.
Рабочая температура ленточных и стержневых нагревате-
лей составляет 773—1073 К- Их удельная мощность зависит
от плотности монтажа отдельных элементов и может достигать
Ю Вт/см2.
Рис. 9.2. Однопозиционная уни-
версальная машина для пнев-
мовакуум-формования. Поясне-
ния в тексте.
На некоторых маши-
нах в качестве нагрева-
тельных элементов ис-
пользуют трубчатые элек-
’ тронагреватели (ТЭНы).
Они состоят из жаро-
прочных металлических
трубок, внутри которых
расположена нихромовая
спираль, изолированная
от стенок трубки элект-
роизоляционным матери-
алом, обладающим хорошей теплопроводностью (например, ок-
сидом магния). Рабочая температура трубчатых нагревателей
достигает 1023—1273 К.,
Применяют также кварцевые излучатели, трубка которых
заполняется инертным газом. По оси трубки в дисковых изоля-
торах проходит вольфрамовая спираль, нагревающаяся при
работе до 2473 К- Эти нагреватели работают в коротковолно-
вом диапазоне инфракрасного излучения. Они обладают малой
инерционностью и высоким к.п.д.
Инфракрасный нагреватель представляет собой металличе-
ский каркас, на котором укреплена батарея нагревательных
элементов. Со стороны, противоположной нагреваемому термо-
пласту, и с боков каркас обшит тонкой листовой сталью.
Для уменьшения потерь энергии в окружающую среду между
каркасом и обшивкой устанавливают теплоизоляцию из листо-
вого асбеста.
Конструкция нагревателя должна обеспечивать равномер-
ную температуру по всей поверхности нагреваемого листа.
Поэтому, если площадь обогреваемого листа превышает 0,5 м2,
нагреватель разбивают на несколько тепловых зон с индиви-
дуальным регулированием температуры. В каждую зону, снаб-
женную индивидуальным регулятором температуры, входит
один или несколько нагревательных элементов. Группируя на-
гревательные элементы в тепловые зоны, необходимо придер-
живаться следующих правил.
Тепловые зоны должны располагаться таким образом, чтобы
обеспечивать компенсацию потерь тепла на краях листа.
При наличии комплекта зажимных рамок, рассчитанных
на формование изделий с различной площадью обогрева, теп-
ловые зоны должны располагаться таким образом, чтобы из-
менение поверхности обогрева, достигаемое отключением части
элементов, обеспечивало ее соответствие поверхности любого
зажимного устройства, входящего в комплект машины.
Для нагрева жестких (полистирол, поликарбонат, полипро-
пилен) и толстолистовых термопластов рекомендуется приме-
нять двухсторонний обогрев. Поэтому машины снабжают дву-
мя нагревателями с одинаковой площадью нагрева, излучаю-
щие поверхности которых направлены навстречу друг другу.
При этом в большинстве случаев мощность верхнего нагрева-
теля в 1,5 раза больше мощности нижнего.
На одно- и двухпозиционных машинах чаще всего приме-
няют подвижные нагреватели, перемещающиеся в горизонталь-
ной плоскости; на многопозиционных обычно используют не-
подвижные нагреватели.
Подвижный нагреватель для одностороннего нагрева (рис.
9.3, а) состоит из каркаса 1 и нагревательных элементов 2.
На рис. 9.3, а нагреватель показан в рабочем положении, в ко-
тором он остается до тех пор, пока лист 3 не будет нагрет до
заданной температуры. По окончании нагрева он отключается
и отодвигается влево. При этом он оказывается над штабелем
заготовок 4, верхняя из которых предварительно подогревает-
ся теплом, выделяемым остывающим нагревателем. Подвиж-
ные нагреватели для двухстороннего нагрева (рис. 9.3, б) со-
стоят из двух перемещающихся в горизонтальной плоскости
кареток 1, на которых установлены верхний и нижний нагрева-
тели 2 и 3. Недостатком такой конструкции нагревателей яв-
ляется необходимость в большой нише для помещения ниж-
него нагревателя. В некоторых конструкциях эта ниша отсут-
ствует, а нижний нагреватель просто целиком выходит из фор-
мовочной камеры, а затем боковое окно плотно прикрывается
заслонкой, надежно уплотняющей формовочную камеру.
На некоторых машинах вместо подвижных нагревателей
применяют подвижную зажимную рамку, которая горизонталь-
но перемещается в прост-
ранстве между нагревате-
лями.
В некоторых конструк-
циях нагрев листовых заго-
товок производится в за-
крытых камерах. По прин-
ципу действия эти камеры
можно разделить на каме-
ры с чисто конвективным
обогревом, камеры с инфра-
красными нагревателями и
камеры со смешанным лу-
Рис. 9.3. Подвижные инфракрас-
ные нагреватели для односторон-
него (а) и двухстороннего (б) на-
грева. Пояснения в тексте. б
чисто-конвективным обогревом. В камерах с конвективным обо-
гревом нагрев заготовки осуществляется потоком горячего воз-
духа, поступающего от воздуходувки через электрический ка-
лорифер. Недостатком таких камер является большая продол-
жительность нагрева, достигающая для толстолистовых загото-
вок 40 мин.
В камерах инфракрасного обогрева обычно используют
двухсторонний нагрев. Применение таких камер полностью
исключает влияние микроклимата цеха на скорость и равно-
мерность нагрева, однако наличие камеры утяжеляет машину
и увеличивает ее габариты. Наилучшие результаты дает при-
менение комбинированных камер, сочетающих инфракрасный
и конвективный нагрев.
Контроль температуры нагреваемого листа может произ-
водиться либо по продолжительности нагрева, либо по пока-
заниям измерительных приборов. Применяют как контактные,
так и бесконтактные методы замера. К контактным методам
относится использование различных термопар, чувствительный
элемент которых соприкасается с поверхностью заготовки.
Иногда прибегают к заделке спая в толщу листа. Бесконтакт-
ные методы замера температуры основаны на применении раз-
личных пирометров.
9.2.1. Однопозиционная полуавтоматическая
вакуум-формовочная машина
Конструктивная схема простейшей однопозиционной вакуум-
формовочной машины с полуавтоматическим управлением при-
ведена на рис. 9.4. Корпус машины состоит из четырех верти-
кальных стоек 10 и двух укороченных стоек 7, соединенных
между собой рамами 1 и 11. Между рамами 1 и И установле-
ны зубчатые рейки 12, одновременно играющие роль направ-
ляющих колонок для подвижных плит 14 и 21. На верхней
плите 14 закреплен пуансон 18, а на нижней 21 установлена
матрица вакуумной формы 20. Лист термопласта укладывает-
ся вручную в зажимную раму 19, установленную на карет-
ке 16. Затем оператор нажимает на кнопку начала цикла. Сра-
зу же после этого кромка листа автоматически, зажимается в
раме планками под действием пневмоцилиндров 17. Шток 4
пневмоцилиндра 3 опускает дверцу 5 и открывает вход в на-
гревательную камеру А; каретка 16 под действием пневмоци-
линдра 22 перемещается по направляющим 9 вместе с зажатой
в раме 19 заготовкой на позицию нагрева между нагревателя-
ми 6 и 8. После этого дверца 5 вновь поднимается и начинает-
ся нагрев заготовки, который продолжается в течение времени,
заданного на реле времени, установленном на пульте управле-
ния. 1
По истечении времени нагрева реле подает команду, по ко-
торой дверца вновь открывается, каретка 16 возвращается
в исходное положение, а дверца 5 опять поднимается и закры-
Рис. 9.4. Однопозиционная вакуум-формовочная машина с полуавтоматиче-
ским управлением. Пояснения в тексте.
вает вход в нагревательную камеру А. Затем подается сигнал
на смыкание пуансона 18 и матрицы 20. Одновременно проис-
ходит предварительная механическая вытяжка заготовки. Если
формуется изделие со сложной конфигурацией, лист часто под-
вергают предварительной вытяжке сжатым воздухом, подавае-
мым в полость пуансона, или вакуумом, создаваемым в поло-
сти формы. Матрица и пуансон соединены с вакуум- и пневмо-
системами при помощи гибких шлангов 2 и 13. Конечное поло-
жение плит при смыкании контролируется при помощи конеч-
ных выключателей 15. Продолжительность стадии выдержки,
необходймая для охлаждения отформованного изделия, опре-
деляется настройкой своего реле времени. По окончании стадии
охлаждения форма раскрывается, и плиты отходят в первона-
чальное положение, определяемое местом установки конечного
выключателя 15а. Прижимные планки зажимной рамы отпу-
скают кромки изделия, и оператор (или манипулятор робота)
извлекает его из формы.
Однопозиционные машины, как правило, универсальны и
просты в переналадке при изменении типа формуемого изде-
лия. На многих таких машинах установлены универсальные
формовочные столы, не имеющие специальных посадочных мест
Для крепления формы. Это позволяет устанавливать форму в
4
2
Рис. 9.5. Зажимная рама с общими цилиндрами подъема и крепления заго-
товки:
Г—качающийся цилиндр; 2 — формовочная камера; 3 — нижняя рама; 4 — верхняя ра-
ма; 5 — шарнир.
Рис. 9.6. Зажимная рама со специальным цилиндром подъема. Пояснения
в тексте.
любом месте стола, не прибегая к ее креплению при. помощи
болтов или каких-либо других приспособлений. Уплотнение
между формой и столом осуществляется за счет резиновой
прокладки, укрепленной к опорной поверхности формы и при-
жимаемой к столу весом самой формы.
В машинах, предназначенных для вакуумного формования
с предварительной механической вытяжкой верхним плунже-
ром, а также у пневмоформовочных, механоформовочных и
машин с комбинированными методами формования формую-
щий инструмент точно центрируется и жестко крепится на
столе формовочной камеры.
Зажимные устройства. По принципу действия все зажимные
устройства можно разделить на два типа: рамные и лепестко-
вые. Устройство рамного типа состоит из двух рам, между
которыми закрепляется лист. Нижняя часть рамы при раскры-
тии, как правило, остается неподвижной (рис. 9.5). Верхняя
часть рамы при установке заготовки и съеме готового изделия
или откидывается на шарнирах (рис. 9.5 и 9.6), или припод-
нимается параллельно нижней части рамы (рис. 9.7).
Для обеспечения безопасности работы оператора в зоне
открытой рамы на машинах с ручным и полуавтоматическим
циклом предусмотрены специальные блокирующие устройства,
исключающие возможность защемления рамой рук оператора.
Для этой цели применяют противовесы, пружины или под-
ставки, удерживающие рамы в открытом состоянии.
В том случае, когда крепление листа осуществляется вруч-
ную, чаще всего применяют кулачковые зажимы. При пневма-
тическом приводе для малых машин используют универсаль-
ные цилиндры, одновременно обеспечивающие как раскрытие
рам, так и зажим заготовки (см. рис. 9.5). На более тяжелых
машинах устанавливают зажимные рамы со специальным ци-
линдром подъема (см. рис. 9.6). В этой конструкции подъем
Рис. 9.7. Зажимное устройство на подни
мающейся раме:
1 — верхняя рама; 2 — ролик; 3 — трос; 4 — про
тивовес; 5 — нижняя рама; 6 — формовочная ка
мера.
______J____I
верхней рамы 2 производится цилиндром 1, а зажим заготовки
осуществляется посредством четырех цилиндров 5 с помощью
захватов 4, закрепленных на нижней раме 3. Более удобны в
работе, хотя и менее распространены, лепестковые зажимные
устройства (рис. 9.8). Нижняя рама зажима 1 неподвижна, а
его верхняя часть, состоящая из рейки 2 с рычагами 4, шар-
нирно закреплена на оси 3, на которой она может поворачи-
ваться на 90°. Пружина 5, оттягивая рычаг 4, открывает за-
жим. После установки в нижнюю раму листовой заготовки
шток шарнирно закрепленного пневмоцилиндра 6 нажимает
на рычаг 4 и плотно прижимает лист 7 к установленному в
нижней раме уплотнению 8. По окончании формования давле-
ние из рабочей полости цилиндра сбрасывается, и пружина 5
открывает зажим.
Герметизация листа 3 в зажимной раме (рис. 9.9) осуществ-
ляется при помощи прокладки из теплостойкой пористой рези-
ны 2, укрепленной в пазу нижней рамы 1. Прижимной выступ
верхней рамы 4 не должен иметь острых кромок, чтобы не про-
рвать тонкий лист. Температура зажимной рамы при работе
должна поддерживаться постоянной и выбираться в зависи-
мости от природы перерабатываемого материала. Так, листы,
из полиэтилена зажимают в холодной раме (7^313 К), так
как полиэтилен прилипает к горячему металлу; при формовании
ударопрочного полистирола температуру рамы следует поддер-
живать в пределах 323—343 К-
Сила F, которая зажимает лист при формовании, опреде-
ляется из условия
Г=о6П// (9.1)
где о — растягивающее напряжение, возникающее в листе при формовании;
в — толщина листа; П — периметр зажимаемого листа; f — коэффициент тре-
ния лист — резина.
Рис. 9.8. Зажимное устройство лепесткового типа. Пояснения в тексте.
К вакуумной,
линии
Рис. 9.9. Конструкция устройства для зажима кромки листа. Пояснения в
тексте.
Рис. 9.10. Крепление заготовки при помощи резиновой мембраны. Пояснения
в тексте.
В некоторых универсальных машинах, рассчитанных на
мелкосерийный выпуск изделий различного размера, для креп-
ления заготовки применяют резиновую мембрану (рис. 9.10).
В таких машинах форма 3, размер которой всегда существенно
меньше, чем размер рамы 1, устанавливается в вакуумной ка-
мере 2 так, чтобы верхняя плоскость формы была несколько
выше плоскости разъема зажимной рамы. Листовая заготов-
ка 5 укладывается на форму, нагревается, а затем быстро
прижимается к форме опускающейся вместе с зажимной рамой
резиновой мембраной 4, которая плотно прижимает заготовку
к форме. Далее полость матрицы соединяется с вакуумной ли-
нией, и происходит формование листа, при котором мембрана
деформируется совместно с заготовкой. Дополнительным пре-
имуществом метода зажима • резиновой мембраной является
возможность формования изделий из перфорированной заго-
товки.
Пневмо- и вакуум-системы. Пневмосистемы используют как
для создания давления формования, так и для привода различ-
ных вспомогательных механизмов (привод механизмов переме-
щения нагревателей, смыкания зажимных рамок, перемещение
столов и т. д.). Вакуум-системы используют, как правило,
только для создания перепада давлений, обеспечивающего
процесс формования.
Вакуум-системы. Обычно они состоят из вакуум-насо-
са, ресивера, системы клапанов управления, трубопроводов и
вакуумметра. В вакуум-формовочных машинах, как правило,
применяют насосы низкого вакуума, создающие при нулевом
расходе во всасывающем патрубке минимальное давление по-
рядка 4-Ю-3—1,3-10~5 МПа (30—0,1 мм рт. ст.). Обычно для
этой цели используют одно- и двухступенчатые поршневые, ро-
тационные пластинчатые и двухроторные винтовые вакуум-на-
сосы.
В качестве ресиверов применяют сварные цилиндрические
резервуары с эллиптическими днищами, изготовленные из тон-
колистовой стали. Для упрочнения стенок ресиверов исполь-
зуют внутренние ребра. Вакуумные коммуникации внутри ма-
шины выполняют из бесшовных стальных труб, медных трубок
и вакуумных резиновых шлангов. На машинах с автоматиче-
ским и полуавтоматическим управлением применяют вакуум-
ные клапаны с электромагнитным управлением, на машинах с
ручным управлением—одно- и многоходовые краны.
Пневмосистемы. Все машины в зависимости от вида
пневмосистемы можно разделить на две категории: машины,
имеющие собственный компрессор и ресивер, и машины, питаю-
щиеся сжатым воздухом из цеховой магистрали. Рабочее дав-
ление сжатого воздуха составляет 0,4—2,5 МПа. Наибольшее рас-
пространение в формовочных машинах получили поршневые
компрессоры.
Ресиверы для сжатого воздуха по конструкции почти не от-
личаются от вакуумных, но рассчитаны на работу под внутрен-
ним давлением. В качестве пневмопроводов используют свар-
ные стальные трубы, медные трубки и резиновые шланги,
рассчитанные на работу под внутренним давлением. В систе-
мах управления автоматических машин применяют электро-
магнитные запорные клапаны, в машинах с ручным управле-
нием— краны. Если в машине применяется сжатый воздух с
различным давлением (например, в системе формования и в
сети привода), то на каждой магистрали устанавливается свой
редуктор.
При определении производительности вакуум-насоса исхо-
дят из того, что он при непрерывной работе во время вспомо-
гательных операций создает разрежение в ресивере, а в завер-
шающий момент формования, отключаясь от ресивера, отсасы-
вает воздух из формы. При таком режиме работы часовая
производительность насоса должна быть немного больше про-
изведения объема рабочей полости формы на число циклов в
час.
Для определения основных параметров процесса формова-
ния воспользуемся законом Бойля — Мариотта. Пусть Ро —
остаточное давление в ресивере
ление в форме, равное атмо-
сферному; Р2 — давление, ус-
танавливающееся в форме и
ресивере в начальный момент
формования; Рз — давление в
ресивере в конце цикла фор-
мования; Уф — начальный объ-
ем формы; УР — объем реси-
Рис. 9.11. Расчетная схема вакуум-си-
стемы. Пояснения в тексте.
(рис. 9.11); Pi — начальное дав-
Vp/Vy
Рис. 9.12. Зависимость начального
РфН (1) и конечного РфК (2) давле-
ний формования и их разности
ДРф (3) от отношения объема реси-
вера к объему формы.
вера; К— УР/Уф — отношение
объема ресивера к начально-
му объему формы.
В процессе формования
при деформации листа объем
формы уменьшается; обозна-
чим это уменьшение объема
через ДУ/. Тогда текущее дав-
ление в форме будет равно
(9.2)
р (Л +
Уф(1+Ю-ДУг
Давление формования, под действием которого происходит
деформация листа, равно разности между атмосферным дав-
лением и давлением в форме:
_ КУф(Р1-Р0)-ДУ^
Уф (1 + К) — ДУ/ 1 '
Разность между максимальным и минимальным давления-
ми формования можно определить из выражения
* — К (1 + К} ( - ’
Если принять, что остаточное давление равно нулю, то
ДРф= 0,1/[К(1 +К)] (9.5)
Анализ выражения (9.4) показывает, что с увеличением К
давление формования вначале быстро растет, а затем этот
рост при быстро замедляется (рис. 9.12). Поэтому у
большинства машин К=6—8.
Количество воздуха, необходимое для пневмоформования,
равно объему формы и верхней пневмокамеры, создающей за-
мкнутое пространство над формой. Объем воздуха, расходуе-
мого на предварительную вытяжку листа, равен
Vx =(2-2,5) Уф (9.6)
Объем воздуха Vn, расходуемого на пневматический привод
подвижных частей, рассчитывается как сумма объемов воздуха,
расходуемых в каждой из пневмоцилиндров. Полный расход
сжатого воздуха, определяющий необходимую производитель-
ность компрессора пневмосистемы, равен сумме расходов воз-
духа за один цикл, умноженной на число циклов в час i:
W = (Vx+Vn + Vo)i (9.7)
где Уо — объем воздуха, используемый для отрыва изделия от формы (при
съеме изделия).
9.2.2. Многопозиционные вакуум-формовочные машины
Многопозиционные машины могут быть укомплектованы одно-
. родными позициями или позициями разного назначения. На ма-
шинах с однородными позициями однотипные технологические
операции (например, формование, охлаждение изделия) прохо-
дят на нескольких (обычно двух или трех) позициях.
На многопозиционных машинах с позициями разного на-
значения на каждой позиции проводятся свои, присущие толь-
ко этой позиции технологические операции.
Схема двухпозиционной вакуум-формовочной машины
VP 2000 с однородными позициями приведена на рис. 9.13. Ма-
шина состоит из общей вакуум-системы с ресивером 6, двух
механизмов подъема стола 5, двух комплектов форм 1, Двух
зажимных устройств 2, двух нагревателей 4. На некоторых
машинах устанавливают стол крепления верхних пуансонов 3,
предназначенных для предварительной вытяжки.
Многопозиционные машины с позициями разного назначения
в зависимости от характера движения перерабатываемого ма-
териала подразделяют на карусельные, ленточные и барабан-
ные. Для переработки толстолистовых материалов (толщиной
2—15 мм) наибольшее распространение получили трехпози-
ционные карусельные машины (рис. 9.14). Основная часть ма-
шины— ротор 1 с укрепленными на нем тремя зажимными
рамами 2— при работе периодически поворачивается на угол
120°. На позиции I оператор (или робот) закладывает в за-
жимную раму листовую заготовку и подает команду на ее за-
жим. Затем ротор поворачивается на */з оборота, и заготовка
попадает на позицию II, на которой установлены двухсторон-
ние инфракрасные нагреватели 4. По окончании нагрева ротор
вновь поворачивается на 120°, и нагретая заготовка оказывает-
Рис. 9.13. Двухпозиционная вакуум-формовочная машина VP 2000 с однород-
ными позициями. Пояснения в тексте.
Рис. 9.14. Трехпозиционная карусельная
вакуум-формовочная машина. Поясне-
ния в тексте.
ся на позиции формования Ш,.
где она располагается над фор-
мующей камерой 3. На этой по-
зиции происходит формование и
охлаждение изделия. Следующее
движение ротора вновь приво-
дит отформованную заготовку на
позицию I, на которой оператор
снимает готовое изделие и закладывает в раму новую заготов-
ку. Время поворота на 120° выбирается таким, чтобы оно было-
равно продолжительности разогрева заготовки. Поскольку вре-
мя разогрева обычно в 2—2,5 раза превышает время формова-
ния, то для увеличения производительности строят четырехпо-
зиционные машины, в которых нагрев заготовки осуществляют
на двух соседних позициях.
Все машины карусельного типа работают в полуавтомати-
ческом режиме и не приспособлены для работы с рулонными
материалами. Их можно отнести к машинам комбинированного-
типа, для которых возможно широкое варьирование номенкла-
туры формуемых изделий, но при этом требуется существен-
ная переналадка машины.
Четырехпозиционная машина конвейерного типа (рис. 9.15)
состоит из цепного транспортера 1 с гидравлическим или пнев-
матическим приводом периодического действия, на котором
укреплены четыре зажимные рамы 2. При движении транспор-
тера каждая рама по очереди останавливается против одного
Рис. 9.15. Четырехпозиционная вакуум-формовочная машина конвейерного ти-
па. Пояснения в тексте.
Рис. 9.16. Агрегат ленточного типа для производства и заполнения мелкой та-
ры. Пояснения в тексте.
из исполнительных механизмов. На позиции / производится
выгрузка готового изделия и установка новой заготовки. Затем
рама с заготовкой перемещается на позицию II, где располо-
жены двухсторонние инфракрасные нагреватели 3. Нагретая
заготовка передвигается на позицию III, на которой установ-
лен формующий механизм 4, осуществляющий формование из-
делия. Отформованное изделие переносится на позицию IV,
где оно охлаждается воздушным потоком.
Формование изделий из рулонных материалов может про-
изводиться на многопозиционных машинах ленточного и бара-
банного типов. Агрегат ленточного типа для производства мел-
кой тары (рис. 9.16) состоит из раскаточной стойки, на кото-
рой устанавливается рулон перерабатываемого материала 1,
блока двухсторонних нагревателей 2, механизма формования 3,
дозатора 4, механизма протяжки 5, раскаточной стойки с руло-
ном материала для крышки 6, сварочного блока 7, на котором
к заполненному контейнеру приваривается крышка, вырубного
пресса 8, механизма намотки отходов 9 и .приемного транс-
портера 10. С .раскаточной стойки полотно термопласта попа-
дает в зону нагрева, где оно останавливается и находится в
течение времени, необходимого для нагрева. Затем шаговый
Движитель механизма протяжки 5, приводимый пневмоцилинд-
ром 11, перемещает ленту на один шаг, и нагретый участок
ленты попадает на позицию формования, где происходит оформ-
ление контейнеров (чаще всего в многогнездной форме) и их
охлаждение. Лента с оформленными контейнерами подается к
Дозатору 4, где они заполняются жидким или сыпучим про-
дуктом. Следующий ход механизма протяжки перемещает за-
полненные контейнеры в сварочный блок 7, где к ним термоим-
пульсной сваркой по контуру приваривается слой фольги, дуб-
лированной полимерной пленкой. На вырубном прессе 8 гото-
вые упакованные контейнеры вырубаются из ленты термопласта
и попадают на разгрузочный транспортер 10, перемещающий
их в .приемный бункер. Перфорированная лента термопласта 12
сматывается в рулон механизмом намотки отходов 9.
Машины ленточного типа работают, как правило, в пол-
ностью автоматическом режиме и обладают высокой произво-
дительностью. В настоящее время их применяют не только'
для производства мелкой тары, но и для формования изделий
средних габаритов (например, панелей дверей домашних хо-
лодильников) .
В некоторых автоматических линиях для формования и за-
полнения мелкой тары применяют вакуум-формовочные устрой-
ства барабанного типа (рис. 9.17), конструкция которых позво-
ляет осуществлять формование при непрерывном движении ма-
териала. Полотно пленки, поступающей с раскаточной стой-
ки 1, огибая ролик 2, прижимается им к поверхности медленно
вращающегося барабана 7, на котором выполнены формующие
гнезда. Попадающая на барабан пленка плотно обтягивает
его, поскольку она прижимается к нему с противоположной
стороны роликом 6. Двигаясь вместе с барабаном, пленка
проходит под инфракрасным нагревателем 3, нагреваясь при
этом до температуры формования. Дальнейшее вращение ба-
рабана приводит к тому, что отверстия в формующих гнездах
совмещаются с имеющейся на неподвижной оси 5 выточкой А,
которая в свою очередь соединяется с вакуумной линией агре-
гата. Воздух из гнезд откачивается в ресивер, и атмосферное
давление, вдавливая пленку в гнезда барабана, формует кон-
тейнеры. Проходя мимо охлаждающего воздушного душа 4,
контейнеры охлаждаются; затем, огибая ролик 6, лента отде-
ляется от барабана и поступает в компенсатор 15, в котором
она свешивается длинной петлей, обеспечивающей возмож-
ность сочетания периодического смещения ее в дозировочных S’
и сварочных 11 устройствах с непрерывным вращением бара-
Рис. 9.17. Агрегат с барабанным вакуум-формовочным устройством для фор-
мования и заполнения мелкой тары. Пояснения в тексте.
Рис. 9.18. Агрегат для укупорки изделий в объемную тару со сдвоенным ме-
ханизмом формования барабанного типа. Пояснения в тексте.
бана. Дальнейшее движение ленты осуществляется движите-
лем периодического типа, последовательно перемещающим
ее к дозатору 8, где контейнеры наполняются сыпучим или по-
рошкообразным материалом, прижимному ролику 10, прижи-
мающему к поверхности ленты тонкую пленку дублированной
фольги, поступающей с раскаточной стойки 9. Накрытая плен-
кой фольги лента с контейнерами попадает к сварочному
устройству 11, где к контейнерам герметично привариваются
крышки. Далее лента движется к вырубному прессу 12, на ко-
тором готовые упаковки 13 вырубаются из ленты и соскаль-
зывают в приемный лоток 14.
Для укупорки изделий (например, теннисных мячей) в-
объемную тару применяют сдвоенные барабанные агрегаты
(рис. 9.18). Особенностью агрегата является наличие двух
формующих барабанов 1 и 1а, двух раскаточных стоек, с ко-
торых к барабанам поступает полотно пленки, 2 и 2а, двух
прижимных роликов 3 и За и двух съемных роликов 4 и 4а.
Нижняя лента с отформованными в ней гнездами поступает к
лотку автоматического питателя 5, загружающего в гнезда
упаковываемые штучные изделия 6. Затем на нее сверху на-
кладывается вторая лента с отформованными гнездами, и обе
ленты поступают в сварочно-вырубной пресс 7, в котором обе
половинки упаковки герметично свариваются по контуру и вы-
рубаются из ленты. Готовые упаковки сбрасываются в прием-
ный лоток 8 или поступают на транспортер для готовых изде-
лий 9.
9.3. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ТЕРМОФОРМОВАНИЯ
Для уменьшения энергетических затрат, связанных с -повтор-
ным нагревом охлаждаемой пленки, в промышленности пере-
работки используются комплексные агрегаты (рис. 9.19), в со-
став которых входит листовальный экструдер 1, производящий
листовой материал 4, и многопозиционная формовочная машина
конвейерного типа 11. Питание агрегата осуществляется гра-
нулами термопласта, поступающими из системы пневмотранс-
порта в бункер 2. Отформованное полотно листа проходит че-
рез охлаждающие валки гладильного каландра 5, где темпера-
тура листа снижается до температуры формования, а затем
лист подхватывается цепным транспортером формовочной ма-
шины 11. Установленные на транспортере формы 7 подходят к
позиции формования 6, на которой происходит формование из-
делия. Отформованные в матрицах изделия, двигаясь с транс-
портером, охлаждаются и вырубаются на позиции 8. Готовые
изделия по лотку 10 соскальзывают в приемную тару, а отходы
ленты 9 возвращаются на повторную переработку, попадая
вначале в установленную на верхней части бункера 2 дробил-
ку 8, а оттуда — в бункер экструдера. Для согласования не-
прерывного движения экструдируемого листа с периодическим
.движением транспортера формующей машины служит компен-
сатор 12.
К достоинствам агрегата можно отнести снижение энерго-
затрат, равномерность прогрева листа, снижение транспортных
расходов, а к недостаткам—сложность управления и необхо-
димость точной синхронизации работы экструдера и вакуум-
формовочного агрегата.
Другой современной разновидностью термоформования яв-
ляется так называемое «топформование» (рис. 9.20), при кото-
ром вначале на литьевой червячной машине 1 формуется ли-
стовая заготовка (рис. 9.20, а). Затем эта заготовка распрессо-
вывается между плоским торцом головки 2 и плоской плитой
«основания 3 и превращается в лист 4 (рис. 9.20,0. Получен-
Рис. 9.19. Комплексный экструзионно-формовочный агрегат. Пояснения в тек-
сте.
Рис. 9.20. Принципиальная схема топформования. Пояснения в тексте.
ный горячий лист захватывается зажимной рамой (на схеме
не показана) и переносится на позицию вакуум-формования
(рис. 9.20, в), где он устанавливается над формой 5. Вначале
лист подвергается предварительной механической вытяжке
пуансоном 6, а затем окончательно формуется под действием
вакуума, создаваемого в форме 5. Отформованное и охлажден-
ное изделие 7 выталкивается из формы и направляется в при-
емную тару (рис. 9.20,г). К преимуществам метода относится
малая энергоемкость, уменьшение отходов, поскольку листовой
заготовке легко придать любую форму, возможность получать
заготовку с заданным распределением толщины.
9.4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМ- И ПНЕВМОФОРМОВОЧНЫМИ
МАШИНАМИ
Система управления вакуум- или пневмоформовочной машины
должна выполнять следующие функции: а) обеспечение необ-
ходимой продолжительности и последовательности выполнения
отдельных стадий цикла формования; б) контроль за поддер-
жанием заданных параметров технологического процесса (тем-
пературы листа, давления — разряжения формования, усилия
прижима листа, хода верхнего пуансона и т. д.); в) возмож-
ность внесения корректив в выбранные значения параметров
технологического цикла.
Подобно системам управления литьевых и экструзионно-
выдувных машин, системы управления термоформовочных ма-
шин можно подразделить на те же четыре категории: электро-
механические; терристорно-электронные; с числовым программ-
ным управлением; с микропроцессорным управлением.
В последних конструкциях машин микропроцессор контро-
лирует все параметры технологического цикла: скорость и рав-
номерность нагрева листовой заготовки, глубину и скорость
вакуум- или пневмоформования, величину хода и скорость
опускания верхнего пуансона и др. На ряде машин для умень-
шения времени нагрева имеется программная система управле-
ния интенсивностью нагрева, изменяющая расстояние между
нагревателями и поверхностью листа. В начальный момент на-
греватели подводят очень близко к поверхности листа, а затем,
по мере разогрева листа, их отводят от него.
9.5. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВАКУУМ-ФОРМОВОЧНОЙ
МАШИНЫ
Продолжительность технологического цикла, в течение которо-
го из заготовки формуется изделие, определяется выражением
тц = т3 -|- тн + Тф + то + тм + Тт + Тр (9-8)
где. соответственно т3 — длительность операций загрузки и фиксации листа,
т„ — нагрева, тф — формования, то — охлаждения, тм — механической обработ-
ки (если она выполняется на машине), тт — транспортирования материала,
тр — разгрузки.
Продолжительность времени нагрева можно рассчитать,
зная тепловой поток, излучаемый нагревателями. В соответ-
ствии с законом Стефана — Больцмана интенсивность излуче-
ния нагревателя определится из формулы
q = 5,7Fe[(71/100)4 — (72/100)*] (9.9)
где Fe —коэффициент излучения; Tt— температура поверхности нагревателя;
'7 г — средняя температура листа за цикл нагрева.
Коэффициент излучения FE равен
Fe = + 1/е2 — 1) (9.10)
где Bi — излучательная способность поверхности нагревателя; е2 — то же, на-
гретого листа.
Температура Т2 равна
7,2 = Пк + Т0)/2 (9.11)
тде Тн и То — конечная и начальная температуры листа соответственно.
При расчете Систем нагрева можно приближенно считать,
что КЕ=1. Время нагрева заготовки до заданной температуры
составляет:
т„ = S6p7p (7К - 70)/(Aq) (9.12)
тде S — площадь заготовки; 6 — толщина; р — плотность заготовки; ёр —
среднее значение теплоемкости в интервале температур разогрева Тк—TtJ', А —
суммарная площадь поверхности нагревателя.
Время формования гф определяется скоростью отвода воз-
духа из полости формы. Если пренебречь сопротивлением тру-
бопровода, то время откачивания равно объему формы, делен-
ному на производительность насоса и умноженному на коэф-
фициент изменения давления:
Тф = ГфРр/(ГРк) (9.13)
где Еф — объем формы; Рр — давление в ресивере; W — производительность
вакуум-насоса; Рк — конечное давление в форме.
Продолжительность стадии охлаждения То рассчитывается
по формулам, приведенным в разд. 7.9.4. Остальные состав-
ляющие времени цикла определяются конструкцией машины.
9.6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА ОБОРУДОВАНИИ
ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗ ЛИСТОВЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ
При работе на оборудовании для вакуум- или пневмоформо-
вания возможны тепловые ожоги, механические травмы и по-
ражения электрическим током.
Практически все термопласты при термоформовании не на-
греваются до температуры их термодеструкции. Поэтому при
(правильном ведении технологического процесса вредных ве-
ществ не выделяется. Тем не менее в производственных поме-
щениях должны быть приняты все меры, исключающие воз-
можность отравления продуктами термической деструкции тер-
мопластов. Для удаления из помещения летучих паров и пыли,
образующейся при механической обработке готовых изделий,
у ленточных и дисковых пил, шлифовальных и обрубных стан-
ков должны быть установлены местные вентиляционные отсо-
сы. Все работы, при которых образуются пыль и стружки,
должны проводиться в защитных очках.
Для защиты от поражения электрическим током все перера-
батывающее оборудование должно быть заземлено.
Термические ожоги при работе на оборудовании для термо-
формования обычно возникают при соприкосновении незащи-
щенных рук оператора с горячим листом термопласта, рабочей
поверхностью нагревателя или металлическими деталями, на-
ходящимися в непосредственной близости к нагревателю.
Для обеспечения безопасности необходимо работать в спец-
одежде (в хлопчатобумажных халатах и теплозащитных пер-
чатках). Спецодежда должна быть целой и чистой, полы ха-
латов и рукава застегнуты. Хранить личную одежду разре-
шается только в бытовом помещении цеха.
'К работе в формовочном отделении могут быть допущены
только лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности
при работе в цехе и на рабочем месте.
Запрещается: работать при неисправном заземлении, при
отсутствии охлаждающей воды, при плохо закрепленной фор-
ме, при неисправной блокировке подвижных частей или ограж-
дения; устранять неполадки в механических и электрических
частях машины во время работы оборудования.
ГЛАВА 10
ПРЕССЫ И ПРЕССОВЫЕ ЛИНИИ
10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕССОВ
Прессованием формуют изделия из термо- и реактопластов
путем пластической деформации материала при одновременном
воздействии на него тепла и давления с последующей фикса-
цией формы изделия. Операция прессования осуществляется,
как правило, в пресс-формах, конфигурация рабочих полостей
которых соответствует конфигурации изделий.
При формовании пресс-форму устанавливают между пли-
тами пресса, создающего необходимое для формования сжи-
мающее усилие. Прессы оказывают статическое (неударное)
воздействие на пресс-форму.
Важнейшим классификационным признаком является систе-
ма передачи энергии от двигателя к прессующему механизму.
По этому признаку прессы делят на механические (кривошип-
ные, эксцентриковые, винтовые, рычажные), пневматические,
паровые, гидравлические и комбинированные (пневмогидравли-
ческие, рычажно-гидравлические). В промышленности перера-
ботки пластмасс наибольшее распространение получили гид-
равлические прессы.
Механические прессы находят ограниченное применение для
прессования мелких деталей, таблетирования, обрезания облоя
и литников и некоторых других операций.
По конструктивным признакам гидравлические прессы
(рис. 10.1) подразделяются на колонные (рис. 10.1, а) и рам-
ные (рис. 10.1, б); по типу привода — с групповым или с инди-
видуальным приводом; по расположению главного (рабочего)
цилиндра —с верхним или нижним цилиндром; по количеству
плит — одноэтажные, двухэтажные и многоэтажные; по удель-
ному давлению прессования — высокого (выше 20 МПа) и низ-
кого (до 10 МПа) давления; по характеру управления — с руч-
ным, полуавтоматическим и автоматическим управлением; по>
типу системы обогрева плит — с паровым и электрическим обо-
гревом.
10.2. КОНСТРУКЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА
Привод гидравлического пресса состоит из цилиндра с порш-
нем и насоса. Создавая сравнительно небольшим усилием вы-
сокое давление в рабочем цилиндре насоса, одновременно
создают такое же давление и в рабочем цилиндре пресса; при _
этом усилие, развиваемое в цилиндре пресса, во столько раз
больше усилия, действующего на поршень насоса, во сколько
1
раз площадь поршня рабочего цилиндра больше площади порш-
ня насоса.
Номинальное усилие смыкания гидравлического пресса без
учета потерь на трение в уплотнениях можно определить по
формуле
л£)2
Т = —4~Р (Ю.1)
где D — диаметр плунжера гидроцилиндра; Р — давление гидравлической
жидкости.
В соответствии с ГОСТ 8200—70 гидравлические прессы,
предназначенные для прессования изделий из пластмасс, вы-
пускаются с номинальным усилием кН (тс) : 100(10), 160(16);
250(25); 400(40); 630(63); 1000(100); 1600(160); 2500(250);
4000(400); 6300(630). Для каждого типоразмера ГОСТ регла-
ментирует: ход подвижной плиты, наибольшее расстояние меж-
ду неподвижной и подвижной плитой, размеры стола, номи-
нальное усилие и ход выталкивателя, скорость подвижной
траверсы (плиты) при холостом, рабочем и возвратном ходах,
скорость выталкивателя при рабочем ходе.
Четырехколонный одноэтажный гидравлический пресс (см.
рис. 10.1, а) состоит из замкнутой силовой рамы, образованной
нижней 17 и верхней 3 траверсами и соединяющими их четырь-
мя цилиндрическими колоннами 10. Крепление колонн к тра-
версам осуществляется при помощи массивных гаек 4. Главный
цилиндр 1 неподвижно закреплен в верхней траверсе (архи-
траве). К плунжеру 2 главного цилиндра 1 при помощи бол-
та 18 крепится подвижная траверса (плита) 9, перемещающая-
ся по колоннам пресса, как по направляющим. На краях по-
движной траверсы укреплены штоки 19 возвратных (ретурных)
цилиндров 12, закрепленных в гнездах нижней траверсы 17.
В отверстиях подвижной траверсы запрессованы направляю-
щие втулки 8, которые при движении траверсы скользят по
колоннам. Крайнее нижнее положение траверсы ограничивается
съемными упорами 11, предотвращающими выталкивание глав-
ного плунжера из цилиндра. В проточке главного цилиндра
установлены грундбукса (направляющая втулка) 5 и уплот-
няющая манжета 6. Для защиты поверхности плунжера и ман-
жет от попадания на них мелких абразивных частиц перед
манжетами устанавливают эластичный пыльник. Манжета и
пыльник удерживаются в гнезде при помощи втулки с флан-
цем 7, укрепленной посредством шпилек.
Движение плунжера вниз (рабочий ход) происходит под
давлением жидкости, подаваемой в главный цилиндр пресса.
При этом полости ретурных цилиндров соединяют со сливом.
Открытие пресса происходит под действием усилия, развивае-
мого ретурными цилиндрами. В это время рабочую полость
главного цилиндра' соединяют со сливом. На поверхность стола
подвижной траверсы и на опорную поверхность неподвижной
обычно устанавливаются обогреваемые плиты с паровым или
электрическим обогревом. Пресс-форма с подлежащим формо-
ванию материалом устанавливается на поверхность нагретой
плиты и пресс закрывается под действием давления жидкости,
подаваемой в рабочую полость цилиндра. Тепло, подаваемое
к материалу от горячей плиты, расплавляет его, и расплав
вдавливается пуансоном в матрицу формы.
Рамный гидравлический пресс (рис. 10.1,6) отличается от
колонного тем, что силовая конструкция в нем образована
двумя стальными рамами 1, в которые вставлены и укреплены
верхняя 2 и нижняя 3 траверсы.
На некоторых типах прессов применяют стационарные
Рис. 10.2. Паз для крепежных болтов.
Рис. 10.3. Колонный четырехэтажный
пресс:
1 — цилиндр; 2 — плунжер; 3 — станина;
4 — подвижная траверса; 5 — колонна;
6 — плнта с паровым обогревом; 7 — верх-
няя траверса (архитрав); 8 — трубы паро-
проводов; 9—паровой коллектор; 10—
манжета уплотнения.
7
пресс-формы, которые крепятся непосредственно к поверхности
стола специальными монтажными болтами, вставленными в
специальные Т-образные пазы (рис. 10.2), размеры которых
унифицированы и определяются ГОСТ 16114—80 и
ГОСТ 1574—75.
В столах прессов с усилием прессования от 100(10) до
400(40) кН (тс) делают по два паза, проходящих по диагона-
лям стола. В столах прессов с усилием прессования свыше
400(40) и до 1600(160) кН (тс) к двум диагональным пазам
добавляется третий, проходящий через центр стола параллель-
но одной из его сторон. В столах прессов свыше 1600(160) и
до 6300(630) кН (тс) пазы располагают параллельно более
короткой стороне с шагом 150 мм.
Цилиндр выталкивателя 14 (см. рис. 10.1, а) укреплен в цент-
ральном окне на нижней траверсе на стойках 15. Выталкива-
ние изделия производит дифференциальный плунжер 13, пере-
мещающийся во время выталкивания вверх под действием
давления жидкости, подаваемой в нижнюю полость цилиндра.
Пресс крепится к фундаменту при помощи литых стоек 16.
Если главный цилиндр пресса располагается снизу (рис. 10.3),
то плунжер и подвижная траверса могут возвращаться в ниж-
нее положение под действием собственного веса. Принудитель-
ное обратное перемещение рабочего стола может производить-
ся либо при помощи ретурных цилиндров, либо при помощи
ступенчатых (дифференциальных) главных плунжеров двух-
стороннего действия.
При установке ретурных цилиндров во избежание перекосов
их размещают попарно по диагонали или на средней линии
пресса.
Дифференциальные цилиндры компактнее и менее металло-
емки. Недостаток их — необходимость шлифовки внутренней
поверхности цилиндра по всей его длине и повышенные требо-
вания к надежности подвижных уплотнений, в качестве кото-
рых чаще всего применяют поршневые кольца. Замена износив-
шихся уплотнений дифференциального плунжера требует прак-
тически .полной разборки цилиндра и занимает гораздо больше
времени, чем замена манжет на обычном гидроцилиндре.
Цилиндр пресса обычно изготавливают из стального литья
(при давлении жидкости не более 32 МПа). Заготовки, из ко-
торых изготавливают цилиндры, тщательно проверяют на на-
личие раковин, трещин или волосных трещин, присутствие
которых недопустимо. Кованые цилиндры изготавливают из
углеродистых или низколегированных сталей. Поковки перед
механической обработкой для снятия внутренних напряжений
и улучшения структуры металла подвергают нормализации
(разновидность термообработки).
Цилиндры прессов изготавливают по 3 классу точности.
Шероховатость поверхности глухих цилиндров должна соответ-
ствовать 6 классу чистоты, сквозных — 7—8 классу. Направ-
ляющую втулку (грундбуксу), через которую плунжер контак-
тирует с цилиндром, изготавливают из оловянистой бронзы
или антифрикционного чугуна. Втулки большого диаметра для
экономии бронзы выполняют биметаллическими с толщиной
слоя бронзы 2—4 мм. Хорошо себя зарекомендовали и втулки
с тонким полимерным покрытием (например, капрографитом),
нанесенным центробежным методом. Срок службы металло-
полимерных втулок в несколько раз выше, чем бронзовых.
Длина направляющей втулки составляет от 0,6 до 1,0 диамет-
ра плунжера, при этом большие значения соответствуют мень-
шим диаметрам плунжера. Если диаметр направляющей втулки
не превышает 700 мм, то обычно ее устанавливают в цилиндре
по напряженной посадке; при большем диаметре для облегче-
ния сборки втулку устанавливают по скользящей посадке.
Сопряжение плунжера с направляющей втулкой обычно осуще-
ствляется по ходовой посадке 3 класса точности.
Плунжер гидравлического пресса воспринимает от гидрав-
лической жидкости рабочее усилие и передает его на подвиж-
ную траверсу. Основные требования, предъявляемые к плун-
жеру — повышенная твердость и чистота поверхности, посколь-
ку от соблюдения этих требований зависит срок службы уплот-
нений и направляющей втулки. Поэтому поверхность плунжера
обычно шлифуют и полируют.
Плунжеры малого диаметра изготавливают сплошными из
углеродистой стали. Плунжеры больших диаметров часто де-
Рис. 10.4. Эластичные уплотнительные
кольца:
а__начальное положение О-образного кольца:
g__положение О-образного кольца при действии
давления’; в — Х-образное кольцо; г — Т-образноё
кольцо.
лают полыми из стального литья,
рассчитывая их как толстостенные
сосуды, работающие под внешним
давлением.
Уплотнения гидравлического
пресса должны сводить до минимума утечки рабочей жидкости
из полости цилиндра. Одновременно они должны предотвра-
щать попадание в цилиндр пыли и песка, абразивное действие
которых может вызвать преждевременный износ рабочих орга-
нов. Уплотнение неподвижных соединений (труб, фланцев, кры-
шек и т. п.) осуществляют при помощи различных прокладок,
манжет и неразрезных колец. Зазоры между подвижными де-
талями уплотняют манжетами, сальниками, резиновыми коль-
цами и поршневыми (разрезными) кольцами.
Эластичные уплотнительные кольца, применяющиеся для
уплотнения деталей возвратно-поступательного движения (рис.
10.4), обычно изготавливают из специальной резины. Наиболее
распространены О-образные кольца (рис. 10.4, а), которые по-
зволяют уплотнять зазоры при двухстороннем движении при
давлении до 10 МПа. Кольца устанавливают в канавках пря-
моугольной формы. Герметичность уплотнения достигается за
счет предварительного (до 10%) сжатия начального диаметра
сечения кольца при установке. Деформируясь при движении
под влиянием перепада давлений, кольцо уплотняет зазор так,
как показано на рис. 10.4,6. Если направление давления рабо-
чей жидкости изменяется, кольцо перемещается в канавке и
прижимается к другой стенке.
Х-образные кольца (рис. 10.4, в) с четырьмя округлыми
ребрами применяют в тех же условиях, что и О-образные. По-
скольку Х-образные кольца обладают устойчивостью к спи-
ральному скручиванию, их целесообразно применять для уплот-
нения вращающихся валов. Величина диаметрального сдавли-
вания Х-образных колец составляет 5—10%. Для высоких дав-
лений (до ТОО МПа) применяют Т-образные кольца (рис.
10.4,г). При их монтаже необходимы металлические подклад-
ные кольца, которые предотвращают выдавливание уплотне-
ния в зазор.
Для нормального монтажа эластичных колец необходимо
предусмотреть на цилиндре наличие входной фаски и закруг-
лить все острые кромки, чтобы при сборке не защемить и не
подрезать кольцо. Срок службы уплотнения сильно зависит от
качества обработки канавки и рабочей поверхности, по кото-
рой перемещается кольцо.
Рис. 10.5. Манжета воротниковая резиновая.
Манжетные уплотнения широко применяют для уплотнения
плунжеров гидравлических прессов. По конструктивным осо-
бенностям манжеты подразделяются на воротниковые (U-об-
разные) (рис. 10.5), полуворотниковые (V-образные, шеврон-
ные или кровлеобразные), штоковые и поршневые.
Пример шевронного уплотнения приведен на рис. 10.6.
Уплотнение смонтировано на штоке 1, на котором штифтами 3
закреплены два стакана 2, образующие верх и низ поршня.
Между стаканами и кольцами 7 расположены два шевронных
уплотнения, каждое из которых состоит из подушки 4, ман-
жет 5 и упора 6. Каждая из манжет вставляется в поршень
так, чтобы действующее в цилиндре 8 давление жидкости при-
жимало юбку манжеты к стенкам цилиндра. Для облегчения
установки манжет в проточку цилиндра в нем предусматри-
вают заходную фаску под углом 30° и высотой около 10 мм.
Теплостойкость манжет невелика. Так, кожаные манжеты
растительного дубления можно применять при температурах до
40 °C, хромовые —до 70 °C, резиновые —до 80 °C, поливинил-
хлоридные— до 60 °C.
Поршневые кольца широко применяют для уплотнения в
компрессорах, насосах и гидравлических прессах с плунжера-
Рис. 10.6. Уплотнение дифференциального поршня шевронными резиновыми
манжетами. Пояснения в тексте.
Рис. 10.7. Замки поршневых колец:
ct — прямой; б — косой; в — ступенчатый.
ми дифференциального действия. Поршневые кольца изготав-
ливают из кованой бронзы или перлитного чугуна с высокими
механическими и антифрикционными свойствами. В некоторых
случаях применяют графитизированный фторопласт. Материал
колец обычно подбирают таким образом, чтобы он составлял
с цилиндром и поршнем антифрикционную пару. Поршневые
кольца имеют прямоугольное поперечное сечение и монтируют-
ся на поршне в специальных кольцевых канавках. Наружные
и боковые поверхности кольца работают в паре с внутренней
поверхностью цилиндра и торцевой поверхностью канавки
поршня. Поэтому их обрабатывают по 9—10 классу чистоты.
Начальное давление, с которым кольцо прижимается к
стенке цилиндра, создается за счет упругой деформации коль-
ца и составляет в зависимости от рабочего давления от 0,03
до 0,15 МПа. Под действием давления рабочей жидкости коль-
цо оттесняется к боковой поверхности поршневой канавки и,
раздвигаясь, сильнее прижимается к стенкам цилиндра. Место
стыка кольца — замок (рис. 10.7) может быть выполнено пря-
мым, косым и ступенчатым. Зазор в замке (стыке) установлен-
ного в цилиндре кольца должен составлять So=0,l—0,6 мм.
(Значение зазора следует сопоставить с удлинением кольца от-
температурного расширения при максимально возможном ра-
бочем разогреве). Радиальная толщина кольца t составляет от
V20 до 7зо диаметра цилиндра. Ширина кольца &=(1—1,2)Л.
Число колец, устанавливаемых на поршне, зависит от рабоче-
го давления. Если давление в цилиндре составляет 0,6—1 МПа,,
то обычно устанавливают не более двух колец, при более вы-
соких давлениях число колец увеличивается. Так, в машинах,,
работающих при давлении 32 МПа, устанавливают от 3 ДО'
8 колец. При этом основное уплотнение создается тремя пер-
выми кольцами. Остальные кольца включаются в работу по
мере износа первых, что существенно увеличивает межремонт-
ный пробег.
10.3. ГИДРОПРИВОД
Различают два основных типа гидропривода гидравлических
процессов: групповой (насосно-аккумуляторный)' и индиви-
дуальный (насосный и насосно-аккумуляторный). Групповым
называют такой привод, который обеспечивает рабочей жид-
костью несколько (от двух до десяти) прессов от централизо-
ванной насосно-аккумуляторной станции (рис. 10.8). Насосы 1
подают рабочую жидкость из бака 2 через управляющие ди-
стрибуторы 5 к прессам 6 и аккумулятору 4. Во время рабочего1'
хода пресса жидкость поступает в главный цилиндр пресса как
от насосов, так и из аккумулятора. Во время выдержки мате-
риала под давлением насосы нагнетают жидкость в аккумуля-
тор через клапан 3, создавая запас рабочей жидкости для
следующего цикла.
Рис. 10.8. Схема группового аккумуляторного привода. Пояснения в тексте.
По принципу поддержания давления различают грузовые,
пневмопоршневые, пневмобеспоршневые и пневмогидравличе-
ские аккумуляторы (рис. 10.9).
Грузовой аккумулятор (рис. 10.9, а) представляет собой
установленный вертикально стальной гидравлический ци-
линдр 3 с плунжером 7, нагруженным чугунными грузами 4.
Цилиндр установлен на опорной плите 1. На верхнюю часть
плунжера насажена крестовина 5, к которой при помощи тяг
6 подвешена плита 8 с грузом. Давление, передаваемое на
плунжер, регулируется количеством грузов 4. При опускании
Рис. 10.9. Аккумуляторы:
а — грузовой; б — пневмопоршневой; в — пневмобеспоршневой; г — пневмогидравлический.
Пояснения в тексте.
груза в крайнее нижнее положение плита опирается на упо-
ры 2. В нижней части плунжера имеются каналы А, прекра-
щающие его подъем путем вывода из-под него жидкости через
кольцевую расточку у отверстия Б в цилиндре. Грузовые ак-
кумуляторы способны поддерживать практически постоянное
давление. Однако они очень громоздки и при резком тормо-
жении вызывают гидравлические удары в трубопроводах.
Пневмопоршневой аккумулятор (рис. 10.9, б) состоит из
пневматического цилиндра 4 с поршнем 3 и гидравлического
цилиндра 8 с плунжером 7. Обычно диаметр поршня в не-
сколько раз больше диаметра плунжера. Плунжер и поршень
жестко связаны между собой, вследствие чего при движении
плунжера в пневмоцилиндре возникают резкие колебания дав-
ления воздуха, а следовательно, становится переменным и
давление рабочей жидкости, поступающей к прессам. Для сни-
жения этих колебаний увеличивают объем воздушной части
путем подсоединения к цилиндру 4 воздушных баллонов 5.
Воздух в баллоны подкачивается компрессором 6. Рабочая
жидкость от насоса поступает в гидроцилиндр через обратный
клапан 1, воздействуя при этом на плунжер 7, вследствие чего
поршень 3 сжимает воздух в пневмоцилиндре 4 и воздушных
баллонах 5. Жидкость к работающим прессам выдавливается
сжатым воздухом. Одним из основных недостатков такого типа
аккумуляторов является громоздкость установки.
Пневматический беспоршневой аккумулятор (рис. 10.9, в)
состоит из вертикально установленного баллона 1 для аккуму-
лируемой жидкости и баллонов 2 для сжатого воздуха. Воздух
в баллоны подкачивается компрессором 4 по трубопроводу 3.
Вытесняемая воздухом рабочая жидкость из баллона 1 по тру-
бопроводу 8 через клапан 9 направляется к гидравлическим
прессам. Жидкость в аккумулятор поступает от насоса 6 по
трубопроводу 12 через обратный клапан 10. Отработанная жид-
кость от прессов по магистрали 7, а также избыток жидкости
от насоса через перепускной клапан 11 направляется в резер-
вуар 5.
Преимущество пневмобеспоршневых аккумуляторов — это
отсутствие подвижных частей и,' следовательно, отсутствие
уплотнений. Эти аккумуляторы компактны. При их работе не
возникает гидравлических ударов. Недостатком этих аккумуля-
торов является колебание давления в гидросистеме, возникаю-
щее вследствие изменения уровня жидкости и соответствую-
щего изменения отношения объемов газовой и жидкой фаз.
Обычно это колебание давления не превышает 10% При боль-
шем падении давления компрессор 4 подкачивает воздух в си-
стему. Уровень жидкости в аккумуляторе обычно контролирует-
ся при помощи подплавковых уровнемеров, прекращающих по-
дачу жидкости в аккумулятор при его заполнении и отключаю-
щих аккумулятор от потребителей при снижении уровня до
минимального значения.
Пневмогидравлический аккумулятор (рис. 10.9, г) состоит
из металлического баллона 1 с резиновым мешком 7. Аккуму-
лятор имеет два клапана: клапан 2 для подачи воздуха и кла-
пан 5 для нагнетания рабочей жидкости и удержания резино-
вого мешка при его расширении. Для предотвращения повы-
шения давления сверх допустимого в нижней части баллона
имеется эластичная прокладка 6, которая лри достижении мак-
симального давления выжимается из зазора и тем самым пред-
охраняет аккумулятор от перегрузки. Пробка 3 служит для
удаления воздуха из. гидросистемы. При работе аккумулятор
вначале заполняют сжатым воздухом. При этом резиновый
мешок расширяется и плотно прилегает к внутренней поверх-
ности баллона 1. По мере нагнетания масла через штуцер 4
воздух в мешке сжимается, и объем мешка уменьшается.
При падении давления в системе воздух в мешке расширяется,
вытесняя масло из аккумулятора в гидросистему. Если в каче-
стве рабочей жидкости применяют воду, то внутреннюю по-
верхность баллона для защиты от коррозии покрывают слоем
синтетической смолы. Пневмогидравлические аккумуляторы
выпускают на рабочее давление 20—30 МПа. Их полезная ем-
кость может составлять от 1 до 10 л.
Аккумуляторы такого типа не только применяют по пря-
мому назначению, но также устанавливают на магистральных
трубопроводах для сглаживания колебаний давления, вызван-
ных пульсирующей нагрузкой при быстром открывании вентилей
и клапанов. Возникающая при этом ударная волна (гидравли-
ческий удар), вызванная резким торможением потока жид-
кости, при установке на магистрали нескольких малогабарит-
ных аккумуляторов моментально гасится, не причиняя никакого
вреда ни трубопроводам, ни гидроаппаратуре. В некоторых
конструкциях индивидуальных гидроприводов малогабаритные
аккумуляторы применяют для компенсации утечек на стадии
прессования после достижения номинального давления.
Индивидуальный гидропривод (рис. 10.10) состоит из бака
10, на котором обычно устанавливают два насоса: шестеренча-
тый насос низкого давления 9 и эксцентриковый плунжерный
насос высокого давления 6. Масло от шестеренчатого насоса
поступает к циркуляционному клапану низкого давления (охо-
лостителю) 8, предназначенному для защиты насоса низкого
давления от попадания в него жидкости под высоким давле-
нием. При повышении давления в гидросистеме более 1,0—
1,5 МПа охолоститель переключает поток масла от шестерен-
чатого насоса на слив, отсоединяя его от основной магистрали.
Этой же цели служит и обратный клапан 11.
Золотниковые распределители 4 и 5, к которым поступает
масло от насосов высокого и низкого давления, управляют на-
правлением потока масла и направлением движения поршней
рабочего цилиндра 3 и цилиндра выталкивателя 1, установлен-
ных соответственно в верхней и нижней траверсах пресса 2.
Рис. 10.10. Принципиальная схема гидропресса с индивидуальным гидропри-
водом. Пояснения в тексте.
Для очистки масла от механических включений на возврат-
ной магистрали устанавливается фильтр 12. Охолоститель 7
предназначен для направления на слив масла от насоса высо-
кого давления при достижении в гидросистеме давления прес-
сования. Конечный выключатель 13 служит для управления
скоростью опускания траверсы. Он устанавливается таким об-
разом, чтобы за 20 мм до смыкания формы отключить шесте-
ренчатый насос и резко снизить скорость смыкания пресса.
Обычно скорость холостого хода составляет 50—120 мм/с,
снижаясь в момент смыкания формы до 2—2,5 мм/с. Скорость
подвижной траверсы при открытии пресса составляет 40—
120 мм/с.
В качестве насосов низкого давления (РМакс^7,0 МПа)
применяют также лопастные, червячно-винтовые и кривошип-
но-плунжерные насосы.
В качестве насосов высокого давления (РМакс>10 МПа)
в основном используют плунжерные насосы кривошипного, экс-
центрикового или ротационного типов.
Трубопроводы гидросистем изготавливают из жестких ме-
таллических и эластичных неметаллических труб, применяя
при монтаже неподвижные и подвижные способы их соедине-
ния, такие, как сварка, соединительные муфты, тройники и кре-
стовины. Трубопровод, по которому жидкость поступает от на-
соса к прессу, называется напорной магистралью, а трубопро-
вод, по которому отработавшая жидкость отводится из-цилинд-
ра в бак, — сливной магистралью.
Основными характеристиками трубопровода является номи-
нальный диаметр (по ГОСТ 14063—68 он может быть равен 2,5;
4; 6,0; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200;
250 мм) и рабочее давление Рраб — наибольшее избыточное
давление, при котором обеспечивается длительная работа ар-
матуры и соединительных частей при рабочей температуре
среды. При испытаниях гидросистемы ее опрессовывают проб-
ным давлением Рп=1,5 Рраб.
Скорость течения жидкости в напорном трубопроводе обыч-
но составляет 6—10 м/с, достигая в отдельных случаях 30 м/с.
Трубопроводы, работающие под высоким давлением, изго-
тавливают из стальных бесшовных труб. Толщину стенки S
напорного трубопровода, работающего в условиях статического
давления Р, определяют по формуле Ляме, применяемой для
расчета толстостенных сосудов:
-1/ <10-2)
где ар — допускаемое напряжение при растяжении; d — внутренний диаметр
трубы.
На практике гидравлические магистрали работают в усло-
виях как статического, так и динамического нагружения. Ди-
намическая составляющая появляется вследствие гидравличе-
ских ударов при быстром срабатывании распределительных
устройств, а также за счет пульсаций давления жидкости и
колебания самих трубопроводов.
Разрушение труб при пульсациях давления чаще всего
начинается на тех участках, на которых трубы имеют эллип-
тическое сечение. Под действием внутреннего давления эллип-
тическое сечение стремится превратиться в круглое. Поэтому
на участках наибольшей кривизны в стенках трубы возникают
максимальные растягивающие напряжения. Как правило, наи-
большему сплющиванию трубы подвергаются в месте изгиба.
Вследствие этого минимальный радиус изгиба труб не должен
быть меньше трех наружных диаметров.
Коэффициент запаса прочности для труб, работающих под
пульсирующим давлением, амплитуда пульсаций которого со-
ставляет 40—50% номинального, увеличивают вдвое по срав-
нению со значением, применяемым для труб, работающих в
статических условиях.
Подвижные участки трубопроводов изготавливают из тол-
стостенных резинотканевых шлангов с металлической оплеткой
или гофрированных металлических труб с проволочной оплет-
кой.
Подвижное соединение жестких трубопроводов осуществ-
ляют при помощи телескопических или шарнирных соединений.
10.4. АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРЕССОМ
Аппаратура управления гидропрессом с групповым насосно-
аккумуляторным приводом, как правило, сильно отличается
от аппаратуры управления гидропрессом с индивидуальным
приводом, Хотя ₽ обоих случаях назначение систем управле-
Рис. 10.11. Шпиндель-
ный (а) и золотнико-
вый (б) дистрибуторы.
Пояснения в тексте.
ния — соединять в необходимой последовательности рабочие и
возвратные полости гидравлических цилиндров с источником
Жидкости под давлением или со сливной магистралью, кон-
структивное выполнение отдельных элементов систем управле-
ния существенно различно.
Аппаратура управления гидропрессами с групповым приво-
дом. В системах управления групповым гидроприводом до на-
стоящего времени широко распространены различные распре-
делительные механизмы-дистрибуторы с ручным управлением.
По конструкции дистрибуторы подразделяются на крановые,
шпиндельные и золотниковые. Наряду с этим применяют и
дистрибуторы с автоматической системой привода — это в
основном клапанные дистрибуторы с электромагнитным управ-
лением.
Шпиндельный дистрибутор (рис. 10.11, а), применяемый при
ручном управлении пресса, состоит из корпуса 4 с четырьмя
шпинделями 6, каждая пара которых управляет одним гидро-
цилиндром пресса. В корпусе 4 в каждой секции имеются: го-
ризонтальный канал А, соединяющийся с трубопроводом Б
цилиндра, и вертикальные каналы, соединяющиеся с магист-
ралями высокого (В) и низкого (Г) давления. В верхнюю и
нижнюю части вертикальных каналов устанавливаются втулки
2 и 3 со штуцерами 1 и 5; при этом в верхний штуцер ввер-
тывается шпиндель 6. Вращая вручную квадратную головку
шпинделя так, чтобы его конический конец вошел в нижнюю
втулку 2, перекрывают доступ рабочей жидкости к цилиндру
пресса.
Золотниковые дистрибуторы (рис. 10.11,6) применяются при
полуавтоматическом и автоматическом управлении прессом.
Они могут приводиться в действие от электродвигателя 1 через
реечную передачу, состоящую из шестерни 2 и рейки 3. Ди-
стрибутор состоит из корпуса 4 и золотника 5, перемещаемого
рейкой, зубья которой нарезаны на хвостовике стрежня золот-
ника. Золотник имеет два вертикальных канала А, соединенных
центральным каналом Б. Рабочая жидкость из магистрали Д
по каналу В поступает в цилиндр 6 и давит на поршень 7, но,
так как магистраль Г перекрыта золотником, поршень не мо-
жет двигаться.
При перемещении золотника вправо жидкость из штоковой
полости цилиндра через каналы Г, А и Б начнет поступать в
сливную магистраль Е, и поршень передвигается влево.
При перемещении золотника влево поршень передвигается
вправо.
Крановые дистрибуторы (рис. 10.12) состоят из корпуса 1
с цилиндрическим или коническим гнездом, в .которое встав-
ляется соответственно цилиндрическая или коническая проб-
Рис. 10.12. Крановый дистрибутор:
а — двухходовой; б — трехходовой; е — четырехходовой; 1 — корпус; 2 — пробка.
Рис. 10.13. Клапан с электромагнитным
управлением. Пояснения в тексте.
ка 2. По числу соединяемых тру-
бопроводов различают двуххо-
довые, трехходовые, и четырех-
ходовые краны-дистрибуторы.
Двухходовой кран можно ис-
пользовать как запорное уст-
ройство. Трехходовой кран поз-
воляет управлять одной рабочей
полостью. Четырехходовой кран
позволяет впускать рабочую
жидкость в одну из двух полос-
тей гидроцилиндра и одновре-
менно выпускать жидкость из
его другой полости.
В системах автоматического
управления гидроприводом
прессов с питанием от насосно-
аккумуляторных станций приме-
няют также клапанные дистри-
буторы с электрическим управ-
лением.
Дистрибуторы систем автоматического управления состоят
из клапанов с электромагнитным управлением (рис. 10.13).
Каждый клапан состоит из корпуса 4 с крышкой 9 и фланца-
ми 3 и 5, поршня 17, стержня 14 с игольчатым клапаном 7 и
сердечника 10. На диамагнитную трубку И надевается соле-
ноидная катушка 13. При подаче напряжения на катушку сер-
дечник 10 втягивается в трубку. В процессе движения сердеч-
ник упирается в выступ стержня 14, передвигая его с игольча-
тым клапаном в крайнее верхнее положение; при этом откры-
вается центральный канал А. Подъем клапана ограничивается
пробкой 12. Внутренняя полость клапана, находящаяся над
поршнем, постоянно соединена с входным отверстием клапана
через боковой канал Б. Диаметр бокового канала в 1,5—2 раза
меньше диаметра центрального канала.
В результате движения жидкости через каналы Б и А по
обе стороны поршня возникает разность давлений (над порш-
нем давление меньше, а под поршнем — больше), и поршень
поднимается, открывая проход жидкости из магистрали к прес-
су через седло 18, штуцер 2 и далее через ниппель 19.
Для закрытия клапана достаточно обесточить электромаг-
нит 13. После выключения тока сердечник, стержень и иголь-
чатый клапан опускаются, и центральный канал закрывается,
вследствие чего исчезает разность давлений. Поршень под дав-
лением жидкости и пружины 16, которая верхним торцом
упирается в кольцо 8, закрывает отверстие в седле 18.
Для уменьшения гидравлических ударов скорость жидкости
при проходе через клапан регулируется дросселем 20, который
крепится к штуцеру 2 гайкой 1. Чтобы предотвратить подтека-
ние жидкости при перемещении поршня по гильзе 15, на нем
устанавливают резиновые кольца 6.
Кроме дистрибуторов в гидросистемах прессов применяют
предохранительные клапаны, которые защищают гидросистемы
от самопроизвольного увеличения давления, и переливные
клапаны, которые обеспечивают поддержание в гидросистеме
постоянного рабочего давления. Работа переливного клапана
основана на уравновешивании давления действующей на кла-
пан жидкости усилием пружины.
В тех случаях, когда нужно от одного насоса, подающего
жидкость под постоянным давлением, привести в действие не-
сколько потребителей, работающих при разных давлениях,,
меньших давления в основной сети, применяют редукционные
клапаны, представляющие собой самонастраивающиеся дрос-
сели, способные снижать давление и поддерживать его на за-
данном уровне.
Аппаратура управления гидропрессом с индивидуальным
приводом. 'Системы управления гидропрессами с индивидуаль-
ным приводом в основном подобны системам управления гид-
роприводом литьевых машин. В качестве дистрибуторов в них
обычно применяют гидравлические золотники с электромагнит-
ным управлением. Для примера рассмотрим схему управления
гидропрессом со сдвоенными насосами (рис. 10.14). 'Гидропри-
вод пресса состоит из сдвоенного шестеренчатого насоса низ-
кого давления 1 и эксцентрикового трехпоршневого насоса вы-
сокого давления 2 (Р№&Кс= 32 МПа), установленных на крыш-
ке масляного бака 3. В баке установлены нагреватель 21 и
змеевик-холодильник 20, которые поддерживают рабочую тем-
пературу масла в системе на уровне 50—60 °C. Давление прес-
сования регулируется при помощи регулятора давления 4 и
контактного манометра 10. Для управления работой главного
цилиндра 9 и выталкивателя 6 служат два гидроуправляемых
дистрибутора 14 и 16, перемещаемых при помощи электромаг-
нитных дистрибуторов 15, 15а и 156. На сливных магистралях
для очистки масла установлены фильтры 5. Оба золотника на
схеме изображены в нейтральном положении. При включении
двигателя привода обоих насосов поток масла от шестеренча-
того насоса 1 проходит через управляемый электромагнитом
золотник 18 и обратный клапан 17 в трубопровод а, где он
смешивается с потоком масла, поступающим от поршневого
насоса, и попадает в золотникорый дистрибутор 16, проходя
через который, масло направляется обратно в бак.
Для опускания плунжера (закрытия пресса) необходимо
включить электромагнит Э1, который сдвинет золотник 15
вниз. При этом управляющая магистраль подает масло в ле-
вую камеру золотника 16, и он смещается в крайнее правое
положение; теперь поток масла от обоих насосов поступит к
Рис. 10.14. Схема управления гидропрессом с приводом от сдвоенного насоса
(сплошные линии — рабочие магистрали; пунктир — магистрали управления):
1 — насос низкого давления; 2 — насос высокого давления; 3 — бак; 4 — предохранитель-
ный клапан насоса высокого давления; 5 — масляный фильтр; 6 — поршень выталкива-
теля; 7 — гидроцилиндр выталкивателя; 8— поршень главного цилиндра; 9 — главный
гидроцилиндр пресса; 10 — контактный манометр (реле давления); 11 — поддерживаю-
щий клапан; 12 — запорный клапан; 13 — кулачок выталкивателя; 14 — управляющий
золотниковый дистрибутор; 15. 15а, 156 — вспомогательные дистрибуторы системы управ-
ления с электромагнитным приводом; 16 — реверсивный золотниковый дистрибутор; 17 —
обратный клапан; 18 — управляемый электромагнитный переливной золотник; 19 — охо-
лос гит ель; 20 — холодильник; 21 — нагреватель.
магистрали с, двигаясь по которой, он попадает к запорному
клапану 12. Давление масла, действующее на торец поршня С,
сжимает пружину, выдавливая масло из полости СА через
сообщающийся с поршневой областью дросселирующий ка-
нал s. Регулируя натяжение пружины клапана С, можно на-
страивать его на то или иное давление холостого хода. Пройдя
запорный клапан 12, поток масла по магистрали i попадает в
рабочую полость цилиндра 9 и перемещает поршень 8 вниз.
Выдавливаемое из надштоковой полости масло проходит по
трубопроводу к поддерживающему клапану 11. Поскольку пор-
шень Е этого клапана отжимается вверх давлением масла, по-
падающего в подпоршневую полость по магистрали управле-
ния de, клапан G открывается, и поток масла из штоковой по-
лости цилиндра попадает в магистраль е, проходит через об-
ратный клапан 13 и смешивается с потоком масла, поступаю-
щим от обоих насосов. Этот дополнительный поток масла уве-
личивает скорость опускания штока главного цилиндра пример-
но в 2 раза. За 20—30 мм до полного смыкания формы конеч-
ный выключатель К1 включает электромагнит Э2, установлен-
ный на циркуляционном клапане 18. При этом золотник 18
перебрасывается в крайнее левое положение, соединяя линию
нагнетания шестеренчатого насоса со сливом. Дальнейшее
нагнетание масла в главный цилиндр осуществляет только
плунжерный насос высокого давления. Поскольку его произво-
дительность во много раз меньше производительности шесте-
ренчатого насоса, скорость смыкания пресса резко уменьшает-
ся. После того как форма сомкнется, сопротивление движению
поршня возрастает. Это приводит к повышению давления мас-
ла в гидросистеме. Как только давление масла превышает
20 МПа, золотник охолостителя 19 под действием давления
масла, действующего на его торец, смещается вправо, соеди-
няя нагнетательную линию шестеренчатого насоса со сливом.
Таким образом, даже если электромагнит Э2 не сработает и
не перебросит золотник 18, при повышении давления в магист-
рали охолоститель 19 переключит шестеренчатый насос на;
слив, а обратный клапан 17 отрежет его от линии высокого»
давления.
По достижении необходимого рабочего давления мано-
метр 10 отключает электромагнит Э1, и золотник 16 вновь воз-
вращается в нейтральное положение и останавливает электро-
двигатель привода насосов. Начинается выдержка пресс-формы
в замкнутом состоянии под давлением. При этом запорный
клапан 12 плотно закрыт и не допускает никаких утечек масла
из рабочей полости главного цилиндра.
Для открытия пресса с пульта управления (или командо-
аппаратом) включают двигатель насосов и электромагниты
Э1, Э2 и ЭЗ. При этом золотник 16 перемещается в крайнее
правое, а золотник 14 — в крайнее левое положение. Теперь
масло по управляющей магистрали от золотника 14 поступает
в полость DA запорного клапана 12 и, перемещая поршень, от-
крывает шариковый клапан Д, соединяя полость СА со сливом.
Поток масла от плунжерного насоса попадает в магистраль
е, приподнимает клапан G поддерживающего клапана 11, при-
открытый давлением масла в магистрали de, и поступает в
штоковую полость цилиндра 9. Поршень 8 движется вверх, вы-
жимая масло из рабочей полости по магистрали i через откры-
тый клапан 12 и золотник 14 на слив.
Для подъема выталкивателя необходимо привести в дей-
ствие электромагниты ЭЗ и Э4. При этом золотники 16 и 14
под действием давления масла переместятся в крайнее левое
положение. Масло из магистрали а по трубопроводу f попа-
дает в магистраль g, двигаясь по которой оно поступает в ра-
бочую полость цилиндра 7. При этом поршень выталкивателя
будет двигаться вверх, выжимая масло из надштоковой по-
лости по магистрали h на слив.
Для опускания выталкивателя необходимо отключить
электромагнит ЭЗ и включить электромагнит Э4. При этом
масло из магистрали а будет (поступать в магистраль h, соеди-
ненную с надштоковой полостью цилиндра выталкивателя, вы-
жимаемое из рабочей полости масло по магистрали g через
золотник 14 пойдет на слив. Нижнее положение выталкивателя
фиксируется конечным выключателем К2, обесточивающим
электромагниты Э2 и Э4 и отключающим двигатель привода
насосов.
10.5. ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ И ПРЕССОВЫЕ ЛИНИИ
Прессы-автоматы классифицируют по виду перерабатываемого
материала на прессы, перерабатывающие сыпучий (порошко-
образный или гранулированный) или таблетированный мате-
риал. Кроме того, их различают по технологическому призна-
ку, подразделяя на компрессионные прессы и прессы для транс-
ферного формования (табл. 10.1).
Таблица 10.1. Краткая техническая характеристика гидравлических прессов
для прессования изделий из реактопластов (ГОСТ 8200—70)
Марка машины Усиление прессова- ния, кН Наиболь- шее рас- стояние между плитами пресса, мм Размер стола, мм Установ- ленная мощ- ность элек- тродвигате- лей, кВт Габариты пресса, мм Масса кг
Базовая модель
ДБ2424 250 710 560X 500 1,5 1460ХЮ65Х3050 2200
ДБ2426 400 710 560X500 2.2 1460ХН00Х3050 2210
ДВ2428 850 710 760x500 4,0 1544X1225X3174 2810
ДБ2430 1000 900 510x630 5,5 1690X1120X3225 4300
ДБ2432 1600 1000 800x710 7,5 1950X800X3810 5015
Для ускоренного прессования
ДБ2426А 400 710 560x500 3,о 1530ХЮ50Х3020 2580
ДБ2428А 630 800 630x560 4,0 1544X1225X3174 3080
ДБ2430А 1000 900 710x630 5,5 1690X1120X3235 3650
ДБ2432А 1600 1000 800x710 11,0 1920X1205X3810 3185
Для умеренного прессования с приставкой
для автоматической загрузки и выгрузки
ДБ2426Б 400 710 560X500 3,0 1530X2030X3020 2835
ДБ2428Б 640 800 630X560 4,0 1544X2205X3174 3355
ДБ2430Б 1000 900 710X630 5,5 1690 X2050X3225 4764
ДБ2432Б 1600 1000 800x710 11,0 1920X2280X3810 5555
Для 1 прессования и трансферного литья
ДБ2434 2500 1250 1120X1000 13,0 2610X2220X4480 9960
ДБ2436 4000 1250 1400ХП20 — 2520X1410X4905 13900
Колонного типа
Д0436 4000 1330 — 10 3240X1340X5020 22155
ДА2238А 6300 1600 1400x1250 26 4180X2330X5570 33000
В отдельную группу выделяются узкоспециализированные
роторные прессы ротационного или револьверного типа.
К узкоспециализированным агрегатам относятся также и
автоматические прессовые линии с выносными пресс-формами.
Устанавливаемые на прессы-автоматы пресс-формы должны
удовлетворять ряду специальных требований: а) отри раскры-
тии формы изделие должно оставаться в той ее части, из ко-
торой оно выталкивается выталкивателем; б) облой должен
удаляться из формы вместе с изделием; в) вытолкнутые из-
делия не должны самопроизвольно соскакивать со штанг вы-
талкивателя.
Загрузка сыпучих материалов обычно осуществляется при
помощи загрузчиков шиберного типа (рис. 10.15), имеющих
загрузочные гнезда с регулируемым объемом. Прессуемый ма-
териал из бункера 4 попадает в питатель 5. в котором автома-
тически поддерживается достоянный уровень материала. Этим
обеспечивается равномерная загрузка материала в ячейки 6
шиберной плиты 2. Когда загрузчик находится под питате-
лем 5, в его ячейки насыпается прессуемый материал. Затем за-
грузчик перемещается к пресс-форме 7. При этом шиберная
плита 2 перекрывает окно питателя. При движении загрузчика
относительно пресс-формы винт 8 упирается в край пресс-фор-
мы, и заслонка 3 сдвигается в сторону, давая возможность
материалу высыпаться из ячеек загрузчика в гнезда формы.
В загрузчике с прямоугольными ячейками (рис. 10.15, а) изме-
нение объема каждой ячейки достигается смещением задней
Рис. 10.15. Дозаторы-загрузчики шиберного типа с прямоугольными (а) и
круглыми (б) ячейками. Пояснения в тексте.
Рис. 10.16. Принципиальная схема трансферного прес-
сования. Пояснения в тексте.
стенки 1. В загрузчике с круглыми ячей-
ками 9 (рис. 10.15,6) изменение объема
одновременно всех ячеек осуществляют
вертикальным перемещением нижней ши-
берной плиты 2а при помощи винтов 10.
Поэтому формуемые в разных гнездах из-
делия должны иметь одинаковую массу.
При использовании таблетированного
материала применяют питатели дискового, вибрационного или
шиберного типа. Сферические таблетки диаметром до 25 мм за-
гружают в бункер пресса, как и гранулированный материал.
Наибольшее распространение в прессах-автоматах получи-
ло нижнее выталкивание изделий из гнезд матрицы, так как
большинство отпрессованных изделий после раскрытия формы
остается в нижней полуформе.
Метод трансферного прессования представ-
ляет собой сочетание методов литья под давлением и прессо-
вания и в настоящее время широко применяется для перера-
ботки термореактивных материалов.
При трансферном прессовании с передаточной камерой
(рис. 10.16) прессуемый материал загружается в нагреватель-
ную камеру 2, откуда он после нагрева выдавливается порш-
нем 1 через литниковый канал 3 в оформляющую полость пресс-
формы 4. Проходя через литниковый канал, материал вслед-
ствие вязкого трения дополнительно нагревается, благодаря
чему продолжительность отверждения существенно сокращает-
ся. Предназначенное для трансферного прессования оборудо-
вание подразделяется на: вертикальные прессы с нижним
трансферным цилиндром; прессовые установки, состоящие из
червячного или поршневого пластикатора и вертикального или
горизонтального пресса; комбинированные установки, вклю-
чающие устройства для таблетирования, нагрева таблетки и
помещения ее в трансферный цилиндр, выдавливания порш-
нем нагретого материала в пресс-форму.
Метод трансферного прессования можно реализовать на
универсальных гидравлических прессах с верхним расположе-
нием прессующего цилиндра и нижним расположением универ-
сального гидравлического цилиндра, который может использо-
ваться как для выталкивания изделий из формы, так и для
впрыска материала в форму из обогреваемого трансферного
цилиндра.
Пример конструкции гидроцилиндра для трансферного прес-
сования приведен на рис. 10.17. В сварном цилиндрическом
корпусе 3 установлен дифференциальный гидроцилиндр 5 с
поршнем 7. В верхней части корпуса располагается втулка 1,
в которой устанавливается трансферный цилиндр с электро-
Рис. 10.17. Гидроцнлиндр
для трансферного прессова-
ния. Пояснения в тексте.
обогревом 16. Шток 6
поршня 7 одновременно
играет роль плунжера
трансферного цилинд-
ра, выдавливая из не-
го в пресс-форму рас-
плавленный материал.
При этом на шток ус-
танавливают специ-
альный наконечник,
который ввертывается
в имеющееся на конце
штока резьбовое от-
верстие 2. В правом
нижнем углу цилинд-
ра установлен регуля-
тор давления, состоя-
щий из клапана 10 и
винта-задатчика дав-
ления И. При работе
гидроцилиндра в ре-
жиме трансферного
прессования клапан 10 полностью закрывается, и давление в
гидроцилиндре равно максимальному давлению в магистрали.
Если гидроцилиндр используют в качестве выталкивателя, то
усилие выталкивания устанавливают при помощи винта И.
При этом нагнетаемое насосом масло, поступая в полость 9,
поднимает поршень 7. Одновременно часть масла, проходя че-
рез зазор между клапаном 10 и его седлом, направляется на
слив через патрубок 13. Клапан 14, управляемый тягой 15, слу-
жит для сброса давления в гидроцилиндре в тот момент, когда
поршень с выталкивателем приходит в крайнее верхнее поло-
жение. В этот момент установленная в поршне резьбовая втул-
ка 8 упирается в имеющуюся на штанге 15 круглую гайку 4
и поднимает штангу вместе с клапаном 14, направляя масло из
цилиндра на слив. Изменяя положение гайки 15, можно регу-
лировать величину хода выталкивателя. Рычаг 12 служит для
запирания клапана 14 при работе цилиндра в режиме транс-
ферного прессования.
Автоматические прессовые линии (рис. 10.18) применяют
при формовании однотипных толстостенных изделий. Линия
состоит (рис. 10.18, а) из питателя 5, рассчитанного на загруз-
ку таблетированного материала, гидравлического пресса 4, осу-
ществляющего смыкание и запирание пресс-формы, шагового
Рис. 10.18. Автоматическая прессовая линия:
а — принципиальная схема линии; б — пресс-форма.
Пояснения в тексте.
Таблица 10.2. Краткие технические характеристики специального
Параметр машины Ротацион- ный пресс К12.008 Роторные линии типа ЛПИ | моделей
5 1 10 1 25 63
Усилие прессования, кН 160 50 100 250 630
Число позиций 10 45 36 24 12
Производительность, шт./мин 11 40 30 20 10
Общая установленная мощность, кВт 15,8 12 18 20 18
Мощность нагрева, кВт — —- — — .—
Габариты, мм 2020 X 2800 X 2200Х 3500 X 3000Х
Х3550Х Х1800Х Х2000Х Х2200Х Х2500Х
Х2675 Х2500 Х2500 Х2800 Х3200
Масса, т — 8 10 15 16
конвейера 2, передвигающего запертые пресс-формы 5, гидро-
пресса 6, раскрывающего пресс-формы по окончании стадии
отверждения, гидравлического выталкивателя 8, выталкиваю-
щего готовые изделия из гнезд формы.
Предварительно нагретые таблетки поступают из питате-
ля 5 в открытую пресс-форму. Затем шаговый конвейер пере-
мещает пресс-форму к прессу 4, который, сжимая пакет та-
рельчатых пружин 10, смыкает форму (рис. 10.18,6). При этом
массивные рычаги 13, отжимаемые пружинами 11, автоматиче-
ски запирают форму (правая часть рис. 10.18,6). Закрытая
форма периодически перемещается по столу шаговым конвейе-
ром. В конце первой линии пресс-форма подходит к толкате-
лю 1, который перемещает ее на вторую линию шагового кон-
вейера, транспортирующего пресс-форму к началу первой ли-
нии. За время транспортирования в нагретой форме изделия
отверждаются. Раскрытие пресс-формы осуществляет пресс 6,
плунжер которого вначале сжимает тарельчатые пружины 10,
разгружая„рычаги 13. Затем механизм прижима сжимает пру-
жины И, освобождая от рычагов крышку пресс-формы, захва-
тываемую рычагами 7 и поднимаемую вместе с пуансонами
формы. Раскрытая форма передвигается конвейером к вытал-
кивающему устройству, на котором готовые изделия 9 вытал-
киваются из гнезд формы при помощи штанг 12, приводимых
в действие гидроцилиндром 8.
10.6. РОТОРНЫЕ ПРЕССЫ
На роторных прессах обычно используют одногнездные пресс-
формы для изделий простой конфигурации.' Лишь в отдельных
случаях при изготовлении резьбовых крышек (для флаконов)
гнездность форм повышают до трех — пяти.
Обычно роторные прессы-автоматы предназначаются для
компрессионного прессования и загружаются порошкообраз-
оборудования для формования изделий из реактопластов
Установки непрерывного прессования моделей Роторно-конвейерные линии типа РКП моделей
25 | 40 63 100 5 1 16 40
250 400 630 1000 50 160 400
18 18 18 18 — — —
200 170 145 120 50—200 50—2С0 25—100
— — — — 40 45 55
2 3,5 5 7 .
6100Х 7200X 8300х 9500X — — —
Х2500Х Х2800Х Х3100Х Х3400Х
Х2300 Х2700 хзооо Х3700
— — — — — — —
ным или таблетированным материалом. Они подразделяются
на револьверные — с периодическим .поворотом ротора и рота-
ционные-— с непрерывным вращением ротора (табл. 10.2).
Загрузка материала и арматуры в гнезда пресс-форм, а
также извлечение изделий из формы и их свинчивание с резь-
бовых знаков облегчается тем, что открытые пресс-формы по-
следовательно проходят через несколько определенных пози-
ций. Так, загрузка материала может происходить на двух-трех
позициях. Аналогичным образом на двух-трех позициях может
происходить свинчивание со знака отпрессованного изделия.
Схема работы типичного карусельного десятипозиционного
пресса-автомата приведена на рис. 10.19. Из дискового пита-
теля по лотку 1 через загрузочную воронку 2 таблетка попа-
дает в матрицу 3 (позиция /). Затем последовательно проис-
ходят смыкание пуансона 4 и матрицы 3 (позиция II), а так-
же подпрессовка (позиции III— VIII). Далее последовательно
проводится выдержка изделия под давлением, раскрытие фор-
мы (позиция IX) — при этом отпрессованное изделие остается
на резьбовой части пуан-
сона, свинчивание изде-
лия патроном 5 съемно-
свинчивающего устройст-
ва 6 (позиция X) и сброс
изделия по лотку в тару.
Пресс может работать и
на порошкообразном ма-
териале; для этого в кон-
струкции предусмотрен
Рнс. 10.19. Принципиальная
схема карусельного десятипо-
зицноного пресса-автомата. По-
яснения в тексте.
6
Рис. 10.20. Роторная автоматиче-
ская линия:
а — схема линии (/ — дозирующий ро-
тор; 2 — таблетирующий ротор; 3 — ро-
тор для нагрева таблетки ТВЧ; 4 —
прессующий ротор; 5 — ротор для сня-
тия заусенцев; 6 — транспортный ро-
тор; 7 — ротор выгрузки готовых изде-
лий; 8 — главный электродвигатель
привода; 9 — вспомогательный электро-
двигатель; 10 — клиноременная переда-
ча; 11 — зубчатые колеса системы при-
вода роторов; 12 — бункер дозировоч-
ного ротора); б — прессующий ротор
автоматической линии; в — схема рас-
положения роторов.
Пояснения в тексте.
специальный бункер, из ко-
торого материал засыпает-
ся в гнезда пресс-форм.
Роторная линия для
прессования однотипных из-
делий (рис. 10.20) состоит
из пяти технологических и
двух транспортных роторов.
Порошкообразный материал
поступает в каждое из че-
тырех гнезд загрузочного
ротора 1, объем которых
можно индивидуально регу-
лировать (рис. 10.20,6?).
Отмеренные дозировочным
ротором порции материала
поступают в гнезда табле-
тирующего ротора 2, представляющего собой четырехпозицион-
ную таблеточную машину с усилием таблетирования 70—100
кН, рассчитанную на изготовление таблеток диаметром 30—35
мм и различной толщины. Конструкция таблетирующего рото-
ра позволяет одновременно изготавливать четыре таблетки раз-
ного размера.
Отпрессованные таблетки передаются на 24-позиционный
ротор 3 предварительного нагрева материала токами высокой
частоты. Каждая таблетка устанавливается между двумя дис-
ками, являющимися электродами колебательного контура, под-
соединенного к генератору ТВЧ (колебательная мощность
6,3 кВт, частота 40,68 МГц), который обеспечивает нагрев
0,25 кг материала за 10—15 с до температуры ПО—120°С.
Для защиты обслуживающего персонала от облучения токами*
высокой частоты ротор-нагреватель закрыт алюминиевым ко-
жухом.
Прессование изделий производится в 32-гнездном роторе 4
с 32 гидравлическими цилиндрами (рис. 10.20,6), который со-
стоит из барабана 14, несущего на себе блок-держатель 5 и
диск 12 с укрепленными на нем гидравлическими цилиндрами
11 с поршнями 10, осуществляющими рабочие ходы блоков
прессования.
Блок прессования представляет собой корпус 6, в котором
смонтированы матрицы 7, нижний 4 и верхний 9 пуансоны и
нагреватели 8. В нижней части ротора имеется кольцо 17 с
ползуном 16 и стойкой 18 с радиальным копиром, управляю-
щим движением пуансонов 4. Ротор установлен на колонне 13
на двух шариковых подшипниках — 20 и 20а; одновременно
он опирается на три шариковых подшипника 1. Ротор приво-
дится во вращение через шестерню 19 от электродвигателя.
Электроэнергия для нагревания пресс-формы в блоки прессо-
вания подводится через неподвижные кольцевые шины 2 и
щетки 3. Температура пресс-формы контролируется и регули-
руется термопарой 15.
Отпрессованное изделие выталкивается нижним пуансоном.
После съема изделия пресс-форма очищается нагретым сжатым
воздухом.
На 12-позиционном роторе механической обработки 5 уста-
новлено 12 комплектов инструмента для удаления грата с от-
прессованных изделий. В зависимости от сложности механиче-
ской обработки для последовательной обработки изделий ис-
пользуют два или несколько роторов.
На рис. 10.20, в показано расположение роторов в роторной
автоматической линии.
10.7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТАБЛЕТИРОВАНИЯ
Таблетирование заключается в формовании порошкообразных
или волокнистых термореактивных материалов в заготовки
правильной геометрической формы (таблетки), одинаковые по
Рис. 10.21. Распределение нормальных напряжений при таблетировании:
а ‘— одностороннее прессование; б — двухстороннее прессование; 1 — прессующий пуан-
сон; 2—матрица; 3 — таблетка; 4 — неподвижный пуаисои; 5 — опора матрицы;
сн— нормальные напряжения на верхнем и нижнем пуансонах; —нормальные на-
пряжения на стенке; Р — усилие прессования.
размеру и массе. Использование таблетированных реактопла-
стов создает при переработке ряд преимуществ: дозирование
по объему или массе заменяется более простым — штучным;
повышается плотность материала и улучшаются условия его
предварительного подогрева; уменьшается пылеобразование;
сокращаются размеры загрузочных камер пресс-форм.
Основная операция таблетирования — прессование. Оно мо-
жет быть как односторонним (рис. 10.21,а), так и двухсторон-
ним (рис. 10.21,6). В обоих случаях давление распределяется
неравномерно как по высоте, так и по диаметру таблетки, что
приводит к неравномерному распределению плотности. Однако
при двухстороннем таблетировании усилия Р, действующие с
обеих сторон таблетки, одинаковы. Благодаря этому получают-
ся таблетки более высокого качества. Давление при таблети-
ровании выбирается в зависимости от природы перерабатывае-
мого материала. Для большинства фено- и аминопластов с по-
рошкообразными наполнителями оно составляет 75—120 МПа,
для стекловолокнитов — 250—300 МПа. Однако давление мож-
но в 2—3 раза снизить, если таблетировать предварительно
подогретый материал. При этом температуру подогрева выби-
рают с таким расчетом, чтобы спекание частиц материала не
начиналось до его загрузки в форму.
Обычно таблетирование осуществляют на автоматических
таблеточных машинах, которые по виду привода подразделяют
на механические (кривошипные или ротационные — кулачко-
вые) и гидравлические.
Для таблетирования порошкообразных прессовочных мате-
риалов применяются вертикальные эксцентриковые машины с
электромеханическим приводом. Машины обеспечивают одно-
стороннее сжатие материала верхним пуансоном в одногнезд-
ной (или многогнездной) матрице без выдержки под давле-
Рис. 10.22. Кривошипная (эксцентриковая) однопуансонная таблеточная ма-
шина. Пояснения в тексте.
нием. Отформованные таблетки выталкиваются нижним пуан-
соном. Выпускаются машины с усилием таблетирования от
20 до 1000 кН.
Кривошипные (эксцентриковые) машины (рис. 10.22) пред-
ставляют собой автоматический однопозиционный пресс с при-
водом всех механизмов от кулачков, установленных на оси
главного коленчатого вала. На чугунной станине 1 установле-
ны механизмы дозирования, прессования, выталкивания и при-
вода. Механизм дозирования состоит из бункера 13 с загрузоч-
ным ковшом 7, который шарнирно закреплен на вертикальной
Рис. 10.23. Ротационная однопозиционная таблеточная машина МТ-2А. Пояс-
нения в тексте..
оси и поворачивается при помощи механизма, состоящего из
кулачка 17, ролика 18, укрепленного на рычаге 8, и серьги 6.
В тот момент, когда ковш набегает на матрицу 4, в нее за-
сыпается порция таблетируемого материала, который затем
прессуется пуансоном 25. Возвратно-поступательное движение
пуансон получает от эксцентрикового вала 19 через шатун 10
и ползун 5. Ход пуансона регулируется червяком 14, который
входит в зацепление с червячным колесом 12, укрепленным на
состоящей из двух половин эксцентриковой втулке. При вра-
щении червяка эксцентриковая втулка поворачивается в корпу-
се шатуна, и расстояние от оси эксцентрика 11 до оси пальца
9 ползуна изменяется.
Готовая таблетка удаляется из матрицы выталкивателем
26. Возвратно-поступательное движение выталкиватель полу-
чает от механизма, состоящего из кулачка 15, в пазу которого
находится ролик 20, и штанги 21 с вилкой 27. При подъеме
штанги вилка упирается в гайку 3 и поднимает выталкиватель
26. Ход выталкивателя вниз регулируется гайкой 2 при помо-
щи винтового механизма 28. Перемещение выталкивателя вверх
зависит от установки гайки 3, так как часть пути штанга 21
движется при неподвижном выталкивателе. Вал 19 приводится
от электродвигателя через шкив 22 ременной передачи и зуб-
чатые колеса 24 и 16. Для наладки машины эксцентриковый
вал проворачивают вручную штурвалом 23.
Производительность кривошипных машин обычно невелика
и составляет от 720 до 3000 шт/ч.
Ротационные таблеточные машины представляют собой ка-
русельный многопозиционный пресс-автомат, в котором все
операции осуществляются при непрерывном вращении ротора.
Типичная ротационная таблеточная машина (рис. 10.23) со-
стоит из станины 1, верхней 9 и нижней 2 плит, соединенных
колоннами 18, ротора и привода. В роторе, состоящем из двух
дисков 7 и плиты 4, расположены 15 одногнездных матриц 15
и такое же количество верхних 14 и нижних 16 пуансонов с
прессующими 12 и подъемными 17 роликами, муфты включе-
ния 21, цилиндрической и червячной передач, червячного коле-
са 23, которое укреплено на вертикальном валу 13. Вал с рото-
ром вращается при включении муфты рычагом 22. В верхней
части машины установлен бункер 8 с загрузочным диском 5,
приводимым от зубчатой передачи 10. Высота заполнения мат-
рицы регулируется штурвалом 3. Готовые таблетки сталки-
ваются по лотку 6 в приемную тару.
Перемещение пуансонов происходит в результате обкаты-
вания наружных кольцевых и торцевых кулачков 11 и 20, уста-
новленных на верхнем и нижнем столах, роликами 12 и 19.
При этом боковые ролики служат для перемещения пуансона
по вертикали на холостом ходу под действием наружных ку-
лачков. Торцевые ролики 19 служат для передачи прессующе-
го усилия. На рис. 10.24 приведена развертка наружного 24
и торцевого 20 кулачков, поясняющая принцип работы рота-
ционной таблеточной машины. При движении ротора матрицы
15 оказываются под бункером 8, и загрузочный диск 5 загру-
жает в них порошок (участок а-—б). В это время верхние
пуансоны 14 поднимаются роликами 17, движущимися по кон-
туру наружного кулачка 24.
Двухстороннее прессование осуществляется на участке б—
в (часть его опущена). Вертикальное перемещение прессующих
пуансонов происходит под действием клиновидных торцевых
кулачков 11 и 20. Регулирование усилия прессования осуще-
ствляется вертикальным смещением нижнего торцевого кулач-
ка, реализуемым при помощи клиновых регуляторов 25, пере-
мещая которые можно поднимать или опускать нижний прес-
сующий кулачок.
Формующие детали — пуансоны, вставки пуансонов и мат-
рицы— обычно изготавливают из инструментальной стали У8
или легированных сталей ХГ, ХВГ, ШХ15. Опытом установле-
но, что лучше изготавливать эти детали из стали 18ХМЮА и
12ХНЗА с последующей глубокой цементацией и закалкой.
В результате удается достигать высокой твердости поверхности
(HRC=62-e-64) при мягкой сердцевине. Благодаря этому повы-
шается износостойкость деталей и уменьшается число случаев
поломки пуансонов и матриц.
Гидравлическая таблеточная машина представляет собой
горизонтальный пресс-автомат. Прессующий механизм (рис.
10.25) состоит из двух неподвижных плит 1 и 6, соединенных
между собой колонками (на рисунке не показаны), по которым
перемещается плита 14 с матрицей 3 и бункером 2. Переме-
щение плиты осуществляет поршень 12 гидроцилиндра 11, со-
единенный с плитой 14 штоком 13. Прессующий пуансон 5
приводится в движение от дифференциального поршня 7 гид-
роцилиндра 8. Ход пуансона (и, следовательно, масса таблет-
ки) регулируется винтовым механизмом 9 с контргайкой 10.
Позиция I является исходной; ей соответствует крайнее левое
положение матрицы и крайнее правое положение прессующего
пуансона. В позиции II бункер находится в крайнем правом
положении; при этом таблетируемый материал поступает в
пространство матрицы, заключенное между торцами неподвиж-
Рис. 10.24. Развертка кулачков ротационной таблеточной машины МТ-2а По-
зиции те же, что на рис. 10.23.
Рис. 10.25. Гидравлическая таблеточная машина (схема прессующего механиз-
ма). Пояснения в тексте.
ного и прессующего пуансонов. В позиции III бункер с матри-
цей перемещаются в среднее положение, соответствующее на-
чалу прессования (происходит отсечение дозы пресс-материа-
ла). Положение IV соответствует расположению рабочих орга-
нов в момент прессования: прессующий пуансон движется вле-
во. После окончания прессования пуансон отходит вправо
(позиция V), а бункер с матрицей смещаются влево; при этом
таблетка выталкивается пуансоном 4 (позиция VI). Таблетка,
удаленная из матрицы, попадает на приемный лоток, а бункер
с матрицей и прессующий пуансон возвращаются в положение,
соответствующее началу цикла таблетирования.
10.8. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ
К параметрам режима прессования обычно относят давление
прессования и температуру формы. Оба этих параметра опре-
деляются характеристиками перерабатываемого материала и
конструкцией изделия. По величине давления рассчитывают
усилие .прессования, которое должно быть равно произведению
давления на площадь поверхности пресс-формы, нормальной
к направлению действия усилия прессования.
Не касаясь прочностных расчетов, которые относятся ско-
рее к курсам деталей машин и сопротивления материалов,
остановимся на методах определения объема аккумулятора и
производительности насосов при групповом приводе.
Для расчета гидропресса с аккумулятором исходными па-
раметрами служат: суммарные площади плунжеров рабочих
цилиндров пресса Ер; суммарные площади- плунжеров рабочих
и возвратных цилиндров пресса Ев; максимальный рабочий
ход 5макс; возвратный ход траверсы, равный среднему ходу
траверсы SE; число прессов, обслуживаемых аккумуляторным
приводом i; коэффициент одновременности действия прессов
Лп.
Объем жидкости высокого давления, потребляемой i гидро-
прессовыми установками за цикл (Ец), равен
V4 = l,4(SMaKCFp + SEfE)tAn (Ю.З)
где 1,4 — коэффициент, учитывающий потери жидкости в гидросистеме, при-
воде вспомогательных механизмов, упругое расширение сосудов и сжатие
жидкости.
Если время рабочего хода сравнимо со временем полного
цикла работы пресса, то следует учитывать подачу жидкости
насосами станции QH за рабочее tp и возвратное tB время:
Ец= 1,4ifen(SMaKCFp-|- SBFB)— Qh(^p-Mb) (10-М
Обычно на насосной станции устанавливают три рабочих
и один резервный насос. Производительность насосной станции
определяется из условия заполнения аккумулятора за время
цикла:
<2н=Ец/(/ц—^р— tB) (10.5)
Мощность на валу одного насоса NH с учетом к.п.д. насоса
т)н равна
М= <2н/7(тт]н) (Ю.6)
здесь размерность QH — л/с, Р — МПа; т — число рабочих насосов.
Рабочие жидкости, применяемые для привода гидропрессов,
не должны вызывать коррозию деталей, а также образовывать
пары или пену. Они должны обладать оптимальной для усло-
вий работы вязкостью, предотвращающей излишние утечки
или чрезмерные потери на трение.
Ь качестве рабочей жидкости для прессов с насосно-акку-
муляторным приводом обычно применяют эмульсию, состоя-
щую из 97—98% воды и 2—3% эмульсола, устраняющего вред-
ные для гидросистемы качества воды (плохую смазывающую
способность и коррозионное действие на металлические дета-
ли). Состав эмульсола: 85% минерального масла;'13% олеино-
вой кислоты и 2% едкого натра (45%-го раствора).
В прессах с индивидуальным гидроприводом применяют
различные минеральные масла (индустриальное, турбинное,
цилиндровое) с кинематической вязкостью (5,1+50) -10-6 м2/с
(при 50°C).
10.9. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА И ОБСЛУЖИВАНИЯ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕССОВ.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Ввод гидравлических прессов и таблеточных машин в эксплуа-
тацию разрешается только после окончания всех монтажных
и наладочных работ, удостоверяемого актами ревизии электро-
оборудования и КИП, протоколами завершения монтажа и на-
ладки.
Большинство гидравлических прессов подпадает под дей-
ствие «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов,
работающих под давлением», разработанных Гостехнадзором
СССР, так как для них произведение емкости рабочего цилинд-
ра в литрах на рабочее давление в МПа превышает 20. По-
этому гидросистема пресса должна подвергаться техническому
освидетельствованию (осмотру и гидравлическому испытанию)
до пуска в работу и периодически в процессе эксплуатации не
реже чем раз в восемь лет.
Особое внимание следует уделять герметичности системы.
Подтекание рабочей жидкости из соединений, вентилей, золот-
ников манжет и уплотнений недопустимо. Необходимо следить
за правильной установкой поршневых колец и манжет.
Установка поршневых колец. При установке на поршень
поршневых колец, а также поршня в цилиндре надо быть
крайне внимательным. Перед установкой колец необходимо
убедиться в отсутствии в канавках под поршневые кольца за-
диров или заусенцев. Если такие дефекты есть, их нужно
устранить при помощи мелкого наждачного камня с острыми
гранями или напильника. После этого перед сборкой все де-
тали следует тщательно промыть и очистить, чтобы удалить
любые инородные частицы.
Установка манжет. Новые манжеты перед установкой не-
обходимо смазать. Затем надо осторожно надвинуть закраины
манжет на затылованную поверхность плунжера, после этого
при помощи деревянной оправки запрессовать манжеты в
кольцевой паз. В заключение необходимо установить на место
фланец крепления манжеты и прочно затянуть винты.
Обслуживание обратного клапана. Неудовлетворительная
работа обратного клапана, как правило, является результатом
попадания между седлом клапана и его телом инородных ча-
стиц (волокон, окалины, частиц песка). Часто можно устранить
дефект, запустив насос и уменьшив натяжение прижимающей
клапан пружины. При этом циркулирующее через клапан мас-
ло обычно выносит из него инородные частицы, которые задер-
живаются фильтром. Если не удается устранить дефект таким
образом, то клапан подлежит полной разборке и промывке
каким-либо органическим растворителем. Каналы клапана и
все его детали необходимо после промывки продуть чистым
сжатым воздухом. Ни в коем случае нельзя обтирать крышку
и детали клапана ветошью, так как от нее на металлических
поверхностях могут остаться волокна или ворсинки.
При каждой разборке клапана рекомендуется заменять все
О-образные резиновые уплотнительные кольца, даже если они
при внешнем осмотре кажутся абсолютно целыми.
Особую опасность при работе на прессах представляет ра-
бочая зона, находящаяся между плитами пресса. Чтобы пред-
отвратить травму рук оператора, обслуживающего рабочую
зону, прессы снабжают защитными ограждениями, сопряжен-
ными с системами электрической блокировки, препятствующи-
ми опусканию (или подъему) траверсы. Иногда на прессах
устанавливают специальные механизмы, которые устраняют
руки оператора из опасной зоны (маятниковые рукоустраните-
ли). Другой метод, исключающий возможность пуска пресса
при нахождении рук оператора в опасной зоне, состоит в не-
обходимости нажатия при пуске сразу двух удаленных друг
от друга кнопок, нажатие которых можно произвести только
двумя руками.
В некоторых конструкциях применяют системы фотоэлект-
рической блокировки, останавливающей движение траверсы
при прерывании светового луча руками оператора, направляю-
щимися в опасную зону.
Во избежание самопроизвольного опускания траверсы при
внезапном падении давления в системе траверса снабжается
специальными тормозными защелками, используемыми при
ремонте и наладке пресса.
Прессуемые композиции при перегреве подвергаются термо-
деструкции, сопровождающейся выделением в воздух летучих
продуктов, содержащих органические кислоты, карбонильные
соединения и другие токсические вещества. Поэтому у рабоче-
го места оператора необходимо устанавливать воздухозабор-
ники вытяжной вентиляции. Непосредственно у пульта опера-
тора следует располагать воздухоподводящие патрубки при-
точной вентиляции.
При обслуживании нагретых пресс-форм оператор должен
принимать меры предосторожности, предотвращающие воз-
можность ожогов. При монтаже и демонтаже пресс-форм необ-
ходимо использовать грузоподъемные механизмы.
ГЛАВА 11
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ
Армирование пластмасс высокопрочными волокнами позволя-
ет существенно улучшить их прочностные и деформационные
•свойства и повысить их теплостойкость. Наиболее широко при-
меняют армированные пластмассы в авиационной промышлен-
ности, космонавтике, судостроении, транспортном машинострое-
нии, строительстве, электротехнике, химическом машинострое-
нии и автомобилестроении.
Различают два вида армированных пластмасс: на основе
термопластов (полиамидов, поликарбонатов, полипропилена),
наполненных стеклянным или углеродным волокном, и на ос-
нове реактопластов (полиэфирных, эпоксидных, фенолоформаль-
дегидных и других смол), наполненных стекловолокном, стекло-
тканью, асбестовым волокном и т. д.
Наибольшее распространение получили армированные ма-
териалы на основе стекловолокна, называемые стеклопласти-
ками.
Переработка армированных термопластов производится, как
правило, традиционными методами, применяемыми в промыш-
ленности пластмасс для неармированных полимеров. В настоя-
щее время наиболее часто изделия из армированных термопла-
стов изготавливают литьем под давлением на модифицирован-
ном для этой цели оборудовании. Основные изменения касают-
ся конструкции пластикатора, который должен обеспечивать
плавление композиции без дробления стекловолокна, так как
уменьшение его длины снижает прочность изделия. Кроме того,
контактирующие с полимером рабочие органы машины (червяк,
корпус, сопла) должны быть изготовлены из износостойких
материалов с твердостью HRC>50—63. При этом производи-
тельность машин снижается на 50%. В ряде случаев для фор-
мования изделий из армированных термопластов применяют
метод прессования. В последнее время развиваются также ме-
тоды экструзии труб из стеклонаполненных термопластов. Для
снижения износа пары червяк — цилиндр применяют корпуса
с биметаллическими гильзами, а червяки изготавливают из вы-
сокотвердых износостойких сталей.
Технология формования изделий из стеклопластиков в на-
стоящее время насчитывает более 20 различных способов фор-
мования.. Однако из всего многообразия можно выделить две
большие группы: вспомогательные и основные процессы.
К вспомогательным процессам относятся: производство стекло-
волокнистых рулонных материалов (холсты, ленты и ткани) и
объемных заготовок изделий, а также производство прессовоч-
ных композиций и предварительно пропитанных рулонных ма-
териалов. К основным процессам относятся методы формования
самих изделий.
Обычно различают способы открытого и закрытого формо-
вания. При открытом формовании одна из поверхностей изделия
оформляется в контакте с жесткой поверхностью формы; дру-
гая поверхность при этом или остается свободной, или оформ-
ляется с помощью эластичных элементов, например резиновой
диафрагмы. К открытым способам относятся: контактное фор-
мование, напыление, центробежное литье, намотка и некоторые
другие способы, являющиеся их разновидностями. При закры-
том способе формования обе поверхности изделия оформляют-
ся жесткими элементами формы, что обеспечивает высокую точ-
ность выполнения всех размеров изделия. К закрытым способам
относятся: прессование, пропитка наполнителем в замкнутой
форме, пултрузия и др.
11.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК
Установка для приготовления стеклохолстов состоит из режу-
щего устройства, на котором производится рубка стекложгута
на волокна нужной длины, камеры осаждения рубленого во-
локна на поверхность перфорированной конвейерной ленты,
устройства для нанесения небольшого количества связующего
и камеры тепловой обработки холста. Стеклохолсты в зависи-
мости от способа связи волокон подразделяют на жесткие и
мягкие. В жестких сцепление стекловолокон между собой осу-
ществляется за счет небольшой добавки связующего (3—10%),
которое вводится в жидком или порошкообразном виде в про-
цессе изготовления холста. В мягких стеклохолстах скрепление
волокна осуществляется сшиванием на специальных машинах.
Схема агрегата для изготовления жестких холстов приве-
дена на рис. 11.1. Жгуты из стеклянного волокна, намотанные
Рис. 11.1. Схема агрегата для изготовления жестких холстов. Пояснения в
тексте.
3
Рис. 11.2. Схема агрегата для изготовления мягких холстов. Пояснения в
тексте.
на бобины, устанавливают на шпулярник 3, откуда стеклово-
локно 4 подается тянущими роликами 5 к режущему устройст-
ву 6. Отрезки стекловолокна увлекаются создаваемым вентиля-
тором 1 воздушным потоком в камеру 7, где они осаждаются
на поверхность перфорированной конвейерной ленты 2. Образо-
вавшийся на поверхности ленты слой стекловолокна вначале
опрыскивается связующим из форсунок пропиточного устрой-
ства 8, а затем проходит через камеру тепловой обработки 10.
в которой установлены инфракрасные нагреватели 11. Горячий
холст пропускается через калибрующие валки 12 и затем по-
ступает на закаточное устройство 13. Иногда в качестве связу-
ющего к стекловолокну добавляют полимерные волокна, посту-
пающие в бобины 9 (например, капроновое волокно); после
тепловой обработки и прокатки они обеспечивают сцепление
стеклянных волокон.
Установка для изготовления мягких холстов (рис. 11.2) от-
личается наличием специальной швейной машины 12 и двух,
раскаточных стоек 1 и 9, с которых подаются ленты верхнего и
нижнего слоев холста. При работе установки перфорированный
конвейер 2, на поверхности которого уложено полотно подлож-
ки 1, протягивается через камеру осаждения 7.
Стекловолокно с бобины 3 проходит через отклоняющий
ролик 4 и тянущими роликами 5 подается к режущему устрой-
ству 6. Создаваемый вентилятором 8 поток воздуха увлекает
стекловолокно в камеру осаждения 7, где волокно оседает на
перфорированный конвейер. Непосредственно за камерой на
поверхность осажденного слоя стекловолокна накладывается
эластичный наружный слой 9, прижимаемый роликами ,10 к И.
Затем полученный холст проходит через калибрующие валки 10
и И, прошивается специальными иглами на швейной
машине 12 и наматывается на бобину 13. В качестве наружных
слоев используют хлопчатобумажную марлю, стеклосетку, тон-
кий стеклохолст.
ри изготовлении стеклохолста из непрерывных нитеи холст
формируется на специальной установке, обеспечивающей рав-
номерную раскладку стеклянных нитей поперек движущейся
конвейерной ленты. На установках для производства таких
холстов можно совмещать получение стекловолокна с изготов-
лением стеклохолста.
Жесткие холсты, выпускаемые на отечественных и зарубеж-
ных установках, могут иметь ширину до 2,7 м; масса одного
квадратного метра 0,12—2 кг. Ширина мягких холстов дости-
гает 1 м; масса одного квадратного метра 0,6—1,5 кг. Произ-
водительность установок — от 17 до 200 кг/ч.
Объемные заготовки обычно применяют для изготовления
деталей, представляющих собой тела вращения (например,,
дисков автомобильных колес). Такие заготовки в дальнейшем
используют для формования изделий на прессах в специальных
пресс-формах.
Установка закрытого типа для формования объемной за-
готовки (рис. 11.3) состоит из шпулярника 7 (рис. 11.3, а), на
котором установлены бобины со стекложгутом, режущего уст-
ройства 1, отражательных лопаток 2, напылительной камеры 4,.
съемной перфорированной формы 5, вентилятора 6 и распыли-
теля 3. В простейшей установке, показанной на рис. 11.3, а,
создаваемый вентилятором 6 поток воздуха увлекает рубленое
волокно, которое режется устройством 1 на отрезки длиной
30—50 мм, по направлению к форме; на перфорированной по-
верхности формы волокно осаждается слоем толщиной 6—10 мм.
Одновременно из распылителя 3 на поверхность формы вместе
с волокном наносится небольшое количество связующего (1,5—
3% масс). Готовую объемную заготовку извлекают из напыг.
лительной камеры и переносят вместе с формой в камеру теп-
ловой обработки, где ее выдерживают в течение времени, не-
обходимого для отверждения связующего. Для равномерного’
распределения стекловолокна по поверхности формы использу-
Рис. 11.3. Установка закрытого типа для изготовления объемных заготовок:
а — камера с отражателем и фильтром для выбрасываемого воздуха; б — камера с рас-
пределительными дисками; в — камера с замкнутой системой циркуляции воздуха.
Пояснения в тексте.
ют отражательную лопатку 2.о из ежании загрязнения атмо-
сферы стекловолокном и растворителем отработанный воздух
выбрасывается через фильтр 8.
В установке с комплектом распылительных дисков (рис.
11.3,6) для более равномерного распределения стекловолокна
вместо отражательной лопатки используется вращающийся ро-
тор с тремя отражательными дисками 8. Установка состоит из
напылительной камеры 1, в которой расположена перфориро-
ванная форма 5, бобины со стекловолокном 9, режущего уст-
ройства 10, привода отражательных дисков 7 и вентилятора 4.
Объемная заготовка 3 извлекается из камеры через откидные
шторки 6. Подсос дополнительного воздуха осуществляется
через кольцевую щель, перекрываемую регулируемой заслон-
кой 2.
Недостатком обеих описанных установок является загряз-
нение окружающей среды воздухом-носителем, который после
пропускания через фильтр выбрасывается в атмосферу. От это-
го недостатка свободна установка с циркуляцией воздуха по
замкнутому циклу (рис. 11.3,в). Дополнительной особенностью
этой установки является наличие вращающегося стола 4, на
котором установлена форма 3. Установка состоит из герме-
тичного корпуса 2, регулируемой заслонки 5, циркуляционного
вентилятора 6, бобин со стекловолокном 9, режущего устрой-
ства 8 и распылителя смолы 1. При работе установки увлекае-
мое потоком воздуха рубленое стекловолокно равномерно рас-
пределяется по поверхности вращающейся формы. Клапан 7
служит для подпитки системы атмосферным воздухом.
Для облегчения съема заготовок с формы после отвержде-
ния на поверхность формы обычно наносят тонкий слой силико-
новой смазки. Формы изготавливают из тонких алюминиевых
или стальных листов. Диаметр отдельного отверстия перфора-
ции составляет 2,5—3 мм. Суммарная площадь отверстий до-
стигает около 40% поверхности формы. Установки для формо-
вания объемных заготовок могут быть одно- и многопозицион-
ными. Однопозиционные машины чаще всего работают по одно-
стадийному процессу, при котором формование заготовки и ее
-отверждение происходит в одном цикле. В таких машинах
в систему воздухообмена встраивают подогреватели воздуха.
31.2. УСТАНОВКА ДЛЯ КОНТАКТНОГО ФОРМОВАНИЯ
Метод контактного формования в настоящее время относится
к наиболее распространенным. Аппаратурное оформление этого
метода очень просто. Для его реализации необходимо распола-
гать формой 1 и прикаточным роликом 3. Армирующий мате-
риал 2 выкладывают на поверхность формы, одновременно на-
нося на него связующее 4 при помощи кисти или распылитель-
ного пистолета (рис. 11.4,а}. Для предотвращения прилипания
изделия к поверхности формы ее перед формованием покрыва-
Рис. 11.4. Схемы установок для формования стеклопластиков: методом кон-
тактного формования (а) и методом напыления. (6). Пояснения в тексте.
ют тонкой целлофановой пленкой. Для удаления пузырьков
воздуха пропитанный связующий материал прикатывается
рифленым роликом 3. После уплотнения изделие покрывают
тонкой целлофановой или полиэтилентерефталатной пленкой и
для удаления избыточного связующего прикатывают гладким
валиком.
Установка для формования методом напыления (рис. 11.4,6)
состоит из формы 1, шпулярника с бобинами со стеклотканью
5, резательного устройства 3, напылительного пистолета 4 и
тележки, на которой установлены баки со связующим и иници-
атором отверждения.
Разновидность контактного формования, так называемый
«симплекс-процесс», отличается тем, что пропитка уложенного
холста или ткани происходит одновременно с уплотнением из-
делия. С этой целью прикатывающий ролик 1 выполняют по-
лым, и связующее поступает к тка-
ни через имеющиеся в его стенках
отверстия (рис. 11.5). Связующее
подается по шлангам 4 в смеси-
тельную камеру 3. Расход связую-
щего регулируют при помощи кра-
на 2. При работе шланги подвеши-
вают на консольной поворотной
балке. При ручной прикатке из-за
неодинакового усилия прижима ро-
лика количество связующего в раз-
ных местах изделия оказывается
различным. Для устранения этого
дефекта применяют ролики с пнев-
матическим прижимом 5, причем на
современных установках прикатка
Рис. 11.5. Прикаточный ролик с подачей
связующего. Пояснения в тексте.
Рис. 11.6. Тележка с баками для связующего и инициатора. Пояснения в тек-
сте.
производится не вручную, а при помощи робота с шестью сте-
пенями свободы, управляемого от микропроцессора.
Наиболее распространены установки (рис. 11.6), в которых
связующее подается двумя потоками (смола с инициатором и
смола с ускорителем). На тележке 1 таких установок закреп-
ляют баки 2 и 4, в одном из которых смола смешивается с ини-
циатором, а в другом — с ускорителем (рис. 11.6,а). На этой
же тележке располагаются бачок с растворителем 3 (обычно
ацетон), воздушный коллектор 5 для подвода и распределения
сжатого воздуха и аппаратура управления и контроля. Оба ба-
ка снабжают быстросъемными крышками, на которых устанав-
ливают манометры, штуцеры для подсоединения шлангов, по-
дающих смолу и воздух, а также предохранительные клапаны.
На каждом из баков устанавливают мешалки с электрическим,
пневматическим или ручным приводом. Бачок с растворителем
подключают к линии сжатого воздуха и комплектуют штуце-
рами; к ним йри промывке быстро подсоединяют шланги, по
которым к пистолету из баков подается смола. Источником
сжатого воздуха может быть внешняя сеть предприятия или ин-
дивидуальный компрессор, входящий в комплект оборудования
установки. В этом случае ресивер с компрессором обычно мон-
тируют на отдельной тележке. Расход связующего регулируют
при помощи дросселирующей иглы, расположенной в форсун-
ке, а также изменяя давление воздуха в баках. Резательное
устройство с бобинами стекложгута может устанавливаться не-
посредственно на тележке (рис. 11.6, б). В этом случае рубле-
ное стекловолокно 1 подается по гибкому трубопроводу 2 к на-
пылительному пистолету (рис. 11.7, а). Иногда резательное уст-
ройство 2 устанавливают на напылительном пистолете, пода-
вая к нему стекложгут 1 со шпулярника, установленного на те-
лежке со связующим или на специальной отдельной тележке
(рис. 11.7,6)'. Если режущее устройство установлено на напы-
лительном пистолете, то его обычно подвешивают на трос
с противовесом.
Рис. 1177. Схемы напылительных пистолетов:
•*£ — с подачей рубленого волокна; б — с режущим устройством.
Привод режущего устройства может быть электрическим
или пневматическим. Конструктивно режущее устройство со-
стоит из двух или четырех валков, один из которых имеет но-
жи. Распорное усилие между режущим и опорным валками ре-
гулируют при помощи установочных винтов, длину отрезанного
волокна — изменением числа ножей режущего валка, а произ-
водительность — изменением числа одновременно разрезаемых
.жгутов (до шести) и частоты вращения валков.
После напыления слоя нужной толщины поверхность изде-
лия покрывают пленкой и прикатывают для удаления пузырь-
ков воздуха. Если используется связующее холодного отверж-
дения, то изделие выдерживают при комнатной температуре
в течение 8—10 ч. При этом формы могут быть изготовлены из
.дерева, гипса или любого другого неметаллического материала.
Если применяют связующее горячего отверждения, то формы
.должны быть металлическими с внутренним или внешним обо-
гревом. Отверждение в этом случае производят при темпера-
туре 353—413 К с выдержкой в течение 10—60 мин.
11.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ЭЛАСТИЧНОЙ
ДИАФРАГМОЙ
Пневматическое формование производится с использованием
эластичной диафрагмы или резинового пуансона (рис. 11.8).
Аппаратура для формования состоит (рис. 11.8, а) из плиты 3
с диафрагмой 4; формы 1, на которой установлены откидные
болты 2, предназначенные для крепления к форме плиты 3.
Стеклоткань и связующее наносят на форму так же, как это
делают при обычном контактном формовании. Затем поверх-
ность будущего изделия покрывают тонкой полимерной пленкой
(например, пленкой из ПЭТФ). После Этого опускают верхнюю
плиту и прижимают ее к форме откидными болтами. В полость
над диафрагмой впускают сжатый воздух (под давлением
0,4—0,5 МПа), который прижимает диафрагму к формуемому
Рис. 11.8. Оборудование для формования под давлением при помощи эластич-
ной диафрагмы (а) и при помощи резинового пуансона (б). Пояснения
в тексте.
материалу, и выдерживают в таком состоянии в течение време-
ни отверждения. Для уменьшения времени отверждения форму
и сжатый воздух подогревают. При изготовлении больших се-
рий мелких изделий вместо эластичной диафрагмы применяют
резиновый пуансон 5 (рис. 11.8, б).
11.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ПРОПИТКОЙ
И ПРЕССОВАНИЕМ В ФОРМЕ
Прессование и пропитка в форме — это основные разновидно-
сти закрытых методов формования, позволяющие изготавливать
изделия с высокой точностью (рис. 11.9).
При прессовании (рис. 11.9, а) на пуансон формы 2 внача-
ле надевается объемная заготовка 3 или укладывается требу-
емое число слоев стеклоткани. Затем сверху на пуансон поме-
шается порция связующего 4, и полуформа, установленная на
подвижной плите пресса 1, поднимается; под давлением укреп-
Рис. 11.9. Схемы оборудования для закрытых методов формования:
а — прессованием; б — пропиткой наполнителя в замкнутой форме.
Пояснения в тексте.
ленной на неподвижной плите 6 матрицы 5 связующее растека-
ется по всей полости формы и пропитывает наполнитель. Пресс-
канты матрицы и пуансона при смыкании формы обрезают из-
лишки наполнителя по периметру изделия. Избыток связующе-
го выдавливается из полости формы через зазоры в пресс-
кантах. Для центровки матрицы относительно пуансона при-
меняют направляющие втулки и направляющие колонны. Дав-
ление формования и отверждения изделий обычно не превышает
7 МПа. Это позволяет использовать сравнительно маломощные
прессы для изготовления изделий больших габаритов.
Метод пропитки наполнителя в замкнутой форме отличается
тем, что готовые изделия почти не содержат воздушных вклю-
чений. Необходимое оборудование (рис. 11.9,6) состоит из ме-
таллической формы 2, бачка-уловителя 3, бачка со связую-
щим 1 и вакуум-провода 4. На пуансон по всей поверхности
наносится разделительный слой из целлофановой пленки, а по-
верх него накладывается стеклоткань 7; после этого форма,
конструкция которой должна обеспечивать герметичность, за-
крывается, полость формы через ловушку 3 соединяется с ва-
куумной линией 4, и в форме создается разрежение. Под дейст-
вием атмосферного давления связующее поступает в форму и
пропитывает стеклоткань. Момент окончания пропитки опре-
деляется по появлению связующего в смотровом стекле 5, пос-
ле чего перекрывают запорные краны 6 и 8. Полностью пропи-
танный стекломатериал выдерживают в форме в течение вре-
мени, необходимого для завершения отверждения связующего.
11.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛОСКИХ
И ГОФРИРОВАННЫХ ЛЕНТ
Непрерывный метод формования изделий из стеклопласти-
ков чаще всего применяют для изготовления стеклошифера
с продольным или поперечным гофром. В качестве исходных
материалов обычно используют жгутовую ткань, стеклянную
Рис. 11.10. Агрегат для формования стеклошифера с поперечной волной. По-
яснения в тексте.
Рис. 11.11. Агрегат для формования стеклошифера с продольной волной. По-
яснения в тексте.
сетку из штапельной пряжи, стеклохолст из рубленых волокон;
в качестве связующего — полиэфирные и эпоксидные смолы.
Готовые изделия содержат до 60% связующего.
Установка для изготовления стеклошифера с поперечным
гофром представляет собой агрегат конвейерного типа (рис.
11.10), смонтированный в тепловой камере 1. Формование гоф-
ров осуществляют два непрерывно движущихся цепных конвей-
ера 2, на которых закреплены формующие валики 3, располо-
женные таким образом, что при сближении цепей валики верх-
него конвейера оказываются точно посередине между валика-
ми нижнего конвейера. Стеклохолст 5 вначале проходит через
пропиточную ванну, а затем на него с обеих сторон накладыва-
ются целлофановые пленки 4, предотвращающие прилипание
холста к валикам. Поступивший в камеру холст быстро нагре-
вается, и смола частично отверждается, а затем валики 3 сбли-
жаются друг с другом и формуют на ленте поперечные желоб-
ки. Двигаясь вместе с валиками, холст окончательно отвержда-
ется; на выходе из тепловой камеры пленки целлофана отслаи-
ваются от поверхности шифера и наматываются на бобины 8.
Кромки ленты обрезают дисковыми ножами 7 и готовую ленту
шифера наматывают на приемную бобину 6.
Агрегат для непрерывного формования листов стеклопласти-
ка с продольным гофром (рис. 11.11) состоит из установки для
формования стеклохолста и установки для формования гофра
и отверждения полученного изделия.
Стеклянный жгут с бобины 1 поступает на резательное уст-
ройство 2, с которого стекловолокно захватывается потоком
воздуха и попадает в осадительную камеру 3, в нижней части ее
проходит сетчатый транспортер 4. Создаваемый вентилятором
5 поток воздуха увлекает волокно, которое откладывается
в виде слоя на транспортере. На выходе из камеры волокно
опрыскивается небольшим количеством связующего из распыли-
теля 6, а затем проходит под батареей инфракрасных нагрева-
телей 9.
Целлофановая пленка сматывается с бобины 11, проходит
мимо нагревателей 9а и оказывается под форсункой 10,. через
которую на ее поверхность наносится слой смолы (С) с отвер-
дителем (О), поступающей к форсунке из дозатора 8. К доза-
тору связующая композиция подается из смесителя 7, куда
оба компонента поступают из основных емкостей. Готовый
стеклохолст дублируется со слоем целлофана, на котором на-
ходится слой связующего, роликами 24. Одновременно на него
накладывается слой целлофановой пленки, сматываемой с бо-
бины 12 и подогретой нагревателями 96. Толщина ленты мате-
риала регулируется расстоянием между роликами 24. Удале-
ние воздуха из связующего осуществляют ролики 13. Затем
лента поступает через ширительные валки 14-в камеру предва-
рительного отверждения 15. Частично отвержденная лента про-
ходит через ряд формующих барабанов 16, на которых формую-
щие ролики располагают таким образом, чтобы вначале гофры
формовались в центральной части полотна и лишь затем — на
его краях. Этим предотвращается возникновение складок на
полотне. Отформованная лента поступает в камеру окончатель-
ного отверждения 17. В камере 23 отвержденная лента охлаж-
дается водяным душем. Пары воды и выделяющиеся при от-
верждении связующего летучие вещества удаляются из камеры
при помощи вытяжной вентиляции по воздуховоду 18. Отверж-
денная лента вытягивается из камеры тянульным устройством
19, проходит мимо дисковых ножей 22, обрезающих ее кромки,
и разрезается качающейся циркулярной пилой 20 на куски
нужной длины. Отрезанные куски отводятся на позицию упа-
ковки ускоряющими роликами рольганга 21.
11.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ФОРМОВАНИЯ
Установки для центробежного формования позволяют изготав-
ливать полые изделия круглого (или любого другого) попе-
речного сечения. Изделия круглого сечения изготавливают в
формах, ось вращения которых совпадает с осью симметрии
изделия (рис. 11.12). В качестве армирующего материала при-
меняют рубленое стекловолокно 2, которое загружается внача-
ле во внутреннюю полость формы 1. Загруженная форма при-
водится во вращение, и стекловолокно равномерно распреде-
ляется по внутренней поверхности формы. Затем в форму по-
дается связующее, и форма приводится во вращение с частотой
около 750 об/мин. Под действием центробежных сил связую-
щее вдавливается в стекловолокно, пропитывает его и отверж-
Рис. 11.12. Агрегат для центробежного формования труб. Пояснения в тексте.
дается в форме, обогреваемой паром или электрическими нагре-
вателями сопротивления.
В некоторых случаях вместо стекловолокна в качестве заго-
товки применяют стеклоткань, стекломат или ровницу, которые
предварительно наматывают на оправку с добавлением клея-
щих веществ. Полученную заготовку помещают в форму, а за-
тем приводят ее во вращение и подают в нее связующее.
При изготовлении изделий произвольной формы применяют
машины, в которых форма вращается в двух взаимно перпен-
дикулярных направлениях.
11.7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАМОТКИ
Методом намотки изготавливают наиболее ответственные из-
делия из армированных пластмасс, имеющие форму тел вра-
щения (такие, как фюзеляжи самолетов и особо ответственные
аппараты и емкости в химических производствах). При тесной
укладке стекложгута его содержание в изделии может дости-
гать 90%- Соответственно прочность в направлении укладки со-
ставляет 3-103 МПа.
Используя метод намотки, можно применять как сухое, так
и мокрое формование.
При сухом методе перед формованием стекложгуты предва-
рительно пропитывают растворами полимерных связующих на
специальных пропиточных машинах. При пропитке содержа-
ние связующего в материале контролируется концентрацией
раствора и скоростью движения стекложгута через пропиточ-
ную ванну. Введение растворителя позволяет уменьшить вяз-
кость связующего и повысить равномерность покрытия стекло-
волокна смолой. Одновременно несколько усложняется техно-
логия намотки, так как необходимо предусмотреть перед фор-
мованием операцию просушки пропитанного стекложгута.
При мокром методе намотки операции пропитки и формова-
ния обычно совмещены. В некоторых случаях стекложгут про-
питывают жидкой смолой (не разбавленной растворителем), а
затем наматывают на бобины, которые устанавливают в шпу-
лярник намоточной машины.
Простейшая установка для изготовления намотанной обо-
лочки состоит (рис. 11.13) из оправки 1, закрепленной в дер-
жателе ротора 2; подвижной каретки 4 со шпулярником 6.
Сматываемый с бобин шпулярника стекложгут 7 проходит че-
Рис. 11.13. Агрегат для намотки обо-
лочек. Пояснения в тексте.
рез пропиточную ванну 5 и
поступает к натяжному уст-
ройству 8, регулирующему на-
тяжение пряжи при намотке.
Одновременно валики устрой-
ства отжимают избыточное связующее, которое возвращается
в пропиточную ванну. Ходовой винт 3 служит для перемещения
каретки 4. Отметим, что для обеспечения постоянного контакт-
ного давления натяжение с увеличением радиуса изделия долж-
но возрастать. На оправках большого радиуса необходимое
контактное давление обеспечивается прижимными роликами.
Контактное давление зависит от типа наполнителя и вязкости
связующего и может составлять от 5 до 150 Н/см (контактное
давление измеряется усилием, передаваемым на оправку еди-
ничной длиной нити). Меньшее давление применяют при фор-
мовании тонкостенных оболочек (толщиной до 1,5 мм) на от-
носительно нежестких оправках.
Оправка. Конструкция оправки очень часто предопределяет
эксплуатационные характеристики изделия. Она должна быть
прочной, разборной или сделанной из легкоплавкого или раст-
воримого материала, который можно легко удалить из внутрен-
ней полости готового изделия. Выбор материала оправок зави-
сит от используемого в последующем метода съема намотанно-
го изделия.
Оправки можно изготавливать разборными, надувными или
разрушаемыми. Часто применяют разделенные на сегменты
разборные оправки, однако с увеличением диаметра изделия
стоимость таких оправок становится чрезмерно высокой и в ря-
де случаев во много раз превышает стоимость самого изделия.
Разрушаемые оправки можно изготавливать из растворимых
или плавких солей; растворимых или плавких пластмасс; ком-
позиций, содержащих растворимые - или плавкие цементирую-
щие добавки. Чаще всего в качестве материала для разрушае-
мых оправок применяют вымываемый гипс. Для изделий малого
диаметра оправки изготавливают из одного гипса, для более
крупных изделий — из гипса в сочетании с разборной армату-
рой. Для крупногабаритных изделий оправки изготавливают из
эвтектических солей или эвтектических материалов, которые
нагревают до плавления, а затем отливают в форму в виде
пустотелой оболочки.
Оправки, применяемые для формования сухим методом,
необходимо нагревать в процессе намотки. С этой целью в их
тело заделывают специальные нагревательные элементы (на-
греватели сопротивления, металлические трубы для пара или
нагретого масла и т. д.).
Натяжение лент или нитей при намотке оказывает большое-
влияние на прочность изделий. Натяжение должно быть по воз-
можности равномерно распределено по всем нитям. Для регу-
лирования натяжения стекловолокна применяют различные-
методы. Одним из них является установка регулируемого ме-
ханического тормоза на шпуле, другой состоит в установке
муфт с регулируемым тормозным моментом на подающих и на-
тяжных роликах. Наконец, можно совместить операции натя-
жения и отжима связующего при методе «мокрой» намотки,
контролируя тормозной момент одного из отжимных роликов.
Контроль натяжения при «мокрой» намотке позволяет регули-
ровать содержание связующего и обеспечивает получение более
равнопрочных изделий.
Среди различных типов машин для намотки оболочек мож-
но выделить три основные группы, различающиеся по характеру
движения раскладчика и оправки. Первая группа (простейший
вариант) —станки с вращающейся оправкой и возвратно-посту-
пательным движением каретки раскладчика (см. рис. 1Г.13).
Вторая группа — станки планетарного типа (рис. 11.14,а), в
которых раскладчик 2 вращается в плоскости, пересекающей
ось вращения оправки 1 под небольшим углом; на таких стан-
ках скорость вращения оправки обычно очень мала. Третья
группа—станки с планетарным движением оправки 1 и непо-
движным раскладчиком 2 (рис. 11.14,6). Современные станки
для намотки оснащают фотоэлектрическими устройствами для
контроля обрывности нитей и системами числового программно-
го управления всеми параметрами процесса намотки, включая
контроль траектории укладки нити.
Оборудование для намотки труб можно подразделить на
машины периодического и непрерывного действия.
Машина периодического действия для «сухой» намотки труб
(рис. 11.15) состоит из шпулярника 1, направляющих 2, непод-
вижной оправки 3, подвижной каретки 4 и вращающейся план-
шайбы 5, применяемой для радиальной обмотки. Полотно для
продольной укладки поступает с катушек шпулярника 1, рас-
считанных на использование стеклоткани шириной от 300 до
1000 мм. Натяжение полотен регулируется при помощи кату-
шечных тормозов. Перед укладкой на оправку полотно пропу-
скают через профилирующие круговые щели направляющих 2.
Радиальная намотка полотна осуществляется вращением план-
Рис. 11.14. Планетарные
станки для намотки оболо-
чек:
°— станок с планетарным дви-
жением шпулярника; б — станок
с планетарным движением оп-
равки.
Пояснения в тексте.
шайбы 5, на которой также установлены катушки со стекло-
тканью. Протягивание и укладка каждого продольного слоя
стеклоткани осуществляется за счет продольного движения ка-
ретки 4, которая вначале перемещается в крайнее левое поло-
жение, захватывает полотна и отъезжает в крайнее правое по-
ложение. Затем вращающаяся планшайба 5 спирально наматы-
вает на закрепленные полотна слой стеклоткани. Самотормо-
зящиеся катушки на планшайбе укреплены на поворотных стой-
ках, автоматически устанавливающихся под нужным углом на-
мотки за счет усилия натяжения лент. Привод 6 вращения
планшайбы 5 расположен на подвижной каретке, в то время как
привод 8 каретки 4 установлен на станине станка. Каждый
из приводов имеет свой бесступенчатый, вариатор; управляя ими,
можно подобрать необходимые шаг и скорость намотки. Для
предотвращения взаимного наложения друг на друга стыков
продольных полотен в двух соседних слоях, наличие которых
снижает прочность трубы, перед наложением каждого продоль-
ного слоя оправка поворачивается на небольшой угол при по-
мощи поворотного механизма 7, установленного на правой опо-
ре станка.
Машины для непрерывной намотки труб подразделяются на
два основных типа: машины с подвижной оправкой конечной
длины и машины с неподвижной оправкой.
Типичным примером машины первого типа является верти-
кальный намоточный агрегат фирмы «Ганал Бепон и Грант»
(США), показанный на рис. 11.16. Агрегат состоит из шести
расположенных друг над другом горизонтальных столов (3, 6,
8, 9, И и 12), пять из которых вращаются вокруг вертикальной
оси, а один (9) неподвижен. В центре каждого из столов име-
ется отверстие для прохода сердечника оправки 1 при его дви-
жении вверх. Оправка изготовлена из шлифованной стальной
трубы длиной 6 м с хромированной и полированной поверхно-
стью. Верхний конец оправки имеет несколько меньший диаметр,
чем нижний. Это позволяет, не останавливая машину, непре-
Рис. 11.15. Схема станка для .сухой намотки труб. Пояснения в тексте.
Рис. 11.16. Схема вертикального агрегата
для формования труб на движущейся оправ-
ке. Пояснения в тексте.
рывно наращивать сердечник, вста-
вляя его верхний конец в раструб
нижнего.
Перед установкой оправки в ма-
шину на ее поверхность наносится
специальная силиконовая смазка,
предотвращающая прилипание го-
товой трубы к оправе.
Подача оправки с постоянной
скоростью осуществляется при по-
мощи двух пар обрезиненных вал-
ков 2, установленных под нижним
столом. При движении оправки че-
рез отверстие с эластичным уплот-
нением первого стола 3 она попа-
дает в ванну, и на нее наносится
связующее. При вращении стола
на оправку наматываются предва-
рительно пропитанные ленты стек-
лоткани, поступающие с бобин 4.
Двигаясь дальше вверх, оправка
проходит через эластичную диа-
фрагму 19 вращающегося в проти-
воположном направлении стола 6,
снимающую с нее избыток смазки.
На этом столе установлены боби-
ны 7 со стекловолокном, которое
сматываясь с бобин, вначале пос-
тупает в ванну и, проходя через
расположенные по периметру сто-
ла фарфоровые направляющие
втулки 18 и установленные в ван-
не штыри 5, хорошо смачивается связующим и равномерно на-
вивается по спирали на оправку. Следующий стол 8 по конст-
рукции полностью аналогичен столу 6 и отличается от него
лишь направлением вращения. Четвертый стол 9 неподвижен.
Сматываемое с бобин стекловолокно проходит через пропиточ-
ную ванну, огибает кольцевые трубки 10 и попадает в кольцо
17 с направляющими штырями, равномерно распределяющими
волокно вокруг трубы. На пятом вращающемся столе 11 нама-
тывается наружный слой предварительно пропитанной стекло-
ткани. На этом столе пропиточная ванна отсутствует. Одновре-
менно эти ленты отжимают из трубы излишки связующего. На
последнем, шестом вращающемся столе 12 установлены бобины
с целлофановой лентой 13, которая наматывается поверх слоя
стеклоткани. Излишки отжатого связующего удаляются двумя
деревянными лопатками 16. Над последним столом установле-
ны центрирующие валки 14, контролирующие правильность
движения оправки. Движение оправки синхронизировано с ра-
ботой отрезного устройства 15, разрезающего трубу по стыку
оправок. Отрезанная труба с оправкой захватывается манипу-
лятором и устанавливается в печь для термоотвержденйя. Печь
представляет собой алюминиевый цилиндр, внутри которого
расположены паровые (или электрические) нагреватели. После
отверждения трубу извлекают из печи и снимают с оправки на
специальном приспособлении. Извлеченная оправка тщательно
зачищается и направляется к агрегату для повторного исполь-
зования. Машины такого типа позволяют изготавливать трубы
с внутренним диаметром от 50 до 150 мм.
Агрегаты для непрерывного изготовления труб бесконечной
длины можно разделить на две группы. В агрегатах первой
группы осевое перемещение формуемой трубы реализуется за
счет продольного движения элементов сложной оправки. В аг-
регатах второй группы продольное движение трубы достигает-
ся за счет применения в качестве оправки внутреннего слоя
формуемой трубы. Проще всего это удается добиться при из-
готовлении бипластмассовых труб, когда выходящая из экстру-
дера пластмассовая труба после охлаждения используется в ка-
честве бесконечной движущейся оправки для намотки внешних
слоев из стеклопластика. '
Разновидностью первой группы является установка «Стра-
тотьюб» (рис. 11.17), в которой труба формуется на неподвиж-
ной оправке 1, непрерывно перемещаясь по ней в продольном
направлении благодаря наличию продольных лент из стекло-
ткани 3. Агрегат состоит из станины 11, на которой укреплена
неподвижная стальная слабоконическая оправка 1. Непосредст-
венно у основания оправки установлен неподвижный шпуляр-
ник 2, на котором расположены бобины с целлофановой лентой,
Рис. 11.17. Схема горизонтального агрегата для непрерывной намотки беско-
нечных труб. Пояснения в тексте.
укладываемой в продольном направлении на оправку 1. Поверх
целлофана в продольном направлении укладывается слой
стеклоткани, поступающей с бобин шпулярника 3. На стекло-
ткань распылителем 4 наносится слой связующего. По четыре
бобины 6 со стеклотканью 8 устанавливаются на двух вращаю-
щихся в противоположных направлениях планшайбах 5, опи-
рающихся на центрирующие опорные ролики 7. Каждая бобина
имеет индивидуальное тормозное устройство, автоматически
поддерживающее заданное натяжение. На планшайбе установ-
лено приспособление для подачи связующего 4 и отжимные
устройства для удаления его излишков. Обычно на каждую из
бобин наматывается по 900 м ленты. Намотанная на оправку
труба, поступает в пространство между профилирующими ро-
ликами 9, наружный контур которых очерчен строго по дуге
окружности; сам ролик изготовлен в виде набора отдельных
тонких дисков. Эти ролики одновременно играют роль форму-
ющих инструментов и электродов высокочастотного генерато-
ра 10, один из полюсов которого соединен со станиной агрега-
та, а второй — с роликами 9. Проходя через высокочастотный
нагреватель, труба отверждается и подается к гусеничному тя-
нульному устройству (на рис. 11.17 не показано), обеспечива-
ющему движение готовой трубы с линейной скоростью 0,25—
4 м/мин. Время отверждения — от 1 до 10 с. Агрегаты такого
типа позволяют выпускать трубы с толщиной стенки от 1,5 до
20 мм и диаметром от 40 до 1000 мм.
11.8. АГРЕГАТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ И ТРУБ
МЕТОДОМ ПУЛТРУЗИИ
Формование изделий из ориентированного в продольном направ-
лении стекловолокна протяжкой пучка волокон через фильеру
с плавно уменьшающимся сечением известно под названием
Рус. 11.18. Агрегат для формования методом пултрузии. Пояснения в тексте.
Рис. 11.19. Формующая матрица агрега-
та для пултрузии труб. Пояснения в тек-
сте.
«пултрузия». Этим методом в на-
стоящее время изготавливают
трубы, круглые стержни и про-
фили (швеллеры, тавры, уголь-
ники и т. д.).
Агрегат для формования ме-
тодом пултрузии (рис. 11.18)
состоит из шпулярника 1, на ко-
тором установлены механические или фотоэлектрические датчи-
ки обрыва нитей и регулируемые натяжные устройства; пропи-
точной ванны 2, формующей матрицы 3, камеры термообра-
ботки 4, охлаждающей камеры 5, тянущего устройства 6, цир-
кулярной пилы 7, общей сварной станины 8, пульта управле-
ния 9. Формующая матрица (рис. 11.19) в свою очередь состо-
ит из распределительной плиты 1, попадая в отверстия которой
пропитанные волокна 2 равномерно распределяются по контуру
будущего изделия. Одновременно с них снимается избыточное
количество связующего. Затем волокна попадают в охлаждае-
мые входные губки матрицы, образованные охлаждаемой фор-
мующей матрицей 3 и дорном 4. В губках профилирующей ще-
ли окончательно отжимается все излишнее связующее, после
чего отформованное изделие поступает в горячую часть матри-
цы 5, отделенную от охлаждаемых губок термоизоляционной
прокладкой 7 и обогреваемую пластинчатым нагревателем 8
с термопарой 6. Крепление распределительной плиты к корпу-
су матрицы осуществляется посредством четырех стальных ко-
лонн 9. Длина обогреваемой части матрицы выбирается такой,
чтобы за время ее прохождения основная часть связующего ус-
пела заполимеризоваться и на выходе из матрицы было факти-
чески сформировано готовое изделие. Окончательное отвержде-
ние изделия (см. рис. 11.18) происходит в камере термообработ-
ки 4, откуда оно поступает в камеру водяного охлаждения
5. Протяжка волокон и готового изделия через распределитель-
ную плиту, формующую матрицу и камеры отверждения и охлаж-
дения осуществляется при помощи гусеничного тянущего ме-
ханизма 6 с регулируемой скоростью. Производительность та-
ких установок может составлять от 0,4 до 1,2 м/мин.
11.9. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ
СТЕКЛОПЛАСТИКОВ
Производство изделий из стеклопластиков относится к катего-
рии пожароопасных, так как при их формовании выделяется
значительное количество паров легколетучих растворителей.
Некоторые компоненты связующих, пары растворителей и стек-
лянные волокна оказывают токсическое воздействие на орга-
низм человека.
Для защиты работающих от токсичных веществ производ-
ственные помещения оборудуют приточно-вытяжной вентиля-
цией с высокой кратностью воздухообмена (до 12 за час). Что-
бы предотвратить скопление паров растворителей, плотность
которых выше плотности воздуха, необходимо применение вы-
тяжных систем с нижним воздухозабором. В ряде случаев уста-
навливают местные воздухозаборники, предотвращающие повы-
шение концентрации токсичных веществ до пороговых значений
у рабочих мест.
Для снятия электростатического электричества технологиче-
ское оборудование тщательно заземляют. Электродвигатели и
все электрооборудование должны быть изготовлены во взрыво-
безопасном исполнении.
Кроме общепроизводственных мероприятий по технике бе-
зопасности и охране труда в ряде технологических процессов
(контактное формование, напыление) обязательно применение
индивидуальных средств защиты: резиновых перчаток, фарту-
ков, защитных очков, респираторов, а иногда и противогазов.
Рабочие помещения должны быть обеспечены углекислотными
огнетушителями, песком и асбестовыми одеялами в количест-
вах, предусмотренных пожарными нормами.
ГЛАВА 12
ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС
Промышленные роботы — это автономно функционирующие ма-
шины-автоматы, предназначенные для воспроизведения двига-
тельных функций человека, обладающие «памятью» и способ-
ностью работать во взаимодействии с другими техническими
устройствами.
* В настоящее время создано несколько сот моделей роботов,
существенно различающихся по конструкции, габаритам, мощно-
сти и функциональным возможностям. Однако, несмотря на мно-
гообразие технических решений, реализуемых в разных моде-
лях роботов, все они содержат одинаковый набор устройств,
совокупность которых принципиально отличает их от других
технических объектов.
В состав любого робота входят манипулятор в виде меха-
нической руки с захватом, оснащенной приводами, а также
пульт управления с устройством ввода и вывода программ, бло-
ком оперативной памяти и исполнительными устройствами уп-
равления приводами. Контроль за перемещением манипулято-
ра и взаимодействием его с оборудованием осуществляется с
помощью различных датчиков, объединенных в общую инфор-
мационную систему. Некоторые модели роботов имеют подвиж-
ную платформу на колесном или гусеничном ходу, позволяющую
перемещать манипулятор, занятый обслуживанием нескольких
единиц оборудования или выполнением транспортных и склад-
ских работ.
12.1. УСТРОЙСТВО ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Конструкция манипуляторов. Манипулятор — механическая
рука робота — представляет собой многозвенный разомкнутый
механизм с вращательными или поступательными сочленения-
ми, заканчивающийся рабочим органом в виде схвата или ка-
кого-либо специального технологического инструмента. Уни-
версальность манипулятора определяется числом степеней под-
вижности руки. Для работы с неориентированными объектами не-
обходимо иметь не менее шести степеней подвижности: три степе-
ни— для перемещения схвата в заданную точку пространства и
еще три — для ориентации схвата в пространстве. Увеличение
числа степеней подвижности диктуется стремлением повысить ма-
невренность манипулятора, но одновременно приводит к суще-
ственному усложнению его конструкции, поэтому большинство
промышленных роботов имеет от 4 до 7 степеней подвижности.
На рис. 12.1 показан манипулятор отечественного промыш-
ленного робота ТУР-10, предназначенного для обслуживания
станков с ЧПУ, литьевых машин, прессов, штампов, а также
для окраски, сварки и других технологических операций.
Каждый манипулятор имеет свою рабочую зону (зону об-
служивания). Эта зона представляет собой объемную фигуру
в виде совокупности точек пространства, до которых может до-
тянуться схват во всех крайних положениях. Конфигурация ра-
бочей зоны определяется числом степеней подвижности, типом
кинематических пар, их взаимной ориентацией и относительны-
ми размерами звеньев руки. Типам рабочих зон соответствуют
различные системы координат, в которых осуществляется дви-
жение схвата манипулятора: прямоугольная, цилиндрическая и
сферическая.
Движение руки по каждой координате осуществляется с по-
мощью трех основных механизмов: привода, передаточного ме-
ханизма и исполнительного устройства. Последним может быть
схват, кисть, рука и манипулятор в целом. В качестве приводов
используются гидродвигатели, пневмодвигатели, электродвига-
тели и комбинированные приводы.
Конструкции передаточных механизмов отличаются боль-
шим разнообразием и содержат цилиндрические или кониче-
ские зубчатые, червячные, цепные, троссовые, рычажные, шари-
Рис. 12.1. Конструктивная-схема манипуля-
тора промышленного робота ТУР-10:
I — неподвижное основание; 2 — подвижные звенья
руки; 3 — схват.
ковинтовые, винтовые, планетарные
и другие передачи.
В основе классификации мани-
пуляторов лежит конструктивно-
компоновочный признак, а имен-
но — способ размещения привод-
ных устройств и принцип передачи
движения от них соответствующим
звеньям руки. В соответствии с этой классификацией все из-
вестные конструкции манипуляторов можно разделить на четы-
ре группы, различающиеся расположением приводов: 1) при-
воды расположены непосредственно на местах связи звеньев
руки так, что корпус привода связан с одним звеном, а веду-
щий элемент — с другим; 2) приводы всех звеньев расположе-
ны на неподвижном основании манипулятора, а связь каждого
привода со своим звеном осуществляется через передаточные
механизмы; 3) один привод используется для перемещения не-
скольких звеньев руки; 4) используются комбинации трех ос-
новных способов размещения приводов.
Преимущество манипуляторов первой группы заключается в
простоте кинематических связей между звеньями, а недостат-
ки связаны с трудностью создания компактной и гибкой кон-
струкции и с ухудшением динамических характеристик манипу-
лятора по сравнению с приводами других конструкций. Мани-
пуляторы второй группы имеют более сложные передаточные
механизмы и более длинные кинематические цепи, но обладают
лучшими динамическими характеристиками. Достоинством мани-
пуляторов третьей группы является сокращение числа приво-
дов. Однако поскольку управление звеньями руки осуществля-
ется здесь последовательно с помощью распределительных ме-
ханизмов, снижается быстродействие манипулятора. Из комби-
нированных конструктивных схем манипуляторов (четвертая
группа) чаще всего используется комбинация способов распо-
ложения приводных устройств, характерных для первой и вто-
рой группы с преимущественным применением принципов, при-
нятых для первой группы.
Поиск оптимальных компоновочных решений в конструкци-
ях манипуляторов позволяет наблюдать две принципиально
различные тенденции: создание универсальных, но дорогих и
сложных конструкций с большим числом степеней подвижности
и разработку простых, недорогих, узкоспециализированных ма-
нипуляторов.
В последние годы успешно развивается третий путь, осно-
ванный на применении системы модулей — функционально и
конструктивно независимых элементов, каждый из которых мо-
жет использоваться как индивидуально, так и в различных ком-
бинациях с другими модулями. Соединение модулей между со-
бой происходит с помощью унифицированных стыковочных по-
верхностей и не требует никаких дополнительных проектных
или монтажных работ, кроме операции сочленения. Состав си-
стемы конструктивных модулей определяется технологическими
требованиями к геометрическим, точностным и динамическим
характеристикам перемещения объектов производства.
Для увеличения рабочей зоны манипулятора и автоматиза-
ции транспортных операций некоторые модели манипуляторов
оснащают средствами передвижения, среди которых чаще всего
применяются колесные устройства, имеющие электрические или
гидравлические приводы. При управлении приводами исполь-
зуются датчики, которые либо непрерывно измеряют путь пе-
ремещения манипулятора относительно неподвижной базы, ли-
бо подключаются (как кинематически, так и электрически}
только в районе обслуживаемого оборудования. В целях повы-
шения точности позиционирования манипуляторов и упрощения
системы управления ими траекторию их движения обычно огра-
ничивают подвесными или расположенными на полу рельсовы-
ми путями.
Захватные устройства манипуляторов. Роботы применяются
на самых разнообразных операциях и работают с деталями,
различными по прочности, массе, габаритам, шероховатости по-
верхности. Поэтому для манипуляторов разработано большое
количество всевозможных захватных устройств — схватов, ко-
торые можно подразделить на: механические с жесткими или
пружинящими губками; с вакуумными присосками; электромаг-
нитные; приспособления в виде кронштейнов для крепления
технологического инструмента. В некоторых конструкциях ма-
нипуляторов схваты могут автоматически заменяться в соответ-
ствии с записанной программой.
Наиболее часто применяются механические схваты с регу-
лируемым усилием или моментом, состоящие из механизма за-
жима и сменных губок. У значительной части роботов, особен-
но простых, движение захватного устройства осуществляется в
одной плоскости по декартовым или полярным координатам. На
12.2 показан схват шарнирной конструкции с губками для удер-
жания изделий цилиндрической формы. На штоке 2 пневмоци-
линдра 1 смонтированы шарниры 3, несущие зажимные губки 4.
Губки схватов могут быть универсальными или изготовленными
из быстротвердеющих материалов типа силиконовых резин ме-
тодом формообразования по профилю захватываемого изделия.
Для взятия хрупких предметов применяются губки в виде на-
дувных подушек или схваты с несколькими резиновыми паль-
цами в виде полых разностенных трубок, несимметрично дефор-
мирующихся при подаче в них воздуха и мягко охватывающих
переносимый предмет с разных сторон.
Рис. 12.2. Схват для изделий ци-
линдрической формы. Пояснения
в тексте.
Вакуумные схваты с
присосками из резины или
другого эластичного поли-
мера используются преиму-
щественно при работе с
изделиями в виде листов
или относительно легких
объемных фигур с плавными обводами. Эти схваты очень про-
сты по конструкции, имеют небольшую массу и достаточно
универсальны.’ Для перемещения крупногабаритных изделий и
заготовок применяют схваты с несколькими присосками, рас-
положение и ориентация которых в пространстве зависит от
конфигурации изделия.
Область применения электромагнитных схватов несколько
шире, чем вакуумных. Они могут работать с более мелкими и
более тяжелыми изделиями разной формы. Однако возмож-
ность взаимодействия только с изделиями из магнитных мате-
риалов сужает диапазон их использования. Недостатком таких
схватов является остаточный магнетизм и захват посторонних
частиц, способных повредить поверхность обрабатываемого из-
делия.
На схватах промышленных роботов, если это необходимо по
условиям технологического процесса, устанавливают чувстви-
тельные элементы, дающие информацию об объекте и внешней
среде, в которой функционирует робот. Схваты оснащают так-
тильными (измеряющими усилие сжатия), фотоэлектрическими,
ультразвуковыми и другими датчиками, которые помогают
ориентировать схват относительно детали, компенсируя неточ-
ности положения схвата, обусловленные неизбежными ошиб-
ками системы жесткого программирования манипулятора, а так-
же уменьшают вероятность повреждения детали.
Приводы манипуляторов. Движения рабочих органов мани-
пуляторов осуществляются с помощью гидравлических, электри-
ческих и пневматических приводов, а также комбинированных —
электрогидравлических, пневмогидравлических и др. Около 30%
манипуляторов имеют гидравлические приводы. Небольшая
масса гидроагрегатов, приходящаяся на единицу их мощности,
жесткие статические и высокие динамические характеристики,
сравнительно небольшие потери при передаче энергии в значи-
• тельной мере способствуют их широкому применению. В каче-
стве силовых двигателей здесь используются гидромоторы,
осуществляющие непрерывное вращение выходного вала; мо-
ментные и поршневые гидроцилиндры, преобразующие энергию
потока жидкости в поступательное перемещение выходного што-
ка. Регулирование скорости движения гидродвигателей обеспе-
чивается с помощью дросселей, управляемых в ручном или ав-
тематическом режимах. Недостатки гидродвигателей связаны
с зависимостью скорости их работы от температуры окружаю-
щей среды, которая влияет на вязкость жидкости и динамиче-
ские характеристики привода.
Манипуляторы с электродвигателями дискретного или не-
прерывного действия используются реже. Они имеют широкий
диапазон грузоподъемности. Внешние условия слабо влияют на
их работу. К преимуществам электропривода относятся легкость
монтажа и наладки, отсутствие трубопроводов и низкий уро-
вень шума при работе. Ограниченность применения электропри-
водов в роботостроении обусловлена тем, что использование
существующих высокоскоростных двигателей вращательного
типа требует сложных передаточных механизмов, введения
устройств фиксации положения звеньев типа фрикционных тор-
мозов и применения самотормозящих передач, которые суще-
ственно снижают к.п.д. привода.
Пневматические приводы в виде поршневых цилиндров и по-
воротных пневмодвигателей широко используются в конструк-
циях наиболее простых манипуляторов небольшой грузоподъем-
ности, имеющих обычно от двух до четырех степеней подвиж-
ности. Привод одной степени подвижности состоит из исполни-
тельного двигателя, распределительного устройства, дроссе-
лей-регуляторов скорости и редуктора. Пневматический привод
во многом сходен с гидравлическим, но не имеет обратного
трубопровода. Он значительно дешевле, надежнее, проще в из-
готовлении и эксплуатации. Основной недостаток пневмопри-
вода — трудность управления им в следящем режиме из-за вы-
сокой сжимаемости воздуха.
Из комбинированных приводов наиболее часто применяются
электрогидравлические и пневмогидравлические.
12.2. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
Промышленные роботы первого поколения еще не обладают
способностью контролировать свои действия, используя при
этом зрительные, звуковые и другие достаточно сложные в тех-
ническом отношении средства анализа состояния окружающей
среды. Их информационная система ограничена в основном
датчиками обратной связи, устанавливаемыми в исполнитель-
ных приводах или «суставах» манипулятора и предназначен-
ными для контроля текущих координат подвижных звеньев ма-
нипулятора и выдачи соответствующих данных в блок памяти
или сравнивающее устройство системы управления при отра-
ботке роботом заданной программы.
Все используемые в роботах преобразователе линейных и
угловых перемещений в электрические сигналы-'можно разде-
лить на две категории: аналоговые и цифровые.
В качестве датчиков первого типа наиболее распространены
потенциометры и вращающиеся трансформаторы. Потенцио-
метр — это электромеханический прео разователь, выходное
напряжение которого является функцией (как правило, линей-
ной) угла поворота его вала. Точность прецизионных много-
оборотных проволочных потенциометров достигает 0,01%. Ос-
новные их недостатки — износ проволоки и контактных щеток,
а также низкая чувствительность по напряжению. В настоящее
время начато производство многооборотных пленочных потен-
циометров, имеющих ресурс до 2—3 млн. циклов.
Вращающиеся трансформаторы и сельсины позволяют по-
лучать напряжение переменного тока, пропорциональное триго-
нометрическим функциям угла поворота или самому углу. Сле-
дует отметить, что однозначная зависимость их выходного на-
пряжения от угла поворота ограничена интервалом 0—я. Не-
достатком трансформаторных преобразователей является так-
же сравнительно низкая точность воспроизведения функции
угла поворота, не превышающая 0,1—0,2%. Для измерения ли-
нейных перемещений в диапазоне до 100 мм применяются ин-
дуктивные датчики дифференциального типа.
Все более широкое применение в робототехнике находят'
цифровые датчики, конструкция которых основана чаще всего
на фотоэлектрическом принципе, осуществляющие непосредст-
венное преобразование углового перемещения в цифровой код.
(кодовые датчики) или в серию унитарных импульсов (импуль-
сные датчики). Цифровые измерительные устройства недороги,,
надежны, удобны в работе и обеспечивают точность измерений
до 0,003%.
В промышленных роботах с помощью датчиков обратной
связи осуществляется, как правило, отсчет перемещений в аб-
солютных единицах: информация, поступающая от датчиков в-
систему управления, однозначно характеризует фактическое
положение подвижных элементов руки манипулятора в непод-
вижной системе координат.
12.3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И СВЯЗИ
С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Действия промышленного робота первого поколения при вы-
полнении им любой технологической операции определяются
жесткой программой, реализуемой с помощью системы управ-
ления роботом. При этом все движения манипулятора могут
быть согласованы во времени или в координатах зоны обслу-
живания с работой внешних технологических устройств..
В состав управляющих систем входят устройства ввода и
вывода программ, блоки памяти, преобразователи электриче-
ских сигналов, поступающих от датчиков, вычислительное уст-
ройство, устройства дистанционного управления приводами,
а также источники, питания, усилители, коммутирующие устрой-
ства, блоки защиты и другие вспомогательные элементы, приме-
няемые в автоматике. Все устройства системы управления раз-
мещают внутри пульта, который обычно называют стойкой уп-
равления.
Элементной базой систем управления служат как аналого-
вые, так и цифровые устройства. Аналоговые системы дешевле,
проще по конструкции, но уступают цифровым в точности от-
работки программ и обладают меньшей помехоустойчивостью.
Многие роботы оснащены управляющими микропроцессорами.
По характеру движения манипуляторов все управляющие
ими системы вне зависимости от их структуры, элементной ба-
зы и степени совершенства можно разделить на контурные и
позиционные.
Контурные системы управления заставляют схват манипуля-
тора плавно двигаться по заданной траектории со скоростью,
значение которой является функцией текущих координат схва-
та. Роботы с таким управлением используются на операциях
окраски, пескоструйной обработки, сварки и формования изде-
лий из стеклопластиков или полиуретанов методом напыления.
Позиционные системы управления предназначены для реа-
лизации прерывистого движения манипулятора с остановкой
схвата в заданных точках обслуживаемого пространства. Ко-
личество таких точек у современных роботов достигает 200.
Разновидностью позиционных систем являются цикловые
системы управления, применяемые в роботах с небольшим ко-
личеством точек позиционирования. Цикловые (или позицион-
но-цикловые) роботы чаще всего имеют простейшее устройство
памяти в виде барабана с гнездами для штырей. При враще-
нии барабана штыри периодически замыкают контакты ште-
керной панели и управляют работой исполнительных реле,
включенных в цепи управления приводами манипулятора. Пере-
мещения элементов руки ограничиваются здесь жесткими пере-
налаживаемыми упорами, на которые устанавливают контакт-
ные или бесконтактные концевые выключатели.
Создание рабочих программ для роботов с позиционными и
контурными системами управления осуществляется двумя прин-
ципиально различными методами: ручным обучением или авто-
матическим программированием.
При ручном обучении контурного робота оператор переме-
щает схват манипулятора или технологический инструмент по
заданной траектории. Приводы манипулятора в это время от-
ключены, а датчики всех степеней подвижности выдают непре-
рывно (или дискретно, но с частотой не менее 10 Гц) изменя-
ющиеся сигналы, которые фиксируются запоминающим устрой-
ством в реальном масштабе времени.
Обучение робота с позиционной системой управления осу-
ществляется с помощью выносного пульта. Перемещая мани-
пулятор на уменьшенной скорости, останавливая схват в задан-
ных точках рабочей зоны и имитируя участие робота в техно-
логическом процессе, оператор периодически (во время каждой
остановки) записывает в память робота информацию о прост-
ранственной ориентации всех звеньев его руки. При воспроиз-
ведении программы схват будет перемещаться от одной пози-
ции к другой по кратчайшему пути независимо от траектории,,
по которой он перемещался при обучении.
При обучении робота методом автоматического программи-
рования задача оператора сводится к укрупненному формиро-
ванию программы и предварительной выдаче ЭВМ. данных, не-
обходимых для расчета программы. Положение схвата во всех,
позициях задается тремя декартовыми координатами рабочей
точки и тремя независимыми переменными, характеризующи-
ми ориентацию схвата, например эйлеровыми углами. Алго-
ритмы решения задач по расчету промежуточных траекторий,
характеристических координат руки в настоящее время доста-
точно хорошо разработаны и аппаратурно реализуются в виде-
специализированных управляющих устройств отдельных приво-
дов. Для автоматического программирования робота разрабо-
таны специальные алгоритмические языки. Процедуры подго-
товки программ с использованием ЭВМ в данном случае стро-
ятся на тех же принципах, что и процедуры подготовки про-
грамм для машин с ЧПУ.
Эксплуатация робота в комплексе с каким-либо оборудова-
нием связана с необходимостью обеспечения их синхронной ра-
боты. Это достигается, с одной стороны, согласованием во вре-
мени всех движений автоматизированного технологического--
комплекса, а с другой стороны, логикой построения програм-
мы робота, который обменивается с оборудованием командами:
на включение или выключение определенных технологических,
устройств, а также на прерывание или продолжение движения
манипулятора. Эти команды можно разделить на две группы:,
команды на включение ранее отключенных управляющих уст-
ройств внешнего оборудования, с подачей которых автоматиче-
ски прерывается воспроизведение роботом заданной программы
до прихода в его систему управления ответных сигналов, подт-
верждающих исполнение поданных команд; команды на вклю-
чение ранее отключенных технологических устройств, подача
которых не прерывает воспроизведения программы.
Число команд, необходимых для связи робота с оборудова-
нием, определяется требованиями технологического процесса и
изменяется обычно в интервале от 2 до 20. При этом ведущая
роль в комплексе совместно работающих машин всегда отво-
дится роботу.
Технологическое оборудование, как правило, не приспособ-
лено для стыковки с роботом без соответствующей модерниза-
ции. Необходимая модернизация включает в себя вывод на
внешнее распределительное устройство цепей включения и от-
ключения оборудования, установку дополнительных датчиков
для контроля положения его подвижных рабочих органов, ме-
ханизацию и автоматизацию операции, которые ранее выполня-
лись вручную,
В составе робототехнических комплексов применяются раз-
нообразные контактные или бесконтактные датчики, к числу
которых относятся оптические, акустические, лазерные и ульт-
развуковые дальномеры.
Отлаженная программа функционирования робота, входя-
щего в технологический комплекс, выводится из его оператив-
ной памяти на внешний программоноситель: бумажную перфо-
ленту, магнитную ленту или магнитный диск.
12.4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ
РОБОТОВ
Роботы применяются в разных отраслях промышленности: ме-
таллургической, химической, переработки пластмасс, металло-
обрабатывающей, точного приборостроения и др. Разнообра-
зие предъявляемых к ним требований привело к созданию со-
тен моделей с разными грузоподъемностью, быстродействием,
точностью, объемом памяти, степенью универсальности, атмо-
сферозащищенностью, стоимостью и другими параметрами.
Грузоподъемность роботов изменяется в очень широких
пределах: от 0,2 до 150 кг и более. Например, японский робот
«Янбот 800» фирмы «Тайе» поднимает детали массой 1000 кг.
Однако большинство роботов имеет среднюю грузоподъемность
2—25 кг.
Быстродействие манипуляторов при одновременном взаим-
ном перемещении нескольких звеньев руки зависит от кинема-
тической схемы и скоростей перемещения каждого из ее звень-
ев. Линейные скорости подвижных звеньев составляют 500—
1400 мм/с. Скорости угловых перемещений при использовании
гидро- или пневмопривода — 90—180 град/с, а электроприво-
да — не более 50 град/с. Мягкость и точность остановки охва-
та в заданных позициях достигается плавным уменьшением
скорости его движения на небольшом конечном участке траек-
тории.
Точность воспроизведения траектории или позиционирова-
ния манипулятора зависит от его габаритов, жесткости, собст-
венной инерционной массы и массы перемещаемого груза,
чувствительности измерительных устройств информационной
системы, а также типа и структуры системы управления. Суще-
ственную роль играет число степеней подвижности, поскольку
итоговая погрешность движения схвата складывается из от-
дельных погрешностей каждой поступательной или вращатель-
ной пары. У большинства роботов средних габаритов отклоне-
ния центра схвата от программируемых координат составляют
0,03—1,0 мм, у микророботов, применяемых для сборки преци-
зионных приборов, — 0,01 мм.
Таблица 12.1. Основные технические характеристики отечественных роботов
Марка робота Система управ- ления Число степе- ней под- вижно- сти Точность позициони- рований, мм - Грузоподъ- емность, кг Привод
ТУР-10 Контурная или позиционная 5 ±0,2 10 Электрический
Контур-002 М Контурная 6 ±3,0 10 Электрогид- равлический
Универсал-5.01 Позиционно- цикловая 6 ±1,0 5 Электропнев- матический
Универсал-15.04 Позиционная 6 ±1,0 15 Электр огид- равлический
Универсал-60.02 » 7 ±1,0 60 »
Циклон-ЗБ Позиционно- цикловая 6 ±0,25 3 Пневматиче- ский
Ритм-01.03 То же 3 ±0,1 о,1 »
МА2.5Ц4201 4 ±0,1 1
Объемы зон обслуживания, в пределах которых перемещает-
ся схват руки, различаются по габаритам и форме, определя-
ются числом степеней подвижности и характером взаимодейст-
вия звеньев руки в ее сочленениях, а также значениями относи-
тельных линейных и угловых перемещений этих звеньев. Сред-
ние размеры зон обслуживания у большинства роботов состав-
ляют 1,5—5 м (без возможности их перемещения), у микро-
роботов — до 0,5 м. Площадь, обслуживаемая роботом, может
в 30—40 раз превышать занимаемую им площадь.
Объем оперативной памяти у роботов с позиционной систе-
мой управления характеризуется числом точек останова, кото-
рое обычно не превышает 200, а у роботов с контурной систе-
мой управления — длительностью непрерывной отработки про-
граммы, которая достигает 15 мин. Фактическое число рабочих
точек, или время функционирования робота, может быть значи-
тельно увеличено за счет периодического обновления содержи-
мого оперативной памяти путем обращения к внешнему про-
граммоносителю. Время «перезарядки» памяти, как правило,
не превышает нескольких секунд.
Основные технические характеристики роботов, серийно вы-
пускаемых отечественной промышленностью, представлены в
табл. 12.1.
12.5. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Автоматизация производственных процессов с использованием
роботов предъявляет вполне определенные и довольно жесткие
требования к организации и культуре производства. Все дви-
жения раоочих органов ооорудования и операции манипулиро-
вания заготовками, изделиями и инструментом должны быть,
четко увязаны между собой во времени и в пространстве еди-
ной программой, действующей в пределах автоматизированного'
цеха, участка или даже небольшого технологического комплек-
са. Составлению такой программы предшествует анализ дейст-
вующего производства и требований к его модернизации, осно-
ванный на исследовании кинематики и динамики движения
предметов обработки по технологическим операциям. Под ки-
нематикой движения предмета понимают последовательные
(согласно технологическому маршруту) геометрические переме-
щения и фиксированные положения предмета в рабочих зонах
оборудования. Под динамикой движения предмета понимают
средние скорости перемещения его между последовательными
фиксированными положениями.
При выполнении анализа учитываются: ритмичность произ-
водства, серийность и номенклатура выпуска изделий, техни-
ческие характеристики основного оборудования, функциональ-
ные возможности роботов, а также требования к общему уров-
ню автоматизации производства.
Автоматизация работы даже отдельного участка цеха тре-
бует, в свою очередь, автоматизации всех операций по переме-
щению заготовок и изделий. Возникает необходимость в при-
менении специальных шаговых транспортеров, поворотных и
координатных столов, магазинных накопителей, ориентирующих
приспособлений и различных датчиков внешней (по отношению
к роботу) информационной системы функционирования техно-
логического комплекса. Все эти устройства, разрабатываемые
обычно по отдельным (не типовым) проектам применительно
к конкретному виду продукции и определенному типу робота,
предназначены для того, чтобы, с одной стороны, максимально
упростить структуру автоматизированного участка, избавив его
от чрезмерного насыщения роботами и необходимости исполь-
зовать наиболее сложные конструкции манипуляторов, а с дру-
гой — расширить технические возможности роботов первого по-
коления, которые еще не могут работать с неупорядоченно рас-
положенными и произвольно ориентированными объектами.
Наиболее распространенная в настоящее время форма ав-
томатизации производства — это организация отдельных неза-
висимых комплексов, состоящих чаще всего из одной машины
(реже из двух — четырех), и одного робота. В условиях мас-
сового производства однотипных изделий находят применение
специализированные манипуляторы, которые разрабатывают
по отдельным проектам с конструктивной привязкой к кон-
кретному технологическому оборудованию. Иногда такие мани-
пуляторы используют приводы обслуживаемого оборудования
(например, литьевых машин и прессов) для выполнения неко-
торых движений их руки.
12.6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС
Большинство методов формования пластмассовых изделий реа-
лизуется на полностью автоматизированном оборудовании, в
котором всеми стадиями технологического цикла ведает специ-
альная управляющая система (электромеханического, электрон-
ного или микропроцессорного типа).
Однако существует большое число вспомогательных опера-
ций, связанных с выполнением относительно сложных прост-
ранственных перемещений и ориентирующих движений, которые
требуют внешних обслуживающих действий: установка армату-
ры в гнезда пресс-форм, укладка таблеток и заготовок, выгруз-
ка и складирование готовых изделий, проверка готовности
пресс-формы и др.
Практически все эти операции можно рассматривать как де-
терминированные операции манипулирования определенными
объектами, исполнение которых можно поручить промышленным
роботам. К тому же роботы способны обслуживать комплексы
оборудования, в состав которых входят установки для удале-
ния облоя и обрезания литников, приборы контроля качества
или размеров изделий и другие технологические устройства,
обеспечивающие замкнутый цикл получения готовых изделий.
Роботы могут выполнять и сборочные операции. Например, ро-
бот, обслуживающий две литьевые машины, формующие раз-
ные половины двухцветной коробки для магнитофонной кассе-
ты, может использовать свое свободное время (паузу, во вре-
мя которой машины заняты процессом формования) для сбор-
ки этой кассеты и установки в нее поворотных осей.
Количество единиц основного и вспомогательного оборудо-
вания, расположенного в пределах одного роботизированного
комплекса, определяется производительностью этого оборудо-
вания и зависит от технологических свойств перерабатываемых
материалов и размеров изделий.
Типовые схемы компоновки оборудования для литья и прес-
сования полимеров показаны на рис. 12.3.
Выбор типа робота для обслуживания подобного оборудо-
вания зависит от разнообразия, уровня сложности и точности
требуемых движений. Наиболее тонкие операции — установка
миниатюрных элементов арматуры, фиксация арматуры в от-
носительно труднодоступных местах, извлечение готовых изде-
лий из пресс-формы с выполнением качательных, вращательных
и других непрямолинейных движений — требуют применения
роботов с повышенной точностью движений, числом, степеней
подвижности не менее пяти и системы управления с достаточ-
но емкой памятью. Для этих целей наиболее подходят позици-
онные роботы типа ТУР-10, обучаемые вручную с помощью вы-
носного кнопочного пульта или методом автоматического про-
граммирования.
7
Рис. 12.3. Типовые схемы компоновки оборудования:
а — на участке прессования изделий (/ — гидравлический пресс; 2 — манипулятор; 3 —
устройство подачи материала; 4 — устройство для удаления облоя; 5 — транспортер;
6 — стойка управления манипулятором); б — на участке литья под давлением (/ — литье-
вая машина; 2 — манипулятор; 3 — устройство подачи арматуры; 4— устройство для об-
резания литников; 5 — бункер для готовых изделий; 6 — стойка управления манипу-
лятором).
Во всех остальных случаях для совместной работы с литье-
выми машинами и прессами обычно применяют позиционно-
цикловые роботы с пневмоприводами. Они в несколько раз де-
шевле, проще в эксплуатации, имеют меньшие габариты и от-
личаются высокой надежностью.
Эти же роботы используют и для обслуживания пневмо- и
вакуум-формовочных машин. Такие машины работают на лис-
товых заготовках и на них выпускают изделия с плавными об-
водами. Для перемещения изделий и заготовок манипуляторы
позиционно-цикловых роботов оснащают захватами в виде ди-
станционно-управляемых вакуумных присосков.
Одна из важных областей применения промышленных ро-
ботов — это автоматизация операций формования изделий из
премиксов, а также нанесения защитных покрытий. Указанные
операции осуществляют с помощью дистанционно-управляемых
распылителей — технологических устройств, создающих направ-
ленный поток частиц или отдельных компонентов полимерного
материала, которые осаждаются на поверхности формы в виде
сплошного слоя заданной толщины. Использование здесь про-
мышленных роботов позволяет, с одной стороны, увеличить
точность поддержания толщины формуемого слоя полимера и
уменьшить расход применяемых материалов, а с другой сторо-
ны, избавить человека от необходимости находиться длительное
время в зоне повышенного содержания в воздухе токсичных
растворителей и мономеров или мелких частиц стекловолокна.
Структура автоматизированных производственных участков
для изготовления изделий методом напыления зависит от но-
менклатуры, программы выпуска и геометрической формы из-
делий.
Одна из наиболее распространенных задач — автоматизация
серийного процесса изготовления изделий с небольшой кривиз-
ной поверхности. Такие производственные участки обычно осна-
щают горизонтальным конвейером и устройством для возврат-
но-поступательного перемещения одного или нескольких рас-
пылителей в вертикальной плоскости. В качестве этого устрой-
ства можно использовать любой робот, в программу управле-
ния которым достаточно включить всего лишь две опорные точ-
ки, расположенные за пределами напыляемой зоны.
Минимальные значения вертикальной скорости перемещения
руки манипулятора с распылителем и скорость горизонтально-
го движения конвейера выбираются с учетом производительно-
сти распылителей, а также значения толщины и допустимой
разнотолщинности наносимого слоя полимера.
Для предотвращения непроизводительных потерь материала
и уменьшения степени загрязнения воздуха в рабочем помеще-
нии применяют пневмолокаторы, фотоэлектронные датчики или
телевизионные следящие системы, которые включают распыли-
тели в работу только тогда, когда покрываемый участок фор-
мы попадает в зону действия факела распыляемого материала.
При формовании методом напыления объемных изделий
применяют роботы типа «Контур-002М» или ТУР-10 с контур-
ной системой управления. В данном случае также может быть
использован конвейерный принцип перемещения форм, однако
движение конвейера должно быть прерывистым с остановкой
формы в заданной позиции или даже временной фиксацией ее
на вращающейся платформе. Движение распылителя относи-
тельно поверхности формы осуществляется здесь по сложной
траектории, расчет которой в большинстве случаев является
достаточно трудоемким. Это приводит к необходимости обучать
робот вручную, заставляя его запоминать и копировать дейст-
вия оператора.
Благодаря возможности взаимного перемещения форм и ма-
нипуляторов по рельсовым путям автоматизированная техноло-
гия изготовления изделий методом напыления практически не
накладывает ограничений на их габариты. В качестве примера
можно сослаться на освоенный промышленностью процесс фор-
мования стеклопластиковых корпусов лодок и катеров.
Технологические возможности промышленных роботов при-
менительно к процессам переработки полимеров в принципе не
исчерпываются теми процессами, о которых говорилось в дан-
ной главе. Высокие темпы развития теоретических основ и раз-
работки прикладных задач робототехники позволяют осущест-
влять дальнейшую планомерную замену человека роботами при
•обслуживании существующих технологических машин и агрега-
тов, а также ожидать создания принципиально новых процес-
сов, не связанных с ограничениями, накладываемыми непосред-
ственным участием в них человека.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Мак-Келви Д. М. Переработка полимеров. Пер. с англ. М., Химия, 1965.
442 с.
Торнер Р. В. Теоретические основы переработки полимеров (механика про-
цессов). М., Химия, 1977. 464 с.
Тадмор 3., Гогос К- Теоретические основы переработки полимеров. Пер.
с англ./Под ред. Р. В. Торнера. М., Химия, 1984. 632 с.
Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. Свойства и переработка термопластов.
Л., Химия, 1983. 288 с.
Ким В. С., Скачков В. В. Оборудование подготовительного производства
заводов пластмасс. М., Машиностроение, 1977. 182 с.
Оборудование для переработки пластмасс. Справочное пособие по расчету
и конструированию/Под ред. В. К. Завгороднего. М., Машиностроение, 1976.
407 с.
Техника переработки пластмасс/Под ред. Н. И. Басова и В. Броя. М.,
Химия, 1985. 528 с.
Оленев Б. А., Мордкович Е. М., Калошин В. Ф. Проектирование произ-
водств по переработке пластических масс. М., Химия, 1982. 256 с.
Устройство промышленных роботов/Юревич Е. И., Аветинов Б. Г., Ко-
рытко О. Б. и др. Л., Машиностроение, 1980. 333 с.
К гл. 1
Переработка термопластичных материалов/Сост. Э. Бернхардт. Пер. с
англ. Р. В. Торнера/Под ред. Г. В. Виноградова. М., Химия, 1965. 422 с.
Чанг Дей Хан. Реология в процессах переработки полимеров. Пер. с англ./
Под ред. Г. В. Виноградова. М., Химия, 1979. 368 с.
Лодж Э. Эластические жидкости. Пер. с англ. М., Наука, 1969. 464 с.
Леонов А. И., Басов Н. И., Казанков Ю. В. Основы переработки реакто-
пластов и резин методом литья под давлением. М., Химия, 1977. 216 с.
Басов Н. И., Казанков Ю. В. Литьевое формование полимеров. М., Хи-
мия, 1984. 248 с.
Теплофизические и реологические характеристики и коэффициенты тре-
ния наполненных термопластов. Справочник/Под ред. Ю. С. Липатова. Киев,
Наук, думка, 1983. 279 с.
К гл. 2
Разумов Н. М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов.
М., Химия, 1972. 239 с.
Гиберов 3. Г. Механическое оборудование заводов пластических масс. М.,
Машиностроение, 1977. 333 с.
К гл. 3
Завгородний В. К, Калинчев Э. Л., Махаринский Е. Г. Оборудование
предприятий по переработке пластмасс. Л., Химия, 1972. 464 с.
К гл. 4
Смешение полимеров/Богданов В. В., Торнер Р. В., Красовский В. Н.,
Регер Э. О. Л., Химия, 1979. 192 с.
Рябинин Д. Д., Лукач Ю. Е. Смесительные машины для пластмасс и ре-
зиновых смесей. М., Машиностроение, 1972. 272 с.
Макаров Ю. И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М., Маши-
ностроение, 1973. 215 с.
Бекин Н. Г., Шанин Н. П. Оборудование заводов резиновой промышлен-
ности. Л., Химия, 1978. 400 с.
К гл. 5
Лукач Ю. Е., Петухов А. Д., Сенатов В. А. Оборудование для производ-
ства полимерных пленок. М., Машиностроение, 1981. 224 с.
Ромушкевич Л. В., Легкобыт Л. Б., Сахненко Н. М. Оборудование для
гранулирования полимерных материалов. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1982. 42 с.
Семенец В. Л., Басков В. П., Ломарев Н. М. Новые средства автоматиза-
ции тепловых процессов оборудования для переработки пластмасс. М.,
ЦИНТИхимнефтемаш, 1980. 50 с.
К гл. 7
Завгородний В. К., Каланчев Э. Л., Марам Е. И. Литьевые машины для
термопластов и реактопластов. М., Машиностроение, 1968. 374 с.
Whelan A., Graft J. L. Development in Injection Moulding. London, Appl.
Sc. Publ., 1978, pt 1, 285 p.; 1981, pt 2, 302 p.
К гл. 8
Басов H. И., Скуратов В. К. Раздувное формование. Л., Химия, 1983.
75 с.
К гл. 9
Салазкин К. А., Шерышев М. А. Машины для формования изделий из
листовых термопластов. М., Машиностроение, 1977. 158 с.
К гл. 10
Гуменюк Ю. И., Екимов К. К. Гидравлические прессы, расчет и конст-
руирование. Л., ЛМИ, 1983. 94 с.
Добринский Н. С. Гидравлический привод прессов. М., Машиностроение,
1975. 222 с.
К гл. 11
Бахарев С. П., Альшиц И. М. Прогрессивная технология изготовления из-
делий из намоточных стеклопластиков. Л., ЛДНТП, 1981. 19 с.
Лапшин Н. Ф. и др. Изготовление и применение стеклопластиковых труб,
емкостей и фитингов. Обзор. М., НИИТЭХИМ, 1977. 55 с.
Росато Д. В. Намотка стеклонитью. М., Машиностроение, 1969. 310 с.
Holloway L. Glass Reinforced Plastics in Constraction: Engineering Aspects.
Glasgo, 1978. 278 p.
К гл. 12
Белянин П. Н. Промышленные роботы. М., Машиностроение, 1975. 192 с.
Тимофеев А. В. Роботы и искусственный интеллект. М., Наука, 1978.
166 с.
Юревич Е. И. и др. Управление роботами от ЭВМ. Л., Энергия, 1980.
127 с.
Современные промышленные роботы. Каталог/Под ред. Ю. Г. Козырева
и Я. А. Шифрина. М., Машиностроение, 1984. 152 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ указатель
Аварийный останов
валковых машин 59, 213 сл.
смыкания форм 247
Автоматизация технологических про-
цессов 89 сл., 102, 174 сл.,
344 сл., 389 сл.
Агрегация 43
Адаптер 94
Аккумуляторные головки 287 сл.
Аккумуляторы 330 сл.
«Алмазная» фильера 180
Аномалия вязкости 130, 132
Армированные пластмассы 359 сл.
Архимеда критерий 22
Аэродинамический эффект струи 156
Байонетно-резьбовой затвор 97
Барабанные смесители 42 сл.
Бессальниковые уплотнения 82
Блокировка привода 300
Бомбировка валков 206 сл.
Бункер
складского хранения 18 сл.
с подогревом гранул 94
Вакуумное калибрование труб 172
Вакуум-транспорт 21 сл.
Вакуум-формование 301, 306 сл.,
310 сл., 314 сл.
Валки
вальцов 56
каландров 195
Вальцевание 60
изотермическое 63 сл.
без фрикции 66
Вальцы 55, 58
Вентиляция в литьевых цехах 280 сл.
Вибрационные устройства 19
Виброконвейер 149
Вибросито 148
Винтовое течение 106
Внешняя характеристика
головки 130, 135
червяка 129, 135 сл.
червячного пластикатора 275
экструдера 106 сл., 128 сл.
Водяное охлаждение
пластикатора 239
экструдера 186
Воздушное охлаждение гранул 150
Волокна экструзии 142
Впрыск 272
Вращающаяся угловая головка 153
сл.
Вращающий момент
двигателя двухчервячного экстру-
дера' 183
на червяке 102
Время
вакуум-формования 320 сл.
выдержки под давлением 272
литьевого цикла 270
охлаждения изделия в форме
270 сл., 277, 295
пластикации 270
пребывания материала в зазоре 69
рабочего хода гидропресса 356
раздува 295 сл.
раскрытия формы 295
смыкания формы 295
удаления изделия из формы 295
экструзии заготовки 295
Выдувные машины 290 сл.
Выносные пресс-формы 342
Вынужденный поток 122, 187, 190
Высокоэластическая деформация рас-
плавов 13 сл.
Высокоэластическое восстановление
струи 179, 296
Выталкиватель пресса 325
Вязкое трение 88, 117, 125
Геометрическая степень сжатия 95
Геометрия червяка 108 сл.
Гидравлическая
схема литьевой машины 253 сл.
таблеточная машина 354 сл.
Гидравлические прессы 322 сл.
Гидромеханический привод пластика-
тора 240
Гидропрессовый механизм смыкания
242 сл.
Гидропривод
литьевых машин 248 сл., 260 сл.
пластикатора 240
пресса 329, 332, 335, 338, 357
экструзионно-выдувного агрегата
292
Гладильные каландры 195
Головки
с кольцевым поршнем 288
литьевые 225 сл., 232 сл.
плунжерного типа 288
равного сопротивления 165
с регулируемой щелью 287
экструдеров 130 сл., 177, 284
«Голодное» питание экструдера 192
Гомогенность смеси 39 сл.
Гофрированные ленты из стеклопла-
стика 368 сл.
Градиент давлений 121, 127 сл.
Гранулирующая головка 181, 186
Грануляторы 142 сл.
Групповой привод вальцов 58
Гусеничное тянущее устройство 123
Давление
впрыска 267, 269
на выходе из червяка 107, 128 сл.
в гидроприводе литьевых машин
256 сл.
— головке 132
— зазоре между валками 65
— зоне дозирования 118
---питания 107 сл., 110,
112 сл.
— форме 265
формования 312
при экструзии 127, 180 сл.
Двухручьевая пинольная головка 286
Двухчервячные экструдеры 181 сл.
Дегазация расплава 182
Деформации сдвига 12, 53 сл., 61, 64,
69 сл., 85 сл.
Динамические характеристики смеше-
ния 87 сл.
Дисковые экструдеры 188 сл.
«Дископэк» 188 сл.
Дистрибуторы 249, 258 сл., 332,
335 сл.
Дифференциальный коэффициент по-
литропичности 125
Дифференциальный плунжер 325, 328
Диффузионное смешение 43
Диффузор 94
Доза впрыска 267
Дозаторы 26 сл.
Дорн 153, 171, 285 сл.
Дроссель 164, 252 сл.
Дутьевая игла 298
Жесткие'стеклохолсты 360 сл.
Загрузчики шиберные 342
Зажимные устройства вакуум-формо-
вочных машин 308 сл.
Закон
Бойля-Мариотта 311
Ньютона 12, 119
Оствальда-де-Вилля 12
Стефана—Больцмана 320
Запуск экструдера 192
Захватные устройства манипуляторов
382 сл.
Зацепляющиеся червяки 184 сл.
Зона
дозирования 95, 105 сл., 118 сл.,
127, 139, 141
загрузки 95, 138
питания 95, 103 сл., 108, 138,
140 сл.
плавления 95, 104 сл., 115 сл., 127,
141
сжатия 95
Идеальная смесь 40
Измельчение 29 сл.
Индекс смешения 40
Инжекционно-выдувное формование-
293 сл.
Кабельная головка 179 сл.
Кабельные агрегаты 142, 178 сл.
Каландрование 194 сл.
Калибрование
горловины 298
кабеля 180
пленок 150
труб 171 сл.
Карусельная вакуум-формовочная!
машина 314
Карусельный пресс 347
Кассетный фильтр 101
Классификация
литьевых машин 223 сл.
экструдеров 91 сл.
Колонный пресс 325
Комбинированные пленки 166 сл.
Компенсация прогиба валков каланд-
ра 206 сл.
Компоновка оборудования 392
Конвективное смешение 43
Контактное формование стеклопла-
стиков 363 сл.
Контризгиб валков 208 сл.
Копильник 283 сл.
Коэффициент
высокоэластического восстановле-
ния 296 сл.’
вязкости температурный 13
излучения 320 •
консистенции 12, 13
политропичности 126
сжимаемости 15
сопротивления головки 130 сл.
— сыпучей среды перемешиванию
52
— фильеры 150
— формующей щели 176
температуропроводности 114, 271
теплоотдачи расплав—корпус 126,
277
теплопроводности пробки 114
— расплава 116, 202
термический линейного расшире-
ния 15
трения 10, 109, 114, 115, 141, 309
уплотнения (разрыхления) 47
формы лопасти 52
Критерий
Архимеда 22
Нуссельта 277
Фруда 25
Фурье 271 сл.
Лабиринтное уплотнение 81 сл.
Ламинарное смешение 53 сл., 79
Ламинирование 142, 166 сл.
Ленточная мешалка 45
•Лепестковые зажимные устройства
308 сл.
Листовальные агрегаты 167 сл.
Литье
под давлением 214 сл.
реактопластов 268 сл.
Литьевая машина 214 сл., 278 сл.
Ляме формула 334
'Манжетное уплотнение 328, 357
Манипулятор 379 сл.
Механизм
впрыска 215
смыкания выдувных машин 291
— формы 224, 241 сл., 253
Механические прессы 322
Механическое псевдоожижение 46 сл.
Микропроцессорные системы управле-
ния 103, 293, 264 сл.
Многопозиционные вакуум-формовоч-
ные машины 313 сл.
Многослойные объемные изделия 289
.Модуль сдвига расплава 12
Мокрая намотка 373 сл.
Молотковая дробилка 33 сл.
.Мощность
насоса гидропресса 356
привода барабанного смесителя 45
— вальцов 7.2
— дробилки 36
— каландра 205
— роторного смесителя 89
— смесителя с псевдоожижением
47
— центробежного смесителя 52
— червячного пластикатора 240
трения 113
Навье—Стокса уравнение 13
Намотка 371 сл.
Напряжение сдвига 12 сл., 62, 71,
87 сл., 120 сл., 125, 141
Напыление 364
Насыпная плотность 52
Незацепляющиеся червяки 182 сл.
Ножевая дробилка с червячным пи-
тателем 33
Номинальное усилие смыкания прес-
са 323
Нуссельта критерий 277
Ньютона закон 12, 119
Ньютоновская вязкость 12, 71
Ньютоновская жидкость 63, 130 сл.,
180, 273
Оболочки из стеклопластиков 372 сл.
Обратный клапан 225, 229, 357 сл.
Объем впрыска 275
Ограничительные стрелки вальцов 55
сл.
Однородность смеси 68, 70
Одночервячный экструдер 93 сл.
Оправка 372 сл.
Осевое усилие на червяке 139 сл.
Оствальда-де-Вилля закон 12
Открытое формование стеклопласти-
ков 360
Охлаждение
вальцов 72 сл.
воздуха в пузыре 157
гранул в водяном кольце 145 сл.
корпуса экструдера 97
литьевых форм 277
пленки 163
пленочных головок 154 сл.
Перекрещивание валков 207
Пинольные головки 286
Плавление 104 сл.
Пластикатор 215, 226 сл., 229, 233 сл.
Пленочные агрегаты 142, 150 сл.,
162 сл.
Плотность
расплава НО
сыпучих материалов 11
Пневмо-вакуум-формование 303
Пневмотранспорт 18, 21 сл.
Подшипники валков 197 сл.
Политропическая экструзия 129, 141,
273
Полые изделия 282 сл., 301 сл.
Поршневые кольца 328, 357
Пресс-кант 298 сл.
Прессы 322 сл.
Прессы-автоматы 341
Привод
каландра 200
манипуляторов 383
роторного смесителя 79 сл.
червяка пластикатора 239 сл.
экструдера 101
Пробка полимера 105, 110, 113,
140 сл.
Прогиб валков 205 сл.
Производительность
вакуум-формовочной машины 320
сл.
грануляторов 150
двухступенчатого смесителя 50
дозатора 28 сл,
молотковой дробилки 35
пластикатора 240, 274, 276
пневмотранспорта 23 сл.
струйных мельниц 37
экструдера 105, НО, 135 сл.,
186 сл., 190
экструзионно-выдувных агрегатов
295 сл.
Промышленные роботы 379 сл.
Противодавление 273 сл.
Профильные изделия 130 сл., 142, 176
Псевдоожижение 22, 45 сл.
Пултрузия стеклопластиков 377 сл.
Рабочая точка экструдера 129, 130,
135 сл., 276
Рабочие характеристики пластикатора
274
Развертка винтового канала червяка
на плоскость 119
Разгрузочное устройство вибрацион-
ное 19
Раздув с предварительной вытяжкой
294
Раскаточное устройство кабельного
агрегата 178
Распорные усилия на каландрах 197,
205, 207
Распределение давления при экстру-
зии 127 сл.
Реактопласты 16, 346 сл.
Револьверно-роторные литьевые ма-
шины 278
Револьверные литьевые машины
278 сл.
Рейнольдса
уравнение 63
число 22, 24, 26
Ремонт экструдеров 193
Реологическое уравнение состояния
119
Ротационная таблеточная машина 352
Роторная
автоматическая линия 348 сл.
литьевая машина 278
Роторный пресс 346
Рукавные пленки 150 сл.
Сальниковое уплотнение 81 сл.
Самозапирающееся сопло 236 сл.
Самонастраивающаяся система «Ин-
жектмастер» 265 сл.
Сварочно-вырубной пресс 317
Секторный дозатор 19, 27 сл.
Серповидный зазор 84, 88
Сжимаемость расплавов 14
«Симплекс-процесс» 364
Складывающее устройство для рукав-
ных пленок 158 сл.
Скорость
витания 22
деформации 12, 68, 85
сдвига 12, 61, 87 сл., 102, 296
Смазка вальцов 73 сл.
Смесители 37 сл., 45 сл., 51 сл., 87,
184
Смесительное воздействие 68 сл.
Смесительные вальцы 55 сл.
Сопло литьевое 225 сл., 234 сл., 269
Спенсера — Джилмора уравнение 15
Стеклопластики 359 сл.
Стеклошифер 368 сл.
-тепепная жидкость 131, 180, 297
Степенной закон течения 12, 132 сл.
Степень
сжатия 95 сл.
сшивания 17
Стефана — Больцмана
закон 320
уравнение 12
Стренговый способ гранулирования
145
Струйные мельницы 36 сл.
Ступень сжатия 138
Суммарный коэффициент сопротивле-
ния головки 131
Сыпучие полимеры 52 сл.
Таблетирование 349 сл.
Температура формы 269
Температурный коэффициент вязко-
сти 13
Теория изотермического вальцевания
63
Тепловой баланс вальцов 72 сл.
Теплостойкость 272
Теплота плавления полимера 116
Термодинамическое уравнение состоя-
ния 14
Термоусадочная пленка 162
Термоформование 303 сл.
Тиснильные каландры 195
Топформование 318 сл.
Торпеда 138, 226, 230 сл.
Торцевое уплотнение 82
Трансферное
литье 341
прессование 343 сл.
Трубная головка 171
Трубные агрегаты 142, 169 сл.
Трубы из стеклопластиков 372 сл.
Угол
атаки лопасти 51
естественного откоса 51, 52
трения 10, НО, 113
Удельное давление при каландрова-
нии 205
Укупорка изделий 317
Уравнение
Ван-дер-Ваальса 15
Навье — Стокса 13
политропической экструзии 273
радиационного разогрева 12
Рейнольдса 63
состояния 14, 121
Спенсера — Джилмора 15
теплового баланса вальцов 73
теплоотдачи Ньютона 11
теплопроводности Фурье 11
энергетического баланса 125
Усилие смыкания формы 244, 247, 266,
269
Фальцовочное устройство 158
Формование изделий из листовых тер-
мопластов 301 с л.
Формула Ляме 334
Форсунка 225
Фракционирование гранул 144
Фрикция 57, 61, 65
Фруда критерий 25
, Фурье
критерий 271 сл.
уравнение теплопроводности 11
Характеристика
головки 129, 136 сл.
червяка 129
Характерное время релаксации 12
Центробежное формование 370 сл.
Щикл
вакуум-формования 320 сл.
литья под давлением 224 сл.,
270 сл.
Циркуляционное течение 105 сл.,
121 сл.
Частота вращения червяка 101 сл.,
125, 273
Червяки 94 сл., Ill, 127
Число Рейнольдса 22, 24, 26
Чувствительность критерия 41 сл.
Шевронное уплотнение 328
Ширительно-центрирующие валки 159
Эйлерово трение 88
Экструдеры 91 сл.
Экструзионно-выдувное формование
282 сл.
Экструзионные агрегаты 91 сл.,
142 сл.
Экструзия
волокна 142
двухчервячная .181 сл.
листов 167 сл.
пленок 150 сл.
профилей 176 сл.
труб 169 сл.
Эластическая турбулентность 130
Эластическое восстановление струи 14
Эластичная диафрагма 366
Эффективная вязкость расплава 54,
116 сл., 132 сл., 150
Эффективная длина червяка 273