Двухшнековые экструдеры. 
Оборудование заводов пластмасс

Конструкция и принцип работы двухшнековых экструдеров

В середине 30-х годов XX в. появляется новый тип экструдера для переработки пластмасс — многошнековый, в конструкцию которого был заложен принципиально иной механизм продвижения перерабатываемого материала, чем в одношнековом, — принудительный. Несомненные преимущества многошнековых экструдеров, наиболее распространенными из которых являются двухшнековые, — это хороший захват исходного материала в зоне питания (загрузки) независимо от его агрегатного состояния и формы частиц материала, принудительное продвижение материала к формующему инструменту и взаимная самоочистка шнеков.

Основными элементами двухшнековых экструдеров (рис. 2.27) являются два шнека 2, вращающиеся навстречу друг другу или в одну и ту же сторону в цилиндре 1. Перерабатываемый материал загружается в экструдер через загрузочное окно 6 (материальный бункер не показан), и с помощью шнеков 2 разогретый электронагревателями 3 расплав полимера выдавливается через формующий инструмент 4. Температурный режим переработки контролируется термопарами 5. Привод шнека состоит из электродвигателя 9 и редуктора 8, а возникающее распорное усилие воспринимается подшипниковым узлом 7, состоящим из последовательно расположенных двумя рядами упорных и радиальных подшипников качения.

Большие осевые усилия, развиваемые двухшнековыми экструдерами, воспринимаются упорными подшипниками, диаметраль;

Рис. 2.27. Конструктивная схема двухшнекового экструдера ные размеры которых ограничиваются расстоянием между осями шнеков.

Упорные подшипники, смонтированные на двухшнековых машинах в пределах межосевых расстояний, могут иметь пониженную долговечность по сравнению с упорными подшипниками одношнековых экструдеров. Поэтому для двухшнековых экструдеров разрабатываются специальные конструкции упорных подшипников. В этих экструдерах точно так же, как и в одношнековых, применяются консольно закрепленные шнеки.

На рис. 2.28 представлены различные варианты конструктивного исполнения опорных узлов двухшнековых экструдеров.

На рис. 2.28, а показана конструкция подшипникового узла двухшнекового экструдера с одним укороченным шнеком. Шнеки 1 (укороченный) и 2 (удлиненный) соединяются с приводными валами 7 к 13 шлицевыми втулочными муфтами 3 и 15. Осевые усилия со шнеков передаются на приводные валы через закаленные сферические упоры 16, установленные с торцов шнеков и приводных валов. Приводные валы 7 к 13 выполнены двухопорными. Опоры валов смещены одна относительно другой вдоль осевой линии с целью установки подшипников возможно большего диаметра.

Радиальными опорами вала 7являются два роликоподшипника 6 и конический роликоподшипник 8, а вала 13 — роликоподшипник 14 и конический роликоподшипник 12. Осевые нагрузки, передаваемые шнеками на валы, воспринимаются соответственно упорным подшипником 9 с коническими роликами и упорным роликоподшипником 11. Подшипники смонтированы в разъемном корпусе 5, а задняя опора вала 7— в приставном корпусе 10, что обеспечивает возможность применения крупногабаритных подшипников, так как осевые усилия, развиваемые рабочим шнеком 2, значительно превосходят осевые усилия, развиваемые укороченным шнеком 1.

Установка конического роликоподшипника 8 совместно с упорным подшипником 9 на промежуточной втулке обеспечивает жесткое закрепление вала и соответственно шнека в осевом направлении. Уплотнение подшипников, защищающее их от воздействия окружающей среды, обеспечивается манжетами 4, установленными на выходных концах валов. Вращение удлиненного шнека 2 и вала 7 осуществляется через зубчатую муфту (на рис. 2.28, а не показана), установленную на правом шлицевом конце этого вала, от редуктора, а вращение укороченного шнека 1 — при помощи зубчатых колес, изготовленных заодно с валами 7 и 13.

На рис. 2.28, 6 показан подшипниковый узел несколько иной конструкции. Шнеки (на рисунке не показаны) вращаются в раз;

Рис. 2.28. Конструктивное исполнение опорных узлов двухшнековых экструдеров.

ные стороны при бесступенчатом регулировании частоты их вращения с помощью электродвигателя постоянного тока. Передние опоры приводных валов шнеков 3 и 8 смонтированы друг против друга и состоят из двух игольчатых подшипников 2 в каждой опоре, а задние опоры смещены одна относительно другой. Радиальные нагрузки в задней опоре воспринимаются роликоподшипником 4, а осевые — упорно-радиальным подшипником 5. Уплотнение опор производится резиновыми манжетами 7 и б. Шнеки соединяются с валами 3 и 8 шлицевыми втулками (на рис. 2.28 не показаны), надеваемыми на левые шлицевые концы указанных валов. Привод шнеков осуществляется двухрядной цепью через звездочку 7, установленную на удлиненном валу 3, и при помощи зубчатых колес, выполненных заодно с валами 3 и 8. Свободный правый конец вала 3 опирается на подшипник, установленный в специальном корпусе (на рис. 2.28 не показан).

На рис. 2.28, в показан подшипниковый узел, в котором упорно-радиальные подшипники заменены на упорные подшипники с коническими роликами.

Различие в принципах работы двухи одношнековых экструдеров связано с разными механизмами создания давления в перерабатываемом материале. Если у одношнекового экструдера давление развивается благодаря вязкому течению, вызванному относительным движением шнека и цилиндра, то у двухшнековых экструдеров к указанному фактору добавляется выжимающее действие витков сопряженного шнека. У одношнековых экструдеров способность к развитию давления определяется глубиной винтового канала (точнее величиной А³), в то время как у двухшнековых экструдеров — геометрической степенью замкнутости винтового канала определяемой по формуле.

где / — число заходов винтовой нарезки; е— ширина гребня винтовой нарезки; t— шаг нарезки винтового канала.

Величина % показывает, какая часть сечения канала перекрывается, и характеризует принудительность транспортирования перерабатываемого материала к формующему инструменту экструдера и способность шнеков развивать давление.

Теория двухшнековых экструдеров только в последние 20— 25 лет вышла за рамки элементарных представлений, несмотря на то что труды, посвященные анализу их работы, стали появляться уже в 50-е годы прошлого столетия.

Все публикации, посвященные этой теме, можно условно разбить на три группы.

К первой группе относятся работы, в которых описываются конструкции двухшнековых экструдеров и их особенности, основные узлы и детали.

Во вторую группу можно включить публикации, в которых анализируется процесс переработки каких-либо конкретных материалов и факторы, влияющие на проведение процесса (геометрические параметры шнеков, частоты их вращения, теплофизические свойства материалов, состав исходной смеси, влияние давления и температуры на качество готового продукта и т. д.).

К третьей группе относятся работы, в которых в большей или меньшей степени сделаны попытки теоретически рассмотреть течение перерабатываемого материала в двухшнековых экструдерах. Однако в этих работах анализ проходящих в двухшнековых экструдерах процессов не учитывает реальную картину течения как в самих винтовых каналах, так и в зазорах зацепления шнеков.

У двухшнековых экструдеров основным рабочим органом являются два шнека, которые могут вращаться как в одну и ту же, так и в разные стороны.

При вращении в одну сторону направление винтовой нарезки обоих шнеков совпадает (рис. 2.29, б, г, е), в случае встречного вращения оно различно (рис. 2.29, а, в, д).

В зависимости от назначения и конструкции шнеки двухшнековых экструдеров могут не зацепляться друг с другом (см. рис. 2.29, а, б) или находиться в зацеплении (см. рис. 2.29, в—ё). В первом случае двухшнековые экструдеры работают как два одношнековых экструдера, но при этом за счет массообмена между двумя шнеками будет обеспечено хорошее смешение исходных компонентов.

В случае зацепляющихся шнеков для лучшего смешения предусматривается наличие зазоров зацепления (см. рис. 2.29, в, г), но при этом будет наблюдаться меньшая производительность экструдера за счет потоков утечек через боковые зазоры и радиальные зазоры зацепления. Шнеки с плотным зацеплением (см. рис. 2.29, д, е) обеспечивают высокую производительность и хорошую самоочисгку шнеков. Но при этом следует учесть, что изготовление шнеков.

Рис. 2.29. Схемы сопряжения шнеков двухшнекового экструдера.

Рис. 2.30. Конструктивные схемы различных шнеков

с плотным зацеплением обходится дороже, чем изготовление шнеков, соединяемых с зазорами зацепления.

На рис. 2.30 представлены конструктивные схемы шнеков, предназначенных для переработки различных полимеров. Шнеки первого типа (рис. 2.30, а) имеют три зоны с различным шагом винтовой нарезки. Эти шнеки хорошо зарекомендовали себя при переработке термочувствительных материалов и обеспечивают хорошее смешение. Шнеки второго типа (рис. 2.30, б) в зоне выдавливания имеют меньший шаг винтовой нарезки, что способствует достижению необходимой степени сжатия шнеков. В шнеках третьего типа (рис. 2.30, в) степень сжатия обеспечивается увеличением ширины гребня винтового канала. В шнеках, представленных на рис. 2.30, г, д, необходимая степень сжатия достигается за счет уменьшения глубины винтового канала.

В зависимости от назначения экструдеры могут оснащаться шнеками следующих типов:

• 1) с малой или нулевой степенью сжатия; в основном их применяют для смешения материалов при относительно низких температурах, а также для переработки полимеров, чувствительных к перегреву;
• 2) которые характеризуются степенью сжатия 1:1,5; обычно их используют для смешения и переработки в изделия широкой номенклатуры термопластов;
• 3) со степенью сжатия 1:2; они, как правило, применяются для смешения композиций с тщательным распределением добавок в смеси.

В двухшнековых экструдерах с зацепляющимися шнеками винтовые каналы разбиты витками сопряженных шнеков на отдельные С-образные секции (рис. 2.31), заполненные расплавом полимера.

За счет выжимающего действия витков сопряженного шнека перерабатываемый материал, который занимает полости объемом V_x и V₂ (см. рис. 2.31), образованные боковыми поверхностями витков и цилиндрическими поверхностями сердечника шнека и охватывающего цилиндра, движется к формующему инструменту. При неизменной геометрии винтового канала (как правило, это справедливо для зоны выдавливания) характер поведения вязкой жидкости во всех С-образных секциях будет идентичным. Поэтому основным элементом при анализе работы двухшнекового экструдера является отдельная С-образная секция. В зоне сопряжения витков с сердечником шнека возникает интенсивная циркуляция перерабатываемого материала, благоприятно сказывающаяся на процессе смешения двухшнековых экструдеров.

Для иллюстрации механизма работы 3. Добоцки предложил модель двухшнекового экструдера (рис. 2.32). Как для встречного (см. рис. 2.32, а), так и для однонаправленного (см. рис. 2.32, б)

Рис. 2.31. С-образные секции винтовых каналов шнеков двухшнековых экструдеров:

Л И' и Л — шаг, ширина и глубина винтовых каналов; 8, и 8о — боковые и межвалковые зазоры зацепления шнеков; со — угловая скорость вращения шнеков; V и Vj — объемы С-образных секций винтовых каналов шнеков.

Рис. 2.32. Модель течения по 3. Добоцки.

вращения автор предложил использовать плоскую модель двухшнекового экструдера, при которой гребни винтового канала 1 обкатывают винтовой канал 3, образованный стенкой цилиндра 2 и сердечником шнека 4. При этом расплав полимера Л выдавливается к формующему инструменту.

За счет относительного движения поверхностей шнеков в зоне сопряжения (рис. 2.33) как при встречном (см. рис. 2.33, а), так и при однонаправленном их вращении (см. рис. 2.33, б) возникает интенсивная циркуляция, благоприятно влияющая на процесс смешения. При этом через боковые зазоры зацепления осуществляется массообмен между соседними С-образными секциями.

Двухшнековые экструдеры с вращением шнеков в одну и ту же сторону обеспечивают лучшее качество смешения вследствие большой разности скоростей в зоне их сопряжения, но имеют.

Рис. 2.33. Иллюстрация относительного движения поверхностей шнеков в зоне сопряжения шнеков меньшую производительность при одинаковых геометрических размерах шнеков. Уменьшение производительности объясняется худшими условиями захвата материала в зоне загрузочной воронки, так как один шнек препятствует захвату материла другим шнеком.

Специфической особенностью работы двухшнековых экструдеров является то, что материал, находящийся в винтовых каналах шнеков, разбит на отдельные С-образные секции (см. рис. 2.31), которые принудительно продвигаются к формующему инструменту.

Авторы некоторых исследований исходят из предположения, что в случае полностью заполненных винтовых каналов шнеков за один их оборот выдавливаются две С-образные секции. Такое упрощенное представление, естественно, приводит к значительному расхождению между расчетной и действительной производительностью двухшнековых экструдеров.

В реальных машинах необходимость обеспечения геометрической совместимости шнеков предполагает наличие зазоров зацепления и между сердечником и поверхностью выступов нарезки, и между боковыми поверхностями стенок винтовых каналов (см. рис. 2.31). Наличие этих зазоров нарушает изолированность С-образных секций и приводит к развитию в продольном направлении винтового канала перетока перерабатываемого материала из одной С-образной секции в другую. Этот переток обусловлен, во-первых, затягивающим влиянием движущихся поверхностей сопряженных шнеков и, во-вторых, наличием в зоне зацепления градиента давления, причиной возникновения которого является выжимающее действие витков второго шнека и сопротивление формующего инструмента.