Проектирование и расчет червячной формующей машины

Федеральное агентствопообразованию Российской Федерации Новосибирский государственныйархитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Кафедра строительных машин, автоматики и электротехники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу: " Механизация и автоматизация технологии отделочных и изоляционных материалов и изделий" .

тема: " Проектирование и расчет червячной формующей машины" .

Выполнил: Данилов М.Н.

студент гр.563

Руководитель проекта: Чичканов В.В.

Новосибирск 2011

• Введение
• 1. Исходные данные
• 2. Проектирование и расчет оформляющей головки экструдера
• 3. Проектирование и расчет червяка
• 4. Расчет производительности экструдера
• 5. Расчет мощности привода экструдера
• 6. Техника безопасности
• Литература

Одним из основных методов переработки полимеров является экструзия. Экструзия (от позднелат. extrusio — выталкивание) — технология получения изделий путем продавливания расплава материала через формующее отверстие. В промышленности переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие, как трубы, листы, плёнки, профильные полосы, оболочки кабелей и т. д.

Экструдер — машина для формования пластичных материалов, путем придания им формы, при помощи продавливания (экструзии) через профилирующий инструмент (экструзионную головку).

Экструдер состоит из: корпуса с нагревательными элементами; рабочего органа, размещённого в корпусе; экструзионной головки; узла загрузки перерабатываемого материала; силового привода; системы задания и поддержания температурного режима, других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

В зависимости от конструкции рабочего органа экструдеры подразделяются:

— плунжерные (поршневые);

— одночервячные;

— многочервячные;

— шестеренчатые;

— дисковые.

Наибольшее распространение получили одно — и многочервячные экструдеры.

Диаметр червяка D промышленных одночервячных экструдеров равен 45−90 мм, длина 15−40 D. Наблюдается тенденция к увеличению параметра L/D, что позволяет увеличить степень гомогенизации расплава.

Современные экструдеры оснащаются микропроцессорной техникой, осуществляющей управление машиной; на многих машинах устанавливаются промышленные компьютеры с выводом на экран основных параметров процесса.

1. Исходные данные

Изделие: поручень ПВХ (непластифицированный) (рис.1). Масса: 0,126кг/п. м. Площадь поперечного сечения F = 91 мм² = 9,1•10^-5м².

Рис. 1. Изделие (поручень)

Параметры червяка:

— диаметр гребня D_ч = 80 мм;

— отношение длины червяка к его диаметру L/D_ч = 15;

— радиальный зазор между гребнем червяка и рабочим цилиндром д = 1 мм;

— глубина винтового канала червяка h = 7 мм;

— толщина гребня e = 7 мм;

— шаг винта t = 80 мм;

— частота вращения червяка n = 0,5с^-1.

2. Проектирование и расчет оформляющей головки экструдера

Формующая (оформляющая) головка — это профилирующий инструмент, придающий расплавленному полимеру, выходящему из рабочего цилиндра экструдера, необходимую форму. Внутри головки проходит канал, сечение которого плавно меняется от круглого до сечения, соответствующего профилю изделия на выходе.

От степени совершенства конструкции головки в значительной мере зависит точность поперечных размеров экструдируемого изделия и качество его поверхности.

Конструкция головки должна удовлетворять следующим требованиям:

1) она должна способствовать формирования поперечного сечения потока, соответствующего форме сечения экструдируемого изделия;

2) геометрические размеры профилирующей щели и углы выхода должны обеспечивать возможность работы экструдера с максимальными значениями производительности, при которых еще не наблюдается «эластической турбулентности» ;

3) конфигурация канала должна исключать образование в нем зон застоя;

4) головка должна обладать достаточным сопротивлением, чтобы на выходе из рабочего цилиндра создавалось противодавление, 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) конструкция головки должна обеспечивать возможность регулирования распределения объемного расхода по периметру струи для устранения влияния неточностей расчета и изготовления на профиль экструдируемого изделия.

экструзия экструдер привод полимер В простейшем случае экструзионная головка состоит из 4-х участков по ходу движения расплава: цилиндрического участка, конического участка, сужающегося участка (сечение плавно меняется от круглого до сечения, соответствующего профилю изделия на выходе) и призматического формующего участка с постоянными размерами сечения.

Подвод расплава к формующему каналу головки должен осуществляться плавно. Каналы, по которым расплав перетекает к формующей части, называются подводящими, они имеют переменное в направлении течения сечение. Назначение подводящих каналов состоит в преобразовании формы потока от сравнительно простой на входе (круглой, овальной, прямоугольной) к фигурной в месте стыка с формующей частью.

Форма и размеры подводящих каналов оказывают непосредственное влияние на качество экструдируемой заготовки.

Поверхность рабочих каналов головки, кроме ее формующей зоны, может быть гладкой или с винтовой нарезкой, позволяющей улучшить процесс гомогенизации расплава. Для получения качественных изделий необходимо, чтобы заключительный отрезок пути расплав перемещался некоторое время по каналу с постоянными размерами сечения. В этом случае происходит наиболее полное выравнивание скоростей движения расплава, проходят релаксационные процессы, ликвидируется пульсация и т. д.

Расчетная схема канала оформляющей головки приведена на рис. 2, 3.

Рис. 2. Расчетная схема канала оформляющей головки Рис. 3. Расчетная схема канала оформляющей головки Сечение канала на выходе оформляющей головки экструдера приведено на рисунке 4.

Рис. 4. Сечение канала на выходе оформляющей головки При конструировании проводящего канала головки для расчетов используются уравнения течения ньютоновской или неньютоновской жидкости через каналы различного поперечного сечения. Выбор вида уравнения зависит от конкретных целей расчета, наличия сведений о реологических свойствах материала, а также границ применения выбранного уравнения течения.

Перепад давления в канале заданной геометрии определяется на основе формул гидравликидля вязких жидкостей:

Сопротивление канала течению, см^-3:

гдекоэффициент геометрической формы канала, см³.

Сложная геометрическая форма канала головки условно разбивается на части, наиболее характерные и простые по геометрической форме: цилиндр, конус, кольцо и т. п. Значение коэффициента геометрической формы рассчитывается для каждого участка канала, затем вычисляется суммарный коэффициент.

Общий коэффициент геометрической формы канала, см³:

Коэффициент геометрической формы цилиндрического участка канала, см³:

Коэффициент геометрической формы конического участка канала, см³:

Коэффициент геометрической формы сужающегося (клиновидного) участка канала, см³:

Коэффициент геометрической формы призматического формующего участка канала, см³:

Общий коэффициент геометрической формы канала:

Сопротивление канала течению:

3. Проектирование и расчет червяка

Червяк — это основной рабочий орган экструдера, предназначенный для перемешивания, нагрева и пластификации материала и подачи расплава под давлением в экструзионную головку.

Расчетная схема червяка приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Расчетная схема червяка

L — длина червяка; D — диаметр гребня червяка; h — глубина винтового канала червяка;

t — шаг винта; д — толщина гребня; б — угол подъемавинтовой линии.

Червяк забирает непластифицированный материал (гранулы или порошок) от загрузочного отверстия, пластифицирует и перемешивает его и равномерно подает в виде гомогенного расплава к оформляющей головке. В результате уплотнения из материала удаляется захваченный вместе с гранулами (или порошком) воздух, и удельный объем материала уменьшается. Для компенсации уменьшения удельного объема материала канал червяка выполняется с уменьшающимся объемом витка (с переменным шагом нарезки или с переменной глубинной нарезки).

По характеру процессов, протекающих на каждом участке червяка, его можно разделить на три основные зоны:

— зона питания (или зона загрузки) — участок, на котором перерабатываемый материал находится в твердом состоянии;

— зона сжатия (или зона плавления) — участок, на котором почти полностью происходит плавление материала;

— зона дозирования (зона нагнетания) — участок, на котором материал находится в расплавленном вязкотекучем состоянии.

Параметры червяка (по заданию):

— диаметр гребня D_ч = 80 мм;

— отношение длины червяка к его диаметру L/D_ч = 15;

— длина червяка L_ч = 1200 мм;

— радиальный зазор между гребнем червяка и рабочим цилиндром z= 1 мм;

— глубина винтового канала (нарезки) постоянная h = 7 мм;

— толщина гребня д = 7 мм;

— шаг винта постоянныйt = 80 мм;

— число заходов червяка i = 1;

— частота вращения червяка n = 0,5 с^-1.

Угол винтовой нарезки:

Процессы переработки пластических масс в червячных машинах ведутся при значительных давлениях, достигающих 50 МПа, что определяет повышенные требования к прочностным характеристикам деталей и узлов машин.

Расчетная схема нагружения червяка приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Расчетная схема нагружения червяка

На червяк действует аксиальная сила Р, крутящий момент М_кр и равномерно распределённая нагрузка g от собственной массы червяка. Силы Р и g вызывают прогиб червяка. Задачей прочностного расчёта является проверка предварительно определённых размеров червяка и определение допустимого прогиба.

Червяк предварительно проверяется на гибкость по формуле:

Радиус инерции сечения, м:

Момент инерции поперечного сечения вала червяка, м⁴:

Площадь поперечного сечения червяка в сечении А-А, м²:

л < 50, следовательно расчет червяка ведется по первому варианту расчета.

Прочностной расчет производится на максимально возможные усилия, возникающие в червячных машинах.

Максимальное давление () развивается червяком, когда отверстие в головке закрыто и нет выхода материала из машины (производительность равна нулю).

Максимальное давление, кг/м²:

Значение средней вязкости материала определяется из соотношения:

где — перепад давления в экструзионной головке, кг/м²;

Максимальное осевое усилие действующее на шнек, Н:

где — площадь поперечного сечения червяка, м²;

где — диаметр гребня, м;

Крутящий момент действующий на червяк, Н•м:

Максимальные касательные напряжения на поверхности червяка, Н/м²:

где — полярный момент сопротивления, м³;

Нормальные напряжения вызываются осевой силой и распределенной нагрузкой q. Максимальные напряжения будут возникать в месте закрепления червяка (у первого подшипника).

Нормальные напряжения, Н/м²:

Максимальный изгибающий момент от распределенной нагрузки червяка, Н•м:

Осевой момент сопротивления относительно нейтральной оси, м³:

По третьей теории прочности:

где — допускаемое для материала и заданных условий его работы напряжение, Н/м²; для стали

Максимальный прогиб червяка от распределенной нагрузки q:

4. Расчет производительности экструдера

Определяющее влияние на производительность машины оказывает дозирующая зона червяка. Производительность дозирующей зоны сильно зависит от геометрических параметров самого червяка. Производительность же экструдера в целом зависит не только от геометрических размеров шнека и числа оборотов, но и в значительной степени — от конструкции формующей головки.

На основе гидродинамического подхода к анализу взаимодействия рабочих органов с перерабатываемым материалом в дозирующей зоне экструдера принято рассматривать три составляющие потока движения расплава: прямой (вынужденный) поток — поток расплава, движущийся по межвитковому пространству в направлении от зоны загрузки к зоне дозирования вдоль оси шнека, возникающий вследствие вращения шнека относительно цилиндра; обратный поток? поток расплава, движущийся в противоположном направлении, что вызвано перепадом давления по длине шнека; поток утечек? поток утечки, движущийся в зазоре между наружной поверхностью витков шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра в направлении от зоны дозирования. Подобное разделение на три потока в канале шнека следует считать условным, так как противотока практически не существует, а имеет место некоторое ограничение прямого потока, возникающее в результате сопротивления головки.

Объемная производительность экструдера, м³/с:

Константы прямого, обратного потока и потока утечекдля зоны дозирования червяка с постоянными геометрическими размерами, м³:

При плотности материала с = 1380 кг/м³ объемная производительность экструдера, кг/ч:

При массе изделия m = 0,126 кг/п. м производительность экструдера, п. м. /ч:

5. Расчет мощности привода экструдера

Мощность привода, потребляемая в зоне загрузки, расходуется на преодоление сил трения при движении пробки материала, значение её не велико (около 10% от суммарной потребляемой мощности) и им можно пренебречь. Исключение составляют червячные машины с продольными канавками на внутренней поверхности цилиндра в зоне загрузки. В этом случае потребляемая на продвижение пробки гранул мощность в 2−5 раз больше, чем в машинах с гладким цилиндром.

В зоне плавления мощность затрачивается на преодоление сопротивления движению пробки в тонком слое расплава вблизи стенки цилиндра, а также на преодоление сил трения пробки о сердечник червяка и витки нарезки. Следует отметить, что по длине зоны плавления происходит изменение состояния перерабатываемого материала. Размеры пробки гранул непрерывно уменьшаются, а сама пробка покрывается слоем расплавленного материала. Одновременно меняются теплофизические и реологические характеристики материала, что вызывает определенные трудности при аналитическом описании процесса в зоне плавления. Мощность, затрачиваемая в зоне дозирования, определяется суммой мощностей расходуемых на принудительное проталкивание массы по винтовому каналу червякаN₁; на срез материала в зазоре между вершиной витка нарезки и стенкой цилиндраN₂; на создание циркуляционного потока в витках нарезки червякаN₃. Мощность привода, потребляемая в зоне дозирования с постоянными геометрическими размерами червяка, Вт:

Значением мощности N₃ (на создание циркуляционного потока) в виду ее малости можно пренебречь.

Общая (технологическая) мощность, затрачиваемая на продвижение материала в цилиндре червячной машины, Вт:

Величины эффективной вязкости µ₁ и µ₂ для различных перерабатываемых материалов определяются по реологическим кривым в зависимости от скоростей сдвига и температуры (µ = f (T, S)).

Скорость сдвига в винтовом канале червяка, с^-1:

Скорость сдвига в зазоре между гребнем нарезки и цилиндром, с^-1:

Эффективная вязкость непластифицированного ПВХ (определяются по реологическим кривым):

Перепад давления в экструзионной головке, кг/м²:

где — перепад давления на i-том участке канала экструзионной головки, кг/м².

Падение давления на i-том участке канала экструзионной головки, кг/м²:

Величины эффективной вязкости µ_i определяются по реологическим кривым в зависимости от скоростей сдвига и температуры (µ = f (T, S)).

Скорость сдвига при движении материала через цилиндрический участок канала, с^-1:

Скорость сдвига при движении материала через конический участок канала, с^-1:

Скорость сдвига при движении материала через сужающийся (клиновидный) участок канала, с^-1:

Скорость сдвига при движении материала через призматический формующий участок канала, с^-1:

Общие потери давления в оформляющей головке, кг/м²:

Технологическая мощность экструдера:

КПД передаточного механизма установки принимается равным 0,8.

Требуемая мощность электродвигателя, Вт:

Принимается асинхронный двигатель переменного тока 4А160М8У3. Основные характеристики электродвигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики электродвигателя 4А160М8У3

Требуемое передаточное отношение привода:

6. Техника безопасности

Современные экструзионные агрегаты — крайне сложные устройства. Микропроцессорные системы предназначены для непрерывного контроля и корректировки значений технологических параметров и, тем не менее, учитывая так называемый «человеческий фактор», при работе необходимо неукоснительно соблюдать определенные правила техники безопасности. К основным из них относятся:

1. Эксплуатация экструдера и всей линии допускается только после получения протоколов завершения монтажа, актов сдачи-приемки, актов сдаточных испытаний и работ.

2. При эксплуатации экструдера должен неукоснительно соблюдаться график профилактических и ремонтных действий.

3. Перед запуском экструдера для всех полимеров, кроме полиолефинов, необходимо проводить чистку цилиндра и шнека, фильтра-решетки и формующей головки.

4. Экструдер запускают только после нагрева до заданной температуры с предварительной выдержкой при ее значении в течении 25−30 мин.

5. При переработке галогеносодержащих полимеров оператор экструзионной машины в обязательном порядке должен использовать индивидуальные средства защиты (респиратор, противогаз, перчатки)

6. В экструзионном помещении в обязательном порядке обеспечивается приточно-вытяжная вентиляция, соответствующая установленным нормам.

7. Для очистки червяка, головки, цилиндра при проведении регламентных работ, для чистки поверхностей деталей разрешается использовать только латунные или медные скребки.

8. Чистку оборудования производят незамедлительно после его остановки и в условиях пока оно не охладилось более чем на 10−20 градусов ниже температуры плавления (но не температуры переработки).

9. Запуск экструдера проводят только после прогрева до требуемых значений температур, начиная с минимальной частоты вращения червяка и плавно увеличивая его до номинального значения. Технологические отходы производства следует незамедлительно направлять на повторную подготовку сырья (дробление, нагрев) и переработку.

10. Вращение червяка в незаполненном магистральном цилиндре допускается только в течении времени, предусмотренного регламентом.

11. При эксплуатации экструдеров и экструзионных агрегатов следует соблюдать чистоту на рабочих местах, не допускать захламленности рабочей площадки, соблюдать нормы свободных расстояний между соседним оборудованием.

12. Ремонт экструдеров и агрегатов технологических линий производят в ремонтно-механических подразделениях предприятий или их смежников.

13. Эксплуатация экструзионного оборудования разрешается только при получении письменных свидетельств служб, контролирующих технику безопасности, состояние противопожарного обеспечения, соблюдения санитарных норм.

Все работники, допущенные к эксплуатации экструзионных линий, должны провести соответствующий инструктаж по технике безопасности с записью в журнале и росписью там инструктируемого.

1. Торнер Р. В., Акутин М. С. «Оборудование заводов по переработке пластмасс». — М.: Химия, 1986.

2. Володин В. П. «Экструзия профильных изделий из термопластов». — СПб.: Профессия, 2005.

3. Соколов М. В., Клинков А. С. «Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин». — М.: «Издательство Машиностроение — 1», 2004.

4. Гиберов З. Г. «Механическое оборудование заводов пластических масс». — М.: Машиностроение, 1967.

5. Гиберов З. Г., Вернер Е. В. «Механическое оборудование предприятий для производства полимерных и теплоизоляционных изделий». — М.: Машиностроение, 1973.

6. Клинков А. С., Шашков И. В. «Оборудование и технология вторичной переработки отходов полимерных материалов». — Тамбов: «Издательство Тамбовского государственного технического университета», 2007.

7. Абраменков Э. А. «Червячные формующие машины. Экструдеры»: учебное пособие. — Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 1992.

8. Гиберов З. Г., Журавлев М. И. «Оборудование заводов пластических масс»: атлас конструкций. — М.: Машиностроение, 1973.

9. Кравчик А. Э., Шлаф М. М. «Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник». — М.: Энергоиздат, 1982.