Технологические и прочностные расчеты

Основные параметры технологическо­го процесса переработки термопластов па червячных прессах подразделяют­ся на две категории: определяющие (устанавливаемые непосредственно оператором) и производные. К опре­деляющим параметрам относятся: температура в зонах корпуса червяка, частота вращения червяка и питаю­щего органа бункера, температура хладагента на сливе из канала червя­ка. Производными параметрами явля­ются: производительность червячного пресса по расплаву полимера, давле­ние расплава на входе в формующую головку, осевое усилие на червяке, мощность, потребляемая червячным прессом от электродвигателя и от на­гревателей цилиндра.

Определяющие и производные пара­метры связаны прямой зависимостью. Количественное соотношение этих па­раметров изменяется при изменении геометрии червяка, вида перерабаты­ваемого термопласта и конструкции каналов формующей головки (точнее — ее гидравлического сопротивле­ния).

Основная характеристика процесса экструзии — производительность, ко­торая является функцией многих пере­менных и в зависимости от конструк­ции и типоразмера экструдера изме­няется для современных машин от 3 до 20000 кг/ч. При этом осевое усилие на червяке может меняться от не­скольких сотен килограммов до 600 тс. Температурный режим обогрева ци­линдра пресса определяется видом перерабатываемого полимера и экст-рудируемого изделия. Эти режимы из­меняются от 120—150° С для мягкого поливинилхлорида и полиэтилена низ­кой плотности до 500—550° С для фторопластов.

В настоящее время отсутствуют единые инженерные методики проект­ного расчета технологических пара­метров процесса и геометрических па­раметров рабочих органов одно- и двухчервячных прессов. Это объясня­ется сложностью и комплексным ха­рактером динамики процессов экстру­зии, трудно поддающихся математи­ческому описанию. Так, аналитическое выражение процесса транспортирова­ния, сжатия, смешения, плавления и выдавливания термопласта экструде-ром должно учитывать одновременное и взаимосвязанное действие факторов, основанное на законах теплофизики, гидродинамики неньютоновских жид­костей, механики полимеров и термо­динамики.

Развитие инженерных методов рас­чета параметров процесса и размеров оборудования на современном этапе происходит по двум направлениям. Одно из них—разработка системы уравнений, обеспечивающих повероч­ный расчет основных параметров про­цесса: производительности, создавае­мых червяком давлений, осевых уси­лий на червяк и потребляемой мощно­сти при заданной геометрии рабочих органов пресса. При этом используют метод последовательных приближений для решения задачи выбора оптималь­ных параметров червяка и формую­щей головки; для обеспечения необхо­димой степени точности решения за­дачи это требует в ряде случаев ис­пользования электронно-вычислитель­ных машин. Червячные прессы можно рассчитывать также моделированием нового процесса и оборудования на основе известных параметров пресса-модели. Этот метод более прост и ме­нее громоздок по сравнению с первым, хотя уступает ему по точности ре­зультатов.

В соответствии с тенденциями раз­вития одночервячных прессов намеча­ется значительное увеличение частоты вращения и удлинение червяков до LID = 30-35, а следовательно, и су­щественное повышение производи­тельности. В этой связи возникает не­обходимость более полного и точного аналитического описания процессов течения термопласта в каналах червя­ка, особенно в зоне плавления, где сердечник червяка образует с корпу­сом коническую щель, а возникающие в этой зоне избыточные давления су­щественным образом изменяют зако­ны течения расплава в зоне дозирова­ния червяка.

В современных одночервячных прес­сах зона плавления с коническим сер­дечником червяка имеет длину 15— 20 D (в зависимости от конструктивныx особенностей червяка), а расплав полимера образуется после прохожде­ния 5—8 витков от загрузочного от­верстия корпуса. Таким образом, по­лимер в виде смеси высоковязкого расплава и оплавленных гранул пере­мещается в конической щели, длина которой зачастую превышает длину зоны дозирования. На этом участке червяка создаются значительные дав­ления, которые намного превосходят гидравлические сопротивления форму­ющих головок и превышают значение производительности зоны дозирова­ния, рассчитанное по классическим теориям. В то же время повышенные давления перед зоной дозирования, превышающие сопротивление головки, создают дополнительный прямой по­ток в каналах зоны дозирования и в зазоре между вершиной витка и кор­пусом (в отличие от образования об­ратного потока и потока утечки в ко­ротких червяках, где сопротивление головок превышает сопротивление зо­ны плавления). Принципиально важ­ны для удлиненных червяков правиль­ный выбор и поддержание температурных режимов по длине корпуса. В противном случае процесс может протекать как в коротком червяке, кроме того, возможно возникновение пульсаций, отрицательно влияющих на качество изделий.

Для поверочного расчета основных технологических параметров пластицирующего одночервячного пресса должны быть известны следующие ха­рактеристики.

1. Вид перерабатываемого термо­пласта и его свойства, в том числе: температура плавления t_n; плотность и зависимость ее от температуры ρ_t= f (t); рабочий диапазон темпера­туры и распределение ее по зонам червячного пресса; реологические ха­рактеристики в виде графиков измене­ния касательных напряжений сдвига τ и эффективной вязкости µ_Э в зависи­мости от градиента скорости γи тем­пературы τ = f ₁(γ, t), µ_э =φ(γ, t)

2. Частота вращения (число оборо­тов) червяка, п.

3. Геометрические параметры чер­вяка: диаметр наружный d_н; высота витков в зонах загрузки Н ₃, начале зон плавления Н и дозирования h; общая длина червяка и длина развер­ток спиральных каналов его зон дози­рования l _д и плавления l _р; шаг червя­ка S, ширина гребня витка b и число заходов i.

Технологические параметры одно­червячного пресса рассчитывают в сле­дующей последовательности.

1. Определяют характер распреде­ления температур по длине корпуса и средние (определяющие) значения температур: в зоне дозирования и на участке зоны плавления от точки, со­ответствующей пятому — восьмому витку червяка после загрузочного от­верстия корпуса, до начала зоны до­зирования (где заканчивается кониче­ский сердечник червяка).

2. Находят среднее значение эффек­тивной вязкости полимера в зонах до­зирования и плавления по найденным средним значениям температур и гра­диентам скорости в этих зонах.

3. Рассчитывают максимальное ра­бочее давление ртах, создаваемое участком червяка с коническим сер­дечником на активной длине зоны плавления.

4. Определяют координату макси­мума давления в зоне плавления x _т.

5. Находят давление р _дв начале зоны дозирования.

6. Определяют перепад давлений на длине зоны дозирования, задавшись сопротивлением формующей головки (или предварительно рассчитав это

сопротивление, исходя из необходимой производительности процесса).

7. Рассчитывают производитель­ность Q червячного пресса по зоне до­зирования с учетом перепада давления или по геометрическим характеристи­кам (высоте витка) червяка в сечении с максимальным давлением p_max.

8. Уточняют сопротивление форму­ющей головки с учетом полученной производительности; при существен­ном отличии значений сопротивления уточняют производительность Q.

9. Определяют мощность, потребляе­мую червяком, и суммарную мощ­ность N_n с учетом к. п. д. привода.

10. Рассчитывают осевое усилие на упорный подшипник червяка Т_о.

11. По полученным параметрам рас­считывают детали и узлы пресса на механическую прочность.

Для вывода расчетных уравнений принимаем следующие допущения и исходные условия:

червяк состоит из двух участков — с коническим сердечником в зоне плавления и цилиндрическим в зоне дозирования;

рассматриваем задачу в плоскости, т. е. разворачиваем спираль червяка и корпус в плоскости и применяем принцип перемены относительности движения — не червяк движется отно­сительно корпуса, а корпус вращается относительно червяка под углом (5 к развертке спирального канала, что не меняет существа задачи;

рассматриваем механизм перемеще­ния термопласта в каналах червяка как результат фрикционного воздейст­вия на термопласт «подвижного» кор­пуса, причем витки червяка не толка­ют расплав подобно твердому телу (гайке), а создают лишь направляю­щий аппарат — боковые стенки плос­кого канала; в этом случае перераба­тываемый материал затягивается в спиральный канал червяка стенкой корпуса, создавая избыточное давле­ние в конических каналах зоны плав­ления и тяговое усилие на цилиндри­ческих участках сердечника червяка, преодолевающие сопротивление фор­мующих головок;

при выводе уравнений диссипатив-ные процессы для упрощения не учи­тываем;

при расчете зон плавления и дозиро­вания применяем усредненные по их длине значения эффективной вязкости и температуры;

уравнения выводим для случая изо­термического по высоте витка течения ньютоновской жидкости; в расчетных уравнениях применяем усредненные значения эффективной вязкости рас­плава полимера, найденные из экспе­риментальных графиков.

Рассмотрим распределение скорос­тей в коническом канале зоны плавле­ния червяка. Сумма сил, действующих на элементарный объем жидкости с размерами dx, dy и k = 1 (рис. 7-V), равна нулю. Дифференциальное урав-

Дата добавления: 2014-01-13