ЭКСТРУДЕР С УМЕНЬШЕННОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКОЙ НА ШНЕК

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящее изобретение относится к устройствам, предназначенным для переработки полимерных материалов в изделия путем их экструзии, т.е. загрузки материалов в виде гранул, их плавления, выдавливания через формующий инструмент и охлаждения в виде непрерывного профиля.
Уровень техники
Известен [1] экструдер, состоящий (см. фиг.1) из электродвигателя 1, редуктора 2, шнека 3 и материального цилиндра 4. В экструдере винтовая нарезка шнека захватывает полимерный материал на входе в материальный цилиндр, проталкивает их вперед, прогревает, плавит и перемешивает в зазоре шнек-цилиндр, после чего полимерный расплав вытесняется по материальному цилиндру вперед. На конце шнека в расплаве полимера развивается давление, под действием которого расплав продавливается сквозь формующую оснастку, приобретает необходимый профиль и затем при охлаждении формируется в изделие.
Экструдер - устройство весьма распространенное, применяемое в самых разных областях и при переработке различных материалов. Особенно широко экструдеры применяют при получении погонажных изделий (пленки, трубы, листы, профили) из крупнотоннажных полимеров (как полиолефины, сополимеры стирола, полиэфиры). Обычно для этих процессов требуется, чтобы давление расплава на конце шнека перед формующей оснасткой было велико, 150-600 бар. Среди конструкций экструдеров, обеспечивающих высокое давление расплава, известны конструкции с нарезкой материального цилиндра в зоне загрузки. Нарезные пазы в теле цилиндра в зоне загрузки препятствуют провороту захваченного шнеком материала и увеличивают объем захвата. В результате производительность экструдера возрастает и повышается жесткость характеристики экструдера (т.е. производительность не снижается при увеличении давления расплава на выходе шнека).
Например, известен [2] экструдер, цилиндр которого снабжен в зоне загрузки нарезными продольными пазами и устройством, которое позволяет изменять глубину этих пазов. Данный конструктив обеспечивает повышенную устойчивость процесса экструзии, улучшенную проработку сырья и жесткую характеристику экструдера (сохранение производительности при высоком давлении формования). Однако обостряются проблемы, вызванные высоким давлением расплава на выходе шнека. Дело в том, что если давление расплава на конце шнека перед формующей оснасткой велико, то на шнек действует большая осевая нагрузка (она равна произведению давления на поперечное сечение канала цилиндра). Под действием осевой нагрузки шнек теряет продольную устойчивость, изгибается и прижимается к стенкам материального цилиндра, что вызывает быстрый износ пары шнек-цилиндр, причем износ тем выше, чем выше давление. Износ снижает срок жизни экструдера и обусловливает жесткие требования к сталям, применяемым для изготовления экструдеров. Кроме того, большое осевое усилие на шнек вынуждает предпринимать меры защиты редуктора от разрушения этим усилием (обычно между редуктором и шнеком устанавливают упорный подшипник, либо усиливают подшипники в самом редукторе). Все это ведет к увеличению цены экструдера и расходов по его эксплуатации.
Целью настоящего изобретения является снижение осевой нагрузки на шнек при сохранении неизменным давления расплава на выходе шнека.
Раскрытие полезной модели
Поставленная цель достигается тем, что в экструдере, состоящем из двигателя, редуктора, материального цилиндра и шнека, шнек в выходной его части снабжен пробкой длиной не менее половины диаметра шнека, а цилиндр имеет боковое отверстие вблизи пробки. Эта пробка, установленная в цилиндре с коаксиальным зазором 10-50 мкм, перекрывает расплаву выход вперед по цилиндру (как это происходит у аналога) и направляет расплав в боковое отверстие. Схема устройства показана на схеме фиг.2.
На схеме фиг.2 показана выходная часть экструдера: шнек 3, материальный цилиндр 4, пробка шнека 6 и выходное отверстие в стенке цилиндра 5. Особенностью предлагаемой конструкции является то, что давление расплава у выходного отверстия 5 создает одинаковое усилие как на пробку 6 (вправо по
схеме), так и на нарезку шнека 3 (влево по схеме). В итоге осевая нагрузка на шнек в одну сторону уравновешена осевой нагрузкой в другую сторону. Следовательно, эти нагрузки создают усилие, растягивающее шнек, но не создают односторонней осевой нагрузки, как это имеет место у аналога. Но если к шнеку не приложена осевая нагрузка, то шнек не изгибается и не трется о стенки цилиндра, так что износ шнека и цилиндра уменьшается. Кроме того, поскольку осевая нагрузка на шнеке отсутствует, редуктор не подвергается угрозе ускоренного износа и разрушения, поэтому нет необходимости в упорном подшипнике, обычно устанавливаемом между шнеком и редуктором.
Очевидно, что по зазору между пробкой и материальным цилиндром расплав может утекать наружу, и это нежелательно, но если этот зазор мал (10-50 мкм), то утечка высоковязкого полимерного расплава пренебрежимо мала. Кроме того, утечку можно свести к нулю, если пробку снабдить встречной спиральной нарезкой. Нарезка будет возвращать обратно тот расплав, который утекает по зазору пробка-цилиндр.
Предлагаемая полезная модель позволяет уменьшить износ экструдера и удешевить экструдер благодаря отсутствию упорного подшипника. Она применима ко многим вариантам конструкций экструдеров.
Осуществление полезной модели
+0,02
-0,02
Пример 1. Экструдер собран на базе асинхронного электродвигателя 1500 об\мин мощностью 7,5 кВт и редуктора с передаточным числом I=10. Редуктор оснащен датчиком для измерения осевого усилия, создаваемого шнеком на выходной вал редуктора. Материальный цилиндр внутренним диаметром 30мм и длиной рабочей зоны 25D (расстояние от входного отверстия до выходного отверстия) оснащен на входе втулкой с продольными нарезными пазами. Шнек с длиной рабочей зоны 25D оснащен на конце пробкой длиной 60 мм и диаметром 30 мм. Производительность экструдера по ПЭНП составила 25 кг\час при противодавлении 220 бар. Осевое усилие на шнек составило не более 5 кг. Утечка расплава наружу по зазору между пробкой и цилиндром составляла не более 1 г/час.
Пример 2. Экструдер по примеру 1, отличающийся тем, что шнек исполнен без пробки, а выходное отверстие материального цилиндра заглушено (открыто боковое отверстие). Производительность экструдера по ПЭНП составила 25 кг\час при противодавлении 220 бар. Осевое усилие на шнек составило 1550 кг.
Пример 3. Экструдер по примеру 1. Пробка шнека снабжена встречной (относительно нарезки шнека) нарезкой глубиной 0,5 мм и шириной 5 мм, шагом 15 мм. В основном характеристики процесса были теми же, что в примере 1, но утечка расплава по зазору пробка-цилиндр была равна нулю.
1. (Э.Бернхардт, Переработка термопластичных материалов, М., Госхимиздат, 1962 г.)
2. US Patent 5783225 Issued on July 21, 1998