Расчет шнековых машин для переработки резиновых смесей при заданном качестве экструдата

Процессы и аппараты химических и других производств. Химия

УДК 678.058:539.4

РАСЧЕТ ШНЕКОВЫХ МАШИН ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ЗАДАННОМ КАЧЕСТВЕ ЭКСТРУДАТА М.В. Соколов

Кафедра «Переработка полимеров и упаковочное производство », ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: изменение размеров экструдата; резиновая смесь; степень подвулканизации и пластикации; шнековая машина.

Аннотация: Рассмотрены теоретические основы определения суммарной величины сдвига при переработке резиновых смесей в шнековых машинах и формующих каналах экструзионных головок. Проведены экспериментальные исследования по оценке изменения размеров поперечного сечения экструдата при различных значениях суммарной величины сдвига. Получены оптимальные значения технологических параметров процесса экструзии резиновых смесей и конструктивных параметров шнековых машин.

Одним из самых распространенных методов переработки полимерных материалов является экструзия. Приблизительно 30 % всех пластических масс и резиновых смесей перерабатывается экструзией через формующие головки с образованием изделий различного профиля.

Для успешного проектирования конкурентоспособного экструзионного оборудования и формующих головок необходимо учитывать соотношение цены и качества длинномерных резинотехнических изделий (РТИ).

Существует несколько проблем при производстве профильных изделий из полимерных материалов. В первую очередь, это проблема брака в изделиях при переработке резиновых смесей за счет подвулканизации в каналах шнека и формующих каналах экструзионных головок. Подвулканизация является отрицательным фактором, влияющим на качество получаемых изделий, и приводит к увеличению энергозатрат на продавливание перерабатываемого материала через формующие каналы.

Другим негативным фактором, влияющим на качество изделий, является изменение размеров поперечного сечения экструдата на выходе из формующего канала экструзионных головок - «разбухание».

Существует несколько способов решения этой проблемы: подвергнуть изделие на выходе из формующего канала дополнительной деформации, то есть последующей вытяжке, каландрованию и т.п.; экспериментальное определение режимов переработки и геометрии формующих каналов для изделия заданного профиля при переработке конкретного полимерного материала.

При конструировании формующих каналов необходимо знать величину относительной длины формующего инструмента (отношение длины к зазору), выше которого «разбухание», достигнув минимума, остается практически постоянным. С уменьшением отношения внутреннего размера заготовки к наружному ее размеру (или отношения наружного диаметра дорна к внутреннему диаметру мундштука) наблюдается увеличение «разбухания», которое достигает максимума при заготовке в виде сплошного прутка [1].

На кафедре «Переработка полимеров и упаковочное производство» ТГТУ отработан режим экструзии резиновой смеси НО-68-1 на базе экспериментальной установки при заданной производительности, и получены значения: частоты вращения шнека, технологической мощности и геометрических параметров формующих каналов, с учетом изменения размеров экструдата на выходе из формующего канала.

Целью экспериментов является определение такого режима экструзии и выбора конструкции формующего инструмента, чтобы в исследуемом материале не возникало «разбухания», то есть относительное изменение диаметров экструдата (отношение разности диаметров экструдата и мундштука к диаметру мундштука) было минимальным при максимальной производительности.

Экспериментальные исследования проводились на специально спроектированной и изготовленной экспериментальной установке [2], имеющей длину нарезной части шнека Ь = 0,325 м, диаметр шнека Б = 0,032 м, наклон его нарезки ф = 17 °, глубину винтового канала к = 0,004 м, ширину гребня е = 0,0035 м, шаг винтовой нарезки / = 0,032 м, зазор между гребнем шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра 5з = 0,0005 м, температуру материального цилиндра Тц = 75 °С. Режимы процесса экструзии определялись при переработке крупнотоннажной резиновой смеси НО-68-1, для которой реологические константы при температуре входа в материальный цилиндр Тсм. вх=50 °С:

т0 = 600000 Па-спг, пг = 0,2; теплоемкость - с = 2100 Дж/(кг- °С), плотность -р = 1200 кг/м3, теплопроводность - 1 = 0,22 Дж/(кг-°С).

Предложен способ оценки изменения размеров экструдата, который заключается в определении степени пластикации материала. Степень пластикации, в свою очередь, можно учитывать с помощью суммарной величины сдвига у, которая представляет собой функцию различных конструктивных параметров шнека, формующих каналов экструзионной головки и технологических параметров процесса содержащихся в математической модели экструзии резиновых смесей [3].

Суммарная величина сдвига в каналах шнека определяется

X - время пребывания перерабатываемого материала в материальном цилиндре, с,

W = (/ - е)созф - ширина винтового канала шнека, м; Q - производительность

где Ур - расчетная скорость сдвига в каналах шнека, с 1 [4],

60h

WhL

шнековой машины, м3/с.

Суммарная величина сдвига в формующих каналах определяется по формуле

Fi

Qi

ъ=£ ъ ,

/=1

gi - суммарная величина сдвига; gi, gi , х/ - сдвиг, ско-

рость сдвига, время пребывания перерабатываемого материала в /-м канале, соответственно; Fi, I/ - площадь поперечного сечения и длина /-го канала, соответственно.

На рис. 1 показан сравнительный анализ расчетного значения суммарной величины сдвига для выходного канала экструзионной головки при различных значениях его диаметров й?вых.к , заданной производительности экструдера (@ = = 6,2 кг/ч) и постоянном значении суммарной величины сдвига в каналах шнека у = 3500.

Из рис. 1 видно, что уменьшению относительного изменения диаметра экс-трудата 5 соответствует уменьшение суммарной величины сдвига у и скорости

сдвига в выходном канале экструзионной головки ъвых к .

Подобные исследования проводились для различных производительностей экструдера, где наблюдалась такая же тенденция изменения суммарной величины

сдвига у и скорости сдвига в выходном канале экструзионной головки ъвых к .

Для успешного конструирования шнековых машин, формующих каналов экструзионных головок и разработке новых технологических процессов переработки резиновых смесей необходимо для заданной производительности оборудования найти оптимальные технологические конструктивные параметры процесса и оборудования при минимальных затратах энергии и заданных параметров качества, таких как степень пластикации (суммарная величина сдвига), степень под-вулканизации, которые косвенно связаны с физико-механическими показателями РТИ [3].

^,вых.к,м у,вых.к,с 1 Г,вых.°С

Рис. 1. Зависимость скорости сдвига в выходном канале Увых.к (1),

температуры экструдата на выходе из формующего канала Гвых (2), относительного изменения диаметра экструдата после охлаждения б (3) от суммарной величины сдвига у при различных диаметрах выходного канала

мундштука 4ых.к

При определении суммарной величины сдвига ъ принималось допущение, что в перерабатываемом материале отсутствует или имеет место малое значение подвулканизации, которое определяется по критерию Бейли [5].

Конкретная постановка задачи оптимизации процесса и оборудования экструзии резиновых смесей заключается в следующем: необходимо найти такие значения конструктивных и технологических параметров, чтобы критерий оптимизации

[Р = Ы

при выполнении условий в виде ограничений (2) - (6):

- на качество экструдата

*

^ = J

1 0 т[Т (/)] т[Т (Г)]

0 1 {/-1

- на качество экструдата

Я2

- на прочность материала (жесткость) шнека

Я3

- на производительность шнековой машины

0зад = Q

- на температуру выхода экструдата

Тсм.вых

- на границы изменения варьируемых параметров

Б* < Б < Б*; Бкк* < ккБ < Бкк*; ю* < ю < ю*; Бкь* < кьБ < Бкь*,

где Бкк*, Б*, ю*, БкЬ* и ф , Бкк*, Б , ю , БкЬ* - левая и правая границы изменения конструктивных (к, Б, Ь) и технологического (ю) параметров, соответственно; кк*, кЬ*, кк*, кЬ*, кк, кЬ - коэффициенты учитывающие левую, правую границы и начальные значения конструктивных параметров (к, Ь), соответственно; е, ъзад,

бзад, Тзад - заданные значения интеграла Бейли, суммарной величины сдвига, производительности шнековой машины, температуры резиновой смеси на выходе, соответственно; [О] - допускаемое напряжение материала шнека (допускаемый прогиб).

Принимались следующие исходные и начальные данные: ф = 17 °; е = 0,02;

❖ ❖ 1 Ъзад = 3500; Тзад = 90 °С; Б = 0,03...0,09 м; кк = 0,05; кк = 0,15; ю = (1,2...9,4) с-1;

кЬ* = 5; кЬ = 10; АР = 20 МПа; 5 = 0,0005 м; а = 100 Вт/(м2 • °С); Тсмвх = 50 С,

Тц = 75 °С; е = 0,1Б; Б0 = 0,05 м; к0 = 0,1Б м; ю = 3,14 с-1; Ь0 = 7Б м.

С использованием для решения поставленной задачи (1) - (6) метода скользящего допуска [3], реализуемого программой на языке Бейсик, получены расчетные зависимости (рис. 2, 3).

t

Из рис. 2 видно, что с увеличением производительности Q происходит уменьшение суммарной величины сдвига у, так как уменьшается время пребывания перерабатываемого материала в цилиндре пластикации шнековой машины.

Из рис. 3 видно, что увеличение производительности Q происходит в основном за счет увеличения угловой скорости ю и диаметра шнека Б, а без ограничения на суммарную величину сдвига у (рис. 2) - за счет диаметра шнека Б и глубины его винтового канала Н. То есть ограничение на суммарную величину сдвига вносит изменения на характер кривых (см. рис. 2, 3) и перераспределяет влияние режимных и конструктивных параметров на технологическую мощность N и производительность Q.

Получены значения суммарной величины сдвига (у = 4475), технологической мощности ^ = 0,865 кВт) и производительности ^ = 6,2 кг/ч) для экспериментальной установки на базе червячной машины МЧХ-32 со следующими параметрами: ф = 17 °; Б = 0,032 м; ю = 2,2 с-1; Ь = 0,325 м; АР = 20 МПа; 5 = 0,0005 м; а = 100 Вт/( м2 • °С); Тсм вх = 50 °С; Тсмвых=100 °С; Тц=75 °С; е = 0,1Б; к = 0,0035 м.

g L, мм w , с 1Б, мм H, мм N, кВ т

Рис. 2. Зависимости оптимальных конструктивных (1 - к; 2 - Б; 4 - Е) и технологических (3 - ю; 5 - Л; 6 - у) параметров от производительности Q при неизотермическом режиме экструзии и без ограничения на суммарную величину сдвига у

L, мм w, с 1Б, мм H , мм N, КВ т

Рис. 3. Зависимости оптимальных конструктивных (1 - к; 2 - Б; 4 - Е) и технологических (3 - ю; 5 - Л) параметров от производительности Q при неизотермическом режиме экструзии

g w, c 1 H, мм N, кВт

Рис. 4. Зависимости оптимальных конструктивных (1 - А) и технологических (3 - ю; 5 - Л; б - у) параметров от производительности Q при неизотермическом режиме экструзии и без ограничения на суммарную величину сдвига у

W, с 1 Н, мм N, кВт

Рис. 5. Зависимости оптимальных конструктивных (1 - к) и технологических (3 - ю; 5 - Л) параметров от производительности Q при неизотермическом режиме экструзии

Построены расчетные зависимости оптимальных технологических и конструктивных параметров (рис. 4, 5) для существующей шнековой машины МЧХ-32 при следующих исходных и начальных данных: ф = 17 °; е = 0,02; узад= = 3500; Тзад = 90 °С; Б = 0,032 м; кк* = 0,05; кк* = 0,15; ю = (1,2...9,4) с-1; Ь = 0,325 м; АР = 20 МПа; 5 = 0,0005 м; а = 100 Вт/(м2 • °С); Тсм вх = 50 °С; Тц = 75 °С; е = 0,1Б; к0 = 0,1Б м; ф, = 3,14 с-1.

Из рис. 4 и 5 видно, что технологическая мощность N при оптимальных технологических и конструктивных параметрах для заданной производительности ^ = 6,2 кг/ч) меньше, чем для существующей шнековой машины на 13 % как при ограничении на суммарную величину сдвига (3), так и без него.

Уменьшение суммарной величины сдвига у (см. рис. 4) связано с увеличением производительности Q, а значит уменьшением времени пребывания перерабатываемого материала в цилиндре пластикации за счет увеличения угловой скорости ю и глубины винтового канала шнека Н.

Данный способ прогнозирования качества экструдата особенно эффективен при производстве профилей из резиновых смесей, с последующей непрерывной вулканизацией длинномерных резинотехнических изделий (например в ваннах с расплавом солей или в псевдоожиженом слое).

1. Басов, Н.И. Оборудование для производства объемных изделий из термопластов / Н.И. Басов, В.К. Ким, В.К. Скуратов. - М. : Машиностроение, 1972. -С. 272.

2. Соколов, М.В. Расчет процесса и оборудования экструзии резиновых смесей при заданном качестве экструдата / М.В. Соколов, П.С. Беляев, А.С. Клинков // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та. - 2003. - Т. 9. - № 3. - С. 430-433.

3. Кочетов, В.И. Определение оптимальных технологических и конструктивных параметров червячных машин для переработки эластомеров / В.И. Кочетов, А.С. Клинков, М.В. Соколов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2000. - № 8. - С. 15-16.

4. Буртелов, Л.В. Математическое моделирование процесса экструзии псев-допластичных сред на одночервячных машинах на примере резиновой смеси: ав-тореф. дис. канд. техн. наук по спец. 05.02.13 / Л.В. Буртелов. - Томск, 2005. -16 с.

5. Бекин, Н.Г. Расчет технологических параметров и оборудования для переработки резиновых смесей в изделия / Н. Г. Бекин. - Л. : Химия, 1987. - 272 с.

Calculation of Worm-Type Leveling Device for Rubber Mixtures Processing under the Given Quality of Extrudate

M.V. Sokolov

Department “Polymers Processing and Packaging ”, TSTU

Key words and phrases: extrudate size change; rubber mixture; degree of under-vulcanization and plasticization; worm-type leveling device.

Abstract: Theoretical grounds for determination of total shift quantity in the course of rubber mixtures processing in worm-type leveling devices and molding channels of extrusion heads are studied. Experimental research into evaluation of change in the size of extrudate cross-section under different values of total quantity shift is done. Optimal values of technological parameters of rubber mixtures extrusion process and those of construction parameters of worm-type leveling devices are produced.

Berechnung der Schneckenmaschinen fur die Uberarbeitung der Gummimischungen bei der aufgegebenen Extrudatqualitat

Zusammenfassung: Es sind die theoretischen Grundlagen der Bestimmung der summarischen Grofle der Verschiebung bei der Uberarbeitung der Gummimischungen in den Schneckenmaschinen und Formkanalen der Extrusionskopfchen untersucht. Es sind die experimentalen Forschungen nach der Einschatzung der Veranderung der Groflen des querlaufenden Extrudatschnitts bei verschiedenen Bedeutungen der summarischen Grofle der Verschiebung durchgefuhrt. Es sind die optimalen Bedeutungen der technologischen Parameter des Prozesses der Extrusion der Gummimischungen und der Konstruktionsparameter der Schneckenmaschinen erhalten.

Calcul des macines a vis sans fin pour le traitement des melanges resineux avec une quantite donnee de l’extrudate

Resume: Sont examinees les bases theoriques de la definition de la valeur totale du decalage lors du traitement des melanges resineux dans les macines a vis sans fin et dans les canaux de formation des tetes de l’extrusion. Sont mentionnees les etudes experimentales sur revaluation des mesures des dimensions de la coupe transversale de l’extrudate avec de differentes significations de la valeur totale du decalage. Sont obtenues les valeurs optimales des parametres technologiques du processus de l’extrusion des melanges resineux et des parametres constructifs des macines a vis sans fin.