ИНЖЕНЕРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СМЕСИТЕЛЬНОГО И ВАЛКОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Смесители-пластикаторы

Смесители-пластикаторы используются при производстве и переработке пластмасс и резиновых смесей с целью получения высококачественных композиций. В зависимости от конструкции смесительно-пластицирующего органа (лопасти, ротора, валка, червяка и др.) смесительные машины подразделяются на лопастные, роторные, валковые, червячные. Основные требования к конструкции смесительных устройств - это минимальные затраты электроэнергии, малая металлоёмкость, компактность и долговечность при эксплуатации.

Лопастные смесители применяются для смешения сыпучих и волокнистых материалов с пластификаторами, для изготовления паст, замазок, клеев и других высоковязких полимерных композиций. Рабочие органы таких смесителей выполнены обычно в виде двух Z-образных валов, расположенных горизонтально и вращающихся навстречу друг другу с различными окружными скоростями (рис. 2.1). В зависимости от проводимой технологической операции лопасти выполняются одно- или многокрыльчатыми, штифтовыми или в ином конструктивном исполнении.

Мощность, кВт, потребляемая смесителем для перемешивания с учётом геометрических размеров лопасти, определяется по формуле [3]:

N = 0,105wzZ>p sin а(1 + /ctga)x

x (л3

  • - z3 )(о,ОО9./Ки2 - 0,24)+ 0,86 /7?(я2 - z~)
  • (2.1)

где n - частота вращения лопасти, мин, z - количество лопастей; b - ширина лопасти, м; р - плотность материала, кг/м3; a - угол наклона лопасти; /'- коэффициент трения материала о металл; R - радиус лопасти, м; г - радиус вала лопасти, м.

Производительность, кг/ч,

  • 60Q(p
  • (2.2)

/3 + tc + ZB

где Q - единовременная загрузка компонентов в рабочую камеру, кг; Ф = 0,8...0,9 - коэффициент использования машинного времени; t3 - время загрузки компонентов, мин; tc - время смешения, мин; /в - время выгрузки готовой смеси, мин.

Открытый смеситель с Z-образными гладкими лопастными валами

Рис. 2.1. Открытый смеситель с Z-образными гладкими лопастными валами

К недостаткам оборудования этого типа относятся: длительность обработки смеси, значительный расход мощности привода на единицу готовой смеси, периодический режим работы. С целью снижения энергозатрат и времени смешения полимерных материалов разработаны комбинированные смесительные устройства с винтовой скребковой мешалкой, расположенной в смесительном бункере, и четырьмя роторами в корпусе смесителя (два пальчиковых ротора малого диаметра и два лопастных ротора большего диаметра). Конструкции выпускаемых отечественной промышленностью лопастных смесителей и их технические характеристики приведены в [8].

Роторные смесители - смесители, лопасти которых занимают около 60% общего объёма смесительной камеры. Они применяются для смешивания пластических масс с наполнителями, красителями и другими ингредиентами, для диспергирования, гомогенизации и проведения механохимических процессов. Основным элементом смесителя является рабочая камера 2, образованная двумя полуцилиндрами, в которой расположены фигурные роторы 7, вращающиеся навстречу друг другу с разными скоростями (рис. 2.1). В верхней части закрытых смесителей расположен подвижный затвор 3, предназначенный для запирания смесительной камеры после заполнения её компонентами. Подробное описание конструкции смесителей изложено в [8].

Процесс приготовления смесей в роторных смесителях является периодическим и ведётся по заранее установленному регламенту, характерному для смесей каждого типа. Выбор режимов работы смесителей зависит от ряда факторов, определяющих условия смешения: суммарного количества загружаемого в смесительную камеру материала, продолжительности смешения, давления верхнего затвора, частоты вращения роторов, давления в камере, порядка загрузки компонентов и температуры процесса смешения.

Роторные смесители

Рис. 2.2. Роторные смесители:

а - открытые; 6 - закрытые; / - смесительные роторы;

2 - смесительная камера; 3 - верхний затвор; 4 - разгрузочное устройство

Производительность закрытых смесителей определяется массой загружаемой смеси, которая, в свою очередь, зависит от объёма смесительной камеры. Для расчёта производительности смесителя Q, кг/ч, можно использовать формулу

е=бо^Ф, (2.3)

ти

где V- объём загружаемой смеси; V = 0,8...0,89 полного объёма камеры, м3; р - плотность перерабатываемого материала или смеси, кг/м3; ср - коэффициент использования машинного времени; для обычных условий <р = 0,8.. .0,9; тц - продолжительность цикла смешения, мин.

Конструкции смесителей и их основных механизмов приведены в [32].

В валковых смесителях-пластикаторах (вальцах) основными рабочими органами являются два полых цилиндрических валка, вращающихся навстречу друг другу с разными окружными скоростями, с осями, расположенными в горизонтальной плоскости. Основные технологические операции, проводимые на вальцах, - это смешение, пластикация, дробление, рафинирование смесей, промывка каучуков, подогрев смесей и др.

На рисунке 2.3 показаны вальцы для пластикации, на чугунной фундаментной плите которых размещены две стальные станины с траверсами, в которых установлены подшипники для валков. Задняя пара валковых подшипников неподвижная, передняя - может перемещаться 78

в направляющих станины при помощи нажимных винтов, которые вращаются электродвигателями через червячные редукторы 1. Валки нагреваются водой, перегретой до температуры 180 °C. Задний валок приводится во вращение через двухступенчатый коническо-цилиндрический редуктор 8 и пару приводных колес 4. Передний валок приводится во вращение через пару фрикционных шестерён 2. Асинхронный электродвигатель 7 соединён с редуктором упругой муфтой. Для остановки вальцев служит колодочный тормоз 6. Система смазки подшипников циркуляционная.

Вальцы снабжены приспособлениями для возврата массы в зазор валков и скатывания вальцуемого материала в рулон, ножом для подрезания кромок, передвижными ограничительными стрелами 3. Просыпающаяся (через зазор между валками) во время загрузки порошкообразная масса возвращается в рабочий зазор вальцев ленточным конвейером.

Пластицируемые и смешиваемые материалы несколько раз пропускаются через зазор вальцев для получения однородной массы. Выходящая с вальцев масса свертывается в рулон валиком, прижимаемым к образующей переднего валка. Для съёма материала при изготовлении ленты применяют устройство с двумя дисковыми ножами, установленными на передвижных каретках. Каретка с ножами при помощи ходового винта совершает возвратно-поступательное движение вдоль образующей валка. При этом срезается лента необходимой ширины.

Расчёт основных параметров вальцев сводится к определению распорных сил, мощности привода и производительности по зависимостям, полученным на основе гидромеханической теории вальцевания [19].

Вальцы для переработки пластических масс

Рис. 2.3. Вальцы для переработки пластических масс

Распорные силы

(2.4)

Мощность привода валков

^=2(1 + /)ц?И

(2.5)

где функция F = 1,93 + 3,63и + 1,22л?2; п - индекс течения; /’- коэффициент фрикции между валками; ц - эффективная вязкость; L, R - соответственно рабочая длина и радиус валка; /?0 - минимальный зазор между валками; щ - линейная скорость переднего валка; функция Ф = 4,67 + 8,06я + 4,09а?2; ц - КПД привода вальцев.

Величины Рр и могут быть найдены и по другим зависимостям [20].

Производительность вальцев непрерывного действия, кг/ч,

(2.6)

где D - диаметр валка, м; р - плотность смеси, кг/м3; a = 0,8...0,9 -коэффициент использования машинного времени; п - частота вращения переднего валка, мин-1; b и h - соответственно ширина и толщина срезаемой ленты вальцуемой массы, м.

Смесители непрерывного действия являются наиболее перспективными смесителями, так как имеют ряд преимуществ перед смесителями периодического действия. В них реализуются более высокие скорости и напряжения сдвига, в результате отсутствия пиковых нагрузок снижается мощность привода до 40%, улучшаются показатели качества смеси за счёт работы смесителя в установившемся режиме, возможно совмещение операции смешения с профилированием заготовок.

Для смешения высоковязких полимерных композиций применяют двухчервячные смесители типа DSM со спаренными взаимозацепляю-щимися и вращающимися в одном направлении червяками со смесительными лопастями, аналогичными элементам закрытых роторных смесителей периодического действия.

Технологический блок смесителя состоит из трёх секций: загрузки, смешения и пластикации с дросселирующими элементами и нагнетания, дозирования (рис. 2.4). В соответствии с этим каждый вращающийся рабочий вал состоит из трёх элементов: загрузочного червяка 6, смесительной лопасти 7 и разгрузочного (напорного) червяка 9.

Двухчервячный смеситель DSM

Рис. 2.4. Двухчервячный смеситель DSM:

  • 1 - главный привод; 2,4- опоры червяков; 3 - гидросистема перемещения червяков; 5 - приводные шестерни; 6 - загрузочный червяк;
  • 7 - смесительная лопасть; 8 - дроссель с конической щелью;
  • 9 - разгрузочный червяк; 10 - каналы для воздушного охлаждения корпуса;
  • 11 - электрический обогрев корпуса; 12 - решётки (фильеры)

Загрузочные червяки с большим межвитковым объёмом и глубокой нарезкой захватывают перерабатываемый материал и транспортируют его в камеру смешения, в которой он пластицируется и перемешивается под давлением двумя взаимозацепляющимися смесительными лопастями. Давление в камере смешения можно устанавливать, регулируя в достаточно широких пределах величину двух конических дросселирующих зазоров. Кроме того, регулируя площадь поперечного сечения с помощью дросселирующего элемента, можно воздействовать на важнейшие технологические параметры процесса смешения, например, на напряжение сдвига, давление, время пребывания материала в смесительной камере, его температуру и качество смешения. После прохождения дросселирующих зазоров материал попадает в напорные червяки, вращающиеся в отделённых друг от друга полостях корпуса, в котором могут быть предусмотрены дегазационные отверстия. Оба разгрузочных червяка продавливают материал через фильеры или другой формующий инструмент в зависимости от заданной формы экструдата.

Корпус смесителя в зоне смешения и разгрузки имеет электрический обогрев и воздушное охлаждение, а полые червячные валы могут термостатироваться с помощью воды или пара.

Производительность таких смесителей варьируется в широком диапазоне в зависимости от свойств получаемой смеси, соотношения компонентов и их количества и заданной формы и размеров экструдата.

Смесители типа СП-100 являются наиболее перспективными и универсальными смесителями непрерывного действия и используются на различных стадиях производства и переработки широкого класса полимерных и композиционных материалов на их основе (рис. 2.5) [19, 21].

Смеситель для непрерывного клееприготовления типа СН-100

Рис. 2.5. Смеситель для непрерывного клееприготовления типа СН-100

Смеситель такого типа чаще всего состоит из раскрывающегося корпуса с горизонтальной линией разъёма. Верхняя 1 и нижняя 8 части корпуса имеют рубашки обогрева 2 и 4. Для подвода и отвода теплоносителя в рубашки 6 вварены патрубки с фланцами 5 и 6. Внутри корпуса 10 в горизонтальной плоскости расположены два сборных червяка 7, находящихся в зацеплении и имеющих однонаправленное вращение.

На валах 11 смесителя монтируются (надеваются) рабочие червячные насадки (прямые 5 и обратные 9), рабочие смесительные диски 13, а также питающие червячные насадки 4. Рабочие червячные насадки и смесительные диски смонтированы в определённой последовательности и закреплены на валах шпонками, а питающие червячные насадки установлены на валах с возможностью свободного их вращения.

Передача вращающего момента рабочим червячным насадкам и смесительным дискам происходит от вала электродвигателя через клиноремённую передачу, вариатор, редуктор-раздвоитель и шлицевые муфты.

Питающие червячные насадки 4, расположенные в зоне загрузочного отверстия, вращаются независимо от индивидуального привода. Загрузка компонентов смеси в рабочую полость смесителя производится из камеры, которая смонтирована над загрузочным отверстием корпуса смесителя. Кроме того, в корпусе предусмотрены штуцера для подачи жидких компонентов и выгрузки готовой смеси. Корпус смесителя с приводом установлен на сварной раме. В зависимости от проводимой технологической операции конструктивное оформление рабочих насадок можно изменять в широком диапазоне.

Объёмную производительность двухчервячного смесителя непрерывного действия определяют по соотношению

Q = kvJt,

(2.7)

где Vc - суммарный объём рабочей полости смешения; т - среднее время нахождения смеси в полости смешения; К - суммарный средний коэффициент заполнения полости смешения.

Так как червяк имеет сборную конструкцию, состоящую из рабочих насадок, имеющих различный шаг нарезки и рабочих смесительных дисков, то объём рабочей полости смешения рассчитывается отдельно для групп насадок с одинаковым шагом нарезки и отдельно для смесительных дисков, а затем результат суммируется и удваивается.

Расчёт среднего времени нахождения смеси в полости смешения производится с учётом качества смеси, смешивающей способности червяка и частоты вращения червяков. Расчёт суммарного среднего коэффициента заполнения полости смешения при использовании в сборной конструкции червяков различной конфигурации дисков ведётся раздельно по нарезной и дисковой зонам червяка. Потребляемая мощность, кВт, по аналогии с одночервячными машинами, рассчитывается как сумма мощностей, затрачиваемых на отдельных участках червяков:

1) между корпусом и червяками

N. = 2-10~3| 1 + —k^D^i./cosX, (2.8)

360J

где а - 2 arccos A/D - центральный угол, соответствующий зоне перекрытия червяков, град.; А - межосевое расстояние червяков, м; D - наружный диаметр червяков, м; е - ширина вершины витка червяков, м; п - частота вращения червяков, с'; т( =/( gradO1) = r|i gradOj - напряжение сдвига, Па; гц - динамическая вязкость, определяемая по реологической зависимости г|1(У), Пас; у - скорость сдвига, с-1; grad3( =nDn/b} , с-1; 6i - 0,01D - зазор между гребнем червяка и внутренней поверхностью цилиндра, м; X. - угол подъёма винтовой линии нарезки червяков, град (X = 5° - при однозаходной нарезке червяков);

2) в зазорах между боковыми поверхностями червяков

Л^2 = 3,3-10”57гО3 sin(a/2)[l-cos(a/2)]wT2/cosX , (2.9)

где т2 = /(grad32) = r|2gradO2, Па; grad$2 = 2л?>и/52ср , с1; 62ср = = (§]+/- 2е)/2, м; t - шаг нарезки червяков, м;

3) в зазоре между вершиной и впадиной витков

N3 =5,4-10-7 7r2wer>cpa(D-6/BH)T3/eosX, (2.10)

где т3 =XgradS3) = r|3grad33, Па; gradO3 = 2лГ>и/53ср , с’1; 53ср = = (51 + 52)/2, м; 52 - & /вн ч, м; Dcp, dm - соответственно средний и 2cos(a/2)

внутренний диаметры нарезки червяков, м;

4) между кулачками одной пары и корпусом

А4 = 2,75-10-7 Tt2Dcp Лпекат4пк , (2.11)

где т4 =Х grad34 ) = r|4grad34 , Па; grad34 = 2nDnl§4 , с-1; 54 = 0,01Е>, м; ек - ширина вершины кулачка, м; пк - число пар кулачков; А = 0,866?>, м;

5) на выдавливание материала в зонах обратных витков и формующей головки

N5 = 2,75-10-7Др(р2-d^nD^nta , (2.12)

где Др — перепад давлений по длине рабочих органов, Па.

Конструкции основных узлов и деталей смесителя типа СН и других конструкций смесителей непрерывного действия приведены в[19-21].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >