Производство одноразовой посуды экструзионным процессом (стр. 2 из 11)

2.1.1.2 Привод экструдера

Задачей привода является вращение шнека с заданной частотой вращения (скоростью) и обеспечение постоянства частоты вращения. Неустойчивость частоты вращения шнека вызывают неустойчивость производительности экструдера, и, следовательно, колебания геометрических размеров изделия (экструдата). Также важным требованием к приводу является возможность регулировать частоту вращения в широком диапазоне. В большинстве случаев конструктору следует продумать возможность плавного регулирования частоты вращения привода шнека — от нулевой до максимальной. Среди многообразия применяемых конструкций приводов основными можно считать следующие:

•электропривод переменного тока;

•электропривод постоянного тока;

•гидравлический привод.

Привод с регулировкой частоты

В приводе с регулировкой частоты используется двигатель переменного тока, соединенный с электронным блоком питания, способным подавать переменный ток регулируемой частоты. Такой тип двигателя обладает рядом преимуществ: простотой и компактностью конструкции, отсутствием контактов и щеток, выносливостью, а также низкими ценой и эксплуатационными расходами. Стоимость такого привода в основном определяется стоимостью источника питания, который преобразует входной переменный ток в выходной с требуемыми значениями напряжения и частоты. В данном случае вся энергия проходит через два устройства, в отличие от тиристорной системы постоянного тока, в которой имеется только один контур преобразования. Именно поэтому стоимость привода с регулированием частоты оказывается выше стоимости привода на постоянном токе, даже не смотря на то, что мотор постоянного тока стоит дороже, чем мотор переменного тока.

В качестве блока питания для описываемой системы обычно применяют шестиступенчатую систему инвертора переменного напряжения, которая представлена на рис. 2.

Входное трехфазное переменное напряжение выпрямляется и сглаживается для получения регулируемого постоянного напряжения, которое затем попеременно подается в три выходные цепи тиристорными переключателями, управляемым электронной схемой.

Для обеспечения постоянства крутящего момента на валу двигателя при изменении частоты вращения отношение напряжения к частоте следует поддерживать постоянным. Можно получить практически любую характеристику скорость—момент вращения, регулируя отношение частоты и напряжения питания подаваемого на двигатель. Однако ограничения применяемого преобразователя не позволяют получить устройство с регулированием частоты с максимальной мощностью более 300 л. с. Увеличения максимальной скорости можно добиться использованием более эффективного преобразователя.

Рис.2. Шестиступенчатая схема инвертора.

2.1.1.3 Редуктор

Основным назначением редуктора является согласование высокой скорости вращения электрических двигателей с низкими скоростями вращения шнека. Типичные коэффициенты редукции составляют от 15:1 к 20:1. Наиболее часто применяют зубчатый редуктор, при этом обычно он имеет две ступени понижения.

2.1.1.4 Цилиндр и загрузочное отверстие

Цилиндр — это чехол, окружающий шнек экструдера. Загрузочное отверстие — это та часть экструдера, через которую материал вводится в канал шнека; оно находится около первых нескольких витков шнека. Некоторые экструдеры не имеют отдельного загрузочного отверстия, на таких машинах загрузочная часть интегрирована в цилиндр. Для предотвращения преждевременного нагрева полимерного материала входное отверстие часто обеспечивают водяным охлаждением. Если температура полимера при загрузке поднимется слишком высоко, он может прилипнуть к входному отверстию, уменьшив его проходимость. Налипание материала на поверхность шнека также создает проблемы при перемещении твердой массы, поскольку налипший полимер сам не движется в нужном направлении и сужает канал, доступный для продвижения остальных гранул.

В месте контакта загрузочной системы и цилиндра экструдера необходима установка защитного теплового барьера для предотвращения выхода тепла из рабочего объема в загрузочную зону. Если загрузочная система интегрирована в рабочий объем экструдера, это оказывается невозможным. В таком случае будут возникать потери тепла и перегрев загрузочного бункера. Геометрия загрузочного отверстия должна обеспечивать прохождение материала при минимальном сопротивлении. Разрез некоторых типов загрузочных отверстий представлен на рис. 3.

На рис. 3, апоказаны стандартная конструкция загрузочного отверстия, а на рис. 3, b— тип расширенного загрузочного отверстия, который часто применяют на экструдерах с загрузкой расплава Улучшенный вариант конструкции загрузочного отверстия представлен на рис. 3, с.

Форма входного отверстия обычно делается круглой или квадратной. Форма загрузочного бункера должна соответствовать форме загрузочного отверстия для обеспечения беспрепятственного движения полимера.

Рис. 3. Возможные типы загрузочных отверстий.

Ниже приведен перечень важнейших требований к загрузочному устройству:

•надежное охлаждение зоны загрузки;

•надежная теплоизоляция загрузочной области от последующих зон экструдера;

•способность развивать высокие давления.

Цилиндр экструдера представляет собой простой фланцованный цилиндр, который должен выдерживать относительно высокие давления (не менее 70 МПа), при этом максимально сохраняя свою форму, то есть не испытывая деформаций изгиба. Для увеличения срока службы внутреннюю поверхность большинства цилиндров делают износостойкими. Наиболее распространенными технологиями придания износостойкости являются поверхностная закалка (азотирование) и покрытие специальным сплавом. Сравнительное исследование износостойкости показало, что по стойкости биметаллическая втулка превосходит нитридное покрытие, а срок службы биметаллического покрытия превосходит время службы нитридного покрытия в 4-8 раз при равных условиях эксплуатации. Еще одним недостатком нитридного покрытия является относительно малая толщина твердой нитридной зоны. Как только эта зона истирается, следующие слои рабочего объема подвергаются быстрому износу, поскольку диффузная зона обладает гораздо меньшей твердостью.

2.1.1.5 Загрузочный бункер

Загрузочный бункер — это та часть экструзионного агрегата, из которой гранулированный материал поступает непосредственно в экструдер. В большинстве случаев гранулированный материал просто проваливается в экструдер под действием собственной тяжести, но существуют материалы, для которых такой способ подачи, к сожалению, оказывается невозможен. Некоторые материалы очень плохо пересыпаются, и в таком случае необходимо применение дополнительных устройств для обеспечения постоянной подачи материала в экструдер. Иногда таким устройством может выступать вибратор, присоединенный к загрузочному бункеру. При этом зависание материала прекращается сразу после возникновения пробки. В некоторых случаях применяются различные устройства, предназначенные для смешения материала в загрузочном бункере для предотвращения его сегрегации и/или соскребания материала, прилипшего к стенкам загрузочного бункера. Для достижения равномерной подачи полимера из бункера необходимо обеспечить постепенное увеличение сжатия по направлению к загрузочному отверстию, при этом оптимальной является коническая конструкция загрузочного бункера с круглым сечением. К сожалению, производители экструдеров обычно делают загрузочные бункеры с квадратным сечением и резким сужением у загрузочного отверстия — такая конструкция легче в производстве.

Рис. 4. Конструкции загрузочных бункеров.

Для конструкции загрузочного бункера важным параметром сыпучести материала является угол внутреннего трения. Угол между внешней стенкой загрузочного бункера и горизонталью должен быть больше угла внутреннего трения. Если материал обладает очень большим углом внутреннего трения, он будет зависать в бункере практически любой конструкции. В этом случае единственным выходом станет применение специальных проталкивающих устройств.

2.1.1.6 Шнек

Шнек – это особенный, наиболее важный механический элемент экструдера. Шнек является его «сердцем». Можно сказать, что вокруг шнека все вращается как в прямом, так и в переносном смысле. Вращение шнека обеспечивает как поступательное перемещение материала, так и его разогрев и гомогенизацию.

Говоря просто, шнек можно представить себе как стержень переменного диаметра, в котором вырезана специальная канавка.

2.1.1.7 Экструзионная головка

Головка является очень важной и ответственной частью экструдера.

Во многих экструдерах между экструзионной головкой и цилиндром устанавливают рассекатель потока. Эта деталь представляет собой металлический диск с большим количеством отверстий, параллельных оси шнека. Рассекатель потока выполняет две основные функции. Во-первых, он останавливает спиральное движение расплава полимера и заставляет расплав двигаться строго поступательно. Если не предотвратить спиральное движение расплава до выхода из фильеры, то получившийся экструдат может иметь искаженную форму. Кроме того, рассекатель потока является несущей деталью специальных фильтров, применяемых для удаления загрязнений из расплава полимера. Иногда основным назначением фильтров является увеличение давления на выходе из фильеры для улучшения качества смешения материала в экструдере. Но необходимость в этом возникает только при использовании шнека неудачной конструкции. Вторым основным назначением рассекателя потока является улучшение теплообмена между расплавом полимера и стенками экструдера, при этом увеличивается гомогенность распределения температуры в расплаве полимера.