Корпус гильзы является одной из основных сборочных единиц пресса, в котором происходят основные процессы переработки материала, измельчения полимера. Бункер предназначен для непрерывной подачи гранулированного материала в загрузочную воронку пресса. Для прекращения подачи гранул в пресс нижняя часть бункера оснащена заслонкой. Для выгрузки полимера имеется горловина с пробкой.
Качество получаемой пленки и производительность установки для её производства во многом определяются конструкцией формующей головки. Именно от головки зависит размерная точность пленки, её физико-механические показатели, а также качество подготовки расплава и работа экструдера в целом. Поэтому к конструкции и качеству головки предъявляются следующие требования:
Гидравлическое сопротивление формующей головки должно обеспечивать оптимальную производительность экструдера и гомогенность расплава при его подготовке в экструдере.
Формующие каналы головки должны обеспечить равномерный выход расплава по периметру формующей щели по толщине, температуре и скорости. При этом факторы, определяющие так называемую память расплава, а именно разность величины и скоростей деформации по периметру, должны быть сведены к минимуму.
Каналы головки при формировании заготовки не должны иметь застойных зон, так как материал, долго находящийся при высокой температуре в головке, начинает разлагаться.
При заданной производительности скорости экструзии в каналах головки не должны превышать критические для сохранения качественной поверхности экструдируемого расплава на выходе из головки (поверхность экструдата должна быть гладкой).
Конструкция головки должна быть легко разборной и обеспечивать заданную точность размеров каналов во всех сечениях при заданных давлениях и температурах. Эти требования вызваны необходимостью частой чистки головки, которую осуществляют как при переходе с одного материала на другой, так и при образовании налета разложившегося полимера при длительной работе на одном материале.
Поверхности контакта головки с расплавом должны быть устойчивы против коррозии и иметь незначительную шероховатость, которая уменьшает вероятность образования налета на стенках каналов головки. Это увеличивает срок службы головки и повышает размерную точность.
Обогрев (охлаждение) головки должен обеспечивать равномерное температурное поле по периметру. Следует учитывать, что неравномерное температурное поле окружающей среды вызывает отклонение геометрических размеров и физико-механических свойств заготовки по её периметру (например, в случае применения угловой головки с червячным прессом и фильтром тепловой поток со стороны обогрева фильтра вызывает изменение температуры корпуса головки при работе в адиабатическом режиме.) При конструировании головок с охлаждением или термостатированием формующей щели температура носителя на входе в каналы не должна превышать температуру на выходе более чем на 10-20. °С, что достигается увеличением расхода теплоносителя.
В качестве основных технологических параметров процесса экструзии приняты следующие:
- распределение температур по зонам цилиндра и головки экструдера;
- частота вращения червяка;
- объемная или массовая производительность;
- перепад давления в головке, совпадающий по величине с давлением материала на выходе цилиндра экструдера;
- мощность, потребляемая вращающимся червяком экструдера.
Согласно ассортименту продукции, для выполнения годовой программы изделия рассчитываем количество экструдеров с учетом эффективного времени работы оборудования (Тэф) и производим проектный расчет экструдера.
Эффективное время работы оборудования рассчитываем по формуле:
Тэф = (Тном - Тппр - Ттехн),
где Тном - номинальный фонд рабочего времени;
Тном = Ткал - (Тпразд * 24);
Ткал = 8640 ч; Тпразд = 8;
Тном = 8448 ч;
Тппр - время простоя оборудования в планово-предупредительных ремонтах в течение года, ч/год;
Тппр = Тгод рем.кап + Тгод рем. тек;
где Тгод рем. кап - среднегодовое время простоя оборудования в капитальном ремонте,
Тгод рем. кап = tкап/N;
где N - число лет в межремонтном цикле,
N = Ткап/Ткал;
где Ткап - межремонтный пробег в капитальном ремонте, Ткап =32400ч;
N = 4 года;
tкап - время на капитальный ремонт, tкап = 480 ч,
Тгод рем. кап = 120 ч;
Трем.тек. - среднегодовое время простоя в текущих ремонтах;
Тгод. рем. тек. = (tтск * nтск)/N;
где tтек - время на текущий ремонт, tтек = 104 ч;
nтек - количество текущих ремонтов в межремонтном цикле;
nтек = 14;
Тгод. рем. тек. = 364 ч;
Тппр = 484 ч;
Ттехн = Тном * q;
где q - коэффициент затрат на наладку и пуск оборудования, q = 0,01;
Ттехн = 84 ч;
Тэф = 8448 - 484 - 84 = 7880 ч.
В проектируемом цехе принимается трехсменный режим работы оборудования без остановок на выходные дни.
Количество основного оборудования (экструдеров), необходимого для выполнения годового плана производства вторичного гранулированного полиэтилена, определяем по формуле:
Nэкстр. = Q/(q*Tэф),
где Q - производительность, т/год, q - производительность экструдера, кг/час,
Nэкстр. = ? 1.
Таким образом, для производства вторичного гранулированного полиэтилена устанавливаем 1 экструдер типа ЧП 160x25.
Выбор типа червяка и расчет его геометрических характеристик
Согласно [2, табл. 12.3] для переработки ПЭВД зададимся значением среднего градиента скорости с-1. Определим значения параметра:
м3. (1)
Согласно рассчитанному значению V/, из номограммы [2, рис. 12.4] определим ориентировочный диаметр для быстроходной машины Dор = 150 мм.
Окончательно принимаем ближайшее стандартное значение диаметра: D = 160 мм.
Определим глубину нарезки червяка в зоне дозирования:
м. (2)
Вычислим число оборотов червяка:
с-1. (3)
По рассчитанным значениям D и n из [2, табл. 12.5] выбираем модель машины ЧП 160?25, имеющую следующие технические характеристики: D = 160 мм; L/D = 25; nmax = 3 c-1; Nэ = 125 кВт.
Согласно [2, табл. 12.4] принимаем тип червяка 4А с соотношением h1/h3 = 4. При этом глубина нарезки в зоне загрузки будет h1 = 4*3 = 12 мм.
По [2, табл. 12.1] для червяка типа 4А принимаем:
Lоб = 22,5*D = 3600 мм;
L2 = 1*D = 160 мм;
L3 = 12*D = 1920 мм;
L = 22*D = 20*160 = 3200 мм;
L1 = L - (L2 + L3) = 3200 - (160 + 1920) = 1120 мм.
Принимаем шаг нарезки постоянным t = D = 160 мм; ширину гребня витка e = 0,06*D = 0,06*160 = 9,6 мм; число заходов i = 1.
При принятых параметрах червяка угол подъема нарезки витка составит:
, (4)
Ширина витка по нормали:
мм. (5)
Радиальный зазор между гребнем червяка и цилиндром принимаем д = 0,27 мм. Согласно [2, табл. 12.3] назначаем следующий температурный режим переработки ПЭВД: температура расплава на выходе из зоны дозирования t = 190 0С; температура в формующей головке tг = 190 0С; температура загружаемого сырья t1 = 60 0C; температура цилиндра в зоне загрузки tц1 = 95 0С; температура цилиндра в зоне плавления tц2 = 240 0С.
Расчет гидравлического сопротивления головки
Для расчета сопротивления канал спроектированной трубной головки разбиваем на отдельные участки простейшей геометрической формы, опуская мелкие элементы.
Расчетная схема после подобного преобразования приведена на рис. 5.
Рис. 5. Расчетная схема канала трубной головки.
Общее число расчетных участков примем 14. Для удобства проведения расчета сгруппируем участки по общности геометрических признаков каналов: кольцевой канал - участки 0 - 1, 2 - 3, 5 - 6, 9 - 10; кольцевой канал переменного сечения с путевым расходом, который можно рассматривать как кольцевой канал со средним постоянным сечением - участки 6 - 7, 8/ - 9; решетки с круглыми отверстиями - участки 7/ - 8, 13 - 14; конический кольцевой канал со щелью постоянной высоты - участок 3 - 4; щелевой клиновидный канал - участки 10 - 11; 11 - 12.
Расчет сопротивления головки проведем для трех значений производительности Q1 = 116 кг/ч; Q2 = 100 кг/ч; Q3 = 50 кг/ч.
Объемная производительность по расплаву полиэтилена при температуре 190 0С:
м3/с, (6)
где с = 793 кг/м3 - плотность расплава при t = 190 0С по [2, рис. 12.12].
Соответственно Q2 = 100 кг/ч, V2 = 0,35*10-4 м3/с; Q3 = 50 кг/ч, V3 = 0,17*10-4 м3/с.
Коэффициент геометрической формы К и градиент скорости для кольцевого участка канала 0 - 1 при V1 = 0,4*10-4 м3/с:
Ккол = м3; (7)
53,6 с-1. (8)
Значения R1 = 0,070 м; R2 = 0,064 м и l1 = 0,185 м взяты со схемы канала рис. 6.
По [2, рис. 12.3] при температуре 190 0С находим величины эффективной вязкости расплава в головке мэ = 9,8*102 Па*с.
Потери давления на участке при расходе V1:
Па, (9)
Значения Дpi для остальных кольцевых участков и при других производительностях рассчитывается аналогично.
Коэффициент геометрической формы для круглого цилиндрического отверстия решетки на участке 7/ - 8 и градиент скорости при V1 = 0,4*10-4 м3/с:
м3, (10)
с-1, (11)
где z = 3680 - количество отверстий в решетке; d1 - диаметр отверстия.
Эквивалентная вязкость при с-1 и температуре в головке tг = 190 0С [2, рис. 12.3] Па*с.
Потери давления на участке 7/ - 8 при V1 = 0,4*10-4 м3/с:
Па, (12)
Значения Дpi для других производительностей и на участке 13 - 14 рассчитываются аналогично.
Коэффициент геометрической формы и градиент скорости при V1 = 0,4*10-4 м3/с для конического кольцевого участка канала 1 - 2:
м3, (13)
где
мм, (14)
мм, (15)
мм, (16)
мм, (17)
м-1, (18)
с-1, (19)
Эффективная вязкость при с-1 и tг = 190 0С, мэ = 1,9*103 Па*с.
Потери давления на участке 1 - 2 при V1 = 0,4*10-4 м3/с:
Па.
Аналогичные расчеты Дpi выполняются для остальных конических участков.
Коэффициент геометрической формы и градиент скорости для щелевого клиновидного канала на участке 11 - 12:
м3, (20)
где значения h1 и h2 взяты непосредственно с чертежа схемы канала;
с-1, (21)
где z = 6 - число каналов.
Эффективная вязкость при с-1 и tг = 190 0С равна мэ = 2,6*103 Па*с.
Потери давления на участке 11 - 12 при V1 = 0,4*10-4 м3/с:
Па, (22)
В результате расчетов получены следующие значения общего сопротивления головки Дpг = ?Дpi: Дpг1 = 95*105 при производительности V1 = 0,4*10-4 м3/с; Дpг2 = 90*105 при производительности V2 = 0,35*10-4 м3/с; Дpг3 = 76*105 при производительности V3 = 0,17*10-4 м3/с. Характеристика головки изображена на рис. 6.
Рис. 6. Совмещенная характеристика червячного пресса и головки.
1 - изменение сопротивления головки от производительности; 2 - 4 - производительность червячной машины при различных частотах вращения.
Расчет производительности червячного пресса
Для построения рабочих характеристик червяка расчет производительностей проведен при четырех значениях частоты его вращения (n1 = 1,42 c-1, n2 = 1,34 c-1, n3 = 1,17 c-1, n4 = 1 c-1) и трех перепадах давления (Дp = 15*106 Па, Дp = 10*106 Па, Дp = 5*106 Па).
Для последующего расчета производительности, предварительно определим значения коэффициентов vв, Кр и Кз - соответственно:
м3, (23)
м3, (24)
м3, (25)
Коэффициенты фактора формы для расчета vв и Кр находим из уравнений:
;
.
Уравнение производительности примет вид:
, (26)
Эффективная вязкость расплава в канале червяка определяется при средней температуре в зоне дозирования: