Червячный пресс

Червячные прессы – это экструдеры, используемые для переработки реактопластов. Они характеризуются высокой эффективностью, работают в непрерывном режиме, являются основным типом оборудования при производстве резиновых изделий различного профиля, гранулирования каучуков и резиновых смесей, отжимания влаги из каучука, пластикации натуральных каучуков.

Исходным сырьем является резиновая смесь, которую шнек продавливает через формующую фильеру. В результате можно получить изделие бесконечной длины с заданным сечением профиля. Сечение профиля определяется формой экструзионной головки.

С помощью шприц-машины можно изготавливать ленты, шнуры, протекторы для шин, шланги различного диаметра, пластины и полосы поперечного сечения. Возможность получить заготовку с большим параметром длины относительно диаметра – одно из главных преимуществ червячного пресса перед любыми другими видами оборудования для производства РТИ.

Принцип работы червячного пресса

Принцип работы червячного пресса основан на методе экструзии. Под экструзией понимается процесс продавливания материала при помощи шнекового транспортера через фильеру с определенным сечением. Процесс экструзии непрерывен, что позволяет получать готовые изделия или заготовки неограниченной длины. Потери материала при производстве РТИ минимальны.

Исходный материал для обработки на шприц-машинах может поставляться в виде полос, гранул, кусков. Самый распространенный вид сырья для теплого питания червячного пресса – зигзагообразная или прямая лента, срезанная с вальцевых валков, для холодного питания – лента в рулоне.

Через загрузочную воронку материал подается к вращающемуся червяку, цепляется за спиральную нарезку и транспортируется вдоль цилиндра от зоны загрузки к зоне формования, где расположена профильная головка. В процессе движения материал проходит через четыре условные зоны рабочего цилиндра: загрузочную, зону пластикации, дозирующую и формующую.

Зоны цилиндра

В зоне загрузки происходит приемка материала в непрерывном режиме. За счет этого на выходе можно получить изделие заданной или бесконечной длины. Лента подхватывается шнеком, попадая в пространство между завитками шнека.

В зоне пластификации под действием вращающегося шнека происходит трансформация механической энергии в тепловую, что приводит к нагреву материала и его размягчению. Одновременно осуществляется деформирование материала и его перемешивание. Этому способствует винтовая нарезка червяка. Материал преодолевает сопротивление головки, цепляется при перемещении за поверхность червяка и цилиндра, за счет чего создается сложное движение. Возникают постоянно меняющиеся деформации сдвига и сжатия, которые приникают вглубь материала. Под действием возникших деформаций, завихрений и обратных потоков отдельные смежные участки смеси перемещаются относительно друг друга, изменяя структуру и физическое состояние материала.

В зоне дозирования материал гомогенизируется и переходит в вязкотекучее состояние. Винтовой червяк работает на этом участке как насос, продавливая расплав в четвертую зону – к фильере. Материал здесь доводится до такого состояния, чтобы его можно было с минимальными усилиями формовать.

Формующая фильера расположена в четвертой зоне. Она непосредственно формирует профиль будущего изделия. Здесь материал подвергается еще большему уплотнению и под действием давления, создаваемого шнеком, распределяется по всему объему профилирующего зазора. Далее сильно сжатая смесь продавливается через зазор, приобретая заданную форму. Чем меньше сечение зазора, тем выше давление смеси. Чтобы сырье дошло до зоны формования в требуемом вязкотекучем состоянии, необходимо достичь высокого коэффициента трения между материалом и цилиндром при минимальном взаимодействии с поверхностью червяка. В противном случае материал начинает вращаться вместе с червяком, образует пробку, не разогреваясь и не перемешиваясь.

Особенности процесса переработки

Достичь требуемых величин коэффициента трения можно за счет подбора соответствующей геометрии нарезки шнека, типа обработки поверхностей цилиндра и червяка. Также имеет значение форма загрузочного отверстия в цилиндре.

Четкие границы имеет только зона формования, обозначенная экструзионной фильерой. Деление остальных трех зон достаточно условно. Длина каждой из этих зон обусловлена состоянием исходного сырья и технологических особенностей самого оборудования. Если машина работает с приемкой заранее разогретого сырья, преобладающей будет зона формования, прохождение оставшихся трех зон займет минимум времени в технологическом цикле. В таких машинах длина шнека не превышает пяти диаметров. При питании агрегата холодным материалом цикл увеличится за счет необходимости доведения материала до вязкотекучего состояния. В этом случае необходимо использовать более длинный шнек – до двадцати диаметров. При измерении длины шнека имеется в виду длина его винтовой части, а не общая длина.

Важно учитывать, что степень разогрева смеси и давление в цилиндре зависят от длины нарезки червяка и создаваемой им степени сжатия материала. При сильном нагреве смеси возможна преждевременная вулканизация, чего необходимо избегать. Для этого цилиндр машины охлаждают водой. Чем более переменно сечение шнека, тем выше силы трения, разогревающие материал. Соответственно, образуется избыток тепловой энергии, который необходимо отводить мощной системой охлаждения. Потому важно четко контролировать основные характеристики шнека в зависимости от типа используемого сырья.

Классификация червячных прессов

Шприц-машины применяются, преимущественно, при переработке реактопластов. Принцип их действия схож с работой машин для переработки термопластов. Наибольшей популярностью при работе с резиновой смесью пользуются одношнековые червячные машины. Для переработки жестких каучуков и резиновых смесей на их основе могут применяться червячные прессы с двумя червяками. Они имеют более сложную конструкцию, оттого требуют иного объема обслуживания.

Помимо количества шнеков шприц-машины отличаются по типу исполнения шнекового пластикатора. Они бывают:

• горизонтальными;

• вертикальными;

• наклонными.

По технологическому назначению шприц-машины делятся на:

• профилирующие (формуют изделия заданного сечения);

• пластицирующие (осуществляют пластикацию натурального каучука);

• стрейнирующие (обеспечивают удаление посторонних примесей из резиновых смесей);

• гранулирующие (применяются для грануляции каучуков и резиновых смесей).

Отдельно стоит выделить обкладывающие машины, в которых первоначальная заготовка, например кабель, обкладывается резиновой смесью.

По типу питания червячные прессы делятся на два вида:

• машины с теплым питанием;

• машины с холодным питанием.

Тип исполнения

Вертикальное исполнение предполагает движение червяка в вертикальном направлении. При этом обеспечивается дополнительное предварительно уплотнение смеси, например, при помощи конического цилиндра. Предварительное уплотнение особенно важно при переработке волокнистых материалов по причине их изначальной небольшой насыпной плотности и сыпучести. Такие машины применяются нечасто, поскольку они сложны в обслуживании и требуют использования дополнительных загрузочных устройств при подаче сырья.

В горизонтальном исполнении материал захватывается шнеком, проходит все рабочие зоны цилиндра и скапливается в передней его части перед формующей головкой. Шнек приводится в движение от редуктора через шлицевое соединение. Данный тип оборудования применяется для большинства типов сырья при изготовлении РТИ.

Технологическое назначение

Формующие (профилирующие) машины, как правило, называются шприц-машинами, пластицирующие – пластикаторами, стрейнирующие – стрейнерами, гранулирующие - грануяторами. Но классификация по данному признаку достаточно условна. При замене головки или червяка обычную шприц-машину можно легко приспособить для выполнения других производственных операций.

Тип питания

Машины могут иметь два типа питания: теплое и холодное. Для машин с теплым питанием материал подается в зону загрузки уже частично разогретым. Температура резиновых смесей должна быть не ниже 50⁰С, а в отдельных случаях от 80⁰С до 200⁰С. Повышенная температура необходима, когда подача смеси осуществляется из резиносмесителей.

Для машин с холодным питанием материал, попадающий в зону загрузке, должен иметь температуру не ниже 15⁰С. В момент продавливания через профилирующую головку его температура должна составлять 60⁰С и более.

Машины холодного питания постепенно вытесняют с рынка агрегаты, работающие с подогретым сырьем по причине более качественного производства изделий. Загруженная в холодном виде резина имеет более однородную температуру во всей массе, чем материал, разогретый на вальцах. Сырье прогревается равномерно до достижения требуемой степени вязкости. В результате проще контролировать параметры изделия на выходе, его геометрические размеры. Кроме того, агрегаты с холодным питанием более просты в монтаже и обслуживании, рационально используют производственную площадь. Машина такого типа может быть установлена отдельно от вальцов, что также позволяет оптимально использовать свободную площадь цеха.

Отдельно стоит выделить червячные прессы холодного питания с вакуумированием. Такие агрегаты используются для переработки сырья той же температуры, что и обычные холодные шприц-машины: 15⁰С на загрузке, 60⁰С в зоне формования.

Устройство шприц-машины

К основным узлам шприц-машины относятся:

• станина;

• воронка загрузочная;

• цилиндр;

• червяк;

• формующая головка;

• электродвигатель;

• система охлаждения;

• передача.

Шнек

Шнек – основной рабочий узел шприц-машины. Его главными характеристиками являются диаметр, длина, шаг нарезки. Каждый из этих параметр влияет на степень сжатия, коэффициент трения, степень пластификации и гомогенизации исходного сырья.

Шнек состоит из двух частей: нарезной (рабочей) и хвостовой (опорной). Для переработки реактопластов наиболее часто используются шнеки двух видов: с постоянным или уменьшающимся объемом межвиткового пространства. Коэффициент уменьшения может составлять 0,8 - 0,9. Шаг нарезки шнека в большинстве случаев равен диаметру. Глубина нарезки зависит от типа перерабатываемого материала. Для порошков она равна 0,09…0,13 D, для волокнистых материалов 0,14…0,2 D.

По конструкции шнеки могут быть цилиндрическими, конусными и комбинированными. При этом они имеют одно-, двух- или трехзаходную резьбу. Также встречаются комбинированные модели.

Отличительной особенностью шнеков для переработки реактопластов (в сравнении с агрегатами для термопластов) является уменьшенная длина. При переработке резиновых смесей под действием возникающей в цилиндре силы трения выделяется значительное количество тепла. При чрезмерно длинном шнеке запустится процесс преждевременной вулканизации. Шнек для машин с теплой приемкой делают с соотношением длины к диаметру менее 12, для машин с теплой приемкой – более 12.

Формующая головка

Вторым важным рабочим узлом любой шприц-машины является формующая головка. Она установлена в конце экструдера и необходима для формования профильного изделия при прохождении через нее потока расплава полимера. По типу готовых изделий фильеры делятся на кольцевые, плоскощелевые, круглые, профильные. Кольцевые фильеры используют для производства шлангов, трубок, труб, для нанесения изоляции на провода. При работе с плоскощелевой головкой можно получить плоские изделия, например, листы или пленку. На круглых головках можно получить прутки и волокна заданного диаметра. Профильные головки формуют изделия любых иных форм.

При идеальных условиях производства форма и размер готового изделия должны четко соответствовать форме и размеру отверстия формующей головки. Однако на практике достичь этого довольно сложно. На конечный результат оказывают влияния различные факторы, в том числе, температура смеси на выходе, сохранения постоянных условий обработки. Для разных типов резинового сырья температура в зоне формования также отличается. Например, для силиконовых резин оптимальной считается температура нагрева до 20⁰С – 30⁰С. Чаще оптимальную температуру обработки подбирают на практике, после чего придерживают ее в одном значении с максимальным отклонением ±3°С.

Прочие элементы конструкции

Станина машины – это ее основание, на котором крепятся все основные узлы. Она подвергается серьезным нагрузкам, потому изготавливается из прочной легированной стали. На ней установлен привод, который приводит в движение динамичные узлы машины. Цилиндр – важный элемент конструкции. В нем установлен шнек. Подача сырья осуществляется через загрузочную воронку. Метод подачи сырья зависит от того, машина теплого или холодного питания используется на производстве.