Резиносмеситель

Резиносмеситель – это оборудование для смешивания компонентов резиновой смеси. Любая резиновая смесь – это многокомпонентная система, в которой дисперсионной средой являетсякаучук, а дисперсной средой – сера, технический углерод и прочие наполняющие жидкие или сыпучие компоненты.

Резиносмешение – это сложный технологический процесс, приводящий к гомогенизации смеси и равномерному распределению частиц в любой единице объема. Для равномерного распределения компонентов в дисперсионной среде используются резиносмесители различного типа. Эффект перемешивания в них достигается за счет силового воздействия рабочих органов оборудования на материал. В процессе перемешивания смесь и рабочие органы устройства нагреваются, что может привести к подвулканизации. С целью предотвращения данного процесса используется система охлаждения.

В числе первых резиносмесителей можно назвать вальцы. Их используют и в настоящее время, несмотря на появление более высокотехнологичного и производительного оборудования. При смешении на вальцах первоначально обрабатываетсякаучук. Его многократно пропускают в зазор между валками до приобретения материалом пластичного состояния. Когда пластичныйкаучук обволакивает передний валок, в рабочую зону вводят дополнительные компоненты равномерно и по всей длине цилиндра. При прохождении через зазор вальцов введенные компоненты под действием деформации сжатия и сдвига внедряются вкаучук и равномерно распределяются в нем.

Вальцы – система открытого типа. При одновременном добавлении компонентов в сыпучем виде они частично просыпаются, а жидкие - стекают на поддон. Недостатком такого смешения является невозможность соблюсти четкую рецептуру. При последовательном и порционном добавлении компонентов рецептура соблюдается более точно, но увеличивается технологический цикл смешения. Вальцы послужили прототипом для создания более современных и производительных резиносмесителей закрытого типа непрерывного или периодического действия.

Классификация резиносмесителей

• По принципу работы (непрерывного и периодического действия).

• По геометрии.

• По быстроходности (тихоходные и быстроходные).

Резиносмесители непрерывного и периодического действия

По принципу работы различают резиносмесители непрерывного и периодического действия. Устройства периодического действия получили наибольшее распространение в сфере производства. Они имеют высокий показатель производительности, позволяют получить полностью гомогенизированное сырье. Более современным решением является использование для смешивания компонентов аппаратов непрерывного действия.

Резиносмесители периодического действия

Резиносмеситель периодического действия представляет собой камеру, в которую помещают два ротора с противоположным направлением вращения. Камера имеет два окна для загрузки компонентов смеси и для выгрузки готового гомогенного сырья. В процессе смешения окна закрываются специальными механизмами, что предотвращает его выброс во внешнюю среду. Поскольку камера в процессе смешивания компонентов изолирована, роторные устройства периодического действия называют резиносмесителями закрытого типа.

Для обеспечения высокой производительности требуются резиносмесители периодического действия с большим объемом камеры для смешения компонентов. В процессе работы обеспечивается высокая скорость вращения, что приводит к повышению тепловыделения в смесительной камере. При этом отвод тепла затруднен, что вызывает опасность перегрева компонентов резиновой смеси.

Процесс смешивания в резиносмесителях непрерывного действия затруднительно провести в одну стадию. После смешивания материал из камеры вынимается в виде бесформенных глыб, что требует применения дополнительных устройств для предварительной переработки (листования, гранулирования, лентования) резиновой смеси и подготовке к процессу производства готовых изделий.

Все перечисленные моменты описывают недостатки смесителей периодического действия. Однако они позволяют сэкономить до 10-15% энергозатрат в сравнении со смесителями открытого типа (вальцами), но показывают повышенную производительность.

Резиносмесители непрерывного действия

Для аппаратного оснащения процесса смешения компонентов резиновой смеси на более высоком уровне используют устройства непрерывного действия - трансфермиксы. В отличие от оборудования периодического действия, в смесителях непрерывного типа обеспечивается более точная регулировка настроек технологического процесса, повышенная производительность.

В процессе непрерывного смешивания не наблюдается резких перепадов мощности и температуры. Образующуюся в процессе переработки тепловую энергию можно отводить и эффективно использовать для предварительного нагрева компонентов смеси. Это позволяет повысить КПД оборудования, выровнять температурный режим, улучшить качество смешивания и получить смесь с более стабильными свойствами. Дополнительным преимуществом непрерывного смешения является возможность одновременного формования резиновых смесей.

Геометрия роторов

По геометрии роторов резиносмесители делятся на четыре вида:

• овальные;

• трехгранные;

• цилиндрические;

• четырехгранные.

В зависимости от геометрии ротора конструкция может незначительно отличаться. Для оборудования с треугольным ротором корпус закреплен под наклоном к раме, затвор для выгрузочного окна расположен на боковой поверхности рабочей камеры. Наибольшее применение получили роторные резиносмесители переменного действия с овальной геометрией рабочей полости (Бенбери), имеющие стандартную конструкцию рабочих узлов. Также в промышленности применяются трехгранные и четырехгранные смешивающие устройства (Вернер-Пфляйдерер).

Тихоходные и быстроходные

Классификация по быстроходности условна. К тихоходным устройствам относятся резиносмесители с частотой вращения ротора 20-30 об/мин. К быстроходному оборудованию относятся резиносмесители, оснащенные роторами с частотой вращения от 40 об/мин и более. Чем выше скорость вращения ротора, тем более мощные электродвигатели используются, тем выше энергозатраты.

Конструкция резиносмесителя переменного действия

Конструкция роторного резиносмесителя включает следующие узлы:

• станину;

• смесительную камеру (корпус);

• роторы, установленные на подшипниках внутри камеры;

• электродвигатель;

• систему охлаждения;

• контрольно-измерительные приборы.

Станина и корпус

Станина выполняется из углеродистой стали. На ней закреплен корпус, внутри которого расположены роторы и подшипники. В камере предусмотрено два окна: для загрузки и выгрузки компонентов смеси. Верхнее окно с загрузочной воронкой имеет верхний затвор. Внизу камеры расположено окно для выгрузки готовой смеси, закрываемое нижним затвором. Для управления верхним и нижним затворами в конструкции резиносмесителя предусмотрены силовые цилиндры.

Смесительная камера, в который выполняется непосредственный процесс гомогенизации смеси, изготавливается из стали методом литья. Для придания камере требуемой прочности предусмотрены дополнительные внешние ребра жесткости. Внутренняя поверхность камеры упрочняется износостойкой сталью методом наплавки.

Роторы

Роторы резиносмесителя установлены на подшипниках. Они приводятся во вращение электродвигателем через редукторы или блок-редукторы. Роторы представляют собой полые валы с фигурными гребнями. Гребни имеют полуовальную форму поперечного сечения. Они расположены под углом к поверхности цилиндра. Угол меняется от 30 до 45 градусов относительно образующей цилиндра.

В процессе работы роторы подвергаются значительным нагрузкам. Для продления срока службы и предотвращения сильного износа роторы изготавливают методом отливки с последующим упрочнением рабочей части методом наплавки твердых сплавов с высоким содержанием хрома.

После окончания процесса смешения компонентов затвор нижнего окна открывается, гомогенная смесь при помощи вращающихся роторов сбрасывается в приемник.

Привод

Процесс смешения компонентов резиновой смеси достаточно энергоемок. Потому необходимо использовать достаточно мощные электродвигатели. Вся мощность, исключая потери в приводе, используется для приготовления резиновой смеси и трансформируется в тепловую энергию в смесительной камере.

Средняя мощность двигателя резиносмесителя с объемом смесительной камеры 250л составляет 315кВт при частоте вращения ротора 20 об/мин. Для модели смесителя со скоростью вращения ротора 40 об/мин мощность двигателя составляет 800 кВт и более.

Система охлаждения

Корпус резиносмесителя охлаждается водой при помощи коллектора. Это необходимо для поддержания заданного температурного режима. Система охлаждения затрагивает смесительную камеру, роторы, верхний и нижний затворы.

Охлаждающая вода наиболее часто подается открытым способом путем опрыскивания. Разбрызгиватели смонтированы снаружи рабочей камеры и защищены специальным кожухом. Слив использованной воды осуществляется через коллекторы. Открытым способом охлаждается корпус и роторы. В верхних и нижних затворах предусмотрена закрытая система охлаждения - специальные полости, по которым циркулирует охлаждающий агент.

Контрольно-измерительные приборы

Для контроля и управления процессом на резиносмесителях устанавливаются контрольно-измерительные и регулирующие приборы. Они контролируют подачу и отвод охлаждающей жидкости, подачу воздуха или гидравлики к затворам, управляют приводом и прочими рабочими узлами резиносмесителя.

Принцип работы резиносмесителя

Принцип работы зависит от типа резиносмесителя. Независимо от этого в рабочей полости резиносмесителя должны создаваться условия для нагрева, создания сдвиговых деформаций и, как следствие, смешивания компонентов в гомогенную массу с одинаковым содержанием добавок в любом произвольно взятом объеме смеси.

Работа смесителя периодического действия

В роторные смесители исходные компоненты загружают через верхнее загрузочной окно камеры. Закрытая система предотвращает самопроизвольный выход горячей полимерной массы из рабочей зоны. Процесс смешивания компонентов протекает не только в пространстве между вращающимися роторами, но и во всем объеме рабочей камеры.

В загрузочной зоне предусмотрены отдельные патрубки для загрузки жидких и сухих компонентов. Это предотвращает залипание просвета патрубков и попадание ингредиентов смеси в рабочую полость в полном объеме. Компоненты в виде гранул, кусков загружают непосредственно через загрузочную воронку. После загрузки всех компонентов срабатывает затвор, предотвращающий обратный выброс смеси во внешнюю среду. После этого в работу включается привод, шток которого соединен с затвором загрузочной камеры. Затвор опускается и создает определенное силовое воздействие на смесь, за счет которого происходит сцепление смеси с поверхностью роторов. До этого момента компоненты смеси заполняют не только рабочую камеру, но и часть горловины.

По мере перемешивания объем смеси уменьшается, она полностью заполняет только объем рабочей камеры. Отношение объема смешиваемой массы к свободному объему рабочей камеры называется коэффициентом загрузки. Его среднее значение составляет 0,6 - 0,7. Следует избегать перегрузки камеры и стремиться к заполнению свободного объема массой в конце смешивания на 60-70%. Недогрузка материала также негативно влияет на технологический процесс, удлиняя его за счет периодического проскальзывания смешиваемого сырья и увеличения времени его гомогенизации.

Вращающимися навстречу друг другу роторами смесь подхватывается и вовлекается в движение, подвергаясь деформациям сжатия, растяжения и сдвига в зазоре между гребнями роторов и стенками камеры, между поверхностью роторов и стенками камеры, между роторами и затворами. Деформации сдвига являются преобладающими в данном процессе.

Роторы вращаются с разной частотой, за счет чего постоянно изменяется геометрия рабочего пространства внутри камеры. Компоненты смеси вынуждены совершать сложные движения, постоянно перемещаясь по камеру из одной половины в другую – поперечное перемещение. За счет гребней дополнительно создается продольное перемещение смеси относительно стенок камеры. Так реализуется интенсивное перемешивание материала. Средняя продолжительность цикла составляет несколько минут.

Работа смесителя непрерывного действия

Смесители непрерывного действия типа «Трансфермикс» по конструкции схожи с машинами червячного типа с одним или несколькими червяками. Отличительная особенность в наличии двух элементов, расположенных друг в друге – цилиндр (корпуса) и червяк (шнека). На одном из элементов (цилиндр) спиральная резьба нанесена на внутренней рабочей поверхности, на втором (червяк) – на наружной поверхности. Направление каждой винтовой резьбы противоположно направлению другой.

Деформация и последующая гомогенизация компонентов осуществляется при помощи этих двух элементов. Резьба нанесена с переменным шагом, витки нарезки одного червяка входят в соответствующее рабочее пространство другого червяка (для исполнения смесителя по типу «Трансфермикс»). Масса непрерывно находится в движении, перемещаясь из межвинтовых каналов червяка к цилиндру и обратно. При этом на червяках имеются зоны обратной нарезки, которые затормаживают движение смеси к зоне загрузки и, как следствие, увеличивают деформации сдвига.

Резиносмесители типа «Трансфермикс» устанавливаются в одной технологической линии со смесителями периодического действия или смесителями типа Бернли. Они используются для завершения процесса смешивания и формования сырья.

Подача сырья в червячную машину осуществляется в непрерывном режиме. В полости цилиндра он подвергается нагреву и пластикации, перемешивается и в гомогенном состоянии выдавливается через профилирующую головку. В процессе смешивания на материал действуют деформации сдвига, сжатия и растяжения по аналогии с процессами, протекающими в смесителях периодического действия.