Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин - часть 1

ВВЕДЕНИЕ 

 

  

В условиях рыночной экономики предприятие по переработке полимерных материалов сможет 

оставаться  конкурентоспособным  лишь  в  том  случае,  если  будет использовать  современную  тех-
нологию производства, прогрессивное оборудование и затрачивать на производство минимальное 
количество энергоресурсов.  

Перевооружение  производства  предусматривает  привлечение  существенных  инвестиций.  Бо-

лее целесообразным, по нашему мнению, в сложившихся экономических условиях будет модерни-
зация существующего оборудования путем замены его основных рабочих узлов и деталей на но-
вые, спроектированные на основе современных методов расчета, учитывающих качество конечно-
го продукта. 

В общем объеме производства изделий из полимерных материалов значительная доля приходится на 

длинномерные (погонажные) изделия,  массовое производство которых (трубы, пленки) предусматривает 
повышенные требования к их качеству. 

Длинномерные изделия из полимерных материалов получают методом экструзии, причем, при 

производстве резинотехнических изделий (РТИ) добавляется стадия вулканизации изделий в вул-
канизационных котлах, расплавах солей и т.д. 

Следует отметить, что существующие математические модели процесса экструзии пластмасс и 

резиновых смесей, а также расчета оборудования не учитывают качество продукта при экструзии и 
процесс подвулканизации при переработке резиновых смесей. 

В  монографии  представлены  новые  методы  расчета,  приведены  алгоритмы  и  программное 

обеспечение, позволяющие производить автоматизированное проектирование шнекового оборудо-
вания. С их помощью можно рассчитать оптимальные технологические параметры процесса и кон-
структивные параметры оборудования при условии минимизации энергозатрат и получении каче-
ственного экструдата с ограничением на прочность материала (жесткость, устойчивость конструк-
ции) шнека. 

Разработанные авторами методики базируются на теоретических и экспериментальных иссле-

дованиях  процесса  экструзии  полимерных  материалов  в  одношнековых  машинах  и  смешения  и 
диспергирования высоковязких полимерных композиций в двухшнековых экструдерах.  

1. ОСОБЕННОСТИ ШНЕКОВЫХ МАШИН ДЛЯ 

ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС И 

ВЫСОКОВЯЗКИХ КОМПОЗИЦИЙ 

 

 

1.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ШНЕКОВЫХ МАШИН 

 

Основным оборудованием для переработки полимерных материалов методом экструзии являют-

ся одно- и многошнековые машины.  

В  настоящее  время  в  промышленности  наиболее  широкое  применение  получили  одношнеко-

вые прессы, в качестве определяющих параметров которых принимаются диаметр шнека – D и от-
ношение длины рабочей части шнека к его диаметру – L/D.  

Модели  отечественных  одношнековых  прессов  универсального  назначения  для  переработки 

термопластов изготавливаются с отношением длины рабочей части шнека к диаметру L/D равным 
20, 25 и 30. Для специальных шнековых машин отношение L/D может быть увеличено до 35 или 
40. Наибольшее распространение получили машины с отношением L/D равным 20 и 25, однако в 
последнее время намечается тенденция к увеличению отношения L/D до 30…35, что в совокупно-
сти  с  увеличением  угловой  скорости  шнека  приводит  к  существенному  повышению  производи-
тельности шнековых машин (прессов).  

Преимуществом  длинных  шнеков  является  повышенное  качество  пластикации  материала  и 

создание  высокого  давления  истечения  через  формующий  инструмент  при  небольшой  глубине 
винтового канала. Это особенно важно при формовании изделий с помощью оформляющих голо-
вок,  имеющих  высокое  сопротивление  (производство  пленки,  наложение  изоляции  на  провода  и 

кабели и др.) [1, 2]. 

Основные  технико-экономические характеристики типовых одношнековых прессов для пере-

работки термопластичных материалов приведены в [3], а конструкции шнеков в [4]. 

Шнековые машины для переработки резиновых смесей отличаются от машин для термопластов 

тем, что при тех же диаметрах шнеков имеют меньшее отношение L/D, которое, обычно, не превышает 
12, и большую глубину нарезки винтового канала. Уменьшение длины шнеков объясняется тем, что 
эти машины предназначены продавить через формующий инструмент уже готовую пластицированную 
резиновую смесь, т.е. выполняют функции своеобразного винтового насоса. Увеличение глубины на-
резки шнека устраняет большой градиент скоростей сдвига по глубине винтового канала, что умень-
шает диссипативные выделения тепла за счет механической энергии привода машины, устраняет пере-
грев смеси. 

Основные типоразмеры шнековых (червячных) машин для переработки резиновых смесей и их 

технические данные приведены в [5]. 

Двухшнековые  машины  получили  распространение,  как  специализированное  оборудование 

для  производства  и  переработки  высоковязких  полимерных  композиций,  в  качестве  смесителей-
пластикаторов непрерывного действия с одновременным профилированием заготовок. 

Смесители непрерывного действия имеют ряд преимуществ перед смесителями периодическо-

го действия:  

• 

реализуются более высокие скорости и напряжения сдвига, так как обработка смеси проходит в 

более тонком слое;  

• 

смесь готовится при постоянном расходе энергии, а отсутствие пиковых нагрузок позволяет сни-

зить мощность привода до 40 %;  

• 

снижается разброс физико-механических показателей качества смеси за счет работы смесителя в 

установившемся режиме;  

• 

операции смешения и профилирования заготовок происходят одновременно.  

ПРИ СОЗДАНИИ СМЕСИТЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДОЛЖНЫ ВЫПОЛ-

НЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ: 1) ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ 

ВЕЛИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ СДВИГА И РАСТЯЖЕНИЯ; 2) ХОРОШАЯ СМЕШИВАЮЩАЯ 

СПОСОБНОСТЬ МАШИНЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ВЫРАВНИВАНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ В 

СИСТЕМЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДОЗИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ; 3) ХОРОШИЙ ЗАХВАТ И 

ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ В ЗОНУ СМЕШЕНИЯ; 4) САМООЧИЩАЕМОСТЬ 

РАБОЧИХ ОРГАНОВ: 5) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ 

УСЛОВИЙ СМЕШЕНИЯ; 6) СОВМЕЩЕНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ И ФОРМОВАНИЯ 

ГОТОВОЙ СМЕСИ; 7) НАЛИЧИЕ РАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ 

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СМЕСИ; 8) ПРОСТОТА КОНСТРУКЦИИ И 

ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИТЕЛЯ; 9) УДОБСТВО МОНТАЖА И ОБСЛУЖИВАНИЯ МАШИНЫ, 

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЕЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ. 

Смесители  типа  СН  являются  наиболее  перспективными  и  универсальными  смесителями  не-

прерывного действия и используются на различных стадиях производства и переработки широкого 
класса полимеров и композиционных материалов на их основе (рис. 1.1) [6 – 11]. 

Смеситель такого типа, чаще всего, состоит из раскрывающегося корпуса с горизонтальной линией 

разъема. Верхняя 1 и нижняя 2 части корпуса имеют рубашки обогрева 3 и 4. Для подвода и отвода теп-
лоносителя в рубашки вварены патрубки с фланцами 5 и 6. Внутри корпуса в горизонтальной плоскости 
расположены два сборных шнека 7, находящихся в зацеплении и вращающихся в одном направлении. 

 Иногда зону загрузки выполняют с индивидуальным приводом шнеков для вращения их навстречу 

друг другу с целью лучшего захвата компонентов смеси и их транспортирования в зону смешения. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Сборные шнеки смесителя представляют собой валы 8, на которые монтируются (надеваются) рабо-

чие  шнековые  насадки  (прямые  9  и  обратные  10),  рабочие  смесительные  диски  11,  а  также  питающие 
шнековые насадки 12. Рабочие шнековые насадки и смесительные диски смонтированы в определенной 
последовательности и закреплены на валах шпонками 13, а питающие шнековые насадки установлены на 
валах с возможностью свободного вращения. 

Передача вращающего момента рабочим шнекам (рабочим шнековым насадкам и смесительным дис-

кам)  происходит  от  вала  электродвигателя  через  клиноременную  передачу,  вариатор,  редуктор-
раздвоитель 20 и шлицевые муфты 21. 

Питающие  шнековые  насадки  12,  расположенные  в  зоне  загрузочного  отверстия  (окна),  вращаются 

независимо от рабочих шнеков с помощью индивидуального привода. 

Загрузка компонентов смеси в рабочую полость смесителя производится из камеры (бункера) 29, ко-

торая смонтирована над загрузочным отверстием корпуса смесителя. 

В верхней части корпуса имеются штуцеры для подачи жидких компонентов в полость смешения, а в 

нижней  части – штуцер  19  для  выгрузки  готовой  смеси.  Корпус  смесителя  с  приводом  установлен  на 
сварной раме 30. В зависимости от проводимой технологической операции конструктивное оформление 
рабочих насадок можно изменять в широком диапазоне. Фрагмент конструктивного оформления шнеков 
с различными функциональными зонами показан на рис. 1.2.  

 

 

Рис. 1.2. Фрагмент шнеков с различными функциональными зонами 

При создании смесителей применяется принцип блочного конструирования отдельных рабочих сек-

ций, согласно которому секции набираются из различных модулей и насадок, что позволяет более гибко 
удовлетворять современные требования рынка смесительного оборудования (переход с одной компонов-
ки на другую, сокращение сроков поставки и монтажа оборудования и т.д.). 

ЕСЛИ ГОВОРИТЬ О РЫНКЕ СМЕСИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЦЕЛОМ, ТО ЗДЕСЬ В 

КАЧЕСТВЕ ПРИМЕРА МОЖНО ПРИВЕСТИ СЛЕДУЮЩИЕ ДАННЫЕ. ЕМКОСТЬ ЕВРОПЕЙ-

СКОГО РЫНКА СМЕСИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК, ПО ДАННЫМ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСУЛЬ-

ТАЦИОННОЙ ФИРМЫ FROST AND SULLIVAN, ИСЧИСЛЯЕТСЯ В 385,3 МЛН. ДОЛЛАРОВ И К 

2005 ГОДУ ОЖИДАЕТСЯ ЕЕ УВЕЛИЧЕНИЕ ДО 465,2 МЛН. ДОЛЛАРОВ В ОСНОВНОМ ЗА 

СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ СПРОСА НА МАШИНЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИСПОЛНЕНИЙ ДЛЯ 

УЗКОСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ. ОТМЕЧАЮТСЯ ТЕНДЕНЦИИ К ПО-

ВЫШЕНИЮ РЫНОЧНОГО СПРОСА ПРИ ПРЕОБЛАДАНИИ МЕЛКИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ. 

НА РЫНКЕ ПРЕОБЛАДАЮТ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ СМЕСИТЕЛИ, ДОЛЯ КОТОРЫХ 

СОСТАВЛЯЕТ 58 %. В 1998 ГОДУ В СОВОКУПНОМ ОБОРОТЕ ЕВРОПЕЙСКОГО РЫНКА 

28,7 % ПРИХОДИЛОСЬ НА ХИМИЧЕСКУЮ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, 19,4 % – НА ПИЩЕВУЮ 

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ПРОИЗВОДСТВО БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ, 16,4 % – НА 

ВОДОПОДГОТОВКУ И ОЧИСТКУ СТОЧНЫХ ВОД, 7,2 % – НА ФАРМАЦЕВТИЧЕСКУЮ 

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И 28,3 % – НА ПРОЧИЕ ОТРАСЛИ [12]. 

ФИРМА WERNER & PFLEIDERER GMBH ПЕРЕРАБОТАЛА ОДНУ ИЗ ПРЕЖНИХ 

МОДЕЛЕЙ ДВУХШНЕКОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СЕРИИ MEGACOMPOUNDER И ВЫПУСТИ-

ЛА НА РЫНОК УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ ТИПА ZSK 25 WLE, ПРИГОДНЫЙ КАК 

ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ РЕЦЕПТУР И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ИХ ПАРТИЙ В 

РАЗМЕРЕ 0,5…10 КГ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ, ТАК И ДЛЯ СЕРИЙНОГО 

ПРОИЗВОДСТВА НЕБОЛЬШИХ ПАРТИЙ КОМПОЗИЦИЙ МАССОЙ ДО 1500…2000 КГ.  

КОРПУС СМЕСИТЕЛЯ СОСТОИТ ИЗ ДЕВЯТИ НАБОРНЫХ СЕКЦИЙ, СОЕДИНЯЕМЫХ 

МЕЖДУ СОБОЙ С ПОМОЩЬЮ ТЯГ И МОГУЩИХ БЫСТРО ЗАМЕНЯТЬСЯ В ЗАВИ-

СИМОСТИ ОТ КАЧЕСТВА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ. В ЧЕТВЕРТОМ ОТ НАЧАЛА СЕГМЕНТЕ 

КОРПУСА ПРЕДУСМОТРЕНО БОКОВОЕ ОТВЕРСТИЕ ДЛЯ ВВОДА ДОБАВОК, В ВОСЬМОМ 

– ОТВЕРСТИЕ ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ РАСПЛАВА. ИМЕЕТСЯ СМЕСИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКТ 

ЧЕРВЯКОВ (ШНЕКОВ) ДИАМЕТРАМИ 25…70 ММ И ДЛИНОЙ 36D. ХОРОШЕЕ 

САМООЧИЩЕНИЕ ШНЕКОВ ПОЗВОЛЯЕТ СОКРАТИТЬ ВРЕМЯ ПЕРЕХОДА С ОДНОЙ 

КОМПОЗИЦИИ НА ДРУГУЮ ДО 30 МИН И ПОТЕРИ МАТЕРИАЛА ДО 2…5 КГ. НЕСМОТРЯ 

НА УДВОЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ В СРАВНЕНИИ С ПРЕДЫДУЩЕЙ МОДЕЛЬЮ, 

ЦЕНА СМЕСИТЕЛЯ СНИЖЕНА НА 20 % [13, 14]. 

СПЕЦИАЛИСТЫ НЕМЕЦКОЙ ФИРМЫ HANS WEBER MASHINENFABRIK GMBH  В 

ОТВЕТ НА ПОСТОЯННОЕ ДАВЛЕНИЕ ЦЕН И ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ 

ОСУЩЕСТВЛЯЮТ ДАЛЬНЕЙШЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫПУСКАЕМЫХ ДВУХШНЕ-

КОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ. В ИХ НОВЫХ МОДЕЛЯХ, НАПРИМЕР, ИСПОЛЬЗУЮТСЯ НОВАЯ 

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ И ПРИВОД ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ, 

СОЗДАЮЩИЕ ВЫСОКИЙ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ДАЖЕ ПРИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЕ 

ВРАЩЕНИЯ. ДЛИНА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭКСТРУДЕРОВ СНИЖЕНА НА ТРЕТЬ,