Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин - часть 20

D = 0,032 м, отношением длины нарезки к диаметру L/D = 10, углом наклона его нарезки

ϕ = 17

глубиной винтового канала h = (0,003…0,007) м, шириной гребня е = 0,0035 м, зазором между греб-
нем шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра

δ = 0,001 м. Вращение шнека ма-

шины происходит от электродвигателя постоянного тока с возможностью регулирования угловой
скорости

его

пределах

ω = (0…7,85)

–1

ЭУ снабжена системой термостатирования цилиндра, шнека, формующей головки, которая вклю-
чает термостат, снабженный термопарой и приборами регулирования и контроля температуры теп-
лоносителя (воды). В материальном цилиндре установлена термопара для измерения температуры
резиновой смеси. Формующая головка снабжена датчиком давления и термопарой для измерения
давления и температуры резиновой смеси на выходе из канала нарезки шнека, соответственно [71].

Рис. 4.5. Экспериментальная установка для

исследования процесса экструзии резиновой смеси:

1 – червяк; 2 – цилиндр; 3 – формующий инструмент; 4 – загрузочное устройство; 5 – привод червяка; 6 –

электродвигатель постоянного тока; 7 – термостат

Управление ЭУ осуществляется с пульта управления, на щите которого расположены: ампер-

метр – для измерения потребляемого тока в цепи якоря электродвигателя; вольтметр – для измере-
ния потребляемого напряжения.

Измерение потребляемой мощности ЭУ проводили с помощью вольтамперной характеристики:

хх

дв

−

;

дв

;

хх

где N – технологическая мощность, расходуемая на процесс экструзии, Вт; N

дв

– мощность по-

требляемая двигателем привода шнека, Вт; N

хх

– мощность холостого хода двигателя привода

шнека, Вт; I

хх

– ток холостого хода двигателя, А; I

– ток нагрузки двигателя, А; U – напряжение на

обмотках двигателя, В.

С целью исключения ошибки при измерении технологической мощности электрическим мето-

дом проводились экспериментальные исследования на установке типа "мотор-весы" (рис 4.6), со-
стоящей из цилиндра 1 установленного в подшипники 3, 4, 5, с размещенным в нем шнеком диа-
метром

D = 0,06

м,

углом

наклона

винтовой

нарезки

вход РС

при Т

ϕ = 17

, глубиной винтового канала h = (0,003…0,008) м, шириной гребня е = 0,006 м, зазором ме-

жду гребнем шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра

δ = 0,001 м и возможно-

стью изменения угловой скорости в пределах

ω = (0…12,56) с

–1

Рис. 4.6. Экспериментальная установка для определения

мощности привода червяка механическим методом:

1 – цилиндр; 2 – червяк; 3, 4, 5 – подшипник; 6 – груз

Устройство работает следующим образом: при вращении шнека 2 момент сопротивления передается

резиновой смесью на цилиндр 1 и заставляет его отклоняться вокруг своей оси на некоторый угол

α.

Технологическая мощность рассчитывается по уравнению:

кр

где М

кр

– крутящий момент на шнеке, замеряемый экспериментально, Н

⋅ м; n – частота вра-

щения шнека, c

–1

Для измерения крутящего момента на валу шнека использован способ установки материального ци-

линдра 1 в подшипники 3, 4, 5 (так называемое устройство "мотор-весы"). Величина реактивного мо-
мента корпуса цилиндра может быть определена из зависимости (рис. 4.5 вид А); где P – сила тяжести
груза, Н; r – длина стержня рычага, м.

Затраченная мощность рассчитывалась с помощью "мотор-весов" по формуле

кр

где

ϕ – угловое перемещение ротора "мотор-весов" за время эксперимента:

ϕ 2

Адекватность решения задачи оптимизации процесса и оборудования экструзии резиновых смесей,

позволяющей определять оптимальные технологические и конструктивные параметры процесса экстру-
зии и шнекового оборудования с учетом минимизации технологической мощности и получения качест-
венного экструдата также проверялась с помощью экспериментальных исследований на опытных уста-
новках.

4.4.2. Описание экспериментальных исследований

В процессе эксперимента назначали расчетный режим экструзии (без ограничения на качество

экструдата) и расчетный оптимальный режим экструзии (с ограничением на качество экструдата),
такой, чтобы в исследуемом материале не возникало подвулканизации, т.е. значение критерия Бей-
ли не превышало определенной, наперед заданной величины (для резиновой смеси шифра НО-68 –
JB <= 0,5 %) [70].

Предварительно для известных технологических и конструктивных параметров шнека и цилиндра

(угловая скорость шнека

ω = 6,28 с

–1

, угол подъема винтовой линии

ϕ = 17°, h = 0,003 м, D = 0,032 м,

L = 0,325 м, e = 0,0035,

δ = 0,001 м) экспериментальной установки по математической модели процесса

экструзии рассчитывалось температурное поле по длине шнека.

В результате расчета принят следующий режим: T

см.вх.

= 323 К, T

= 368 К.

В качестве варьируемых параметров для одного и того же наружного диаметра шнека прини-

мались: глубина его винтового канала h, и угловая скорость

ω.

ЦЕЛЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТА ЯВЛЯЛОСЬ ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ЗАВИСИМОСТЕЙ КРИТЕРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ) N И
ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ H,

ω ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ Q И СРАВНЕНИЕ ИХ С

ТЕОРЕТИЧЕСКИМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ.

Поэтому для заданных значений (

ϕ = 17°, D = 0,032 м, L = 0,325 м, e = 0,0035, δ = 0,001 м), уг-

ловой скорости шнека (

ω = (0,12…7,85) с

–1

, что соответствует производительности Q

= (0,01…0,1)

⋅ 10

–5

/с), перепада давления по длине шнека

∆P, перепада температуры по длине

шнека

∆T, ограничений на качество экструдата (JB ≤ 0,5), на прочность материала (σ

экв

≤ 320 МПа,

прогиб y

≤ 0,0005 м) шнека и соответствующих начальных значений варьируемых параметров

= 0,003

м,

= 0,2 с

–1

) по математической модели процесса экструзии (4.1 – 4.9) проводился расчет опти-

мальных параметров при условии минимизации полезной мощности N.

ИНТЕРВАЛЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВАРЬИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ:

H = (0,002…0,006) М;

ω = (0,1…7,85) С

–1

Затем были изготовлены три шнека с рассчитанными в результате оптимизации глубинами

винтового канала (h

= 0,0025, 0,0035, 0,0045 м), и далее проводили процесс пластикации резиновой

смеси на экспериментальной установке (рис. 4.5). В процессе эксперимента отбирались пробы экс-
трудата и определялась температурно-временная зависимость (кривая подвулканизации). Кривая
подвулканизации (рис. 4.7) определялась на приборе "Monsanto" (по стандартной методике изло-
женной в ISO 9000).

Математическое выражение для кривой подвулканизациии получено с помощью стандартного

приложения к Windows фирмы Microsoft – программное обеспечение "TablCurve":

τ = (–16,17 + 3 131 360 / T

)

где

τ – время подвулканизации, мин; T – температура заданного процесса, K.

Рис. 4.7. Кривые подвулканизации при различной производительности:

1 – до экструзии (или при оптимальном режиме экструзии JB

≤ 0,5 %);

2 – Q = 0,04

⋅ 10

–5

/с; 3 – Q = 0,06

⋅ 10

–5

/с; 4 – Q = 0,08

⋅ 10

–5

/с;

5 – Q = 0,1

⋅ 10

–5

/с – после экструзии

Сравнительный анализ кривых подвулканизации (рис. 4.7) до процесса экструзии (кривая – 1) и

после (кривая – 5, при условии JB

≤ 0,5 %) показал их расхождение не более 2 %.

Из рис. 4.7 видно, что с увеличением производительности Q кривые подвулканизации ("скор-

чинга") (2, 3, 4, 5) стремятся к кривой соответствующей не деформированному состоянию резино-

вой смеси (кривая – 1), так как уменьшается время пребывания ее в цилиндре пластикации.

Далее образцы экструдата вулканизовались при заданном режиме вулканизации (

– время

вулканизации, рассчитанное по критерию Бейли (4.9), при температуре вулканизации T

= 413 K)

для резиновой смеси НО-68-1 и измерялись предел прочности образцов на разрыв, относительное
остаточное удлинение до (

рэ

ост.э

) и после (

ост.

) процесса экструзии.

ИСПЫТАНИЯ ПРОВОДИЛИСЬ НА РАЗРЫВНОЙ МАШИНЕ ЦМГИ-250. ОСНОВНЫЕ

ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ И ПРИБОРАМ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РЕЗИН
ИЗЛОЖЕНЫ В ГОСТ 269–66.

ИЗ РИС. 4.8 ВИДНО, ЧТО С УВЕЛИЧЕНИЕМ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ Q ЗА СЧЕТ

УВЕЛИЧЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ШНЕКА

ω, ПРОИСХОДИТ УМЕНЬШЕНИЕ

ЗНАЧЕНИЯ КРИТЕРИЯ БЕЙЛИ, А, СЛЕДОВАТЕЛЬНО, УМЕНЬШЕНИЕ "СКОРЧИНГА" В
ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОМ МАТЕРИАЛЕ И УВЕЛИЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ ВУЛКАНИЗАЦИИ.

Рис. 4.8. Зависимость технологической мощности (N) и

параметров качества экструдата (

ост

– – –, , – экспериментальные, теоретические и оптимальные значения,

соответственно;

рэ

ост.э

ост.

– предел прочности образцов, относительное остаточное удлинение

при разрыве до и после процесса экструзии,

соответственно; JB – критерий Бейли;

– время вулканизации

При этом качество вулканизованных образцов до экструзии (или при оптимальном режиме

≤ 0,5 %) и после нее отличается незначительно.

Сравнительный анализ значений предела прочности и остаточного удлинения при разрыве

(рис. 4.8) до (

рэ

= 80 кг/см

ост.э

= 300 %) и после (

ост.

) процесса экструзии показал их расхож-

дение

не

более

10 %.Таким образом, в зависимости от назначения готового резинотехнического изделия, от степе-
ни ответственности его при эксплуатации можно путем варьирования заданным значением крите-
рия Бейли получать экономию энергозатрат при вулканизации изделий в котлах высокого давле-
ния, в ваннах с расплавом солей и т.д.

Анализ экспериментальных и теоретических значений технологической мощности показал их

расхождение менее 14 %.

Полученные зависимости (рис. 4.1 – 4.6) позволяют определять оптимальные технологические

и конструктивные параметры процесса и оборудования экструзии резиновых смесей при получе-
нии изделий с заданным качеством.

ПРОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА НА ЭВМ [74] ПРИВЕДЕНА В ПРИЛ. 4, (ПРОГРАММА 6),

ПОЗВОЛЯЮЩАЯ ОПРЕДЕЛИТЬ ОПТИМАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ПРОЦЕССА И КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВЫХ
СМЕСЕЙ. ПОРЯДОК РАБОТЫ ПРОГРАММЫ 7 ПОЯСНЯЕТСЯ ТАБЛ. 4.1, СХЕМОЙ
АЛГОРИТМА (РИС. 4.9).

КГ

содержание .. 18 19 20 21 ..