Механические процессы.формообразование

        Фильеры матриц состоят, как правило, из цилиндрических формующих каналов и входных полостей переменного сечения, служащих для облегчения входа в формующий канал прессуемого материала. Через фильеры матрицы осуществляется формование и выход продукции под высоким давлением в виде непрерывного «жгута». Конфигурация фильер определяет ширину изделия и весьма разнообразна: шарики, палочки, звездочки, колечки и др.

        Существует различная компоновка привода для (одно и двухшнековых) экструзионных машин. В одних используется осевой принцип, т. е. привод и экструзионная камера со шнеками располагаются в линию на общей плоскости опорной рамы, в других двигатель с редуктором или без него располагается в нижней части станины. В этом случае нагрузка от двигателя передается на валы с помощью ременной или цепной передачи. Такое расположение привода обеспечивает более устойчивую конструкцию, но она не всегда возможна.

        Несмотря на существенные различия в конструкциях, шнековые экструдеры могут быть классифицированы по общим для этих машин принципиальным признакам - термическим характеристикам со следующими типами: автогенные, политропные и изотермические.[2]

         Автогенные экструдеры - это машины, в которых тепло, необходимое для термической обработки растительного сырья, генерируется непосредственно в камере экструдера только за счет диссипации механической энергии. Специальные конструкции узлов рабочих органов (шнеки, камера, фильеры) создают сопротивление движению перемещаемого материала, что обеспечивает повышение температуры процесса до 120 -200 °С. Такой принцип разогрева используется, как правило, в одношнековых экструдерах.

         В политропных экструдерах процесс термической обработки материала осуществляется как за счет внутреннего разогрева массы, так и с помощью внешних источников тепла. Большинство экструдеров для варочной экструзии, являются политропными. Внутренний разогрев осуществляется за счет конструкции шнеков. Существует три метода внешнего нагрева экструдера: электрический, жидкостной и паровой.

         Изотермические экструдеры ограничиваются спецификой их применения: они предназначены для формования макаронных изделий и хлебного теста. В них тепло контролируется за счет охлаждения внешним теплообменником.[3]

        Экструдер ШВФ-22 (рис.5) предназначен для выдавливания конфетной массы при производстве пралиновых конфет.[3]

Рис.5. Экструдер ШВФ-22

         Он имеет в предматричной камере перегородки, образующие секции у каждого выходного отверстия. Это выравнивает скорости у выдавливаемых жгутов. Бункер 1 укреплен на корпусе питателя 2 с расположенными в нем рифлеными валками 3. В корпусе нагнетателя 4 вращаются нагнетающие шестеренные роторы 5, выполненные из набора шестерен. Предматричная камера 7 имеет вертикальные формующие каналы 8. В нижней части корпуса нагнетателя и предматричной камеры имеются вертикальные перегородки 6, которые делят корпус и камеру на отдельные секции.

        Бункер, корпус нагнетателя и нагнетатель, а также предматричная камера имеют рубашки для обогрева.

         Конфетная масса вытягивается из бункера рифлеными валками 3 и равномерно подается по всей длине шестеренных роторов 5. Они нагнетают массу в предматричную камеру 7 и из нее через формующие каналы 8 выдавливаются жгуты 9 пралиновой массы.

Техническая характеристика экструдера ШВФ-22 приведена в табл.2

Таблица.2 Техническая характеристика экструдеров

Показатель	МФБ-1	ШФК	ШВФ-22
Производительность, кг/ч	325	150...310	1000
Число отверстий в матрице	5	6	22
Потребная мощность, кВт	1,7	2,8	2,8
Габаритные размеры, мм	1250x845x1640	1365x775x2100	1000x1160x2980
Масса, кг	410	955	1220

Расчет производительности экструдера

Определяющее влияние  на производительность машины оказывает  дозирующая зона червяка. Производительность дозирующей зоны сильно зависит от геометрических параметров самого червяка. Производительность же экструдера в  целом зависит не только от геометрических размеров шнека и числа оборотов, но и в значительной степени –  от конструкции формующей головки.

На основе гидродинамического подхода к анализу взаимодействия рабочих органов с перерабатываемым материалом в дозирующей зоне экструдера принято рассматривать три составляющие потока движения расплава:

• прямой (вынужденный) поток – поток массы, движущийся по межвитковому пространству в направлении от зоны загрузки к зоне дозирования вдоль оси шнека, возникающий вследствие вращения шнека относительно цилиндра;
• обратный поток − поток массы, движущийся в противоположном направлении, что вызвано перепадом давления по длине шнека;
• поток утечек − поток утечки, движущийся в зазоре между наружной поверхностью витков шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра в направлении от зоны дозирования.

Подобное разделение на три  потока в канале шнека следует  считать условным, так как противотока  практически не существует, а имеет  место некоторое ограничение  прямого потока, возникающее в  результате сопротивления головки.[5]

Объемная производительность экструдера, м³/с:

 

 

где		–	коэффициент геометрической формы канала головки, м3;
		–	частота вращения червяка, с-1;
		–	константа прямого потока, м3;
		–	константа обратного потока, м3;
		–	константа потока утечек, м3.

Константы прямого, обратного  потока и потока утечек для зоны дозирования червяка с постоянными геометрическими размерами, м³:

 

 

 

 

где		–	шаг винта, м;
		–	глубина винтового канала (нарезки), м;
		–	число заходов винтовой нарезки;
		–	толщина гребня, м;
		–	угол винтовой нарезки;
		–	радиальный зазор между  гребнем червяка и рабочим  цилиндром, м;
		–	диаметр гребня, м;
		–	длина зоны нагнетания (зоны дозирования), м;

 

 

 

 

 

 

 

 

При плотности материала  ρ = 1380 кг/м³ объемная производительность экструдера, кг/ч:

 

 

 

При массе изделия m = 0,126 кг/п.м производительность экструдера, п.м./ч:

 

 

  Расчет мощности привода экструдера.

Мощность привода, потребляемая в зоне загрузки, расходуется на преодоление сил трения при движении пробки материала, значение её не велико (около 10% от суммарной потребляемой мощности) и им можно пренебречь. Исключение составляют червячные машины с продольными канавками на внутренней поверхности цилиндра в зоне загрузки. В этом случае потребляемая на продвижение  пробки гранул мощность в 2-5 раз больше, чем в машинах с гладким  цилиндром.

В зоне плавления мощность затрачивается на преодоление сопротивления  движению пробки в тонком слое расплава вблизи стенки цилиндра, а также  на преодоление сил трения пробки о сердечник червяка и витки  нарезки. Следует отметить, что по длине зоны плавления происходит изменение состояния перерабатываемого  материала. Размеры пробки гранул непрерывно уменьшаются, а сама пробка покрывается  слоем расплавленного материала. Одновременно меняются теплофизические и реологические  характеристики материала, что вызывает определенные трудности при аналитическом  описании процесса в зоне плавления.

Мощность, затрачиваемая  в зоне дозирования, определяется суммой мощностей расходуемых на принудительное проталкивание массы по винтовому  каналу червяка N₁; на срез материала в зазоре между вершиной витка нарезки и стенкой цилиндра N₂; на создание циркуляционного потока в витках нарезки червяка N₃.[5]

Мощность привода, потребляемая в зоне дозирования с постоянными  геометрическими размерами червяка, Вт:

 

 

 

где		–	диаметр гребня, м;
		–	длина зоны нагнетания (зоны дозирования), м;
		–	глубина винтового канала (нарезки), м;
		–	угол винтовой нарезки;
		–	частота вращения червяка, с-1;
		–	эффективная вязкость материала  в винтовом канале, кг∙с/м2;
		–	эффективная вязкость материала  в зазоре между гребнем нарезки  червяка и цилиндром, кг∙с/м2;
		–	перепад давления в экструзионной головке, кг/м2;

 

Значением мощности N₃ (на создание циркуляционного потока) в виду ее малости можно пренебречь.

Общая (технологическая) мощность, затрачиваемая на продвижение материала  в цилиндре червячной машины, Вт:

 

 

 

Величины эффективной  вязкости µ₁ и µ₂ для различных перерабатываемых материалов определяются по реологическим кривым в зависимости от скоростей сдвига и температуры (µ = f(T,S)).

Скорость сдвига в винтовом канале червяка, с^-1:

 

 

где		–	диаметр гребня, м;
		–	глубина винтового канала (нарезки), м;
		–	частота вращения червяка, с-1;
		–	шаг винта, м;

 

 

 

Скорость сдвига в зазоре между гребнем нарезки и цилиндром, с^-1:

 

 

 

Эффективная вязкость непластифицированного ПВХ (определяются по реологическим кривым):

 

 

 

Перепад давления в экструзионной головке, кг/м²:

 

 

где – перепад давления на i-том участке канала экструзионной головки, кг/м².

Падение давления на i-том участке канала экструзионной головки, кг/м²:

 

 

где		–	объемная производительность экструдера, м3/с;
		–	эффективная вязкость (реологический  фактор), кг∙с/м2.
		–	коэффициент геометрической формы i-того участка канала, м3:

Величины эффективной  вязкости µ_i определяются по реологическим кривым в зависимости от скоростей сдвига и температуры (µ = f(T,S)).

Скорость сдвига при движении материала через цилиндрический участок канала, с^-1:

 

 

где		–	объемная производительность экструдера, м3/с;
		–	диаметр канала, м;

 

 

 

Скорость сдвига при движении материала через конический участок  канала, с^-1:

 

 

где		–	объемная производительность экструдера, м3/с;
		–	наибольший диаметр канала, м;
		–	наименьший диаметр канала, м;