Резиносмесители периодического действия
1. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕЗИНОСМЕСИТЕЛЕЙ. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИВОДА
Роторы по геометрическим очертаниям рабочей части бывают четырех видов: овальные, трехгранные, цилиндрические и четырехгранные.
Резиносмеситель (рис.1) состоит из смесительной камеры 9, смонтированной на станине 11, внутри которой размещены роторы 14, верхнего затвора 8 и его привода 6; загрузочной воронки 7; нижнего затвора 10 с приводом 12; системы коммуникаций 5 для подачи охлаждающей воды к смесителю; привода роторов, в состав которого входят электродвигатель 1, муфта 2, блок-редуктор 3 и шарнирные муфты 4; целого ряда других вспомогательных устройств.
Более подробно устройство резиносмесителя показано на рис. 2.
Принцип работы резиносмесителя заключается в следующем. Исходные компоненты загружаются в смесительную камеру: жидкие компоненты — через патрубок в горловине 5, технический углерод — через другой патрубок в этой же горловине, все остальные компоненты (каучук в виде кусков или гранул и сыпучие) — через загрузочную воронку 11. В загрузочной воронке на горизонтальной оси установлена дверца 9 с пневматическим приводом 10. После загрузки компонентов дверца занимает вертикальное положение и предотвращает вынос пылящихся веществ наружу. Часть из них отсасывается через вентиляционный патрубок 8.
Вращающимися навстречу друг другу роторами 2 компоненты смеси вовлекаются в сложное движение и подвергаются деформациям сжатия, растяжения и сдвига. Доминирующими являются деформации сдвига и сжатия. Этому способствует сама конструкция роторов, представляющих полые валы с фигурными гребнями. Гребни расположены под углом к образующей цилиндра. Угол закручивания гребней одинаков и равен 90°, а углы подъема разные. Один из гребней расположен под углом примерно 30° к образу
ющей цилиндра, а другой — под углом 45°. Благодаря этому один из гребней простирается вдоль рабочей части ротора на длину, большую половины всей длины ротора, а другой — на длину, меньшую половины длины рабочей части ротора. Таким образом, гребень, расположенный под меньшим углом к образующей, является более длинным, а другой гребень с большим углом по отношению к образующей — менее длинным, или коротким. Гребни расположены в противоположных частях ротора и между собой не соединяются. Поперечное сечение ротора по гребню имеет полуовальную форму. Зазор между вершиной гребня ротора и цилиндрической стенкой камеры составляет величину порядка 3 мм.
По окончании загрузки компонентов в камеру резиносмесителя включается в работу пневматический привод 7, шток которого соединен с верхним затвором 6. Последний опускается и воздействует на компоненты смеси с определенным усилием. Благодаря этому достигается необходимое для процесса смешения сцепление перемешиваемого материала с поверхностью роторов и смесительной камеры.
В начальный период работы смесителя компоненты заполняют не только весь объем смесительной камеры, но и часть горловины. По мере распределения сыпучих и жидких компонентов в каучуке объем смеси уменьшается и на завершающей стадии процесса смесительная камера заполнена смесью частично. Отношение объема резиновой смеси к свободному объему смесительной камеры носит название коэффициента загрузки. Среднее значение коэффициента загрузки смесительной камеры выбирается опытным путем и лежит в пределах 0,6—0,7.
Перемешиваемый материал подвергается деформациям в серповидном зазоре между гребнями роторов и стенками смесительной камеры, в узком зазоре между вершинами гребней и стенкой камеры, в пространстве между роторами и затворами, верхним и нижним, в пространстве между цилиндрической поверхностью роторов и стенкой камеры. Вследствие того, что роторы вращаются с разной частотой, геометрическая форма рабочего пространства непрерывно изменяется, компоненты смеси и сама смесь совершают сложное движение, переходят из одной половины камеры в другую. Благодаря винтовому расположению гребней кроме поперечного перемещения смесь получает продольное движение, разворачивается у боковых стенок и движется по сложным траекториям по объему смесительной камеры.
Вся эта мощность, за исключением потерь в приводе, расходуется на приготовление резиновой смеси и выделяется в виде теплоты в смесительной камере. Для поддержания температурного режима резиносмеситель оснащается комплексной системой охлаждения.
Охлаждению водой подвергаются смесительная камера, роторы, верхний и нижний затворы
установлены в корпусах, составляющих неотъемлемую часть боковых стенок 4 смесительной камеры 5. Эта часть покоится на приливах боковой стенки и удалена от самой стенки на некоторое расстояние. Тем самым между подшипниками роторов и боковой частью смесительной камеры создано пространство для монтажа специальной системы 3 для уплотнения зазора между боковой стенкой 4 и шейкой вращающегося ротора. Роторы подвергаются в процессе работы интенсивным нагрузкам. Они изготавливаются из стали методом отливки. Наружная поверхность рабочей части роторов с целью предотвращения чрезмерного износа упрочняется наплавкой твердыми сплавами с высоким содержанием хрома.Смесительная камера состоит из двух полуцилиндров и двух боковин, соединенных между собою болтами. Она изготавливается также из стального литья. Цилиндрическая часть камеры может иметь и сварную конструкцию. Для придания камере нужной жесткости предусмотрено наличие ребер с наружной стороны. Изнутри рабочая поверхность камеры также упрочняется наплавкой слоя из износостойкой стали.
По окончании цикла смешения нижнее окно в смесительной камере открывается и готовая смесь вращающимися роторами выталкивается наружу, происходит выгрузка резиносмесителя. Затворы нижнего окна бывают двух типов: скользящие и откидные. На рис. 2 в поперечном разрезе изображен нижний затвор скользящего типа. Собственно затвор 13 укреплен на корпусе воздушного цилиндра 14. В этом корпусе имеются боковые приливы, которыми он скользит по направляющим в станине 1. Шток воздушного привода нижнего затвора закреплен на выносной консоли и на рисунке не виден. Через этот шток в полости цилиндра подается сжатый воздух, приводящий в движение корпус цилиндра. Таким образом, в приводе нижнего затвора шток с поршнем являются неподвижными, а цилиндр и закрепленный на нем затвор 13 при подаче сжатого воздуха в ту или иную полость цилиндра могут перемещаться по направляющим станины, открывая или закрывая снизу смесительную камеру. Схематично на рис. 1 и более подробно на рис. 4 показано устройство нижнего затвора откидного типа.
При смешении в камере смесителя возникают давления, максимальное значение которых достигает 3—4 МПа. Это давление носит местный характер и возникает при деформировании резиновой смеси; оно максимально в узком серповидном зазоре между гребнями ротора и стенкой смесительной камеры. Под действием этого давления смесь может выходить наружу через кольцевые зазоры, образующиеся между боковыми стенками и шейками роторов. Уплотнение этих зазоров производится с помощью специальных устройств, некоторые из них показаны схематично на рис. 5.
Трехлабиринтное уплотнение (рис. 5, в) по принципу действия не отличается от двухлабиринтного, лишь конструктивно выполнено несколько по иному.
В лабиринтно-пластинчатом уплотнении (рис. 5, г) препятствием выходу резиновой смеси из камеры смесителя служит не только винтовая канавка на втулке 13, но и сопротивление вертикально-радиального лабиринта, образованного набором колец 11, половина которых закреплена неподвижно на боковой стенке камеры, а вторая половина колец закреплена на втулке 13 и вращается вместе с ротором. В зазор между кольцами подается смазка под давлением. Последняя конструкция уплотнительного устройства обеспечивает нормальную работу даже при изменении межцентрового расстояния между роторами, например при выработке роторных подшипников.
Все уплотнительные устройства обеспечивают нормальную работу резиносмесителя при бесперебойной подаче смазки в зазоры. Небольшой выход пастообразной резиновой смеси из уплотнительных устройств наружу служит мерилом нормальной работы уплотнения.
Привод роторов резиносмесителей осуществляется по различным схемам от электродвигателей посредством передач. Роторы резиносмесителя вращаются с разной частотой и по аналогии с вальцами отношение частоты вращения быстроходного ротора к частоте вращения менее быстроходного ротора называют фрикцией, а пара шестерен в приводе, обеспечивающая эту разность частот вращения роторов, получила название фрикционных. Такое название обычных зубчатых шестерен носит по этой причине условный
характер.
На рис. 6 приведена типичная для современных резиносмесителей кинематическая схема привода роторов. Вращательное движение роторам 6 от электродвигателя 1 передается через упругую муфту 2, блок-редуктор 3 и шарнирные муфты 4, Здесь три ступени зубчатых передач сосредоточены в одном агрегате — блок-редукторе, имеющем индивидуальную систему смазки всех шестерен. Применение универсальных шарнирных муфт позволяет передавать на роторы только необходимый для их привода крутящий момент.
Существуют схемы приводов, в которых фрикционные шестерни и одна из приводных посажены непосредственно на консольные шейки роторов. В этом случае роторы испытывают дополнительную радиальную нагрузку, сами передачи работают в менее благоприятных условиях, так как герметичность защитных кожухов невысокая. Кроме того, выработка роторных подшипников приводит к увеличению межцентрового расстояния фрикционных шестерен, что также нежелательно.
В резиносмесителях старых конструкций можно встретить привод роторов от тихоходных синхронных двигателей (94 об/мин) через трансмиссионный вал, трансмиссионную шестерню непосредственно к приводной шестерне, без применения редуктора.
Кинематическая схема, приведенная на рис. 6, является наиболее совершенной.
Кроме резиносмесителей с овальными роторами отечественная промышленность освоила выпуск машин типа 250-40 с четырех-лопастными роторами оригинальной конструкции. Каждый ротор (рис. 7) имеет пару длинных противоположно направленных лопастей, расположенных по винтовой линии вдоль оси ротора, и пару менее длинных (коротких), а также противоположно направленных лопастей, идущих по винтовой линии уже в другом направлении. Одна сторона (рабочая) лопасти имеет выпуклую форму, а другая (противоположная рабочей) — вогнутую. В поперечном сечении лопасти имеют S-образный профиль, а в некоторой, близкой к середине, части ротор имеет крестообразный профиль. Такая форма рабочей поверхности ротора обеспечивает сложное круговое и своеобразное челночное перемещение смеси в камере смесителя и повышает интенсивность процесса. Применение в смесителе геометрически более совершенной конфигурации четырех-лопастного роторного смесительного органа позволило увеличить производительность резиносмесителя с 3,3 до 4,0—5,0 т/ч, сократить длительность цикла смешения со 180 до 120—145 с, снизить удельный расход энергии и повысить, таким образом, эффективность работы агрегата.
Резиносмеситель со свободным объемом смесительной камеры 4,5 л используется в качестве лабораторного в центральных заводских лабораториях, НИИ и учебных заведениях. Резиносмесители с объемом камеры 10 и 71 л применяются в производствах с небольшим суточным потреблением резиновых смесей. Основным производственным резиносмесителем является смеситель со свободным объемом смесительной камеры 250 л. По частоте вращения роторов они условно подразделяются на тихоходные и быстроходные. К тихоходным относятся резиносмесители с частотой вращения заднего ротора 20 и 30 об/мин. Ротор, расположенный со стороны загрузочной воронки, вращается с меньшей частотой и называется передним. К быстроходным резиносмесителям относятся резиносмесители с частотой вращения заднего ротора 40 об/мин и более. Отдельные образцы этого типоразмера выпускаются с частотой вращения заднего ротора 60 и 80 об/мин; естественно, что они имеют и более мощные электродвигатели. Так, например, резиносмеситель типа 250-80 оснащается двигателем мощностью 1250 кВт.
250-литровые резиносмесители имеют роторы с рабочей длиной 806 мм и наружным диаметром 554 мм. Кроме этих резиносмесителей в настоящее время разработаны и внедряются в производстве более мощные машины со свободным объемом смесительной камеры 370 и 630 л.
На резиносмесители периодического действия для приготовления резиновых смесей и пластикации натурального каучука установлен ГОСТ 11996—79. Этим стандартом регламентированы основные параметры и размеры резиносмесителя: свободный объем смесительной камеры; частоты вращения роторов; удельное давление на смесь, создаваемое верхним затвором; предельные габариты; масса и мощность главного привода.
Пример условного обозначения стандартного резиносмесителя со свободным объемом смесительной камеры 250 л, частотой вращения быстроходного ротора 20 об/мин, нерегулируемой частотой вращения роторов, с правым расположением привода: «Резиносмеситель 250/20-П ГОСТ 11996—79».
2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ РЕЗИНОСМЕСИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Резиновая смесь представляет собой многокомпонентную систему. Одновременно она является и полидисперсной системой; здесь каучук играет роль дисперсионной среды, а сера, технический углерод и другие сыпучие и жидкие компоненты — роль дисперсной фазы. Смешение относится к технологическому процессу, целью которого является получение гомогенной смеси, т. е. такой смеси, в которой все исходные компоненты относительно равномерно распределены по объему дисперсной среды.
Резиносмешение — сложный физико-химический процесс. До создания первых машин, предназначенных исключительно для приготовления резиновых смесей, т. е. резиносмесителей (в 1920 г.), резиновые смеси изготавливались на вальцах. В качестве смесительного оборудования вальцы применяются и в настоящее время. При этом имеет место последовательное осуществление ряда операций. На вальцах сначала обрабатывают каучук путем многократного его пропуска через узкий зазор между валками, вращающимися навстречу друг другу с разными скоростями. При этом каучук становится более пластичным, чем до вальцевания, и обволакивает передний валок вальцев тонким слоем. Затем в рабочую зону вальцев постепенно и равномерно по длине валка вводят компоненты (например, технический углерод), которые, проходя с каучуком через узкий зазор, подвергаются деформациям сжатия и сдвига. Происходит внедрение и распределение компонентов в каучуковой среде. Порядок введения компонентов зависит от свойств каучука и рецептуры резиновой смеси и с точки зрения механики не столь важен. Вальцы являются машиной открытого типа, и одновременная подача всех компонентов в рабочую зону не дает положительных результатов, сыпучие компоненты частично просыплются в поддон, а жидкие — стекут. Вот почему необходима постепенная подача ингредиентов, которая неизбежно увеличивает продолжительность всего цикла смешения. Во время процесса вальцевания периодически осуществляется подрезка слоя резиновой смеси на переднем валке, закручивание ее в рулон и заправка этого рулона опять в рабочую зону вальцев. Особенностью работы вальцев является то, что при определенных условиях часть резиновой смеси циркулирует в верхней части рабочей зоны и не пропускается через зазор, т. е. ту часть, где имеет место наиболее интенсивная обработка смеси. Закатка смеси в рулон снижает объем смеси, находящейся в рабочей зоне, и в конечном счете приводит к тому, что смесь вся пропускается через зазор.
Из вышеприведенного и весьма краткого описания процесса приготовления резиновой смеси на вальцах вытекают два важных обстоятельства. Во-первых, резиносмешение сопровождается увеличением поверхности раздела между компонентами, это увеличение достигается путем пропуска смеси через узкий длинный зазор и путем формирования тонкой оболочки смеси на поверхности переднего валка. Во-вторых, смесь в процессе приготовления подвергается интенсивным деформациям сжатия и сдвига в рабочей зоне между вращающимися навстречу друг другу валками.
Очевидно, что конструкция резиносмесителя должна предусматривать создание подобных же условий, имеющих место на вальцах. В отличие от последних резиносмесители являются машинами закрытого типа, здесь роторы помещены в камеру. Компоненты будущей резиновой смеси можно загружать в рабочую зону без опасения их произвольного выхода из этой зоны. Процесс переработки идет не только в пространстве между валками (роторами), но буквально по всему объему смесительной камеры. Каков же этот процесс и как его можно моделировать?
Рассмотрим сначала так называемое ламинарное смешение в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, один из которых (наружный) неподвижен, а другой (внутренний) вращается с постоянной частотой. Нетрудно заметить, что мы имеем дело с упрощенной моделью смесителя закрытого типа и наружным цилиндром служит камера (вернее полукамера), а внутренним — ротор. Деформируемая среда является сплошной и заполняет все пространство между цилиндрами. Для упрощения посмотрим, что будет происходить с двухкомпонентной смесью, когда положение ее составляющих в начале процесса вполне определенным образом ориентировано.
Известно, что проще смешать два компонента, равные между собою по объему, и трудно распределить компонент, по объему в несколько раз меньший, в другом компоненте. В гл. 1 было показано, что каучуки и резиновые смеси на их основе в состоянии переработки можно рассматривать как высоковязкие жидкости с нелинейной связью между напряжением сдвига и скоростью деформации (градиентом скорости). Численное значение эффективной вязкости таких жидкостей в сотни тысяч раз превышают значение вязкости обычных жидкостей. По этой причине в обычных условиях каучуки, резиновые смеси под действием гравитации не растекаются по поверхности как обычные жидкости, например вода; для того чтобы резиновые смеси, каучуки потекли, они должны попасть в силовое поле с наличием значительных напряжений. Иными словами, для того чтобы необратимо деформировать каучуки и резиновые смеси на их основе требуется приложить значительные внешние силы.
Обратимся к рис. 8. Пространство между двумя цилиндрами занято одним компонентом, например каучуком, а темная полоса означает второй компонент. Что произойдет, если внутренний цилиндр начнет вращаться против часовой стрелки? Слой жидкости, прилегающий к поверхности внутреннего цилиндра, вследствие сцепления с нею начнет двигаться с той же скоростью, что и эта поверхность. Высокая вязкость системы обусловливает низкое значение критерия Рейнольдса (Re << 1) и слоистое (ламинарное) течение.
Таким образом, при увеличении частоты вращения внутреннего цилиндра толщина полос постепенно уменьшается, а площадь поверхности раздела между компонентами увеличивается. Деформация в перемешиваемой системе будет продолжаться до тех пор, пока толщина полос не станет равной линейным размерам предельных частиц, перемешиваемых компонентов. Спиральная лента потеряет сплошность, разрушится на частицы, которые равномерно распределятся во всем объеме, заключенном между поверхностями внутреннего и внешнего цилиндра.
Если второй компонент ориентирован относительно первого вдоль радиуса лишь частично, не доходя до поверхностей внутреннего и наружного цилиндров (рис. 8, б), то вследствие ламинарного течения темный компонент по мере работы смесителя распределится в центральной зоне камеры, его не окажется в областях, примыкающих к рабочим поверхностям.
И, наконец, первоначальная ориентация второго компонента по концентрической окружности (рис. 8, в) не приводит к распределению фазы в дисперсной среде.
Между поверхностью раздела, толщиной полос разделения, объемом системы и ее деформацией сдвига легко установить следующие соотношения (рис. 9):
Обновлено ( 01.10.2010 10:31 )
