Порядок проведения работы

1. В лаборатории на рабочем месте ознакомиться с конструкцией основных узлов и деталей червячных машин.

2. По заданию преподавателя составить:

- эскизы основных узлов и деталей червячных машин;

- расчётные схемы для выполнения прочностных расчётов;

- в зависимости от размеров червяка и цилиндра машины определить степень их износа, составить дефектную ведомость и назначить вид ремонта;

- выполнить прочностные расчёты основных деталей.

К основным узлам и деталям червячных машин относятся: корпус, загрузочные устройства, подшипниковые узлы, система нагрева и охлаждения, привод, червяк.

Корпус (цилиндр) является важным узлом червячной машины.
К корпусу крепятся оформляющая головка и загрузочное устройство, а внутри корпуса вращается червяк. Снаружи цилиндра располагаются устройства для обогрева и охлаждения автономных участков цилиндра, а также термопары и теплоизоляционные кожухи. Различные виды обогрева и охлаждения корпуса позволяют обеспечивать необходимый технологический процесс переработки полимеров [19, с. 149]. Загрузочные устройства обеспечивают равномерность подачи материала в загрузочную зону червячных машин и предварительное уплотнение материала [23, с. 178; 25, с. 240; 26, с. 37–38].

Подшипниковые узлы. При работе червячной машины в цилиндре создаётся большое давление. Радиальная составляющая этого давления создаёт усилие на цилиндр, а осевое усилие воспринимается упорным узлом и является силой, обеспечивающей процесс выдавливания материала через головку машины.

Узлы подшипников и крепления червяка должны обеспечивать строгую соосность червяка и цилиндра (ибо в противном случае возможны задиры червяка и корпуса), лёгкость демонтажа и выемки из машины червяка для его очистки или замены, достаточно надёжные уплотнения узлов подшипника, которые препятствовали бы попаданию в них материала и исключали бы просачивание смазки из подшипников в зону переработки [19, с. 206 – 211].

Системы нагрева и охлаждения. На практике применяются, в основном, следующие нагревательные системы: паровой обогрев, жидкостный обогрев и электрический обогрев с помощью элементов сопротивления или индукционных нагревателей.

Червячные машины для переработки резиновых смесей оснащаются обычно обогревом насыщенным или перегретым паром, или перегретой водой. Червячные прессы для пластмасс, имеющие более высокие рабочие температуры, оснащаются обычно системой электрообогрева.

Для обеспечения надёжной работы машины цилиндр, кроме зон обогрева, имеет также системы водяного или воздушного охлаждения, которыми пользуются при перегреве цилиндра или опасности перегрева материала в цилиндре.

С целью уменьшения коэффициента трения между перерабатываемым материалом и червяком червячные машины оснащаются специальными устройствами для подвода охлаждающей жидкости к червяку [18, с. 292 – 301; 26, с. 31 – 44; 19, с. 205 – 206].

Привод червячных машин должен обеспечить необходимую мощность на червяке машины, регулирование числа оборотов в определённых пределах, требуемую зависимость между вращающим моментом на червяке и числом его оборотов [19, с. 219 – 229; 18, с. 200 – 219].

Червяк является основным рабочим органом червячных машин и от правильного выбора его геометрии в большой степени зависит качество переработки материала и производительность машины.

Для решения вопроса о том, может ли тот или иной червяк перерабатывать различные полимерные материалы, следует рассмотреть основные характерные параметры червяка: диаметр, зазор между корпусом и червяком, длину, разделение на зоны, число заходов, шаг, глубину и профили витка, форму конца червяка, а также материалы, из которых изготовляется червяк.

Конструктивно червяк состоит из двух частей: нарезной части и хвостовика. Нарезная часть червяка входит в цилиндр машины и обеспечивает её работу, а хвостовик служит для соединения червяка с приводом [19, с. 192 – 211; 26, с. 24 – 36; 27, с. 222 – 230].

При сборке червячных машин между внутренней поверхностью гильзы и наружной поверхностью червяка должен быть выдержан зазор в переделах поля допуска посадки Н8/е8 для машин, перерабатывающих пластические массы, и Н11/е8 – для резиновых смесей. При этом предельное отклонение гильзы должно соответствовать Н8 или Н11 по ОСТ 1014, наружного диаметра червяка – е8 по ОСТ 1013.

Если размеры гильзы червяка не соответствуют полю допусков, то это свидетельствует об износе основных рабочих органов и в зависимости от степени этого износа (исходя из размеров червяка и цилиндра, или размеров, задаваемых преподавателем) необходимо назначить тот или иной вид восстановительного ремонта.

Методика выполнения прочностных расчётов основных узлов и деталей червячных машин. Целью прочностного расчёта является определение размеров основных деталей машин исходя из допускаемых напряжений, или определение напряжений в элементах конструкции исходя из их геометрических размеров.

Расчёты выполняют по известным методикам с учётом вида нагружения и режима работы, исходя из максимальных возможных усилий, возникающих при работе червячной машины. В качестве таких параметров следует определять максимальное давление, развиваемое червяком Р_max, максимальное осевое усилие S_max и вращающий момент, действующий на червяк M_кр.

Максимальное давление развивается червяком в том случае, когда отверстие в головке закрыто и нет выхода материала из машины. Для определения Р_max необходимо взять уравнение, описывающее производительность дозирующей зоны экструдера и приравнять её нулю [19]:

,

где – средняя вязкость перерабатываемого материала по длине червяка; и – соответственно постоянные прямого и обратного потоков; и – соответственно коэффициенты формы для расхода прямого и обратного потоков.

Откуда

.

Величину следует определять по соотношению

,

где – объёмная производительность машины; – перепад давления в головке.

Максимальное осевое усилие, действующее на червяк, упорные и присоединительные элементы следует определять, исходя из максимального давления по соотношению

где – площадь проекции червяка на перпендикулярную плоскость.

После определения значений Р_max и S_maxследует приступить к расчёту основных деталей и узлов червячной машины по следующим методикам.

Расчёт корпуса машины

Отличительной особенностью корпусов червячных машин является то, что они имеют запрессованные гильзы. Натяг, полученный в результате посадки, вызывает давление на наружной поверхности гильзы, вследствие чего на её внутренней поверхности возникают напряжения сжатия. Эти напряжения снижают величину тангенциальных напряжений, возникающих от гидростатического давления перерабатываемого материала.

Давление натяга следует определять по формуле:

,

где – относительный расчётный натяг; – величина натяга; – наружный диаметр гильзы.

,

где и – модули упругости материала, соответственно, цилиндра и гильзы; и – коэффициенты Пуассона материалов, соответственно, цилиндра и гильзы.

Коэффициенты и определяют из соотношения:

; ,

где

;

где – внутренний диаметр гильзы; – наружный диаметр цилиндра.

При одинаковых значениях модуля упругости материала цилиндра и гильзы и равных значениях коэффициента Пуассона

Наибольшие напряжения возникают на внутренних поверхностях гильзы и цилиндра. На рис. 1 изображены эпюры тангенциальных и радиальных напряжений в сечении двухслойного цилиндра. Пунктирными линиями изображена эпюра тангенциальных и радиальных напряжений в цельном цилиндре, толщина стенки которого равна сумме толщины цилиндра и гильзы. Из эпюры напряжений видно, что в двухслойном цилиндре происходит перераспределение напряжений.

Величина в точке А уменьшилась, а точке B увеличилась. Величина в двухслойном цилиндре увеличивается незначительно.

Эквивалентные напряжения в любой точке на внутренней поверхности гильзы (точка А на рис. 1) по энергетической теории прочности определяются по формуле:

,

где ; и – коэффициенты.

Эквивалентные напряжения в любой точке внутренней поверхности цилиндра определяются по формуле:

.

Значения коэффициентов следует выбирать по таблице из [7, c. 232].

В случае электрообогрева элементами сопротивлений из-за разности наружной и внутренней поверхностей цилиндра возникают температурные напряжения. Температурные напряжения, складываясь с напряжениями от внутренних давлений, могут ухудшать или улучшать условия работы цилиндра. Наиболее худшим случаем работы цилиндра является случай, когда тепловой поток направлен от наружных слоёв к внутренним, что соответствует нагреву цилиндра извне и .

Температурное напряжение на внутренней поверхности гильзы будет равно:

.

Суммарное напряжение, возникающее на внутренней поверхности гильзы, будет равно:

.

Суммарное напряжение должно обеспечивать необходимый запас прочности по отношению к пределу текучести при температуре внутренней поверхности:

.

Расчёт подшипниковых узлов червячных машин

Для расчёта радиальных или радиально-упорных подшипников необходимо определить действующие усилия на основании уравнений моментов и проектирования всех сил на ось Y (см. расчётную схему на рис. 2).

;

Откуда реакции в опорах будут равны:

; ,

где – вес червяка, приложенный на расстоянии от первой опоры.

Вес червяка следует определять по соотношению:

,

где – удельная масса; – отношение диаметров, ; – диаметр отверстия в теле червяка для подвода охлаждающей жидкости; – наружный диаметр червяка; – длина рабочей части червяка.

Упорные подшипники выбираются исходя из максимального осевого усилия, воспринимаемого червяком.

Выбор подшипников производится исходя из коэффициентов работоспособности, которые следует определять по соотношению:

где – расчётная нагрузка, кгс; – расчётное число оборотов подшипника в минуту; – расчётное число оборотов подшипника в часах: h = 5000 ч.

Расчётная нагрузка определяется в зависимости от подшипника по соотношению для радиальных подшипников:

Для радиально-упорных подшипников

Для упорных подшипников

где – фактическая радиальная нагрузка; – максимальная осевая нагрузка; – осевая сила, возникающая под действием радиальной нагрузки на радиально-упорные подшипники и направленная вдоль оси вала, ; – угол контакта дорожки качения с телами качения; – коэффициент приведения, зависящий от отношения [14, с. 219]; – коэффициент безопасности, зависящий от характера нагрузки, ; – коэффициент, учитывающий срок службы подшипника в зависимости от того, какое кольцо вращается, наружное или внутреннее [14, с. 220]; – температурный коэффициент, учитывающий влияние температуры подшипника на долговечность [14, с. 221].

Расчётная долговечность подшипника определяется по формуле

.

Методика прочностного расчёта червяков червячных машин аналогична для случая литьевых машин, поэтому не рассматривается.

Отчёт по работе

1. Эскизы основных узлов и деталей червячной машины.

2. Расчётные схемы для выполнения прочностных расчётов основных узлов и деталей.

3. Составить дефектную ведомость на основные быстроизнашивающиеся детали с назначением вида ремонта.

4. Прочностные расчёты корпуса малины и упорно-опорных элементов.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются корпуса червячных машин?

2. Для чего производится охлаждение загрузочной зоны машин?

3. Какие типы загрузочных устройств применяются в червячных машинах?

4. В результате чего возникают осевые усилия при работе червячных машин и чем они воспринимаются?

5. Перечислите основные геометрические параметры червяка.

6. Что такое температурное напряжение, почему оно возникает и как влияет на работоспособность корпуса машины?

7. Типы подшипников для червячных машин.