Двухшнековый экструдер
Владельцы патента RU 2371314:
Министерство промышленности, инноваций и науки Пермского края (RU)
Институт механики сплошных сред Уральского Отделения Российской Академии наук (RU)
Изобретение относится к экструдированию материалов и может быть использовано в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса. Экструдер содержит корпус, два шнека в виде валов с винтовой нарезкой и подшипниковый узел валов шнеков. Подшипниковый узел включает соединенную с корпусом обойму и внутренние втулки. Втулки закреплены на валах шнеков с возможностью осевого и окружного перемещений относительно обоймы. На втулках имеются отверстия для прессуемого материала. Винтовая нарезка вала каждого шнека может быть расположена на расстоянии от обоймы, равном 0,5-2,5 радиуса шнека. При этом каждый вал выполнен с постепенным уменьшением диаметра в направлении течения прессуемого материала. В результате обеспечивается повышение надежности и долговечности экструдера, снижение энергетических затрат. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к экструдированию материалов и предназначено для использования в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является экструдер, содержащий корпус, валы шнеков с винтовой нарезкой и подшипниками, формующие отверстия и фильеры, закрепленные на внутренних втулках подшипников (см. Патент СН 241091 А, 15.02.1946, В29С 47/20,).
Недостатком его является повышенный износ частей за счет консольного крепления шнеков и высокой осевой нагрузки на упорные подшипники обоих валов, низкая надежность и долговечность, а также повышенные энергетические затраты.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и долговечности экструдера, снижения энергетических затрат.
Для получения такого технического результата предлагаемый двухшнековый экструдер содержит корпус, два шнека в виде валов с винтовой нарезкой, при этом экструдер снабжен подшипниковым узлом валов шнеков, включающим соединенную с корпусом обойму и внутренние втулки, закрепленные на валах шнеков с возможностью осевого и окружного перемещений относительно обоймы и выполненные с отверстиями для прессуемого материала, при этом винтовая нарезка вала каждого шнека расположена на расстоянии от обоймы подшипникового узла, равном 0,5÷2,5 радиуса шнека, а каждый вал выполнен с постепенным уменьшением диаметра от указанного места расположения винтовой нарезки в направлении течения прессуемого материала до места расположения внутренней втулки с образованием в области соединения корпуса с обоймой подшипникового узла полости, при этом внутренние втулки расположены на расстоянии друг от друга, а диаметр вала в месте расположения внутренней втулки (Db) определен по следующей формуле:
Dв=Dш(l-kh-kb-2kH),
где Dш - наружный диаметр шнека;
; 
; 
где b - расстояние между внутренними втулками в обойме подшипникового узла;
kb=0,06÷0,08;
h - глубина винтовой нарезки шнека;
H - толщина внутренних втулок по радиусу,
кроме того, экструдер снабжен дорнами и закрепленными на внутренних втулках подшипникового узла фильерами, которые расположены в повернутых друг относительно друга на угол 60° секторах внутренних втулок, для исключения взаимодействия их между собой при повороте валов шнеков, причем упомянутые внутренние втулки выполнены с пропускными отверстиями для прессуемого материала или внутренние втулки выполнены с формующими отверстиями для прессуемого материала.
Отличительной особенностью предлагаемой конструкции является то, что экструдер снабжен подшипниковым узлом валов шнеков, включающим соединенную с корпусом обойму и внутренние втулки, закрепленные на валах шнеков с возможностью осевого и окружного перемещений относительно обоймы и выполненные с отверстиями для прессуемого материала, при этом винтовая нарезка вала каждого шнека расположена на расстоянии от обоймы подшипникового узла, равном 0,5÷2,5 радиуса шнека, а каждый вал выполнен с постепенным уменьшением диаметра от указанного места расположения винтовой нарезки в направлении течения прессуемого материала до места расположения внутренней втулки с образованием в области соединения корпуса с обоймой подшипникового узла полости, при этом внутренние втулки расположены на расстоянии друг от друга, а диаметр вала в месте расположения внутренней втулки (Db) определен по следующей формуле:
Dв=Dш(l-kh-kb-2kH),
где Dш - наружный диаметр шнека;
; ;
где b - расстояние между внутренними втулками в обойме подшипникового узла;
kb=0,06÷0,08;
h - глубина винтовой нарезки шнека;
H - толщина внутренних втулок по радиусу,
кроме того, экструдер снабжен дорнами и закрепленными на внутренних втулках подшипникового узла фильерами, которые расположены в повернутых друг относительно друга на угол 60° секторах внутренних втулок, для исключения взаимодействия их между собой при повороте валов шнеков, причем упомянутые внутренние втулки выполнены с пропускными отверстиями для прессуемого материала или внутренние втулки выполнены с формующими отверстиями для прессуемого материала.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез двухшнекового экструдера, на фиг.2 - вид по стрелке В на фиг.1, на фиг.3 - увеличенный фрагмент А на фиг.1.
Экструдер содержит корпус 1, валы 2, 3 шнеков с подшипниками на конце, отверстия 4. Корпус 1 экструдера снабжен обоймой 5 узла подшипников обоих валов 2, 3 шнеков. Отверстия 4 выполнены во внутренних втулках 6, 7 каждого подшипника, который жестко закреплен на соответствующем валу 2, 3 шнека с осевой и окружной подвижностью по отношению к обойме 5 узла подшипников. Между шнеком и подшипниковым узлом образована полость 8. Полость 8 в области соединения корпуса 1 с обоймой 5 узла подшипников выполнена за счет отсутствия нарезки на шнеках и постепенного уменьшения диаметра валов шнека по ходу течения материала, при этом расстояние от обоймы подшипников равно 0,5÷2,5 радиуса шнека, а диаметр валов шнеков от этого места в направлении течения материала до подшипника уменьшается до величины, определяемой по формуле:
Dв=Dш(l-kh-kb-2kH),
где Dш - наружный диаметр шнека;
; ;
где b - расстояние между внутренними втулками в обойме подшипников;
kb=0,06÷0,08;
h - глубина нарезки шнека;
H - толщина втулок по радиусу.
Полость позволяет при малых размерах глубины нарезки на шнеках конструктивно обеспечить необходимый диаметр отверстий 4 и крепление втулок 6, 7 на валах 2, 3, а также выравнять давление экструзии по сечению. Экструдер снабжен дорнами 9, 10 и закрепленными на внутренних втулках подшипникового узла фильерами 11, 12, которые расположены в повернутых друг относительно друга на угол α=60° секторах внутренних втулок, для исключения взаимодействия их между собой при повороте валов шнеков, причем внутренние втулки 6, 7 выполнены с пропускными отверстиями 4 для прессуемого материала. Дорны 9, 10 и фильеры 11, 12 имеют в сечении профили, для получения по профилю в сечении различных изделий.
Экструдер может быть выполнен без дорнов 9, 10 и фильер 11, 12. В этом случае внутренние втулки 6, 7 выполнены с формующими отверстиями 4 для прессуемого материала.
Экструдер работает следующим образом. Материал поступает между корпусом 1 и валами шнеков 2, 3. При этом он подвергается разогреву, сдвигу, давлению. На выходе шнека в полости 8 создается давление экструзии, необходимое для прессования материала. Происходит процесс прессования материала через пропускные отверстия 4, фильеры 11 и 12 или непосредственно через формующие отверстия 4. При этом в результате избыточного давления осевые усилия, воздействующие на валы 2, 3 шнеков со стороны экструдируемого материала, находящегося под давлением экструзии, существенно компенсируются усилиями, приложенными к втулкам 6, 7 с отверстиями 4. Свобода поступательных перемещений втулок 6, 7 с отверстиями 4 по отношению к обойме 5, жестко связанной с корпусом 1 экструдера, позволяет в большой степени уравновесить осевые нагрузки, воздействующие на шнеки, перевести внешние силы от давления экструзии во внутренние усилия растяжения валов, имеющие значительный запас по прочности. Предлагаемое техническое решение устраняет консольное крепление шнеков и снижает отрицательный результат распорных усилий, действующих со стороны перерабатываемого материала на валы 2 и 3 шнеков, и уменьшает взаимное их расхождение в результате распорной нагрузки. Кроме того, осевые усилия, действующие на упорные подшипники обоих валов шнеков, снижаются в 1,5-6 раз. Это повышает долговечность и надежность экструдера, снижает энергозатраты на единицу продукции. Такое выполнение экструдера снижает требование по силовой нагрузке к упорным подшипникам обоих валов 2, 3, позволяет валы 2, 3 шнеков закрепить не консольно, а на двух опорах, что улучшает конструкцию экструдера, позволяет уменьшить взаимный износ гребней шнеков и корпуса 1 экструдера на концах шнеков. Предлагаемое закрепление фильер 11, 12 и дорнов 9, 10 позволяет расширить ассортимент выпускаемого продукта от сплошного изделия до полых профилей различной по сечению конфигурации.
Технические решения проверены на лабораторном экспериментальном экструдере. Экспериментальный экструдер включал корпус со шнеками диаметром 45 мм, отношение длины шнека к его диаметру 17, угол нарезки реборды 17° (градусов), глубина нарезки 5 мм (kh=0,1). Вращение шнеков встречное. Отношение минимального расстояния между внутренними втулками в обойме к радиусу шнека выбрано kb=0,06. Минимальное расстояние между внутренними втулками в обойме будет равно 3 мм. Тогда наружный диаметр втулок равен Dвн=37,8 мм. Чтобы разместить во втулке отверстия диаметром 5 мм, ее толщина по радиусу выбрана H=8 мм (kH=0,18). В этом случае диаметры валов шнека в месте расположения втулок определяются по выражению Dв=Dш(l-kh-kb-2kH) и равны 21,5 мм, где Dв - диаметр валов в месте расположения втулок; Dш - диаметр шнека (в примере 45 мм); (в примере 0,1); (в примере 0,06); 
(в примере 0,18).
Расчет показал, что валы имеют достаточный запас по прочности. Угол сопряжения внутреннего диаметра корпуса с обоймой подшипника выбран 10 градусов (для снижения возможности образования застойных зон). Длина зоны с отсутствием нарезки на шнеке будет равна 35 мм, что составляет 1,6·Rш. Каждая втулка выполнена с двенадцатью отверстиями диаметром 5 мм и длиной вдоль оси 20 мм. Давление экструзии изменялось в диапазоне 20÷70 атмосфер с помощью задания оборотов шнеков. При используемых давлениях экструзии осевое усилие со стороны шнека на подшипниковый узел по схеме прототипа должно составлять 3180÷11000Н. Косвенная оценка показала, что осевое усилие в предлагаемом экструдере снижается в 4 раз, и составляет 795÷2750Н соответственно. Шнеки, установленные на двух опорах, вращаются без биения. Это означает, что взаимный износ корпуса и гребней шнеков отсутствует. Коэффициент эффективности по снижению осевых усилий на упорный подшипник имеет вид:
,
где
Kэф - коэффициент эффективности, определяемый как отношение осевого усилия на упорный подшипник шнека при традиционной схеме к усилию по предлагаемому техническому решению;
; 
; 
;
kbh=kb+kh;
Dш - диаметр шнека (в примере равен 45 мм);
h - глубина нарезки реборды на шнеке (в примере равна 7 мм);
b - минимальное расстояние между внутренними втулками в обойме подшипников (в примере равно 3 мм). Для примера Kэф=4, т.е. осевое усилие снижается в четыре раза.
1. Двухшнековый экструдер, содержащий корпус, два шнека в виде валов с винтовой нарезкой, отличающийся тем, что он снабжен подшипниковым узлом валов шнеков, включающим соединенную с корпусом обойму и внутренние втулки, закрепленные на валах шнеков с возможностью осевого и окружного перемещений относительно обоймы и выполненные с отверстиями для прессуемого материала.
2. Экструдер по п.1, отличающийся тем, что винтовая нарезка вала каждого шнека расположена на расстоянии от обоймы подшипникового узла, равном 0,5÷2,5 радиуса шнека, а каждый вал выполнен с постепенным уменьшением диаметра от указанного места расположения винтовой нарезки в направлении течения прессуемого материала до места расположения внутренней втулки с образованием в области соединения корпуса с обоймой подшипникового узла полости, при этом внутренние втулки расположены на расстоянии друг от друга, а диаметр вала в месте расположения внутренней втулки (Db) определен по следующей формуле:
Db=Dш(l-kh-kb-2kH),
где Dш - наружный диаметр шнека;
; 
; 
b - расстояние между внутренними втулками в обойме подшипникового узла;
kb=0,06÷0,08;
h - глубина винтовой нарезки шнека;
H - толщина внутренних втулок по радиусу.
3. Экструдер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дорнами и закрепленными на внутренних втулках подшипникового узла фильерами, которые расположены в повернутых относительно друг друга на угол 60° секторах внутренних втулок, для исключения взаимодействия их между собой при повороте валов шнеков, причем упомянутые внутренние втулки выполнены с пропускными отверстиями для прессуемого материала.
4. Экструдер по п.1, отличающийся тем, что внутренние втулки выполнены с формующими отверстиями для прессуемого материала.
