Особенности оборудования, используемого для облицовки проволоки и кабелей

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет технологий управления и гуманитаризации

Кафедра «Организация упаковочного производства»

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине «Технологии переработки полимеров»

на тему: «Особенности оборудования, используемого для облицовки проволоки и кабелей»

 

 

 

 

 

Исполнитель:                                                                           студентка гр.308310

                                                                                                   Белецкая У.И.    

 

 

Руководитель:                                                                           Карпунин И.И.                                             

 

 

 

 

Минск 2013

 

 

Содержание

 

Введение	4
1.Классификация методов  переработки материала	5
2. Оборудование, применяемое  для облицовки	8
3. Оборудование, входящее в состав линий для облицовки	10
3.1. Охлаждающее оборудование	10
3.2. Намоточные устройства	10
3.3. Экструзионные головки	11
3.4. Конструкция экструдера	12
3.4.1. Одношнековый экструдер	12
3.4.2. Двухшнековый экструдер	17
4. Технологические процессы в экструдере	19
4.1. Перемещение полимера	20
4.2. Уплотнение полимера	21
4.3. Расплавление полимера	21
4.4. Гомогенизация расплава	22
4.5. Рост давления в  цилиндре экструдера	23
Заключение	25
Литература	26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Экструзия – это изготовление из гранулированного, порошкообразного или зернистого полимера бесконечного формованного профилированного изделия.

В экструзионной установке наиболее значимым элементом является сам экструдер, называемый также шнековым прессом.

Принцип работы экструдера состоит в том, что в нагреваемом материальном цилиндре вращается шнек, которые уплотняет, расплавляет и гомогенизирует полимерную массу, а затем выдавливает ее сквозь выходное отверстие формующей головки. Сам по себе экструдер еще не является машиной для переработки полимеров, а представляет собой лишь пластицирующее устройство.

Экструдер, укомплектованный формующей головкой, устройствами калибровки, охлаждения, отвода и намотки – это технологическая установка для переработки полимеров.

Наряду с одношнековыми машинами также используются и многошнековые экструдеры.

Из многошнековых машин для переработки порошкообразных полимеров, в первую очередь и х ПВХ, особое значение приобрел двухшнековый экструдер.

Экструзионная линия. Все производственное оборудование,  используемое для изготовления изделий определенного вида, объединено понятием экструзионная линия.

В состав экструзионной линии входят: экструдер, формующая головка, калибровочное, охлаждающее, приемное, наматывающее оборудование, используемое для разделительной резки.

Нередко в экструзионной линии используются и другие установки, например, приборы для измерения толщины стенок, маркировочные устройства, штамповочное оборудование или устройства формовки трубопроводных муфт.

Кроме того, в состав линии можно включить устройства для приема изделий, например, вакуумные всасывающие рукава для приемки листов, качающиеся желоба для труб и штабелирующее устройство.

После того как за счет формующего инструмента расплаву полимера будет придана определенная форма, она должна сохраняться вплоть до кристаллизации (затвердевания) расплава. Затем экструдат переходит на приемное устройство со скоростью, соответствующей производительности экструдера. Элементы последующего оборудования могут быть абсолютно различны.

 

 

 

 

 

Классификация методов переработки материала

Основные технологические принципы производства полимерных материалов и изделий для отделки и облицовки базируются на учете свойств перерабатываемых пластмасс — их способности утверждаться при определенных условиях. Переработка пластмасс — комплекс процессов, обеспечивающий получение изделий с заданными свойствами на специальном оборудовании. Переработка включает приготовление материала и подготовку его к формованию (например, гранулирование), формование изделий и их последующую обработку (термическую, радиационную и др.). Наиболее важным является процесс формования. Классификация методов переработки основана на особенностях физического состояния перерабатываемого материала в момент формования:

формование из полимеров, находящихся в вязко-текучем состоянии: литье под давлением, экструзия, прессование;

формование из полимеров, находящихся в высокоэластичном состоянии: вакуумформование, пневмоформование, горячая штамповка;

формование из полимеров, находящихся в твердом состоянии (стеклообразном или кристаллическом), основанное на их способности проявлять вынужденную высокоэластичность (штамповка при комнатной температуре, прокатка и др.).Выбор метода переработки осуществляется с учетом большого числа факторов. Наиболее важными из них являются конструктивные особенности изделия, особенности свойств и технологические возможности выбранного полимера, условия эксплуатации изделия и вытекающие из них требования к нему (чистота и качество поверхности, точность размеров и др.). Для переработки термопластов используют следующие основные методы:

литье под давлением — метод формования, заключающийся в размягчении материала до вязкотекучего состояния и последующем перемещении его в литьевую форму, где материал затвердевает при изменении температуры, приобретая конфигурацию внутренней полости формы. Способ предусматривает использование литьевых машин. Величина давления и температура полимерной массы зависят от вида полимера. Давление может составлять от 40 до 150 МПа. Температура размягчения полимерной массы — 200-450 °С. Метод используется для изготовления облицовочных плиток; экструзия — непрерывное профильное продавливание вязко-текучей полимерной композиции через формообразующее устройство (мундштук) экструзионной машины. Специально приготовленные гранулы размягчают в экструдере путем нагрева и перемешивают до гомогенного состояния. Способ позволяет получать непрерывные изделия любого профиля: погонажные изделия, пленки, листы и др.;

переработка на вальцах с путем пропускания размягченного материала в зазор между валками (вальцами) каландра, образующими бесконечную ленту изделия, толщину и ширину которой можно регулировать. Валки имеют полированную поверхность и нагреваются до определенной температуры (в зависимости от вида полимера и состава полимерной массы). Применяют для изготовления пленок, рулонных материалов. Метод позволяет получать одно- и двухслойные материалы;

метод намазывания, предусматривающий нанесение тонкого слоя полимера в горячем виде на ту или иную основу посредством погружения, обмазки или распыления. Производство термопластов практически безотходно, так как отходы могут вновь перерабатываться в готовые изделия. Термопласты легко поддаются механической обработке, сварке, склеиванию. Эти особенности позволяют получать штампованные, сварные, клееные и т.д. материалы и изделия. Для переработки реактопластов используют методы, аналогичные вышеперечисленным методам переработки термопластов. Но для них характерны некоторые особенности. Так, необходимо сочетание физических процессов формования с химическими реакциями трехмерных полимеров (отверждением). Свойства изделий определяются скоростью и полнотой отверждения. Основными методами переработки реактопластов в материалы и изделия являются: формование под давлением, предусматривающее использование пресс-порошков, представляющих собой смесь порошкообразного наполнителя с термореактивной смолой, подвергнутую частичному отверждению (предотверждению). Пресс-порошок вводят в пресс-форму, где подвергают одновременному воздействию давления и нагрева. Порошок размягчается, заполняет всю полость пресс-формы и в горячем состоянии затвердевает, превращаясь в готовое изделие; литье под давлением. Его особенностью являются необходимость строгой регулировки температуры (при температуре пластикации выше оптимальной происходит отверждение материала еще до заполнения литьевой формы; при температуре ниже оптимальной реактопласт плавится долго и затвердевает, не превратившись в расплав необходимой вязкости) и подача материала в обогреваемую форму, а не в охлаждаемую, как при литье термопластов; метод намазывания, заключающийся в нанесении тонкого слоя полимера на ту или иную основу посредством погружения, обмазки или распыления с последующим нагревом для полимеризации после нанесения на основу.

Материалы, перерабатываемые экструзией.

Экструзии поддаются все термопласты. Единственное ограничивающее условие – все подлежащие переработке полимеры в состоянии плавления должны обладать высокой степенью вязкости. Это необходимо для того, чтобы выходящий из формующей головки расплав не растикался, а сохранял на короткое время придуманную ему форму. Высокая вязкость расплава достигается либо высокой степенью полимеризации, либо введением в полимер определенных добавок.

последующим каландрированием. Каландрирование — операция, при которой пластмасса формуется в изделие

Из всех термопластов экструзией чаще других перерабатывается ПВХ, за ним следует ПЭ и ПП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Оборудование, применяемое для облицовки

Для облицовки проволоки используются следующее технологическое оборудование: приспособление для ее размотки, правильное устройство, узел предварительного нагрева, экструдер с поперечной или наклонной экструзионной головкой, охлаждающая ванна, контрольный прибор, тянущее устройство и устройство намотки (рис. 1).

Для облицовки проволоки и кабелей используются такие полимеры, как ПЭ, ПП и ПВХ. Производительность линии зависит от типа и размера подлежащих облицовке проволоки, многопроволочных гибких проводов или кабелей. Например, для больших морских (подводных) кабелей производительность составляет 2 м/мин, а для тонких слаботочных кабелей эта скорость доходит до 1600 м/мин. Соответственно, существуют и некоторые различия в элементах конструкции облицовочной линии.

При облицовки проволоки различают два типа устройств для ее размотки. Для тонкой проволоки используется так называемое устройство размотки со сходом через торец. Проволока разматывается рычагом, вращающимся вокруг неподвижного барабана. Подобное устройство позволяет обеспечивать высокую производительность. Многопроволочные толстые кабели разматываются с помощью барабана с регулируемой скоростью вращения.

В настоящее время также используются и синхронно коммутированные приводы – от устройства размотки проволоки, через двигатель экструдера, до устройства намотки проволоки.

Для исправления перегибов или значительных изгибов за устройством размотки проволоки следует правильное устройство. После правки проволока нагревается электронагревателем или газовой кольцевой горелкой.

Наложение изоляции экструзией (облицовка) осуществляется в угловой головке, при этом подлежащий облицовке провод протягивается через ее центр.

После этого облицованная проволока проходит через охлаждающую ванну. При высоких производственных скоростях охлаждающие ванны могут быть очень длинными. Также существует возможность многократной протяжки проволоки сквозь одну охлаждающую ванну – с этой целью используются направляющие (отводные) валки.

Контрольный прибор оценивает допуск облицовки по толщине, ее центричность и диэлектрическую (пробивную) прочность.

Тонкая проволока отводится с помощью барабанных приемных устройств или двухдисковых приемников, а толстые кабели отводятся гусеничными тянущими устройствами.

Намотка проволоки осуществляется внутрь резервуара (бочки) или барабана за счет поворотного рычага. Тяжелые кабели также наматываются на барабан.

Облицовка тросов, канатов, шлангов и труб схожа с процессом облицовки проволоки. Подобной процедуре подвергаются и жесткие материалы, например, дерево, сталь и алюминий, выступающие в качестве несущего или декоративного профиля.

Таким образом, изготавливаются: фурнитура, элементы заграждений, планки скамеек и перил, а также декоративные детали для автомобильной промышленности. В таких случаях, как правило используется сложный эфир целлюлозы.

 

 

Рис. 1. Линия для облицовки кабеля:

1 – устройство обмотки  кабеля (проволоки);

2 – правильное устройство;

3 – узел предварительного  нагрева;

4 – экструдер;

5 – экструзионная головка;

6 – вакуумный насос;

7 – охлаждающая ванна;

8 – контрольный прибор;

9 – тянущее устройство;

10 – устройство намотки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Оборудование, входящее в состав линий для облицовки

1. Охлаждающее оборудование

В качестве охлаждающих сред используется вода и воздух. Толстостенные изделия интенсивно охлаждают с помощью водяных бань и душей. Для профилей с незначительной толщиной стен, а также для плоскх пленок и листов, вполне достаточно воздушного охлаждения. В этом случае применяются воздушные души, щелевые или кольцевые форсунки и свободные воздушные участки.

2. Намоточные устройства

 

Гибкие экструдаты,как правило, наматывают.

Наряду с такими классическими наматываемыми изделиями, как пленка и кабели, в твердом состоянии наматываются также мягкие профили и трубы малого и среднего диаметра.

Приводы намоточного устройства должны быть сконструированы таким образом, чтобы наматывать изделие с постоянной скоростью.

Поскольку с каждым оборотом происходит увеличение диаметра приемного устройства, число его оборотов необходимо постоянно снижать, увеличивая при этом вращающий момент. Таким образом, намоточные устройства должны быть оснащены непосредственным приводом от двигателей постоянного тока с последовательным вохбуждением, а также преобразователями вращающего момента. При работе с пленкой намоточное устройство чаще всего имеет вариаторный привод (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Устройство для намотки с вариаторным приводом:

1- прижимной ролик;

2 - приводной ролик с вариатором;

3– двигатель

 

 

3. Экструзионные головки

Головка – это формообразующий инструмент. Она устанавливается на конце материального цилиндра и сконструирована таким образом, чтобы расплав полимера принимал желаемую форму сечения.

При этом необходимо следить за тем, чтобы проточный канал(отвходной зоны потока до прямолинейного участка) по возможности плавно переходил к форме сечения изготавливаемого изделия. Это позволяет расплаву выходить из головки с одинаковой скоростью, а не оставаться в застойных участках (расположение полимерной массы).

При переходе расплава полимера из материального цилиндра в головку он проходит через узкий участок, обеспечивающий рост давления в цилиндре. Дополнительную возможность дросселирования дает решетка. Кроме того, она используется для установки проволочного сита (рис. 3). Для дросселирования применяют и другие способы или устройства, например, регулировка зазора между концом шнека и конической стенкой или дроссельной (запорный) винт.

 

Рис. 3. Решетка между цилиндром экструдера и головкой :

1 – решетка;

2 – сито

Головка разделена на три части:

1. входная зона;
2. переходный участок или участок распределения расплава;
3. прямолинейная направляющая зона.

В первой зоне расплав переходит от круглого сечения канала, который приблизительно повторяет внешние контуры профиля. На переходном участке расплаву придается форма профиля.

Прямолинейная направляющая зона служит для успокоения потока расплава.

 

Головки для нанесения изоляции экструзией

 

 При облицовке полимерами  используются головки, через которые  и протягивается материал, подлежащей  облицовке.

Пожалуй, наиболее известный пример подобного рода операций – наложение оболочек на кабели и изоляция проводов (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Принцип облицовки кабеля:

а – облицовка внутри головки;

б – облицовка вне головки

Для первичной изоляции провода, как правило, используются головки с внутренней облицовкой. Если изоляцию необходимо наложить на несколько скрученных или уже изолированных проводов, применяется метод внешней облицовки.

4.   Конструкция экструдера

3.4.1.Одношнековый экструдер

Одношнековый экструдер состоит из материального цилиндра с размещенным в нем шнеком, электродвигателя, загрузочного бункера и редуктора (рис. 5).

На цилиндре устанавливаются несколько кольцевых нагревателей (от 4 до 6), каждый из которых регулируется индивидуально. Как правило, в каждой зон нагрева смонтировано охлаждающее устройство, что повышает точность регулировки температуры. Для предотвращения преждевременного оплавления полимерной массы зона цилиндра, находящаяся в непосредственной близости от загрузочного отверстия, в процессе работы экструдера постоянно охлаждается.

 

Рис. 5. Схематическое изображение экструдера:

1 – шнек;

2 – материальный цилиндр;

3 – нагреватели;

4 – загрузочный бункер;

5 – редуктор;

6 – двигатель.

 

Шнек

 

В вопросе конструктивного исполнения особое внимание следует уделить наиболее важной части экструдера, а именно шнеку. Опыт показывает, что лишь некоторые типы шнеков зарекомендовали себя с положительной стороны. К ним относятся, например, трехзонный шнек и шнек с уменьшающимся шагом и постоянной глубиной нарезки (рис. 6).

Рис. 6. а – ступенчатый шнек;

             b – шнек с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки.

При этом следует отметить, что основные элементы шнеков одинаковы, а их различия состоят в деталях. Внешне любой шнек состоит из сердечника, который как бы обвивается относительно узким пояском с закругленными боковыми поверхностями. Углубления называются узелками шнека. Важными параметрами, характеризующими работу шнека, являются следующие:

• длина и диаметр, а также отношение длины к диаметру;
• глубина нарезки в начале и конце шнека;
• длины отрезков с различной глубиной нарезки;
• ширина гребня;
• шаг витка;
• угол винтовой нарезки; (рис. 7).

Данные о диаметре и соотношении  длины и диаметра (L/D) – величины, по которым может быть дана оценка производительности экструдера. Крутящий момент шнека и его диаметр являются параметрами, характеризующими конструкцию экструдера. Таким образом, экструдеры четко классифицируются по производительности и изготавливаются только со шнеками определенного диаметра.

Общепринятые размерные параметры шнеков: диаметр – 45, 60, 90, 120, 150, 200, 250 мм; длина от 20 до 30 D.

Глубины нарезки (h1 и h2) определяют коэффициент сжатия шнека; они необходимы для уплотнения полимерной массы при переходе в состояние плавления.

Воздух, который всегда попадает в цилиндр вместе с загружаемыми материалами (порошок, гранулят), вытесняются через штуцер. Соотношение глубины h1 и h2 наиболее часто используемых шнеков составляет от 1:1 до 1:3.

Размерные параметры шага витка (t) и ширина гребня (е) согласуются с размерами шнека и, как правило, составляют t = D, а е = 0,1 D.

Кроме упоминавшихся выше и изображенных на рисунках геометрических схем шнеков, для выполнения специальных задач используются и другие их типы. Здесь следует упоминуть шнек со скоростным сжатием, применяемый в работе с полимерами с узкой областью плавления, шнек с системой дегазации, где в области декомпрессии из полимерного раслава выводятся летучие компоненты (рис. 7,8).

Рис. 8. Различные формы шнека:

1 – в зоне загрузки  однозаходный, а в зоне плавления  и дозирования двухзаходный;

2 – однозаходный шнек  с уменьшающимся шагом нарезки  и постоянной глубиной канала;

3 - однозаходный шнек со  скоростным сжатием;

4 - однозаходный шнек с  системой дегазации;

5 – барьерный шнек, в  зоне дозирования двухзаходный

В последнее время второе рождение переживает барьрный шнек (рис. 8), который в сочетании с зоной загрузки, снабженной пазами, способен обеспечить большую производительность при оптимальном качестве плавления. Шнеки со смесительными и диспергирующими элементами (рис. 9) используются в сочетании с захватывающей втулкой. Такие участки в значительной степени способствуют протеканию процессов пластификации и гомонегизации. для передачи крутящего момента на задней стороне шнека имеютмя шлицы и пружина. на шнеках Большего размера используются многоклиновое зубчатое зацепление.

Передний конец шнека завершается наконечником.

Рис. 9 Смесительные и срезающие компоненты, используемые в шнеках.

Цилиндр

Шнек и цилиндр образуют узел пластикации.

Цилиндры могут быть цельными или собранными из двух частей. При переработке пластифицированного ПВХ и при использовании шнеков с системой дегозации для П, УПС, АБС, ПММА предпочтение отдается цельным цилиндрам. Большинство одношнековых цилиндров, предназначенных для переработке полиолефинов, состоят из двух частецй – из короткой захватывающей втулки (до 3D) и гладкой трубы цилиндра.

Использование захватывающей втулки, снабженной пазами, позволило увеличить мощность подачи экструдеров. Втулка со стороны воронки имеет несколько продольных пазов; их длина составляет приблизительно 3D, и они заканчиваются внутри цилиндра. В сечении пазы могут быть полукруглыми или прямоугольными. Чаще всего предпочтение отдается прямоугольному сечению (рис. 10).

 

Рис. 10. область подачи одношнекового экструдера, снабженная продольными пазами:

1 – охлаждающий канал;

2 – прямоугольный паз.

Пазы предотвращают возможность вращения материала вместе со шнеком. Они позволяют оптимально использовать сдвиг гранулята боковыми поверхностями нарезки шнека, что ускоряет процесс перемещения материала в цилиндре.

Захватывающая втулка подвергается интенсивному охлаждению отдельно от цилиндра. Кроме того более высокого усилия осевой подачи, экструдеры с захватывающей втулкой позволяют добиться более быстрого уплотнения полимерной формовочной массы. Впускное отверстие имеет удлиненную форму (размер оси от 1,2 до 1,6D).

Как правило, между боковыми сторонами шнека и цилиндром имеется зазор в несколько десятых миллиметра. В процессе работы экструдера шнек «плавает» в расплаве полимера.

К шнеку и цилиндру предъявляются весьма высокие требования в вопросах прочности, устойчивости к износу и коррозии. Поэтому при их изготовлении используются высокопрочные азотированные сорта стали. При предъявлении более высоких требований на боковые поверности шнека наплавляют сплавы, стойкие к износу, а также используют центробежную заливку внутренней поверхности цилиндра.

Приводы

Эксплуатация эктрудера подразумевает использование двигателя. Как правило, применяются электродвигатели, параметры которых должны быть рассчитаны в соответствии с основной задачей. Она, в свою очередь, определяется энергией подачи вязкопластических полимерных масс. В зависимости от диаметра шнека мощность инсталлируемых приводов может варьироваться от 10 кВ для шнека диаметром 45 до 500 кВ для шнека диаметром 250 мм.

Кроме того, должна быть обеспечена возможность эксплуатации экструдера на разных скоростях. Именно поэтому рекомендуется использовать двигатели с бесступенчатой регулировкой числа оборотов. Наряду с электродвигателями постонного тока применяются также и трехфазные элекродвигатели. В последнее время все большее распространение получают трехфазные электродвигатели с регулированием по частоте в диапозоне до 150 кВ – они обладают рядом технических и экономических преимуществ по отношению к двигателям постоянного тока.

Не исключено и использование объемных гидравлических двигателей, но они применяются только в специальных условиях и при небольших размерах экструдера.

С двигателем соединен редуктор. Его задача состоит в снижении числа оборотов двигателя до числа оборотов шнека, составляющих от 25 до максимально 200 оборотов в минуту. На выходном валу редуктора устанавливается соединительная муфта.

 

 

Нагрев и охлаждение

Для расплавления полимерной массы цилиндр шнека нуждается в дополнительном нагреве.

С этой целью на цилиндре установлены кольцевые электронагревательные регулируемые элементы, которые при работе экструдера в установившемся режиме настроены на постоянную температуру.

Полимеры с узкой областью плавления требуют быстрой ликвидации пиковых температурных нагрузок, которые могут возникать в материальном цилиндре. Именно поэтому каждый нагревательный участок экструдера нердко оборудуют охлождающими приспособлениями. Охлаждение может осуществляться с помощью вентелятора или посредствам воды, находящейся в окружающей цилиндр медной трубке.

Кроме того, современный уровень техники предусматривает возможность внутреннего охлаждения шнека. Такое охлаждение применяется при выполнении особых экструзионных задач.

3.4.2. Двушнековый цилиндр

Двушнековый экструдер отличается от одношнекового тем, что в его материальном цилиндре размещены два шнека. Цилиндр может иметь восьмигранное поперечное сечение. В большинстве случаев для работы используются соскабливающие шнеки.

Это значит, что гребни одного шнека размещаются в углублениях другого шнека и наоборот (рис. 11).

Рис. 11. Соскабливающие спаренные шнеки

Различают шнеки встречного и синхронного действий. Обе системы имеют свои преимущества и недостатки. Чаще всего применяют двушнековые экструдеры со шнеками встречного вращения.

Конструкция двушнековых экструдеров сложнее. Это касается узлов упорных подшибников и приведения шнеков во вращение – сложности связаны с их невыгодным при эксплуатации межосевым расстоянием. Опытным путем удалось найти технические решения, обеспечивающие бесперебойную работу двухшнековых экструдеров.

Конический  двухшнековый экструдер (рис. 12) обладает некоторыми преимуществами в том, что касается узлов с упорными подшипниками, подачи материала и производительности в процессе пластикации. Во-первых, заднее межосевое расстояние в коническом экструдере достаточно велико для размещения крупных упорных подшипников, а, во-вторых, глубокие витки шнека на нагрузке обеспечивают возможность подачи большего количества материала в зону плавления, особенно когда это касается порошковых композиций с плохой сыпучестью.

Рис. 12. Конический двухшнековый экструдер

При одинаковой мощности плавления длина нарезанной части шнека конического экструдера, как правило, меньше чемава у экструдера с параллельно расположеными шнеками.