אופטימיזציה של היתרונות הכלכליים של מכונות אקסטרודרציה: ניתוח קצר של גורמים המשפיעים על יעילות הקיבולת

לישה משותפת מכבש כפול ברגים (להלן מכבש) הפך לציוד הליבה בעיבוד פלסטיק שעבר שינוי בשל ביצועי הערבוב המעולים שלו, שילוב הברגים המותאם אישית וביצועי הניקוי העצמי הטובים שלו.

יעילות הייצור של המכבש היא פרמטר שחברות שינוי מעריכות מאוד בעת בחירת ציוד. מקובל לחשוב שלמכבשים בקוטר גדול יותר יש יעילות ייצור גבוהה יותר, אך למעשה, קטרים ​​גדולים אינם המפתח לשיפור יעילות הייצור של המכבשים. גורמים המשפיעים על יעילות הייצור של המכבש כוללים את מהירות המכבש, יחס נפח, מומנט ספציפי, תכנון שילוב הברגים, מצב חומר הפורמולציה, תנאי הפלסטיזציה, בלאי הציוד וכו'.

להלן ניתוח גורמי ההשפעה אחד אחד בהתאם למצב החומר בתהליכים שונים במכונת האקסטרודר ולתכנון שילוב הבורג. במאמר זה נרחיב בפירוט מנקודת מבטו של מנגנון שינוע באקראי.

מנגנון מסוע שחול

המחקר על מנגנון ההובלה של מכבש בעל בורג יחיד הוא הבסיס לפיתוח מכבש בעל שני בורגים. תיאוריית ההובלה המוקדמת ביותר של בורג יחיד הוצעה על ידי דרנל ומול. נקודת הליבה שלה היא שכוח ההובלה קדימה של חומרים במכונת מכבש בעל בורג יחיד מבוסס על העברה מוצקה תחת גרר חיכוך. ככל שהמוביל של אלמנט הבורג של המכבש פוחת בהדרגה או שכוח ההבלטה של ​​אלמנט ההתנגדות ללישה מופעל, החומר הרך והמפוזר בתחילה הופך לפקק מוצק ללא תזוזה יחסית, והחיכוך בין הפקק המוצק לבין פני השטח של הבורג והפקק המוצק יחד עם כוח החיכוך בין המשטח הפנימי של קנה הבורג, הפקק המוצק מועבר קדימה לאורך חריץ הבורג.

לתאוריית ההובלה הקלאסית יש מגבלות כאשר היא מוצעת. היא מניחה שאין תזוזה יחסית בתוך התקע המוצק וכי כוח החיכוך שהוא מקבל קבוע. עם זאת, המצב בפועל שונה למדי, ולכן נוסחת החישוב התאורטית שונה לעתים קרובות מהסטייה הגדולה בפועל. אף על פי כן, תיאוריה זו מציגה את מהות הובלת הבורג באקסטרודר, כלומר, כוח רכיב החיכוך של קנה הבורג על החומר לאורך קצה חריץ הבורג הוא מקור הובלת החומר, והחיכוך בין פני השטח של הבורג המסתובב לחומר הוא החומר המגביל. התנגדות פרוגרסיבית. במילים אחרות, ההבדל בין מקדם החיכוך fi בין החומר המועבר למשטח המתכת של הבורג לבין מקדם החיכוך fb בין החומר למשטח המתכת בתוך קנה הבורג הוא מקור הכוח המניע לגרירת החיכוך. ניתוח התנועה והכוח של הובלת החומר קדימה מוצג בתמונה 1.

למרות שהתיאוריה המוקדמת והמפורטת ביותר של הובלת מוצקים המבוססת על טריבוסטטיקה של מוצקים הוצעה על ידי דרנל ומול, ישנן מספר הנחות בסיסיות:
1. בתעלת הבורג של המכבש, חומר השרף קיים במצב של פקק מוצק, ויש לו קצב אספקה ​​קבוע, וכיוון הלחץ על הפקק המוצק תואם רק את כיוון תנועת החומר;
2. התקע המוצק וכל משטח בחריץ הבורג מקיימים אינטראקציה זה עם זה, ומקדם החיכוך שלו לא ישתנה עם תנודות לחץ, אלא רק עם שינויי טמפרטורה;
3. התעלמות משינוי צפיפות התכולה של התקע המוצק ומהשפעת כוח המשיכה של כדור הארץ, ובהנחה שאין פער בין הקנה לבורג של המכבש;
4. הבורג נייח יחסית לקנה הבורג, והוא נראה כאשר קנה הבורג נע.
פוטנטה ועמיתיו סבורים שבאזור חריץ הבורג של ציר הבורג, צפיפות הנפח/צפיפות הנפח של החומר שונה באזורים שונים. באזורים מסוימים, החומר נמצא במצב רופף, ובאזורים מסוימים, החומר ילחץ ליצירת פקק מוצק. מנגנון ההובלה של חלק הפקק המוצק קשור לתיאוריית ההובלה של דארנל-מול עקבית, והנוסחה הבאה מתקבלת על ידי ניתוח מצב התנועה והכוח של הפקק המוצק:

ניתן לראות מהנוסחה (1) שנפח ההובלה G נמצא בקורלציה חיובית עם מהירות הסיבוב n, יחס הנפח H וקוטר הבורג Db. מאחר שההנחות של תיאוריית ההובלה בעלת הבורג היחיד של דרנל ומול אינן תואמות את המציאות, קיים סטייה גדולה בין הנתונים המחושבים על ידי דורות מאוחרים יותר לבין נתוני הייצור בפועל. מאז, מספר רב של חוקרים ביצעו מחקר מפורט יותר על תיאוריה זו. במספר רב של מחקרים, שתי התיאוריות המוכרות על ידי חוקרים רבים הן תיאוריית המשיכה הצמיגה שהוצעה על ידי צ'ונג ואחרים ותיאוריית המשיכה הצמיגה שהוצעה על ידי טדר, תיאוריית מאזן האנרגיה.

למרות שיש מחלוקות בין התיאוריות, נקודת המוצא המרכזית של תיאוריית דרנל-מול ותיאוריית טדר זהות במהותן, כלומר, כוח החיכוך הדינמי בין החומר של מכבש עם בורג אחד והדופן הפנימית של חבית הבורג היא הגורם החשוב ביותר להובלת חומרים מוצקים. מקור המהות. ההבדל הוא שצ'ונג מאמין שהחומר ישפשף תחילה את דופן המתכת בתוך החבית כדי לייצר שכבה דקה של מותך, וכוח המשיכה הצמיג שנוצר על ידי שכבה דקה זו של מותך הוא שמשפיע על ביצועי שינוע המוצק. המשותף לשלוש התיאוריות לעיל הוא שהחומר המוצק במכונת האקסטרודר נחשב לפקק מוצק, החומר בחלק השינוע המוצק נחשב צפוף, ואין תזוזה יחסית בין החלקיקים המוצקים.

ג'ו פוהואה ואחרים שמו לב שבמהלך כל תהליך העבודה החזותית במכבש האקסטרודר, לפני שהחומר נכנס לאזור ההיתוך, החלקיקים המוצקים נמצאים למעשה בתהליך של החלפה הדדית והחלקה, וחריץ הבורג אינו מתמלא לחלוטין. תופעה זו אינה נעלמת בהדרגה עד לכניסה לאזור ההיתוך. בנוסף, במהלך תהליך ההובלה קדימה של חלקיקי השרף, ניתן לראות בבירור שישנה התכה מבריקה בין חלקיקי השרף. ככל שהמרחב שתפוס ההיתכה בשלב מאוחר יותר גדל, הגבול בין החלקיקים להיתכה הופך פחות ברור. זה מוכיח ויזואלית את חוסר הרציפות של הפקק המוצק ואת הבלתי נמנעות של שינוי תזוזה של הפקק המוצק. בהתבסס על מספר רב של תצפיות וניסויים, ג'ו פוהואה הציע לראשונה את תיאוריית ההובלה המוצקה ללא זרימה של פקק.

למרבה הצער, במשך זמן רב לאחר שהוצעה תיאוריית הובלת מוצקים ללא זרימה תקיעה, לא ניתן היה להשתמש בה כדי להתמודד עם בעיות מעשיות בארץ ובחו"ל בגלל מורכבות התיאוריה. למרות שדיוק החישוב של תיאוריית הובלת מוצקים ללא זרימה תקיעה שופר מאוד, אין נוסחה מפורשת לחישוב הייצור והלחץ, והיא עצמה מהווה בעיית מגע לא לינארית. ישנן נוסחאות רבות ומסובכות, ושיטת האלמנטים הסופיים נדרשת לחישוב. זה מביא קשיים גדולים ביישום המעשי. מר קארוט חקר את הגיאומטריה של ברגים כפולים מסתובבים זה בזה, ויצר מודל של תהליך הובלת החומרים במכונת מכבש כפולה כבסיס למחקר. הם ציינו פה אחד שתהליך הובלת החומרים במכונת מכבש מורכב ומגוון, וישנם בעיקר שני מנגנוני הובלה, כלומר, הובלת תזוזה חיובית לאורך ציר הבורג באזור הרשת העליון והובלת גרר חיכוך באזור חריץ הבורג. ליו טינגהואה ואחרים. ביצעתי ניסויים רבים עם מכבש ויזואלי תלת-כיווני מלא, וחילקתי את קטע ההולכה המוצק לשינוע תזוזה חיובית באזור הרשת ולשינוע חיכוך של חלקיקים גרגיריים באזור חריץ הבורג הצדדי. נפח ההולכה בתזוזה חיובית באזור הרשת מחושב לפי הנוסחה (2):

כיצד למקסם את היתרונות הכלכליים של המכבש אינו נפרד מיעילות הייצור שלו. יעילות הייצור לא נקבעת רק על ידי הפרמטרים הפיזיים ותנאי התהליך של המכבש, אלא שגם מצב החומר משפיע על יעילות הייצור. ככל שצפיפות הנפח של החומר נמוכה יותר, כך תכולת האוויר בחומר גבוהה יותר. בתהליך שינוע החומר באמצעות הבורג, הוא למעשה נע קדימה עם אותה נפח של חומר. ככל שצפיפות הנפח נמוכה יותר, כך קיבולת השינוע נמוכה יותר.

במהלך ערבוב ההיתוך של המכבש, מספר רב של חלקיקים ואבקות נדחסים והופכים להיתוך. הדרך היחידה לצאת מפנים המכבש היא לזרום חזרה לזנב, מה שימנע הזנת אבקה רציפה. כאשר הלחץ והמהירות של זרימת הנגד עולים על ערך קריטי מסוים, הוא יחזיר את ההספק. כאשר שטח החתך של הבורג קטן יותר, זרימת האוויר הנגדית. ככל שהלחץ גבוה יותר, המהירות תהיה גבוהה יותר. בשלב זה, הדבר עלול להשפיע לרעה על ההזנה, מכיוון שנקודת הגלישה של הקצב יורדת עם עליית המהירות, כלומר, ככל שהמהירות גבוהה יותר, כך ההזנה נוזלית יותר. כפי שצוין קודם לכן, חיכוך הוא המפתח להובלת חומרים. יעילות ההובלה היא ביחס ישר למקדם החיכוך "הדינמי". ככל שמקדם החיכוך של קנה הבורג גבוה יותר, כך יעילות ההובלה גבוהה יותר. שינוי כוח החיכוך ישפיע גם על יעילות ההובלה שלו. בנוסף, שילובי בורגים ומבנים שונים ישפיעו גם על מקדם החיכוך "הדינמי" שלו.