PPR管材料水环切粒机系统的结构设计

2022-09-11

一、水环切粒机挤出成型机头的设计原则

1. 挤出成型机头的设计原则

(1) 内腔呈流线型

为使物料能沿机头流道充满并均匀地挤出, 同时避免物料发生过热分解, 所以, 机头内腔与流道有关的部件应尽量呈流线型, 不能急剧扩大或缩小, 并不能有死角和停滞区。流道应加工的十分光滑。

(2) 足够的压缩比

为了使产品密实和消取分流器 (分流锥和分流板) 造成的结合缝, 据塑料种类不同, 应该设计足够的压缩比 (机头的压缩比是指分流锥出口处最小面积与口模出料截面积之比) , 压缩比一般为3~10。

(3) 机构紧凑

在满足产品强度的条件下, 机头结构应紧凑, 与机筒连接处严密并易于拆卸, 其形状尽量做的规则而对称。以使传热均匀, 装卸方便和不漏料。

(4) 选材合理

由于机头磨损较大, 有些塑料有较强的腐蚀性, 所以一般应选择耐磨, 硬度教高的钢材和合金钢。

二、水环切粒挤出机机头及水环切粒机结构

1. 水环切粒挤出机机头结构组成

机头是由口模, 分流锥, 分流板, 机头体和连接体等组成。如图2-1所示

2. 分流板 (滤网切换板)

功能: (1) 滤去未塑化的树脂和杂质。

(2) 增加挤出机的反压力, 提高塑化程度。

(3) 使经挤出熔融塑化的物料由螺旋运动变成直线运动, 以使挤出物料均匀分布。

(4) 支撑过滤网。

结构尺寸:分流板孔眼排列, 大多为同心圆, 也有六角形均分的, 但从物料流速分布图2-2看, 为使物料流经分流板后流速保持一致, 常使过滤板中间的孔眼直径小或分布疏, 边缘的孔眼直径大或分布密, 孔眼直接一般为2-7mm, 因此, 在设备为φ72啮合同向双螺杆挤出机, 并考虑PPR管材料物料性能, 在不影响分流板的作用及保证设备正常的情况下, 孔径定为φ4mm, 孔眼边缘密, 中间疏的分布在90×206的椭圆内, 同时可以加30目×60目滤网, 从而使使经挤出熔融塑化的物料由螺旋运动变成直线运动, 以使挤出物料均匀分布。

为防止物料的局部滞留和聚焦, 物料流入面孔眼全部倒斜角, 过滤板的厚度据挤出机的规格和分流板承受压力而定, 一般为机筒内经的1/3-1/5或螺杆直径的20%。太厚, 阻力增大, 太薄, 起不了分流作用。此处选分流板厚度为10mm。

3. 分流锥

也称鱼雷头, 结构如图4所示。功能:

(1) 减少机头内腔容积和增加传热面积, 使树脂受热历程和流动较为均匀。

(2) 分流锥表面和机头体之间有一定的角度, 可使树脂以均匀的压力挤入口模, 因为没有树脂滞留, 挤出成型比较容易。

(3) 分流锥与多孔板之间的空腔, 起汇集料流, 补充塑化和重新组合作用。

结构尺寸:分流锥扩张角, 一般为60。α过大, 塑料流动阻力增加, 再加上此处温度较高, 易造成物料分解, α过小, 造成结构庞大, 不利于塑料均匀受热。分流锥的长度为L= (0.6~1.5) D, L过大, 机头重量增加, 物料易分解。对于φ72双螺杆L取80mm。分流锥头部圆角R= (2.5~5) mm, R过大物料易分解, 此处R取3mm。分流锥与多孔板之间的距离K= (10~20) mm。K过大, 塑料停留时间过长, 易分解。K过小, 物料流动不稳定, 也不均匀, 此处R取15mm。

三、水环切粒机零部件的设计和选用。

1. 水环切粒机的原理、模板出料孔数和挡水板的设计

如图5所示, 水环切粒机切粒原理为高聚物熔体从模具孔中挤出后被高速旋转的切刀切下, 切下的粒子被甩到高速注水形成的一个圆柱形水环水道中冷却定型, 然后被送到分离器中, 分开水和粒子。由于机头与水直接接触, 必须采用隔热保温措施, 在机头和水环面之间采用石棉板隔热, 这样即起到保温的作用, 同时起到隔热作用, 从而防止料粒与模板粘连, 为防止切刀与模板的摩损, 模板的表面硬度要求比较高。粒子的形状可以是圆柱形、围棋子形或球形, 长度由切刀的旋转速度确定, 直径由出料孔确定。

水环切粒系统的出料孔φ=2mm, 每孔生产能力大约为6-10Kg/h。这取q=10Kg/h。

根据公式:Q=N×q, Q为总产量, N为孔的个数, q为每个孔的产量, 设计产量为500Kg/h, 则模板上的出料孔数为50个, 则每个粒子大小3×3mm。

水环切粒机切粒罩的挡水环结构也至关重要, 挡板的原设计为圆筒形, 实践生产中, 我们发现这种结构上方极易存料, 因而导致结块, 不能长周期开车, 经过多次实践摸索我们设计如图6所示的挡板解决了这一问题, 保证了设备的长周期开车。

2. 切刀的选择、安装角度

切刀安装角度应使切下的粒子投向水环, 以防粘接。根据实践经验选择角度与旋向方向为60°时防粘连效果最佳, 故选用切刀安装角为60°, 切刀必须选择耐摩的材料, 选用40Cr。有着很强的耐摩性, 由于PPR管材料粘度较高, 各项强度较高, 扭矩较大, 根据实践开车经验, 选用4把切刀能够达到使用要求。

3. 电动机的选择

电机是依据水环切粒机刀轴的转速和扭矩的情况选用的。

(1) 切刀转速的计算

粒子截面S=πR2=7.065mm2 (R取3mm)

粒子体积V=SR=πR3=21.2mm3

每个粒子的质量M=ρ×V=19.08×10-3g (ρ值按照上表取0.9)

可以算出切刀切过粒子的速度U=2.777/19.08×10-3g=145.5mm/s

切刀的速度W=145.5/ (3×2) =24.25rad/s=1455rad/min

根据上面的数据切刀的速度w=1455rad/min, 同时PPR化工管道料切粒时要求能够承受一定的扭矩, 因而选出的电机的型号Y2-100L1-4, 其基本数据表2所示

4. 联轴器的选择

因为电机与传动轴连接时存在同轴对中的问题。选用通常的联轴器, 刚性较强, 很难使电机轴和切刀轴同轴, 从而毁坏电机和刀轴, 选择十字轴万向联轴器基本找正后可以进行万向调节, 解决同轴对中问题, 联轴器结构见图5。

根据JB/T5901-1991, 选用WSD型十字轴万向联轴器的尺寸为d=25mm, D=50mm, L0=152mm

5. 刀轴的选用及轴的较核

传动轴直径φ25mm受到转矩是2.2KN.m选用材料是45钢, 材料热扎钢。

化学成分=组成元素比例 (%) :碳C:0.18~0.28;锰Mn:0.40~0.70;磷P:≤0.045;硫S:≤0.045;硅Si:≤0.30

特性及应用用途:转轴、心轴、吊钩、拉杆、摇杆楔等强度要求不高的零件, 焊接性尚可;脱氧方法:冲击实验:温度20℃下Akv (纵向) =27J

受到应力F=0.025×2.2×10=55<255合格

6. 弹簧的选择

选择弹簧时必须考虑弹簧的使用寿命、是否可以承受压力而不会变形。所以选择碳素弹簧钢丝, 有足够的强度和使用寿命。根据GB/T1239.6-2009碳素弹簧钢丝直径系列。选用钢丝直径d=3mm。

7. 轴承的选择

因为轴承受一个向里的推力, 必须要求轴承可以承受这个推力。所以选择单向推力轴承。可以承受这个向里的推力, 使连接件更加稳固。由于刀轴内部直径为25mm, 根据GB/T301-1995单向推力轴承, 选用轴承型号为:51205。

8. 水环水泵的选取

水环切粒机的输送水泵选用ISW65-200I, 流量为50m/h, 扬程50m。管径DN65, 功率18.5KW, 转速2900r/min, 水箱的水温25-40°C, , 水箱采用不锈钢焊接, 水环切粒系统是高效率, 高产量, 环保型的一种切粒方式。在水环时, 热料粒不停的被切刀投入水环中, 在水环中得到冷却, 然后粒子和水被过滤网滤开, 进入离心脱水机脱水甩干, 水又进入循环槽中, 由换热器进行冷却, 从而使水可以重复使用, 节省了大量水资源。

结论

水环切粒系统是一种经济及环保切粒系统, 尤其适合于熔融流动速率在 (0.18~0.4) 范围内的PPR化工管道专用料的切粒, 切出的颗粒外观优美, 分散均匀, 满足顾客的需要, 解决了挤出机受切粒产量的限制而不能提高生产产量的这一瓶颈, 同时水环切粒采用循环水冷却, 节约了大量的水资源, 同时占地面积小, 节约了厂房的空间, 水环切粒系统的出现和完善, 将为PP改性料生产节约成本和提高产量做出更大的贡献。

摘要：随着科学技术的飞速发展, 机械设备的不断更新, 双螺杆挤出机物料的切粒方式也需要有更先进的改进。从而来满足不同顾客的需要、提高设备生产的生产产量、降低设备的能耗。双螺杆挤出机的造粒形式分为:冷切法和热切法。冷切是指物料从机头模孔中挤出后牵引拉成条状, 进入水槽中冷却后在经过专用切粒机进行切粒的方法。冷拉条切粒的优点是料条冷却较好, 缺点是粒型不能满足顾客的需要, 能耗物耗大;消耗大量的水资源, 冷却水槽占地面积较大, 需要安装多台风机进行风冷和除水, 同时受料条速度和切粒速度的瓶颈影响而不能提高产量, 而热切是指物料从机头模孔中挤出后, 在熔融或半熔融状态下进行切粒的方法;。热切目前常用的切粒方式有, 水下切粒, 水环切粒等。水下切粒是一种比较成熟的切粒方式, 产量高, 但是其造价高, 适用于装置大规模生产, 且物料切换清理不便, 浪费较大, 不适合改性物料的生产。水环切粒系统是现在运用比较广的一种切粒方式, 它主要应用于PP、PE等材料的成型粒子化。水环切粒与水下切粒的不同点在于切粒装置外壳也呈圆形而且有一高速水环在内壁旋转, 水环是通过高速水流切线方向喷入靠离心力而形成且沿壳体轴向螺旋前进, 最后从壳体轴向末端下面流出。本文从水环切粒机挤出成型机头的设计及结构、水环切粒机零部件的设计和选用, 两个方面同时结合本单位PPR化工管道料一些实际生产情况来说明水环切粒机系统结构上的优越性和提高生产产量的重要性。

关键词：水环切粒,压缩比,口模,分流锥,分流板,十字轴万向联轴器