Экструзионная головка
Владельцы патента RU 2317200:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "Этерна" (RU)
Изобретение относится к формованию веществ в пластическом состоянии, а именно к устройствам с вращающимися частями фильеры для экструзионного формования сетчатых труб из полимерного термопластичного материала. Экструзионная головка состоит из корпуса с нагревателем и полостью, заполняемой расплавом, поступающим из экструдера. Полость закрывает диск, состоящий из взаимно подвижных внутренней и наружной кольцевых фильер. В фильерах выполнены равномерно распределенные отверстия для экструдирования материала. Фильеры имеют концентрично расположенные поверхности скольжения, образованные усеченными конусами, сужающимися в направлении экструдирования. Внутри корпуса размещен дорн с возможностью вращения в подшипнике скольжения. Подшипник закрывает полость со стороны, противолежащей диску. Внутренняя кольцевая фильера закреплена на одном из концов дорна. Наружная кольцевая фильера закреплена на обойме, установленной на корпусе с возможностью вращения. Устройство содержит также привод вращения дорна и обоймы в противоположных направлениях. Величина угла при вершине усеченного конуса, образованного концентрично расположенными поверхностями скольжения внутренней и наружной кольцевых фильер, находится в интервале 10÷60°. Отверстия для экструдирования материала имеют форму каналов, радиальный размер каждого из которых больше его ширины. Изобретение позволяет расширить технологические возможности устройства, повысить скорость экструдирования и увеличить радиальную жесткость трубы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к формованию веществ в пластическом состоянии, а именно к устройствам с вращающимися частями фильеры для экструзионного формования сетчатых труб из полимерного термопластичного материала (ПТМ).
Известна экструзионная головка (ЭГ), имеющая вращающиеся в противоположные стороны внутреннюю и наружную кольцевые фильеры с цилиндрической частью и с формующими каналами на цилиндрической части [1, Заявка RU 2001128521 от 22.10.01].
Первый недостаток ЭГ в том, что осевая сила, действующая на внутреннюю кольцевую фильеру, полностью воспринимается упорным подшипником. Другой ее недостаток - в ускоренном изнашивании цилиндрической части кольцевой фильеры при формовании сетчатого полого элемента, в результате появляется пленка в ромбической ячейке, что приводит к увеличенному расходу ПТМ, а возможно, к браку или необходимости очистки ячеек от пленки.
Известна ЭГ, у которой кольцевые фильеры вращаются в противоположных направлениях на неподвижной оси, а контактные поверхности фильер с отверстиями являются цилиндрическими [2, а.с. SU 1597285 от 02.02.88]. Недостаток - весьма большой крутящий момент, необходимый для вращения фильер на неподвижной оси и быстрое изнашивание цилиндрических поверхностей фильер вследствие трения скольжения на контактных поверхностях.
Известна ЭГ с вращающейся и неподвижной фильерами, имеющая коническую поверхность с отверстиями для экструзии через них ПТМ, при этом конус расширяется в направлении экструзии ПТМ [3, Заявка DE 3940237 от 05.12.89, фиг.1а].
Недостаток известной ЭГ с расширяющейся конической фильерой - ограничение минимального диаметра экструдируемой сетчатой трубы наибольшим диаметром окружности у основания конуса, а также увеличенное сопротивление течению расплава ПТМ в формующих канавках, расположенных на поверхностях конусов фильеры.
Известна ЭГ для изготовления сетчатых труб из ПТМ, состоящая из корпуса с нагревателем и полостью с подогреваемым расплавом ПТМ, поступающим из экструдера; диска, закрывающего полость, составленного из взаимно подвижных внутренней и наружной кольцевых фильер с отверстиями для экструдирования ПТМ, имеющих концентрично расположенные цилиндрические поверхности скольжения; дорна, на одном из концов которого закреплена внутренняя кольцевая фильера, помещенного внутри корпуса с возможностью вращения в подшипнике скольжения, закрывающем полость со стороны, противолежащей диску; установленного на корпусе с возможностью вращательного движения обоймы с закрепленной на ней наружной кольцевой фильерой, привода вращения дорна и обоймы в противоположных направлениях [4, а.с. SU 417307 от 21.11.72].
Первый недостаток известной ЭГ - низкая скорость экструдирования сетчатых труб вследствие высокого сопротивления течению расплава через отверстия в кольцевых фильерах. Повышение скорости экструдирования требует повышения давления расплава в ЭГ, пропорционального квадрату скорости истечения ПТМ через отверстия и соответственно повышения энергозатрат на экструдирование. Кроме того, повышение давления в ЭГ требует увеличения ее прочности как в радиальном, так и в осевом направлениях, а следовательно, увеличения размеров и массы.
Второй недостаток - ограничение минимального диаметра труб, получаемых на конкретной ЭГ экструзией через комплект кольцевых фильер с цилиндрическими поверхностями скольжения.
Третий недостаток - интенсивное изнашивание цилиндрических поверхностей скольжения фильер, вследствие этого появление зазора и смещения дорна, нарушающего процесс образования сетчатой трубы, и, как следствие, необходимость замены фильеры.
Известна ЭГ [Заявка DE 2102221 от 18.01.71] для изготовления сетчатых труб из полимерного термопластичного материала, состоящая из корпуса с нагревателем и полостью с подогреваемым расплавом термопластичного материала, поступающим из экструдера; диска, закрывающего полость, составленного из взаимно подвижных внутренней и наружной кольцевых фильер с равномерно распределенными отверстиями для экструдирования термопластичного материала, имеющих концентрично расположенные поверхности скольжения, образованные усеченными конусами, сужающимися в направлении экструдирования термопластичного материала; дорна, на одном из концов которого закреплена внутренняя кольцевая фильера, помещенного внутри корпуса с возможностью вращения в подшипнике скольжения, закрывающем полость со стороны, противолежащей диску; обоймы с закрепленной на ней наружной кольцевой фильерой, установленной на корпусе с возможностью вращательного движения, привода вращения дорна и обоймы в противоположных направлениях.
Первый недостаток известной ЭГ - пониженная скорость экструдирования сетчатых труб вследствие высокого сопротивления течению расплавов через винтовые канавки на конических поверхностях фильер.
Второй недостаток - высокая трудоемкость изготовления конических фильер при необходимости изменения диаметра экструдируемых сетчатых труб.
Третий недостаток - интенсивное изнашивание конических поверхностей скольжения фильер, сжимаемых пружиной, и, как следствие, необходимость их частой замены.
Основная техническая задача изобретения - расширение технологических возможностей ЭГ путем увеличения ряда диаметров экструдируемых труб, скорости экструдирования волокон через фильеру, а соответственно и производительности ЭГ без увеличения давления расплава в ЭГ и при высокой износостойкости фильер. Дополнительная техническая задача изобретения - увеличение радиальной жесткости экструдируемой сетчатой трубы.
Техническая задача решена в конструкции ЭГ, которая состоит из корпуса с нагревателем, полости внутри корпуса, заполняемой расплавом ПТМ, поступающим из экструдера,
диска, закрывающего полость, составленного из взаимно подвижных внутренней и наружной кольцевых фильер с равномерно распределенными отверстиями для экструдирования ПТМ, имеющих концентрично расположенные поверхности скольжения, образованных усеченными конусами, сужающимися в направлении экструдирования ПТМ;
дорна, на одном из концов которого закреплена внутренняя кольцевая фильера, установленного внутри корпуса с возможностью вращения в подшипнике скольжения, закрывающем полость со стороны, противолежащей диску;
обоймы с закрепленной на ней наружной кольцевой фильерой, установленной на корпусе с возможностью вращательного движения;
привода вращения дорна и обоймы в противоположных направлениях, при этом величина угла при вершине усеченного конуса, образованного концентрично расположенными поверхностями скольжения внутренней и наружной кольцевых фильер, находится в интервале 10÷60°, а отверстия для экструдирования расположены так, что ось каждого из них находится в одной плоскости с осью вращения дорна и обоймы.
Величина угла усеченного конуса может быть от 10 до 60° в зависимости от минимального диаметра сетчатой трубы, изготавливаемой с помощью предложенной ЭГ.
При угле конуса, меньшем 10°, существенно возрастает момент трения относительного скольжения усеченных конусов внутреннего и наружного колец фильеры. При угле конуса, большем 60°, существенно увеличивается сила протягивания трубы по калибру.
На основе проведенных испытаний ЭГ установлен оптимальный диапазон углов конуса, равный 22÷32°, при которых момент трения относительного скольжения усеченных конусов и энергозатраты на вращение дорна и обоймы минимальны. При этом достигнут максимальный ресурс работы конусов, в 6 раз больший, чем у фильер с цилиндрическими поверхностями скольжения.
Целесообразно, чтобы отверстия для экструдирования волокон в фильере имели форму каналов, равномерно распределенных на усеченных конусах внутренней и наружной кольцевых фильер, при этом радиальный размер каждого канала больше его ширины предпочтительно в 1,3÷2 раза.
При соблюдении соотношения
h/b=1,3÷2,
где h, b - размер канала в радиальном направлении и ширина канала, волокна имеют после утяжки больший размер в радиальном направлении, поэтому повышается радиальная жесткость сетчатой трубы.
При соотношении l<h/b<1,3 эффект повышения радиальной жесткости трубы незначителен.
При соотношении 1,3≤h/b≤2 с увеличением h/b возрастает радиальная жесткость сетчатой трубы, а при соотношении h/b>2 волокна в процессе движения по конической части калибра теряют радиальную устойчивость, поворачиваются на угол, близкий к 90°, так что удлиненная ось эллиптического сечения волокна становится параллельной касательной окружности конуса, в результате чего радиальная жесткость трубы уменьшается, но возрастает ее осевая жесткость.
Повышенная радиальная жесткость необходима для сетчатых труб оросителей, укладываемых в градирне горизонтально, а повышенная осевая жесткость - для сетчатых труб блоков оросителей, устанавливаемых в градирне вертикально.
Совокупность отличительных признаков ЭГ - «величина угла при вершине усеченного конуса, образованного концентрично расположенными поверхностями скольжения внутренней и наружной кольцевых фильер, находится в интервале 10÷60°, а отверстия для экструдирования расположены так, что ось каждого из них находится в одной плоскости с осью вращения дорна и обоймы», является новой и не обнаружена при поиске научно-технической и патентной информации. Не обнаружены и кольцевые фильеры, имеющие удлиненные в радиальном направлении каналы, выполненные на поверхностях усеченных конусов. Следовательно, техническое решение удовлетворяет критерию «новизна». Предложенная новая конструкция ЭГ не следует явно из уровня, сложившегося в данной области техники, следовательно, новое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 показано сечение ЭГ и привода дорна и обоймы осевой плоскостью; на фиг.2 - вид А на диск из кольцевых фильер при совпадении каналов; на фиг.3 - сектор диска при взаимно сдвинутых кольцах фильеры до несовпадения каналов.
Экструзионная головка (ЭГ) для изготовления сетчатых труб из ПТМ (фиг.1) состоит из корпуса 1 с нагревателем 2 и полостью 3 с подогреваемым расплавом ПТМ, поступающим из экструдера (не показан); диска 4, закрывающего полость 3, составленного из взаимно подвижных внутренней 5 и наружной 6 кольцевых фильер с расположенными равномерно по окружности отверстиями 7 для экструдирования ПТМ, имеющих концентрично расположенные поверхности скольжения, выполненные в виде усеченных конусов 8 и 9, сужающихся в направлении экструдирования ПТМ так, что угол при вершине находится в интервале 10-60°; полого дорна 10, на одном из концов которого закреплена внутренняя кольцевая фильера 5, помещенного внутри корпуса 1 с возможностью вращения на подшипнике качения 11 и в подшипнике скольжения 12, закрывающем полость 3 со стороны, противолежащей диску 4; установленной на корпусе с возможностью вращательного движения на подшипнике 13 обоймы 14 с закрепленной на ней наружной кольцевой фильерой 6, привода 15 вращения дорна 10 и обоймы 14 в противоположных направлениях.
Привод 15 включает цепную передачу 16, вращающую звездочку 17 с дорном 10 и зубчатую передачу 18, вращающую обойму 14 с фильерами 5 и 6 в направлении, противоположном вращению звездочки 17. Предпочтительная величина угла каждого усеченного конуса 8 и 9 находится в интервале 22÷32°. Отверстия для экструдирования ПТМ имеют форму каналов 19 и 20, равномерно распределенных на усеченных конусах 8 и 9 внутренней 5 и наружной 6 кольцевых фильер, при этом радиальный размер каждого из каналов 19, 20 больше его ширины предпочтительно в 1,3÷2 раза.
Внутри полого дорна 10 установлен стержень 21, один конец которого закреплен гайками 22 в держателе 23, установленном на корпусе 1, а противоположный конец закреплен в калибре 24.
Зазор между усеченными конусами 8 и 9 можно регулировать и фиксировать, перемещая в осевом направлении дорн 10 и фиксируя его положение гайками 25.
Кольцевые фильеры 5 и 6 можно снимать, отвернув винты 26 и 27, и ставить новые фильеры, закрепляя их этими винтами.
До начала экструдирования сетчатых труб, например из полиэтилена низкого давления, включают электронагреватели экструдера (не показан) и нагреватель 2. После прогрева экструдера и корпуса 1 до температуры 190÷230°С (расплав ПЭНД должен нагреться до температуры 160÷170°С) включают электродвигатель с регулируемой частотой вращения вала, который вращает валы червячного редуктора (не показан) и через привод ЭГ вращает дорн 10 и обойму 14 с кольцевыми фильерами 5 и 6. ПТМ под давлением, создаваемым экструдером, поступает в полость 3 и выдавливается в виде волокон через каналы 19 и 20 в кольцевых фильерах 5 и 6, пересекающихся за интервал времени совпадения каналов 19 и 20 и образующих стороны ромбической сетки за интервал времени несовпадения каналов 19 и 20, а из ромбов - сетчатую трубу 28.
Сетчатую трубу 28 можно расширять на калибре, имеющем конический участок, или получать сетчатую трубу диаметром несколько меньшим минимального диаметра усеченных конусов 8 и 9, если калибр цилиндрический и его диаметр равен внутреннему диаметру сетчатой трубы.
1. Экструзионная головка для изготовления сетчатых труб из полимерного термопластичного материала, состоящая из корпуса с нагревателем и полостью с подогреваемым расплавом термопластичного материала, поступающим из экструдера, диска, закрывающего полость, составленного из взаимно подвижных внутренней и наружной кольцевых фильер с равномерно распределенными отверстиями для экструдирования термопластичного материала, имеющих концентрично расположенные поверхности скольжения, образованные усеченными конусами, сужающимися в направлении экструдирования термопластичного материала, дорна, на одном из концов которого закреплена внутренняя кольцевая фильера, помещенного внутри корпуса с возможностью вращения в подшипнике скольжения, закрывающем полость со стороны, противолежащей диску, обоймы с закрепленной на ней наружной кольцевой фильерой, установленной на корпусе с возможностью вращательного движения, привода вращения дорна и обоймы в противоположных направлениях, отличающаяся тем, что величина угла при вершине усеченного конуса, образованного концентрично расположенными поверхностями скольжения внутренней и наружной кольцевых фильер, находится в интервале 10°÷60°, а отверстия для экструдирования термопластичного материала имеют форму каналов, радиальный размер каждого из которых больше его ширины.
2. Экструзионная головка по п.1, отличающаяся тем, что предпочтительная величина угла при вершине усеченного конуса находится в интервале 22°÷32°.
3. Экструзионная головка по п.1, отличающаяся тем, что радиальный размер каждого канала в 1,3÷2 раза больше его ширины.
