ГОЛОВКА КОЛЬЦЕВАЯ

Формующая кольцевая головка – сердце экструзионного агрегата. В ней расплав оформляется в неудачная конструкция головки может свести на-нет все приложенные ранее усилия. Главная задача конструкции – обеспечить однородность толщины (расхода) и свойств расплава по окружности щели. Для того, чтобы этого добиться, нужен анализ возможных источников неоднороднос­ти для всех элементов конструкции. В нашем понимании головка включает в себя фильтр расплава, узел враще­ния, собственно головку и кольцо обдува. Рассмотрение вопроса мы начнем именно с голов­ки как наиболее ответственного узла.

На основе многолетнего опыта проектирования, изготовления и эксплуатации головок разного калибра (диаметр щели 20 – 300 мм, расход 0,5 – 100 кг/час) сложился базо­вый конструктив, который представляется оптимальным. В понятие «оптимальный» входит, естественно, не только ка­чество, но и цена головки. Цена головки во многом зависит от материалоемкости, поэтому наши усилия были напра­в­лены прежде всего на уменьшение габаритов головки. Для этого была принята концепция «гриба»: головка составлена из раздаточной и фильерной частей (соответственно, ножка и шляпка «гриба»). Размер фильерной части задан процессом (диаметром выходной щели), поэтому уменьшить его сложно (зато можно увеличить сверх разумного). А вот размер раздаточной части, где происходит переход от трубного входа к коаксиальному зазору, можно уменьшить существенно, если убрать неработающий металл. Общая высота головки также может быть оптимизирована. Лучше всего продемонстрировать сказанное на конкретном примере. Рассмотрим конструкцию головки среднего габарита – ГК-70.

Головка включает в себя фильерную пару (внутреннее кольцо 1 и наружное кольцо 2), и раз­да­точную пару (корпус 3 и дорн 4). Внутреннее фильерное кольцо притянуто к дорну болтом 5.

Расплав входит в головку по центральному сверлению, подается по радиальным све­рлениям Y к зазору между дорном и корпусом, проходит по канавкам на поверхности дорна к спиральной раздаче X и попадает в коаксиальный зазор между фильерными коль­цами и далее к выходной щели. Воздух на раздув рукава подается сбоку по сверлению на наружной поверхности дорна, затем вверх к стяжному болту и попадает в рукав по центральному сверлению болта (на схеме не показано).

Расплав входит в головку по центральному сверлению, подается по радиальным све­рлениям Y к зазору между дорном и корпусом, проходит по канавкам на поверхности дорна к спиральной раздаче X и попадает в коаксиальный зазор между фильерными коль­цами и далее к выходной щели. Воздух на раздув рукава подается сбоку по сверлению на наружной поверхности дорна, затем вверх к стяжному болту и попадает в рукав по центральному сверлению болта (на схеме не показано).

Замечания

  • прочность головки определяется, прежде всего, прочностью центрального болта (усилие на нем Рассчитывается через площадь выходной фильеры и давление перед ней – до 70-100 ат).
  • Приходится также обращать внимание на прочность дорна – он испещрен отверстиями и пазами, но его живое сечение не должно быть меньше сечения болта.
  • выход воздуха из головки в рукав предпочтительно исполнять по кольцевому зазору вокруг головки болта (при подаче через центральное отверстие в болте воздух врывается в рукав с большой скоростью, что осложняет запуск процесса)

Центральная задача – обеспечить высокую точность раздачи, поэтому следует оце­нить основные источники неоднородности потока расплава на выходе из щели. Источ­ни­ки эти могут иметь механическое или термическое происхождение, или же могут быть привнесены со свойствами расплава. Рассмотрим сначала геометрические требования.

Геометрия щели

Прежде всего важна неоднородность самой щели (это коаксиальный зазор между дву­мя цилиндрическими поверхностями). Примем для щели зазор 1 мм и длину 15 мм и выста­вим требование: неоднородность зазора не хуже +/-7 мкм (0,7%) и неоднород­ность дли­ны не хуже 50 мкм (0,5%). Тогда неоднородность потока составит 0,7* 3 = 2,1% за счет зазора (расход про­порцио­на­лен кубу зазора щели) и 0,5% за счет длины (расход про­пор­ционален длине щели). уммарная ожидаемая разнотолщинность – 2,6%. Поскольку зазор оформляется двумя деталями, то допуск 7 мкм можно обеспечить при нецилинд­рич­ности каждой из них 5 мкм (сложение двух статистических величин). Следует обратить внимание, что речь идет именно о нецилиндричности деталей, а не об абсолютном их ди­аметре – допуск на диаметр можно расширить до 30-50 мкм (напр., даже если суммар­ная щель окажется равной 1,1 мм вместо 1 мм, это не отразится серьезно на эксплуатации го­ловки). Но этого недоста­то­чно – нару­шение цилиндричности зазора возможно также и за счет наклона оси внутреннего цилиндра относительно оси внешнего (наибольшее отклонение возникает при  постановке внутреннего кольца на дорн, поскольку диаметр посадки неве­лик). Соответственно, при­хо­дится также накладывать ограничения на торцевое биение внутреннего и внешнего фильерного кольца. Если ограничить наклон величиной 3 мкм на длине щели 15 мм, то в основании кольца (при диаметре 60 мм) наклон составит 12 мкм (углы наклона равны). Поскольку относительный наклон создается сочетанием четырех торцевых поверхностей, биение каждой из них не должно превышать 4-5 мкм.

Повторим вывод: фильерные кольца требуется исполнять с допуском на радиаль­ное (нецилинд­ричность) и торцевое биение не хуже 5 мкм (и чем точнее, тем лучше).

Для обеспечения параллельности фильерных колец требуется обеспе­чить строгую параллельность осно­ваний, на которые они садят­ся, т.е. параллельность открытых торцев дорна и кор­пуса. Параллельность можно обес­печить их совместной плоской шлифовкой в сборе, для чего дорн головки выполнен с плоским днищем (в качестве базы шлифовки).

Упомянем возможную ошибку: в нашей практике уплотнение стыка корпус-дорн однажды было выполнено с одним коль­цевым выступом (ближе к центру). В результате при затяжке болтов дорн-кор­пус можно было наблюдать изменение зазора кольцевой щели при изменении усилия затяжки по болтам (корпус вместе с наружным кольцом мог покачиваться на уплотняющем кольцевом выступе). Пришлось восстановить второй кольцевой выступ на нижнем торце корпуса.

К геометрии щели относится также угол входа в щель. Абстрактные реологические работы рекомендуют уменьшать угол входа (для успокоения расплава). Однако, реология диктует другое – если угол мал, то входные участки также работают как щель (сопротивление потоку соизмеримо с сопротивлением самой щели), но эта щель образована уже не цилиндрическими, а коническими поверхностями. Точность изготовления конических поверхностей много хуже, чем чисто цилиндрических поверхностей, а соблюдение соосности их с цилиндрическими – проблематично. В итоге, при регулировании зазора щели (смещая наружное фильерное кольцо) может оказаться, что цилиндрический участок зазора дает одну реакцию на смещение кольца, а конический – другую, и головка оказывается нерегулируемой. Поэтому в нашей практике используется угол входа 25-30о (причем одна из поверхностей – цилиндрическая) и разнесение линий излома по высоте (см. схему) – то­гда конические участки фильерных колец не оказывают влияния на поток расплава при смещении колец.

Упомянем еще о роли длины щели – она также должна быть однородной по окруж­ности с точностью не хуже 0,2%, и если длина щели 15 мм, то биение линии перелома (конус-цилиндр) должно быть менее 30 мкм. Поэтому предпочтительно применять ост­рый перелом без скругления – он поддается контролю.

Расчет реологического сопротивления кольцевой щели можно провести по известной формуле для плоской щели (см. ссылку).

Требования к равномерности обогрева также весьма жесткие, поскольку вязкость быстро падает с ростом температуры (например, изменение температуры на 1оС изменяет вязкость ПЭНП 158020 на 0,8% – см. ссылку), хотя однородность нужна прежде всего по окружности –  по оси головки температура может и изменяться. Часто применяемые слюдяные нагреватели имеют принципиальный недостаток необогреваемое место стыка. Поэтому мы рекомендуем использовать кольцевые нагреватели, в которых нихромовая проволока расположена вдоль длины нагревателя – они имеют очень узкую зону стыка и обеспечивают однородный прогрев по температуру. (Для этих нагревателей мы разработали специальные лестничные хомуты).

Расчет кольцевой щели.htm

Замечания

Для снижения склонности к образованию нагаров внутренние поверхности следует полировать и принимать другие возможные меры. Обычно эти поверхности хромируют, однако это не лучший вариант в эксплуатации – внутренние поверхности должны быть твердыми, чтобы сни­зить угро­зу повреждений. Поскольку металл под гальваническим покрыти­ем обычно мягкий, то слой хрома должен быть толстым, иначе будет про­являться мягкость металла под ним. Однако при этом усложняется изготовление, поскольку после хро­мирования нужна точная шлифовка (нанести хром толщиной свыше 100 мкм с точностью +\- 1 мкм очень не просто), а толстый слой хрома склонен к отслаиванию. Кроме того, на изломах и углах хром склонен нарастать иглами, что также требу­ет финиш­ной доводки. По этой причине мы используем карбонитрацию или азота­цию головки – такие поверхности несколько уступают хрому по антиадгезионным свойствам, но выше по твердости и наде­жнее в эксплуатации (азотированную поверхность можно перед использованием отполир­овать со сня­­тием долей микрона, тогда как карбонитрован­ную поверхность трогать нельзя). Впрочем, если смириться с применением мягкой стали (при аккуратном обращении – практично), то можно использовать хром в виде тонкого покрытия (5 мкм), не угрожающего геометрии щели.

Серьезный источник нагаров – стык деталей в коаксиальном зазоре (стык деталей 1-4 и 2-3). Увеличивать число стыков крайне нежелательно, поэтому недопустимо создавать в фильере дополнительные стыки, используя вкладыши ради экономии металла (сверх того, применение вкладышей  снижает точность зазора)

Геометрия раздачи

Однородный рукав расплава на выходе щели можно получить только в том случае, если на входе в щель расплав тоже будет роздан однородно. Поэтому к первичной раздаче также предъявляются высокие требования. Раздача производится в основании головки, в паре дорн-корпус (детали 3 и 4 рис.1). Функционально – это преобра­зование потока из стержневого в коаксиальный, переток от радиальных сверлений к кольцевому зазору между дорном и корпусом. Поэтому еще 20 лет на­зад достаточно было использовать простую коллекторную раздачу: расплав подавался в кольцевую проточку на дорне или корпусе и из проточки уходил в зазор. Коллекторная раздача пригодна для получения рукавных пленок из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), од­нако со­вер­шенно не подходит для других видов полиэтилена (высокой плотности – ПЭВП, линейного низ­кой плотности – ЛЛПП), а также полипропилена, полиамида и многих других полимеров. Дело в том, что в коллекторе происходит встреча и слияние двух или более потоков внутри коллектора, а следовательно, возникают спайные линии. ПЭНП залечивает спайные линии достаточно быстро и на выходе из щели от них не остается следа, тогда как другие полимеры не могут залечить спай – он оставляет утонение на выходе из щели, что безнадежно губит рукав. Спира­льная раздача во многом разрешила эту проблему, поскольку позволила заменить сварку плос­ких потоков встык на сварку внахлест (потоки насла­иваются один на другой, во всяком случае – наслаиваются частично). Свар­ка внахлест принципиально надежнее и прочнее, поэтому спайные линии исчезают, а пленочный рукав становится вполне однородным.

Рассмотрим спиральную раздачу подробнее. На рис.2 схематично показана развертка поверхности дорна в зоне спирали. Расплав из радиальных отверстий (окружности на рис.2) течет по наклонным (спиральным) канавкам на поверхности дорна (светлые полосы на рис.2). Поскольку дорн проточен под конус, глубина канавок постепенно умень­шается, а зазор дорн-корпус увеличивается (начиная с нулевого зазора), поэтому расплав, вначале текущий по канавкам вокруг дорна, начинает уходить в зазор дорн-корпус (пока­зано стрелками) вдоль оси дорна в направлении щели. Фактически, это коллек­тор с боко­вой щелью, только вдоль щели сечение коллектора уменьшается, а щель раскрывается. В таком коллекторе раздача расплава по щели принципиально неоднородна: расплав «проваливается» в боковую щель, образуя «язык», поскольку в на­чале зазор мал и утечка мала, а в конце – зазор велик, и расплаву легче уйти в щель, чем течь дальше по коллектору. Далее «язык» расплава накладывается на плоский поток, сформированный ранее, (также неоднородный) и они уже вместе переваливают еще один-два барьера. В резуль­тате образуется кольцевой (коаксиальный) поток без выраженных спайных линий, но принципиально неоднородный (по распределению давления в поперечном направлении).

Рис. 2

Неоднородность спиральной раздачи – главная головная боль при проектировании кольцевой головки. Проявляется эта неоднородность в периодических (поперек хода) колебаниях толщины пленки (иногда очень больших), причем число периодов равно числу заходов спира­ли. Сгладить неоднородность можно, если увеличить ширину «языка», «размазать» его на 2-3 захода спирали – тогда можно рассчитывать на наложение и вза­имную компенсацию нескольких неоднородностей. Для этого следует удлинить каналы (коллекторы) и уменьшить конусность, сделав раскрытие зазора щели замедленным. К сожалению, этот очевидный путь имеет серьезные издержки – рост реологического сопротивления спирали. Действительно, чем длиннее канал, тем большее давление требуется для поддержания потока в нем, особенно если учесть, что одновременно (по геометрическим причинам) растут размеры дорна как по диаметру, так и по высоте спирального участка. По нашему мне­­нию, высокие потери давления на спирали – слишком высокая плата за однородность раздачи. Ведь следствием является рост размеров головки, высо­­кие давления в го­­ловке и экструдере, чрезмерные нагрузки  на конструктивные элементы (начиная с упорного подшипника экструдера) и неоправданное утяжеление всей конструкции.  Мало того, глубокие каналы спирали (их заглубляют, чтобы снизить сопротивление потоку) – это мертвые зоны. Они плохо промываются потоком расплава и переходные процессы (пуск, смена цвета или материала). (Из общих соображений можно еще заметить, что спираль, которая равномерно раздает одну неньютонову жидкость, может неравномерно раздавать другую, т.е следует выбирать конструктив не толь­ко по однородности раздачи, но и по устойчивости ее к вариациям вязкости (из-за изменения ММР, температуры, присадок и пр). Конструктив, имеющий высокую чувствительность к вязкости, не слишком практичен.). Поэтому мы предпочли не  выравнивать однородность спиральной раздачи, а добиваться однородности потока у выходной щели головки иными средствами.

Выравнивание потока.

Что произойдет, если увеличить число заходов спирали, то-есть уменьшить шаг спи­рали по окружности дорна. Формально, характер потока и качество раздачи в спи­рали не изме­нит­ся. Зато изменится отношение шага спирали a (расстояние между язы­ками раздачи) к длине вы­х­о­дного тракта В (расстоянию от спирали до щели фильеры). Рас­смотрим схему течения рас­плава от выхода спирали к щели (рис.3).

Расплав выходит из спирали языками, образуя некоторый повторяющийся профиль (Волнистая линия на рис.3 Расстояние между языками – это  шаг спирали а). Для простоты можно считать, что язык - это точечный источник (показан  для двух языков на рис.3), от которого к выходу поток растекается в пределах некоторого угла, ограниченного соседними потоками (на рис.3 стрелками ограничены два соседних потока). На выходе щели поток, естественно, неоднороден – в точках напротив острия языка скорость потока больше, чем в соседних. Поскольку расход (скорость) пропорционален сопротивлению канала, а оно пропорционально длине канала, для оценки неоднородности выходного по­тока дос­таточно оценить соотношение длин – прямо и вбок (прямой и боковой стрелки на рис.2). Например, если шаг а захода спирали в 10 раз меньше, чем длина L пути  к выходу, то тангенс угла растекания потока равен 1:20 и длина прямого потока относится к длине бокового как cos 0,05 к 1. Таким образом, разность длин составит менее 0,12% и таков же будет уровень неоднородности потока на выходе щели.

Рис.3 Распределение давления по образующей

Прослеженная логика привела нас к тому, что нет необходимости выравнивать раздачу расплава по спирали и даже не обязательно интересоваться качеством раздачи. За спиралью достаточно оставить основную функцию – лик­ви­дацию спайных линий, а выравнивание обеспечить за счет малого шага захода спирали (относительно длины выходного тракта). В нашей практике используется шаг захода от 12 до 24 мм – меньший шаг труден в исполнении, а больший – увеличивает габарит головки. Длина выходного тракта (фактически, высота фильерной части головки) при этом остается в пределах 150-240 мм, то есть неоднородность раздачи сглаживается до расчетного уровня.

По той же логике нами принят довольно крутой угол подъема спирали – 30О, узкие гребни между заходами, и малое число перекрытий (поток по пути вперед переваливает не более четырех гребней). Конеч­но, при этом можно ожидать довольно высокой неоднородности раздачи, но – неоднородность сгладится, а сварка внахлест сохранится. Зато ка­навки можно сделать неглубокими, спираль будет иметь малое сопротивление потоку и хорошо промываться расплавом.

Проектирование спирали

Нельзя подвести расплав к частым заходам спирали сверлениями от центрального входа, потому что большое количество сверлений просто разрушит головку. Поэтому для подвода расплава к заходам спирали нужно вывести расплав из центра на поверхность дорна, разветвить и по канавкам на поверхности подводить к заходам. Простой и надежный способ для этого – пошаговое раздвоение канавок. Раздвоение гарантирует точное деление потока на два. Обычно вполне достаточно одного-двух разветвлений. Сказанное иллюстрируется рис. 4, на котором показана развертка поверхности дорна головки ГК-70 в зоне выхода радиальных сверлений (см. рис.1) и спиральной раздачи (по рис. 2). Выход сверлений показан на рисунке кругами, а начало и конец конической проточки спирали показаны на гребнях отрезками 1-1 и 1-2 (поскольку это пересечение конической поверхности с цилиндрическими).

Рис. 4 Развертка поверхности дорна головки ГК-70

На рис. 4 можно видеть, как поток расплава из радиальных сверлений, растекается в стороны (де­лится на две равные части), поворачивает вверх и вновь растекается в стороны, так что каждый из трех радиальных потоков образует четыре равноценных потока. Далее каждый из полученных двенадцати единичных потоков входит в свой наклонный канал спиральной раздачи.

Замечания

Следует сразу отбросить такой соблазнительный вариант раздачи, как кольцевая канавка на дорне, объединяющая все выходы радиальных сверлений (из такой канавки можно начать спиральную раздачу сразу по всем ее заходам). Этот соблазн обманчив: потоки из сверлений встречаются в канавке, образуются спайные зоны, которые далее утекают в спи­раль, дробятся в ней, но не залечиваются, и в дальнейшем образуют на пленке полосы, утонения и разрывы.

Нельзя давать уступ при начале проточки спирали под конус – это также дает спайные линии и брак пленки.

Количественные оценки течения по спирали

Приведенную выше картину течения расплава вдоль спиральной канавки (подобно  течению по коллектору с раскрывающейся щелью) было бы нетрудно просчитать, но она осложнена дальнейшими событиями с языком расплава: пройдя щелевой зазор, расплав сваливается в следующий такой же коллектор и вновь растекается частью вперед, частью вбок (в зависимости от локальной картины течения). При этом происходит наложение вновь сформированного слоя на тот, который формируется ниже по течению, что и является целью столь сло­ж­ной картины формования. Число таких переходов из коллектора в коллектор – от 2 до 4. В итоге картина пло­скощелевой головки с коллектором размывается. Еще хуже то, что вязкость расплава зависит от скорости сдвига (неньютонова вязкость) – в расчет местного давления надо заложить местную вязкость, она зависит от местного расхода (вдоль канала и вбок, через гребень), а расход – от давления, и порочный круг за­­мыкается. Точное решение математически громоздко и непрозрачно, но главное – не слишком интересно. Ведь если можно получить однородную раздачу на выходе даже при остро неоднородном выходе расплава со спирали (см. выше), то и бог с ним, с точным расчетом. Это уже скорее тренировка ума, чем острая практическая потребность. Для дела можно ограничиться грубым суммирующим расчетом.

Очевидно, что из общего потока, проходящего через кольцевой зазор в зоне спирали, на долю каждого участка между заходами приходится одинаковая доля – единичный поток (равен производительности, деленной на число заходов). В первом приближении можно считать, что этот единичный поток течет сначала весь по каналу спирали, а затем (опять весь) – переваливает вперед вдоль оси спирали гребень за гребнем до выхода (перевалка идет по всей ширине гребня в пределах единичного участка). Такую модель можно обсчитать (пренебрегая неустановившимся характером потоков) и перебором вариантов найти путь, на котором потеря давления минимальна.

Ниже приведен используемый нами метод расчета спирали в ступенчатом приближении, основанный на описанной модели.

Спираль-расчет.htm

Для расчета:

1) задают параметры спирали: диаметр, число заходов, угол подъема, глубину и ширину нарезки в начале и конце спирали, число гребней, которые переваливает расплав, нак­лон ответной стенки корпуса виде зазора гребень-корпус в начале и конце спирали

2) параметры, изменяющиеся вдоль потока (зазор гребень-корпус, глубина и эквивалент­ный диаметр канала) вводят как дискретные

3) рассчитывают величину единичного потока q

4) проводят итерационное вычисление величины зазора, высоты гребня и эквивалентного диаметра канала ( в примере – число шагов итерации i= 40, по 10 на один заход нарезки спирали )

5) задаются длиной канала (замененного трубой эквивалентного диаметра), по которому поток течет полным, без утечки вбок, и рас­счи­тывают потерю давления на заданной длине канала  ( Задают число шагов итерации. В примере для этапа 1 задано i= 15

6) принимают, что далее течение происходит только перевалкой через гребни нарезки (ще­левое течение). При этом для каждой щели величина щелевого зазора в реологи­ческом расчете принята постоянной, но рассчитывается также истинное (возрастающее) значе­ние зазора. Для реологического расчета следующей щели зазор вновь принимается по­стоянным, но равным расчетной величине зазора в конце предыдущего участка (в при­мере для этапа 1 задан зазор первичной щели, отвечающий i= 15, зазор вторичной щели, отвечающий i= 25,  и зазор третичной щели, отвечающий i= 35)

7) на первой щели через гребень переваливает 70-80% полного потока (остальные 20-30% утекают вбок во время течения по каналу), а на последующих – 100% потока

8) рассчитывают потерю давления на каждой щели и сумму всех потерь давления – это этап 1 общего расчета

9) задаются другой длиной канала и повторяют операции по пп. 5-8 – это этап 2

10) проводят 3-4 расчетных этапа, сравнивают суммарные потери давления и выбирают минимальное значение – это, в грубой оценке, сопротивление спирали. Отсюда же можно получить представление, на каком участке спирали происходит переход от трубного потока к щелевому (желательно, чтобы переход происходил где-то в первой трети высоты спирали).

Согласно рассмотренному примеру, минимальные потери (18,2 ат) отвечают I = 10 , т.е. перевалка происходит на втором гребне (из четырех) или несколько раньше. Такой результат представляется оптималь­ным (более поздняя перевалка угрожает образованием спайных линий)

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 5.  Регулирование зазора фильеры

1 - дорн, 2 – фильерное кольцо,  3 – упоры,

4 – регулировочные болты, 5 – корпус

Регулировка фильерного зазора производится путем отталкивания фильерного кольца регулировочными болтами от стационарной стенки, обычно – от кольца, напрессованного снаружи на корпус головки. Нам кажется предпочтительным отталкиваться от специальных упоров, ввернутых в корпус. При этом меньше размер головки, проще изготовление и нет угрозы шатаний ко­льца на корпусе. Кроме того, пока штифты не вставлены, обе торцевые поверхности открыты для шлифовки (гарантируется отсутствие утечки расплава по стыковке деталей).