Решения о замене изношенного цилиндра шнека имеют значительный финансовый вес для любой операции экструзии листов, однако многие переработчики полагаются на догадки, а не на измерения при определении того, достигли ли шнек и цилиндр конца срока службы. Последствия неправильного решения могут быть двоякими: замена шнека приводит к преждевременной трате капитала, который мог бы быть отложен на месяцы или годы, в то время как работа изношенного шнека за пределами его функционального предела снижает производительность, увеличивает удельное энергопотребление и производит листы с отклонениями по толщине, что приводит к браку и жалобам клиентов. Износ сопряжения шнек-цилиндр неизбежен — он является результатом истирания полимера, эрозии частиц наполнителя и механического контакта вращающихся витков шнека со стенкой неподвижного цилиндра. Что отличает хорошо управляемые операции от остальных, так это дисциплина измерения износа через регулярные промежутки времени, анализ тенденций данных и принятие решений о замене на основе количественных критериев, а не субъективных суждений. Эта дисциплина измерений является краеугольным камнем эффективной техническое обслуживание экструзии листов и напрямую влияет как на качество продукции, так и на экономику производства.
Понимание того, как прогрессирует износ в интерфейсе винт-цилиндр
Износ происходит неравномерно по длине шнека или цилиндра. Рисунок зависит от типа полимера, загрузки наполнителя, геометрии шнека и условий эксплуатации. Понимание того, где концентрируется износ, помогает сосредоточить усилия по измерению на наиболее важных зонах.
Секция подачи обычно демонстрирует наименьший износ, поскольку полимер здесь находится в твердой форме и еще не размягчился до точки агрессивного истирания. Секции сжатия и дозирования, где полимер полностью расплавлен и находится под давлением, подвергаются наибольшему износу. Внутри этих секций толкающая поверхность шнека — поверхность, которая передает силу расплаву полимера — изнашивается быстрее, чем задняя поверхность, из-за более высокого контактного давления.
Наполненные полимеры значительно ускоряют износ. Стекловолокно, минеральные наполнители, карбонат кальция и тальк действуют как абразивы, полирующие как скребки шнека, так и поверхности канала ствола. На предприятиях, где используется стеклонаполненный PP или минеральный наполнитель PVC скорость износа цилиндра шнека может быть в 3–5 раз выше, чем при обработке чистой смолы.
Методика измерения зазора между полетом и стволом
Наиболее важным размером при оценке состояния ствола шнека является радиальный зазор между внешним диаметром витка винта и внутренним диаметром ствола. Этот зазор определяет эффективность откачки, утечку расплава по виткам, а также способность создавать и поддерживать давление расплава.
Измерение начинается с того, что винт вынимают из ствола и очищают от остатков полимера. Используя наружный микрометр, измерьте внешний диаметр винта (наружный диаметр полета) в определенных осевых положениях по длине винта. Стандартная практика заключается в проведении измерений на каждом витке или, как минимум, через каждые 100 мм вдоль винта, записывая как наружный диаметр витка, так и угловое положение каждого измерения. Износ редко бывает совершенно симметричным; винт может быть изношен больше с одной стороны, чем с другой, из-за гравитационного контакта с каналом ствола.
Внутренний диаметр ствола измеряется с помощью нутромера или внутреннего микрометра в соответствующих осевых положениях. Три-четыре измерения с интервалом 90 градусов в каждом положении фиксируют возникшую овальность. Ствол, который в новом состоянии имеет идеально круглую форму, со временем может приобрести измеримую овальность, особенно в нижней части канала ствола, где вес винта концентрирует контактную силу.
Вычитание внешнего диаметра витка винта из внутреннего диаметра цилиндра в каждом осевом положении дает радиальный зазор. Сравните эти значения с исходными спецификациями производителя и максимально допустимым зазором. Как правило, большинство одношнековых экструдеров для производства листов работают с новыми зазорами 0,15–0,25 мм, и замена обычно рекомендуется, когда зазор превышает новое значение в 2–3 раза или когда производительность падает более чем на 10–15 % ниже базового уровня в стандартных условиях эксплуатации.
Критерии замены помимо измерений зазора
Измерения диаметра и зазора рассказывают лишь часть истории. Несколько дополнительных показателей сообщают о решении о замене.
Снижение темпов производства является наиболее заметным индикатором с операционной точки зрения. Когда цилиндро-винтовой комплект больше не может достигать номинальной производительности при стандартных настройках скорости и температуры шнека, износ достигает точки, когда поток утечек через скребки потребляет значительную часть производительности перекачки. Документирование производительности в стандартизированных условиях во время каждого сеанса измерения создает данные о тенденциях, которые коррелируют прогресс износа с воздействием на производство.
Удельный расход энергии дает еще один диагностический сигнал. По мере увеличения зазора экструдер должен работать интенсивнее, чтобы перекачивать тот же объем полимера. Сила тока двигателя при заданной производительности увеличивается по мере прогрессирования износа. Экструдер, потребляющий на 15–20 % больше тока, чем когда он был новым, при той же скорости шнека и производительности, работает со значительно сниженной эффективностью.
Состояние поверхности также имеет значение. Глубокие насечки или выбоины на канале ствола указывают на то, что контакт винта вызывает механические повреждения, выходящие за рамки обычного истирания. Поверхности с насечками ускоряют износ винтов и создают частицы загрязнений, которые проявляются как дефекты готового листа.
Выбор материала во время первоначальной покупки или замены существенно влияет на скорость износа и срок службы. Материалы ствола шнека: азотированные и биметаллические варианты ствола, предлагаемые производителями, имеют существенно разные характеристики износостойкости, при этом биметаллические вкладыши, содержащие карбид вольфрама или никелевые сплавы, обеспечивают в 3–5 раз больший срок службы стандартной азотированной стали в абразивных условиях.
Когда заменять винт, ствол или и то, и другое?
Решение о замене одного винта, одного цилиндра или обоих одновременно зависит от характера износа и относительного состояния каждого компонента. Замена нового винта в сильно изношенном стволе расточительна — витки нового винта быстро примут форму изношенного профиля ствола, и ожидаемый срок службы нового винта будет значительно короче его номинального срока службы. И наоборот, установка новой гильзы ствола поверх сильно изношенного винта приводит к концентрации всего зазора в зоне соединения лётной части со стволом, что может привести к помехам и механическим повреждениям.
Лучше всего оценивать оба компонента вместе и заменять их в комплекте, когда износ любого из компонентов приближается к пределу. Если ствол имеет минимальный износ, но срок службы винта подошел к концу, в существующий ствол можно установить новый винт, но только в том случае, если измерения ствола подтвердят, что диаметр канала ствола остается в пределах новых спецификаций. Документация по износу цилиндра шнека машины должна включать парные измерения для обоих компонентов, что позволяет команде технического обслуживания принимать обоснованные решения о замене на основе совокупного состояния, а не оценки отдельных компонентов.
Износ шнека и цилиндра прогрессирует постепенно, но ускоряется экспоненциально при превышении критических зазоров, поэтому периодические измерения необходимы для планирования замены, прежде чем снижение производительности и качества станет серьезным. JWELL предлагает услуги по измерению винтов и стволов, которые документируют зазор между витком и стволом в стандартизированных осевых положениях с использованием нутромеров и микрометрических измерений, предоставляя данные о тенденциях, которые позволяют производителям прогнозировать сроки замены и планировать замену винтов во время плановых остановов, а не в аварийных ситуациях.
Часто задаваемые вопросы
Как часто следует измерять износ шнека и ствола?
Частота измерений зависит от абразивности обрабатываемых материалов и критичности применения. Для экструзии аккуратного листа смолы обычно достаточно полугодовых измерений. Для наполненных или армированных стекловолокном полимеров рекомендуется проводить ежеквартальные измерения. Новые установки должны получать базовые измерения при вводе в эксплуатацию, а затем проводить измерения каждые 3 месяца в течение первого года, чтобы установить тенденцию скорости износа.
Каков типичный срок службы комплекта шнека и цилиндра экструдера?
Срок службы сильно варьируется в зависимости от полимера, содержания наполнителя и условий эксплуатации. Винто-ствольная установка, обрабатывающая чистый лист PP или PE может прослужить 5—8 лет при непрерывной эксплуатации. Один и тот же комплекс для обработки стеклонаполненных конструкционных компаундов может потребовать замены через 12—18 месяцев. Биметаллические гильзы с закаленным покрытием винтов позволяют продлить эти сроки в 2–3 раза при абразивных воздействиях.
Можно ли заменить изношенный ствол вместо замены?
Да, изношенные стволы можно заменить с помощью биметаллической втулки, запрессованной в существующую оболочку ствола, или канал ствола можно отхонинговать увеличенного размера и надеть тонкостенную гильзу. Замена футеровки обычно стоит 40–60% стоимости нового ствола и восстанавливает канал ствола до первоначальных размеров. Однако замена футеровки не всегда осуществима, если сама оболочка ствола повреждена или если первоначальная толщина стенки ствола не обеспечивает достаточную конструкционную прочность для процесса растачивания и вставки гильз.
Влияет ли износ винта одинаково на все свойства листа?
Нет. Наиболее чувствительными свойствами являются те, которые зависят от давления расплава и однородности температуры. Изменение толщины, качество поверхности и оптическая прозрачность прозрачного листа являются первыми показателями качества, на которые влияет износ ствола шнека. Механические свойства, такие как прочность на разрыв и ударопрочность, менее чувствительны к немедленному воздействию, поскольку они больше зависят от марки полимера и условий охлаждения, чем от состояния шнека, хотя и они со временем ухудшаются по мере ухудшения однородности расплава.
