Содержание статьи
Основные признаки износа шнека экструдера
Шнек экструдера является критически важным компонентом, обеспечивающим транспортировку, плавление и гомогенизацию полимерного материала. Износ шнека происходит постепенно и проявляется через различные производственные проблемы. Своевременное обнаружение признаков износа позволяет предотвратить серьезные аварии и снижение качества продукции.
Износ шнека протекает неравномерно по всей его длине. Наиболее интенсивно изнашиваются зоны высокого давления, особенно конец зоны сжатия и начало зоны дозирования. Это связано с высокими механическими нагрузками, температурой и абразивным воздействием расплава полимера. В зоне загрузки износ менее выражен, так как материал находится еще в твердом состоянии и создает меньшее трение.
| Признак износа | Описание проявления | Локализация |
|---|---|---|
| Снижение производительности | Падение выхода продукции при тех же оборотах шнека на 10-30 процентов | Зона дозирования |
| Колебания давления | Нестабильность показаний датчиков давления, пульсация расплава | Зона сжатия |
| Неоднородность температуры | Локальные перегревы или недогревы материала | По всей длине |
| Повышенное энергопотребление | Рост потребления электроэнергии на 15-25 процентов | Весь шнек |
| Механический шум | Скрежет, стуки при вращении шнека | Зона загрузки |
| Дефекты продукции | Включения, нестабильность размеров, неоднородность структуры | Все зоны |
Методы контроля и измерения износа
Точная оценка степени износа шнека возможна только после разборки экструдера и проведения измерений специализированными инструментами. Основным параметром, характеризующим износ, является величина радиального зазора между гребнем витка шнека и внутренней поверхностью цилиндра. Для измерения этого зазора применяются нутромеры различных типов.
Инструменты для измерения
Нутромер микрометрический используется для абсолютных измерений внутреннего диаметра цилиндра с точностью до сотых долей миллиметра. Конструкция прибора включает микрометрическую головку, сменные удлинители и измерительный наконечник. Диапазон измерений современных нутромеров составляет от 50 до 2500 миллиметров с погрешностью не более 0,01 миллиметра.
Нутромер индикаторный применяется для относительных измерений, когда необходимо определить отклонение реального размера от эталонного. Этот тип прибора идеально подходит для определения уровня износа деталей. Перед началом измерений индикаторный нутромер калибруется по установочному кольцу или концевой мере длины.
| Тип нутромера | Точность измерения | Применение | Диапазон |
|---|---|---|---|
| Микрометрический | 0,01 мм | Абсолютные измерения диаметра | 50-2500 мм |
| Индикаторный механический | 0,01 мм | Относительные измерения, контроль износа | 18-300 мм |
| Индикаторный цифровой | 0,001 мм | Высокоточный контроль, документирование | 18-500 мм |
| Трехточечный цифровой | 0,001 мм | Измерение в труднодоступных местах | 6-300 мм |
Методика проведения измерений
Измерения необходимо проводить по всей длине цилиндра, особенно тщательно контролируя зоны высокого давления. Цилиндры изнашиваются неравномерно, поэтому измерение только с одного конца не дает полной картины. Рекомендуется производить замеры в нескольких сечениях с шагом, равным двум-трем диаметрам шнека.
Пример методики измерения для шнека диаметром 90 мм:
Подготовка: После разборки экструдера и извлечения шнека необходимо тщательно очистить внутреннюю поверхность цилиндра и наружную поверхность шнека от остатков полимера и загрязнений.
Точки измерения: Для цилиндра длиной 1800 мм (L/D = 20) выполняются замеры в 8 точках: на расстоянии 200, 400, 600, 900, 1200, 1400, 1600 и 1750 мм от загрузочного окна.
Фиксация результатов: В каждой точке производится измерение внутреннего диаметра цилиндра в двух взаимно перпендикулярных направлениях для выявления овальности.
Критические значения зазоров и их влияние на процесс
Зазор между шнеком и цилиндром является ключевым параметром, определяющим эффективность работы экструдера. Для нового оборудования этот зазор строго регламентирован и обычно составляет от 0,001 до 0,002 от радиуса шнека. По мере эксплуатации зазор увеличивается вследствие износа обеих сопряженных поверхностей.
| Диаметр шнека, мм | Зазор нового шнека (на диаметр), мм | Допустимый износ, мм | Критический износ, мм |
|---|---|---|---|
| 45 | 0,10-0,15 | до 0,35 | более 0,55 |
| 63 | 0,13-0,18 | до 0,51 | более 0,76 |
| 90 | 0,18-0,25 | до 0,70 | более 1,05 |
| 114 | 0,23-0,30 | до 0,85 | более 1,30 |
| 160 | 0,32-0,40 | до 1,15 | более 1,75 |
Расчет относительного увеличения зазора:
Формула: К = (Зизнош - Зном) / Зном × 100%
где К - коэффициент износа в процентах, Зизнош - измеренный зазор, Зном - номинальный зазор нового шнека.
Критерии оценки:
К менее 100% - шнек в нормальном состоянии, продолжение эксплуатации
К от 100% до 200% - допустимый износ, планирование ремонта в течение года
К от 200% до 300% - критический износ, необходим срочный ремонт
К более 300% - аварийное состояние, немедленная остановка и замена
Увеличение зазора приводит к росту обратных перетечек расплава из зоны высокого давления в зону низкого давления. Это явление критически влияет на производительность экструдера. При увеличении зазора в два раза производительность может снизиться на 15-25 процентов, при трехкратном увеличении - на 40-60 процентов.
Влияние износа на процесс экструзии и качество продукции
Износ шнековой пары оказывает комплексное негативное воздействие на все аспекты производственного процесса. Последствия износа проявляются постепенно и часто остаются незамеченными до момента критического снижения качества продукции.
Производительность и энергопотребление
Снижение производительности происходит вследствие увеличения обратных перетечек расплава через зазор. Материал, уже прошедший в зону высокого давления, частично возвращается назад, что требует повторной обработки. Для компенсации потери производительности операторы вынуждены увеличивать скорость вращения шнека, что ведет к росту энергопотребления на 15-30 процентов и дополнительному перегреву материала.
Качество расплава
Увеличенный зазор нарушает теплообмен между цилиндром и расплавом полимера. Возникает неравномерность температурного поля, приводящая к образованию локальных перегретых и недогретых областей. Это проявляется в виде включений непроплава, деградированного материала, неоднородности цвета и механических свойств готовых изделий.
| Степень износа | Снижение производительности | Рост энергопотребления | Дефекты продукции |
|---|---|---|---|
| Зазор увеличен до 150% | 5-10% | 8-12% | Редкие включения |
| Зазор увеличен до 200% | 15-25% | 15-20% | Частые включения, нестабильность размеров |
| Зазор увеличен до 300% | 40-60% | 25-35% | Массовый брак, невозможность выдержать допуски |
| Зазор увеличен более 300% | более 60% | более 35% | Продукция непригодна для использования |
Практический случай из производства пленки ПНД:
На предприятии эксплуатировался экструдер с диаметром шнека 90 мм для производства полиэтиленовой пленки. После пяти лет работы начались проблемы: производительность упала с 80 до 55 килограмм в час, появились частые включения непроплава, толщина пленки стала нестабильной.
При разборке обнаружили: зазор между шнеком и цилиндром в зоне дозирования увеличился с исходных 0,20 мм до 0,95 мм. Износ составил 375 процентов от номинала. Наибольший износ наблюдался в зоне компрессии - там зазор достиг 1,15 мм.
После восстановления шнековой пары производительность вернулась к 78 килограмм в час, качество пленки стабилизировалось, энергопотребление снизилось на 28 процентов.
Причины ускоренного износа шнековых пар
Понимание механизмов износа позволяет предпринять меры по его замедлению и продлению срока службы оборудования. Износ шнека и цилиндра может происходить по различным механизмам, часто действующим одновременно.
Абразивный износ
Абразивное изнашивание является наиболее распространенной причиной износа. Оно возникает при наличии в перерабатываемом материале твердых включений: минеральных наполнителей, пигментов, стеклянных волокон. Даже мягкие наполнители при высоком давлении способны разрушать закаленные поверхности шнека и цилиндра. Особенно быстро изнашиваются шнеки при переработке вторичного сырья, содержащего загрязнения.
Заклинивание
Заклинивание происходит при неравномерном распределении давления в канале шнека, когда одна сторона витка прижимается к стенке цилиндра с чрезмерным усилием. Это явление связано с конструкцией шнека и характером течения полимера. Заклинивание часто возникает при временном забивании канала твердым материалом из-за превышения подачи над скоростью плавления.
| Причина износа | Характерные признаки | Меры предупреждения |
|---|---|---|
| Абразивный износ | Равномерная полировка поверхности, скругление кромок витков | Фильтрация сырья, использование биметаллических шнеков |
| Заклинивание | Заусенцы на задней стороне витка, локальные задиры | Оптимизация геометрии шнека, снижение оборотов |
| Коррозия | Питтинг, точечные разрушения поверхности | Применение коррозионностойких материалов, защитные покрытия |
| Термическая усталость | Сетка микротрещин, отслоение покрытий | Контроль температурных режимов, термостатирование |
| Механические повреждения | Трещины, сколы, разломы витков | Предотвращение попадания металлических предметов |
Технологии восстановления изношенных шнеков
Восстановление шнековой пары является экономически целесообразной альтернативой приобретению нового оборудования. Современные технологии позволяют полностью восстановить работоспособность изношенных деталей, а в некоторых случаях даже превысить характеристики новых изделий.
Наплавка твердосплавными материалами
Плазменная наплавка является наиболее распространенным методом восстановления гребней шнека. На изношенную поверхность витков наносится слой твердого сплава толщиной 2-4 миллиметра. Используются порошковые материалы на основе никеля с добавлением карбида вольфрама. Твердость наплавленного слоя достигает 50-62 единиц по шкале HRC, что обеспечивает высокую стойкость к абразивному износу.
Процесс наплавки выполняется в среде защитного газа с точным контролем температуры для предотвращения деформации шнека. После наплавки производится механическая обработка для восстановления точных геометрических размеров. Качественно выполненная наплавка позволяет увеличить срок службы шнека в 2-3 раза по сравнению с новым азотированным изделием.
Азотирование
Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхности стали азотом при температуре 500-600 градусов Цельсия. Наиболее распространены три метода: газовое азотирование в среде диссоциированного аммиака, ионное азотирование в вакууме и жидкостное азотирование. Глубина азотированного слоя составляет 0,5-0,8 миллиметра при твердости поверхности до 1100 единиц по Виккерсу.
| Технология | Твердость HRC | Глубина слоя, мм | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Азотирование газовое | 58-62 | 0,5-0,8 | Равномерность, низкая стоимость | Длительность процесса до 60 часов |
| Азотирование ионное | 60-65 | 0,4-0,6 | Быстрота, точность, экологичность | Высокая стоимость оборудования |
| Плазменная наплавка | 50-62 | 2-4 | Большая толщина слоя, высокая износостойкость | Сложность технологии, риск деформации |
| Биметаллическое напыление | 58-62 | 3-5 | Максимальная износостойкость | Высокая стоимость материалов |
Этапы восстановления шнека
Процесс восстановления начинается с тщательной диагностики, включающей визуальный осмотр и измерение всех геометрических параметров. Определяется степень износа, наличие трещин, деформаций, состояние хвостовика и резьбовых соединений.
Подготовка к ремонту включает очистку поверхности от окислов и остатков полимера. Упрочненный поверхностный слой, окисленный при эксплуатации, удаляется шлифованием на глубину 0,05 миллиметра. Это необходимо для предотвращения порообразования при последующей сварке или наплавке.
Наплавка выполняется послойно с контролем температуры детали. После охлаждения производится проверка качества сварного шва неразрушающими методами. Затем следует механическая обработка на токарных и шлифовальных станках для восстановления точных размеров.
Завершающим этапом является поверхностное упрочнение - азотирование или хромирование восстановленных витков. После финишной шлифовки и полировки шнек готов к установке. Все этапы документируются с составлением протокола измерений и сертификата качества.
Критерии принятия решения: ремонт или замена шнековой пары
Выбор между ремонтом и заменой шнековой пары является сложной технико-экономической задачей. Необходимо учитывать множество факторов, включая степень износа, стоимость ремонта, сроки изготовления новых деталей и потери от простоя оборудования.
Технические критерии
Ремонт целесообразен при износе зазора менее чем в три раза от номинального значения, отсутствии критических дефектов основного металла, сохранении геометрии хвостовика и резьбовых соединений. Шнек должен быть изготовлен из качественной легированной стали марки 38Х2МЮА или аналогов.
Замена необходима при наличии трещин в теле шнека, деформации оси более допустимых значений, износе зазора более чем в четыре раза, повреждении хвостовика или шлицевого соединения. Также замена предпочтительна, если шнек уже подвергался двум и более ремонтам.
| Критерий | Ремонт рекомендуется | Замена рекомендуется |
|---|---|---|
| Увеличение зазора | До 300% от номинала | Более 400% от номинала |
| Количество предыдущих ремонтов | Не более одного | Два и более |
| Состояние основного металла | Без трещин и деформаций | Наличие трещин, сетка разрушения |
| Износ цилиндра | Менее 0,5 мм на радиус | Более 0,8 мм на радиус |
| Состояние хвостовика | Без повреждений | Износ шлицев, деформация |
| Возраст оборудования | До 10-12 лет | Более 15 лет |
Особенности восстановления цилиндра
Цилиндр изнашивается значительно медленнее шнека благодаря большей площади контактной поверхности. Типичное соотношение износа составляет один к трем - когда шнек требует замены, цилиндр сохраняет работоспособность. Однако установка нового шнека в изношенный цилиндр не решает проблему увеличенного зазора полностью.
Восстановление цилиндра возможно несколькими способами. Наиболее простой - расточка внутренней поверхности в больший диаметр с последующей запрессовкой закаленной гильзы. Длина гильзы должна составлять четыре-шесть диаметров шнека. Альтернативный метод - отжиг цилиндра для разрушения азотированного слоя с последующим растачиванием, шлифовкой и повторным азотированием.
Расчет экономической эффективности ремонта:
Для экструдера с диаметром шнека 114 мм стоимость новой шнековой пары составляет около 1,2-1,5 миллиона рублей с учетом доставки. Срок изготовления - от 8 до 12 недель.
Стоимость восстановления шнековой пары методом плазменной наплавки и азотирования составляет 400-600 тысяч рублей. Срок выполнения работ - 3-4 недели.
Экономия составляет 50-60 процентов от стоимости новых деталей при сокращении времени простоя оборудования в два-три раза.
Расчеты и практические примеры
Для принятия обоснованных решений о сроках ремонта или замены шнековой пары необходимо выполнять расчеты влияния износа на основные эксплуатационные показатели экструдера.
Расчет влияния зазора на производительность
Производительность экструдера определяется прямым потоком материала через канал шнека и обратным потоком через зазор. С увеличением зазора возрастает обратный поток, что снижает результирующую производительность.
Упрощенная формула оценки производительности:
Q = Qпрямой - Qобратный
где Q - результирующая производительность, Qпрямой - прямой поток в канале шнека, Qобратный - обратный поток через зазор.
Обратный поток пропорционален кубу зазора:
Qобратный ~ δ³ × ΔP / η
где δ - величина зазора, ΔP - перепад давления, η - вязкость расплава.
При увеличении зазора в 2 раза обратный поток возрастает примерно в 8 раз, что приводит к снижению производительности на 15-25 процентов в зависимости от конструкции шнека.
Пример расчета для конкретного экструдера
Исходные данные:
Экструдер одношнековый, диаметр шнека 90 мм, соотношение длина к диаметру 25:1
Перерабатываемый материал - полипропилен
Номинальная производительность нового оборудования - 95 килограмм в час при 80 оборотах в минуту
Исходный зазор - 0,20 мм на диаметр
Измеренный зазор после эксплуатации - 0,65 мм на диаметр
Расчет:
Увеличение зазора: К = (0,65 - 0,20) / 0,20 = 2,25 раза или 225 процентов
Ожидаемое снижение производительности: 20-30 процентов
Расчетная производительность: 95 × 0,75 = 71 килограмм в час
Фактическая производительность после замеров: 68 килограмм в час
Вывод: Расчетные и фактические данные совпадают с точностью 5 процентов, что подтверждает необходимость ремонта шнековой пары.
Оценка остаточного ресурса
Для планирования технического обслуживания важно прогнозировать остаточный ресурс шнековой пары. Скорость износа зависит от множества факторов, но при стабильных условиях эксплуатации можно использовать линейную модель.
Расчет остаточного ресурса:
Tостаток = (Зкрит - Зтекущ) / Vизн
где Tостаток - остаточный ресурс в часах, Зкрит - критическое значение зазора, Зтекущ - текущее значение зазора, Vизн - скорость износа в мм на 1000 часов работы.
Пример: Текущий зазор 0,45 мм, критический 0,90 мм, скорость износа 0,03 мм на 1000 часов
Tостаток = (0,90 - 0,45) / 0,03 = 15 тысяч часов или около двух лет при двухсменном режиме работы
| Тип полимера | Типичная скорость износа, мм/1000 ч | Прогнозируемый ресурс, лет |
|---|---|---|
| Полиэтилен без наполнителей | 0,02-0,03 | 8-12 |
| Полипропилен без наполнителей | 0,025-0,035 | 6-10 |
| ПВХ с наполнителями | 0,04-0,06 | 4-6 |
| Композиции со стекловолокном | 0,08-0,12 | 2-3 |
| Вторичное сырье с загрязнениями | 0,06-0,10 | 3-5 |
Часто задаваемые вопросы
Периодичность проверки зависит от интенсивности эксплуатации и типа перерабатываемого материала. Для стандартных условий рекомендуется визуальная диагностика каждые 6 месяцев и полная разборка с измерениями каждые 12-18 месяцев. При переработке абразивных материалов или вторичного сырья проверки следует проводить чаще - каждые 8-10 тысяч часов работы. Если появились признаки снижения производительности или качества продукции, диагностику необходимо провести немедленно, независимо от плана.
Решение зависит от степени износа и состояния детали. Если увеличение зазора составляет до 300 процентов от номинала, отсутствуют трещины в основном металле, а хвостовик не поврежден, восстановление технически возможно и экономически целесообразно. Стоимость качественного ремонта составляет 40-60 процентов от цены нового шнека при сроках в два-три раза меньше. Замена необходима при критических дефектах, износе более 400 процентов или если шнек уже ремонтировался два раза. В таких случаях дальнейшее восстановление может привести к изменению геометрии и ухудшению характеристик.
Вторичное полимерное сырье содержит различные загрязнения и включения, которые действуют как абразив. Даже небольшие твердые частицы при высоком давлении между шнеком и цилиндром вызывают интенсивное изнашивание поверхности. Кроме того, вторичное сырье часто имеет нестабильный гранулометрический состав и влажность, что приводит к неравномерной нагрузке на шнек и заклиниванию. Коррозионное воздействие продуктов деструкции полимера также ускоряет износ. При работе с вторсырьем рекомендуется использовать биметаллические шнеки с твердосплавным покрытием, которые служат в три-пять раз дольше стандартных азотированных.
Наиболее надежным считается метод плазменной наплавки твердосплавными материалами с последующим азотированием. Этот комплексный подход обеспечивает толстый износостойкий слой (3-4 миллиметра) с твердостью 50-62 единицы HRC и дополнительную защиту от коррозии. Ресурс восстановленного таким образом шнека часто превышает ресурс нового в два-три раза. Альтернативным высокоэффективным методом является биметаллическое напыление с использованием никелевых сплавов и карбида вольфрама. Выбор конкретной технологии зависит от условий эксплуатации: для стандартных полимеров достаточно азотирования, для абразивных композиций требуется наплавка.
Заметное снижение производительности начинается при увеличении зазора примерно в два раза от номинального значения. Для шнека диаметром 63 миллиметра это соответствует зазору около 0,35-0,40 миллиметров. При таком износе производительность падает на 5-10 процентов. Критическим считается увеличение зазора в три раза, когда потеря производительности достигает 25-40 процентов. Однако важно понимать, что негативные эффекты проявляются не только в снижении выхода продукции, но и в росте брака, неравномерности свойств изделий, повышенном энергопотреблении. Эти факторы часто оказываются более значимыми для экономики производства, чем прямое снижение производительности.
Биметаллический шнек представляет собой стальной шнек с рабочей поверхностью витков, покрытой износостойким твердым сплавом на основе никеля с добавлением карбидов вольфрама, хрома или других элементов. Толщина покрытия составляет 3-5 миллиметров, твердость достигает 58-62 единиц HRC. Такие шнеки необходимы при переработке материалов с высоким содержанием абразивных наполнителей: минеральных порошков, талька, стекловолокна, при работе с агрессивными композициями ПВХ, а также при переработке вторичного сырья. Срок службы биметаллического шнека в три-пять раз превышает ресурс обычного азотированного в тяжелых условиях эксплуатации.
Технически установить новый шнек в изношенный цилиндр возможно, и это даст временное улучшение показателей работы экструдера. Однако такое решение не устраняет проблему увеличенного зазора полностью. Цилиндры изнашиваются медленнее шнеков примерно в два-три раза, но при значительном сроке эксплуатации их износ становится существенным. Оптимальным является одновременное восстановление или замена обеих деталей шнековой пары. Если износ цилиндра незначителен (менее 0,3 миллиметра на радиус), можно ограничиться заменой только шнека. При большем износе цилиндр требует расточки и установки гильзы или полной замены.
К сожалению, точно измерить зазор без разборки экструдера невозможно. Шнек находится в закрытом пространстве цилиндра, и прямой доступ к зазору отсутствует. Косвенными признаками увеличенного зазора служат падение производительности, колебания давления расплава, неравномерность температуры, рост энергопотребления. Для точной диагностики необходима разборка с извлечением шнека и измерениями нутромером внутреннего диаметра цилиндра по всей длине и наружного диаметра витков шнека. Некоторые современные экструдеры оснащаются системами мониторинга, которые по косвенным параметрам могут оценивать состояние шнековой пары, но абсолютную точность обеспечивают только прямые измерения.
Специалисты рекомендуют восстанавливать шнек не более двух раз. При каждом восстановлении происходит наплавка металла и последующая механическая обработка, что неизбежно приводит к небольшим изменениям геометрии детали. После первого ремонта эти изменения минимальны и не влияют на работу экструдера. После второго ремонта накопленные отклонения могут начать сказываться на производительности и качестве продукции. Третий и последующие ремонты нецелесообразны, так как геометрия шнека существенно отличается от проектной, что приводит к нарушению режимов плавления и гомогенизации материала. В таких случаях экономия на замене оборачивается потерями от низкого качества продукции.
Наиболее долговечными являются шнеки из легированной стали 38Х2МЮА с биметаллическим покрытием на основе никелевых сплавов с карбидом вольфрама. Такие шнеки сочетают прочность и вязкость стальной основы с высокой твердостью и износостойкостью поверхностного слоя. В тяжелых условиях эксплуатации их ресурс достигает 25-30 тысяч часов работы. Для стандартных условий достаточно азотированных шнеков из той же стали с ресурсом 15-20 тысяч часов. Применение инструментальных сталей типа Р6М5 оправдано только для специальных задач при переработке особо абразивных композиций. Важно понимать, что долговечность зависит не только от материала, но и от качества термической обработки, точности изготовления и условий эксплуатации.
