Подшипники в пищевых экструдерах Bühler и Clextral для снеков и завтраков

Двухшнековые пищевые экструдеры Buhler (PolyTwin, EcoTwin, CompacTwin) и Clextral (Evolum HT, Evolum+) представляют собой высоконагруженное оборудование непрерывного действия, работающее в режиме 24/7 при производстве зерновых завтраков, снеков, кормов и текстурированных белковых продуктов. Надёжность привода и подшипниковых узлов экструдера непосредственно определяет стабильность процесса и качество выпускаемой продукции. В данной статье рассмотрены конструктивные решения подшипниковых узлов, применяемые в редукторах и приводах указанных экструдеров, а также даны рекомендации по обслуживанию.

1. Принцип работы и нагрузки в двухшнековом пищевом экструдере

При экструзионной варке (горячей экструзии) измельчённое сырьё подвергается воздействию высокой температуры (130-180 градусов C), давления (12-25 МПа в промышленных установках) и сдвиговых усилий в зоне между взаимозацепляющимися соосно вращающимися шнеками. Расплав продукта продавливается через фильеру, где формируется конечная форма изделия, а при выходе из фильеры влага мгновенно испаряется, создавая пористую структуру (экспандирование).

Давление расплава перед фильерой создаёт значительную осевую (упорную) нагрузку на шнеки, которая передаётся через привод на упорные подшипники редуктора. Согласно данным DLG (Немецкое сельскохозяйственное общество), при промышленной горячей экструзии давление в зоне фильеры составляет 120-250 бар (12-25 МПа). Осевая сила, возникающая при этом, является главным нагружающим фактором для подшипниковых узлов редуктора.

2. Структура привода: от двигателя к шнекам

Привод двухшнекового экструдера состоит из нескольких функциональных секций, каждая из которых содержит собственные подшипниковые узлы:

Таким образом, редуктор двухшнекового экструдера конструктивно подразделяется на четыре основных секции: понижающая ступень, распределительная ступень, упорный узел и адаптерный корпус.

3. Упорные подшипники шнеков: восприятие осевых нагрузок

3.1. Проблема ограниченного межцентрового расстояния

В параллельных двухшнековых экструдерах (к которым относятся Buhler PolyTwin и Clextral Evolum) расстояние между осями двух шнеков невелико и определяется диаметром шнеков и степенью зацепления. Это создаёт жёсткое ограничение по радиальному размеру упорных подшипников, которые необходимо разместить на каждом из двух выходных валов.

Для решения этой проблемы применяются многоступенчатые тандемные цилиндрические роликовые упорные подшипники. Они состоят из нескольких ступеней (от 2 до 8), каждая из которых включает прецизионно шлифованные упорные пластины, разделённые компрессионными втулками с цилиндрическими роликовыми сборками. Такая конструкция позволяет воспринимать значительные осевые нагрузки в ограниченном радиальном пространстве.

3.2. Типы упорных подшипников

3.3. Радиальная опора выходных валов

Помимо упорных подшипников, каждый выходной вал редуктора требует радиальных опор. Для этого применяются полнокомплектные цилиндрические роликовые подшипники или игольчатые роликовые подшипники, обеспечивающие радиальное направление вала при минимальном занимаемом пространстве.

4. Подшипники распределительного редуктора

Распределительный редуктор обеспечивает синхронное вращение двух шнеков (сонаправленное для соосно вращающихся экструдеров Buhler и Clextral). Зубчатые передачи редуктора выполняются из низкоуглеродистой легированной стали с цементацией и прецизионной шлифовкой, что обеспечивает низкий уровень шума, минимальный износ и высокий КПД передачи.

Опоры валов распределительного редуктора включают конические роликовые подшипники для восприятия комбинированных радиально-осевых нагрузок от косозубых зацеплений и цилиндрические роликовые подшипники для чисто радиальных нагрузок. Конические подшипники устанавливаются попарно в комбинациях "О" или "Х" для обеспечения жёсткости и компенсации осевых сил. Подшипники для редукторов подбираются с учётом крутящего момента, частоты вращения и температурного режима.

5. Buhler PolyTwin / EcoTwin / CompacTwin

5.1. Модельный ряд

Buhler (Швейцария) выпускает три серии двухшнековых экструдеров: PolyTwin (высокопроизводительный), EcoTwin (экономичный для кормовой отрасли) и CompacTwin (компактный). Все три серии -- соосно вращающиеся двухшнековые машины модульной конструкции, предназначенные для непрерывной работы в режиме 24/7. Области применения: зерновые завтраки, пищевые ингредиенты, корма для домашних животных и аквакультуры.

5.2. Привод и редуктор

Привод PolyTwin включает электродвигатель, понижающий редуктор с распределительной ступенью и упорный узел. Конструкция обеспечивает высокий крутящий момент и переменную скорость вращения шнеков. Маслостанция (oil supply unit) обеспечивает принудительную циркуляционную смазку подшипников и зубчатых передач с охлаждением и фильтрацией. В приводе предусмотрена система безопасности редуктора (gearbox safety), защищающая привод от перегрузок.

5.3. Гидравлическая система выталкивания шнеков

Запатентованная система Buhler позволяет автоматически извлекать даже сильно заклиненные шнеки из цилиндра без разборки машины. Это существенно снижает время простоя при техническом обслуживании и минимизирует риск повреждения шнековых элементов. Операция выполняется нажатием кнопки на сенсорном пульте управления.

6. Clextral Evolum HT 53/72/92 и Evolum+

6.1. Модельный ряд

Clextral (Франция) выпускает серию Evolum с диаметрами шнеков от 25 до 145 мм. Модель Evolum HT 53 (диаметр шнека 53 мм) обеспечивает производительность 200-2000 кг/ч благодаря увеличенному крутящему моменту и повышенной скорости вращения шнеков. Серия Evolum+ -- новейшее поколение с увеличенной до 40% производительностью по сравнению со стандартной серией Evolum за счёт оптимизированного соотношения объёма и энергии.

6.2. Редуктор и подшипники

Редуктор Clextral Evolum HT отличается новой конструкцией, обеспечивающей высокую скорость вращения шнеков при повышенном крутящем моменте. Упорный узел воспринимает осевые нагрузки от давления расплава. Подшипниковые узлы защищены от теплового воздействия зоны экструзии.

6.3. Патентованное открытие цилиндра

Clextral использует запатентованную систему прямого гидравлического раскрытия секций цилиндра (barrel opening), обеспечивающую быстрый доступ к шнековому профилю без трудоёмкого извлечения шнеков из вала. Это ключевое отличие от систем Buhler, где используется гидравлическое выталкивание шнеков.

6.4. Гомотетическая конструкция

Серия Evolum спроектирована по принципу гомотетии (геометрического подобия) -- все модели от EV25 до EV145 имеют пропорционально масштабированную конструкцию, что обеспечивает прямой объёмный масштабный переход с лабораторного оборудования на промышленное. Это касается и подшипниковых узлов: при масштабировании сохраняются соотношения нагрузок и ресурса.

7. Сравнение конструктивных решений

8. Смазка и температурный режим подшипниковых узлов

Редукторы экструдеров работают с маслами вязкостью 320-460 сСт (ISO VG 320 - ISO VG 460). Рабочая температура подшипников составляет приблизительно 50-60 градусов C. Критически важна теплоизоляция упорного узла от горячей зоны экструзии, где температура расплава достигает 130-180 градусов C. Перегрев подшипников приводит к деградации масляной плёнки и ускоренному износу.

Принудительная циркуляционная система смазки включает: масляный насос, фильтр, теплообменник (охладитель) и систему распределения масла к подшипникам и зубчатым зацеплениям. Сферические роликовые упорные подшипники создают при вращении насосный эффект, который может использоваться для улучшения распределения масла к соседним компонентам редуктора.

9. Предохранительные муфты и защита привода

При заклинивании шнеков или попадании постороннего предмета в зону экструзии возникает резкий скачок крутящего момента, способный разрушить зубчатые передачи и подшипники редуктора. Для защиты применяются предохранительные муфты (over-torque safety coupling), которые разъединяют привод при превышении заданного порога момента.

В экструдерах Buhler предусмотрена интегрированная система безопасности редуктора. В экструдерах Clextral и других производителей применяются муфты фрикционного или срезного типа. Аналогичные решения с обгонными муфтами KOYO используются в смежных приводных системах.

10. Обслуживание и замена подшипников

10.1. Периодический контроль

Программа планового обслуживания подшипников экструдера включает: контроль температуры подшипниковых узлов (термометрия), анализ вибрации, контроль состояния масла (вязкость, содержание металлических частиц), проверку уровня и давления в системе смазки. Современные экструдеры оснащены встроенными датчиками крутящего момента и осевой нагрузки для непрерывного мониторинга.

10.2. Замена подшипников редуктора

Замена подшипников требует разборки соответствующей секции редуктора. При замене упорных тандемных подшипников критически важно обеспечить равномерное распределение преднатяга между ступенями. Рекомендуемый монтажный допуск: вал -- f6, корпус -- F7. Для конических роликовых подшипников распределительного редуктора необходимо выдерживать заданный осевой зазор/натяг при монтаже.

10.3. Подбор подшипников

Подшипники для экструдерных редукторов подбираются по каталогам ведущих производителей: SKF, Schaeffler/FAG/INA, NSK, NTN. Для упорных узлов параллельных двухшнековых экструдеров применяются специальные тандемные подшипники, изготавливаемые по спецификациям OEM-производителей редукторов. Подшипники INA конические роликовые, KOYO и NACHI широко используются в редукторах экструзионного оборудования.

11. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

12. Комплектующие для экструзионного оборудования

13. Отказ от ответственности

Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и не является руководством к действию. Автор не несёт ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования изложенной информации. Все работы по обслуживанию, ремонту и замене подшипников экструзионного оборудования должны выполняться квалифицированными специалистами в строгом соответствии с технической документацией производителя конкретного оборудования. Конструкция подшипниковых узлов, их типоразмеры и эксплуатационные параметры могут существенно отличаться в зависимости от модели, модификации и года выпуска экструдера.

14. Источники

1. ГОСТ 520-2011. Подшипники качения. Общие технические условия.

2. ISO 492:2014. Rolling bearings - Radial bearings - Tolerances.

3. ISO 281:2007. Rolling bearings - Dynamic load ratings and rating life.

4. SKF. Rolling Bearings (главный каталог, PUB BU/P1 17000).

5. Schaeffler/FAG/INA. Tandem Bearings in Twin Screw Extruder Gearboxes (Technical Publication TDE).

6. Schaeffler/FAG. Technical Pocket Guide (STT).

7. NSK. Rolling Bearings (CAT. No. E1102m).

8. Buhler Group. Техническая документация: Twin-Screw Extruder PolyTwin, EcoTwin BCTA.

9. Clextral. Техническая документация: Evolum HT, Evolum+. Clextrusion Technology Newsletter.

10. Gear Solutions Magazine. Superior Bearings for Extruder Gearboxes.

11. US Patent US20050199093A1. Gear mechanism for twin screw extruder.

12. DLG Expert Report 02/2022. Extrusion.

13. Guy R. Extrusion Cooking: Technologies and Applications. Woodhead Publishing, 2001.

14. Riaz M.N. Extruders in Food Applications. CRC Press, 2000.

15. Решетов Д.Н. Детали машин: учебник для вузов. 4-е изд. -- М.: Машиностроение, 1989.

16. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. 9-е изд. Том 2.