ПЛАНЕТАРНЫЙ ЗУБЧАТЫЙ ЭКСТРУДЕР Российский патент 1997 года по МПК B29C47/42 

Изобретение относится к области переработки пластмасс, в частности к планетарным зубчатым экструдерам, применяемым для питания каландров при выпуске листовых и пленочных термопластов.

Известен планетарный зубчатый экструдер, содержащий зубчатый цилиндр с внутренними косыми зубьями, соосный с ним центральный вал с наружными косыми зубьями и сателлиты, каждый из которых образует зубчатую пару с зубчатым цилиндром и центральным валом (патент ФРГ N 3815061, кл. B 29 C 47/42, 1989).

Однако известный экструдер имеет относительно низкую износостойкость зубьев валов (зубчатого цилиндра, центрального вала и сателлитов), обусловленную деформацией кручения центрального вала, возникающей при приложении крутящего момента к центральному валу экструдера, загруженного полимером.

Перегрузка зубьев зубчатой пары центральный вал-сателлит на крайнем участке венца со стороны входа экструдера является причиной преждевременного контактного разрушения зубьев экструдера, что подтверждается опытом эксплуатации планетарных экструдеров.

Кроме того, прилегание рабочих поверхностей зубьев центрального вала и сателлита по всей ширине венца указанной зубчатой пары не обеспечивает благоприятного течения полимера вдоль экструдера, т.к. на входе экструдера, как правило, полимер, недостаточно разогретый, имеет более высокие механические характеристики, чем на выходе. При этом, для продавливания полимера между зубьями на входе экструдера требуется прикладывать к центральному валу повышенный крутящий момент.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является планетарный зубчатый экструдер, содержащий зубчатый цилиндр с внутренними косыми зубьями, соосный с ним центральный зубчатый вал с наружными косыми зубьями и сателлиты, каждый из которых образует первую зубчатую пару с зубчатым цилиндром и вторую зубчатую пару с центральным валом, в которой при зацеплении зубьев сателлита и центрального вала между их рабочими поверхностями образован зазор, уменьшающийся по ширине венца второй зубчатой пары от входа экструдера к его выходу (патент ФРГ N 3839621, кл. B 29 C 47/42, 1989).

Наличие зазоров между рабочими поверхностями зубьев центрального вала и сателлитов, уменьшающихся от входа экструдера к его выходу, облегчает продавление более вязкого полимера на входе экструдера, что позволяет снизить прикладываемый к центральному валу крутящий момент.

Однако и в данном экструдере концентрация рабочей нагрузки на зубьях на крайних участках венцов зубчатых пар со стороны входа экструдера остается достаточно высокой и, соответственно, снижается износостойкость зубьев экструдера.

Это обусловлено тем, что изменение зазора между рабочими поверхностями зубьев центрального вала и сателлита от входа к выходу экструдера осуществляется из условия благоприятного течения полимера вдоль экструдера. При этом не учитывается распределение рабочей нагрузки по ширине венца зубчатой пары, обусловленное деформацией кручения центрального вала загруженного полимером экструдера, которое имеет большую неравномерность со значительным увеличением концентрации рабочей нагрузки на зубьях на крайнем участке венца со стороны входа экструдера.

Техническим результатом изобретения является снижение концентрации рабочей нагрузки на зубьях экструдера и повышение их износостойкости.

Для достижения технического результата в планетарном зубчатом экструдере, содержащем зубчатый цилиндр с внутренними косыми зубьями, соосный с ним центральный вал с наружными косыми зубьями и сателлиты, каждый из которых образует первую зубчатую пару с цилиндром и вторую зубчатую пару с центральным валом, в которой при зацеплении зубьев сателлита и центрального вала между их рабочими поверхностями образован зазор, уменьшающийся по ширине венца второй зубчатой пары от входа экструдера к его выходу, согласно изобретению уменьшение зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала при их зацеплении на крайнем от входа экструдера участке венца второй зубчатой пары имеет линейную зависимость, а по меньшей мере на части венца за указанным крайним участком рабочая поверхность каждого зуба центрального вала выполнена выпуклой для дополнительного уменьшения величины указанного зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала.

Кроме того, минимальная длина L крайнего участка венца второй зубчатой пары со стороны входа экструдера определена из соотношения

а величина зазора на этом участке из соотношения

при этом величина зазора между рабочей поверхностью каждого зуба сателлита и выпуклой рабочей поверхностью каждого зуба центрального вала определена из соотношения

где коэффициент,
С коэффициент удельной жесткости зубьев, Н/мм²;
a_p число сателлитов,
sh гиперболический синус,
ch гиперболический косинус,
r_b радиус основной окружности центрального зубчатого вала, мм;
G модуль сдвига, Н/мм²;
I_k полярный момент инерции сечения центрального вала, мм⁴;
b ширина зубчатого венца сателлита;
полное нормальное усилие между зубьями центрального вала и сателлита, Н;
M крутящий момент, прикладываемый к центральному валу, Н.мм;
d диаметр начальной окружности центрального зубчатого вала, мм;
α_t угол зацепления между зубьями центрального вала и сателлита, град.

угол перекоса зубьев сателлита и центрального вала в плоскости зацепления, рад.

x расстояние от торца сателлита со стороны выхода экструдера, мм;
K<1 эмпирический коэффициент.

Уменьшение зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала при их зацеплении на крайнем от выхода экструдера участке венца второй зубчатой пары имеет ту же линейную зависимость, что и на входе экструдера, при этом суммарная длина крайних участков на входе и выходе экструдера равна удвоенной минимальной длине крайнего участка на входе экструдера. Длина L₁ крайнего участка венца второй зубчатой пары на входе экструдера больше длины L₂ крайнего участка на выходе экструдера и равна: 1,5L≅L₁≅2L
Длины крайних участков венца второй зубчатой пары на входе и на выходе экструдера равны между собой.

В описываемом экструдере введение зазора между рабочими поверхностями зубьев центрального вала и сателлита, меняющегося от торца сателлита со стороны подвода крутящего момента до противоположного торца по линейному закону, позволяет снизить коэффициент неравномерности и концентрацию рабочей нагрузки на крайнем участке венца планетарной передачи со стороны подвода крутящего момента практически в 2 раза. Это достигается перераспределением рабочей нагрузки между крайними участками венца планетарной передачи. Однако и в этом случае распределение рабочей нагрузки по ширине венца планетарной передачи будет крайне неравномерным. В частности, на крайних участках концентрация рабочей нагрузки на зубьях будет значительно выше, чем в средней части венца, что говорит о нерациональном использовании участков зубьев в средней части венца.

Зависимость изменения коэффициента неравномерности распределения удельной контактной нагрузки по ширине венца планетарной передачи имеет криволинейный характер с максимальными значениями на крайних участках венца, примыкающих к торцам сателлита, и минимальным значением посередине венца. Дополнительное нелинейное уменьшение величины зазора на части венца, расположенной со стороны подвода крутящего момента за крайним участком с линейно изменяющимся зазором, обеспечивает выравнивание распределения рабочей нагрузки по ширине венца с уменьшением ее значения на крайних участках венца.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид экструдера, продольный разрез; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1; на фиг. 3 график значений коэффициентов неравномерности распределения удельных контактных нагрузок на зубьях центрального вала и сателлита по ширине венца зубчатой пары; на фиг.4 зубчатые пары, образованные сателлитом с зубчатым цилиндром и центральным валом, продольный разрез; на фиг.5 вид на зубья цилиндра, центрального вала и сателлита со стороны входа экструдера.

Планетарный зубчатый экструдер содержит корпус 1 (фиг.1) с закрепленным на нем торцевым упором 2 и зубчатым цилиндром 3 с внутренними косыми зубьями 4 (фиг.5). Соосно зубчатому цилиндру 3 расположен центральный зубчатый вал 5 с косыми зубьями 6. Внутри зубчатого цилиндра 3 (фиг.2) вокруг зубчатого вала 5 расположены сателлиты 7, зубья 8 которых находятся в зацеплении с зубьями 4 цилиндра 3 и зубьями 6 центрального вала 5, образуя зубчатые пары 9 и 10, соответственно.

На фиг.2 изображен экструдер с 10 сателлитами. В общем случае количество сателлитов ограничивается возможностью уменьшения их диаметров, поскольку с уменьшением диаметра сателлита возрастают контактные напряжения на зубьях. Зубья 6,4,8 центрального вала 5, цилиндра 3 и сателлитов 7 соответственно выполнены косыми для обеспечения осевой подачи полимера, а валы 5,3,7 - цельными. Каждая зубчатая пара 10 выполнена таким образом, что при прилегании рабочих поверхностей 11 и 12 зубьев 6,8 центрального вала 5 и сателлита 7 соответственно друг к другу на выходе 13 экструдера, на его входе 14 между указанными рабочими поверхностями 11 и 12 образуется зазор 15, уменьшающийся по ширине венца зубчатой пары 10 от входа 14 экструдера к его выходу 13. На крайнем участке 16 венца зубчатой пары 10 на входе экструдера зазор 15 меняется по линейному закону. При этом минимальная длина L этого крайнего участка 16 определяется из соотношения:
(1)
a величина зазора 15:
(2)
где коэффициент;
C коэффициент удельной жесткости зубьев, Н/мм²;
a_p число сателлитов;
r_b радиус основной окружности центрального зубчатого вала, мм;
G модуль сдвига, Н/мм²;
sh гиперболический синус;
ch гиперболический косинус;
I_k полярный момент инерции сечения центрального вала, мм⁴;
b ширина зубчатого венца сателлита, мм;
полное нормальное усилие между зубьями центрального вала и сателлита, Н;
M крутящий момент, прикладываемый к центральному валу, Н.мм;
d диаметр начальной окружности центрального зубчатого вала, мм;
α_t угол зацепления между зубьями центрального вала и сателлита, град.

γ угол перекоса зубьев сателлита и центрального вала в плоскости зацепления, рад.

x расстояние от торца сателлита со стороны выхода экструдера.

В зубчатой паре 10, изображенной на фиг.4, на крайнем участке 17 венца со стороны выхода 13 экструдера зазор 15 меняется по той же линейной зависимости, что и на участке 16. Длины указанных крайних участков 16 и 17 равны между собой и равны L. В средней части 18 венца зубчатой пары 10 величина зазора 15, соответствующая указанной линейной зависимости, дополнительно уменьшена выполнением рабочей поверхности 11 каждого зуба 6 центрального вала 5 в указанной части 18 венца выпуклой. Следует отметить, что для упрощения изображения зубья на фиг.4 показаны прямыми.

Возможен вариант выполнения экструдера, в котором указанные крайние участки с зазором 15, меняющимся по линейной зависимости, имеют разные длины L₁ и L₂. В частности, длина L₁ участка 16 на входе экструдера больше длины L₂ участка 17 на выходе 13 и равна -(1,5-2)L. При этом суммарная длина этих участков 16 и 17 равна 2L. Такой вариант выполнения экструдера используется в линиях, в которых на вход 14 экструдера подаются холодные гранулы полимера, и, соответственно, механические характеристики полимера меняются по мере его перемещения вдоль экструдера. Обработка холодного полимера отрицательно сказывается на условиях смазки рабочих поверхностей зубьев на входе 14 экструдера увеличивают длину L₁ крайнего участка 16 со стороны входа 14 экструдера по сравнению с длиной L₂ участка 17 на выходе экструдера с тем, чтобы уменьшить величины удельных контактных нагрузок на зубьях на входе 14 экструдера относительно указанных нагрузок на его выходе 13.

Наиболее предпочтительно в данном случае, чтобы длина L₁ крайнего участка 16 венца со стороны входа 14 экструдера выбиралась из вышеуказанного соотношения: 1,5L≅L₁≅L. Увеличение длины этого участка 16 в пределах L₁≅1,5L приводит к незначительным изменениям контактных нагрузок и поэтому не эффективно. При особо явном выраженном абразивном воздействии полимера на рабочие поверхности зубьев, крайний участок 16 венца с линейно изменяющимся зазором 15 выполняют длиной, равной 2L, а рабочую поверхность 11 каждого зуба центрального вала 5 на оставшейся части венца выполняют выпуклой. Величина зазора 15 между рабочей поверхностью 12 каждого зуба 8 сателлита 7 и выпуклой рабочей поверхностью 11 каждого зуба 6 центрального вала 5 определяют соотношением:
(3)
где: K эмпирический коэффициент, зависящий от отношения ширины венца центрального вала 5 к его диаметру. При этом К<1. Если К равен 1, то зубчатая пара 10 сателлит 7 центральный вал 5 будет иметь две точки контакта, одна из которых расположена в центральной части ширины венца зубчатой пары 10. В этом случае часть ширины венца за указанной точкой контакта исключается из работы. По мнению авторов наиболее предпочтительны значения К, равные 0,4-0,6, при которых коэффициент неравномерности распределения удельных контактных нагрузок по ширине венца близок к единице.

В корпусе 1 выполнены канавки 19, а центральный зубчатый вал 5 имеет отверстия 20, через которые подается масло для обогрева полимера.

Планетарный зубчатый экструдер работает следующим образом.

Гранулированный полимер шнековым питателем (на чертеже не показан) подается на вход 14 экструдера. От электродвигателя (на чертеже не показан) через шнек питателя на центральный зубчатый вал 5 передается крутящий момент. В канавки 19 корпуса 1 и в отверстие 20 центрального вала 5 подается горячее масло для обогрева зубьев экструдера. Продавливаясь между разогретыми зубьями 4,6,8 полимер пластифицируется и гомогенизируется. Переработанная смесь выдавливается в зазоры между сателлитами и торцевым упором. Осевые усилия, возникающие в зацеплении сателлитов 7 с центральным валом 5, воспринимаются торцевым упором 2.

С начала приложения крутящего момента к центральному зубчатому валу 5 на нем возникает деформация кручения, вследствие которой выбирается зазор 15 между рабочими поверхностями 12 и 11 сателлитов 7 и центрального вала 5. Прочность обрабатываемого полимера недостаточна для нарушения контакта между рабочими поверхностями 12 и 11 зубьев сателлитов 7 и центрального вала 5, поэтому величина контактных напряжений на этих зубьях 6 и 7 практически сохраняется такой же, какой она была бы в случае отсутствия полимера. После прилегания рабочих поверхностей 12 и 11 зубьев 8 и 6 сателлитов 7 и центрального вала 5 друг к другу зазор между нерабочими поверхностями указанных зубьев 8 и 6 у торца каждой зубчатой пары 10 на входе 14 экструдера будет на величину больше, чем в средней части 18 венца. Тем самым обеспечиваются благоприятные условия течения полимера на входе 14 экструдера. При нарастании крутящего момента, прикладываемого к центральному валу 5, больше нагружаются зубья 6 и 8 средней части венца каждой зубчатой пары 10 центральный вал 5 сателлит 7 и соответственно разгружаются зубья на крайних участках 16 и 17 венца этих зубчатых пар 10. В результате, распределение рабочей нагрузки по ширине венца каждой зубчатой пары 10 будет близким к равномерному, чем существенно повышается долговечность зубьев в зацеплениях экструдера.

На фиг. 3 приведен график значений коэффициентов неравномерности распределения удельных контактных нагрузок на зубьях 8 и 6 сателлитов 7 и центрального вала 5 по ширине венца, образованной ими зубчатой пары 10. Кривая 1 (фиг. 3а) соответствует экструдеру, в котором в отсутствии полимера, рабочие поверхности зубьев сателлитов и центрального вала прилегают друг к другу по всей ширине венца зубчатой пары. Кривая 2 (фиг.3в) для зубчатой пары, в которой при прилегании рабочих поверхностях зубьев сателлита и центрального вала на выходе экструдера, на его входе между указанными поверхностями образуется зазор, величина которого меняется по линейному закону [2] Прямая 3 (фиг. 3в) равномерное распределение удельной контактной нагрузки по ширине венца зубчатой пары. Кривые, приведенные на граф.3 получены авторами по известной методике расчета планетарных передач на прочность. Расчеты проводились для планетарных передач, конструктивные параметры которых соответствуют параметрам применяемых экструдеров. Поскольку механические характеристики полимера практически не влияют на распределение контактной нагрузки на зубьях центрального вала и сателлитов экструдера, расчеты, приведенные для планетарных передач, справедливы для планетарных зубчатых экструдеров. Расчеты проводились для экструдера, имеющего следующие конструктивные параметры: диаметр начальной окружности центрального вала (d) - 114 мм, ширина зубчатого венца сателлитов (b) 980 мм, число сателлитов (a_p) 10, крутящий момент, прикладываемый к центральному валу (М) - 2000000 Н.мм.

На фиг. 3 видно, что для зубчатой пары, в которой при отсутствии полимера рабочие поверхности зубьев центрального вала и сателлита прилегают друг к другу по всей ширине венца (кривая 1 на фиг.3а), максимальное значение коэффициента неравномерности распределения удельных контактных нагрузок приходится на крайний участок венца со стороны входа экструдера и его величина равна 15. Далее значение коэффициента неравномерности распределения удельных контактных нагрузок (Q) достаточно резко падает до значения 0,02. При введении между указанными рабочими поверхностями зубьев центрального вала и сателлита зазора, изменяющегося в соответствии с соотношением [2] коэффициент Q на крайнем участке венца зубчатой пары со стороны входа экструдера уменьшается вдвое за счет перераспределения удельной контактной нагрузки между крайними участками венца зубчатой пары на входе и выходе экструдера. При этом длина указанных крайних участков венца зубчатой пары, на которых значение удельной контактной нагрузки на зубьях еще достаточно велико, определяется уравнением [1] Дополнительное нелинейное уменьшение зазора на части венца между указанными крайними участками длиной L обеспечивает близкое к равномерному распределение удельной контактной нагрузки по ширине венца зубчатой пары сателлит центральный вал с одновременным уменьшением концентрации рабочей нагрузки на участках венца со стороны входа и выхода экструдера.

Использование: изобретение относится к области переработки пластмасс, в частности к планетарным зубчатым экструдерам, применяемым для питания каландра при выпуске листовых и пленочных термопластов. Сущность изобретения: в планетарном зубчатом экструдере уменьшение зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала при их зацеплении на крайнем от входа экструдера участке венца второй зубчатой пары имеет линейную зависимость. По меньшей мере, на части венца за указанным крайним участком рабочая поверхность каждого зуба центрального вала выполнена выпуклой для дополнительного уменьшения величины указанного зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала. Кроме того, минимальная длина L крайнего участка венца второй зубчатой пары со стороны входа экструдера определена из соотношения

а величина зазора на этом участке - из соотношения . При этом, величина зазора между рабочей поверхностью каждого зуба сателлита и выпуклой рабочей поверхностью каждого зуба центрального вала определена из соотношения

где - коэффициент, с - коэффициент удельной жесткости зубьев, a_p - число сателлитов; r_b - радиус основной окружности центрального зубчатого вала, мм; G - модуль сдвига, н/мм²; I_к - полярный момент инерции сечения центрального вала, мм⁴; b - ширина зубчатого венца сателлита, мм; - полное нормальное усилие между зубьями центрального вала и сателлита, Н; М - крутящий момент, прикладываемый к центральному валу; d - диаметр начальной окружности центрального вала, мм; α_t - угол зацепления между зубьями центрального вала и сателлита, град.; - угол перекоса зубьев сателлита и центрального вала в плоскости зацепления, рад.; х - расстояние от торца сателлита со стороны выхода экструдера, мм; sh - гиперболический синус, ch - гиперболический косинус, К<1 - эмпирический коэффициент. Уменьшение зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала при их зацеплении на крайнем от выхода экструдера участке венца второй зубчатой пары имеет ту же линейную зависимость, что и на входе экструдера. Суммарная длина крайних участков на входе и на выходе экструдера равна удвоенной минимальной длине крайнего участка на входе экструдера. Длина L₁ крайнего участка венца второй зубчатой пары на входе экструдера больше длины L₂ крайнего участка на выходе экструдера и равна: 1,5L≅L₁≥2L. Длины крайних участков венца второй зубчатой пары на входе и на выходе экструдера равны между собой. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Планетарный зубчатый экструдер, содержащий зубчатый цилиндр с внутренними косыми зубьями, соосный с ним центральный вал с наружными косыми зубьями и сателлиты, каждый из которых образует первую зубчатую пару с зубчатым цилиндром и вторую зубчатую пару с центральным валом, в которой при зацеплении зубьев сателлита и центрального вала между их рабочими поверхностями образован зазор, уменьшающийся по ширине венца второй зубчатой пары от входа экструдера к его выходу, отличающийся тем, что уменьшение зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала при их зацеплении на крайнем от входа экструдера участке венца второй зубчатой пары имеет линейную зависимость, а по меньшей мере на части венца за указанным крайним участком рабочая поверхность каждого зуба центрального вала выполнена выпуклой для дополнительного уменьшения величины указанного зазора между рабочими поверхностями зубьев сателлита и центрального вала. 2. Экструдер по п.1, отличающийся тем, что минимальная длина L крайнего участка венца второй зубчатой пары со стороны входа экструдера определена из соотношения

а величина зазора на этом участке из соотношения

при этом величина зазора между рабочей поверхностью каждого зуба сателлита и выпуклой рабочей поверхностью каждого зуба центрального вала определена из соотношения

где коэффициент;
С коэффициент удельной жесткости зубьев;
a_p число сателлитов;
r_в радиус основной окружности центрального зубчатого вала, мм;
G модуль сдвига, H/мм²;
I_к полярный момент инерции сечения центрального вала, мм²;
b ширина зубчатого венца сателлита, мм;
полное нормальное усилие между зубьями центрального вала и сателлита, Н;
М крутящий момент, прикладываемый к центральному валу, H•мм;
d диаметр начальной окружности центрального вала, мм;
α_t- угол зацепления между зубьями центрального вала и сателлита, град.

угол перекоса зубьев сателлита и центрального вала в плоскости зацепления, рад;
x расстояние от торца сателлита со стороны выхода экструдера, мм;
Sh гиперболический синус;
ch- гиперболический косинус;
К < 1 эмпирический коэффициент.