יחידת התפקוד המרכזית במערכת שיחול כוללת את מכלול הבורג והחבית, אשר מווסת את הובלת החומר, התנהגות ההיתוך, יעילות הערבוב ויציבות התהליך הכוללת. יש לציין כי סיווג סוג הבורג אינו ניתן להפרדה מהבנת הגיאומטריה של הבורג, כך שהאחרונה תשפיע ישירות על מנגנוני הזרימה, התפלגות זמן השהייה ויצירת גזירה.
מאמר זה דן בסוגי ברגים מנקודת מבט של גיאומטריית הבורג האינדיבידואלית, דרך סיווג הסוגים של מכונות אקסטרודר בעלות שני ברגים בהתאם למצב הסיבוב שלהם, תצורת המגע ותפיסת העיצוב המודולרית המאומצת בדרך כלל במערכות בורג וחבית מודרניות.
גיאומטריה של בורג אינדיבידואלי: יסודות סיווג הברגים
לפני סיווג סוגי הברגים במערכות בורג וחבית, יש להבין תחילה את הגיאומטריה של כל בורג בנפרד. גיאומטריית הבורג מגדירה כיצד החומר מועבר, מעורבב בתוך החבית ונדחס, והיא משמשת כבסיס הבסיסי להבחנה בין עיצובי ברגים.
מידות גיאומטריות מרכזיות של בורג
גיאומטריית הבורג מוגדרת בהתייחס לקוטר הפנימי של הקנה הגלילי, המכונה בדרך כלל DB. כל המשתנים המימדיים העיקריים קשורים לקוטר זה. החשוב ביותר מבין המידות הללו הוא H, עומק התעלה, המוגדר כמרחק הרדיאלי משורש הבורג אל פני השטח הפנימיים של החבית. עומק התעלה משפיע ישירות על שלושה תחומים קריטיים מאוד: כושר שינוע, קצב גזירה ויצירת לחץ.
פרמטר מרכזי נוסף הוא e, הרוחב הניצב של מסלול הבורג. רוחב המסלול משפיע במידה רבה על זרימת הדליפה, החוזק המכני והתנהגות הבלאי. מרווח רדיאלי (δs) בין פסגת מסלול הבורג למשטח הפנימי של הקנה היה גם הוא חשוב מאוד משום שהוא קובע את הזרימה החוזרת, היעילות ומידת פעולת הניגוב העצמי במערכות רשתיות.
מרווח יתר מפחית את יעילות השאיבה, בעוד שחוסר מרווח מגביר את הבלאי והמאמץ המכני.
מאפייני הברגה וסליליים
המרחק הצירי עבור סיבוב שלם אחד של הבורג נקרא גובה הבורג או פסיעה (S). המרווח הצירי בין טיסות סמוכות מיוצג על ידי B, והשילוב של שני פרמטרים אלה מתאר את הגיאומטריה של הסליל של הבורג. זווית הסליל (ϕ) מגדיר את הזווית שיוצר מעוף הבורג ביחס לציר הבורג.
בעוד שהמגרש S בדרך כלל קבוע לאורך אורך הבורג, ϕ משתנה עם הרדיוס, וזה יוצר מהירויות זרימה מקומיות שונות וחלוקת גזירה על פני עומק התעלה.
ניתן לתכנן ברגים בתצורות בעלות ציר יחיד, כפול או משולש; בתכנונים בעלי ציר מרוב, הפולימר המותך או התרכובת יזרמו במקביל לאורך שתי תעלות סליליות מקבילות או יותר, אשר לעתים קרובות מספקות יציבות ומפחיתות פעימות בתנאי עיבוד מסוימים.
כיוון השאיבה וכיוון הבורג
אלמנטים של בורג מסווגים גם לפי כיוון השאיבה שלהם. ברגים בעלי שאיבה קדימה, המכונים בדרך כלל ברגים ימניים, כאשר מסובבים עם כיוון השעון, שואבים חומר לכיוון קצה הפליטה של הקנה. ברגים בעלי שאיבה אחורה שואבים חומר בכיוון ההפוך ומוגדרים על ידי זווית פסיעה שלילית וזוויות סליל שליליות.
הם אינם לוקחים חלק בהובלת חומרים נטו אך ממלאים תפקיד קריטי בבניית לחץ, בקרת זמן שהייה וערבוב אינטנסיבי. הכללתם בתכנון בורג מאפשרת מניפולציה מדויקת של דפוסי זרימה, במיוחד בתהליכי הרכבה ואקסטרוזיה ריאקטיבית.
אלמנטים שאינם בורגיים במערכות בורג וחבית
מלבד אלמנטים בורגיים סליליים קונבנציונליים, רוב מערכות הבורג והחבית כיום, ובמיוחד מכונות אקסטרודר עם שני בורגים, משתמשות באלמנטים בורגיים שאינם אמיתיים: מה שנקרא דיסקיות לישה ובלוקי ערבוב, וגיאומטריות רוטור חלופיות. הם נועדו ליצור זרימה מוארכת, ערבוב חלוקתי או ערבוב פיזורי. אלה אינם אלמנטים מסננים אך בכל זאת חיוניים לפיתוח תכונות חומר אחידות.
אקסטרודרים עם בורג כפול: סיווג לפי סוגי בורג
הבדלים בגיאומטריית הבורג, יחד עם מאפייני תכנון מכניים ומנגנוני זרימה הנובעים מכך, מהווים את הבסיס לסיווג של מכונות אקסטרודר בעלות שני ברגים לסוגי ברגים שונים. סיווגים אלה נחשבים חיוניים לחקר בחירת מערכות בורג וחבית עבור יישומים תעשייתיים שונים.
סיווג לפי כיוון הסיבוב
אחת הדרכים העיקריות לסיווג בורג תאום מכבשים מבוסס על כיוון סיבוב הבורג היחסי.
בורג תאום מסתובב יחד מכונות אקסטרודר מסתובבות באותו כיוון. תצורה זו מתוארת בדרך כלל יותר בספרות הטכנית הגרמנית כ-gleichläufig.
בורג תאום מסתובב נגדי מכבשים מסתובבים בכיוונים מנוגדים, הנקראים גם מערכות gegenläufig.
ניתן להשתמש בסידורי סיבוב משותף, סיבוב נגדי וסיבוב מעורב במערכות שיחול מרובות ברגים, בהתאם למטרות העיבוד.
סיווג לפי סידור מגע בורגי
קריטריון סיווג קריטי נוסף הוא אופן המגע בין הברגים. לכן, ניתן לתכנן מכונות אקסטרודר עם שני ברגים כך שיהיו בעלות ברגים אשר:
- מופרד: כאשר יש רווח ברור בין ברגים.
- משיקי: היכן שברגים נוגעים בנקודה אחת
- שילוב: כאשר מעברי בורג חודרים לתעלות זה של זה
ניתן לחלק תכנוני שילוב מחדש לתצורות שילוב מחדש חלקיות ושילוב מחדש מלא. ברגים שילוב מחדש מלא חשובים במיוחד במערכות שיחול בעלות ביצועים גבוהים בשל מאפייני הערבוב וההולכה המשופרים שלהם.
מאפייני ניגוב עצמי
עיצוב הבורג המשתלב לחלוטין, עם פרופילי שורש ומעוף מיוחדים, מאפשר לבורג אחד לנגב ברציפות את פני השטח של השני. תכונת הניגוב העצמי ממזערת קיפאון חומר, מפחיתה את הסיכון לבלבול ומשפרת את יעילות החלפת הפורמולציה. ניתן להשיג התנהגות ניגוב עצמי הן במערכות מסתובבות יחד והן במערכות מסתובבות נגדיות, בהתאם לגיאומטריה של שורשי הבורג.
שלושה סוגים טכנולוגיים עיקריים של אקסטרודרים עם בורג כפול
מנקודת מבט טכנולוגית, ה- בורג תאום מכונות אקסטרודר בדרך כלל מתחלקות לשלוש קטגוריות רחבות המבוססות על כיוון הסיבוב וגיאומטריית הרשת ההדדית.
מערכות סיבוביות נגדיות שאינן משתלבות זו בזו
מכונות אקסטרודר כפולות בעלות בורג מסתובב נגדי שאינן משתלבות זו בזו הן הצורה הפשוטה ביותר של טכנולוגיית כפולות. מערכות כאלה משתמשות בדרך כלל בבורג ימני אחד ובבורג שמאלי אחד המסתובבים בכיוונים מנוגדים, כאשר מסלוליהם עשויים להיות מופרדים או משיקיים, והובלת החומר מתרחשת בעיקר באמצעות זרימת גרר לאורך דופן החבית.
למערכות אלו יש עיצובים מכניים פשוטים יחסית, מה שמקל על ייצורן ותחזוקתן. עם זאת, יעילות הערבוב ויכולת הניקוי העצמי שלהן אינן טובות כמו אלו של עיצובים משולבים.
מערכות סיבוביות נגדיות משתלבות זו בזו
מכונות אקסטרודר כפולות בורגיות מסתובבות נגדיות נגזרות מקונספטים של משאבות כפולות בורגיות בעלות תזוזה חיובית. החומר במערכות אלו מועבר קדימה בתוך תאים סגורים בצורת C הנוצרים בין מעברי הבורג לדופן החבית.
לסוגי ברגים אלו בקרת תפוקה מדויקת, יציבות לחץ מעולה, והובלת החומר נשלטת על ידי תזוזה חיובית ולא על ידי זרימת גרר. מסיבה זו, הם מתאימים במיוחד ליישומים הדורשים דיוק ממדי ופעימות נמוכות.
מערכות סיבוביות משותפות
מכונות אקסטרודר כפולות בעלות בורג מסתובב מתחלף הן מסוג הבורג המתקדם והנפוץ ביותר בעיבוד פולימרים מודרני. במערכות אלו, מאפייני ניגוב עצמי חזקים ותעלות בורג פתוחות לחלוטין קיימות בדרך כלל לכל אורכן.
מערכות ברגים מסתובבות יחד ומשתלבות זו בזו מסתמכות כמעט לחלוטין על גזירה וזרימה מתארכת להובלת חומרים ומספקות תזוזה חיובית זניחה בלבד. הערבוב הפיזי והפיזורי המעולה על ידי סוגי הברגים הופכות את הבחירות הללו למועדפות עבור תהליכי הרכבה, מיזוג ואחול ריאקטיבי.
סיווג לפי עיצוב מודולרי של בורג וחבית
מעבר לסיבוב ולשילוב, סוגי ברגים מסווגים גם לפי האם מערכת הבורג והקנה היא מונוליטית או מודולרית.
ברגים בעיבוד אחיד לעומת ברגים מודולריים
מכונות אקסטרודר קונבנציונליות בדרך כלל מעובדות באופן אחיד על הברגים שלהן, עם גיאומטריה קבועה לכל אורכן. עיצובים אלה, למרות שהם יציבים מבחינה מכנית, אינם גמישים במיוחד.
לעומת זאת, מערכות בורג וחבית מודרניות מתאפיינות יותר ויותר בעיצוב מפולח או מודולרי. במערכות מודולריות, אלמנטים בודדים של בורג מורכבים על גבי ציר משותף. האלמנטים המורכבים עשויים להיות חלקי בורג הפועלים קדימה, אלמנטים הפועלים אחורה, דיסקיות לישה ורוטורי ערבוב מיוחדים.
יתרונות פונקציונליים של סוגי ברגים מודולריים
- מודולריות בגיאומטריית הבורג מאפשרת למהנדסים להתאים אישית את מנגנוני הזרימה מבלי לשנות בפועל את המבנה המכני הפנימי של המכבש.
- ניתן לייעל את המערכת למשימות שונות פשוט על ידי סידור מחדש או החלפה של אלמנטים בודדים, כגון התכה, ערבוב, הסרת נדיפות או עיבוד ריאקטיבי.
- גמישות זו מאפשרת גם לפלטפורמה של בורג וחבית אחת לתמוך במגוון רחב של חומרים ופורמולציות.
- זה הופך את סוגי הברגים המודולריים להכרחיים בפעולות שיחול תעשייתיות מודרניות.
מַסְקָנָה
לִדפּוֹק סוגי מערכות בורג וחבית מוגדרים לא על ידי מאפיין בודד, אלא על ידי אינטראקציה מורכבת של גיאומטריה, מצב סיבוב, סידור מגע ותכנון מבני. לכל החלטות התכנון, החל מממדים של הברגים הבודדים ומאפייני הסליל שלהם ועד לאופי השילוב ושיטת הבנייה המודולרית, יש השפעות ישירות על זרימת החומר, יעילות הערבוב ויציבות התהליך.
ידע בגיאומטריית ברגים ועקרונות הסיווג מהווה את הבסיס לבחירה או לתכנון של מערכת מתאימה לדרישות עיבוד ספציפיות. סוגי ברגים מתקדמים, כולל עיצובים מודולריים בעלי רשתות קו-סיבוביות, ימשיכו להוות את לב ליבם של יישומי עיבוד פולימרים ותרכובות בעלי ביצועים גבוהים באמצעות טכנולוגיית שיחול.
