La causa de un catastrófico desgaste de tornillo

La alimentación errática puede ser la culpable. Esto no es raro cuando se trata de material reciclado.

Con frecuencia me encuentro con desgaste catastrófico cuando estoy examinando tornillos utilizados en un proceso de reciclaje. El reciclamiento presenta algunos problemas que no se encuentran generalmente en operaciones de extrusión tradicionales que se basan en polímeros granulados, incluso cuando estos procesos convencionales utilizan un alto porcentaje de material reciclado molido. Eso es porque el desperdicio de película, fibra, espuma o botella alimentados a las extrusoras de reciclamiento a menudo tienen baja densidad aparente y características de flujo no libre. Ya sea que la extrusora se alimenta por gravedad o con un alimentador lateral, rellenador, o embutidor, siempre hay algo de inconsistencia en la uniformidad de alimentación debido a la irregularidad de las características de estas materias primas.

La mayoría de los procesadores intuitivamente saben cuánta fuerza puede ejercer un gato de tornillo o un perno, pero no se dan cuenta de que el mismo principio se aplica al tornillo de la extrusora. El tornillo es en realidad un plano inclinado o una cuña que se enrolla en espiral alrededor de un cilindro en una forma helicoidal. Este diseño crea una acción justo como una cuña y multiplica la fuerza del motor (drive) del tornillo. Para un paso de aleta estándar, el multiplicador es aproximadamente cuatro veces el torque del (drive) motor, sin tener en cuenta la fricción.

Las fuerzas localizadas que actúan en una extrusora de un solo tornillo son enormes cuando el polímero está todavía en forma sólida. Cuando el tornillo se alimenta de manera inconsistente, es alternativamente lleno o parcialmente lleno en diferentes lugares hasta que la compactación se haya completado más adelante en el tornillo. Las áreas que están llenas desarrollarán la presión de la acción de cuña, porque el polímero sólido no se desliza fácilmente en la pared del cilindro. Que los resultados de la presión en el polímero y una fuerza desequilibrada en el tornillo. Esto empuja el tornillo en la dirección opuesta y lo presiona contra la pared del cilindro con enorme fuerza debido a la pequeña zona de resistencia de la aleta de tornillo (véase la figura 1).

FIG 1: Las áreas que están llenas desarrollarán la presión de la acción de cuña, porque el polímero sólido no se desliza fácilmente en la pared del cilindro. Que los resultados de la presión en el polímero y una fuerza desequilibrada en el tornillo. Esto empuja el tornillo en la dirección opuesta y lo presiona contra la pared del cilindro.

Aunque estas fuerzas no pueden observarse desde fuera del extrusor, no hay duda de que existan. De lo contrario, ¿cómo podría explicar un tornillo que esta desgastado en una distancia corta y sin embargo esencialmente sin desgaste antes y después de esa área. Con el fin de desgastarse con ese patrón, el tornillo tiene que doblarse sobre esa distancia. Recientemente he investigado un caso en el que un tornillo de 150 mm (6-in.) estaba experimentando desgaste catastrófico en sólo tres diámetros cerca del final de la sección de alimentación (Fig. 2). He calculado la fuerza lateral necesaria para doblar un eje que tiene que diámetro de raíz lo suficiente para permitir que la cantidad de desviación: Esta era alrededor de 27.240 kg (60.000 lb) y que fue asumiendo que no hay apoyo de flexión de las aletas de tornillo, que no fortalecer en gran medida el tornillo en el sentido de flexión- la fuerza real era mucho más

FIG 2: Aquí un tornillo de 150 mm (6 pulg) fue catastróficamente desgastado en solo tres diámetros cerca del final de la sección alimentación. La fuerza lateral necesaria para doblar un eje con ese diámetro de raíz para esa cantidad de desviación fue mas de 27.240 kg (60.000 lb).

Hay dos tipos de "acuñamiento." Hay una clara diferencia entre el desgaste causado por la alimentación errática y el desgaste debido a la insuficiente capacidad de fusión. El acuñamiento debido a la alimentación inadecuada está contenido generalmente en la sección de alimentación y la primera vuelta de la sección de compresión. Por otro lado, el acuñamiento debido a la inadecuada capacidad de fusión puede hacer que la sección de compresión (sección de barrera) se taponee temporalmente con sólidos y causar una fuerza desequilibrada en el tornillo. Esa forma de cuña contenidos normalmente en la segunda mitad de la sección de compresión. El acuñamiento de fusion limitada provoca un desgaste acelerado pero generalmente no catastrófico, debido a que el tornillo está lleno y hay algo de apoyo desde el lado opuesto, dependiendo del grado de fusión.

Algunas prácticas de operación -tales como el vaciado manual de fardos de desperdicios de películas en la tolva - realmente aceleran el desgaste ya que el tornillo alternativamente trabaja lleno y vacío, causando grandes fuerzas laterales móviles. Dejar correr el tornillo vacío y de repente llenando a toda velocidad tendrá el mismo efecto. Menos grave, pero aun muy problemáticos son el uso de dispositivos de ayuda de alimentación , tales como rellenadoras, embutidoras, y alimentadores laterales que no están diseñados y / o operados correctamente.

Si el desgaste catastrófico se está produciendo en la sección de alimentación o la primera parte de la sección de compresión, considere la estabilización de la tasa de alimentación dentro el tornillo. Esto puede requerir una molienda adicional del polímero o cambios en el diseño del tornillo o cualquier aparato que ayude en la alimentación del polímero reciclado dentro del tornillo.

Como pauta, cuando la tasa de alimentación en el tornillo es errática habrá evidencia en la variación continua del amperaje del motor con un cambio proporcional en la presión de cabeza a la misma frecuencia. Las fuerzas son tan grandes que el uso de materiales finos para el tornillo y cilindro sólo tendrá un efecto menor sobre la tasa de desgaste.

Sobre el autor Frankland
Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha estado involucrado en todo tipo de proceso de extrusión por más de 40 años. Actualmente es presidente de Frankland Plastics Consulting, LLC. Contacto jim.frankland @ comcast.net o (724) 651-9196.

Plastics Technology
Mayo 2013