تُجرى حاليًا أبحاث علمية لضمان استمرارية عمر أجزاء الآلات الوظيفية بكفاءة. ولمنع ارتفاع التكاليف، يُنصح بإطالة هذه الأعمار قدر الإمكان. في آلات البثق التي تُصنع منها المنتجات البلاستيكية، يُؤدي التآكل الميكانيكي وأخطاء التعب في أنظمة البراغي والأسطوانات إلى انخفاض عمر خدمتها. ولمنع هذه الأضرار وزيادة عمر خدمة هذه الأجزاء، يهدف هذا البحث إلى تجميع تصاميم مختلفة واقتراحات حلول مُقدمة في الأدبيات العلمية.
في الآلات التي يتم فيها تصنيع المنتجات البلاستيكية، يتم ملاحظة انخفاض في عمر الخدمة بسبب التآكل الميكانيكي وفشل التعب في أنظمة البراغي والأسطوانات.
سلوك التآكل في مسامير الطارد
من الأهمية بمكان مراقبة سلوك تآكل براغي الطارد. هناك العديد من الأسباب التي قد تُسبب تآكل براغي الطارد وأنظمة البراميل. منذ القدم وحتى اليوم، يُجري الباحثون العديد من الدراسات العلمية لضمان استمرارية هذه الأجزاء في أداء وظائفها بكفاءة، وإطالة عمرها الافتراضي إن أمكن.
من المعروف أنه باختيار تصميم عمود مناسب ومواد تشحيم وتقنيات تشحيم مناسبة أثناء عمليات التجميع، يُمكن تقليل سلوكيات فشل إجهاد المواد في براغي الطارد وزيادة عمرها الافتراضي. بالإضافة إلى ذلك، من الحقائق العلمية أن أنواع الطلاء والتقنيات المختلفة المُطبقة على الأسطح والمعالجات الحرارية غالبًا ما تُؤثر إيجابًا على العمر الافتراضي لقطع العمل [1]. تُجمع هذه الدراسة تصاميم مختلفة واقتراحات حلول مُقدمة في الأدبيات العلمية لمنع تلف المواد وزيادة عمر خدمة هذه الأجزاء في الطاردات أحادية أو ثنائية اللولب.
البحث في تصميمات البراغي والأسطوانات
في العالم، تُستخدم البراغي القياسية في تقنية البثق، وخاصةً في تصنيع الأنابيب والمقاطع، وتبلغ كمية الطاقة المستهلكة لوحدة الكيلوجرام من تصنيع المنتج قيمةً معينةً تقريبًا. ومع ذلك، من الممكن تقليل استهلاك الطاقة من خلال الاستفادة من الخصائص الريولوجية المناسبة للمواد الخام ذات الأشكال الهندسية المختلفة للبراغي. علاوةً على ذلك، يُستخدم مقطع عرضي ثابت في البراغي الحالية؛ فهناك مناطق تغذية وذوبان وضغط. يمكن الحصول على أشكال هندسية مختلفة للبراغي عن طريق تغيير خطوات البراغي في هذه المناطق. أجرى Rauwendaal [2] دراساتٍ على تصميمات براغي الحاجز من الجيل الجديد. من المعروف أن الحواجز الكلاسيكية لها ضغط خلفي عند حدود معينة وحساسية حدث ردود الفعل للمقطع العرضي الصلب في البراغي. بسبب هذه المواقف، يضعف استقرار العملية. في هذه الدراسة، تمت دراسة كيفية تصميم حاجز أكثر دقةً ومثاليةً من خلال مراعاة خصائص الذوبان والتصلب. تم تصميم برغي حاجز بتكوين برغي ذي حافتين على ارتفاعات مختلفة، مما يدفع المادة الصلبة ويسحب السائل المنصهر بين البرغيين. بالإضافة إلى ذلك، طُوِّرَت أيضًا تحسيناتٌ للبرغي بزوايا صغيرة جدًا وأجنحة ذات ارتفاعات مختلفة (الشكل 1). يمكن تصميم هذه الحواجز في هيكلٍ مُسنَّن وعلى ارتفاعاتٍ مختلفة. قبل التحسين، كانت قيم كيلوواط/ساعة/كجم 0.26، ولكن بعد التحسين انخفضت إلى 0.18-0.20 [2]. في التصميمات الجديدة التي طورها روس وآخرون للطاردات ثنائية اللولب التي تدور معًا، تمت زيادة مساحة المقطع العرضي للبرغي والحجم الحر. يتميز برغي التصميم الجديد بخاصية التنظيف الذاتي، وصُمِّم كل جزء فيه بشكل مختلف. في الأساس، تم تصور استراتيجية ترك الحجم الحر، مما زاد من كمية الإنتاج [3].
يشهد قطاع البلاستيك تطورًا سريعًا للغاية. وهو من أكثر القطاعات نموًا في بلدنا. ووفقًا لبيانات عام ٢٠٢٣، تجاوز استخدام المواد الخام البلاستيكية في تركيا ١٠ ملايين طن.
تحليل هندسة البراميل والمسامير
تُستخدم البراميل عادةً كوحدة واحدة. هناك أنواع تفتح من المنتصف فقط. ومع ذلك، يُمكن إنشاء براميل من أجزاء معيارية متجاورة. بفضل ذلك، يُمكن إنشاء أنظمة لولبية وبرميلية ذات مقاطع عرضية مختلفة، وتتكون من عدة أجزاء. يمكن أن تتكون كل منطقة من أشكال هندسية مختلفة. وبطبيعة الحال، ستختلف المادة المُستحصلة من كل منطقة وطبيعة العملية أيضًا. كما ستتغير قيم التدفق والضغط، وهما معلمتان فيزيائيتان تعتمدان على الضغط والتدفق في البرميل، تبعًا لذلك. لذلك، ستختلف ظروف تشغيل الطاردات المُصممة لكل نوع من اللولب والبرميل المُصمم. لهذا السبب، ينبغي أن يكون من الممكن تطوير الطاردات وقياس ومراقبة متغيراتها الفيزيائية. عمل جوردون وآخرون على تصميم مثالي لرأس القالب باستخدام نمذجة "الحد الأعلى". تُمكّن هذه النمذجة من إجراء تحليلات ناجحة، خاصةً في الرؤوس ثنائية المقطع. يُمكن تحديد ومراقبة التدفق في عملية البثق بشكل أكثر واقعية باستخدام هذه النمذجة. استُخدمت طريقة العناصر المحدودة كطريقة حل للنموذج [4]. قام ستاسيك [5] بتحسين آلة بثق خلط ثنائية اللولب لبثق البولي بروبيلين. في الدراسة التي شملت العديد من التصاميم، على سبيل المثال، تم تطوير نظام بثق ثنائي اللولب يدور بشكل مشترك مع نظام إزالة الغازات بتصميم لولبي مُعدّل يحتوي على 3 أجزاء لإزالة الغازات وجزئين للخلط (الشكل 2). قد تُسبب تصميمات آلات البثق الحالية ذات الدوران المشترك تغيرًا في بنية اللدائن الحرارية الموجودة بسبب إجهاد القص العالي، مما يؤدي إلى تدهور البوليمر. كما أن الأحمال الحرارية والميكانيكية العالية التي تحدث في منطقة اللدونة هي سبب هذه الحالة [2].
خصائص العملية والريولوجيا في عملية البثق
قام هوانغ وآخرون بدراسة تصميم الرأس في عملية البثق وأجروا تحليلاتهم. تم تصميم رأس الخروج الذي يشكل المقطع باستخدام ديناميكيات الموائع الحسابية. تم نمذجة تدفق المصهور لأنبوب وتم تحديد حدود تدفق المصهور. في مثل هذه العمليات، هناك احتمال ألا تكون المادة مستقرة حرارياً بسبب تصميم الرأس غير المناسب. يمكن تحقيق الاستقرار عن طريق توجيه التدفق بشكل مناسب. يتم تقديم مبادئ التصميم التي توفر ذلك في الدراسة في ثلاثة أبعاد. تم إجراء نمذجة رأس الأنبوب ومنطقة الضغط. تم نمذجة سلوك تدفق المواد في المقاطع العرضية الكاملة للرأس والتقدم المتداخل لمسارات التدفق باستخدام طريقة العناصر المحدودة [6]. بالإضافة إلى ذلك، ترتبط الخصائص الريولوجية والخصائص الحرارية الأخرى للمادة الخام والعمليات التي تمر بها المادة أيضًا بخصائص المنتج. يجب مراقبة كيفية تغير المواد الخام المستخدمة في هندسة البرميل اللولبي المختلفة. وبالتالي، يمكن جمع البيانات اللازمة لاختيار علاقات المادة-العملية، وتحديد نظام البرميل-اللولب الأمثل وفقًا لذلك. في دراسة أجراها كومار وآخرون، طُوّرت طريقة لتحديد توزيع زمن المقاومة على آلة البثق المختبرية في عملية البثق. بالنسبة لمعلمات اللون، تم تحديد تركيز المراحل غير المنصهرة في المادة بطريقة معالجة الصور بدلاً من المسعر. كما يمكن تحديد تأثير درجة حرارة البرميل وسرعة اللولب بهذه الطريقة. يوفر هذا التطبيق نظام تحكم ممتازًا، لا سيما فيما يتعلق بفصل المكونات البيولوجية والمراحل غير المختلطة في صناعة الأغذية [7]. تجدر الإشارة إلى أن هندسة اللولب وتصميمه يجب أن يكون لهما هيكل مقاوم للغاية لتأثيرات الضغط والاحتكاك العالية على أسطح اللولب. ونظرًا لاختلاف صلادة اللب والسطح، وعدم امتلاك كل مادة لهاتين الخاصيتين في المعالجة الحرارية في نفس الوقت، يتطلب اختيار نوع مادة يتمتع بمتانة عالية وعملية تصلب سطحي. وبينما يُصلب السطح، من المتوقع أن يصل لب اللولب إلى سمة معينة من حيث المتانة والصلابة. ولتحقيق هذه الغاية، من الضروري فحص التغيرات في صلابة اللب والسطح للمواد ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة عن طريق إخضاعها لمنحنيات مختلفة لدرجات الحرارة والوقت في بيئات مختلفة لخليط الغاز ورؤية تأثيرات أنظمة التحكم في جو الفرن المختلفة ووصفات درجة الحرارة وإنشاء وصفة مثالية لتلدين المواد المناسبة للأغراض.
النتائج
براغي الطارد هي عناصر آلية تعمل في درجات حرارة عالية للمعالجة وتحت حمل ثابت. تُسبب المادة التي تسحبها براغي الطارد ضغطًا كبيرًا على جسمها الرئيسي. يجب توسيع المقطع العرضي ليتحمل جسم البرغي الضغوط الميكانيكية الناتجة. إلا أن تصميمها لا يسمح بذلك دائمًا. لذلك، يلزم تصميم براغي يتحمل أقصى الضغوط الممكنة في أصغر مساحة مقطع عرضي ممكنة. من خلال تصنيع براميل من أجزاء معيارية، يُمكن إنشاء أنظمة براغي وبرميل بمقاطع عرضية مختلفة، وتتكون من عدة أجزاء. وبالتالي، يمكن أن تتكون كل منطقة من أشكال هندسية منفصلة. وبطبيعة الحال، ستختلف خصائص المواد والعمليات المُستقاة من كل منطقة. وستتغير أيضًا المعايير الفيزيائية المتعلقة بالتدفق داخل نظام البرميل-البرغي تبعًا لذلك. لذلك، ستختلف ظروف تشغيل الطاردات المُصنعة باختلاف نوع البرميل-البرغي المُصمم. لهذا السبب، يُعد تطوير الطاردات وقياس ومراقبة متغيراتها الفيزيائية أمرًا لا مفر منه من حيث كفاءة العملية وجودة المنتج.
