Шне́кові маши́ни (механі́зми) — машини (механізми), у яких основним елементом є шнек (гвинт, черв'як), за допомогою якого відбувається переміщення рідких, високов'язких чи твердих речовин.

Шнек
Архімедів гвинт з ручним приводом

Шнек є основною робочою деталлю шнекового механізму, що обертається всередині труби або жолоба і має бокову поверхню у формі гвинта, основна задача якого є переміщення вантажу (сировини, матеріалу) вздовж гвинтової поверхні.

Історична довідка ред.

Транспортувальні (подавальні) шнеки відомі уже багато віків. Наприклад, похило розташовані гвинти Архімеда використовувались в римських системах водопостачання для неперервного подавання води на вищі геодезичні рівні[1]. Для сипких матеріалів транспортувальні шнеки почали використовуватись у гірництві, сільському господарстві, харчовій і хімічні промисловості понад 100 років тому[2].

Високов'язкі пластичні маси (каучуки, термопластичні полімери тощо) вже з 1866 року екструдують з використанням шнекових машин для накладання кабельної ізоляції, а з 1873 року для виготовлення гумових шлангів[3]. Для транспортування малов'язких рідин були створені двовальні гвинтові насоси з напором до 20 МПа, що знайшли застосування у суднобудуванні і нафтопереробці.

При транспортуванні матеріал, що подається може зазнавати додаткових впливів з метою реалізації процесів суміщення матеріалів, відокремлення середовищ чи взаємодії речовин.

Застосування шнекових машин починаючи від функцій подавання сипких матеріалів і екструзії пластмас, охопило всі технологічні процеси за участі сипких, пластичних та пружнов'язких середовищ такі як: змішування, гомогенізація, відтискування, фільтрування, сушіння, випарювання, а також хімічні реакційні процеси, забезпечуючи їх неперервний характер.

При сучасному рівні розвитку техніки основні області застосування шнекових машин можуть бути об'єднані у шість технологічних груп:

Шнекові машини транспортування (подавання) і дозування ред.

 
Принцип роботи гвинтового (шнекового) конвеєра
 
Загальний вигляд тригвинтового насоса (із знятою кришкою)

Шнекові конвеєри ред.

Використовуються у технологіях, що потребують транспортування та подачі сипких матеріалів продуктивністю до 50 т/год (в окремих випадках до 150 т/год). Діаметр шнека може складати 100…600 мм, частота обертання 10…120 хв−1[4].

Галузі: гірнича галузь, сільське господарство, виробництво будівельних матеріалів, харчова та хімічна промисловість, виробництво та переробка пластмас.

Докладніше: Шнековий конвеєр

Гвинтові насоси ред.

Використовуються для подавання рідин. Характеризуються високим ККД (0,8…0,85) в широкому діапазоні навантажень. Основні параметри: робочий об'єм від 15 до 3500 см3; робочий тиск до 20 МПа; діапазон частот обертання 1000…3500 хв−1[5].

Галузі: суднобудування, нафтова промисловість, у гірничій промисловості знаходять застосування для відкачування забрудненої води, очищення водозбірників, у технологічних схемах водовугільного палива.

Докладніше: Гвинтовий насос

Гвинтові компресори ред.

Використовуються для подавання (нагнітання) газів. Основні параметри: робочий тиск при «сухому стискуванні» до 1,5 МПа (до 2,0 МПа у маслозаповнених), з продуктивністю до 60 м³/хв (до 45 м³/хв. у масло заповнених)[6]

Галузі: хімічна промисловість, мобільні компресори у будівництві, медичне обладнання, холодильне устаткування.

 
Шнековий дозатор

Шнекові дозатори ред.

Використовуються для дозування сипких речовин (порошків і гранул) і паст. Діаметр шнека може складати від 6,5 мм до 250 мм, частота обертання шнека 15…250 об/хв, продуктивність до 20 т/год[7]. Зазвичай мають порівняно невисоку точність дозування (±1 %), але останні розробки можуть забезпечувати точність близько 0,5 % при дозах близько 1…10г[8]. Основна перевага: простота конструкції, обслуговування і заміни шнека.

Галузі використання: харчова та хімічна промисловість, виробництво та переробка пластмас.

Шнекові пластикатори та екструдери ред.

 
Схема процесу екструзії: 1 — шнек (гвинт, черв'як); 2 — бункер з сировиною; 3 — фільєра; 4 — продукт

Використовуються для екструзії та пластифікації пластичних і пружнов'язких середовищ. Бувають одно-, дво- і навіть чотиришнекових виконань із шнеками, що обертаються в одному чи протилежних напрямках або планетарно розташованими.

Частота обертання шнека для екструзії полімерних матеріалів може бути в межах 10…40 об/хв., відношення довжини до діаметра не більше 30[9].

Галузі використання: промисловість пластичних мас, промисловість будівельних матеріалів, харчова промисловість.

Шнекові змішувачі ред.

Використовуються для змішування рідких та змішування з подрібненням сипких, пластичних та пружнов'язких матеріалів, а також для гомогенізації, гелеутворення або розчинення. Робочий об'єм змішувачів може становити від декількох до 50 тис. літрів з потужністю приводу до 300 кВт і довжиною шнека до 16 м[10].

Галузі використання: гірничорудна галузь, сільське господарство, промисловість обробки каміння, ґрунту та мінералів, харчова і хімічна промисловість, промисловість виробництва та переробки пластмас та синтетичних канчуків.

Шнекові класифікатори ред.

Використовуються для мокрої класифікації (спіральний класифікатор) чи сепарації (шнековий сепаратор) твердих речовин, відтискання (фільтрування) рідин, сушіння сипких, пластичних і пружнов'язких матеріалів, дегазація летких компонентів з пластичних і пружнов'язких середовищ, концентрування розчинів, проведення процесів, пов'язаних з фазовими переходами у пластичних та тістоподібних системах. Число шнеків від 2-х до 4-х, довжина може досягати 8 м, частота обертання від 15 до 300 об/хв., продуктивність до 50 м³/год[11].

Галузі використання: гірничорудна, хімічна та харчова промисловість, промисловість виробництва та переробки пластмас.

Шнекові виконавчі органи гірничих машин ред.

Більшість конструкцій вузькозахопних сучасних очисних комбайнів та деякі конструкції інших гірничих машин мають виконавчі органи у вигляді шнеків з різцями. Шнекова форма виконавчого органу дозволяє забезпечити одночасне із відбійкою навантаження гірничої маси. Діаметр шнеків у очисних комбайнів — від 0,6 до 3,0 м, довжина — від 0,5 до 1,0 м.

Шнекові органи прості конструктивно, мають високий ККД, забезпечують човникову схему роботи і можливість самозарубки, добре пристосовані до відробки границі «вугілля — вмісні породи». Вони є найбільш поширеними виконавчими органами для очисних комбайнів, призначених для виїмки вугільних пластів з кутами падіння 0-35о.

Шнекові реактори ред.

Використовується для проведення реакцій полімеризації, поліконденсації, поліприєднання, деполімеризації (розкладання, деструкція), легування, змін у молекулах матеріалів, проведення звичайних реакцій в тістоподібних, пластичних і пружнов'язких середовищах. Частота обертання шнека до 300 об/хв, підтримання температури до 400ºС, довжина до 6 м, потужність приводу до 125 кВт, продуктивність до 500 кг/год[12]

Використовується у хімічній промисловості, промисловості пластичних мас і синтетичних каучуків.

Шнекові теплообмінники ред.

Використовуються для нагрівання і охолодження твердих речовин, рідин, геле- і тістоподібних мас, а також, для розплавлення і кристалізації твердих речовин

Галузі використання: харчова і хімічна промисловість, галузь обробки каміння, землі і мінералів.

Примітки ред.

  1. Chris Rorres The Turn of the Screw: Optimal Design of an Archimedes Screw [Архівовано 27 вересня 2007 у Wayback Machine.] / Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 126, No. 1, January, 2000. P.72-80. (англ.)
  2. Герман Х. Шнековые машины в технологии. C. 7.
  3. Герман Х. Шнековые машины в технологии. C. 17.
  4. Конвейеры: Справочник / Р. А. Волков, А. Н. Гнутов, В. К. Дьячков и др, Под общ. ред. Ю. А. Пертена. Л.; Машиностроение, Ленингр, отд-ние, 1984. — 367 с. C.251-355
  5. Гидропривод. Основы и компоненты. Учебный курс по гидравлике. Том 1. / Rexroth Bosch Group. 2003.- 322 c. C.55
  6. Improving Compressed Air System Performance [Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.] / U.S. Department of Energy. — 122 р.
  7. Герман Х. Шнековые машины в технологии. C.55-63.
  8. Синицын Б. Н., Ерохин А. С. Дозаторы непрерывного действия — средства автоматизации процессов дозирования. Обзорная информация. — М., 1982.
  9. К. Раувендаль Экструзия полимеров. М.: Профессия, 2006. ISBN 5-93913-102-6
  10. Герман Х. Шнековые машины в технологии. C. 65-78.
  11. Герман Х. Шнековые машины в технологии. С. 151—173
  12. Герман Х. Шнековые машины в технологии. С. 175—185

Джерела ред.

  • Герман Х. Шнековые машины в технологии. Пер. с нем. под ред. Л. М. Фридмана, Л.: «Химия», 1975. — 232 с.
  • Гевко Б. М. Технология изготовления спиралей шнеков. — Львов: Вища школа, Изд-во при Львовском ун-те, 1986. — 128 с.
  • Бучинський М. Я., Горик О. В., Чернявський А. М., Яхін С. В. Основи творення машин / [за ред. О. В. Горика (д. т. н., проф., засл. прац. нар. освіти України)]. — Харків : Вид-во «НТМТ», 2017. — 448 с. : 52 іл. — ISBN 978-966-2989-39-7.