Совершенствование соэкструзионного оборудования для получения длинномерных двухслойных заготовок из резиновых смесей с усиленной зоной контакта материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Долгин Дмитрий Сергеевич

• Долгин Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Долгин Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

1.1 Виды длинномерных комбинированных изделий многослойного

исполнения

1.1.1 Компоненты гусеничного полотна

1.1.2 Резиновые вкладыши трамвайных путей

1.2 Анализ существующих технологий производства длинномерных

комбинированных изделий

1.2.1 Дублированное каландрование

1.2.2 Прессование

1.2.3 Соэкструзия

1.3 Современные соэкструзионные головки

1.3.1 Классификация соэкструзионных головок

1.3.2 Анализ известных современных конструкций соэкструзионных

головок

1.4 Анализ способов математического описания течения полимеров

1.4.1 Вязкоупругие реологические модели

1.4.2 Степенные реологические модели

1.5 Анализ подходов описания процесса соэкструзии в каналах головки

1.5.1 Аналитический подход

1.5.2 Численный подход

1.5.3 Особенности численного моделирования в АКБУБ

1.6 Результаты и выводы по главе, постановка задач исследования

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В ДУПЛЕКСНЫХ ФОРМУЮЩИХ ГОЛОВКАХ

2.1 Описание конструкции новой соэкструзионной головки

2.2 Математическая модель процесса соэкструзии резиновых смесей в дуплексных формующих головках

2.2.1 Допущения математической модели

2.2.2 Система уравнений математической модели

2.2.3 Граничные условия

2.3 Численное моделирование процесса соэкструзии с применением новой формующей головки

2.3.1 Последовательность численного моделирования

2.3.2 Определение расчетных параметров

2.3.3 Анализ результатов численного моделирования

2.4 Результаты и выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В КАНАЛАХ СОЭКСТРУЗИОННОЙ ГОЛОВКИ

3.1 Определение основных реологических констант резиновых смесей

3.1.1 Описание виброреометра

3.1.2 Методика проведения эксперимента на виброреометре РВС

3.1.3 Результаты определения реологических констант полимеров

3.2 Экспериментальная установка для соэкструзии

3.2.1 Конструкция экспериментальной установки для соэкструзии

3.2.2 Средства контроля и измерения основных параметров процесса соэкструзии

3.2.3 Методика проведения эксперимента по соэкструзии

3.2.4 Результаты исследования гидродинамических и энергосиловых параметров процесса

3.2.5 Сравнение результатов гидродинамических картин течения резиновых смесей

3.2.6 Сравнение результатов определения энергосиловых параметров установки

3.3 Экспериментальная установки для раздира образцов

3.3.1 Конструкция экспериментальной установки для раздира образцов

3.3.2 Методика проведения эксперимента по раздиру

3.3.3 Результаты исследования образцов на раздир

3.3.4 Анализ результатов опыта на раздир

3.4 Результаты и выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОЭКСТРУЗИОННОЙ ГОЛОВКИ С УСИЛЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ КОНТАКТА МАТЕРИАЛОВ

4.1 Определение конструктивных параметров, обеспечивающих оптимальные параметры процесса

4.2 Определение влияния коэффициента неоднородности скорости на степень постэкструзионного разбухания

4.2.1 Особенности численного моделирования эффекта разбухания

4.2.2 Определение расчетных параметров

4.2.3 Анализ результатов численного моделирования разбухания

4.3 Метод расчета и проектирования экструзионных агрегатов для выпуска изделий с усиленной поверхностью контакта материалов

4.3.1 Обобщенная методика расчета соэкструзионных агрегатов

4.3.2 Пример расчета соэкструзионного агрегата

4.4 Конструктивные схемы новых головок для соэкструзии с усиленной поверхностью контакта материалов

4.4.1 Соэкструзионная головка для получения двухслойных заготовок

с усиленной зоной контакта круглого сечения

4.4.2 Соэкструзионная головка для получения армированных двухслойных заготовок прямоугольного сечения

4.4.3 Соэкструзионная головка для получения двухслойных заготовок

прямоугольного сечения

4.5 Результаты и выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Патент РФ №2705057

Приложение Б Патент РФ №2826536

Приложение В Справка с АО «Ярославль-Резинотехника»

Приложение Г Справка с АО «Ярославтехнология»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование соэкструзионного оборудования для получения длинномерных двухслойных заготовок из резиновых смесей с усиленной зоной контакта материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время в химической и смежных отраслях промышленности достаточно широко распространены технологии изготовления длинномерных профильных изделий из резиновых смесей. Объем производства таких изделий составляет порядка 290 тыс. тонн готовой продукции в год. При этом конечными потребителями к получаемой продукции предъявляются весьма жесткие требования, иногда взаимоисключающие. Например, большинство получаемых экструдатов должны обладать, с одной стороны, высокой прочностью и износостойкостью, а с другой - гибкостью и эластичностью. Совмещение в одном материале подобных сочетаний свойств физически невозможно. Альтернативой композитной смеси может служить агрегирование материальных слоев, каждому из которых будут присущи свои свойства. Одним из наиболее эффективных способов получения комбинированных профилей является процесс соэкструзии, в котором два или более полимерных материала совместно продавливаются через формообразующее отверстие (фильеру) для получения заданного профиля.

Научные работы по изучению этой тематики ведутся отечественными и зарубежными исследователями. Следует отметить труды многих ученых: Г.В. Виноградова, А.Я. Малкина, В.П. Володина, А.И. Леонова, Г.М. Гончарова, Ч.Д. Хана, В. Микаэли, К. Раувендаля и др. Для моделирования процесса стратифицированного течения реологически сложных жидкостей применяются различные численные подходы [1-3], рядом ученых создаются научно обоснованные методики для оптимизации режимных параметров и конструкций экструзионного оборудования для получения различных профилей (прямоугольные [4, 5], цилиндрические [6-8], сложной формы [9, 10]), а так же разрабатываются теории, позволяющие учитывать температурные особенности при течении таких материалов [11, 12].

Несмотря на достаточный уровень развития техники и технологии процесса соэкструзии, остаются не до конца решенными две важные проблемы: прочность

соединения слоев и нестабильность формы экструдата [13]. Указанные выше проблемы проявляются из-за различия реологических свойств резиновых смесей, в которых в процессе течения их по каналам соэкструзионной головки возникает значительный градиент скорости, что приводит:

1) к расслоению в зоне контакта материалов, нежелательным процессам частичного или полного инкапсулирования одного материала другим (проблема прочного соединения слоев) [13];

2) к искажению наружной поверхности экструдата, изменению формы готового продукта (проблема нестабильности формы) [14].

Для решения этих проблем предложено формировать в зоне контакта материалов искусственное зацепление в виде локальных усиливающих элементов. Последние представляют собой систему взаимопроникающих выступов и впадин (зубцов). Это позволит увеличить площадь контакта слоев, что решает первую проблему. Зона формирования выступов и впадин будет перераспределять скорости внутри головки, что позволит снизить общий градиент скорости и, как следствие, частично решить вторую проблему [15].

Таким образом, разработка формующей оснастки и методов ее расчета для получения многослойных изделий с усиленной поверхностью контакта материалов заданной формы является актуальной задачей.

Объектами исследования являются технология и оборудование для соэкструзии резиновых смесей.

Предмет исследования - конструкция соэкструзионной головки экструдера и процесс получения длинномерных двухслойных изделий из резиновых смесей с усиленной поверхностью контакта материалов.

Цель работы. Совершенствование оборудования для соэкструзии профильных изделий из резиновых смесей с упрочненным соединением слоев, путем модернизации конструкции формующего оборудования и создание инженерной методики его расчета.

Для достижения обозначенной цели поставлены и решены следующие задачи исследования:

1) разработка конструкции соэкструзионной головки, позволяющей получать многослойные резинотехнические изделия с усиленной поверхностью контакта материалов;

2) исследование процесса соэкструзии резиновых смесей в головке разработанной конструкции в численной постановке;

3) разработка экспериментальной установки с соэкструзионной головкой для подтверждения адекватности численного исследования реальному процессу соэкструзии;

4) разработка экспериментальной установки для анализа влияние усиливающих элементов на прочность соединения слоев;

5) разработка инженерной методики расчета и проектирования соэкструзионного агрегата с головкой разработанной конструкции для получения профилей заданного размера с учетом постэкструзионного разбухания.

Научная новизна работы:

Разработан новый научно обоснованный способ увеличения прочности соединения слоев в изделиях из резиновых смесей, получаемых в соэкструзионной головке разработанной конструкции, путем формирования взаимопроникающих выступов и впадин, увеличивающих длину линии контакта материалов в продольном сечении и площадь их соприкосновения.

Предложено для оценки показателя качества (размера экструдата), с учетом постэкструзионного разбухания, использовать коэффициент неоднородности скорости на выходе из фильеры, для оценки энергетической эффективности -перепад давления в формующей головке.

Методом компьютерного моделирования и численных экспериментов получены рациональные значения конструктивных размеров и количества усиливающих элементов, обеспечивающие минимальное значение коэффициента неоднородности скорости резиновой смеси.

Практическая значимость работы:

Разработана конструкция соэкструзионной головки (патент РФ №2705057), позволяющая получать двухслойные заготовки из резиновых смесей с усиленной поверхностью контакта материалов заданного размера с учетом постэкструзионного разбухания.

Определены рациональные параметры конструкции усиливающих элементов: форма - зубец в виде треугольника с углом в пределах от 40° до 80°, с высотой 0,3...0,5 от высоты слоя; интервальные параметры - расстояния между зубцами и от зубца до края элемента не менее 0,5 высоты зуба.

Создана оригинальная конструкция экспериментальной установки для раздира образцов двухслойных изделий из резиновых смесей и разработана методика определения прочности соединения слоев в двухслойных заготовках из резиновых смесей, учитывающая форму поверхности контакта материалов.

Разработана методика расчета соэкструзионной головки, учитывающая форму и количество усиливающих элементов для двухслойных резиновых изделий.

Новые конструкции соэкструзионных головок для производства заготовок с усиленной поверхностью контакта материалов приняты к внедрению на АО «Ярославль-Резинотехника», г. Ярославль.

Рекомендации по расчету размеров двухслойных резиновых изделий с усиленной зоной контакта материалов и определению параметров процесса соэкструзии приняты к практическому применению в АО «Ярославтехнология», г. Ярославль.

Методология и методы исследования. Описание процесса соэкструзии проводилось с использованием численного исследования в универсальном программно-вычислительном комплексе ANSYS, позволяющем решать задачи течения реологически сложных сред, с возможностью прогнозирования постэкструзионного разбухания.

Численные значения энергосиловых параметров получены в результате длительного эксперимента, с применением стандартных методов и методик

ГОСТов. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение увеличения прочности соединения слоев в двухслойных изделиях из резиновых смесей за счет внедрения усиливающих элементов.

2. Новая конструкция соэкструзионной головки для получения двухслойных изделий с усиленной зоной контакта материалов.

3. Способ определения коэффициента неоднородности скорости и его влияние на степень разбухания экструдата.

4. Метод определения прочности соединения слоев (усилие, затрачиваемое на раздир) двухслойных изделий из резиновых смесей.

5. Методика инженерного расчета конструктивных параметров усиливающих элементов и самой соэкструзионной головки.

Степень достоверности. Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается использованием метрологически поверенного оборудования, обоснованным применением теории движения вязкой несжимаемой жидкости, методов численного исследования, статистических методов обработки экспериментальных данных, удовлетворительным совпадением полученных расчетных и экспериментальных данных и публикациями в рецензируемых изданиях.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в докладах следующих конференций:

72, 74, 75 и 76 Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, г. Ярославль; XXXV Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологии - ММТТ-35», г. Ярославль; XVII международная научная конференция «Современные технологии. Технические и естественные науки», г. Архангельск.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 2 монографии, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в журналах, входящих в перечень Web of Science/Scopus, 4 статьи в других изданиях, получено 2 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 157 наименований и приложений. Общий объем работы 152 страницы, включает 70 рисунков, 8 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПРОФИЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ

С увеличением объемов и скорости развития производства комбинированных изделий на полимерной основе возрастают требования к качеству получаемой продукции. В современных реалиях соответствовать большому спектру разнообразных требований к изготавливаемой продукции могут только агрегированные материалы, в которых каждому слою будут присущи только часть требований. Такие многослойные изделия находят применение в различных отраслях промышленности (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Применение многослойных полимерных изделий

Большинство изделий имеют длинномерную форму. Поэтому особое внимание следует уделить длинномерным комбинированным изделиям многослойного исполнения.

1.1 Виды длинномерных комбинированных изделий многослойного исполнения

К длинномерным комбинированным изделиям относятся: полимерные гусеницы, резиновые трамвайные вкладыши и плиты, полотна ручек эскалаторов, рабочие органы транспортерных лент, протекторы автомобильных шин, уплотнительные шнуры, прокладки и др. Перед рассмотрением процессов получения и особенностей машин для изготовления таких композитов, необходимо проанализировать номенклатуру и назначение подобной продукции.

1.1.1 Компоненты гусеничного полотна

В последнее время все чаще ведущие мировые машиностроительные корпорации выпускают машины и комплексы с резиноармированными гусеничными движителями [16]. Автор отмечает, что такие гусеницы в сравнении с металлической гусеницей очень универсальны. Они не вызывают повреждения поверхности дорожного полотна, менее шумные, снижают вибрации от двигателя и, как следствие, увеличивают срок службы элементов подвески, они более легкие, что упрощает их монтаж и обслуживание, делает машину более легкой и маневренной. Резиновые гусеницы имеют высокую износостойкость при работе во влажных и абразивных средах, что связано с конструктивными и технологическими особенностями их производства [13, 17]. Другие конструктивные и технологические особенности гусениц рассмотрены в работах [18-20].

При повышении спроса на резиновые гусеницы появляются новые требования к такому типу изделий, что приводит к необходимости применения новых технологий. Учитывать все свойства для одного типа резины дорого, а в некоторых случаях невозможно. Скомбинировать противоречивые свойства в одном изделии возможно при помощи многослойных изделий. При этом подходе гусеница будет состоять из слоев разных марок резины (Рисунок 1.2). Часть слоев будет изготавливаться методом соэкструзии, часть слоев - методом симплексной

экструзии, а далее эти экструдаты собираются или приформовываются к металлическим профилям [13, 15].

Рисунок 1.2 - Компоненты гусеничного полотна: 1 - внутренний слой; 2 - промежуточный слой; 3 - закладной металлический элемент;

4 - металлокорд; 5 - верхний слой

В основе гусеницы лежит металлокорд 4, состоящий из обрезиненных стальных тросов. Резина, входящая в состав металлокорда 4, должна обладать высокой адгезией, чтобы обеспечивать надежный контакт со стальным тросом. Под металлокордом 4 располагается закладной металлический элемент 3 с направляющим выступом для фиксации качения опорных катков и направляющего колеса в ходовой системе. Поверх закладного металлического элемента 3 наносится промежуточный слой, который так же должен обладать высокой адгезией. Внутренний слой 1 должен быть эластичным, с целью компенсации ударных нагрузок при движении. Снаружи имеется верхний или беговой слой резины 5, который покрывает весь композит целиком. Такой слой нанесен вокруг всего композита, как со стороны дорожного полотна, так и со стороны катков ходовой системы. Беговой слой должен обладать высокой прочностью, хорошей износостойкостью и быть стойким к воздействию ряда сред при любых погодных условиях.

При изготовлении многослойных гусеничных полотен несмотря на некоторое увеличение трудоемкости процесса изготовления повышается их долговечность, надежность и способность выдерживать большие значения нагрузки при растяжении и изгибе [21].

На сегодняшний день резиноармированные гусеницы производят следующие мировые корпорации: Bridgestone, Yanmar, Morooka (Япония), Skega (Швеция), Foremost (Канада), Valmet (Финляндия), Caterpillar, Camoplast Solideal (США) и др. [13, 17]. Однако в России эта отрасль не так развита, а имеющиеся производства работают на импортном оборудовании. Кроме того, проблема получения прочного соединения слоев не решена полностью.

Таким образом, применение методов соэкструзии при изготовлении гусеничных полотен является актуальной задачей с целью обеспечения импортозамещения и технологического суверенитета.

1.1.2 Резиновые вкладыши трамвайных путей

В последнее время все чаще возникает необходимость снижения шума и вибрации, а также повышение уровня фиксации трамвайных путей, с целью уменьшения вибрационной нагрузки на близлежащие здания и сооружения [14, 22]. С этой целью используют резиновые вкладыши. Изготовление вкладышей относится к химической отрасли резинотехнических изделий и строительных материалов. Известна конструкция вкладышей фирмы «SEDRA» [23] (Рисунок 1.3).

В такой конструкции к трамвайному желобчатому рельсу 1 с боков устанавливаются многослойные вкладыши, полученные методом соэкструзии. Вкладыши состоят из нескольких слоев, каждому из которых характерны свои свойства. Нижний подкладной слой 2 должен быть выполнен из твердой резины, так как вся нагрузка будет приходится именно на этот слой, который не должен смещаться, с целью сохранения геометрических размеров трамвайных рельс. Средний слой 3 выполняется из более мягкой резины и служит для гашения

вибрации от рельсов. Верхний слой 4 должен быть выполнен из износостойкой резины, сохраняющей свои свойства при различных температурных и погодных условиях, поскольку именно этот слой будет подвержен износу со стороны колес трамвая и будет непосредственно контактировать с окружающей средой. Для такого вида изделий характерной проблемой является обеспечение прочности контакта между слоями.

Рисунок 1.3 - Компоненты резиновых вкладышей для трамвайных путей: 1 - трамвайный желобчатый рельс; 2 - нижний слой; 3 - средний слой; 4 - верхний слой

Таким образом, разработка новых способов укрепления слоев полимерных изделий является актуальной задачей.

1.2 Анализ существующих технологий производства длинномерных

комбинированных изделий

Для изготовления многослойных полимерных длинномерных изделий прямоугольной формы применяют разные способы (Рисунок 1.4): дублированное каландрование [24], прессование [25], соэкструзия [26] и др. Остановимся на каждом из способов по отдельности.

Рисунок 1.4 - Технологии изготовления многослойных полимерных изделий

1.2.1 Дублированное каландрование

Каландрование - это непрерывный технологический процесс переработки предварительно подогретого полимерного материала в зазорах между обогреваемыми валками, предназначенный для получения листовых полимерных материалов. Дублирование применяется для изготовления многослойных листов толщиной свыше 1,5 мм [24]. Более подробно их конструкции описаны в источниках [27-31].

Достоинством дублирования по сравнению с другими способами является скорость процесса. К недостаткам такого способа относятся: малая толщина заготовки, сложность и громоздкость технологической оснастки, дороговизна оборудования, вероятность возникновения пузырей в зоне контакта материалов.

1.2.2 Прессование

Прессование - процесс получения готового полимерного изделия в подогреваемых пресс-формах, состоящих из матрицы и пуансонов [25]. Этот процесс производится при повышенной температуре, обеспечивающей вулканизацию готового изделия [32]. Для получения многослойных изделий в форму послойно закладывается необходимое количество каждого полимера, после чего пуансоном производят формование и подвергают изделие кратковременной выдержке под постоянным давлением и температурой, необходимой для соединения слоев [33].

К достоинствам прессования относится относительная простота аппаратного оформления процесса и малая стоимость оборудования [34]. К недостаткам

относятся: низкая производительность, сложность в автоматизации процесса, поскольку необходимые слои закладываются вручную и, как следствие, отсутствует возможность контроля формы и толщины слоев, а также невозможность изготовления изделий в длинномерном исполнении.

1.2.3 Соэкструзия

Экструзия - это непрерывный процесс выдавливания полимерного материала через выходное формующее отверстие [26]. Для получения многослойных изделий применяется процесс мультиплексной экструзии или соэкструзии, когда два или более материала выдавливаются через одно формующее отверстие [15].

К достоинствам экструзии относятся возможность изменения и контроля толщины слоев изделия при помощи формующего инструмента, отсутствие воздушных прослоек в зоне контакта материалов, возможность формирования сложной поверхности зоны контакта материалов. К недостаткам относится более сложная конструкция агрегатов и, как следствие, высокая стоимость оборудования.

Наиболее распространенным видом оборудования, используемого в процессе экструзии полимерных материалов, являются червячные машины [35, 36]. Принцип действия таких машин рассмотрим на примере одночервячного экструдера для переработки термопластов [37] (Рисунок 1.5).

В зону загрузки I загружается полимер через бункер 7, откуда через окно 8 попадает в винтовой канал вращающегося шнека 6. При транспортировке полимера червяком 2 материал уплотняется, а заключенный в пустотах воздух частично уходит обратно через окно 8. Проходя зону пластификации II, материал нагревается и переходит в вязкотекучее состояние за счет диссипативного разогрева и тепла от нагревателей 5. Подготовленный таким образом расплав продавливается через зону формования III, состоящую из укрепляемого на фланце 3 цилиндра 2, к которому прикрепляется формующий инструмент - экструзионная головка 1.

Рисунок 1.5 - Конструкция одночервячного экструдера: I - зона загрузки; II - зона пластификации; III - зона формования; 1 - экструзионная головка; 2 - цилиндр; 3 - фланец корпуса; 4 - пульт управления; 5 - нагреватели; 6 - шнек; 7 - бункер; 8 - окно загрузочное; 9 - редуктор; 10 - опорная шайба; 11 - упорный подшипник; 12 - корпус подшипника; 13 - устройство для подачи охлаждающей жидкости в шнек; 14 - электродвигатель; 15 - масляной насос;

16 - вентиляторы охлаждения

При выделении тепла в зоне пластификации II нагревается и шнек, что в свою очередь вызывает прилипание экструдата к его поверхности. Для охлаждения шнека 6 в нем имеется центральное отверстие, в которое подается охлаждающая жидкость при помощи устройства 13. Так же очень важно контролировать температуру процесса, для нагревания предусмотрены нагреватели 5, а в случае превышения температуры они отключаются и включаются вентиляторы охлаждения 16. Показания термометров и других контрольно-измерительных приборов выводятся на пульт управления 4.

При продавливании пластифицированного материала через головку 1 развивается давление, иногда достигающее 40 МПа [38], вследствие чего возникает осевая нагрузка, направленная в право. Это усилие с червяка со шнека 6 передается на редуктор 9, с него - на упорную шайбу 10, далее - на упорный подшипник 11 и корпус 12. Для смазки редуктора 9 и упорного подшипника 11 предусмотрен насос

15, подающий масло. Вращающий момент на шнек 6 передается от электродвигателя 14 через редуктор 9.

Таким образом, экструзионная головка - это основной элемент червячных машин, благодаря которой происходит формообразование получаемого изделия. Неправильно подобранная геометрия каналов головки может приводить к таким нежелательным эффектам как расслоение, инкапсулирование и искажение наружной поверхности экструдата.

1.3 Современные соэкструзионные головки

Описание конструкций экструзионных головок приведено в [4, 6, 9, 11, 3943]. Рассмотрим более подробно виды соэкструзионных головок, к которым предъявляются весьма жесткие требования. Они должны обеспечивать получение многослойного изделия с заданной толщиной каждого слоя, а получаемый экструдат должен иметь заданную форму граничной поверхности [44]. Помимо этого, головки должны быть универсальными по виду перерабатываемых материалов, а конструкции каналов должны обладать минимальным сопротивлением течению полимеров. При этом все детали головок должны обладать высоким классом точности при изготовлении, а головка в сборе должна быть технологичной и выдерживать большие тепловые нагрузки и давление. Стоимость такой головки должна быть минимальной [45].

1.3.1 Классификация соэкструзионных головок

Головки для соэкструзии можно разделить по различным критериям [44, 46]. Рассмотрим одну из возможных классификаций соэкструзионных головок, которая приведена на основании их конструктивных особенностей и получаемого на выходе экструдата (Рисунок 1.6).

Двухслойные; Трехслойные; Четырехслойные.

Т-образные; Прямоточные-косоугольны е; Прямоточные-прямоугольные.

Многоканальные; С адаптером; Комбинированные.

Продольно-разъемные; Поперечно-разъемные.

Листовые;

Прямоугольные;

Круглые;

Сложной

формы.

Рисунок 1.6 - Классификация соэкструзионных головок

Проведем подробное описание критериев в соответствии со схемой (см. Рисунок 1.6):

1) по количеству слоев

Головки, обеспечивающие выпуск двух-, трех-, четырех- и т.д. слойные изделия [44].

2) по направлению движения потоков [44]

В Т-образных головках (Рисунок 1.7, а) слои подаются на встречу друг другу, а двух-, трех- и т.д. слойный экструдат выходит под углом 90° вниз. Прямоточные-косоугольные головки (Рисунок 1.7, б) используются при угловом расположении червячных машин в одной вертикальной плоскости. Если угол между червячными машинами в одной плоскости составляет 90°, то такие головки называются прямоточные-прямоугольные (Рисунок 1.7, в) [4].

3) по схеме подачи потоков [44]

В многоканальных головках (Рисунок 1.8, а) потоки расплава соединяются непосредственно в головке перед оформляющей щелью. Эти головки позволяют переработать полимеры с различной вязкостью и температурой, а также позволяют регулировать толщину каждого слоя [47].

а) б) в)

Рисунок 1.7 - Виды головок по направлению движения потоков:

а - Т-образная; б - прямоточная-косоугольная; в - прямоточная-прямоугольная;

1, 2 - экструдеры; 3 - выходное отверстие головки; 4 - корпус соэкструзионной головки

В головках с адаптером (Рисунок 1.8, б) предусмотрен специальный элемент - адаптер, в котором производится соединение разных экструдеров. Благодаря конструкции адаптера поток в нем движется ламинарно и успевают завершиться релаксационные процессы. Преимущество такой конструкции заключается в возможности комбинирования большого количества слоев. Недостаток -невозможность соединения слоев с различными температурами переработки [48], а также усложнение конструкции.

а) б) в)

Рисунок 1.8 - Виды головок по схеме подачи потоков:

а - многоканальная; б - с адаптером; в - комбинированная

Комбинированные головки (Рисунок 1.8, в) частично компенсируют недостатки головок с адаптерами. Они состоят из последовательно расположенных головок с адаптером и многоканальных. Однако из-за многоканальной системы

такие головки имеют сложную конструкцию, большую металлоемкость и получаются дороги в изготовлении [45].

4) по типу корпуса [44]

По типу корпуса можно выделить продольно-разъемные и поперечно-разъемные соэкструзионные головки.

Корпус продольно-разъемной головки, как правило, выполнен из двух половин, в каждой из которых оформлена симметричная половина каналов. Половинки корпуса скрепляются между собой при помощи болтового соединения. Такие головки удобны для обслуживания и чистки, однако сложны в изготовлении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Долгин Дмитрий Сергеевич, 2025 год

- 1

а. 0,800 о х с ти0,750 _ _ 1 3,5 а 3,0 1

т

Г-

с о н о 0,700 к а. ' о 5 1 о 0,650 - сс и

2,5 н 2,5 е л СП а 2,0 5

.1

е н т •• а с е

> у. 1

5 0,600 и ц и тг 1,5 & с

V

\ Ч 1. • • 1 ь*

& 0,550 т о 0,500 1,0 0,5

0,450 0,0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Относительная высота зубца

А Перепад давления Д Коэффициент неоднородности скорости

Рисунок 2.12 - Зависимость коэффициента неоднородности скорости и перепада давления от относительной высоты зубца в форме треугольника

Для зубца в виде треугольника (см. Рисунок 2.12) регрессионные кривые имеют следующий вид: для коэффициента неоднородности скорости - формула (2.12), а для перепада давления - формула (2.13).

Е = 0,6454 • г '2 - 0,5093 • г'+ 0,6575. (2 12)

Ар = 1,2674 • г'+ 2,8123. (2 13)

Для зубца в виде квадрата (см. Рисунок 2.13) регрессионные кривые имеют следующий вид: для коэффициента неоднородности скорости - формула (2.14), а для перепада давления - формула (2.15).

0,900 4,5 1

0,850 и т с 4,0

1- 1

о 0,800 р о ^ с 3,5

II

—• 1

ти 0,750 ст о н о 0,700 1 р о 3,0

•я»

■

- 2,5

5 С I- Г 1

о0,650 е н т иен0,600 71 2,0 1,5

\ I Г

ц и

0,550 о 0,500 1,0 0 5

0,450 0,0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Относительная высота зубца

0,7

н е л в а

а

с

е о. е

0,8

■ Перепад давления □ Коэффициент неоднородности скорости

Рисунок 2.13 - Зависимость коэффициента неоднородности скорости и перепада давления от относительной высоты зубца в форме квадрата

Е = 0,7499 • г,2 - 0,5159 • г'+ 0,6737. Ар = 2,0489 • г'+ 2,4933.

(2.14)

(2.15)

0

Для зубца в виде полукруга (см. Рисунок 2.14) регрессионные кривые имеют следующий вид: для коэффициента неоднородности скорости - формула (2.16), а для перепада давления - формула (2.17).

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Относительная высота зубца

0,7

0,900 4,5

и0,850 ти с о £ 0,800 4,0 3,5

с ти0,750 > £

ст 0,750 о н о 0,700 а ' о 1 > ^ 2,5 н

С

2,5 е л со а

У ••

о 0,650 е н 5 0,600 •< X 2,0 ^ а с е 1,5 о.

•• >

"П Г" ... • • •• Ч >

ие ц и е С

0,550 -& т о ^ 0,500 1,0 0,5

0,450 0,0

0,8

ф Перепад давления О Коэффициент неоднородности скорости

Рисунок 2.14 - Зависимость коэффициента неоднородности скорости и перепада давления от относительной высоты зубца в форме полукруга

Е = 0,5174 • г '2 - 0,3765 • г'+ 0,6734. (2 16)

Ар = 0,8194 • г'+ 2,5064. (2 17)

Анализируя регрессионные кривые видно, что при увеличении относительной высоты зубца от 0 до 0,4 наблюдается уменьшение коэффициента неоднородности скорости до минимального значения. А при дальнейшем увеличении относительной высоты зубца коэффициент неоднородности увеличивается. Такое поведение характерно для всех видов зубцов. Эта особенность объяснятся тем, что до точки минимума часть упругой энергии компенсируется введением зубца и наблюдается уменьшение коэффициента

0

неоднородности скорости; после определенных значений относительной высоты зубца искусственная неровность сама становится источником дополнительной упругой энергии [15].

При этом значения максимального перепада давления в головке увеличивается с увеличением относительной высоты зубца, что объясняется увеличением количества материала с зубцом, что, в свою очередь, вызывает дополнительные усилия для формования этого материала.

Из графиков видно, что для зубца в форме треугольника коэффициент неоднородности скорости изменяется с 0,568 до 0,688, а максимальное значения перепада давления при этом составляет - 3,767 МПа. Для зубца в форме квадрата -0,595...0,766; 4,200 МПа, а для полукруга - 0,609...0,720; 3,201 МПа. Наиболее важным оцениваемым параметром является коэффициент неоднородности скорости, поскольку от него зависит постоянство формы получаемого продукта. Минимальное значение коэффициента неоднородности скорости достигается при использовании зубца в форме треугольника и составляет около 0,568.

Таким образом, применение зубца в форме треугольника наиболее рационально. Минимальное значение коэффициента неоднородности скорости будет наблюдаться при относительной высоте зубца - 0,3.0,5. Для дальнейших численных опытов примем значение относительной высоты зубца равное 0,4.

В третьем численном опыте определим рациональный угол зубца треугольной формы. Для этого разделим угол зубца у (см. Рисунок 2.8) с шагом 10°. Этот параметр находится в пределах от 0 до 120°. Такие пределы обусловлены физическим смыслом. у = 0 - зона контакта без зубца. При угле у>\20° угол становиться более пологим, что уменьшает площадь контакта материалов. В результате получаем регрессионную кривую зависимости коэффициента неоднородности скорости и перепада давлений от угла треугольного зубца (Рисунок 2.15) [15].

При этом регрессионные кривые (см. Рисунок 2.15) имеют следующий вид: для коэффициента неоднородности скорости - формула (2.18), а для перепада давления - формула (2.19).

0,900 0,850 4,5 4,0

^ 1- и о

—а к-

а 0,800 о х и - - 3,5 а - 30 ^

и ' о I о 0,700 а. ' о о 0,650 3,0 сс

* Ь2,5 «У со а 2,0 ^

Л

к'-

<и I 1- а с 01

5 0,600 ц \ Л ч. 1,5 ^ ' и а

м ...

"7 V •• д 1 А- -Ц к А

^ 0,550 т о 0,500 1,0 0,5

0,450 0,0

20

40

60

Угол зубца, '

80

100

120

▲ Перепад давления Д Коэффициент неоднородности скорости

Рисунок 2.15 - Зависимость коэффициента неоднородности скорости и перепада давления от угла треугольного зубца

Е = 0,00004-у2 -0,0042-у'+ 0,6733 . (2 18)

Ар = 0,0102 - у + 2,6574. (2 19)

Из графика видно, что поведение зависимостей аналогично второму численному опыту. При увеличении угла у от 0 до 60° наблюдается уменьшение коэффициента неоднородности скорости до минимального значения; при дальнейшем увеличении угла увеличивается коэффициент неоднородности [15]. Таким образом, рациональное значение угла зубца находится в пределах от 40 до 80°. Для дальнейших численных опытов принимаем угол зубца равным 60°.

0

Очевидно, что для увеличения адгезии слоев необходимо поверхность контакта выполнять из нескольких зубцов. Для определения рационального количества зубцов проведем четвертый численный опыт, в котором определим рекомендованное относительное расстояние между зубцами б' (Рисунок 2.16), которое определяется по следующей формуле:

б z

(2.20)

где б - расстояние между зубцами.

Рисунок 2.16 - Относительное расстояние между зубцами

Для выявления зависимости разделим параметр б ' с шагом 0,25. Этот параметр находится в пределах от 0 до 3. Такие пределы обусловлены физическим смыслом. б ' = 0 - зубцы расположены вплотную друг к другу. При параметре б ' > 3 зубец располагается максимально близко к стенке канала [15]. Для каждого значения относительного расстояния между зубцами определяем значения коэффициента неоднородности скорости и значения максимального перепада давления и наносим точки на график. Далее по полученным точкам строим регрессионные кривые (Рисунок 2.17).

При этом регрессионные кривые (см. Рисунок 2.17) имеют следующий вид: для коэффициента неоднородности скорости - формула (2.21), а для перепада давления - формула (2.22).

Е = 0,0701 • б ,2 - 0,1917 • Б '+ 0,6785. (2 21)

Ар = 0,3396 • б '2 -1,096 • б '+ 3,6316.

(2.22)

0,900

0,850

0,800

С 0,750

т О

0,700

0,650

0,600

0,550

0,500

0,450

А

А

А

0,5 1 1,5 2 2,5

Относительное расстояние между зубцами

А Перепад давления Д Коэффициент неоднородности скорости

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

н е л

со

а д

д а

с

е р

е

Рисунок 2.17 - Зависимость коэффициента неоднородности скорости и перепада давления от относительного расстояния между зубцами

0

3

Из графика видно, что наибольшее значение коэффициента неоднородности скорости характерно для значений относительного расстояния между зубцами 0 и 3. В промежутке 0...0,5 наблюдается резкое уменьшение коэффициента неоднородности скорости, поскольку уменьшается взаимное влияние зубцов друг на друга. Далее в промежутке от 0,5 до 2,5 коэффициент неоднородности скорости почти не меняется и опускается до значения 0,561. А в промежутке от 2,5 до 3,0 коэффициент неоднородности резко увеличивается, что свидетельствует о приближении зубца к стенке головки.

График изменения давления имеет схожее поведение с графиком коэффициента неоднородности скорости. Наибольшие значения давления наблюдаются при значениях относительного расстояния между зубцами при 0 и 3,0

и составляет 3,612 МПа и 3,531 МПа соответственно, а на промежутке от 0,5 до 2,5 составляет порядка 2,8 МПа и почти не меняется.

Таким образом, рациональное количество зубцов необходимо выбирать исходя из рекомендованного относительного расстояние между ними равного не менее 0,5 от высоты зуба. При этом расстояние от крайнего зуба до стенки так же должно быть не менее 0,5 от высоты зубца.

2.4 Результаты и выводы по главе

1. Разработаны новый, научно обоснованный способ увеличения прочности соединения слоев, позволяющий получать многослойные резинотехнические изделия с усиленной поверхностью контакта материалов и относительно невысоким искажением геометрии готового изделия, и новая конструкция соэкструзионной головки (патент РФ №2705057) для реализации этого способа.

2. Обоснованы допущения математической модели течения резиновых смесей по каналам новой соэкструзионной головки.

3. Сформулирована и упрощена система уравнений математической модели для описания процесса совместного течения, с учетом допущений, представленная уравнениями неразрывности, движения и реологическим уравнением.

4. Заданы граничные условия для задачи течения полимерных жидкостей в каналах соэкструзионной головки.

5. Выделены особенности численного моделирования течения полимеров в каналах головки и разработана блок-схема последовательности расчета с применением программного вычислительного комплекса ANS YS.

6. Для оценки показателя качества изделия (размера экструдата с учетом постэкструзионного разбухания) предложено использовать коэффициент неоднородности скорости резиновой смеси на выходе из фильеры, для оценки энергетической эффективности - перепад давления в формующей головке.

7. Выполнено численное моделирование процесса соэкструзии резиновых смесей в каналах новой головки и на основе полученных картин распределения

скоростей и давлений построены графики зависимости конструктивных параметров зубцов от коэффициента неоднородности скорости и перепада давления.

8. Из графиков зависимости конструктивных параметров зубцов от коэффициента неоднородности скорости и перепада давления выявлены следующие закономерности: 1) зубец рекомендуется располагать в более вязкой резиновой смеси, 2) применение зубца в форме треугольника наиболее рационально по сравнению с зубцом в форме квадрата или полукруга, 3) рациональное значение угла зубца находится в пределах от 40 до 80°, 4) рациональная высота зубца 0,3... 0,5 от толщины слоя, 5) рациональное количество зубцов необходимо выбирать исходя из рекомендованного относительного расстояние между ними равного не менее 0,5 от высоты зуба, при этом расстояние от крайнего зуба до стенки так же должно быть не менее 0,5 от высоты зубца.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ

РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В КАНАЛАХ СОЭКСТРУЗИОННОЙ ГОЛОВКИ

Для проведения экспериментального исследования течения полимерных материалов в каналах соэкструзионной головки с усиленной поверхностью контакта необходимо определить основные реологические константы используемых резиновых смесей, проверить адекватность предложенной математической модели в численной постановке и выявить влияние усиливающих элементов на прочность соединения слоев в двухслойных изделиях.

3.1 Определение основных реологических констант резиновых смесей

Для изучения процесса соэкструзии резиновых смесей использованы полимерные материалы производства АО «Ярославль-Резинотехника»:

- материал I - смесь на основе цис-бутадиенового синтетического каучука СКД и синтетического бутадиен-метилстирольного каучука СКМС-30 АРКМ-15;

- материал II - смесь на основе цис-изопренового синтетического каучука СКИ и синтетического бутадиен-метилстирольного каучука СКМС-30 АРКМ-15.

Эти резиновые смеси - материалы общего назначения, достаточно технологичные (хорошо перерабатываются) и недорогостоящие. Они могут быть широко использованы в шинной, резинотехнической, обувной и других отраслях промышленности.

К основным реологическим параметрам резиновых смесей относятся: степень консистентности К и индекс течения п. Эти параметры необходимо определять опытным путем [14].

3.1.1 Описание виброреометра

Для определения основных реологических констант резиновых смесей был выбран виброреометр РВС. Материал помещают в зазор рабочей камеры реометра типа «конус-конус». Нижняя часть камеры (полуформа) совершает колебания с

постоянной частотой и амплитудой, а верхняя - неподвижна. По величине крутящего момента, измеряемого на верхнем элементе, вычисляются реологические свойства смесей: степень консистентности К и индекс течения п.

Основные характеристики виброреометра РВС:

Радиус полуформы Я, мм.....................................20

Угол между рабочими поверхностями а...................18°

Температура нагрева полуформ, °С.........................150-200

Погрешность поддержания температуры

полуформ, °С, не выше..........................................±1

Погрешность измерения крутящего момента,

% не выше.........................................................±3

Частота колебаний полуформы, цикл/мин.................100±2

Амплитуда колебаний полуформы...........................0,5°, 1°, 2°, 3°

Время закрытия полуформ, с, не более.....................5

Усилие закрытия полуформ, кН..............................11±0,5

Время испытания в полуавтоматическом режиме, с.....60-240

Диапазон измерения крутящего момента

на полуформе, Нм.............................................0,5-5,0

Габариты прибора (ДхШхВ), мм...........................965x490x990

Масса прибора, кг.............................................170

Рабочая камера виброреометра РВС (Рисунок 3.1) состоит из нижней 1 и верхней 2 конической полуформы. В зазор между ними помещается образец резиновой смеси 3. Оптимальная величина зазора 8 между полу формами составляет 0,05-0,1 мм. На поверхности конической части полуформ выполнены лучевые канавки. Это необходимо для лучшего сцепления образца с полуформами.

Рисунок 3.1 - Схема рабочей камеры виброреометра РВС Конструкция виброреометра РВС приведена ниже (Рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Реометр вибрационный РВС: 1 - пневмоцилиндр; 2 - плита переходная; 3 - траверса; 4 - упоры микрометрические; 5 - муфта; 6 - колонны направляющие; 7 - плиты нагревательные; 8 - панель управления; 9 - панель РК; 10 - прибор Ф266; 11 - блок ФС; 12 - прибор КСП-4

Полуформы размещены в нагревательных плитах 7. Блок регулирования и контроля температуры нагревательных плит включает в себя термосопротивления,

размещенные в плитах 7, электронные схемы регулирования и контроля (панель РК) 9 и цифровой прибор Ф266 10.

Нижняя полуформа приводится в колебательное движение за счет привода. Он состоит из электродвигателя, редуктора, кривошипно-шатунного механизма и рычага с укрепленной на нем нижней нагревательной плитой. Частота колебаний нижней полуформы составляет 100±2 цикл/мин. Амплитуда колебаний от 0,5° до 3° регулируется фиксатором на кривошипном валу.

Верхняя полуформа соединена с муфтой 5, которая обеспечивает измерение крутящего момента. Для измерения муфте 5 сообщается вертикальное перемещение благодаря траверсе 3, в которую упирается пневмоцилиндр 1, расположенный на переходной плите 2.

Зазор между полуформами 8 устанавливается микрометрическими упорами 4, расположенными на направляющих колоннах 6.

На панели управления 8 размещаются переключатели режима работы прибора. Блок ФС 11 служит для формирования и передачи информационных сигналов на ЭВМ. Регистрирующий прибор КСП-4 12 осуществляет запись величины крутящего момента на верхней полуформе.

3.1.2 Методика проведения эксперимента на виброреометре РВС

Исследование проводилось по следующей методике [81]. Вначале выполняются вспомогательные операции:

1) вырезать образец испытуемой резиновой смеси круглой формы;

2) установить необходимую амплитуду колебаний нижнего ротора;

3) установить необходимую температуру полуформ;

4) проверить установку нуля регистрирующего прибора.

Далее выполняют следующую последовательность:

5) при открытой вулканизационной камере (верхней полуформе) в нижнюю полуформу помещается образец, и камера закрывается;

6) включается регистрирующий прибор и электродвигатель, начинается испытание;

7) по истечении заданного времени выключается электродвигатель и регистрирующий прибор, испытание закончено;

8) камера открывается, а вулканизованный образец удаляется из полуформы. Последовательность действий 5-8 повторяется для других образцов

резиновой смеси аналогично.

3.1.3 Результаты определения реологических констант полимеров

Исследование проводилось для двух марок резиновых смесей в соответствии со стандартом [136] по методике [81].

В результате реологических испытаний с помощью регистрирующего прибора КСП 4 были получены вулканизационные кривые образцов резиновой смеси (Рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Типичный вид реограммы резиновых смесей

Падение крутящего момента в начале испытания объясняется разогревом резиновой смеси и тиксотропным разрушением ее структуры в процессе деформирования. По мере вулканизации резиновой смеси крутящий момент на полуформе возрастает. Падение крутящего момента в конце испытания связано с

п =

развивающимся процессом деструкции вулканизованной резины при деформировании [81].

Индекс течения п и степень консистентности К определялись исходя из полученных реограмм согласно [81].

Индекс течения определялся по соотношению:

1е (м»,/ мы)

(«0.5М.0) ' (3Л)

где М» 5 и М1 » - значения минимальных крутящих моментов при амплитудах

колебаний полуформ 0,5° и 1,0° соответственно;

«0 5 и м1 0 - угол поворота полуформы во время минимального значения

крутящего момента при амплитудах колебаний полуформ 0,5° и 1,0° соответственно.

Угол поворота полуформы от среднего положения при гармонических колебаниях представлен в виде:

« = , (3.2)

где «» - амплитуда колебаний полуформы; / - частота колебаний полуформы; ¿мин - время при минимальном крутящем моменте. Степень консистентности вычислялась по формуле:

1 ,5М» 5 К = 0 5

хЯ (2«Лща^ (3.3)

где Я - радиус полуформы;

а - угол между рабочими поверхностями конусов (см. Рисунок 3.1). Таким образом, по приведенному выше алгоритму, были получены опытные данные и рассчитаны реологические параметры резиновых смесей (Таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Результаты определения реологических констант резиновых смесей

Параметр Значение

Материал I) СКД + СКМС-30 АРКМ-15 II) СКИ + СКМС-30 АРКМ-15

Индекс течения п 0,311 0,374

Степень консистентности К, МПа • сп 35069 43558

3.2 Экспериментальная установка для соэкструзии

Для подтверждения адекватности, представленной в главе 2, математической модели, спроектирована экспериментальная установка для соэкструзии полимерных материалов с усиленной зоной контакта.

3.2.1 Конструкция экспериментальной установки для соэкструзии

Наиболее часто для проведения процесса соэкструзии резиновых смесей применяется технологическая схема с несколькими червячными машинами [28, 89, 130]. Однако реализация такой схемы для экспериментальной установки нецелесообразна в связи с большими материальными и технологическими затратами, поэтому предлагается использовать для исследований соэкструзии установку на основе пресса винтового типа с двумя колоннами (Рисунок 3.4). В такой установке осуществляется продавливание двух резиновых смесей, через соэкструзионную головку с формующими каналами.

Техническая характеристика пресса винтового типа с двумя колоннами:

тип электродвигателя....................................4А132М8У3

мощность электродвигателя, кВт......................5,5

номинальное усилие электродвигателя, кН..........150

скорость перемещения верхней траверсы, мм/с.. ..7,9

ход верхней траверсы, мм................................650

габаритные размеры, ДхШхВ, мм......................1440x800x2200.

Рисунок 3.4 - Модель установки для соэкструзии резиновых смесей на основе пресса винтового типа с двумя колоннами: 1 - соэкструзионная головка с формующими каналами; 2 - опорная бобышка; 3 - нижняя траверса; 4 - опора-стойка; 5 - электрический щит; 6 - электродвигатель; 7, 10 - муфты;

8 - рама; 9 - редуктор; 11 - пульт; 12 - станина; 13 - колонна; 14 - верхняя траверса

Основным элементом экспериментальной установки является соэкструзионная головка с формующими каналами 1 (см. Рисунок 3.4), установленная на нижней траверсе винтового пресса 3 с применением опорных бобышек 2, приваренных к станине 12. Нижняя траверса установлена на раме 8 опорами-стойками 4. Вращающий момент передается колоннам с электродвигателя 6 через редукторы 9 и соединительные муфты 7, 10. При вращательном движении

привода верхняя траверса 14 движется вверх или вниз с определенной скоростью по колоннам 13. Пуск и останов подъема/опускания пресса винтового типа производится кнопками на пульте 11, подведенном к электрическому щиту 5.

Соэкструзионная головка с формующими каналами (Рисунок 3.5), запатентована [137] (Приложение Б), включает в себя зону нагнетания и формования. Особенность головки - применение сменного дорна 10 для обеспечения усиленной зоны контакта двух экструдируемых полимеров.

Рисунок 3.5 - Модель соэкструзионной головки с формующими каналами:

I - зона нагнетания материала 1; II - зона нагнетания материала 2; 1 - подпятник; 2 - плунжер 078 мм; 3 - цилиндр с отверстием 078 мм; 4, 13 - фланцы; 5 - прокладка металлическая; 6 - плита опорная; 7 - пластина верхняя; 8 - пластина средняя; 9 - пластина нижняя; 10 - дорн; 11 - пластина формующая; 12 - плунжерная пара; 14 - цилиндр с отверстием 072 мм; 15 - плунжер 072 мм

Нагнетательную зону образуют цилиндры 14, 3 с отверстиями 072 мм и 078 мм, в которых происходит поступательное перемещение плунжеров 15, 2. Отверстия цилиндров и плунжеры выполнены с различными диаметрами (для обеспечения разных скоростей движения резиновых смесей). Цилиндры крепятся к опорной плите 6 фланцами 4, 13 (через болтовое соединение). Для предотвращения затекания резиновых смесей: между цилиндрами и опорной плитой предусмотрены металлические прокладки 5; в зазор между плунжерами и цилиндрами на плунжерах выполнены канавки. Для соосной установки цилиндров и плунжеров (во избежание «закусывания» плунжеров) к верхней траверсе винтового пресса болтами с шайбами прикреплены подпятники 1. Соосность цилиндров и плунжеров обеспечивается сферической формой зоны контакта плунжеров и подпятников.

Формующая зона соэкструзионной головки образована пластинами 7, 8, 9, в которых осуществляется индивидуальное течение материалов по каналам I и II, а также пластиной формующей 11, где осуществляется совместное течение резиновых смесей. Изменение формы поверхности контакта резиновых смесей осуществляется сменой дорна 10, привинченного к опорной плите. В эксперименте использовались четыре вида дорна: с зубцом в виде треугольника, с зубцом в виде полукруга, с зубцом в виде квадрата и без зубца (Рисунок 3.6) [13].

Важной задачей при реализации совместного течения резиновых смесей в каналах формующей соэкструзионной головки является поддержание температурного режима. Предварительная подготовка резиновой смеси осуществляется на валковой машине [138], дальнейший нагрев - в специальном термошкафу. Для обогрева соэкструзионной головки предусмотрены нагреватели спиральной формы, которые намотаны с определенным шагом вокруг рабочих цилиндров. Для предотвращения короткого замыкания между цилиндром и спиралью проложена изоляция.

в) г)

Рисунок 3.6 - Виды дорнов:

а - без зубца; б - с зубцом треугольной формы; в - с зубцом полукруглой формы;

г - с зубцом квадратной формы

3.2.2 Средства контроля и измерения основных параметров процесса соэкструзии

Исследование гидродинамики процесса на экспериментальной установке осуществлялось измерением давления в профилирующем инструменте (Рисунок 37) [14]. Этот параметр измерялся для каждого из полимеров в отдельности при помощи датчика давления 2, установленного в цилиндрах зоны нагнетания 1 и показывающего создаваемое усилие в наружных слоях резиновых смесей.

Датчик состоит из плунжерной пары, скобы и индикатора часового типа. Показания индикатора фиксировались при помощи видеооборудования, после чего, при помощи тарировочных графиков, переводились в МПа. До начала проведения опытов значения индикаторов выставлялись в ноль.

Рисунок 3.7 - Место установки датчика давления:

1 - профилирующий инструмент; 2 - датчик давления

С целью измерения мощности, потребляемой приводом экспериментальной установки на осуществление процесса соэкструзии резиновых смесей, и оценки энергосиловых затрат использовался счетчик электрической энергии «Меркурий 230» [139], позволяющий выводить мгновенные значения мощности как в отдельных электрических фазах, так и суммарное значение по ним [14].

3.2.3 Методика проведения эксперимента по соэкструзии

Работа на экспериментальной установке осуществлялась в следующей последовательности:

1) предварительная подготовка резиновых смесей на валковой машине. Формирование цилиндрической заготовки необходимого диаметра;

2) включение системы нагрева соэкструзионной головки и термошкафа для резиновых смесей;

3) размещение цилиндрических заготовок в термошкаф;

4) установка необходимой температуры и выход на режим (для головки - 9095 °С, для резиновых смесей - 85-90 °С);

5) смазка рабочих поверхностей цилиндров силиконом, с целью уменьшения сил трения в местах контакта металлических деталей;

6) осуществление загрузки резиновых смесей разной рецептуры (материал I и материал II, см. п. 3.1) соответственно в зоны нагнетания I и II (см. Рисунок 3.5);

7) установка плунжеров в рабочие области нагнетательной зоны;

8) включение привода двухколонного винтового пресса, что приводит в поступательное движение верхнюю траверсу;

9) при касании верхней траверсой поверхностей плунжеров начинается продавливание резиновых смесей через соэкструзионную головку;

10) в ходе процесса соэкструзии контролируются показания датчика давления и мощности на счетчике электрической энергии;

11) работа на установке заканчивается в момент достижения плунжерами своих крайних положений и отключения привода винтового пресса.

После соэкструзионная головка разбирается, меняется дорн и опыты повторяются для других типов зубцов в соответствии с методикой [13].

С целью статистической обработки данных экспериментального исследования предлагаемая последовательность действий повторялась не менее трех раз для каждого опыта.

3.2.4 Результаты исследования гидродинамических и энергосиловых параметров

процесса

В результате проведения опыта, описанного в подглаве 3.2 и [140], были получены экструдаты с разной формой усиленной поверхности контакта материалов (Рисунок 3.8): с зубцом в виде треугольника (б), с зубцом в виде полукруга (в), с зубцом в виде квадрата (г) и без зубца (а) [13].

в) г)

Рисунок 3.8 - Виды экструдатов в разрезе:

а - без зубца; б - с зубцом треугольной формы; в - с зубцом полукруглой формы;

г - с зубцом квадратной формы

К гидродинамическим параметрам процесса течения полимерных материалов в каналах соэкструзионной головки с усиленной поверхностью канала материалов относят давления в наружных слоях резиновых смесей на входе в соэкструзионную головку (РА,Р0,Рп,Р ), а к энергосиловым параметрам -мощность (,Ы0, А^, ), затрачиваемую на процесс (Таблица 3.2) [14].

Таблица 3.2 - Результаты исследования гидродинамических и энергосиловых параметров процесса

Параметр Значение

Материал I) СКД + СКМС-30 АРКМ-15 II) СКИ + СКМС-30 АРКМ-15

Зубец в виде треугольника

Давление РА, МПа 7,90 12,98

Мощность N, кВт 6,11

Окончание таблицы 3.2

Параметр Значение

Зубец в виде полукруга

Давление Р0, МПа 8,49 13,17

Мощность , кВт 6,62

Зубец в виде квадрата

Давление р, МПа 9,85 15,84

Мощность Мп, кВт 8,01

Без зубца

Давление Р_, МПа 7,56 12,43

Мощность , кВт 5,85

3.2.5 Сравнение результатов гидродинамических картин течения резиновых

смесей

Проверка адекватности предложенной математической модели, описывающей течения полимерных материалов в соэкструзионной головке с получением заготовок с усиленной поверхностью контакта, выполнятся сравнением теоретических результатов численного расчета и экспериментальных данных, полученных в ходе лабораторного опыта [14].

В ходе численного решения использовалась следующая расчетная область течения полимерных материалах в каналах соэкструзионной головки (Рисунок 3.9).

Гидродинамическую картину течения резиновых смесей в каналах соэкструзионной головки с усиленной поверхностью контакта возможно оценить по распределению в них давления. Получившаяся картина распределения давления из численного расчета приведена ниже (Рисунок 3.10) [14].

Рисунок 3.9 - Расчетная область течения полимерных материалов

Рисунок 3.10 - Распределение давления в соэкструзионной головке

Экспериментальные и теоретические данные по давлению сведены в таблицу ниже (Таблица 3.3).

Таблица 3.3 - Экспериментальные и теоретические значения давлений в каналах головки

Канал с резиновой смесью Давление Р, МПа Расхождение, %

эксперимент теория

I 7,90 8,59 8,73

II 12,98 14,11 8,71

Расхождение теоретических и численных значений давления в каналах соэкструзионной головки с усиленной поверхностью контакта материалов составляет не более 8,73%, что в инженерной практике переработки полимеров считается удовлетворительным.

3.2.6 Сравнение результатов определения энергосиловых параметров установки

С целью сравнения теоретических и экспериментальных значений энергосиловых параметров установки выполним расчет мощности, потребляемой приводом экспериментальной установки при соэкструзии резиновых смесей I и II через головку. При расчете мощности принимаем допущение [6, 14], что потери на трение в парах плунжер-цилиндр пренебрежимо малы по сравнению с другими потерями, поскольку имеется постоянно-смазывающий слой. В связи с этим мощность расходуется лишь на преодоление крутящего момента на ходовых винтах пресса и будет определяться по формуле [141]:

N - МкР(

"- „ ' (3.4)

'ч. р.

где Ыкр - суммарный крутящий момент на ходовых винтах пресса; о - угловые скорости ходовых винтов;

т]ч - КПД червячных редукторов. Крутящий момент определяется по выражению [142]:

м = ^ • ^ (( + в) + б' ^рМкач

м кр 2 , (3.5)

где - суммарное усилие, передаваемое от плунжеров к верхней траверсе пресса; dcр - средний диаметр винтовой нарезки; ( - угол подъема винтовой нарезки;

в - угол трения между винтом и гайкой ходовой части пресса;

dnp - приведенный диаметр окружности трения в упорном подшипнике;

/икач - приведенный коэффициент трения качения. Суммарное усилие от двух плунжеров определяется следующим образом:

р1 ■ d1 + р11 ■ dl)

& = О + би = Р1 • + Р11 • Sд = у 1 14 11 11}, (3.6)

где б1 и бП - усилие, передаваемое от плунжера к верхней траверсе пресса на резиновую смесь I и II соответственно;

Р I и р п - перепад давления в каналах I и II соответственно (определено при

численном расчете, см. раздел 3.2.5);

SI и SII - площадь рабочей поверхности плунжера в каналах I и II

соответственно;

d1 и d п - диаметры плунжера в каналах I и II соответственно.

Средний диаметр винтовой нарезки определяется по формуле:

dcp = 0,5'(dн.в. + dВ.в. ), (3.7)

где dНВ и dВВ - наружный и внутренний диаметры нарезки ходового винта

соответственно.

Угол подъема винтовой нарезки вычисляется по формуле:

Р = arctg

к-d

v ср у

(3.8)

где t - шаг нарезки винтовои линии.

Угол трения между винтом и гаИкоИ ходовоИ части пресса вычисляется по формуле: