Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ (обзор литературы) 14
Аппаратурное оформление технологических процессов каланд- дрования и экструзии 14
Интенсифицирующая оснастка 18
1.3 Анализ причин, влияющих на качество длинномерных
заготовок. Критерии оценки качества 30
Реологическое поведение резиновых смесей при деформировании 34
Моделирование процессов профилирования резиновых смесей 37
Особенности профилирования резиновых смесей с волокнистым наполнителем. Методы расчета анизотропии свойств 52
Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования 58
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ТРЕХМЕРНОГО ТЕЧЕНИЯ АНОМАЛЬНО-ВЯЗКОГО МАТЕРИАЛА В КАНАЛАХ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК 61
Разработка математической модели течения 62
Вывод матричных уравнений для решения исходной системы дифференциальных уравнений методом конечных элементов 65
Методика расчета трехмерного напорного течения аномально-вязкой жидкости в сложнопрофильном канале 71
Анализ результата расчета параметров течения резиновых смесей в плоскощелевых каналах 79
Оптимизация формы профилирующих каналов экструзионных головок 93
Особенности течения резиновых смесей в каналах валковых головок с переменными граничными условиями 105
Заключение по главе 114
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ЛЕНТОЧНЫХ ЗАГОТОВОК 116
Формулировка задачи теоретического исследования 116
Математическое описание течения вязкой жидкости в прямолинейном канале мундштука валковой головки 118
Метод расчета динамики течения 122
Анализ результатов расчетов параметров течения резиновых смесей в канале мундштука валковой головки 126
Экспериментальное исследование экструзии резиновых смесей
с применением валковых головок 131
Описание конструкции экспериментальной установки
и методики проведения исследований 133
Влияние работы валковой головки на качество получаемых заготовок 135
Исследование распределения давления и скорости резиновых смесей в канале мундштука валковой головки 138
Определение оптимальных параметров конструкций валковых головок 144
Заключение по главе 148
Математическое моделирование неизотермического процесса винтового течения резиновых смесей между коаксиальными цилиндрами 150
Метод расчета основных гидродинамических и тепловых характеристик процесса 156
Анализ результатов расчетов распределения температуры и энергосиловых параметров винтового течения 162
Метод прогнозирования подвулканизации и резиновых смесей при профилировании через и диссипативную головку экструдера 171
Исследование влияния конструктивных, кинематических и технологических параметров на тепловые и энергосиловые характеристики процесса 174
Оптимизация высокотемпературного профилирования резиновых смесей 188
Заключение по главе 191
Ориентация волокон в одномерном потоке композита 194
Ориентация волокон в двумерном потоке композита 199
Ориентация волокон при переработке композитов в межвалковой области деформации 201
Ориентация волокон при течении композита в профилирующих каналах головок червячных машин 205
Метод определения модуля упругости листовой заготовки 210
Экспериментальное исследование влияния конструктивных и технологических параметров оборудования на ориентацию волокон в получаемых заготовках 212
Оптимизация параметров процесса профилирования резиноволокнистых материалов 224
Постановка задачи оптимизации 224
Определение оптимальных параметров валкового оборудования 225
Определение оптимальных параметров экструзионного оборудования 227
Совершенствование профилирующих каналов экструзионных головок 235
Рекомендации по конструированию валковых головок к экструдерам 241
Расширение технологических возможностей диссипативных головок 246
Интенсификация процессов получения длинномерных заготовок с развитой анизотропией свойств 252
Методика расчета энергосиловых характеристик процессов профилирования 255
Заключение по главе 259
ГЛАВА 4. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В ДИССИПАТИВНЫХ ГОЛОВКАХ К ЭКСТРУДЕРАМ 150
Ориентировочный расчет конструктивных и кинематических параметров диссипативной головки 175
Исследование тепловых процессов 177
Исследование энергосиловых характеристик процесса 182
ГЛАВА 5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ СВОЙСТВ
ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ,
НАПОЛНЕННЫХ КОРОТКИМИ ВОЛОКНАМИ 193
5.1. Теоретическое описание механизма ориентации волокон 193
5.7 Заключение по главе 232
ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ 234
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 264
ПРИЛОЖЕНИЕ 287
Введение к работе
Широкая номенклатура длинномерных резинотехнических изделий стабильно пользуется спросом в автомобильной промышленности предприятиях машиностроительного и строительного комплекса, в сфере бытового обслуживания. Это такие изделия, как резиновые шланги, оконные и дверные уплотнители, гибкая кровля, герметизирующие прокладки, электрические кабели (изоляция), заготовки для производства пневматических шин и т.п. Объемы производства таких изделий занимают значительную долю в производстве шин и РТИ. Условно можно разделить заготовки таких изделий на два вида: листовые заготовки и заготовки сложного поперечного сечения, в том числе и «массивные» профили. Заготовки первого вида получают с помощью валковых агрегатов - каландров, вальцев, экструзионно-валковых машин путем раскатывания гомогенизированной резиновой смеси, а второго вида - продавливанием через специальные щелевые головки посредством экструзионного оборудования. Имеющееся технологическое оборудование у нас в стране и за рубежом позволяет обеспечить потребности различных отраслей промышленности в длинномерных резинотехнических изделиях. Конструкции такого оборудования отработаны и во многом совершенны.
Однако актуальной проблемой производства в настоящее время является несоответствие качества заготовок высоким требованиям технологического регламента и условиям, предъявляемым заказчиком. В последние два десятилетия значительно возросли требования к качеству резинотехнических изделий, что обусловлено переходом на международную систему оценки качества производства изделий и появлением на внутреннем рынке импортной продукции ведущих западных производителей. В настоящее время все более высокие требования предъявляются к созданию изделий, обладающих новыми физическими свойствами, большей долговечностью, высоким размерным соответствием. Применение в резиновых смесях новых типов синтетических каучуков и большого числа ингредиентов для достижения специальных требований к изделиям, зачастую понижает производительность оборудования, увеличивает затраты на производство. Корректировкой рецептуры резиновых смесей и варьированием параметрами технологического процесса не всегда удается добиться желаемого результата. В таких случаях необходима разработка и применение интенсифицирующей оснастки к технологическому оборудованию, способной расширить возможности основного оборудования и обеспечить высокое качество получаемых изделий.
Разработка такого оборудования постоянно ведется как у нас в стране, так и за рубежом. Наибольших успехов в этом направлении добились такие известные фирмы как «Крупп», «Трестер», «Берсдорфф» (Германия), «Фаррел», «Униройял» (США), «Девид Бридж» (Великобритания), «Большевик» (Украина), «ВНИИРТМаш», «НИИШП» (Россия) и др. Выпускаемое оборудование оснащается автоматическими устройствами регулирования процессом и переналадки на выпуск заготовок различного типа.
Проектирование оснастки и дополнительных приспособлений к основному технологическому оборудованию осуществляется как правило на основе опытных данных, что не всегда позволяет создать оптимальную конструкцию, способную максимально интенсифицировать процесс и обеспечить требуемое качество длинномерных заготовок.
Одной из главных причин, ограничивающих возможности основного оборудования, является несовершенство процессов управления деформированием при формировании заданного профиля заготовок. Поэтому в последние годы одним из направлений интенсификации таких процессов стало использование дополнительного оборудования, способного рационально изменить механизм деформирования перерабатываемого материала на заключительной стадии формирования заготовок. Это клиновые устройства к каландрам, валковые и диссипативные головки к экструдерам, устройства регулирования формы профилирующего канала. Применение таких устройств в значительной степени изменяет геометрию области деформации и поэтому требует более сложных многомерных математических моделей для описания процессов течения нелинейновязких материалов для создания методов расчета характеристик процессов профилирования. Моделирование деформационных процессов на основе гидродинамического подхода к рассматриваемому явлению, учитывающее реальные физические свойства перерабатываемого материала, получило широкое применение при создании методов расчета процессов и оборудования и нашло свое отражение в трудах известных ученых, создавших в этом направлении научные школы. Это Р.В.Торнер, А.А.Поздеев, Н.В.Тябин, В.Н.Красовский, А.Я.Малкин, В.И.Янков, Ю.Е.Лукач, М.Л.Фридман, Н.И.Басов, Н.Г.Бекин, Д.М.Мак-Келви, Г.Коллин, Н.Токита, Ч.Д.Хан и др.
В большинстве работ по математическому описанию процессов переработки резиновых смесей используются приближения об одномерности или двухмерности стационарного потока, поскольку целью исследований в основном ставилась разработка методик энергосилового расчета, а не прогнозирование качества изделия и оптимально высоких значений параметров технологического регламента. Кроме того, новые методы должны учитывать особенности поведения свойств резиновых смесей в условиях высокоскоростного, высокотемпературного процесса.
Последующие операции в производстве длинномерных изделий (вулканизация) энергоемкие и экологически опасные процессы, где является актуальным сокращение времени вулканизации и использование неагрессивных теплоносителей. Здесь наиболее важно организовать процесс экструзии таким образом, чтобы заготовка на выходе из области формирования имела равномерную по объему температуру и по величине соответствовала температуре вулканизации.
При переработке композиционных материалов, например, резиновых смесей, содержащих в рецептуре волокнистый наполнитель, является актуальным прогнозирование анизотропии свойств получаемых заготовок и их деформационных характеристик. Последнее не возможно без создания ориентационных моделей, основанных на гидродинамическом подходе к рассматриваемому явлению.
Таким образом интенсификация процессов профилирования и повышение качества длинномерных заготовок является актуальной проблемой и для ее решения требуется создание новых методов расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров ведения процессов, новых типов оборудования и оснастки.
Реализация указанной проблемы повышения эффективности процессов экструзии и каландрования длинномерных заготовок из резиновых смесей представляет собой ряд научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.
В связи с этим целью исследований, направленных на интенсификацию процессов получения длинномерных заготовок из резиновых смесей является: разработка методов расчета процессов течения нелинейновязких материалов при их деформировании; методов расчета оптимальных форм профилирующих каналов; методов расчета температурных полей и подвулканизации в областях деформирования резиновых смесей при их винтовом течении; разработка методов прогнозирования ориентации волокон в потоке композиционного материала; разработка новых способов и устройств для повышения качества заготовок и интенсификации процессов профилирования.
Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Ярославского государственного технического университета в соответствии с координационным планом Минвуза СССР по секции «Гидродинамика неньютоновских жидкостей и реология» на 1981-1986г.г.; тематическим планом НИР по фундаментальным исследованиям, финансируемых из средств Федерального бюджета по единому заказ - наряду на 1998-2000г.г.; тематическим планом НИР ЯГТУ, проводимыми по заданию Минобразования России на 2001-2005г.г. (№, № гос.регистрации -1.09.80 004355 и 01.2.00 102402).
На защиту выносятся следующие результаты, имеющие научную новизну:
Математическая модель и метод расчета гидродинамических и энергосиловых характеристик процесса деформирования нелинейновязких материалов в каналах экструзионных головок сложной пространственной геометрии.
Метод расчета оптимальных геометрических параметров каналов плоскощелевых и валковых головок к экструдерам, обеспечивающих максимально возможное выравнивание полей скоростей материала в выходных сечениях каналов.
Математическая модель и метод расчета распределения температуры и степени подвулканизации в резиновой смеси при ее течении в канале диссипативной головки.
Метод расчета оптимальных параметров процесса винтового течения в диссипативной головке к экструдеру, обеспечивающих заданную температуру и степень подвулканизации резиновых смесей в выходном сечении профилирующего канала.
Математическая модель и метод расчета степени ориентации волокон в потоке нелинейновязкого материала при течении в каналах профилирующего оборудования и анизотропии свойств получаемых заготовок.
Метод расчета оптимальных значений геометрических и кинематических параметров экструзии, обеспечивающих заданную ориентацию волокон и анизотропию свойств длинномерных заготовок при максимально возможной производительности процесса.
Новые способы получения длинномерных заготовок из резиновых смесей, направления конструирования дополнительного интенсифицирующего оборудования, а также инженерную методику расчета энергосиловых параметров процессов экструзии.
Практическую значимость представляют следующие результаты работы. Теоретически и экспериментально установлена возможность 2-3 кратного увеличения производительности процесса профилирования высоконапол- ненных резиновых смесей на экструзионном оборудовании, оснащенном валковыми головками при сохранении требуемого качества получаемых заготовок. Разработаны практические рекомендации по проектированию щелевой и валковой частей валковых головок, способы регулирования процесса деформирования при флуктуациях реологических свойств перерабатываемого материала и технологических параметров экструзии. Разработана инженерная методика расчета параметров работы диссипативных головок, обеспечивающих заданную температуру и степень подвулканизации резиновой смеси на выходе из профилирующего канала. Предложен ряд технических решений, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, реализующих принципиально новые и наиболее эффективные методы повышения качества и интенсификации процессов профилирования, прошедшие опытно-промышленное испытание и внедрение на ряде промышленных предприятий и опытных производствах НИИ: двухвалковая головка к экструдеру для производства ленточной заготовки протектора легковой покрышки типа «Я» на Бобруйском шинном заводе; одновалковая головка к МЧХ-90 для производства листовых уплотнителей изолирующих перегородок на опытном производстве УНИКТИ, г.Днепропетровск; диссипативная головка для производства уплотнительного шнура на опытном производстве УНИКТИ, г.Днепропетровск; диссипативная головка для производства неармированной трубки медицинского назначения на фирме «Эксергия» НИИЭЛАСТИК, г.Киев; результаты расчетов при проектировании червячно-валкового агрегата для производства резинового полотна толщиной 25 мм на Костромском машиностроительном заводе им.Л.Б.Красина; технологический регламент на выпуск гидроизоляционного кровельного невулканизованного материала на ПО «Ярославрезинотехника»; модернизация технологии производства клиновых приводных ремней на Карагандинском заводе РТИ; результаты расчетов при проектировании профилирующей оснастки протекторных агрегатов в НИИШИНМАШ, г.Ярославль.
Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на П-ом и Ш-ем Всесоюзных симпозиумах по теории механической переработки полимерных материалов (Пермь, 1980г.,1986г.); XI Всесоюзном симпозиуме по реологии (Москва, 1981г.); Всесоюзной конференции по процессам и аппаратам производства полимерных материалов (Москва, 1982г.); Всесоюзном симпозиуме по научным достижениям и прогрессивным технологиям переработки полимеров (Сызрань, 1981г.); Всесоюзной конференции по процессам и аппаратам производства полимерных материалов (Москва, 1986г.) Всесоюзной конференции по современному оборудованию и процессам переработки полимерных материалов (Киев, 1988г.); П-ой Всесоюзной конференции по реологии и оптимизации процессов переработки полимеров (Ижевск, 1989г.); Всесоюзной конференции по математическому моделированию технологических процессов обработки материалов давлением (Пермь, 1990г.); Ш-ей Всесоюзной конференции по математическому моделированию в процессах производства и переработки полимерных материалов (Пермь, 1992г.); Международной конференции по каучуку и резине (Москва, 1994г.); Всесоюзной конференции по математическим методам в химии и химической технологии (Тверь, 1995г.); Ш-ей Международной конференции по теоретическим и экспериментальным основам создания оборудования (Иваново, 1997г.); Международной конференции по перспективным технологиям (Вильдау, Германия, 2001 г.); заседании головного совета «Машиностроение» Минобразования России (Ярославль, 2001г.); шести научных конференциях Ярославского государственного технического университета.
По материалам диссертации опубликовано 55 печатных работ, получено 12 авторских свидетельств на изобретение.
