WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 31 |
М.В. Соколов, А.С. Клинков, П.С. Беляев, В.К. Скуратов, В.Г. Однолько МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА МОСКВА "Машиностроение" 2009 УДК 621.929.3 ББК Л710.514 С593 Р е ц е н з е н т ы:

Доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой "Основы конструирования оборудования" Московского государственного университета инженерной экологии В.С. Ким Кандидат технических наук, старший научный сотрудник заместитель директора ОАО "НИИРТМаш" В.Н. Шашков С593 Методология расчета оборудования для производства длинномерных резинотехнических заготовок заданного качества / М.В. Со- колов, А.С. Клинков, П.С. Беляев, В.К.

Скуратов, В.Г. Однолько. – М.: Машиностроение, 2009. – 352 с. – 400 экз.

ISBN 978-5-94275-505-8 Рассмотрены основные технологические и конструктивные аспекты проектирования валковых и одношнековых машин для переработки полимерных материалов с учетом качества получаемых заготовок.

Особое внимание уделено вопросам моделирования процессов экструзии и вальцевания в рабочих зонах машин. Приведены инженерные методики оптимального проектирования для решения задач минимизации технологической мощности, массы основных деталей шнековых и валковых машин при обеспечении заданного качества заготовок.

Для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией экструзионного и валкового оборудования по переработке полимерных материалов. Может быть полезна аспирантам, магистрантам и студентам старших курсов, специализирующимся в области переработки пластмасс и эластомеров.

УДК 621.929.3 ББК Л710.514 Соколов М.В., Клинков А.С., Беляев П.С., ISBN 978-5-94275-505-8 © Скуратов В.К., Однолько В.Г., 2009 М.В. Соколов, А.С. Клинков, П.С. Беляев, В.К. Скуратов, В.Г. Однолько МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА МОСКВА "Машиностроение" Научное издание СОКОЛОВ Михаил Владимирович, КЛИНКОВ Алексей Степанович, БЕЛЯЕВ Павел Серафимович, СКУРАТОВ Владимир Кириллович, ОДНОЛЬКО Валерий Григорьевич МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА Редактор Т.М. Глинкина Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Рыжкова Сдано в набор 28.09.2009. Подписано в печать 19.11.Формат 60 84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman Печать офсетная. Усл. печ. л. 20,46. Уч.-изд. л. 21,Тираж 400 экз. Заказ ООО "Издательство Машиностроение", 107076, Москва, Стромынский пер., Подготовлено к печати и отпечатано в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к. По вопросам приобретения книги обращаться по телефону 8(4752)E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.ru ВВЕДЕНИЕ Важное место в переработке полимерных материалов занимают профильные длинномерные резинотехнические изделия (РТИ), например транспортерные ленты, ремни, уплотнения сплошного и сложного сечения, массовое производство которых характеризуется повышенными требованиями к качеству длинномерных профильных резинотехнические заготовок (РТЗ).

Технология получения длинномерных профильных заготовок на заводах РТИ включает в себя:

приготовление резиновой смеси в резиносмесителях, последующее вальцевание для придания ей формы, экструзию профильных заготовок. Существует проблема нерационального использования оборудования с точки зрения значительных энергозатрат (до 20 % себестоимости РТЗ) на пластикацию перерабатываемого материала при вальцевании, ухудшения физико-механических показателей экструдата и брака длинномерных профильных РТЗ за счет термодеструкции и изменения размеров их поперечного сечения при изменении режимных параметров процесса.

В современных условиях перспективным направлением совершенствования производственных процессов является обеспечение возможности согласованной работы оборудования в технологической цепи по непрерывной схеме, главным образом, валкового и экструзионного, с оптимизацией режимных переменных и конструктивных параметров оборудования при минимизации полезной мощности и получении качественного экструдата. Кроме того, возрастающий объем и номенклатура видов длинномерных РТИ делают необходимым проектирование экструзионного оборудования с возможной заменой рабочих органов для конкретных полимерных материалов, что выполняют ведущие западные производители, обеспечивая гибкость производственных процессов.

Большой вклад в решение проблем моделирования и оптимизации экструзии и вальцевания полимеров и эластомеров, создания нового оборудования внесли ученые Д.М. Мак-Келви, Г. Шенкель, Т.Э. Бернхардт, Р.В.

Торнер, Н.И. Басов, В.И. Коновалов, Ю.В. Казанков, М.М. Балашов, В.В. Скачков, В.С. Ким, Н.Г. Бекин, Г.М.

Гончаров, В.Н. Красовский и др.

Однако до настоящего времени не разработаны достаточно надежные критерии, однозначно связанные с качеством резиновых смесей и экструдата и рассчитываемые с использованием режимных переменных и конструктивных параметров оборудования, позволяющих осуществлять его оптимальное проектирование.

Существующие математические модели процессов непрерывного вальцевания и экструзии не позволяют эффективно использовать в них интегральные критерии качества каждого из этих процессов в отдельности и в совокупности и осуществить постановку и решение задачи оптимального проектирования непрерывной технологической цепи производства длинномерных РТЗ, включающей экструзионное и валковое оборудование, обеспечивающей минимальные энергозатраты при заданном качестве готового продукта. Кроме того, промышленное экструзионное и валковое оборудование характеризуется высокой металлоемкостью, что ставит неотъемлемой задачей разработку методов, алгоритмов и программ, которые позволят максимально снизить массу и стоимость указанного оборудования.



Поэтому поставленные в настоящей работе задачи по оптимальному проектированию технологической цепи экструзионного и валкового оборудования для непрерывного процесса производства длинномерных РТЗ заданного качества являются весьма актуальными как в научном, так и практическом плане.

Работа выполнялась в соответствии с межвузовскими научно-техническими программами Минобразования РФ "Информационные технологии в образовании", 1996 – 1998 гг., "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", 1998 – 1999 гг. по заданию Минобразования РФ "Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических процессов", 1998 – 2000 гг., с научно-технической программой "Научные исследования высшей школы в области химических технологий", 2003 – 2005 гг., с аналитической ведомственной целевой программой "Развитие научно-технического потенциала высшей школы", 2006 – гг. и отмечена Областным грантом Тамбовской области, 2006 г.

1. ПРОЦЕСС ТЕЧЕНИЯ АНОМАЛЬНО ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ.

РАСЧЕТ ЭКСТРУЗИОННОГО И ВАЛКОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ 1.1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ АНОМАЛЬНО ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ВИНТОВЫХ КАНАЛАХ ШНЕКА Конструкция любой шнековой машины состоит из следующих основных узлов: загрузочное устройство, рабочие органы (шнек и цилиндр), привод вращения шнека, узел упорного подшипника, узел подачи термостатирующей жидкости в шнек и цилиндр КИПа и автоматики.

Принципиальное устройство и работа этих узлов показаны на схеме шнековой машины (рис. 1.1).

Возможны два варианта питания шприц-машины: непрерывная подача ленты холодной или подогретой резиновой смеси непосредственно в загрузочное окно 10 материального цилиндра 8; периодическая загрузка рулона смеси в загрузочный люк, из которого она передавливается в загрузочное окно 10 плунжером пневмоцилиндра. Далее резиновая смесь попадает в винтовой канал вращающегося шнека 6. При транспортировке шнеком в зоне загрузки материал частично уплотняется, а заключенный между слоями воздух частично уходит обратно через окно 10.

Попадая в зону пластикации 5, материал прогревается и пластицируется. Прогрев его осуществляется за счет тепла, выделяющегося при собственном интенсивном деформировании от вращения шнека 6. На этой стадии воздушное пространство между пластицирующимися слоями резиновой смеси исчезает полностью.

Объем, занимаемый материалом, при этом уменьшается, поэтому во избежание такого нежелательного явления, как образование пустот в потоке материала, движущегося по винтовому каналу, нарезку шнека в зоне загрузки делают с несколькими заходами и с монотонно уменьшающейся по ходу продвижения материала глубиной.

Подготовленная таким образом пластицированная резиновая смесь продавливается шнеком через формующий инструмент (экструзионная головка), укрепляемый на фланце 1 материального цилиндра.

Одним из важных факторов обеспечения стабильной производительности экструдера, а значит и стабильного экструдируемого изделия, является надежная подача материала в канал шнека и равномерность захвата.

Поэтому шнековые машины оснащают специальными загрузочными устройствами, предназначенными для принудительного питания. Так, например, при питании экструдера резиновой смесью в виде ленты загрузочное устройство представляет собой тянущий валик, приводимый в движение посредством зубчатого зацепления шестерен, расположенных на валу шнека и валика.

Все конструкции шнековых машин включают систему термостатирования шнека и цилиндра. Обогрев цилиндра и шнека используется в период пуска. По выходу на режим установившейся работы следует отводить тепло системами термостатирования, так как выделяющееся в результате диссипации тепло при транспортировании материала в канале шнека превышает количество, необходимое для нагрева материала до заданной температуры.

Цилиндр охлаждается водой или высококипящими жидкостями, которые подаются из устройства 18 в пространство 2 между внешней стенкой материального цилиндра 8 и внутренней стенкой рубашки обогреваохлаждения. Шнек охлаждается через центральное отверстие в нем.

При продавливании пластиката через формующий инструмент вследствие большого гидравлического сопротивления головки и высокой вязкости материала на входе в головку развивается давление до 50 МПа.

В результате этого возникает значительное осевое усилие, действующее на шнек. От шнека это усилие передается на выходной вал 12 редуктора 13, далее на упорную шайбу 15, упорный подшипник 16 и его корпус 17.

Корпус подшипника болтовыми соединениями 14 неподвижно укреплен на корпусе редуктора 13, где и замыкается усилие.

Такое же усилие действует на головку. Так как головка закреплена на фланце 1, то это усилие передается на него и затем через резьбу на цилиндр 8, далее через болтовое соединение 11 – на корпус редуктора. Таким образом, существует замкнутая силовая цепь деталей шнековой машины. Все указанные выше детали при проектировании шнековой машины должны быть рассчитаны на это усилие.

Основными технологическими параметрами, которые определяют процесс пластикации резиновой смеси, являются производительность шнековой машины, температура перерабатываемого материала на входе в материальный цилиндр и выходе из него, полезная мощность.





Большое количество работ, посвященных теоретическому исследованию течения жидкости в каналах нарезки шнека, в основном касаются переработки термопластов, реактопластов и резиновых смесей.

Процесс течения жидкостей в каналах нарезки шнека описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка: неразрывности, движения, энергии и реологического уравнения, которые имеют следующий вид в векторной форме:

10 11 12 13 14 Рис. 1.1.

Принципиальная схема одношнекового экструдера для переработки полимерных материалов D = -(V ) ; (1.1) Dt DV = -p + + g ; (1.2) Dt p DT сV = -(q)- AT (V ) + ( / V )A ; (1.3) Dt T =, (1.4) D где t – время, с; – полный дифференциал; – плотность жидкости, кг/м3; – дифференциальный Dt оператор; V – вектор скорости жидкости; р – гидростатическое давление, Па; g – главный вектор массовых сил, действующих на жидкость в данной точке; cV – удельная теплоемкость жидкости при постоянном объеме, Дж / (кг·°С); Т – температура, К; q – вектор теплового потока, связанный с градиентом температуры в изотропной среде законом теплопроводности Фурье q = kT, где k – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт / (м·°С); А – термический эквивалент работы; – вязкость жидкости, Пас; – тензор напряжения; – тензор скорости деформации.

Данная система уравнений (1.1 – 1.4) описывает неизотермическое течение неньютоновской жидкости в канале нарезки шнека для всех случаев. Но общее решение этой системы очень сложно и до настоящего времени еще не найдено. Поэтому для успешного ее решения делаются необходимые допущения и упрощения.

В работе [1] приведено решение задачи течения жидкости в каналах нарезки шнека. Авторами исследовалось течение на моделях в форме двух пластин (вязкая жидкость находится между двумя пластинами:

неподвижной и движущейся в своей плоскости) и на модели "желоб с крышкой" (жидкость находится между Uобразным желобом и скользящей поверху крышкой). В работе применялись общие основы теории гидродинамики [2]. Авторы предполагали, что течение жидкости подчиняется закону течения Ньютона:

V = µ, n где п – координата, перпендикулярная к плоскости потока; течение ламинарное, силы инерции по сравнению с силами вязкого трения пренебрежимо малы (Re 1), среда несжимаема ( divV = 0 ), течение изотермическое, одномерное. Учитывалось прилипание жидкости как к подвижной, так и неподвижной стенкам.

Предполагалось, что поток жидкости не встречает сопротивления в сечении, через которое он течет, т.е.

отсутствует противодавление, а значит, gradP = 0, V = 0. Результатом решения уравнений (1.1 – 1.4) при таких упрощениях и допущениях являлись выражения для определения скорости локальных потоков в сечении и производительности (количества экструдата в единицу времени в конце выходного канала).

Далее в специальной форме дано решение неоднородного дифференциального уравнения, полученного подстановкой уравнения (1.4) в (1.1) для изотермических условий процесса течения по каналам нарезки шнека и исходя из условия несжимаемости ньютоновской жидкости. При этом в качестве частного интеграла применены величины давления потока в трубе прямоугольного сечения [4], общий интеграл неоднородного дифференциального уравнения (при gradP = 0 ) и частный интеграл неоднородного дифференциального уравнения.

В работах [5, 6] приведены результаты экспериментальных исследований, а также диаграммы распределения скоростей по сечению нарезки канала шнека.

В работе [7] рассмотрены вопросы распределения скоростей, производительности и полезной мощности, а также сравнение теоретических результатов с экспериментальными.

В целом ряде работ [8 – 26] рассматривались процессы изотермического течения несжимаемой ньютоновской изотропной жидкости. В большинстве этих работ считали шнек неподвижным, а корпус вращающимся. На рис. 1.2 показано расположение неподвижной системы координат и модели, отображающей работу одношнековой машины, при этом кривизной канала пренебрегали.

При движении корпуса со скоростью V = D/2, где – угловая скорость шнека, с–1; D – наружный диаметр шнека, м, движущаяся стенка увлекает за собой жидкость, а неподвижная оказывает тормозящее действие. У внутренней поверхности корпуса скорость увлекаемой им жидкости максимальна, а у поверхности равна нулю.

Так как ось канала расположена под углом к направлению скорости V, то V раскладывается на две составляющие Vx и Vl, первая из них Vx = Vcos направлена вдоль оси канала x, а вторая Vl = Vsin направлена перпендикулярно его оси по оси l. Скорость Vx – скорость прямотока, объемный расход которой определяет объемную производительность одношнековой машины.

Рис. 1.2. Физическая модель, отображающая работу шнековой машины Скорость Vl – скорость циркуляционного потока. Это течение представляет собой круговое движение жидкости в направлении, перпендикулярном оси винтового канала шнека. При движении поперек канала поток встречает стенку гребня и поворачивает в обратную сторону, не оказывая влияния на производительность, но способствуя перемешиванию, гомогенезации жидкости и улучшению условий теплообмена.

Для существенного упрощения математического описания процесса анализ влияния компонентов скорости V рассматривается независимо друг от друга.

Противодавление создает в канале шнека обратный поток, или поток под давлением. Он направлен противоположно поступательному или прямому потоку.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 31 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.