Метод расчета соэкструзии резиновых смесей и мультиплексных формующих головок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Гуданов, Илья Сергеевич

• Гуданов, Илья Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гуданов, Илья Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АГРЕГИРОВАННЫХ ПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РЕЗИНОВЫХ

СМЕСЕЙ.

1.1 Номенклатура комбинированных изделий, выпускаемых на дублировочном оборудовании.

1.2 Современное состояние процессов и оборудования производства агрегированных профильных изделий из резиновых смесей.

1.2.1 Изготовление комбинированных изделий дублировочным каландрованием.

1.2.2 Изготовление комбинированных изделий послойно симплексной экструзией.

1.2.3 Изготовление комбинированных изделий мультиплексной экструзией.

1.3 Существующие конструкции мультиплексных формующих головок к червячным агрегатам.

1.4 Основные вопросы обеспечения качества агрегированных профильных изделий при соэкструзии.

1.4.1 Анализ факторов, определяющих качество экструдируемых заготовок.

1.4.2 Способы устранения нестабильности граничной поверхности слоев.

1.4.3 Способы выравнивания скорости потока материалов на выходе из каналов головки.

1.4.4 Существующие способы повышения качества.профилирования агрегированных изделий и интенсивности процесса соэкструзии.

1.5 Теоретические основы расчёта и проектирования мультиплексных формующих головок к червячным агрегатам.

1.5.1 Реологические модели, используемые при описании: экструзионных течений резиновых смесей.

1.5.2 Основные способы расчёта мультиплексных формующих головок к червячным агрегатам

1.6*Численное моделирование процесса соэкструзии .I.:. —

1.6Л Программные средства для проведениярасчётовд.

1.6.2 Выбор численного метода для.решения задач гидродинамики

1.6.3 Основные этапы численного решения гидродинамической задачи процесса соэкструзии

1.7 Выводы по главе;и постановка задачи исследования.

ГЛАВА

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ.

2.1 Постановка задачи теоретического исследования.

2.2 Основные допущения и граничные условия, принимаемые при моделировании стратифицированного течения в мультиплексных головках.

2.3 Математическая модель трёхмерного стратифицированного течения аномально-вязких жидкостей в мультиплексных головках.

2.3.1 Уравнения математической модели.

2.3.2 Преобразование исходной системы дифференциальных уравнений.

2.3.3 Решение задачи временной зависимости для деформирования границы раздела материалов.

2.3.4 Определение энергетических характеристик стратифицированного течения полунеявным методом Эйлера

2.4 Метод расчёта трёхмерного стратифицированного течения аномально-вязкой жидкости в сложнопрофильном канале.

2.5 Анализ результатов численного исследования гидродинамики стратифицированного течения в модельных мультиплексных головках.

2.5.1 Влияние геометрии питающих и дублирующих формующих каналов на гидродинамику стратифицированного течения.

2.5.2 Влияние реологических характеристик материалов на гидродинамику стратифицированного течения.

2.5.3 Влияния режимных параметров на гидродинамику стратифицированного течения.

2.6 Обсуждение результатов расчёта гидродинамических параметров в каналах протекторных мультиплексных головок промышленных агрегатов.

2.7 Результаты и выводы по главе.

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА МАТЕРИАЛОВ ПРИ СОЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ.

3.1 Формулировка задачи теоретического исследования.

3.2 Анализ численных методов определения текущего положения поверхности раздела материалов.

3.2.1 Эйлеровы методы.

3.2.2 Лагранжевы методы«.

3.2.3 Смешанные методы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета соэкструзии резиновых смесей и мультиплексных формующих головок»

Важное место в шинном и резинотехническом производстве занимают процессы переработки резиновых смесей в длинномерные профильные изделия, массовое производство которых характеризуется повышенными требованиями к качеству.

Существуют различные способы получения комбинированных изделий, основанные на использовании агрегатов, состоящих из экструзионного либо экструзионно-валкового оборудования. Наибольшее распространение получила соэкструзия, реализующая совместное продавливание двух и более материалов через матрицу мультиплексной формующей головки. При этом совместное течение материалов называется стратифицированным, а канал, в котором данное течение происходит - областью стагнации.

В шинной промышленности соэкструзией получают такие детали покрышек, как протекторы, боковины, наполнительный шнур и т.д. Необходимость выпуска перечисленных деталей в многослойном исполнении во многом обусловлена высокими эксплуатационными требованиями автомобильной промышленности. Например, протекторы автомобильных шин, имея в основе от 2 до 5 слоёв, сочетают в себе физико-механические свойства различных марок резиновых смесей. В результате удаётся повысить ресурс ходимости шины и улучшить её динамические и эксплуатационные характеристики.

Однако кроме шинной промышленности соэкструзия широко используется в производстве РТИ, в промышленности полимеров и термопластов. Их основной продукцией являются кабельная изоляция, уплотнительные шнуры, армированная лента, шланги, плёнка, тара и упаковка продуктов питания и т.д.

При этом по сравнению с другими аналогичными способами дублирования слоёв к преимуществам соэкструзии можно отнести малую стадийность, большую производительность и относительно высокое качество агрегированного изделия. Изделия, получаемые соэкструзией, сочетают в себе различные физико-химические свойства тех или иных используемых материалов. Применение мультиплексных червячных агрегатов типа «Дуплекс», «Триплекс», «Квадруплекс» и «Квинтуплекс» позволяет исключить недостатки присущие валковому дублирующему оборудованию и повысить производительность процесса за счёт уменьшения-его стадийности.

Однако, несмотря на существующие преимущества мультиплексной экструзии, существует целый ряд проблем, связанных со сложностью обеспечения качества выпускаемых агрегированных изделий и отсутствием возможности его прогнозирования. Данное обстоятельство определяется различием реологических характеристик совместно профилируемых материалов, отсутствием средств калибровки стратифицированного потока и инерционностью регулирования параметров технологического процесса. Также ситуацию усугубляют: трудности синхронизации работы экструдеров, т.к. она зависит от множества различных факторов и сложность формующего инструмента. Приведённые причины потери качества агрегированного изделия взаимосвязаны и способны исключать друг друга, однако на практике они ведут к образованию воздушных включений, поверхностных дефектов и раз-нотолщинности отдельных слоев. Последняя является следствием нерегулярности граничной поверхности, возникающей при стратифицированном течении материалов. При этом форма поверхности раздела материалов далеко отлична от той, которая задаётся формующим инструментов. Крайней степенью проявления такой нерегулярности служит инкапсулирование, заключающееся в стремлении маловязкого компонента обволакивать более вязкий материал вплоть до полного обтекания. Практикой склонность к инкапсулированию рассматривается как нежелательное явление, которое ведёт к неустранимому браку.

Применительно к экструзии составных протекторных заготовок нерегулярность граничной поверхности приводит к отклонению от заданных до-пусковых значений толщин жёсткой беговой части и эластичной подложки. Так, например, увеличение толщины подложки уменьшает отвод теплообразований от брекерных слоёв покрышки, а уменьшение толщины - ухудшает способность демпфировать ударные нагрузки. И то и другое с позиции контроля качества является непозволительным, поскольку ведёт к сокращению ресурса ходимости шины.

Среди прочих дефектов, наблюдаемых при соэкструзии деталей автомобильных покрышек, можно выделить: наплывы и разрывы по стыкам, раз-нотолщинность, трещины и бугристость внешней поверхности, а также воздушные включения. Большинство вышеуказанных дефектов вызвано явлениями, происходящими в материалах в процессе их совместного течения в оформляющих каналах мультиплексной головки. При этом геометрия границ дублирующего канала будет влиять на интенсивность деформирования материалов и, как результат, на развивающиеся в них напряжения.

Таким образом, в мировой практике мультиплексной экструзии имеется широкий круг проблем, что служит серьёзным препятствием дальнейшему развитию технологии мультиплексной экструзии.

Несмотря на высокие темпы внедрения дублировочных технологий в современное производство; уровень развития соэкструзии в РФ значительно отстаёт от уровня, достигнутого в развитых странах.В большей степени это связано со снижением темпов* производства экструзионного оборудования. Отечественные червячные агрегаты отличаются от зарубежных аналогов большей массо- и металлоёмкостью, более высокими удельными энергозатратами; они не универсальны й предназначены преимущественно для производства одного вида продукции. Кроме того, данные агрегаты создаются?и используются в небольших количествах как опытные образцы. При этом проведение процесса не отвечает в полной мере основным его закономерностям, что не позволяет обеспечить стабилизацию гидро- и термодинамических параметров - скорости, давления и температуры в каналах формующей головки, а следовательно, получить качественные профильные заготовки.

По этой причине актуальной задачей следует считать создание методов инженерного расчёта и проектирования мультиплексных агрегатов для со-экструзии изделий любого уровня сложности.

Для решения поставленной задачи необходимо проведение всестороннего исследования гидродинамики стратифицированного течения в мультиплексных головках червячных агрегатов. Таким образом, математическое описание соэкструзии является инструментом изучения закономерностей деформационного характера межматериальной границы и причин, воздействующих на неё.

Данная работа посвящена изучению гидродинамических особенностей стратифицированного течения резиновых смесей, созданию математического описания, разработке методов инженерного расчёта профилирующего оборудования и режимов его работы.

Требуемое качество комбинированных изделий может достигаться различными сочетаниями режимных и геометрических характеристик агрегата, поэтому актуальной становится задача поиска оптимальных параметров процесса соэкструзии и агрегата для её проведения, при которых заданному качеству изделия соответствуют минимальные энергозатраты.

Таким образом, вышесказанное обуславливает главную задачу работы - создание научно обоснованных методов расчёта и проектирования мультиплексного формующего оборудования, обеспечивающего требуемое качество совместно экструдируемых заготовок.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Гуданов, Илья Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Систематизированы данные о современном состоянии производства агрегированных профильных изделий в шинной и резинотехнической промышленности. Обоснована актуальность проблем соэкструзии резиновых смесей и практическая значимость исследования особенностей стратифицированных течений аномально-вязких жидкостей. Рассмотрены перспективные методы получения комбинированных профильных изделий. Приведена классификация мультиплексных формующих головок по конструктивным признакам и функциональным особенностям. Проанализировано использование наиболее важных реологических уравнений, используемых при соэкструзии нелинейно-вязких материалов. Сформулированы основные принципы, условия и пути совершенствования дублировочной технологии производства высококачественной многослойной продукции с рациональным использованием материально-энергетических ресурсов.

2. Разработан математический аппарат расчёта технологических параметров процесса соэкструзии, основанный на математической модели неизотермического стратифицированного течения аномально-вязких жидкостей с учётом деформирования поверхности раздела материалов. Полученная система дифференциальных уравнений была преобразована численно и реализована с помощью программных средств. В - результате была установлена степень воздействия геометрических параметров дублирующего канала, а также режимных и реологических характеристик на распределения основных гидродинамических параметров. Выявлено, что на формирование качественного агрегированного изделия влияет геометрия питающих и дублирующих каналов.

3. Дана сравнительная оценка точности основных методов идентификации материалов при их совместном течении в различных гидродинамических задачах. Исследована стабильность формы границы раздела материалов под воздействием различных факторов. Введён ряд параметров для оценки конечно деформированного состояния границы раздела. Проанализирована динамика деформирования границы раздела материалов и дана количественная оценка её причин. На основе полученных результатов предложен способ локализации межматериального деформирования и конструктивные варианты его реализации.

4. Проведено численное и экспериментальное изучение деформирования граничной поверхности при совместном течении нелинейно вязких сред, в результате которого установлено, что деформирование материальных границ носит периодический характер и при определённых условиях может привести к инкапсулированию. Результаты исследований показали, что в наибольшей степени на искажение формы граничной поверхности влияют соотношения расходов материалов, их реологических параметров и геометрия границ области совместного формования. Подтверждена удовлетворительная сходимость теоретических расчётов с экспериментальными данными, что позволило использовать разработанные теоретические положения для создания методики расчёта оптимальных параметров соэкс-трузии.

5. Сформулирована и решена задача оптимального проектирования мультиплексного экструзионного оборудования и управления им. Представлена методология численного расчёта оптимальных параметров соэкструзии и алгоритм её реализации с использованием систем автоматизированного проектирования и программно-вычислительных средств. Охарактеризовано использование предложенных методов расчёта соэкструзии, а также представлена критериальная оценка границ их допустимого использования. Рассмотрены вопросы аналитического решения гидродинамических задач наиболее встречаемых в практике соэкструзии основных деталей автомобильных покрышек. Составлены рекомендации по использованию методов расчёта и проектированию формующих головок к мультиплексным червячным агрегатам.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гуданов, Илья Сергеевич, 2009 год

1. AI 2006101075 WO В29С 47/06. Die for molding multi-layer film sheet / Nozawa К., заявитель и патентообладатель Toshiba Kiaki Kabushiki Kaisha. -№ 305545; Заявл. 22.04.2005, опубл. 28.09.06, Бюл.;

2. C2 2286255 RU B29C 47/04. Устройство для соэкструзии резиновых смесей / Д. Кальвар, Б. Марешаль, заявитель и патентообладатель Сосьете де Текноложи Мишлен. 2003105224/12, заявл. 15.05.02, опубл. 20.06.04, Бюл.

3. Бекин Н.Г. Валковые машины для переработки резиновых смесей (основы теории работы). Ярославль, 1969. - 80 с.

4. Скачков A.C., Левин С.Ю. Оборудование предприятий резиновой промышленности. — М.: Высшая школа, 1968. — 347 с.

5. Барсков Д.М. Машины и аппараты резинового производства. М.: Химия, 1979.-288 с.

6. Бекин Н.Г., Шанин Н.П. Оборудование заводов резиновой промышленности. Л.: Химия, 1978. - 400 с.

7. Воскресенский A.M. Интенсификация процессов каландрования полимеров. Л.: Химия, 1991. - 222 с.

8. Красовский В.Н. Переработка полимерных материалов на валковых машинах. JT.: Химия, 1979. - 120 с.

9. Лукач Ю.Е. и др. Валковые машины для переработки пластмасс и резиновых смесей. М.: Машиностроение, 1967. - 295 с.

10. Рагулин В.В. Технология шинного производства. М.: Химия, 1975. -352 с.

11. Тадмор 3., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1984. - 632 с.

12. Любашевская В.Г., Гришин Б.С. Опыт эксплуатации и перспективы применения червячных машин холодного питания в шинном производстве. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988. - 56 с.

13. Любартович С.А. Изготовление резиновых профилей. Л.: Химия, 1987. -111 с.

14. Володин В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов. СПб: «Профессия», 2005. - 480 с.

15. Крыжановский В.К., Кербер МЛ., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов. Спб: Изд-во «Профессия», 2004. - 464 с.

16. Haney J.G., Kemper D.C. An overview of modern extrusion technology // Rubber Chem. and Technol. 1986. - Vol. 59, №1. - P. 162-168.

17. Автоматизированное проектирование и расчёт шнековых машин: Монография / М.В. Соколов, A.C. Клинков, О.В. Ефремов, П.С. Беляев, В.Г. Однолько. — М.: Машиностроение-1, 2004. 248 с.

18. Торнер P.B. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1977.-464 с.

19. Козулин H.A. и др. Оборудование для производства и переработки пластических масс. JL: Химия, 1967. — 784 с.

20. Силин А.И. и др. Тенденции развития пластосмесительного оборудования непрерывного действия. — М.: ЦДНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978.-46 с.

21. Фишер Э. Экструзия пластических масс. М.: Химия, 1970. - 288 с.

22. Оборудование для переработки пластмасс: Справ, пособие по расчёту и конструированию / Под ред. В.К. Завгороднего. М.: Машиностроение, 1976.-407 с.

23. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. М.: Госхимиздат, 1962. -180 с.

24. ГОСТ 11441-93. Машины резиноперерабатывающие одночервячные. Типы, основные параметры и размеры. М.: Изд-во стандартов, 1995. -8 с.

25. Говша А.Г. и др. Состояние, перспективы применения и развития одночервячных резиноперерабатывающих машин. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1986. - 42 с.

26. Попов A.B., Соломатин A.B. Непрерывные процессы производства неформовых резиновых изделий. -М.: Химия, 1977. 142 с.

27. Басов Н.И. и др. Расчёт и конструирование оборудования для производства и переработки полимерных материалов. — М.: Химия, 1986.-488 с.

28. Garmaby H. Development of laminar morphology in sheet extrusion of polymer blends: Ph.D Thesis. McGill University, Montreal, Quebec, 1997. -279 p.

29. Капелле Г. Новые достижения для пальчиковых цилиндров экструдеров и мультиплексной экструзионной системы / Рекламный проспект «Hermann Вerstorff Maschinenbau» (ФРГ); опубл. 1988.

30. Chung СЛ. Extrusion of polymers. Theory and practices. Hanser Garden, 2000.-384 p.

31. Скульский О.И. Разработка методов расчёта одно- и двухчервячных машин для полимеров и дисперсных систем с учётом гидромеханических, тепловых и ориентационных явлений: Дис. . д-ра техн. наук. Пермь, 1991. - 307 с.

32. Al 3924842 US, В29С47/38К. Apparatus for preparing a plasticated material / Tadmor Z., заявитель и патентообладатель Scient process &. research' Inc.-№19740411. заявл. 29.10.74, опубл. 09:12.75, Бюл.

33. Parallel und gegenläufig // Kunststoffe. 1998. - №9. - S: 1460.

34. Lokensgard E., Richardson T.L. Industrial plastics: theory and applications. -Cengage Learning, 2003. 528 p.

35. Силин А.И., Остапчук Ю.Г., Борисюк JI.H., Тенденции развития пластосмесительного оборудования непрерывного действия. — М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978. 46 с.

36. Sandeep T., Anup K.G. Morphology development during blending of immiscible polymers in screw extruders // J. Polym. Eng. and Sci. — 2004. — vol. 42, №6.-P. 1309-1321.

37. Planetary roller extruders / Рекламный проспект «Battenfeld Extrusiontechnic GmbH» (Германия); опубл. 2005. 14 с.

38. Dufour S. Méthodes d'éléments finis adaptatives pour les écoulements multifluides: Ph.D. Thèse. Université de Montréal, 1999. - 171 p.

39. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. М.: Химия, 1979.-366 с.

40. Говша А.Г. Оборудование для переработки пластмасс и резин. — М. ЦИНТИхимнефтемаш, 1986. 42 с.

41. Экструдеры и экструзионные линии для переработки каучуковых смесей / Рекламный проспект «Hermann Berstorff Maschinenbau» (ФРГ); опубл. 1988.- 17 с.

42. Проспект «Extruder und Analagen fur die Kautschukverarbeitung» фирмы «Paul Troester Maschinenfabrik» (ФРГ). 32 с.

43. Машины и аппараты резинового производства / Под. ред. Д.М. Барскова. -М.: Химия, 1975. 600 с.

44. Southern J.H., Ballman R.L. Stratified bicomponent flow of polymer melts in a tube // Appl. Polym. Sci. 1973. - Vol. 20, №2 - P. 175-180.

45. Puissant S. and al. Two-dimensional multilayer coextrusion flow in a flat coat-hanger die. Part 1 // Polym. Eng. Sei. 2004. - Vol. 34, № 3. - P. 201208.

46. Schrenk WJ. etand al. Coextruded multilayer polymer films an sheet // Chapt. 15, Polymer Blends. 1978. - Vol. 2, Academic Press, Inc. - 129 p.

47. Schrenk W.J. New Developments in coextrusion // Thesis of International Conference on Advances In Polymer Processing, (New Orleans, Apr., 1991). -Louisiana.-P. 142-147.

48. Kim J.K., Han C.D. Polymer-polymer interdiffiision during coextrusion // Polymer Engineering and Science. 2001. - Vol. 31, № 4. - P. 258-269.

49. Любашевская В.Г., Гришин Б.С. Опыт эксплуатации и перспективы применения червячных машин холодного питания в шинном производстве. М.: ЦНИИТЭнефтехим , 1988. - 56 с.

50. Ломов A.A., Залунаев М.Ю. К вопросу о проектировании протекторных головок к червячным машинам // Каучук и резина. — 2001, №1. — С. 1921.

51. Michaeli W. Extrusion dies for plastics and rubber. Design and engineering computations. Carl Hanser Verlag, München, 2003. — 370 s.

52. Perdikoulias J. Analysis and design of annular dies for mono an multi-layer polymer flows: Ph.D. Thesis. University of Waterloo, 1997. - 284 p.

53. Huckepack-aggregate "Piggy-Back units" : Рекламный проспект «Troester. Excellence in extrusion» (Германия); опубл. 2007. — 21 с.

54. Huckepack-aggregate. Piggy-back units Headquarter: Технич. информ. фирмы «Troester Maschinenfabrik» (Германия); опубл. 2004. - 18 с.

55. Фадеев A.K. Шприцевание резиновых заготовок. — М., «Госхимиздат», 1960.- 108 с.

56. Moritoki Н., Itoh К., Sagawa Т. Prediction of central bursting in extrusion using multiplicity criterion // J. Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. A. 1999. - Vol. 65, №636.-P. 176-183.

57. Itoh K. Designing extrusion dies // Japan Plastics. 1978. - №4. - P. 15-17.

58. Wilson H.J. Instabilities and constitutive modeling // J. Phyl. Trans R. Soc. A. -2006. -№364. P. 3267-3283.

59. Бриедис И.П. Высокочастотное периодическое деформирование вязкотекучих полимеров // Механика полимеров. — 1973. — №4. С. 722728.

60. Lodge A.S. Elastic liquids. Academic press, New York, 1964. - P. 243-244.

61. Karagiannis A. and al. Interface determination in bicomponent extrusion // J. Pol. Eng. Sei. 1988. - Vol. 29, № 15. - P. 982-988.67