Совершенствование процесса смешения полимерных компонентов вторичного и первичного типов в ротационном аппарате тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Стенько Дмитрий Владимирович

• Стенько Дмитрий Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Стенько Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СМЕШЕНИЯ

ТВЕРДЫХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

1.1 Обзор оборудования для смешения твердых дисперсных полимерных материалов

1.1.1 Классификация смесительного оборудования для получения сыпучей полимерной смеси

1.1.2 Смесители сыпучих полимерных материалов без перемешивающего органа

1.1.3 Смесители сыпучих полимерных материалов с ротационным перемешивающим органом

1.1.4 Краткий анализ технико-экономических характеристик смесителей сыпучих полимерных материалов

1.2 Современные методы моделирования смешения твердых

дисперсных полимерных компонентов в разреженных потоках

1.2.1 Основные предпосылки совершенствования процесса смешения ТДПК

1.2.2 Современные методы моделирования столкновений полимерных частиц в насыщенных потоках

1.2.3 Некоторые особенности электрических свойств полимерных диэлектриков

1.3 Выводы по главе

1.4 Постановка задач исследования

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ВТОРИЧНОГО И ПЕРВИЧНОГО ПОЛИПРОПИЛЕНА В

АППАРАТЕ С РОТАЦИОННЫМИ УЗЛАМИ

2.1 Описание конструкции и принципа работы аппарата

ротационного типа

2.2 Особенности моделирования процесса смешения полимерных компонентов в новом аппарате с ротационными рассеивателями

2.3 Модель формирования разреженных потоков ПЧ при работе

одного узла барабан-лопатки (этап 1, модель 1)

2.3.1 Основные допущения модели формирования сонаправленных разреженных потоков ПЧ (этап 1, модель 1)

2.3.2 Основные этапы моделирования

2.3.3 Моделирование энергии стохастического движения частицы в сонаправленных разреженных потоках ТДПК

с учетом эффекта электризации поверхностей ПЧ

2.3.4 Моделирование энергетического параметра с учетом эффекта электризации ПЧ в сонаправленных разреженных потоках ТДПК

2.3.5 Моделирование искомых функций распределения ПЧ в сонаправленных разреженных потоках ТДПК

2.3.6 Результаты модели формирования сонаправленных разреженных потоков ТДПК

2.4 Модель формирования разреженных потоков ПЧ при работе двух узлов барабан-лопатки (этап 1, модель 2)..................................... ^

2.4.1 Основные допущения модели формирования пересекающихся разреженных потоков ПЧ (этап 1, модель 2)

2.4.2 Основные этапы моделирования

2.4.3 Моделирование энергетических параметров с учетом эффекта электризации ПЧ и столкновений между ними в пересекающихся разреженных потоках ТДПК

2.4.4 Моделирование искомых функций распределения ПЧ

в пересекающихся разреженных потоках ТДПК

2.4.5 Результаты модели формирования пересекающихся разреженных потоков ТДПК

2.5 Сравнение основных результатов моделей формирования

сонаправленных и пересекающихся разреженных потоков ТДПК

2.6 Модель формирования отраженных разреженных потоков ПЧ

при работе узла барабан-лопатки (этап 2, модель

2.6.1 Основные допущения модели формирования отраженных разреженных потоков ПЧ (этап 2, модель 3)

2.6.2 Моделирование искомых функций распределения ПЧ в

отраженных разреженных потоках ТДПК

2.6.3. Результаты модели формирования отраженных разреженных потоков ТДПК от отбойных поверхностей (этап 2, модель 3)

2.7 Выводы по главе

ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ВТОРИЧНОГО И ПЕРВИЧНОГО ПОЛИПРОПИЛЕНА В НОВОМ АППАРАТЕ С РОТАЦИОННЫМИ РАССЕИВАТЕЛЯМИ

3.1 Описание лабораторной установки для изучения процесса смешения ПЧ

3.2 Методики проведения экспериментальных исследований

процесса смешения ПЧ

3.2.1 Основные задачи опытных испытаний установки для смешения ТДПК

3.2.2 Особенности физико-механических свойств первичного и вторичного полипропилена

3.2.3 Определение параметров опытной установки

3.3 Экспериментальные исследования по определению распределения массовых долей ТДПК по углу разбрасывания

ПЧ (этап смешения 1)

3.3.1. Результаты экспериментальных исследований

(этап смешения 1)

3.3.2. Сравнительный анализ для распределений ТДПК

по углу разбрасывания (этап 1)

3.4 Результаты экспериментальных исследований коэффициента восстановления при ударе ПЧ об отбойную поверхность (этап смешения 2)

3.5 Результаты экспериментальных исследований коэффициента неоднородности (этап смешения 2)

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА

ПАРАМЕТРОВ НОВОГО РОТАЦИОННОГО АППАРАТА

ДЛЯ СМЕШЕНИЯ ТДПК

4.1 Определение коэффициента неоднородности готовой смеси

ТДПК при работе ротационного аппарата

4.1.1 Описание способа дозирования ТДПК

4.1.2 Описание способа расчета коэффициента неоднородности

смеси ТДПК

4.2. Определение основных энергетических показателей работы двухэтапного ротационного смесителя ТДПК

4.2.1. Определение производительности ротационного

смесителя ТДПК с двумя узлами барабан-лопатки

4.2.2. Определение мощности приводов ротационного

смесителя ТДПК с двумя узлами барабан-лопатки

4.3. Расчет рациональных диапазонов изменения основных параметров ротационного смесителя для получения смеси ТДПК 166 4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Показатели качества полипропилена

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Пример проектирования имитационной 3Э-модели

нового ротационного смесителя

ПРИЛОЖЕНИЕ В Пример оценки качества готовой смеси

в программном продукте «М1ХА№>

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Справка об использовании результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Патент РФ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса смешения полимерных компонентов вторичного и первичного типов в ротационном аппарате»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Развитие технологий 3D-печати, в том числе методов послойного наплавления филамента требует совершенствования каждого этапа переработки рабочего материала, включая процесс смешения твердых дисперсных полимерных компонентов (ТДПК) перед загрузкой в инжекционно-литьевую машину (термопластавтомат). Это необходимо для обеспечения регламентной однородности полимерной смеси (ПС) из частиц IV класса сыпучести по Керру (угол естественного откоса 42°-45°) с размерами (1,5-6,0)10-3 м, используемой для производства готового изделия, в частности, с добавками из полимерного вторичного сырья (ПВС). Несоблюдение регламента качества ПС в отношении однородности и процентного состава ТДПК впоследствии отражается на цветопередаче, прочности, термо- морозостойкости и надежности получаемого продукта. Решение производственных задач должно быть согласовано с выбором продуктов рециклинга (ПВС) и экономией энергоресурсов. Выявление условий эффективного смешения ТДПК в регламентных пропорциях 1:9 при условии исключения нежелательного эффекта сегрегации представляет основную сложность проектирования конструкции смесителя. Известно множество типов механических аппаратов для смешения сыпучих компонентов (например, с мешалкой, барабанные, центробежные, ударно-рассеивательные). Проблема существенного сглаживания сегрегации может быть решена при организации наложения разреженных потоков из частиц смешиваемых ТДПК в сонаправленных/пересекающихся потоках при работе смесительного узла/узлов барабан-лопатки в ударно-рассеивательных аппаратах. Для непрерывного смешения частиц вторичного ГОСТ Р57043-2016 (/ = 1) и первичного ГОСТ 2699686 (/ =2) полипропилена (1111), целесообразно использовать рассеиватели с упругими лопатками на рельефной платформе (выступе) для увеличения угла раствора потоков из частиц ТДПК. Определение условий, влияющих на качество ПС, является актуальной задачей проектирования нового аппарата с ротационными рассеивателями. Вследствие вероятностного характера поведения полимерных частиц (ПЧ) в образующихся разреженных потоках ТДПК после контакта с

лопатками (этап 1) и отбойными поверхностями (этап 2) уместно применение стохастического подхода к моделированию процесса получения однородной ПС в зависимости от информационных переменных. Выбранный метод позволяет выполнить оценку качества ПС по коэффициенту неоднородности ¥С при прогнозе эффективных диапазонов изменения параметров смесителя. Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВО «ЯГТУ» согласно направлениям: Указа Президента РФ от 01.12.2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»; для внебюджетных НИР ЯГТУ (2019-2023 гг.) и программы Ярославской области «У.М.Н.И.К.» (2020-2022 гг.).

Объект исследования: непрерывный двухэтапный процесс смешения ТДПК в ротационном аппарате с узлами барабан-лопатки и наклонными отбойниками.

Предмет исследования: механизм образования смесей из двух ТДПК с несферическими частицами в разреженных потоках, режим работы проектируемого ротационного аппарата с эффективным показателем производительности при коэффициенте неоднородности ПС ¥С = (5-6) %.

Цель работы: совершенствование процесса смешения частиц вторичного и первичного ПП в регламентных пропорциях 1:9 в новом ротационными аппарате с узлами барабан-лопатки и наклонными отбойниками.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка стохастических моделей образования разреженных потоков ТДПК с несферическими ПЧ на двух этапах смешения, включая уравнения дифференциальных функций распределения числа ПЧ по угловым координатам, в том числе для определения зависимости коэффициента неоднородности ПС от значимых режимных параметров.

2. Проведение экспериментальных исследований по установлению зависимости коэффициента восстановления скорости ПЧ в усредненных направлениях движения потоков на примере вторичного и первичного ПП от конструктивно-режимных параметров процесса смешения в ротационном аппарате при упругом ударе об отбойники (этап 2).

3. Проведение экспериментальных исследований в ротационном аппарате с непрерывным режимом работы на примере смешения вторичного и первичного ПП для установления значимых факторов влияния на значение коэффициента неоднородности ПС (конструктивно-режимных параметров, характеристик физических свойств материалов).

4. Разработка способа получения качественной смеси ТДПК с соотношением 1:9 в рабочей камере ротационного аппарата с учетом особенностей физических свойств несферических ПЧ с обоснованием двух этапов смешения при работе двух узлов барабан-лопатки (этап 1) и наклонных отбойников (этап 2).

5. Разработка инженерной методики расчета параметров нового ротационного аппарата с непрерывным режимом работы для получения смеси ТДПК в условиях предотвращения сегрегационных эффектов.

Научная новизна результатов работы:

1. Разработаны стохастические модели образования разреженных потоков ТДПК с несферическими ПЧ в процессе смешения: на этапе 1 - при работе одного (модель 1) и двух (модель 2) узлов барабан-лопатки; на этапе 2 - при упругом ударе об отбойники (модель 3), позволяющие определить распределения числа ПЧ по характеристическим углам (разбрасывания лопатками и отражения от отбойников) и установить зависимость коэффициента неоднородности ПС от информационных переменных.

2.Теоретически установлена значимость влияния эффекта электризации поверхностей несферических ПЧ на распределение их числа по углу разбрасывания в сонаправленных разреженных потоках ТДПК (модель 1, этап 1) при значениях угловых скоростей вращения смесительных барабанов вблизи 31,42 с-1 в отличие от пересекающихся потоков ТДПК (модель 2, этап 1), когда этот эффект не является существенным в диапазоне (30-53) с-1.

3. Показано, что учет вторичных столкновений несферических ПЧ при упругом ударе о наклонные отбойники (модель 3, этап 2) целесообразен при работе двух узлов барабан-лопатки на этапе 1 процесса смешения вблизи нижнего предела диапазона изменения угловой скорости барабана (30-53) с-1.

4. Получены выражения для расчета коэффициента неоднородности смеси ТДПК несферических ПЧ с учетом эффекта электризации их поверхностей (этап 1) и вторичных столкновений при упругом ударе об отбойники (этап 2) в зависимости от информационных переменных, в том числе объемного расхода ТДПК, угловых скоростей вращения барабанов смесительных узлов, степени деформации эластичных лопаток, углов наклона отбойников.

5. Установлена серией теоретико-экспериментальных исследований возможность качественного смешения ТДПК (Ус < 5 %) в соотношении 1:9 вне сегрегации при реализации двух этапов с помощью: двух узлов барабан-лопатки (этап 1) и последующего упругого удара образованных разреженных потоков ПЧ о наклонные отбойники (этап 2).

6. Теоретически обоснована методика расчета параметров ротационного аппарата с непрерывным режимом работы для получения смеси ТДПК в условиях предотвращения сегрегационных эффектов за счет управления расширением области попадания разносортных несферических ПЧ после упругого удара.

Теоретическая значимость. Предложенные три стохастические модели образования разреженных потоков ТДПК позволяют: на различных этапах процесса смешения описать распределение ПЧ по угловой координате рабочего объема ротационного аппарата; выявить значимые факторы влияния на значение коэффициента неоднородности; составить теоретическую основу для разработки методики расчета параметров смесителя.

Практическая значимость.

1. Разработана конструкция аппарата с ротационными рассеивателями (патент 2749510 РФ), позволяющая получать однородные смеси несферических ПЧ с соотношением 1:9, например, IV класса сыпучести по Керру.

2. Разработана инженерная методика расчета нового аппарата с ротационными рассеивателями, которая предлагается для использования в проектных организациях при создании оборудования предварительной переработки ТДПК в различных производственных цепочках, например, перед загрузкой в термопластавтомат для 3Э печати.

3. Новый ротационный аппарат предлагается интегрировать в существующие технологические схемы для производства пластиковых изделий в ООО «Пресс-форм трейд» (планируется к внедрению в эксплуатацию в 2024 г.).

Методология и методы исследования. Теоретическая база построения математических моделей процессов образования разреженных потоков смешиваемых ПЧ - методология и математический аппарат статистической неравновесной механики, в том числе с применением кинетического уравнения типа Фоккера-Планка. Проведение экспериментальных исследований выполнялось на оригинальном лабораторном стенде с последующей обработкой результатов качества ПС с помощью известного бесконтактного способа.

Положения, выносимые на защиту:

- три стохастические модели образования разреженных потоков ТДПК с несферическими ПЧ в процессе смешения (на этапе 1 - при работе одного (модель 1) и двух (модель 2) узлов барабан-лопатки с учетом электризации поверхностей ПЧ и их столкновений; на этапе 2 - при упругом ударе об отбойники (модель 3) с учетом вторичных столкновений) с соответствующими выражениями для дифференциальных функций распределения числа ПЧ по характеристическим углам (разбрасывания лопатками и отражения от отбойников);

- способ расчета коэффициента неоднородности ПС с учетом эффекта электризации, и столкновений ПЧ в зависимости от набора конструктивно -режимных параметров процесса смешения с регламентным соотношением 1:9 и физических свойств ПК;

- основные результаты теоретико-экспериментальных исследований, в том числе полученные при испытаниях модельных лабораторных комплексов по установлению режимов качественного смешения ТДПК в соотношении 1:9 вне сегрегационных эффектов;

- конструкция нового ротационного аппарата и научно обоснованный метод инженерного расчета параметров смешения ТДПК.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов исследования обоснована корректностью математических моделей, основанных на статистической неравновесной механике, применением разработанной опытной

установки для экспериментальных исследований смешения ПЧ, удовлетворительным согласием теоретических и опытных данных. Основные результаты исследований опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и апробированы на международных и всероссийских научных конференциях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международной конференции «Sustainable energy systems: Innovative perspectives» (Санкт-Петербург, 2020); на международной конференции «BUILDINTECH BIT 2021. ИННОВАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ» (Белгород, 2021); на международной конференции по эффективному производству и переработке "EFFICIENT PRODUCTION AND PROCESSING" (Санкт-Петербург, 2021); на международных научных конференциях «CyberPhy: Cyber-physical systems design and modelling» (Санкт-Петербург, 2021; Ярославль, 2022; Нижний Новгород, 2023); на 33-й, 34-й, 35-й, 36-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2020; Санкт-Петербург, 2021 ; Минск 2021 ; Ярославль, 2022; Нижний Новгород, 2023); на 73-й, 74-й, 75-й, 76-й Всероссийских научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, ЯГТУ, 2020, 2021, 2022, 2023); на конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Ярославль, 2020-2022); на Всероссийской научной конференции в рамках XV ежегодной сессии аспирантов и молодых ученых, номинация «Молодой ученый», (Вологда, 2022); на научно-практическом форуме с международным участием SMARTBUILD-2022 «СТРОЙКА ПОЛИТЕХА» (Ярославль, 2022), на Международной научно-практической конференции «Экологическое машиностроение» (Ярославль, 2023).

Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, постановке конкретных задач моделирования, разработке методик проведения экспериментальных исследований и их реализации, научном анализе и интерпретации полученных результатов. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования автора.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 44 научных работах, в том числе 17 статей в журналах, входящих в перечень

рецензируемых научных изданий, из них 9 статей, индексирующихся в международных базах цитирования Web of Science и Scopus, 4 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 273 наименований и приложений. Текст диссертации изложен на 226 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 8 таблиц и 5 приложений.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СМЕШЕНИЯ

ТВЕРДЫХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

1.1. Обзор оборудования для смешения твердых дисперсных полимерных

материалов

Одним из наиболее распространенных типов материалов, используемых при производстве товаров широкого потребления являются различные полимеры. Данные высокомолекулярные вещества крайне разнообразны по своим свойствам и характеристикам и методам получения. Основным назначением для применения полимеров является производство пластмасс [1]. Изделия из пластмасс благодаря своей прочности и низкой плотности относительно фабрикатов из металлов, керамики, древесины нашли широкое применения в строительстве, машиностроении, легкой промышленности, сельском хозяйстве и т.д. Для придания продукту требуемых свойств полимеры в виде порошка/гранул смешиваются с различными соотношениями с добавками, например, 1:9 и более. В качестве таких добавок выступают красители, наполнители, пластификаторы, пигменты и т.п. [2]. В процессе смешения происходит перемещение частиц при их активном взаимодействии, что является причиной проявления таких эффектов, как сегрегация [3, 4], адгезия, склонность к агломерированию [5] и др. Присутствие данных эффектов крайне негативно сказывается на качестве получаемой смеси и осложняет протекание указанного процесса. В настоящей работе под смешением полимерных материалов понимается один из этапов переработки твердых дисперсных сред, применяемых в различных отраслях промышленности. Существует множество типов смесительных агрегатов [6], которые c разной степенью эффективности обеспечивают требуемую однородность получаемой смеси, например, при производстве строительных составов [6], пищевых продуктов [6]. Для выбора типа смесительного оборудования в производстве пластмасс требуется учет физических свойств дисперсного полимерного сырья и специальных добавок, размера фракций для их частиц [7]. Общая классификация смесительного оборудования при производстве и переработке пластмасс описана в

работе [6]. Существующее оборудование обеспечивает требуемое качество при смешении материалов различной природы в основном с равным соотношением между ключевым компонентом и добавками. При составе сыпучих компонентов в соотношении 1:9 и более возникают сложности с получением однородной смеси. Первоочередной задачей при проектировании нового смесительного оборудования указанного назначения является определение факторов, влияющих на качество получаемой смеси в зависимости от особенностей технического задания производства полимерного изделия.

1.1.1. Классификация смесительного оборудования для получения сыпучей

полимерной смеси

Согласно [6] известно множество разнообразных методов смешения сыпучих материалов, в частности: пересыпание, наслаивание, перелопачивание, распыливание, смешение в псевдоожиженном слое и др. Однако не все из перечисленных способов обеспечивают требуемое качество полимерной смеси твердых дисперсных компонентов. Известно [6], что для классификации смесительного оборудования сыпучих полимерных материалов следует рассмотреть множество различных признаков: характер протекания процесса смешения, его механизм, способ загрузки и управления, вид потока частиц, способ установки рабочих элементов, скорость вращения перемешивающих органов, конструктивные признаки, и т.п. Процесс производства пластиковых изделий проходит на автоматизированных инжекционно-литьевых машинах. К характерным особенностям данных аппаратов относится непрерывный режим работы касательно подготовки и загрузки смеси полимерных компонентов. Смесительное оборудование непрерывного типа имеет ряд преимуществ в сравнении с оборудованием периодического действия, например, в отношении снижения интенсивности проявления сегрегации. Для разработки, конструирования и расчета новых смесителей, предназначенных для выполнения загрузки однородной сыпучей полимерной смеси в инжекционно-литьевую машину, необходимо выявить признаки, которые существенным образом влияют

на качество получаемой смеси с учетом предполагаемого регламента производственного процесса. Для определения данных факторов, предложена следующая условная классификация способов получения смесей твердых полимерных компонентов:

а) по характеру работы (периодического [7, 38, 40] или непрерывного действия [18, 36, 37]);

б) по типу смешиваемых полимерных компонентов в зависимости от их физических свойств и размеров фракций составляющих частиц [7-10];

в) по степени подвижности смесительных узлов (с неподвижными [11-13] или подвижными [14-16] узлами);

г) по способу действия на компоненты получаемой смеси (механические [19, 21, 22, 24, 25, 28, 29], вибрационные [6, 23], пневматические [30, 31], комбинированные [32]);

д) по конструктивному признаку рабочего объема (барабанные [6, 19, 21, 22], шнековые [6, 26, 27], лопастные [6, 28, 29];

е) по ориентации осей вращения рабочих элементов (горизонтальная [19-21, 26], вертикальная [26, 27])

ж) по способу перевода частиц во взвешенное состояние (гравитационные [6, 17-20], центробежные [6, 24, 25], ударно-рассеивательные [6, 28, 29]);

з) по виду движения частиц (циркуляционный [38] или хаотичный [37]);

и) по упругим свойствам смесительных элементов (с жесткими элементами [22, 29], с эластичными элементами [28, 33-35])

и др.

Наличие значительной номенклатуры различных конструкций подтверждает, что одни и те же признаки могут быть присущи для разных типов смесителей сыпучих сред. Итак, в качестве определяющего признака при проектировании смесителя необходимо выбрать тот, который наилучшим образом характеризует особенности конкретного технологического процесса и условий эксплуатации нового аппарата. Предложена следующая схема группировки смесителей сыпучих полимерных компонентов (рисунок 1.1), которая согласуется с известными типизациями [42-44, 46], предназначенными для не полимерных материалов.

Рисунок 1.1 - Условная классификация смесителей ТДПК

Рассмотрим наиболее распространенные типы конструкций смесительного оборудования, подходящие для производства сыпучей полимерной смеси.

1.1.2. Смесители сыпучих полимерных материалов с неподвижным

перемешивающим органом

К аппаратам непрерывного действия (см. рисунок 1.1) относятся устройства, в которых загрузка и выгрузка материалов происходит непрерывно, а регламентное качество смеси достигается за один проход материалов через рабочую область смесителя. Среди аппаратов непрерывного действия наиболее простыми, с точки зрения конструкции, являются аппараты гравитационного типа. Известен смесительный аппарат [36] бункерного типа, представленный на рисунке 1.2. Аппарат с корпусом 1 содержит подающее устройство 2 для экструдера 3, имеющее по меньшей мере два контейнера 4 для хранения и приема различных полимерных материалов, один дозирующий контейнер 5 для приема и дозирования исходных материалов и смесительное устройство 6 для смешивания полимерных материалов в области 7. К недостаткам данного смесителя можно отнести невозможность получения качественной однородной смеси с отношением компонентов 1:9 и более.

Фиг. 1

Рисунок 1.2 - Бункерный смеситель Рисунок 1.3 - Гравитационный

полимерных материалов [36] смеситель лоткового типа [18]

Другой распространенной группой аппаратов гравитационного типа согласно [6] являются лотковые смесители. Данные аппараты отличаются простотой конструкции, что является преимуществом при их производстве и обслуживании. Известен один из вариантов конструкции гравитационного смесителя лоткового типа [18] представленный на рисунке 1.3. Смешиваемые сыпучие компоненты загружаются в корпус 1 смесителя через штуцера 5 и 6 в крышке, затем поступают на верхние наклонные лотки 2. На наклонных лотках в зазоры между стержнями 3 попадают частицы материала, задерживаются в них и образуют неподвижный шероховатый слой. Относительно этого неподвижного шероховатого слоя на лотке организуется сдвиговое течение сыпучего материала. В процессе сдвигового движения на поверхности лотка наблюдается интенсивное перемешивание частиц сыпучего материала. После чего частицы сыпучего материала с верхних лотков ссыпаются на нижние лотки, и процесс смешивания повторяется. В результате многократного повторения процесса на последующих лотках получается готовая смесь. Готовая смесь выгружается из корпуса смесителя через нижний штуцер 7. Основными недостатками смесителей лоткового типа

являются: смешение компонентов строго установленного размера, определенного при проектировании аппарата, высокая вероятность адгезии смешиваемых компонентов с поверхностью лотков и стержней, установленных на них.

1.1.3. Смесители сыпучих полимерных материалов с ротационным

перемешивающим органом

Для смешения полимерных компонентов разного гранулометрического состава, в том числе гранул с порошкообразными добавками (пигментами, пастами, смазками) используются смесители барабанного типа [7], относящиеся к аппаратам с ротационным перемешивающим органом (см. рисунок 1.1). Среди разнообразия конструкций можно отметить аппараты с горизонтальным цилиндрическим корпусом [7] и модификации на его основе. Однако для смешения полимерных гранул с красителями (суперконцентратами) чаще остальных применяются аппараты с подвижными смесительными элементами. Такие установки монтируются непосредственно над загрузочным бункером перерабатывающего оборудования. Классическим представителем таких устройств является устройство для окрашивания гранулята [7,8], который представлен на рисунке 1.4.

г-и

Рисунок 1.4 - Устройство для окрашивания гранулята [7] Полимерные гранулы из бункера 1 подаются в дозатор 2 из которого попадают в смесительную камеру 4, где происходит смешение с пигментом,

который поступает в смесительную камеру из дозатора 3. Дозаторы оснащены автоматическими заслонками, движение которых осуществляется за счет привода 5. Внутри смесительной камеры 4 установлена мешалка 6, которая приводится в движение за счет привода 5. Основной недостаток смесителя [7] - длительность протекания процесса, что требует согласования по времени с другими технологическими операциями производства. Существенное распространение получили аппараты с неподвижным корпусом и перемешивающим органом, например, смеситель периодического действия для смешения сыпучих и порошкообразных материалов [38], который может применяться в пищевой и химической отрасли (рисунок 1.5) и центробежные смесители (рисунок 1.6).

1 - корпус корытообразной формы; 2 -горизонтальный вал; 3 - рычаг; 4 - сменная лопасть Т-образной формы; 5 - редуктор; 6 - устройство

изменения направления вращения; 7 -электродвигатель; 8 - крышка; 9 - узел загрузки Рисунок 1.5 - Смеситель сыпучих и пастообразных материалов [38]

Рисунок 1.6 -Центробежный смеситель «Интолетер» [6]

Особенностью данного смесителя является возможность изменения направления вращения горизонтальных валов 2, на которых со смещением на угол 45° установлены рычаги 3 с лопастями 4, при этом лопасти 4 имеют две рабочие поверхности - активная и пассивная, при изменении направления вращения вала 2 активная и пассивная часть поочередно меняется местами. При изменении направления вращения валов происходит интенсификации диффузионного смешения за счет активного мелкомасштабного перемещение частиц материала. За счет описанных конструктивных особенностей на 10% снижено время процесса, а также повышена долговечность рабочих органов смесителя и внутренней поверхности корпуса. К недостаткам данного смесителя можно отнести большие энергозатраты на единицу производимой смеси из-за большого количества лопастей, которые вращаются за счет нескольких электродвигателей в связке с редукторами.

Экспериментальные исследования, описанные в работах [6, 39] продемонстрировали высокую эффективность смешения сыпучих компонентов в псевдоожиженном слое в циркуляционных аппаратах. К преимуществам таких аппаратов можно отнести: простоту конструкции и эксплуатации, энергоэффективность и небольшую длительность цикла смешения. Среди главных недостатков таких смесителей - низкая эффективность и появление сегрегации при смешении тонкодисперсных компонентов и материалов, значительно отличающихся по плотности. Обозначенные недостатки отсутствуют в механических смесителях центробежного типа [6, 24, 25, 39], в которых время протекания процесса значительно меньше, чем в аппаратах барабанного типа.

Согласно [6], известна классическая конструкция прямоточного центробежного смесителя (см. рисунок 1.6). В корпусе 1 размещен ротор, на котором установлен диск 2. Данный диск жестко соединен с диском 3 с помощью штифтов 4. На крышке корпуса установлен двухскоростной электродвигатель 5, который через ступицу соединен с ротором. Смешиваемые материалы подаются в аппарат через входные штуцера 7. В них находятся заслонки для регулировки подачи компонентов в аппарат. Затем частицы попадают на распределительный конус 6, откуда они попадают на нижний диск ротора, который вращается с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Стенько Дмитрий Владимирович, 2024 год

- 81 с.

188. Гольдштейн, Л.Д. Электромагнитные поля и волны / Л.Д. Гольдштейн , Н.В. Зернов // М.: Сов. радио. - 1971.

189. Ring, W. II Pure Appl. / W. Ring, I. Mita, A.D. Jenkins, and N.M Bikales // Chem., 57, 1427 (1985). Тальрозе Р.В. Номенклатура сополимеров, базирующаяся на их происхождении // Высокомолек. соед. А. 1986. Т. 28. № 5. С. 1096

190. Отставнов, А.А. Особенности борьбы со статическим электричеством, возникающим на полимерных трубопроводах. Сантехника, отопление, кондиционирование (СОК). 2006. № 8. С. 20-24.

191. Гусев, Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии / Ю.А. Гусев, //Учебное пособие. Казань: КГУ. - 2008. - С. 51.

192. Дебай, П. Полярные молекулы / Дебай, П. // Москва-Ленинград: ГНТИ, 1931. - 247 с.

193. Дудкин А.Н., Ким В.С. Электротехническое материаловедение / А.Н. Дудкин, В.С. Ким // Учебное пособие. - Томск: Издательство ТПУ, 2004. - 198 с.

194. Лущейкин, Г.А. Полимерные электреты / Г.А. Лущейкин - 2-е изд.,перераб. и доп. - М.: Химия, 1984. - 184с.

195. Бойер, Р. Сб.: Переходы в релаксационные явления в полимерах / Р. Бойер // - М.: Мир, - 1968, - 118 с.

196. Михайлов, Г.П. Диэлектрические потери и поляризация полимеров / Г.П. Михайлов // Успехи химии. - 1955, 24, - С. 875-900

197. Cole, K.S. Cole R. H. Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics / K.S. Cole, R.H. Cole // The Journal of chemical physics. - 1941.

- Т. 9. - №. 4. - С. 341- 351. Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and Absorption in Dielectrics. I. Alternating Current Characteristics // J. Chemical Physics. 1941. V. 9. Iss. 4. P. 341-352

198. Василенок, Ю.И. Предупреждение статической электризации полимеров / Ю.И. Василенок // Л.: Химия. - 1981. - 209 с.

199. Максимов, Б.К. Статическое электричество в промышленности и защита от него / Б.К. Максимов, А.А. Обух // - М.: Энергия, 1978. - 80 с.

200. Гаврилова О.Е. Создание изделий из полимерных композиционных материалов в производстве комплексных материалов в легкой промышленности / О.Е. Гаврилова, Л.Л. Никитина, Ю.А. Коваленко // Вестник технологического университета, - Т.15 №13, - 2012. - С.116-117.

201. Анохина, Е. А. Особенности электризации полимерных запечатываемых материалов и разработка способов защиты от статического электричества. автореф.

- 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)». М. - 2015. - 19 с.

202. Евсеева К.А. Новые полимерные трубы для промышленного применения / К.А. Евсеева, В.В. Битт, В.И. Скребнев, Е.В. Калугина // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2021 Т. LXV. №. 3 - С. 85-90.

203. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов / В.Г. Шевченко 2010, Изд. МГУ. Учебно-методическое пособие. — Москва: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ), 2010. — 99 с.

204. Трофимов, Н.Н. Физика композиционных материалов / Н.Н. Трофимов, М.З.Канович, Э.М.Карташов, В.И.Натрусов, А.Т.Пономаренко, В.Г.Шевченко, В.И.Соколов, И.Д.Симонов-Емельянов // - М.: Мир, 2005. - Т.1, 2. - 800 с.

205. Prashanth, H. A comprehensive review on dielectric composites: Classification of dielectric composites, Renewable and Sustainable Energy Reviews / H.

Prashanth, E. Jayamani, K. H. Soon // Volume 157, 2022, 112075, ISSN 1364-0321, https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112075

206. Panomsuwan, G. Enabling high dielectric constant and low loss tangent in BaTiO3-epoxy composites through a 3D interconnected network structure of ceramic phase, Journal of Alloys and Compounds / G. Panomsuwan, H. Manuspiya // Volume 953, 2023, 169968, ISSN 0925-8388. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169968

207. Ахмедов, Ф.И. Изучение электропроводности макросистем диэлектрик полипропилен (1111) - полупроводник а - (fе2o3) / Ахмедов Ф.И., Асадова А.З., Гусейнова М.Э., Кулиев А.Д. // Электронная обработка материалов, 2011, 47(5), 1517. Akhmedov, F.I., Asadova, A.Z., Guseinova, M.E. et al. A study of the electric conductivity of dielectric polypropylene (PP)-semiconductor a-(Fe2O3) macrosystems. Surf. Engin. Appl.Electrochem. 47, - P. 388-389 (2011). https://doi.org/10.3103/S1068375511050024

208. Mikhailov, M. Changes in the Electrical Conductivity of Polypropylene Modified with Nanoparticles of Oxide Compounds / M. M. Mikhailov, V. A. Goronchko // Journal of Surface Investigation X-ray Synchrotron and Neutron Techniques June 202216(3):343-346 DOI:10.1134/S1027451022030284 Изменения электропроводности полипропилена, модифицированного наночастицами оксидных соединений 2022

209. Губкин, А.Н. Электреты / А.Н. Губкин. - М.: Наука, 1978. -192 с.

210. Электреты / Пер. с англ. под ред. Г. Сесслера. М.: Мир, 1983. 487 с.

211. Pinchuk, L.S Chapter 7 - Simulation of Biopotentials in Joints / L.S. Pinchuk, V.I. Nikolaev, E.A. Tsvetkova, V.A. Goldade // Tribology and Interface Engineering Series, Elsevier, Volume 50, 2006, Pages 269-310, ISSN 1572-3364, ISBN 9780444521620, https://doi.org/10.1016/S0167-8922(06)80064-7

212. Глазырин, А.Б. Электропроводящие полимерные материалы для 3D-печати / А. Б. Глазырин, М. И. Абдуллин, А. А. Басыров, Н. В. Колтаев, Ю. А. Кокшарова // Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №1. С. 81-85.

213. ГОСТ 26996-86 Полипропилен и сополимеры пропилена. Технические характеристики. Издательство «Стандарты ИПК», Москва, Россия: Доступно на

сайте: https://teploset43.ru/wp-content/uploads/2017/12/rOCT_26996-86.pdf По

состоянию на 30 апреля 2023 г.

214. ГОСТ Р57043-2016 Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Характеристики вторичных полипропиленов Издательство «Стандарты ИПК», Москва, Россия: Доступно в Интернете по адресу: https://files.stroymfru/Data2/1/4293752/4293752105.pdf По состоянию на 30 апреля 2023 г.

215. Henri, A IUPAC Blue book / Henri A Favre and Warren H Powell // by RSC Publishing, 2014. ISBN 978-0-85404-182-4: Available online at: https://doi.org/10.1039/9781849733069 Accessed 30 April 2023

216. Moss, G.P. Nomenclature of Organic Chemistry. IUPAC Recommendations / G. P. Moss // Available online at: https://iupac.qmul.ac.uk/BlueBook/PDF/ Accessed 30 April 2023

217. Cunico, M.W. Development and Characterisation of 3D Printing Finishing Process Applying Recycled Plastic Waste / M. W. M. Cunico, D. A. Kai, P. M. Cavalheiro, J. de Carvalho // Virtual and Physical Prototyping. - 2019. - Vol. 14, No. 1. - P. 37 - 52. doi: 10.1080/17452759.2018.1521248

218. Adetunji, C.O., Environmental Impact of Polyurethane / C.O. Adetunji, O. Olugbemi // Chemistry. In book: Polyurethane Chemistry: Renewable Polyols and Isocyanates. 2021. - P. 393-411. DOI: 10.1021/bk-2021-1380.ch014

219. Cunico, M.W, Kai, D.A., Cavalheiro P..M, de Carvalho, J.: Development and characterisation of 3D printing finishing process applying recycled plastic waste / M.W. Cunico, D.A. Kai, P.M. Cavalheiro, J. de Carvalho // Virtual Phys Prototyp. 14(1), 37-52 (2019) https://doi.org/10.1080/17452759.2018.1521248

220. Kreiger, M.A.Life cycle analysis of distributed recycling of post-consumer high density polyethylene for 3-D printing filament. / M.A. Kreiger, M.L. Mulder, , A.G. Glover, J.M. Pearce, // J. Cleaner - 2019. Prod. 70, - P. 90-96 https://doi.org/10.2139/ssrn.3331165

221. Hopewell, J. Plastics recycling: challenges and opportunities / J. Hopewell, R. Drovak, E. Kosior, // Philos. Trans. R. Soc. - 2009. B, 364(1526), - P. 2115-2126 https://doi.org/10.1098/rstb.2008.0311

222. Kapranova, A. Distribution of the components of the building mixture in the presence of secondary raw materials during rotary mixing / A. Kapranova, D. Bahaeva, D. Stenko, A. Vatagin, A. Lebedev, D. Lichak // E3s Web of Conference. - 2020. - V. 220, 01060. Published online 16 December 2020. DOI: https:/doi.org/10.1051/e3sconf/202022001060.

223. Стенько, Д.В. Анализ смешения твердого дисперсного полимерного сырья для кибер-физической поддержки рециклинга / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова, Д. Д. Бахаева, Д. В. Федорова, А. Е. Лебедев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2022. - Т. 28. - № 4. - С. 615626. https://doi.org/10.17277/vestnik.2022.04.pp.615-000

224. Kapranova, A.B. Analysis of the efficiency of the rotary method for producing a mixture of granular raw materials in the preparation of a cyber-physical platform / A.B. Kapranova, D.V. Stenko, D.D. Bahaeva, A.A. Vatagin, A.E. Lebedev // In: Kravets A.G., Bolshakov A.A., Shcherbakov M. (eds) Cyber-Physical Systems: Modelling and Industrial Application, Studies in Systems, Decision and Control. Springer Nature Switzerland AG 2022. 2022. ISSN 2198-4182. V. 418. - P. 299-310. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-95120-7_25

225. Пат. 2749510 Российская Федерация, МПК В0№ 3/18, В0№ 5/04, В0№ 7/00, В0№ 9/10. Смеситель сыпучих материалов / А. Е. Лебедев, А. Б. Капранова, Д. В. Стенько; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет». - № 2020123334; заявл. 07.07.2020; опубл. 11.06.2021, Бюл. № 17. - 8 с.

226. Кузьмин, И.О. Моделирование процесса струйного смешивания сыпучих материалов с последующим уплотнением в новом аппарате с подвижной лентой: автореф. дисс. ...канд. техн. наук: 05.17.08 / Кузьмин Илья Олегович. -Ярославль, 2009. - 17 с.

227. Шеронина, И.С. Моделирование процессов струйного смешивания сыпучих материалов в новых аппаратах центробежного типа: автореф. дисс. .канд. техн. наук: 05.17.08 / Шеронина Ирина Станиславовна. - Ярославль, 2013. - 16 с.

228. Стенько, Д.В. Разработка имитационной модели основного узла ротационного смесителя зернистых сред / Д.В. Стенько, Д.В. Бахаева, Д.В. Федорова, А.Б. Капранова // 74-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (21 апреля 2021 г.): сб. материалов конф.: В 2 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2021. - 950 с. - 1 CDROM. - Текст: электронный. - С. 122-124

229. Стенько, Д.В. Параметрическое BD-моделирование ротационного аппарата для смешения гранул термопластичных пластмасс / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова // Химические волокна. - 2021, 6, с. 15-17 (нарусс. яз). Перевод на анг. яз. Stenko, D., Kapranova, A., Bakhaeva, D., Fedorova, D. Parametric 3-D Modeling of a Rotary Mixer for Mixing Granules of Thermosoftening Plastic Materials. Fibre Chem (2022). 53, 379-381 (2022). https://doi.org/10.1007/s10692-022-10306-5

230. Стенько, Д.В. Применение параметра BD-моделирования при проектировании ротационного смесителя сыпучих материалов / Д.В. Стенько, А. Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова // Междунар. науч.-техн. симпозиум «Повышение энергоресурсоэффективности и экологической безопасности процессов и аппаратов химических и смежных отраслей промышленности», посвященный 110-летию А.Н. Плановского (ИСТС «EESTE-2021», 20-21 октября 2021 г.): сб. науч. между трудовар. науч.-техн. симпозиума. Москва, 2021. - Т. 2. -М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А. Н. Косыгина», - 2021. - С. 88-91.

231. Федорова, Д.В. Параметрическое моделирование при проектировании смесителя центробежного типа для сыпучего вторичного сырья / Д.В. Федорова, Д. В. Стенько, Д. Д. Бахаева, А.Б. Капранова //Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2022. Т. 28. № 2. - С. 279-286. DOI: 10.17277/vestnik.2022.02.pp.279-286

232. Domínguez, A.G. Polymers-12-00457 / A.G. Domínguez, G.C. Gil, M.A. Sebastián // Polymers. - 2020. V. 12 - P. 2119. DOI: 10.3390/polym12091993

233. Бахаева, Д.В. Применение технологии цифровых двойников для проектирования смесителя сыпучих материалов / Д.В. Бахаева, Д.В. Стенько, И.И. Верлока, Д.В. Федорова, А.Б. Капранова // 74-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ

студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (21 апреля 2021 г.): сб. материалов конф.: В 2 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2021. - 950 с. - 1 CDROM. - Текст: электронный. - С. 111114

234. Стенько, Д.В. О способах смешения полимерных материалов для производства пластиковых изделий / Д.В. Стенько, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, А.Б. Капранова // 76-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (19-20 апреля 2023 г.): сб. материалов конф. : В 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2023. -796 с. - 1 CD-ROM. - Текст: электронный. - С. 92-94.

235. Стенько, Д.В. Проектирование смесительного оборудования для производства полимерной нити, применяемой при 3d-печати / Д.В. Стенько, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, А.Б. Капранова // 76-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (19-20 апреля 2023 г.): сб. материалов конф. : В 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2023. - 796 с. - 1 CD-ROM. - Текст: электронный. - С. 95-97.

236. Пат. 2727292 Российская Федерация, MnKB01F 3/18 (2006.01). Агрегат для смешения сыпучих материалов / Лебедев А.Е., Капранова А.Б. Ватагин А.А., Долгин Д.С., Гуданов И.С. Лебедев Д.В. Бахаева Д.Д., Стенько Д.В. - Опубл.

21.07.2020, Бюл. № 121.

237. Пат. 2759919 Российская Федерация, МПК B01F 3/18, B01F 11/00. Аппарат для перемешивания сыпучих материалов / Сидоров В.Н., Капранова А.Б., Бахаева, Д.Д., Стенько Д.В., Крыцков А.В., Воронцов А.А. - Опубл. 18.11.2021 Бюл № 32.

238. Пат. 2759920 Российская Федерация, МПК B01F 3/18, B01F 7/04, B01F 11/00. Устройство для перемешивания сыпучих материалов / Сидоров В.Н., Капранова А.Б., Бахаева Д.Д., Стенько Д.В., Крыцков А.В., Воронцов А.А. - Опубл.

18.11.2021. Бюл № 32.

239. Бахаева, Д.В. Об отечественном опыте проектирования смесителей сыпучих компонентов со щеточными элементами / Д.Д. Бахаева, Д.М. Андреев, Д.В. Стенько, А.Б. Капранова // 73-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов,

магистрантов и аспирантов с международным участием (20 апреля 2020 г.): сб. материалов конф.: В 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2020. - 944 с. - 1 электрон. опт. диск (CDROM). - С. 94-96.

240. Верлока, И.И. Об управлении расходом сыпучего потока в смесительных аппаратах непрерывного действия / И.И. Верлока, Д.В. Стенько, А.Б. Капранова // 74-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (21 апреля 2021 г.): сб. материалов конф.: В 2 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2021. - 950 с. - 1 CDROM. - Текст: электронный. - С. 117-119.

241. Капранова, А.Б. Моделирование процесса ротационного смешивания сыпучих компонентов на платформе кибер-физических систем / А.Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Д.В. Стенько, И.И. Верлока // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-33: сб. трудов 33-й Междунар. науч. конф. в 12 т. (г. Казань) / под общ. ред. А. А. Большакова. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2020. - Т. 4. - С. 20-26.

242. Капранова, А.Б. Исследование энергетических характеристик процесса смешивания сыпучих компонентов в ротационном аппарате / А.Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Д.В. Стенько, И.И. Верлока // Вестник ИГЭУ. - 2020. - №. 3. - С. 70-78.

243. Kapranova, A.B. A Model of Rotational Mixing of Loose Environment on the Platform of Cyber-Physical Systems / A.B. Kapranova, D.D. Bahaeva, D.V. Stenko, I.I. Verloka // опубликована, статья, In: Kravets A.G., Bolshakov A.A., Shcherbakov M. (eds) Cyber-Physical Systems: Design and Application for Industry 4.0. Studies in Systems, Decision and Control. Springer, Cham, 2021. - V. 342. - P. 167-178. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-66081-9_13, First Online 26 March 2021.

244. Стенько, Д.В. О способах описания плотности распределения частиц сыпучих компонентов при их смешивании / Д.В. Стенько, В.Д. Тележкин, Д.Д. Бахаева, А.Б. Капранова // 73-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (20 апреля 2020 г.): сб. материалов конф.: В 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2020. - 944 с. - 1 электрон. опт. диск (CDROM). - С.89-90

245. Стенько, Д.В. Анализ условий качественного смешения сыпучих материалов упругими элементами / опубликована, статья, Д.В. Стенько, Д.В. Бахаева, И.И. Верлока, А.Б. Капранова // // 74-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (21 апреля 2021 г.): сб. материалов конф.: В 2 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2021. - 950 с. - 1 CDROM. - Текст: электронный. - С. 125126.

246. Стенько, Д.В. Анализ получения дисперсной смеси с вторичным сырьем для киберфизической поддержки рециклинга / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, А.Е. Лебедев // Математические методы в технике и технологиях. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2021. - С. 26-32.

247. Капранова А.Б. Анализ эффективности смешения зернистого сырья при подготовке киберфизической платформы / А. Б. Капранова, Д.В. Стенько, А.А. Ватагин, А.Е. Лебедев // Математические методы в технике и технологиях. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2021. - Т. 1. - С. 111-116.

248. Kapranova A. Stochastic analysis of impact mixing of bulk materials in a rotary apparatus / A. Kapranova, D. Bahaeva, D. Stenko, D. Fedorova, A. Vatagin, A. Lebedev // E3s Web of Conference - 2021. - V. 247, 01048 Published online 05 April 2021. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202124701048

249. Стенько, Д.В. Основные этапы моделирования смешения полимерных компонентов / Д.В. Стенько, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, А.Б. Капранова // 75-я всеросс. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (21 апреля 2022 г.): сб. материалов конф.: В 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2022. - 795 с. - 1 CD-ROM. - Текст: электронный. - С. 178-181.

250. Капранова, А.Б. Стохастический метод формирования критерия качества дисперсной смеси для киберфизической платформы / А.Б. Капранова, Д.В. Стенько, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, A.E. Лебедев // Математические методы в технологиях и технике. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2022. - Т. 2. - С. 58-63. DOI 10.52348/2712-8873 MMTT 2022 2 58.

251. Kapranova, A. Distribution of the Mixed Bulk Components After Impact on the Baffle Plane Kapranova, A.B., Stenko, D.V., Lozovoy, N.M.// Digital Technologies in Construction Engineering. Lecture Notes in Civil Engineering, 2022, vol 173. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-81289-8_2

252. Стенько, Д.В. Стохастический анализ ротационного смешения полимерных компонентов в рамках рециклинга и развития технологий 3D-печати / Стенько Д.В. А.Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Федорова Д.В., А. Е. Лебедев. // Хим. и нефтегаз. машиностроение. 2022. Т. 57 (11). С. 16-21. (Stenko D.V., Kapranova A.B., Bahaeva D.D., Fedorova D.V., Lebedev A.E. Stochastic analysis of rotary mixing of polymer components in the framework of recycling and the development of 3D printing technologies // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. 57(11-12). P. 920-929. DOI: 10.1007/s 10556-022-01027-x)

253. Капранова, А.Б. Факторы эффективности ротационного смешения зернистого сырья для киберфизической платформы / А. Б. Капранова, Д. В. Стенько, Д. Д. Бахаева, А. А. Ватагин, А. Е. Лебедев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2023. Т. 29. № 1. С. 102-114. DOI: 10.17277/vestnik.2023.01.pp.102-114

254. Stenko, D.V. Analysis of Obtaining a Dispersed Mixture with Secondary Raw Materials for Cyber-Physical Support of Recycling / D.V. Stenko, A.B. Kapranova, D.D. Bahaeva, D.V. Fedorova, Lebedev, A.E. In: Kravets, A.G., Bolshakov, A.A., Shcherbakov, M.V. (eds) Cyber-Physical Systems Engineering and Control. Studies in Systems, Decision and Control, vol 477. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-33159-6_9

255. Капранова, А.Б. Анализ энергетических параметров в модели предварительного смешения дисперсных полимерных компонентов для 3 D печати / А.Б. Капранова, Д.В. Стенько, А.Е. Лебедев, И.С. Гуданов, Д.А. Личак // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2023, 59 (1), с. 40-44. (на русс. яз.) Analysis of energy parameters in the model of pre-mixing of dispersed polymeric components for 3D printing / A. B. Kapranova, D. V. Stenko, A. E. Lebedev, I. S. Gudanov, D. A. Lichak. Chemical and Petroleum Engineering, 2023, 59(1).

256. Капранова, А.Б. Анализ параметров модели смешения полимерных компонентов в пересекающихся потоках / А.Б. Капранова, Д.В. Стенько, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, П.М. Смирнов, М.Ю. Таршис // Математические методы в технологиях и технике. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2023. - Т. 6. - С. 39-46. DOI 10.52348/2712-8873_MMTT_2023_7_3 5.

257. Верлока, И.И. Экспериментальное исследование качества продукции в гравитационном аппарате для смешивания сыпучих материалов // И.И. Верлока, А.Б. Капранова, Д.В. Стенько, А.Е. Лебедев, А.А. Ватагин // Умные композиты в строительстве, Ярославль, 2021. - С. 46-61 https://doi.org/10.52957/27821919_2021_4_46

258. Верлока, И.И. Экспериментальное исследование производительности гравитационного аппарата для смешивания сыпучих материалов / И.И. Верлока, Д.Д. Бахаева, Д.В. Стенько, А. Б. Капранова // Национальная конференция «Машины, агрегаты и процессы в строительной индустрии», посвященная 50-летию кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова : сб. докладов национальной конференции, посвященной 50-тилетию кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, - 2020. - С. 27-32.

259. Стенько, Д.В. Экспериментальное исследование образования разреженных потоков зернистых полимерных компонентов / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2023. - Вып. 3. - С. 234-238. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-234-239.

260. Стенько Д.В. Экспериментальное исследование коэффициента восстановления при ударе полимерных частиц об отбойную поверхность / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова, А.В. Ермолов, Е.Р. Новиков, Н.Н. Маурин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 4. С. 584-589. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-584-589

261. Лукьянов П.И. Аппараты с движущимся зернистым слоем. Теория и расчет / П.И. Лукьянов. - М.: Химия, 1974. - 184 с.

262. Kapranova, A.B. To the calculation of the average value of the volume fraction of the key bulk component at the intermediate stage of mixing with an inclined bump / A.B. Kapranova, I.I. Verloka, D.D. Bahaeva, M.Yu. Tarshis, S. N. Cherpitsky //

Frontiers in Energy Research: Process and Energy Systems. August 2020, Vol. 8, article 135 pp. 1-11. doi: 10.3389/fenrg.2020.00135.

263. Капранова, А. Б. Стохастическая модель смешения сыпучих материалов методом ударного воздействия / А. Б. Капранова, О. И. Кузьмин, В.А. Васильев, А. И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2008. - Т. 51, вып. 4. - С. 72-74.

264. Капранова, А.Б. Исследование ударного смешивания твердых дисперсных сред при вторичных столкновениях частиц / А. Б. Капранова, М. Н. Бакин, А. Е. Лебедев, А. И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2013. - Т. 56, вып. 6. - С. 83-85.

265. Капранова, А.Б. Моделирование двумерных функций распределения вероятностей для описания ударного смешивания сыпучих сред / А. Б. Капранова, И. И. Верлока, А. Е. Лебедев // Фундаментальные исследования. - № 11 (часть 1 ), 2015. - С. 54-58; URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39283/

266. Пат. 2620387 Российская Федерация, МПК G01N1/28. Способ определения коэффициента неоднородности смеси трудноразделимых сыпучих материалов / А.И. Зайцев, А.Е. Лебедев, А.Б. Капранова, И.И. Верлока, Н.В. Бадаева, А.А. Ватагин, Д.В. Лебедев; опубл. 25.05.2017, Бюл. № 15.

267. ГОСТ 26996-86 Полипропилен и сополимеры пропилена. Технические характеристики. Издательство «Стандарты ИПК», Москва, Россия: URL:

https://teploset43.ru/wp-content/uploads/2017/12/ГОСТ_26996-86.pdf (дата

обращения 30.04.2023 г.).

268. Gahleitner, M. Polypropylene. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry / M. Gahleitner, C. Paulik // Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2014. pp. 144. https://doi.org/10.1002/14356007.o21_o04.pub2

269. Binsbergen, F.L. Morphology of polypropylene crystallized from the melt / F.L. Binsbergen, B.G.M. De Lange // Polymer - 1968, 9, - P. 23-40. https://doi.org/10.1016/0032-3861(68)90006-2

270. Капранова, А.Б. Оценка параметра восстановления ударно-взаимодействующих потоков твердых дисперсных сред с наклонным отбойником / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.Е. Лебедев, А.И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и

химическая технология. - Иваново, 2013. - Т. 56, вып. 8. - С. 111-113. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20160954

271. Капранова, А.Б. Исследование ударного смешивания твердых дисперсных сред при вторичных столкновениях частиц / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.Е. Лебедев, А.И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2013. - Т. 56, вып. 6. - С. 83-85.

272. Капранова, А.Б. О способе оценки угла отражения потока сыпуче-го компонента от отбойной поверхности / А.Б. Капранова, И.И. Верлока // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-29 : сб. тру-дов 29-й Междунар. науч. конф. в 12 т. - Т. 5. - Саратов: Саратов. гос. техн. ун-т; Санкт-Петербург: СПбГТИ(ТУ), СПбПУ, СПИИРАН; Самара: Самарск. гос. техн. ун-т, 2016. - С. 52-55. ISBN 978-5-7433-2386-9

273. Ватагин А.А. Разработка нового аппарата для смешения сыпучих материалов / А.А. Ватагин, А.Е. Лебедев, Д.В. Лебедев // Машины, агрегаты и процессы. Проектирование, создание и модернизация: Материалы международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2021. - №4. - С. 25-27.

215

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Полипропилен (1111) и сополимеры пропилена предназначены для изготовления пленки, волокна, труб, технических изделий и изделий народного потребления. 1111 и сополимеры пропилена выпускают стабилизированными, окрашенными или неокрашенными. Основные показатели качества по ГОСТ 26996-86 первичного 1111 указаны в таблице А.1.

Таблица А. 1 Шказатели качества 1Ш низкого давления

Наименование показателя Норма для марки Метод испытания

01020

Высший сорт 1-й сорт 2-й сорт

1. Шказатель текучести расплава, г/10 мин 21-25 21-25 21-25 Ш ГОСТ 11645-73 и п.5.4 ГОСТ 26996-86

2. Разброс значений показателя текучести расплава в пределах партии, %, не более ±10 ±15 ±20 Ш п.5.5 ГОСТ 26996-86

3. Насыпная плотность, кг/м Не нормируется Ш ГОСТ 11035.1-93, ГОСТ 11035.293

4. Количество включений, шт., не более 1 5 20 Ш ГОСТ 27748-88 (разд.2) и п.5.7 ГОСТ 26996-86

5. Массовая доля золы, %, не более 0,035 0,035 0,035 Ш ГОСТ 15973-82 и п.5.8 ГОСТ 26996-86

6. Массовая доля летучих, %, не более 0,09 0,09 0,09 По п.5.9 ГОСТ 26996-86

7. Массовая доля атактической фракции, %, не более 1,0 1,0 1,0 По п.5.10 ГОСТ 26996-86

8. Массовая доля изотактической фракции, %, не менее 96 96 96 По п.5.11 ГОСТ 26996-86

9. Отклонение массовой доли стабилизаторов, %, не более, от указанной в рецептурах 10, 11 и 16 ±20 ±20 ±20 По п.5.13 ГОСТ 26996-86

Характеристики вторичных ПП, предназначенных для использования в производстве полуфабрикатов и/или готовой продукции, а также соответствующие методы испытаний для определения стабильности этих характеристик указаны в таблице А.2 в соответствии с ГОСТ Р 57043-2016.

Таблица А.2 Показатели качества вторичного ПП

Характеристика Единица измерения Метод испытания Примечание

Обязательные

Цвет - Внешний осмотр -

Плотность кг/м3 ЕН ИСО 1183-1:2012 (метод А)

Ударная вязкость кДЖ/м2 ЕН ИСО 179-1:2010 -

Скорость течения расплава г/10 мин ЕН ИСО 1133:2011 (условие М)

Форма - Внешний осмотра -

Дополнительные

Содержание золы % ЕН ИСО 34551-1:2008 -

Объемная кг/м3 см. Библиографию -

плотность

Лосторонние % Термический/инфракрасный -

полимеры анализ

Свойства упругости МШ ЕН ИСО 178:2010 -

при изгибе

Уровень фильтрации Фракция (меш) Следует предоставить информацию о размере отверстий сетки

Доля вторичного % ЕН 15343:2007

полипропилена

1редел текучести Мпа ЕН ИСО 527-1:2012

при растяжении

Напряжение % ЕН ИСО 527-2:2012

разрыва при

растяжении

Содержание % ЕН ИСО 12099:1997ь

летучих веществ

а Например, гранулы, микрогранулы, смет, мука

ь Хотя сфера применения стандарта [9] ограничена, оп считается применимым

1римечание - Другие испытания могут проводиться по согласованию между

покупателем и продавцом с последующим сообщением результатов.

218

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

В качестве демонстрации параметрического 3Э-моделирования имитационной модели смесителя с ротационными узлами предлагается пример расчета основных конструктивных параметров (Я, Ь, I, где Я и Ь - радиус и

длина вращающегося цилиндрического вала для крепления упругих лопаток; / и ц - длина и число упругих лопаток с закреплением в касательной плоскости к поверхности вала; к0 - высота зазора между валом и внешним цилиндрическим корпусом; для второго этапа ^ - угол раствора для отбойных поверхностей (рис.

Б1)

Рисунок Б.1 Схема смесителя полимерных материалов

В качестве исходных данных приняты значения радиуса и длины барабана лабораторной установки смесителя полимерных компонентов. Методика проектирования смесителей с ротационными узлами предполагает получение параметрических уравнений (таб. Б.1.), которые позволяют в автоматическом режиме перестраивать конфигурацию проектируемой установки. На основе сформированной системы уравнений произведен предварительный расчет для основных элементов смесителя с двумя ротационными узлами.

Таблица Б.1 Значения глобальных переменных и параметрические уравнения для моделирования имитационной модели смесителя первичных и вторичных

полимерных гранул

Глобальные переменные, размерность Обозначение / Уравнение Численно е значение

Длина инжекционно-литьевой машины «Ьт», м «ЬИ» 5.430

Ширина инжекционно-литьевой машины «Вт», м «Ви» 1.460

Длина загрузочного люка «1»> , м «12» 0.250

Ширина загрузочного люка «Ь» , м «bz» 0.250

Угол раствора для отбойных поверхностей, град 50

Наружный диаметр корпуса смесителя «Юн», м «Dн» = «Ь»* 5 < «Вт» 0.500

Внутренний диаметр корпуса смесителя <Ювн», м «DBн» = «Dн» + 6 0.506

Высота смесителя «Н», м «Н» = «dн» * 3 0.543

Радиус вала рассеивателя «И», 10-1 м «И» 0.25

Длина вала рассеивателя «Ь», м «Ь» 0.110

Длина лопатки «1ь», 10-1 м «1ь» = 'Ъ" - 10 0.55

Ширина лопатки «Ь», 10-1 м «Ь» = "И" * 1.2' 0.45

Толщина лопатки «к», 10-2 м «к» ^ 0.1*«Ь» <2, 2, 0.1* «Ь» 0.2

Минимальное значение зазора между лопатками «тт», 10-2 м 4 0.400

Минимальное значение угла «а»= arcsin ( sqr ( 2 * * 30

между лопатками «а», град "к" ) / ( 2 * "R" ) ) * 2 + arcsin ( "t minм / ( 2 * ) ) * 2

Число лопаток в ряде <^», шт. = М (360 / «а») 6

Расстояние от поверхности «с» = «^в»/ 2 - «Ь0» 0.560

лотка до внутренней стенки

корпуса «с», 10-1 м

Внутренний диаметр «dв» = 2 * + 2 * «Ь» 0.176

корпуса рассеивателя <^в», м

Наружный диаметр «dн» = «dв»+6 0.182

корпуса рассеивателя <^н», м

Расстояние от вала до «Ъ0» = «Ь»/1.5 0.320

поверхности лотка «Ь0», 10-1 м

Ширина корпуса «В», м «В» = «^»+5 0.105

Высота бункера «Е», м «Е» =«В» 0.105

Диаметр бункера «Dб» =«DBн»/2 0.880

рассеивателя «Юб», 10-1 м

Высота выреза для «Ь» = 2*«R»+ «Ь» 0.128

вылета частиц «Ь», м

Диаметр воронки для выгрузки «Ю», м «D» = М ( sqr ( («Юб» А 2 ) / 2 ) * 2 + 1 ) «Ьь 0.125

Для непрерывной работы линии производства пластиковых изделий предполагается установка смесительного устройства над люком инжекционно-литьевой машины (рис. Б.2) с международным типоразмером 1500-475. Максимальные значения габаритных размеров корпуса указанной машины и люка для загрузки, как устройства выгрузки смесительного аппарата (Вт =1.46 м, Lт =5.43 м, Ь = 12=0.30 м), где Вт и Ьт - ширина и длина инжекционно-литьевой машины; Ь2 и 12 - ширина и длина загрузочного люка.

ВидА

Рисунок Б.2 Имитационная модель нового аппарата для смешения ТДПК

222

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИМЕР ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ГОТОВОЙ СМЕСИ В ПРОГРАММНОМ

ПРОДУКТЕ «MIXAN»

Программный продукт «М1ХЛК 2.4.4; Настройки:

- Тип анализа: Смесь

- Степень аппроксимирующего полинома: 9

- Метод определения порогового оттенка: через центры тяжести

- Точность определения порогового оттенка: 0.00025

- Идеальная концентрация: 0.5

Для оценки качества смеси в программный продукт загружаются изображения транспортирующего и ключевого компонента (рис. В.1)

а) Первичный полипропилен б) Вторичный полипропилен

Рисунок В.1 Фотографии смешиваемых компонентов; а - транспортирующий

компонент, б - ключевой компонент.

Визуализация рассчитанного порогового оттенка по фотографиям компонентов в виде гистограммы (с полиномами) и пороговый оттенок представлены на рисунке В.2.

Рисунок В.2 Визуализация рассчитанного порового оттенка

На следующем этапе в программный продукт загружаются фотографии смеси для каждой из которых рассчитывается концентрация первого компонента. Результаты представлены на рисунке В.3.

Рисунок В.3 Изображения полученной смеси

Результаты оценки коэффициента неоднородности Ус = 4.94172.

225

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Справка об использовании результатов работы

Общество с ограничен](ОЙ ответственностью «J ]рссс-форм трсйд»

Пресс-форм

mpeüö

высокое качество иэготоблеиия пресс-форм СПРАВКА

Об опьггно-промы шлснlj и.ч испыта1 [иях смесителя ГраВНТаЩЮНИОГО типа в рамках диссертационном работы СтенькоД.В.

Спроектированный в соответствии с патентом РФ №2749510 (авторы Лебедев А.Е., Капранова А.Б., Степько Д.В.) смеситель сыпучих материалов, предназначенный для смешивания твердых сыпучих компонентов б химической промышленности, прошел опытные испытания на ООО «Прессформ-трейд», г. Ярославль. В рамках испытании было проведено смешивание гранул первичного и вторичного полипропилена с различным соотношением компонентов. Полученный в результате испытаний коэффициент неоднородности составил: 4.6-5.Si b.

Предложена н обоснована возможность приготовления смеси полимерных компонентов в разреженных потоках с двумя распылителями с полнуреталовымн лопатками. Эффективность применения достигается за счет непрерывности процесса, отсутствие сегрегации, простоты изготовления и обслуживания агрегата, который устанавливается над загрузочной воронкой автоматизированной инжекционно-литьевои

МИШИНЫ.

В результате проведенных испытании опытного образца агрегата, было установлено, что его внедрение позволит:

- увеличить скорость смешивания полимерных компонентов на 30-50%

- снизить коэффициент неоднородности на 8-10%

По предварительным оценкам внедрение нового агрегата позволит улучшить качество получаемой продукции, при снижении себестоимости за счет использования вторично переработанных материалов.

Смеситель, разработанный Степько Д.В. предполагается внедрить на ООО «Прессформ-трейд» в г. Ярославль па участке подготовки полимерных компонентов в 2024-2025 г.

Директор _

И.В.Сугугнн

ПРИЛОЖЕНИЕ Д