Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 9
1.1. Обзор основных типов прессов бумаго-, картоноделательных и сушильных машин 9
1.2. Современные представления о процессе прессования бумажного полотна 15
1.3. Покрытия прессовых валов современных бумагоделательных машин и их влияние на процесс прессования бумаги 21
1.4. Применение прессовых сукон в современных бумагоделательных машинах и их влияние на процесс прессования бумаги 39
1.5. Численные методы решения задач нелинейного контактного взаимодействия элементов зон прессования бумагоделательных машин 46
1.6. Анализ математических моделей и подходов к расчету напряжённо-деформированного состояния элементов прессового захвата 51
1.7. Выводы и постановка задачи исследования 65
2. Теоретические исследования контактного взаимодействия элементов прессового захвата 67
2.1. Применение линейной теории упругости к моделированию деформирования элементов зон прессования на БиКДМ 67
2.2. Постановка задачи нелинейного контактного взаимодействия элементов зон прессования бумагоделательных машин 79
2.3. Конечно-элементная дискретизация расчётной схемы зоны прессования 85
2.4. Вычислительное моделирование контактного взаимодействия в экспериментальной установке 86
3. Экспериментальная часть исследований 90
3.1. Исследование упругих характеристик прессовых иглопробивных сукон .90
3.2. Исследование упругих характеристик покрытий прессовых валов 96
3.3. Экспериментальное исследование контакта прессовых валов и сукон состальной плитой 102
4. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по де формированию элементов зон прессования бикдм и при менение полученных результатов к оптимизации параметров прессовых частей этих машин .108
4.1. Результаты моделирования контактного взаимодействия валов и сукон в экспериментальной установке 108
4.2. Сопоставление результатов эксперимента и моделирования контактного взаимодействия в экспериментальной установке 110
4.3. Влияние диаметра прессовых валов на параметры контактного взаимодействия элементов зон прессования .113
4.4. Влияние твёрдости покрытия на параметры контактного взаимодействия элементов зон прессования 116
4.5. Влияние толщины покрытий на параметры контактного взаимодействия элементов зон прессования 120
4.6. Влияние сукна на параметры контактного взаимодействия элементов зон прессования 123
4.7. Влияние скорости работы бумагоделательной машины на параметры контактного взаимодействия элементов зон прессования .127
4.8. Применение полученных результатов для выбора параметров покрытий валов и сукон в прессовых частях БиКДМ 136
Выводы 140
Литература 142
- Покрытия прессовых валов современных бумагоделательных машин и их влияние на процесс прессования бумаги
- Постановка задачи нелинейного контактного взаимодействия элементов зон прессования бумагоделательных машин
- Исследование упругих характеристик покрытий прессовых валов
- Сопоставление результатов эксперимента и моделирования контактного взаимодействия в экспериментальной установке
Введение к работе
Актуальность темы. Производство бумаги и картона является одной из самых энерго- и ресурсоемких отраслей современной промышленности. Это связано со сложностью и энергоёмкостью его технологических процессов, высокой степенью необходимого измельчения сырья и большой техногенной нагрузкой, оказываемой целлюлозно-бумажной промышленностью (ЦБП), на окружающую среду. Таким образом, одними из первоочередных задач при развитии данной отрасли являются изучение причин высоких показателей энерго- и ресурсоёмкости ЦБП и оптимизация её недостаточно экономичных технологических процессов. Использование технологических машин и оборудования, оптимизированных по энерго- и ресурсопотреблению, показателям качества продукции и быстродействию, может дать значительный экономический эффект, позволит уменьшить ущерб окружающей среде и снизить себестоимость готовой продукции. В частности, вышесказанное в полной мере относится и к бумаго- и картоноделательным машинам (БиКДМ), в том числе, к прессовым частям этих машин, к их конструкции и технологическим процессам прессования.
Объёмы научно-исследовательских работ по прессовым частям БиКДМ, выполняемые по заказу производителей бумаги и картона, сейчас составляют лишь сотые доли того, что производилось в ЦБП Советского Союза. В результате практически отсутствуют исследования по моделированию работы прессовых установок и определению влияния конструктивных и технологических факторов на основные параметры их работы, в частности на контактное взаимодействие основных элементов зон прессования. На сегодня нет достоверных методик расчёта и проектирования прессовых установок, например ориентированных на достижение максимальной сухости и максимальных прочностных характеристик бумажного полотна. Это, в свою очередь, приводит к применению только эмпирических методов проектирования оборудования прессовых частей, выбора покрытий валов и сукон и др. Поэтому наблюдается увеличение сроков и стоимости такого проектирования, например при модернизации БиКДМ; эмпирические методы чувствительны также к опыту проектировщика и его интуиции. В результате действия вышеприведенных факторов эффективность работы многих прессовых частей БиКДМ недостаточна, что приводит к значительным временным и финансовым затратам.
Наиболее эффективный путь изменения данной ситуации состоит во всемерной модернизации целлюлозно-бумажной промышленности России.
Одним из направлений осуществления реальной модернизации может стать определение “узких” мест в машинах для производства бумаги и картона, влияющих на качество и себестоимость продукции, и принятие комплекса мер для увеличения эффективности существующего оборудования. Примером оборудования, нередко работающего недостаточно эффективно, также являются прессовые части бумаго- и картоноделательных машин. В частности, максимальная сухость бумажного полотна после механического прессования в принципе может достигать 50 %, однако реально достигаемая сухость бумаги массой 100 г/м2 в ЦБП России составляет не более 40 – 43 %.
Известно, что от эффективности работы прессовой части зависят затраты, в частности, на сушку бумажного полотна и повышение производительности машины. Эффективность обезвоживания на прессах определяется в основном конструкцией прессовой части и прессовых сукон, а также свойствами прессуемого материала. Известно, что увеличение сухости в прессовой части на 1% позволяет уменьшить расход греющего пара сушильной части на 5% или, соответственно, уменьшить количество сушильных цилиндров в ней на 5%.
В валковых прессах бумажное полотно обезвоживается благодаря механическому воздействию на него в захвате между двух прессовых валов. Эффективность прессования полотна, в частности, обезвоживающая способность прессов во многом также определяется параметрами контактного взаимодействия этих валов. В частности, основными параметрами, определяющими эффективность прессования, являются ширина зоны контакта валов, среднее давление прессования и профиль распределения давления. Для их расчетного определения необходимо решать задачу контактного деформирования прессовых валов и других тел, являющихся элементами зон прессования БиКДМ.
Изучение зависимостей между параметрами контактного взаимодействия валов и конструктивными характеристиками их покрытий, количеством и типом прессовых сукон, скоростью БиКДМ позволит управлять шириной площадки контакта и средним давлением между валами. Это обеспечит модернизированным прессовым частям высокие показатели качества (в частности, прочностные показатели бумаги и картона) и высокую сухость на выходе. Поэтому разработка математической модели взаимодействия прессовых валов и инженерной методики расчёта основных параметров контактного взаимодействия этих валов является актуальной для настоящего времени задачей.
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на многочисленные проведённые в мире работы, посвящённые вопросам прессования, в настоящее время отсутствуют как достаточно ясное представление о влиянии конструктивных параметров прессовой части на основные показатели контактного взаимодействия прессовых валов, так и методики расчёта параметров контактного взаимодействия элементов зон прессования БиКДМ. Это можно объяснить сложностью механического поведения используемых в конструкции материалов, различными условиями работы прессовых частей и разнообразием прессуемых волокнистых полуфабрикатов.
Цель и задачи исследования. Разработка вычислительной модели нагрузочного и деформационного взаимодействия прессовых валов и инженерной методики расчёта основных параметров контактного взаимодействия этих валов. Численное моделирование взаимодействия прессовых валов с учётом влияния сукон и разработка инженерной методики расчёта основных параметров их контактного взаимодействия для использования при расчёте прессов БиКДМ. Исследование влияния основных факторов на параметры контактного взаимодействия прессовых валов. Разработка методики подбора оптимальных параметров прессовых покрытий и прессовых сукон для повышения эффективности прессования бумаги и картона.
Научная новизна. В диссертационной работе научно обоснована и разработана теоретическая модель контактного взаимодействия элементов зон прессования БиКДМ, а также избрана методика её вычислительной реализации.
Разработано численно-аналитическое решение задачи контакта элементов прессовой части БиКДМ в рамках линейной теории упругости.
Проведены экспериментальные исследования по определению деформационных свойств прессовых сукон. На основании проведённых экспериментальных исследований разработана методика определения деформационных свойств прессовых сукон при сжатии.
Для апробации теоретической модели проведены экспериментальные исследования контактного взаимодействия обрезиненных валов, сукон и горизонтальной плиты.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты данной работы позволят оценивать влияние различных конструктивных параметров прессовой части и выбора прессовых покрытий и одежды машин на параметры контактного взаимодействия элементов прессовой части. Они могут быть использованы для оптимизации режимов работы существующих прессовых частей, а также для оценки эффективности работы модернизируемых и вновь создаваемых прессов, в частности их обезвоживающей способности. Методика моделирования напряжённо-деформированного состояния покрытий валов может быть использована также для моделирования контактного взаимодействия в клеильных и мело-вальных установках, “мягких” каландрах.
Методология и методы исследования. Методологической основой работы является комплексный подход, базирующийся на эмпирико-теоретическом методе исследования. Для изучения физико-механических свойств прессовых сукон и прессовых покрытий, а также для изучения контактного взаимодействия обре-зиненных валов, прессовых сукон и стальной горизонтальной плиты в прессе использовался экспериментальный подход. Для анализа влияния различных факторов на параметры контактного взаимодействия в зонах прессования БиКДМ использовалось моделирование с применением метода конечных элементов (МКЭ).
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов исследований обеспечена многократным проведением экспериментов с использованием современного оборудования и поверенных средств измерений, применением методов статистической обработки результатов измерений и их анализа.
Апробация результатов работы. Основные научные положения работы докладывались и получили положительную оценку на международных конференциях : «Молодые учёные – промышленности Северо-Западного региона», г. СПб; «Машины, агрегаты и приборы: Бытовое обслуживание и коммунальное хозяйство», г. СПб; «Молодые ученые Университета - ЛПК России», г. СПб.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, включая 2 статьи в журналах, входящих в перечень, утверждённый ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, выводов, библиографического списка из 129 наименований и приложе-5
ния. Общий объём диссертации составляет 154 страницы, включая 83 рисунка, 7 таблиц и 1 приложение.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретическая модель контактного взаимодействия элементов прессовой части.
-
Методы практической реализации предложенной теоретической модели.
-
Методика определения деформационных свойств прессовых сукон при сжатии.
-
Результаты численного моделирования процесса контактного взаимодействия тел в прессовой части.
Покрытия прессовых валов современных бумагоделательных машин и их влияние на процесс прессования бумаги
Назначение ватки – создание однородной, гладкой поверхности сукна, обеспечивающей равномерную передачу давления на бумажное полотно, незначительные маркировку бумаги и ее увлажнение сукном на выходе из захвата. У большинства сукон слой ватки располагается не только на стороне сукна, граничащей с бумажным полотном, но и на стороне, соприкасающейся с валом. Ватка сукна изготовляется из более тонких, чем основа, волокон. Она необходима для равномерной передачи давления на бумажное полотно, устранения маркировки от узлов переплетения волокон основы, а также желобков или отверстий на поверхности прессового вала. Кроме того малые размеры пор в ватке способствуют снижению повторного увлажнения бумаги на выходной стороне зоны прессования. Уменьшения маркировки и повышения качества поверхности полотна, а также уменьшения обратного впитывания достигают путем применения сукон с многослойной ваткой. В такой ватке верхние слои выполняются из волокон меньшего диаметра, чем нижние. Для количественной оценки способности сукна равномерно передавать давление на бумагу можно использовать такой показатель, как индекс поддержки сукна, который определяется числом контактов сукна с гладкой поверхностью, приходящейся на 1 см2 площади сукна при давлении 8 МПа. Среднее значение индекса получают по результатам измерений в машинном и поперечном направлениях.
При выборе сукна следует считаться и с его жесткостью. Применение более жестких сукон уменьшает ширину зоны прессования и увеличивает максимальное и среднее давления в зоне. Более мягкие сукна при прочих равных условиях позволяют увеличить продолжительность прессования, но при этом уменьшают величину давления в зоне прессования. Для количественной оценки жесткости сукна можно использовать индекс твердости. Индекс твердости пропорционален максимальному давлению в зоне, которое возникает при сжатии сукна в плоском плитном прессе при условиях, идентичных прессованию между гладкими валами диаметрами 1000 мм и линейном давлении 75 кН/м. Чем твёрже сукно, тем больше максимальное давление и, следовательно, выше сухость полотна в середине зазора. На твердость сукна оказывают влияние два основных фактора: масса сукна и его сжимаемость.
Увеличение массы 1м2 сукон и их жесткости осложнило процесс их замены на машине. Решением этой проблемы стало появление сукон со швом. К сукнам такого типа относятся, например, сукна семейства SeamTech компании Albany Int. Сукна этого типа имеют развес 1000 – 2500 г/м2, толщину от 2,8 до 6,0 мм. Сукна могут работать практически на любых позициях прессовой части машин, вырабатывающих разнообразные виды бумаги и картона. Концы этих сукон снабжены короткими и жесткими петлями. Соединение концов сукна осуществляется при помощи соединительного тросика, продеваемого через два ряда этих петель [1].
В последние годы широкое применение получили ламинатные сукна [31], в которых основа состоит из двух независимых слоев. Верхний слой сукна, располагающийся со стороны бумажного полотна, делается из волокон меньшего диаметра и более тонкого переплетения, что уменьшает маркировку бумажного полотна. Нижний слой представляет собой двух- или трехслойную сетку, более грубую и жесткую, чем верхний слой основы. Сетки сотканы отдельно друг от друга и соединяются при иглопробивании. Более равномерное распределение прессовой нагрузки при использовании ламинатных сукон можно получить, комбинируя гладкий верхний каркас с грубым нижним каркасом. Доля каркаса у ламинатных сукон составляет 50-75%, что препятствует быстрому уплотнению таких сукон. Система, состоящая из двух независимых тканых каркасов, лучше сопротивляется сжатию, чем комбинированная тканая система в сукнах с многослойным каркасом. Из-за применения двух независимых основ ламинатные сукна дольше остаются чистыми и легче кондиционируются. Низкая склонность к уплотнению, а также возможность выбора различных типов нитей для двух независимых друг от друга каркасных тканей обусловливают высокую способность ламинатных сукон гасить вибрации. Ламинатное сукно, в отличие от сукон с многослойным карка 44 сом, хорошо сохраняет толщину в прессовом захвате, что позволяет этим сукнам работать при минимальной теневой маркировке бумажного полотна.
В прессах с удлиненной зоной прессования применяются трехслойные ла-минатные сукна, способные поглощать и переносить через зону прессования большие количества воды.
Определяющие соотношения для упругих прессовых сукон. Упругое деформирование прессовых сукон в зазоре прессовых валов является преобладающим, поскольку одним из требований, предъявляемых к сукнам, является стабильность их свойств. Пластические деформации прессовых сукон возникают в результате усталостного изнашивания нитей сукна. После потери сукном упругих свойств оно не может выполнять своих функций и его заменяют. Данных о влиянии вязко-упругих свойств сукон на параметры контактного взаимодействия элементов прессовых частей в литературе не приводится. По этим причинам полагаем, что сукно является сильно деформируемым нелинейно-упругим материалом. Для упрощения примем, что деформации сукна в машинном направлении и по ширине машины не оказывают значительного влияния на напряженно-деформированное состояние (НДС) сукна в зазоре прессовых валов. Примем также, что сукно представляет собой ненасыщенную систему на выходе из прессового захвата, поэтому влиянием порового давления можно пренебречь. Суммируя всё сказанное, наиболее подходящей идеализацией материала сукна можно считать материал (закон) Огдена-Хилла [32] первого порядка, который часто называют материалом (законом упругости) пены с открытыми порами. Это полностью упругий, нелинейный материал (закон), позволяющий описывать поведение сжимаемого сплошного тела при больших деформациях и перемещениях.
Постановка задачи нелинейного контактного взаимодействия элементов зон прессования бумагоделательных машин
Результаты, представленные на рис. 2.7a и 2.7б, демонстрируют нереальное поведение конструкции с двумя слоями при увеличении нагрузки. Действительно, уже при малых нагрузках ширина площадки контакта становится очень большой. В действительности такого не происходит из-за совместного с сукном деформирования покрытия вала, в то время как результаты расчётов предсказывают слишком податливое поведение верхнего упругого слоя - сукна.
Основной причиной получения некорректных результатов является быстрый переход материала сукна в область конечных деформаций, сукна имеют на несколько порядков меньший модуль упругости, чем покрытия. Рассматриваемая постановка задачи контакта основана на линейной теории упругости и не может адекватно описать значительное сжатие сукна в захвате валов.
В связи с тем, что данная модель применима только к ограниченным условиям контакта тел с близкими модулями Юнга, она не может использоваться для изучения напряжённо-деформированного состояния валов с покрытием во взаимодействии с сукном. В прессовых захватах БДМ и КДМ присутствует одно или даже два сукна. Поэтому моделирование параметров контакта прессовых валов без учёта наличия сукна даёт недостоверные данные. Для учёта нелинейного де 79 формирования элементов прессового захвата в дальнейшем исследовании будем использовать метод конечных элементов, реализованный в программных комплексах Autodesk Simulation Mechanical и Code_Aster, а также нелинейные модели материалов покрытий и сукон.
Постановка задачи нелинейного контактного взаимодействия элементов зон прессования бумагоделательных машин
Для того, чтобы получить результаты, адекватно описывающие деформированное состояние материалов покрытий валов и сукон в зонах прессования, необходимо включить в расчёт учёт нелинейных свойств и конечных деформаций материалов в прессовом захвате. Вследствие сложности нелинейных моделей механики и ограниченности данных о нелинейных механических свойствах прессовых сукон часто пренебрегают их влиянием на основные параметры контактного взаимодействия элементов прессовых частей. Это приводит к неверному определению основных параметров контактного деформирования элементов прессового захвата БКДМ.
Изучение деформации покрытий валов и сукон в прессовом захвате позволит точнее прогнозировать сухость полотна после прессования и его механические свойства. Для изучения напряженно-деформированного состояния элементов прессового захвата БКДМ предлагается численно реализовать расчётную модель.
Модель позволит оценить реальную толщину покрытий и сукон в захвате, даст возможность предсказывать основные параметры контактного взаимодействия прессовых валов такие, как ширина площадки контакта валов, время прессования, величина контактного давления и его профиль. Важным является также изучение влияния на эти параметры изменений конструктивного исполнения прессовой части – изменение толщины покрытия прессовых валов, уменьшение или увеличение диаметра таких валов, применение покрытий различных твёрдо-стей или использование сукон различных марок. В качестве расчётных случаев рассмотрим изотермические режимы работы: нагружение прессового захвата до рабочих давлений и вращение валов как без учёта скорости приложения нагрузки в захвате, так и с учётом этой скорости.
Эффективная модель контактного деформирования элементов зон прессования должна быть максимально простой и быть достоверной – то есть отражать основные закономерности напряжённо-деформированного состояния прессового покрытия и сукна, а также требовать минимума процессорного времени.
Для построения эффективной модели зоны прессования и упрощения этой модели желательно исключить из неё малозначимые факторы. Поэтому введём некоторые гипотезы, упрощающие создание искомой численной модели контактного деформирования тел в зонах прессования:
Предлагаемая модель учитывает нелинейную упругость или вязкоупругость сукон и прессовых покрытий, конечные деформации материалов в прессовом захвате, а также трение скольжения в нём.
Расчётная модель прессовой части. Искомая численная модель состоит из следующих групп уравнений: Уравнения равновесия для каждого из тел системы; Граничные и контактные условия;
Зависимости между перемещениями и деформациями для каждого из тел; Определяющие соотношения для покрытий прессовых валов и сукон; Внутренние ограничения на напряжённо-деформированное состояние материалов, например, условие несжимаемости;
Законы трения для каждой из контактных пар тел. Подобные расчётные модели являются математической основой решения задачи, связанной с определением и прогнозированием напряжённо-деформированного состояния (НДС) элементов прессового захвата в статических и динамических условиях нагружения. В силу нелинейности механического поведения элементов прессового захвата, изменения граничных условий и больших деформаций эту систему уравнений в частных производных можно эффективно решать вариационными методами. Также эти методы решения должны учитывать наличие граничных условий специального вида – условий контакта тел. Не все из них будут постоянными, так, например, условия контакта будут меняться как по ходу нагруже-ния конструкции внешними силами, так и со временем. На начальном этапе, по мере увеличения линейного давления, сжимающего прессовые валы, ширина площадки контакта между элементами прессового захвата будет увеличиваться, и размер зоны контакта не будет известен заранее. При повороте прессовых валов и перемещении сукна граничные и контактные условия также будут меняться.
Громоздкость уравнений модели, непостоянство граничных и контактных условий потребует применения вычислительной техники. В дальнейшем воспользуемся средствами автоматизации вычислений МКЭ для численной реализации разработанной модели прессовой части.
Исследование упругих характеристик покрытий прессовых валов
Экспериментально изучим контактное взаимодействие обрезиненных валов и прессовых сукон в упрощённой постановке для проверки результатов вычислительного моделирования контактного деформирования. В ходе эксперимента непосредственно измерим основные параметры контактного взаимодействия прессовых покрытий и сукон. Изучаемый экспериментально случай будет более простым для изучения, нежели реальный контакт прессовых валов и сукон в прессовых частях БиКДМ. Вместо жёсткого контрвала используется горизонтальная стальная плита с фторопластовым покрытием, деформирующая резиновое покрытие вала и сукно. В процессе эксперимента будет измеряться основной параметр контактного взаимодействия - ширина площадки контакта между покрытием об-резиненного вала и плитой как функция приложенного усилия. Обрезиненные валы, участвующие в экспериментах, облицованы резинами трех твёрдостей: 60, 37 и 17 П.-Дж., основные размеры валов даны на рис. 3.9.
Экспериментальная установка состоит из станины, поддерживающей обре-зиненные валы, системы сигнализации контакта, измерительных индикаторов часового типа ИЧ5, ИЧ10 и гидравлического плитного пресса (см. рис.3.10).
Плитный пресс имеет гидравлическую силовую систему и развивает усилие на штоке до 27 кН. Для контроля величины усилия, создаваемого прессом, при 103 менялись динамометры сжатия типа ДОСМ-3-2 и ДОСМ-3-10. Практическое измерение усилий в прессе показало, что погрешность между усилием, соответствующим давлению масла в гидроцилиндре пресса, и измеренной величиной усилия не превышает 3-5% при нагрузках до 10 кН.
Для контроля положения и величины перекоса верхней плиты в пространстве относительно горизонтальной плоскости применена система из трёх индикаторов – два с передней стороны и один с задней стороны установки. На кронштейне перед стендом устанавливается видеокамера. В этом случае все показания измерительных головок и индикатора контакта регистрируются в процессе эксперимента. Причиной появления перекосов может быть внецентренное расположение установки относительно штока гидроцилиндра и зазоры. В результате этого появляется изгибающий момент, наклоняющий шток гидравлического цилиндра. В ходе подготовки к эксперименту было найдено положение экспериментальной установки в центре плиты, в котором фиксировался минимальный перекос, составляющий менее 50 мкм при максимальном усилии. Это даёт основание считать несущественным влияние перекоса плиты на результаты измерений ширины площадки контакта.
Эксперимент по исследованию контакта вала и плиты. В ходе эксперимента обрезиненный вал с резиной разных твёрдостей устанавливается в установку. Плита пресса опускается на покрытую фольгой поверхность вала и деформирует её. Величина сжимающей силы меняется при изменении давления масла в системе. Для сигнализации момента контакта плиты с валом, а также для регистрации ширины площадки контакта между эластомерной поверхностью и фторопластом устанавливалась металлическая фольга. На фторопластовую пластину с краю были наклеены контакты из фольги. Как только контакт касался фольги, электрическая цепь замыкалась, включалась видеокамера, которая фиксировала показания индикаторов перекоса плиты. Ширина площадки контакта оценивалась штангенциркулем по величине ширины центральной зоны отпечатка на фольге.
Поскольку фторопласт (EФП=700 МПа) обладает самым низким, из известных материалов, коэффициентом трения скольжения, этот материал был использован в паре с фольгой в процессе эксперимента. Коэффициент трения между фторопластом и металлами составляет f = 0.02-0.05при скорости скольжения 1.1 см/c. и шероховатости поверхностей порядка Ra 0.32 [120].
При наложении листа металлической фольги на цилиндрическую поверхность резинового слоя силы адгезии фиксируют фольгу на поверхности без проскальзывания. В процессе эксперимента резина деформируется, на поверхности контакта резина – фольга появляются напряжения сдвига и фольга растягивается. Экспериментальные валы покрывали фольгой по всей окружности для повышения прочности, тогда фольга растягивалась равномерно по окружности и разрывов на площадке контакта не происходило. Для обеспечения точности измерений после каждого эксперимента состояние фольги изучалось на наличие трещин. Если трещины появлялись, фольга заменялась. Фольга имеет толщину порядка 0.06 мм и легко изменяет свою форму под воздействием резины.
В процессе деформации фольга удерживается силами адгезии вблизи поверхности резинового покрытия. С другой стороны фольга в процессе изменения формы скользит по фторопластовой поверхности плиты. Коэффициент трения между фторопластом и фольгой определяет фрикционные напряжения. Когда в процессе нагружения фрикционные касательные напряжения в паре резина -фольга достигают уровня сил трения покоя пары фторопласт - фольга, фольга, удлиняясь (см. рис. 3.11) от растягивающих фрикционных сил, проскальзывает по фторопласту и принимает форму деформированной резины.
Таким образом, внутри пары фольга – резина фрикционные напряжения не превышают напряжений между фольгой и фторопластовой поверхностью плиты из-за растяжения фольги. Для каждой резины было выполнено три эксперимента. Для исключения влияния тиксотропии обрезиненные валы предварительно прокатали под нагрузкой.
На рис. 3.12 изображены зависимости величины ширины площадки контакта от нагрузки на плиту для различных резин. Представленные зависимости получены на основе осреднения результатов эксперимента по трём испытаниям.
Сопоставление результатов эксперимента и моделирования контактного взаимодействия в экспериментальной установке
Из рисунка 4.23 можно сделать вывод о том, что практически для всех типов резин, за исключением полиуретана Pur9180, реализуется значительное увеличение максимальных величин контактных давлений по ширине площадки контакта при уменьшении времени внешнего воздействия с 10 до 0.003 секунд. Таким образом, результаты, представленные на рисунках 4.22 и 4.23, подтверждают наблюдения на производстве о том, что жёсткость резиновых покрытий может существенно увеличиваться при увеличении скорости БиКДМ [125].
Для иллюстрации влияния скорости работы БиКДМ на основные параметры контактного взаимодействия элементов зоны прессования представим результаты расчёта основных параметров контактного взаимодействия элементов зоны прессования для покрытия из резины HNBR80 в зависимости от скорости БиКДМ и линейной нагрузки на рис. 4.24. Для этого расчёта используем модель прессовой части со следующими параметрами: диаметр обрезиненного вала составляет D1=850 мм, толщина слоя резины =25 мм, диаметр контр-вала D2=800 мм, упругое сукно Dur-1 (толщина =2.75 мм, масса 1100 г/м2), информацию о вязкоупру-гом поведении материала HNBR80 покрытия см. в табл. 4.1.
Из рассмотрения зависимостей на рис. 4.24 можно сделать вывод, что при увеличении скорости БиКДМ происходит уменьшение ширины площадки контакта, например, для линейной нагрузки 100 кН/м при увеличении скорости машины с 200 до 1000 м/мин ширина площадки контакта уменьшится не менее чем на 10%.
На рис. 4.25. представлена зависимость максимального контактного давления по ширине площадки контакта от скорости БиКДМ и линейной нагрузки на валы. Так, из рассмотрения рис. 4.25, можно сделать вывод о том, что наиболее высокие контактные давления также реализуются при высоких скоростях БиКДМ. Из графиков рис. 4.24 и 4.25 становится ясно, что увеличение скорости машины приводит к более жёстким условиям прессования бумаги, поскольку уменьшается ширина площадки контакта элементов зоны прессования и увеличиваются максимальные значения контактных давлений.
В процессе работы обрезиненных валов из-за явления несжимаемости резиновых покрытий с входной стороны прессового захвата формируется выпуклость на поверхности покрытия. В результате этого площадка контакта и, соответственно, профиль контактного давления между сукном и контр-валом становятся несимметричными относительно линии центров прессовых валов. Для иллюстрации этого эффекта на рис. 4.26 представлены примерные расчётные профили контактных давлений по ширине площадки контакта.
Влияние скорости БиКДМ на распределение давления между контрвалом и сукном по ширине зоны контакта прессовых валов при линейной нагрузке 60 кН/м: покрытие вала - резина HNBR80, диаметр металлических бочек валов 800 мм, толщин покрытия -25 мм, сукно – Dur-1
Рассмотрение рис. 4.26 позволяет сделать вывод о том, что основной причиной несимметричности площадки контакта и профиля контактного давления является несжимаемость резиновых покрытий. Эффекты вязкоупругости не играют значительной роли в происхождении этого эффекта.
В статическом режиме нагружения (относительного движения валов нет) смещения профиля не происходит. На рисунке видно, что в процессе нагружения прессовых валов при различных скоростях машины смещение профиля контактного давления в сторону обратную движению полотна бумаги остаётся неизменным для разных скоростей, в то же время покрытие становится более жёстким, ширина площадки контакта уменьшается, вместе с этим происходит увеличение максимального контактного давления по ширине площадки контакта.
Выше было рассмотрено влияние вязкоупругих свойств резин на параметры контакта прессовых валов БиКДМ. По чувствительности к скорости нагружения резины (из табл. 4.1.) можно разделить на высокочувствительные и малочувствительные к скорости нагружения. Малочувствительными являются резины на основе полиуретана и этиленпропиленового каучука, высокочувствительными можно считать резины на основе сульфохлорированного полиэтилена и гидрированного бутадиен-нитрильного каучука.
В то же время для широко распространенных скоростей работы (до 1500 м/мин) рассмотренные нами резины демонстрируют только небольшое увеличение жесткости (не более 20%). Этим увеличением жесткости нельзя объяснить существенное различие между статической и динамической шириной площадки контакта валов. Возможно, что это связано с выраженным вязкоупругим поведением прессовых сукон.
По-видимому, существенную роль в механизме деформирования длительно работающих прессовых покрытий валов БиКДМ играет “закалка” вследствие циклических деформаций, а кроме того и явление вязкопластичности. Явление вязкопластичности заключается в том, что при достижении некоторого уровня деформации материал сразу начинает течь, не деформируясь упруго.
По мере циклического деформирования прессового покрытия нарастает температура покрытия. Наиболее нагруженной является область вблизи клеевого слоя, соединяющего покрытие с металлической бочкой вала. Даже при охлаждении покрытия через сердечник проточной холодной водой температура покрытия может достигать 60-80 С. При таких температурах повышается молекулярная подвижность, увеличивается испарение пластификаторов и материал становится более жестким, менее эластичным и уязвимым для кислорода и озона. Возможна поверхностная закалка покрытия прессового вала.
Полагаем, что в будущем при тщательном рассмотрении вязкоупругого поведения прессовых сукон, эффектов закалки и вязкопластичности прессовых по 136 крытий удастся более точно прогнозировать температурную зависимость основных параметров контактного взаимодействия элементов зоны прессования и долговечность работы покрытия при различных скоростях БиКДМ.
Для практического применения полученных в предыдущих разделах результатов необходимо разработать форму представления, удобную для инженера-эксплуатационника. Такой формой представления, на наш взгляд, можно считать регрессионную зависимость. При выполнении регрессионного анализа важной проблемой является планирование эксперимента - выбор оптимального числа наблюдений и расположение экспериментальных точек в пространстве факторов [126]. Причина этого - большое количество необходимых экспериментов. Без использования планирования эксперимента построить регрессионную модель уже для четырёх факторов практически невозможно. Чем сложнее поверхность отклика в пространстве факторов, тем закономерно сложнее должны быть уравнения регрессии. Часто исследуемую зависимость удаётся описать полиномом второго порядка вида [126]