Введение к работе
Актуальность работы. Важное место в переработке полимерных материалов занимают профильные длинномерные резинотехнические изделия (РТИ), например, транспортерные ленты, ремни, уплотнения сплошного и сложного сечения, массовое производство которых характеризуется повышенными требованиями к качеству длинномерных профильных резинотехнические заготовок (РТЗ).
Технология получения длинномерных профильных заготовок на заводах РТИ включает в себя: приготовление резиновой смеси в резиносмесителях, последующее вальцевание для придания ей формы, экструзию профильных заготовок. Существует проблема нерационального использования оборудования с точки зрения значительных энергозатрат (до 20% себестоимости РТЗ) на пластикацию перерабатываемого материала при вальцевании, ухудшения физико-механических показателей экструдата и брака длинномерных профильных РТЗ за счет термодеструкции и изменения размеров их поперечного сечения при изменении режимных параметров процесса.
В современных условиях перспективным направлением совершенствования производственных процессов является обеспечение возможности согласованной работы оборудования в технологической цепи по непрерывной схеме, главным образом, валкового и экструзионного, с оптимизацией режимных переменных и конструктивных параметров оборудования при минимизации полезной мощности и получении качественного экструдата. Кроме того, возрастающий объём и номенклатура видов длинномерных РТИ делает необходимым проектирование экструзионного оборудования с возможной заменой рабочих органов для конкретных полимерных материалов, что выполняют ведущие западные производители, обеспечивая гибкость производственных процессов.
Большой вклад в решение проблем моделирования и оптимизации экструзии и вальцевания полимеров и эластомеров, создания нового оборудования внесли ученые Д.М. Мак-Келви, Г Шенкель, Т. Э. Бернхардт, Р. В. Торнер, Н. И. Басов, В.И. Коновалов, Ю.В. Казанков, М.М. Балашов, В. В. Скачков, В.С. Ким, Н. Г. Бекин, Г.М. Гончаров, В.Н. Красовский, и др.
Однако, до настоящего времени не разработаны достаточно надежные критерии, однозначно связанные с качеством резиновых смесей и экструдата и рассчитываемые с использованием режимных переменных и конструктивных параметров оборудования, позволяющие осуществлять его оптимальное проектирование. Существующие математические модели процессов непрерывного вальцевания и экструзии не позволяют эффективно использовать в них интегральные критерии качества каждого из этих процессов в отдельности и в совокупности.
Это не позволило до настоящего времени осуществить постановку и решение задачи оптимального проектирования непрерывной технологической цепи производства длинномерных РТЗ, включающей экструзионное и валковое оборудование, обеспечивающей минимальные энергозатраты при заданном качестве готового продукта. Кроме того, промышленное экструзионное и валковое оборудование характеризуется высокой металлоёмкостью, что ставит неотъемлемой задачей разработку методов, алгоритмов и программ, которые позволят максимально снизить массу и стоимость указанного оборудования.
Поэтому поставленные в настоящей работе задачи по оптимальному проектированию технологической цепи экструзионного и валкового оборудования для непрерывного процесса производства длинномерных РТЗ заданного качества являются весьма актуальными как в научном, так и практическом плане.
Работа выполнялась в соответствии с межвузовской научно-технической программой Минобразования РФ "Информационные технологии в образовании", 1996 - 1998 г.г., с межвузовской научно-технической программой Минобразования РФ "Ресурсосберегающие технологии машиностроения”, 1998 - 1999 г.г., по заданию Минобразования РФ "Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энерго-и ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических процесов”, 1998-2000 г.г., с научно-технической программой “Научные исследования высшей школы в области химических технологий”, 2003 – 2005 г.г., с аналитической ведомственной целевой программой “Развитие научно-технического потенциала высшей школы”, 2006 – 2007 г.г. и отмечена “Областным грантом” Тамбовской области, 2006 г.
Целью работы является разработка методологии оптимального проектирования технологической цепи экструзионного и валкового оборудования для непрерывного процесса производства длинномерных РТЗ заданного качества.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- анализ современного состояния переработки резиновых смесей на экструзионном и валковом оборудовании;
- рассмотрение и анализ существующих методик расчёта и проектирования экструзионного и валкового оборудования;
- формирование интегральных критериев качества процессов вальцевания и экструзии резиновых смесей и экспериментальное подтверждение их однозначной связи с показателями качества длинномерных РТЗ;
- разработка усовершенствованной математической модели процесса экструзии, алгоритмического и программного обеспечения расчёта интегральных критериев качества, характеризующих влияние режимных переменных и конструктивных параметров оборудования на физико-механические показатели перерабатываемых резиновых смесей и проверка её адекватности;
- разработка усовершенствованной математической модели процесса непрерывного вальцевания, алгоритмического и программного обеспечения расчёта интегрального критерия качества в зависимости от режимных переменных и конструктивных параметров оборудования и проверка её адекватности;
- исследование влияния режимных переменных (угловая скорость шнека, температура переработки) и конструктивных параметров шнека на интегральные критерии качества переработки резиновых смесей, полезную мощность и производительность с целью выбора параметров управления;
- исследование влияния технологических параметров процесса непрерывного вальцевания (частоты вращения валков, минимального зазора между валками, фрикции, “запаса” материала на валках) и конструктивных параметров оборудования на интегральные критерии качества пластикации резиновых смесей с целью выбора параметров управления;
- разработка экспериментальной установки для определения рациональных значений интегральных критериев качества, соответствующих заданным физико-механическим показателям при переработке в экструдере и формующей головке;
- разработка экспериментальной установки для определения значений интегральных критериев качества, соответствующей заданным физико-механическим показателям при переработке на вальцах;
- исследование взаимосвязи интегральных критериев качества при совмещенных процессах вальцевания и экструзии и определение рациональных их значений при непрерывном производстве длинномерных РТЗ заданного качества;
- разработка методики оптимального проектирования технологической цепи валкового и экструзионного оборудования минимальной массы, обеспечивающей минимальные энергозатраты при производстве длинномерных РТЗ заданного качества.
Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально доказана однозначная связь интегральных критериев качества (величина суммарного сдвига и степень подвулканизации) процессов переработки резиновых смесей на валковом и экструзионном оборудовании с физико-механическими характеристиками получаемых длинномерных РТЗ;
- разработана усовершенствованная математическая модель процесса экструзии, позволяющая рассчитывать интегральные критерии качества (степень пластикации и подвулканизации резиновых смесей), характеризующие влияние режимных переменных и конструктивных параметров оборудования на показатели качества РТЗ;
- разработана усовершенствованная математическая модель процесса непрерывного вальцевания, позволяющая рассчитывать суммарный сдвиг, характеризующий влияние режимных переменных и конструктивных параметров оборудования на физико-механические показатели пластиката резиновых смесей;
- разработана методика оптимального проектирования оборудования для совмещённого и раздельных процессов вальцевания и экструзии, обеспечивающая минимальные энергозатраты при производстве длинномерных РТЗ заданного качества;
- разработана методика минимизации массы основных конструктивных элементов при проектировании экструзионного и валкового оборудования.
Практическая значимость и реализация работы заключается в том, что
создано математическое и программное обеспечение расчёта на ЭВМ оптимальных значений режимных переменных и конструктивных параметров экструзионного и валкового оборудования, позволяющих обеспечить получение длинномерных РТЗ заданного качества при минимальных энергозатратах;
созданы экспериментальные установки для определения рациональных значений интегральных критериев качества переработки резиновых смесей на валковом и экструзионном оборудовании;
внедрены методики проектирования экструзионного и валкового оборудования в следующих проектных и производственных организациях:
- на ОАО “АРТИ-Завод”, г. Тамбов - позволили получать экструдат с гарантированными физико-механическими показателями и размерами его поперечного сечения, а так же снизить затраты полезной мощности на 15-17%;
- на ОАО “Московский шинный завод”, г. Москва - приняты к использованию методики расчета при модернизации промышленных червячных и валковых машин для переработки резиновых смесей с рассчитанным экономическим эффектом 360 тыс. руб.;
- на ОАО “НИИРТмаш”, г. Тамбов - приняты к использованию при проектировании промышленных шнековых и валковых машин для переработки резиновых смесей с рассчитанным экономическим эффектом 470 тыс. руб.;
- на ЗАО “Тамбовполимермаш”, г. Тамбов - позволили получать длинномерные резинотехнические заготовки гарантированного качества при экструзии с заданными размерами их поперечного сечения.
- в НПП ООО “Эласт”, г. Тамбов – методика расчёта оптимальных конструктивные параметры шнеков для различных длинномерных резинотехнических изделий при модернизации действующего оборудования с экономическим эффектом 840 тыс. руб. в год;
- на ООО “UnitedExtrusion”, г. Москва – программное обеспечение принято к использованию при проектировании плоскощелевых экструзионных головок;
- на ООО НТЦ “НИИШП”, г. Москва – результаты работы приняты к использованию при разработке исходных требований для проектирования промышленных шнековых и валковых машин для переработки резиновых смесей и рекомендованы проектным предприятиям и заводам при отработке режимов производства и прогнозировании качества длинномерных резинотехнических заготовок с экономическим эффектом 570 тыс. руб. в год;
внедрены алгоритмы и методики оптимального проектирования экструзионного и валкового оборудования в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям 240801, 261201 и магистров техники и технологии по магистерской программе 150400.26.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 9 и 10 Международной конференциях "Синтез, исследование свойств, модификация и переработка ВМС", (Казань, 1998, 2001 гг.), 10 Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Казань, 1999 г.), Международной научно-практической конференции "Информационные технологии в образовании" (Шахты, 2000 г.), 4, 5, 6, 9, 12 ежегодных научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1999-2001, 2004, 2007 г.г.), 8 Международной научно-технической конференции “Наукоемкие химические технологии - 2002” (Уфа 2002), 10 Международной конференции “Наукоемкие химические технологии - 2004” (Волгоград 2004), 5 Международной теплофизической школе “Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством” (Тамбов 2004), 5 Международной научно-технической конференции “Авиакосмические технологии "АКТ-2004" (Воронеж 2004), Международной научно-практической конференции “Рынок шин, РТИ и каучуков: производство, наукоемкие технологии, сбыт” (Москва 2005), 2, 3 Международных научно-практических конференциях “Наука на рубеже тысячелетий” (Тамбов 2005, 2006), 2, 3 Международных научно-практических конференциях “Прогрессивные технологии развития ” (Тамбов 2005, 2006), 11, 12, 13 Международных научно-практических конференциях “Резиновая промышленность. Сырьё, материалы, технологии” (Москва 2005, 2006, 2007), Международной научно-практической конференции “Полимерные и композиционные материалы: технологии, оборудование, применение” (Москва 2006), Международной научно-технической конференции “Информационные технологии в науке, образовании и производстве “ (Орел 2006), 3 Международной научно-практической конференции “Составляющие научно-технического прогресса” (Тамбов 2007), 20 Международной научной конференции “Математические методы в технике и технологии – ММТТ-20” (Ярославль 2007), Международной конференции “Химические технологии” (Москва 2007).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 87 работ в международных, академических, зарубежных и отраслевых журналах и научных изданиях из них 20 статей в рецензируемых журналах (из них 16 в рекомендованных «Перечнем ВАК»), 3 монографии, 25 статей в сборниках научных трудов, 9 публикаций в материалах научных конференций, 2 учебных пособия,, получено 3 патента РФ и 7 свидетельств об официальной регистрации программы для ЭВМ. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик получения экспериментальных данных, непосредственном участи в получении, анализе и обобщении результатов.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав, основные выводы и результаты, список литературы (277 наименования) и приложения. Работа изложена на 307 страницах основного текста, содержит 127 рисунков и 13 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность Заслуженному работнику высшей школы РФ, профессору А.С. Клинкову за ценные консультации и постоянное внимание к работе.
