Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди большого разнообразия используемых в настоящее время в мировой практике переработки полимеров видов технологического оборудования вполне определенное место принадлежит шнековым экструдерам. Данный вид технологического оборудования входит, как правило, в состав агрегатов и линий для производства полимерных труб, листов, погонажных профильных изделий, плоских и рукавных пленок, раздувной полимерной тары и упаковки, вторичного полимерного сырья (гранулята) и др. Современные тенденции совершенствования этого вида оборудования свидетельствуют о том, оно, с одной стороны, идет по пути создания высокоскоростных его видов, обладающих относительно более высокой производительностью. С другой стороны, наблюдается возрастающая потребность в производстве полимерных изделий, производимых экструзионным методом, имеющих самые разнообразные профили их поперечных сечений. Однако, на пути решения этих практических задач имеются существенные проблемы, которые сдерживают дальнейшее совершенствование экструзионного оборудования. Существо одной из этих проблем состоит в том, что большинство полимерных материалов обладает не только вязкостными но и эластическими свойствами. Существующие же в настоящее время методы расчета напорно-расходных характеристик и энергосиловых параметров процесса экструзии не учитывают эластических свойств, проявляемых полимерными материалами, и базируются лишь на их вязкостных свойствах, что существенно обесценивает их практическую значимость.
Еще более проблематичная ситуация сложилась в области расчета и конструирования экструзионного формующего инструмента. Наряду с тем, что существующие методы его расчета не учитывают эластических свойств перерабатываемых полимеров, они практически не обеспечивают реализацию гидравлического расчета экструзионного формующего инструмента, в конструкции которого имеются каналы с произвольной геометрией их поперечных сечений. Отсутствие математических описаний течения вязкоэластических полимеров в таких каналах не позволяет адекватно прогнозировать расходно-напорные характеристики экструзионного формующего инструмента, а следовательно, и параметров его совместной работы со шнековым экструдером.
Основными техническими характеристиками как шнековых экс-трудеров, так и экструзионного формующего инструмента являются их расходно-напорные характеристики. Эти характеристики не только прогнозируют производительность оборудования при различных режимах
его работы, но и обеспечивают расчет как силовых параметров взаимодействия перерабатываемых полимеров с рабочими органами оборудования, так и энергозатрат, необходимых для реализации процесса экструзии. Именно эти параметры являются исходной базой данных, используемой в процессе расчета и конструирования экструзионного оборудования для выполнения, например, прочностных расчетов его отдельных элементов или оценке необходимой мощности привода.
Таким образом, разработка научно обоснованных методов расчёта расходно-напорных характеристик шнековых экструдеров и экструзионного формующего инструмента, а на их основе и энергосиловых параметров процесса экструзии полимеров с учетом их эластических свойств является актуальной проблемой, требующей своего решения.
Цель и задачи работы. Конечной целью данной работы является разработка комплекса усовершенствованных расчетных методов, включающего в себя методы расчета расходно-напорных характеристик од-ношнековых экструдеров, экструзионного формующего инструмента и энергосиловых характеристик процесса экструзии полимеров с учетом их эластических свойств, основанных на выполненном детерминированном подходе к описанию процессов течения полимеров в каналах рабочих органов экструзионного оборудования и формующего инструмента. Достижение поставленной цели обеспечено на основе решения следующих теоретических и практических задач: разработанного математического описания процесса течения расплавов полимеров в винтовом канале шнека экструдера с учетом их эластических свойств; разработанного математического описания процесса напорного течения расплавов вязкоэластичных полимеров в проточных каналах экструзионного формующего инструмента с произвольной геометрией их поперечных сечений, а также проведенного сравнительного анализа теоретических результатов с экспериментальными данными.
Научную новизну имеют следующие результаты работы: разработанное математическое описание процесса течения расплавов полимеров в винтовом канале шнека экструдера с учетом их эластических свойств; разработанное математическое описание процесса напорного течения расплавов вязкоэластичных полимеров в проточных каналах экструзионного формующего инструмента с произвольной геометрией их поперечных сечений; комплекс усовершенствованных расчетных методов, включающий в себя методы расчета расходно-напорных характеристик одношнековых экструдеров, экструзионного формующего инструмента и энергосиловых характеристик процесса экструзии с учетом эластических свойств перерабатываемых полимеров.
Практическую значимость имеет комплекс расчетных методов, включающий в себя: метод расчета расходно-напорных характеристик одношнекового экструдера с учетом эластических свойств перерабатываемых полимеров; метод гидравлического расчета экструзионного формующего инструмента, проточные каналы которого имеют произвольную геометрию их поперечных сечений, а также учитывающий эластические свойства перерабатываемых полимеров; метод расчет расходно-напорных параметров (параметров рабочей точки) при совместной работе одношнекового экструдера с формующим инструментом, а также методы расчета энергосиловых характеристик процесса однош-нековой экструзии расплавов вязкоэластичных полимеров.
Автор защищает следующие результаты работы: разработанное математическое описание процесса течения расплавов полимеров в винтовом канале шнека экструдера с учетом их эластических свойств; разработанное математическое описание процесса напорного течения расплавов вязкоэластичных полимеров в проточных каналах экструзионного формующего инструмента с произвольной геометрией их поперечных сечений; результаты сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных; комплекс расчетных методов, включающий в себя методы расчета расходно-напорных характеристик одношнековых экс-трудеров, экструзионного формующего инструмента и энергосиловых характеристик процесса экструзии с учетом эластических свойств перерабатываемых полимеров.
Апробация работы. Отдельные результаты работы доложены на трех международных конференциях: интернет-конференции "Творчество молодых в науке и образовании". Москва, МГУИЭ, июнь 2003 г.; Втором международном инструментальном саммите. Москва, июнь 2007 г.; Третьем международном инструментальном саммите. Москва, июнь 2008 г.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 научных статьях и материалах конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация объемом 149 страниц машинописного текста, включающего в себя 50 рисунков и 4 таблицы, состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка литературы, условных обозначений физических величин и параметров и приложения.
