Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ конструкций и методов расчёта вальцов для переработки полимерных материалов 8
1.1 Анализ конструкций вальцов для переработки полимерных материалов 8
1.2 Анализ методов расчёта вальцов для переработки полимерных материалов 20
1.2.1 Методика, основанная на закономерностях упругой деформации материала между валками 22
1.2.2 Методика, основанная на теории пластической или упругой деформации 33
1.2.3 Методика, основанная на гидродинамической теории вальцевания 34
1.2.4 Методика, основанная на теории подобия 36
2 Разработка конструкции и метода расчёта вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов 41
2.1 Устройство вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов 41
2.1.1 Конструкция термоэлементов для обогрева валков 45
2.2 Методика расчёта вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов 49
2.2.1 Расчёт производительности установки 49
2.2.2 Определение крутящего момента и потребляемой мощности вальцов с учетом эффективного диаметра валков 62
2.2.4 Тепловой баланс вальцов и расчёт термоэлементов 67
2.2.4.1 Тепловой баланс вальцов 67
2.2.5.1 Расчёт термоэлементов для обогрева валков 69
2.2.5 Расчёт прогиба валков 70
2.2.6 Механизмы регулирования зазора 73
3 Исследование гидродинамических свойств расплавов полимерных материалов и прочностных характеристик рифлёных листов, полученных вальцеванием 75
3.1 Описание методики проведения экспериментов 75
3.2 Свойства исследуемых полимерных материалов 77
3.2.1 Реологические характеристики 82
3.2.2 Коэффициент разбухания 86
3.2.3 Влажность сырья 89
3.3 Исследование прочностных и технологических характеристик полимерных рифлёных листов, полученных в процессе вальцевания 91
3.3.1. Прочность при растяжении 91
3.3.2 Плотность рифлёных листов 93
3.3.3 Водостойкость рифлёных листов 96
Общие выводы 99
Приложение 1 101
Приложение 2 109
Список использованных источников 114
- Методика, основанная на закономерностях упругой деформации материала между валками
- Определение крутящего момента и потребляемой мощности вальцов с учетом эффективного диаметра валков
- Свойства исследуемых полимерных материалов
- Водостойкость рифлёных листов
Введение к работе
Мировой опыт применения полимерных материалов позволяет с уверенностью сказать, что этот высокотехнологичный, исключительно долговечный и многофункциональный материал и сегодня представляет огромный интерес для специалистов, занятых в различных сферах проектирования и строительства. В настоящее время наметилась тенденция замены традиционных конструкционных материалов на композитные полимеры, что значительно расширило ассортимент изготавливаемых изделий. В связи с этим возникает необходимость создания нового оборудования, которое бы обеспечивало производство изделий высокого качества с наименьшими материальными и энергетическими затратами, отличалось простотой конструктивного оформления и высокой производительностью.
Основная область применения полимеров - это всевозможные профильные изделия, полученные непрерывным преобразованием расплава полимерного материала в готовый продукт. Одним из наиболее распространённых способов переработки полимеров в изделия является процесс вальцевания, суть которого состоит в многократном пропускании материала через зазор между вращающимися на встречу друг другу обогреваемыми металлическими валками.
Для интенсификации процесса вальцевания требуется разработка новых конструкций валковых машин, в частности, машин для изготовления рифлёных листов, которые позволяли бы в режиме непрерывного процесса осуществлять изготовление готовых изделий, непосредственно из порошкообразных и гранулированных полимеров до минимума сокращая вспомогательные технологические операции.
Известные конструкции валковых машин преимущественно оснащены гладкими цилиндрическими валками и предназначены или для предварительной пластикации полимеров или для изготовления плоских листов и плёнок. Поэтому, актуальной является задача разработки валковой машины на базе рифлёных (профильных) валков, способных изготавливать профильные изделия без последующих стадий формообразования.
Для новой конструкции валковой машины необходим инженерный метод расчёта, учитывающий особенности вальцевания полимеров в межвалковых зазорах переменой толщины, который рассматривал бы во взаимосвязи, с одной стороны особенности гидродинамических характеристик расплавов полимеров — псевдопластических жидкостей- а с другой стороны, удовлетворял требованиям к изготовлениям конкретного вида изделия — рифлёных листов.
Проанализировав существующие методики [3] расчёта валковых машин можно отметить, что ни одна из них методик не может быть признана точной и исчерпывающей, поскольку на сегодняшний день еще не накоплен достаточный экспериментальный и теоретический материал, который бы дал возможность предложить законченную методику расчета основных параметров процесса вальцевания, с учётом высокоэластичных свойств перерабатываемого материала и заданной геометрии поверхности валков.
Основные направления исследований проводились в соответствии с Государственными научно-техническими программами АН РБ «Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий» на 1996-1998 тт., программа «Аппаратостроение» (постановление кабинета министров РБ № 204 от 26.06.96) и «Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкоторстан на 1997-2000 г.г. и до 2005 года» (постановление кабинета министров №3 от 12.01.98) по разделам «Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан».
Методика, основанная на закономерностях упругой деформации материала между валками
Изобретение относится к области изготовления брикетов из сыпучих и пластичных материалов и может быть использовано в металлургической, уголь-ной, горнорудной промышленности. Пресс содержит установленные в корпусе и снабженные приводом вращения полые валки и выталкивающее устройство в виде стержней, снабженных средством их перемещения. Стержни в количестве, равном количеству ячеек в валке, закреплены в теле валков радиально с возможностью поступательного перемещения и подпружинены, при этом один торец каждого стержня снабжен бойком, имеющим опорную поверхность, частично образующую дно ячейки, а средство перемещения выполнено в виде опорных осей, установленных соосно валкам в их полостях и снабженных выступами, имеющими возможность взаимодействия с торцами стержней, противоположных торцам, снабженных бойками. Опорные оси имеют возможность поворота и фиксации, а также имеют углубления, в которые имеют возможность захода торцы стержней, противоположные торцам, имеющим опорную поверхность. Техническим результатом от применения заявляемой конструкции валкового брикетировочного пресса является устранение прилипания брикетов после их формования и попадания их вторично в очаг деформации и уплотнения. [6.4]. Валковый брикетировочный пресс представлен на рисунке 1.1.2. Гофрирующая листовая машина для изготовления гофрированного картона [6.5]
Данная конструкция предназначена для изготовления гофрированного картонного полотна, которая включает в себя два паровых ролика, ролик-пресс и систему клеящего ролика . Гофрирующие ролики - это пустотелые цилиндры, поднимающиеся от вращения по своим осям, поверхность вышеназванных цилиндров в форме желаемого гофрирования. Гофрирующий станок (рисунок 1.1.3) включает 2 гофрирующих ролика 10 и 11 и ролика -пресса 13. Средний ролик 11- также переводной ролик на гофрированное полотно 20 между гофрирующими тисками 12 тисками приспособления 19 для листа основы. Два гофрирующих ролика расположены относительно друг друга посредством соответствующих гофр (выемок) взаимосцепленных по типу шестеренки, чтобы создать роликовые тиски между ними. Температура и давление этих тисков на лист бумаги вырисовывает на ней постоянной ширине форму гофрирования. После выхода из гофрирующих тисков, лист крепко держится на волнообразной поверхности одного гофрирующего ролика «пальчиками» расположенными по всей длине ролика. Пальчики, удерживающие лист 14 размещены в рельефных прорезях 40, нарезанные но периферии гофрирующею ролика 10 для направления гофрирующего листа 20 от ролика 10 и на поверхность ролика 11 натиски-основы 19. Цель этих пальчиков обеспечить, точное положение гофрированного листа для нанесение клея на зубцы. Такой клей применяется тонким слоем, нанесённым на поверхность клеевого аппликатора - ролика во время прохождения гофрированных зубцов, касаясь его, для склеивания двух или более тонких бумажных листов. Впоследствии, в области одного гофрирующего ролика, зубцы с нанесённым клеем поступают в тиски давящего ролика с гладкой поверхностью, в котором протекут лист основа (вкладыш). Для образования гофрированного изделия, ролик 11 нагревается паром, подаваемым трубкой 30 на внутреннюю камеру ролика 34 через давление впаянных цапф 32. Для уменьшения образования конденсата паропадающая трубка 31 допускает использование кругового потока.
Согласно данному изобретению удерживающие пальчики 14 перемещаются вакуумной системой; которая включает в себе множество отверстий 45, просверлённые через гофрирующую поверхность корпуса ролика 11.
На одном осевом конце ролика 11 разряжающие трубки запаяны. На другом осевом конце ролика 11 разряжающие трубки связаны посредством крышки на конце ролика со стандартной разряжающей коробкой 53. Вакуумная трубка 54 соединяется с любым удобным источником вакуума , таким как насос .
Последовательное тисковое давление между гофрированными зубцами с клеем гофрированного листа и листа основа соединяются вместе, образуя односторонний картон.
После этого картон отделяется от одного гофрирующего ролика для последующего процесса такого же нанесения другого листа основа к гофрированным зубцам на противоположной стороне гофрированного листа, для образования двустороннего картона.
Определение крутящего момента и потребляемой мощности вальцов с учетом эффективного диаметра валков
Из уравнения (1.22) следует, что чем заметнее течение расплава полимера отличается от ньютоновского (п 1), тем быстрее параболический профиль распределения скоростей в центральной области потока становится плоским, а течение материала аналогично движению жесткого стержня.
Наиболее полно это проявляется в области деформации, ограниченной сечениями hi и Ьг; причем в этих сечениях жесткий стержень соприкасается с поверхностью валков. Иными словами, при значениях реологической константы материала п 0,25 деформацию сдвига практически будут испытывать слои жидкости, прилегающие непосредственно к поверхности валков.
В сечении максимального давления hi изменение гидродинамического давления в направлении оси х равно нулю. Следовательно, силы, действующие в этом сечении, будут находиться в состоянии равновесия, а ускорение частиц потока будет равно нулю. Подобное явление имеет место и в сечении h2. Поэтому объем материала, который находится между сечениями h( и h2, в процессе течения получает либо ускорение (от сечения ht к сечению hk), либо замедление (между сечениями hK и h2), причем его средняя скорость обратно пропорциональна высоте переменного сечения h. Расплавы полимеров практически несжимаемы, поэтому h2 = h). Если материал обладал бы сжимаемостью, то величина безразмерного параметра 5t могла быть меньше 62. При условии полной несжимаемости расплава полимера поток его в сечении и по высоте будет больше, чем в сечении hk(xo). Это явление можно объяснить перераспределением скоростей частиц материала между сечениями hk и h2. Определение этих величии очень важно при выборе привода и расчете на прочность узлов и деталей машины. Из-за многообразия факторов, влияющих на крутящий момент и, следовательно, мощность, в настоящее время еще трудно рекомендовать законченную и надежную методику расчета расхода энергии. Так же как и в случае расчета распорных усилий, существуют различные методики расчета крутящих моментов (мощности): основанная на теории пластической или упругой деформации, основанная на гидродинамической теории вальцевания и основанная на теории подобия (или теории размерностей). Мощность, потребляемая вальцами и каландром, зависит от многих факторов: свойств и температуры обрабатываемого материала, окружных скоростей валков, величин фрикции, зазора между валками и т. д. Поэтому расчет мощности вальцов и каландров представляет известные трудности. Рассмотрим влияние некоторых факторов на потребление энергии вальцами и каландрами. Рост окружной скорости приводит к увеличению объема деформируемого между валками материала и, следовательно, к увеличению работы деформации; изменение окружной скорости валков влияет также на скорость деформации. При упругой деформации, величина которой не зависит от времени, это не играет существенной роли; для высокоэластичной и особенно пластической деформации с уменьшением времени возрастают необходимые нагрузки на валки, что приводит к росту потребляемой мощности. При увеличении фрикции возрастает объем деформируемого материала и скорость деформации, а следовательно, и потребляемая мощность. Увеличение зазора может привести к росту потребляемой мощности; однако рост мощности отстает от роста зазора. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, увеличение зазора приводит к росту объема проходящего через зазор материала и, следовательно, повышает работу деформации; с другой стороны, с ростом зазора уменьшается величина линейного обжатия, что уменьшает работу деформации. Может иметь место и явление, противоположное указанному, когда роль относительной деформации становится решающей. При периодической работе вальцов потребление энергии может резко меняться во времени, так как пластические свойства материала меняются. В первый период работы нагрузка может в 5 - 6 раз превышать нагрузку, которая будет иметь место после нескольких минут работы вальцов. При использовании этой методики момент, необходимый для преодоления сопротивления материала деформации, можно рассчитать либо по работе пластической или упругой деформации между валками, либо по силам давления перерабатываемого материала на валки. В первом случае [1.22] не учитывается работа сил трения между поверхностью валков и обрабатываемым материалом (в зонах опережения и отставания). Поэтому результаты расчета по сравнению с методом, в котором учитываются силы давления (второй случай), бывают значительно занижены. Для расчета моментов и мощности необходимо отдавать предпочтение второму методу, т. е. вести расчет по силам давления перерабатываемого материала на валки.
Свойства исследуемых полимерных материалов
Внешний вид установки показан на рисунке 2.1.1 . Установка состоит из станины 1, рабочего механизма валков 4 и приводного механизма, расположенного в корпусе станины. На чугунной плите станины смонтированы чугунные стойки в направляющих которых помещаются подшипники валков. Передняя пара подшипников выполнена подвижной, что позволяет производить поджим валков для установки зазора между ними. Для регулирования зазора между валками служит нажимной механизм 3. Параллельность установки валков, а также сближение их контролируется шкалой лимба с точностью до 0,2 мм. Для аварийной остановки вальцов применяется аварийный выключатель 5, сбалансированная рамка которого размещена над валками. Для зашиты вальцов во время работы от поломок при перегрузках в механизме отвода предусмотрены предохранительные шайбы, помещенные во фланцах корпуса подшипника. Установка снабжена системой электрического термостатирования с помощью нагревательных элементов 6 , хромоникелевой термопарой и потенциометра КСП -4 . Для регулирования температуры валков применяется автотрансформатор ЛАТР . Для контроля напряжения подаваемого на валки используем приборы контроля амперметры и вольтметры.
Электродвигатель и редуктор-вариатор, служащий для изменения числа оборотов валков от 1,36 до 3,14 с"1 , установлены под плитой внутри станины. Редуктор-вариатор состоит из лобового вариатора с пределом регулировки 2,27 и двухступенчатого редуктора с передаточным отношением і = 20. Приводным электродвигателем является электродвигатель марки АИМ — 132S6Y2 , мощностью 5,5 кВт, при числе оборотов п = 96,82 с"1 . Питание схемы осуществляется от заводской трёхфазной сети переменного тока напряжением U = 380В, частотой f = 50 Гц. От перегрузок электродвигатель защищен тепловым реле с пускателем типа ПМЕ - 222. Пуск и остановка электродвигателя производится кнопками управления и аварийным выключателем, выполненным по схеме реверсивного переключения электродвигателя.
Установка работает следующим образом. Производим обогрев рабочей части валка до температуры, необходимой для переработки исследуемого материала, для чего: подаём напряжение на термоэлементы, подачу осуществляем плавно, с помощью ЛАТРов следя за показаниями амперметров, подключаем вторичный прибор КСП — 4. С помощью нажимного механизма устанавливаем необходимый для работы зазор между валками. Величину зазора контролируем по шкале лимба на механизме регулирования зазора с точностью до 0,2 мм. Загружаем подогретый материал в межвалковое пространство. Нажимаем кнопку "Пуск" на щите управления, после чего валки начинают вращаться навстречу друг другу. Материал увлекается в межвалковое пространство, подвергается деформированию. Большую роль для увеличения деформации материала играет разность температур между валками.
Эксперименты, осуществлённые для изучения процесса вальцевания, можно разделить на две группы [2.1]: 1. Исследование свойств полимерных материалов, влияющих на процесс вальцевания и определяющих его параметры. К указанным свойствам относятся реологические характеристики полимеров, описываемые кривыми течения; коэффициент разбухания; содержание влаги в исходном сырье. 2. Исследование свойств профильных листов, изготовленных вальцеванием. А именно, устанавливали зависимости механической прочности полотна, его плотности и водостойкости от условий переработки полимеров в изделия. Реологические свойства полимерных материалов определяли по методу двух капилляров Е.В. Бегл и, заключающегося в определении характеристик напорного установившегося истечения расплавов полимеров из двух капилляров различной длины [2.1]. Окончательные зависимости получали для фиксированной температуры в виде фэф ДтИСт) где (рэф - эффективная текучесть расплава, (Па-с)" , а тист - напряжения сдвига, Па. Коэффициент разбухания и допускаемое содержание влаги в исходном сырье определяли после изготовления на разработанной установке рифлёных листов. В зависимости от числа оборотов валков (15-4-30 с"1), температуры (393ч-453 К) и времени вальцевания (60-ь720 с) изготавливали и отбирали образцы рифлёных листов, для которых фиксировали степень увеличения площади поперечного сечения образца (коэффициент разбухания) и влагосодержание в массе. Максимальное содержание влаги в исходном сырье регламентируется для случая использования вторичных полимеров, т.е. полученных при переработке отходов (наличие влаги обусловлено стадией отмывки загрязнённых полимерных отходов, направляемых для получения вторичного полимерного сырья). Механическую прочность полотна оценивали по максимальному напряжению при растяжении образца (до разрыва) согласно ГОСТ 12580 с использованием разрывной машины МР-05-1. Водостойкость материала рифлёных листов определяли по величине водопоглощения (в %Масс.) за 24 часа. Устанавливали зависимости указанного показателя от плотности рифленого полотна [2.3]. Характеристики вальцевания определяли как для условий непрерывного процесса (с использованием предварительно подогретого полимера) - при однократном прохождении полимерного материала через формующий зазор, так и для периодического режима вальцевания. В ходе экспериментального изучения процесса вальцевания для получения рифлёных листов использовали следующие полимерные материалы (основные свойства которых приведены согласно [2.4] в таблице 3.1):
Водостойкость рифлёных листов
Взаимодействие молекул воды с полимерными материалами в наиболее полной мере характеризуется так называемыми "диффузионными константами" - коэффициентом проницаемости (влагопроницаемости) Р, коэффициентом диффузии D и коэффициентом растворимости h. В то же время при исследовании влияния воды на свойства материалов используют и другие термины и понятия - такие, как гигроскопичность, сорбция, адсорбция, водостойкость и другие, отражающие сущность и условия экспериментальных исследований и соответствующих методик [1.21].
При изучении свойств рифлёных листов в настоящей работе использовали показатель - водостойкость, который применяли для прогнозирования поведения готовых изделий в процессе эксплуатации при контакте с влагой. Водостойкость полученных рифлёных листов выражали через коэффициент водопоглощения є, %, характеризующий увеличение общей массы образца за счёт поглощения влаги из окружающей среды, в течение регламентированного периода времени (24 часа). Проводили сопоставление полученных значений с аналогичными характеристиками для полимерных материалов, указанных в справочной литературе [4.3].
На рисунке ЗЛО приведены экспериментальные зависимости водопоглощения образцов из ПВХ и ПВД - є, %, от плотности рифлёных листов.
Для кабельного пластиката марки О-40 наименьшее водопоглощение є = 0,115% наблюдалось при плотности полотна р=1360 кг/м3, что соответствует максимальной плотности из рабочего диапазона по температурам переработки (образец получен непрерывным вальцеванием при температуре валка Т = 443 К). Для ПВД марки 15802-020 минимальное водопоглощение s = 0,096% наблюдалось при плотности полотна р = 925 кг/м3 (Т = 423 К). 1. В результате исследований вязкотекучих и эластических свойств расплавов композиции ПВХ марки О-40 и ПВД марки 15802-020 построены кривые течения и определен коэффициент разбухания расплавов, а также установлено допустимое содержание влаги в исходном сырье. 2. Установлено, что при температуре процесса вальцевания Т = 403+453 К коэффициент разбухания К увеличивается (как для ПВД, так и для ПВХ) в среднем на 5+6 % при возрастании числа оборотов валков с 15 до 30 с"1 . Для композиции ПВХ коэффициент разбухания изменялся в диапазоне К = 1,28+1,67 и при снижении толщины рифлёного листа с 4,0 10" м до 2,0 10" м увеличивался в среднем на 25+26%. Для ПВД значение коэффициента разбухания составляло К =1,08+1,38, возрастая с уменьшением толщины листа на 22+24%. 3. Выявлено, что удовлетворительное полотнообразование и дегазация массы полимера начинается при содержании влаги в сырье не более 10+12%. Установлено, что через 300+360 с вальцевания массы на рифлёных валках остаточная влажность полотна снижается до приемлемого уровня - менее 0,3+0,4% - для ПВХ и менее 0,1% - для ПВД. 4. Прочность рифлёных листов при растяжении для композиции ПВХ марки О-40 в интервале температур вальцевания 433+443 К составляла 7,2+8,0 МПа. Для ПВД марки 15802-020 - 3,7+4,1 МПа (Т = 403+423 К). 5. Плотность рифлёных листов из композиции ПВХ была максимальной при температуре 443+448 К и составляла 1350+1360 кг/м3. Для ПВД максимальная плотность - 920+925 кг/м (Т = 403+413 К). Оптимальное время обработки материала вальцеванием составляло 300+540 минут. 6. Установлено, что с ростом плотности материала рифлёных листов водопоглощение снижается и для ПВХ марки О-40 при плотности полотна р 1360 кг/м3 составляет -0,11%; для ПВД марки 15802-020 - -0,09% при плотности полотна 925 кг/м . 1. Разработана методика расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов, с целью получения рифлёных листов, учитывающую высокоэластичные свойства материала и заданную геометрию поверхности валков. 2.Введено понятие эффективного радиуса, который определяется как радиус цилиндрической поверхности, длина которой равна длине поверхности рифлёного валка. 3.Предложены математические зависимости для определения производительности, мощности привода данной установки и распорного усилия. 4.Разработана конструкция вальцов для получения полимерных рифлёных листов, позволяющая усовершенствовать процесс вальцевания полимерных материалов. 3.Экспериментально исследовали гидродинамические свойства расплавов полимеров в процессе вальцевания. 4.Исследовали влияния эффекта разбухания полимеров на профиль готового изделия и технологические параметры процесса вальцевания.
