Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи 7
1.1. Существующая технология получения абразивной смеси на вулканитовой связке 7
1.2. Нестационарные эффекты процесса валкового смешения 10
1.3. Уровень изученности процесса валкового смешения .11
1.3.1. Особенности реологического поведения каучуков 11
1.3.2. Существующие представления о механизме смешения 12
1.3.3. Прогнозирование результатов смешения 18
1.4. Известные методы контроля качества смесей 20
1.5. Выводы и постановка задачи 26
2. Математическое моделирование процесса валкового смешения 29
2.1. Понятие о макро и микросмешении. Постановка задачи 29
2.2. Критерий завершения процесса смешения 31
2.2.1. Идеальная смесь 31
2.2.2. Динамика изменения структуры смеси при микросмешении 33
2.2.3. Суммарная вытяжка слоев, обеспечивающая
требуемую структуру смеси 36
2.3. Влияние режимов макросмешения на эффективность микро смешения. Потенциальные возможности процесса смешения 40
2.3.1. Стационарное смешение (вариант 1) 41
2.3.2. Стационарное смешение с оптимальной ориентацией фрагментов полуфабриката перед первым циклом (вариант 2) 43
2.3.3. Нестационарное смешение с заданной ориентацией фрагментов перед каждым циклом (вариант 3) 46
2.3.4. Нестационарное смешение со случайной ориентацией фрагментов смеси перед каждым циклом (вариант 4) 48
2.3.5. Нестационарное смешение со случайной ориентацией фрагментов в ограниченном числе циклов (вариант 5) 50
2.3.6. Сравнительная оценка возможных вариантов смешения 52
2.4. Влияние параметров исходного полуфабриката на необходимое число циклов для получения требуемой структуры (вытяжки) смеси ..53
2.5. Валковое смешение 56
2.5.1. Геометрия очага деформации 56
2.5.2. Кинематика очага деформации 63
2.5.3. Модель валкового смешения, учитывающая циркуляционную зону в очаге деформации 66
2.6. Основные результаты 78
3. Разработка и исследование оперативных методов контроля качества не вулканизированных абразивных смесей 81
3.1. Состояние вопроса и постановка задачи 81
3.2. Исследование и анализ ультразвукового импульсного метода контроля качества абразивных смесей 84
3.2.1. Исследование точности измерения скорости ультразвука 85
3.2.2. Исследование влияния содержания абразивного зерна на скорость ультразвукового импульса 94
3.2.3. Заключение по разделу 3.2 97
3.3. Фотометрический метод исследования качества смеси 98
3.4. Анализ статистических критериев качества смесей 102
3.5. Основные результаты 107
4. Экспериментальные исследования 108
4.1. Исследование остаточных деформаций сдвига при валковом смешении 108
4.2. Исследование диспергирования при валковом смешении 112
4.3. Зависимость качества смеси от числа циклов 115
4.4. Исследование и анализ макросмешения 118
4.4.1. Первая стадия макросмешения (формирование двухслойной композиции полуфабриката) 119
4.4.2. Вторая стадия макросмешения 122
4.4.2.1. Исследование влияния секундного объема подрезки на продолжительность смешения 123
4.4.2.2. Поиск и исследование технологических приемов, повышающих эффективность макросмешения 125
4.5. Основные результаты 130
5. Выводы по работе 131
Список литературных источников 136
Приложение 144
- Нестационарные эффекты процесса валкового смешения
- Динамика изменения структуры смеси при микросмешении
- Исследование и анализ ультразвукового импульсного метода контроля качества абразивных смесей
- Первая стадия макросмешения (формирование двухслойной композиции полуфабриката)
Введение к работе
Исследования, проведенные Business Communications Company, показывают, что мировое потребление абразивной продукции оценивается в 21-22 млрд. $ в год, а ежегодный рост общемирового рынка абразивной продукции в ближайшей перспективе составит порядка 3,4 %.
Потребление абразивов по регионам мира пропорционально величине и структуре ВВП стран и регионов. Прогнозируемое к 2010 г. увеличение ВВП России в 2 раза дает основание полагать о соответствующем увеличении на внутреннем рынке спроса на абразивную продукцию.
В основе производства абразивного инструмента лежат процессы получе ния абразивных материалов, многокомпонентных связок, приготовления абра зивных смесей и формования из них готовых изделий методами обработки ма териалов давлением. Качество абразивного инструмента, уступающее в настоя- щ щее время мировым стандартам, формируется на всех стадиях технологическо- го процесса.
Вопросам производства абразивных материалов [1-6], поиска оптималь ного состава абразивных смесей [7-13], совершенствования оборудования и технологии изготовления абразивного инструмента методами обработки давле нием [14-18], а также контролю качества готового абразивного инструмента [19- 21] уделяется достаточно большое внимание. % Значительный вклад в теорию и практику абразивного производства вне- сли работы Б.А. Чаплыгина [22 ], В.А. Павлова [23], В.Н. Дятлова [24], а также ученых кафедры МиТОМД Южно-Уральского государственного университета [25-29 и др.].
Особое место в производстве абразивного инструмента занимает процесс приготовления абразивных смесей. Затраты на производство абразивных смесей и их качество в значительной мере определяют себестоимость и качество гото- вой продукции. Вместе с тем процесс приготовления смесей является узким ме- стом в производстве абразивного инструмента, одной из наиболее трудоемких и энергоемких операций.
Недостаточная изученность процесса валкового смешения в целом и механизма смешения в частности, отсутствие научно обоснованных методов прогнозирования качества смесей, а также надежных оперативных методов контроля качества смесей сдерживают разработку эффективных технических решений, которые бы позволили полнее реализовать потенциальные возможности процесса валкового смешения. Решению указанных актуальных вопросов и посвящена настоящая работа.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Проблема получения качественных смесей выходит за рамки абразивного производства. В частности, операция смешения применяется в резинотехнической промышленности для смешения каучуков с различными наполнителями (ингредиентами). В зависимости от состава смеси и физико-механических свойств ее компонентов смешение осуществляется на различном оборудовании. В практике смешения используются смесители валковые, роторные, дисковые, статические, червячные с переменной нарезкой червяка и корпуса, электрогидравлические, роторно-пульсационные и др. [35-38].
Абразивную смесь, представляющую механическую композицию с различным долевым отношением вулканитовой связки и абразивного материала, получают методом валкового смешения.
Нестационарные эффекты процесса валкового смешения
При смешении вулканитовой связки с абразивным материалом существует проблема так называемых нестационарных эффектов, характеризующихся нарушением ламинарного потока и возникновением эластической турбулентности - нерегулярное течение с надрывами поверхности ленты или полным ее разрывом при некоторых критических скоростях. Подобные явления наблюдаются и при переработке резиновых смесей [32].
В начальный период смешения может возникнуть скольжение материала относительно инструмента. При этом процесс смешения практически прекращается, поскольку сдвиговые деформации не реализуются из-за нарушения граничного условия вязкого течения. Кроме скольжения может иметь место так называемое «шубление» или «мешкование» (свисание смеси): смесь отходит от валков, рвется и переходит произвольно с валка на валок. Иногда происходит обратное явление - прилипание к валку в такой степени, что съем ленты без повреждения становится практически невозможным. Возникновение указанных аномалий предположительно объясняется [33] нарушением оптимальных соотношений напряжений внутреннего и внешнего трений и сил когезионного и адгезионного взаимодействия смеси с металлическими поверхностями инструмента. Следует заметить, что при фрикционном взаимодействии резиновых смесей с металлом коэффициент трения по Кулону может изменяться в диапазоне от 0,5 до 5 [34].
Вулканитовая связка производится на основе каучуков. Каучуки относятся к аморфным полимерам и в условиях переработки (80-100 С) находятся частично или полностью в высокоэластичном состоянии. При этом их вязкость составляет 103-104 Па с, ярко выражены эластические и адгезионно - фрикционные свойства. Наполненные каучуки могут проявлять и свойства твердого тела (предел текучести, граничное скольжение и др.) [31,38], поэтому каучуки перерабатывают при температурах, соответствующих области перехода от высокоэластичного состояния в вязкотекучее [39].
Таким образом, каучуки обладают комплексом свойств, характерных как для вязкой жидкости, так и для упругого твердого тела. Вязкость каучуков зависит от объемного содержания наполнителя [40].
Учитывая перечисленные выше особенности поведения каучуков, а также тот факт, что в процессе смешения соотношение компонентов в различных объемах смеси различно и непрерывно изменяется в процессе смешения непрогнозируемым образом, корректное описание реологических свойств композицион- ного материала смеси с привязкой к избранной системе координат практически невозможно. В дальнейшем для учета реологии абразивной смеси будем пользоваться приближенными зависимостями, рекомендованными в работе [68].
При смешении выделяют два основных процесса, действующих одновременно: диспергирующее смешение и простое смешение. Диспергирующим смешением называют процесс, в результате которого происходит уменьшение размеров частиц, и увеличение поверхности раздела фаз. При простом смешении происходит перемещение частиц из одной точки смеси к другой. В результате простого смешения увеличивается равномерность распределения частиц в смеси без уменьшения их первоначальных размеров [34,41]. Простое смешение определяется главным образом накопленной деформацией сдвига, а диспергирующее смешение зависит от напряжений сдвига или вязкости смеси [42]. Механизмы диспергирующего и простого смешения существенно отличаются. Для оценки деформации сдвига при простом смешении необходимо знать кинематику течения материала, которая зависит от геометрии смесительной зоны, характера взаимодействия ингредиентов смеси с поверхностью инструмента, реологических особенностей среды и ряда других факторов. Известен ряд работ, посвященных анализу кинематики течения материала при валковом смешении [43-46]. Торнер и Добролюбов [43] впервые показали наличие в зоне деформации области циркуляционного течения. Позднее Анкером [44] была изучена качественная картина течения и определены две выраженные замкнутые зоны противотока, смещенные относительно оси симметрии (рис. 1.2). Размер зон противотока и их положение относительно оси симметрии определяются многими факторами, наиболее существенными из которых являются величина запаса и фрикция валков. Под запасом следует понимать избыточный на входе в очаг деформации объем материала по сравнению с пропускной способностью зазора между валками. Рис. 1.2. К анализу кинематики очага деформации при валковом смешении Более подробный анализ кинематики течения материала при валковом смешении, приведенный в работе [47], свидетельствует о многообразии форм качественной картины вальцевания. В соответствии с этой работой при входе в рабочий зазор лента толщиной (1.3-1.4) h} (h} - минимальный зазор между валками) расчленяется, и слой полимера толщиной (0,5-0,7) ht вследствие адгезии к валку движется вместе с ним, формируя одну поверхность полосы. Остальные слои перемещаются по траектории, огибающей верхнюю часть запаса материала.
Динамика изменения структуры смеси при микросмешении
Процесс валкового смешения сопровождается периодической подрезкой полуфабриката и возвратом его фрагментов в виде разномерных кусков в зазор между валками (очаг деформации). В зазоре, благодаря прилипанию смеси к поверхности. валков и различию их окружных скоростей, преимущественно происходит деформация сдвига.
Известные теории смешения [42 и др.] в основном посвящены анализу зависимости параметров смеси от степени деформации сдвига. Роль подрезки ограничивается очевидным соображением о полезности периодической переориентации материала в смесителе без какой-либо количественной оценки. Вероятно, по этой причине отсутствуют научно обоснованные рекомендации по режимам подрезки. Вместе с тем опыт показывает, что без подрезки за допустимое время смешения качественную абразивную смесь практически не получить [80]. Таким образом, роль подрезки значительна, а изучение влияния режимов подрезки на результаты смешения является актуальным.
Традиционно подрезка ассоциируется со вспомогательной операцией, что не способствует пониманию фактической ее роли в формировании качества смеси. При подрезке полуфабрикат разделяется на отдельные фрагменты, которые в процессе возврата в валки перемещаются относительно друг друга и получают случайную ориентацию относительно направления потока полуфабриката в смесителе. Иначе говоря, подрезка обеспечивает простое механическое смешение фрагментов полуфабриката как жестких недеформируемых тел, способствуя получению квазиоднородной смеси. При этом в объеме фрагментов смесь не однородна.
Фрагменты, поступившие в межвалковый зазор, получают деформацию сдвига, которая обеспечивает взаимное перемещение малых по сравнению с фрагментами полуфабриката материальных частиц (в нашем случае абразивных зерен размером от 0.001 до 2 мм.) и, как следствие, смешение внутри фрагментов. На основании изложенного механическое смешение относительно крупных фрагментов при подрезке можно квалифицировать как макросмешение, а смешение деформацией сдвига - микросмешением.
Микро и макросмешение, имеющие в своей основе различные механизмы, в зависимости от поставленных задач могут осуществляться как независимо друг от друга, так и совместно. В последнем случае макросмешение наряду с выполнением своей непосредственной задачи, вероятно, будет влиять на процесс микросмешения по причине нарушения замкнутости траекторий движения материальных частиц и изменения ориентации компонентов смеси относительно направления потока в смесителе (очаге деформации). Заметим также, что макросмешение не следует отождествлять только с подрезкой. Макросмешение осуществляется вне зоны микросмешения. В принципе эта операция может быть осуществлена вне валкового смесителя либо непосредственно перед входом в валки на основе соответствующих технических решений.
Наряду с актуальностью изучения вопросов, связанных с макросмешением, по-прежнему остаются актуальными вопросы более глубокого изучения механизма микросмешения. В частности, для условий валкового смешения в известных работах допускается однородный сдвиг по сечению очага деформации; не учитывается наличие циркуляционной области при прогнозировании результатов смешения; аналитически не учитывается вклад макросмешения в эффективность микросмешения. Прогнозирование качества смеси и времени смешения до получения требуемого качества нуждается в совершенствовании соответствующих аналитических критериев.
В первой главе отмечалось, что для аналитического прогнозирования результатов смешения необходимо знать критическое значение деформации сдвига, обеспечивающее качественное смешение. Можно полагать, что критическое значение деформации сдвига удастся установить на основе анализа динамики изменения структуры смеси от некоторого заданного исходного состояния до структуры идеальной смеси по мере увеличения деформации сдвига.
Усреднив форму и размеры дискретных элементов твердой фазы, под идеальной смесью будем понимать смесь с упорядоченным расположением дискретных элементов по всему объему смеси, например, в виде кубической решетки с элементами твердой фазы в вершинах куба (рис. 2.1.). Такое представление об идеальной смеси предполагает постоянство толщины слоя вязкой фазы, обволакивающего поверхность дискретного элемента. (d = с).
Основной характеристикой идеальной смеси будет являться форма и размеры представительного элемента (рис.2.2.) - минимально возможного объема, в пределах которого соблюдается требуемое долевое отношение объемов вязкой и твердой фаз.
Исследование и анализ ультразвукового импульсного метода контроля качества абразивных смесей
Испытуемый образец помещается между контактами источника и приемника ультразвукового импульса. Контакты прижимаются к поверхностям образца. Усилие прижатия инструкцией к прибору «Импульс» не регламентируется. Инструкцией предусмотрена настройка показаний по эталону, который входит в комплект поставки. Эталон представляет брусок квадратного сечения, изготовленный из органического стекла. Контакты прибора прижимаются к эталону до появления устойчивых показаний времени на цифровом табло прибора, после чего с помощью ручной регулировки показания времени корректируются до значения, равного 19.4 мкс. Прибор согласно инструкции считается готовым к работе.
Испытуемый образец помещается между контактами источника и приемника ультразвукового импульса. Контакты прижимаются к поверхностям образца до появления устойчивых показаний иремени (t,MKc) прохождения ультразвукового импульса через образец. После регистрации времени штангенциркулем измеряется расстояние (L,MM) между контактами прибора (толщина образца). Скорость прохождения импульса рассчитывается по формуле
В процессе пробных испытаний было установлено, что при ручном прижатии контактов к нежестким образцам, каковыми и являются образцы из абразивной смеси, показания времени не стабилизируются, что не позволяет визуально зафиксировать однозначную информацию о времени. Было сделано предположение о том, что причиной указанного недостатка прибора может быть нестабильность усилия при ручном прижатии контактов. Для стабилизации усилия было изготовлено приспособление, в котором постоянство усилия обеспечивалось статической нагрузкой (рис.3.1).
Первая серия опытов проводилась на образцах из вулканитовой связки, как частного случая абразивной смеси с нулевым содержанием мелко дисперсной твердой фазы, характеризующегося наиболее выраженными вязкими свойствами.
Из вулканитовой связки подготавливались образцы различной толщины (от 6.5 мм до 15 мм.). На каждом образце опыт повторялся 20 раз при усилии прижатия 5 Н. По результатам измерений определялась дисперсия скорости, математической ожидание (с). среднее квадратичное отклонение а также средняя величина.
В ходе опытов наблюдалось прилипание связки к контактам. В связи с этим опыты были повторены со смазкой индустриальным маслом места контакта датчиков с образцом. Результаты опытов представлены в табл.3.1. и 3.2.
Изложенные экспериментальные факты дают основание полагать, что в сырой вулканитовой связке в отличие от твердой упругой среды скорость ультразвукового импульса не определяется однозначно механическими свойствами связки. В подобной ситуации не следует исключать несовершенство методики проведения опытов. В частности на пути ультразвукового импульса могли иметь место случайные и неадекватные от образца к образцу препятствия в виде пор; при статической нагрузке и высокочастотных колебаниях могло происходить уплотнение связки и, наконец, могло происходить упруго-вязкое течение связки под действием статической нагрузки и высокочастотных колебаний (вибрации). Традиционная методика измерений не позволила исключить возможные нежелательные явления.
Несмотря на неудовлетворительные результаты опытов, проведенных на образцах из сырой вулканитовой связки, было принято решение продолжить исследования на образцах из абразивной смеси, представляющей композицию связки и абразивного материала с превышением массовой доли абразивного материала в 2-5 раз, что практически имеет место. При этом полагали, что значительная доля абразивного материала в смеси устранит побочные и неконтролируемые процессы, которые предположительно происходят в сырой связке в процессе испытаний.
К испытаниям были подготовлены образцы из абразивной смеси с долевым отношением связки к абразивному материалу 1:5. Образцы имели различную номинальную толщину. Варьировался и вид смазки. Усилие прижатия равнялось 5 Н. Результаты опытов представлены в табл. 3.3.
Прилипание смеси к датчикам не наблюдалось. Вероятно по этой причине вид смазки не оказал какого-либо заметного и закономерного влияния на точность показаний. Точность измерений, кроме опытов на образцах толщиной 31 мм и 36.5 мм, достаточно стабильна со средней относительной ошибкой 0.012 -0.020 (1.2% - 2%). Зависимость скорости импульса в диапазоне изменения толщины образца от 9.5 мм до 24.5 мм имела закономерный характер (рис. 3.3) в отличие от опытов с сырой связкой (рис.3.2). Снижение интенсивности изменения скорости при увеличении толщины образцов позволяет сделать предположение о затухающем влиянии какого-то фактора на скорость импульса с увеличением пути, который проходит ультразвуковой импульс. К такому фактору можно отнести границу перехода от датчика к образцу, отличающуюся по свойствам от свойств материала образца. При неизменных свойствах границы влияние ее на скорость импульса с увеличением толщины образца по понятным причинам должно уменьшаться, что и наблюдаем в опытах.
Первая стадия макросмешения (формирование двухслойной композиции полуфабриката)
Качественно проведенная первая стадия макросмешения должна обеспе чить постоянство суммарной толщины двухслойной полосы и толщины ее ком понентов, т.е. толщины слоя связки и абразивного материала. В реальных усло виях имеет место как продольная, так и поперечная разнотолщинность полосы в целом и ее компонентов в частности. Причиной разнотолщинности является во гнутый профиль образующей валков в результате износа, а также нестационар ность условий роспуска связки и последующего поступления абразивного мате риала в очаг деформации. Нестационарность обусловлена изменением геомет рии и уменьшением в процессе указанных операций объемов связки и абразив ного материала на входе в очаг деформации (можно провести аналогию с про каткой полосы, которая в исходном состоянии имеет переменное по форме и уменьшающееся поперечное сечение). Фрагменты полуфабриката, полученные подрезкой разнотолщишюй полосы (вторая стадия макросмешения) и подлежа щие микросмешению, будут иметь различное соотношение вязкой и твердой фаз, что определенным образом отразится на результатах микросмешения. В связи с изложенным была поставлена задача экспериментального исследования влияния состояния двухслойного полуфабриката смеси на результаты смеше ния. Существующая технология предусматривает дискретную во времени и неравномерную вдоль оси валков засыпку абразивного зерна. Засыпанное зерно сосредотачивается в виде конуса в средней части межвалкового зазора. Логично предположить, что равномерная по длине зазора и постепенная во времени подача зерна в зазор между валками положительно отразится на качестве двухслойного полуфабриката и дальнейшем смешении.
Для обоснования этой предпосылки был проведен эксперимент. Исследования проводились на лабораторных смесительных вальцах ЗАО «Росси» с номинальным диаметром рабочих валков 160 мм и рабочей длиной бочки 320 мм. Фрикция составляла 1,25. В качестве исходных материалов использовалась вулканитовая связка СТ, приготовленная на промышленной смесительной машине СМПД 1500, и абразивный порошок электрокорунда нормального по ГОСТ 28818-90 до зернистости 16. Соотношение массы связки к массе абразивного зерна составляло 2,5 (на 500 г. связки приходилось 200 г. электрокорунда). Исследовали три варианта засыпки абразивного зерна: существующий ло кальный, равномерный по длине валков, равномерный по длине валков и постепенный во времени. Для реализации последнего варианта использовали бункер с конусным сечением внутренней полости и зазором в вершине конуса. Одна из продольных стенок бункера была выполнена подвижной, что обеспечивало плавное изменение указанного зазора и, как следствие, регулирование времени засыпки. Длина бункера равнялась длине рабочей части бочки валков. По каж дому варианту засыпки опыт повторялся три раза. Анализ поперечных сечений двухслойного полуфабриката показал, что соотношение толщин его компонентов не постоянно, а изменяется как в поперечном, так и продольном направлениях.
Наибольшая (до 50% и выше) разно-толщинность компонентов имеет место при локальных вариантах засыпки абразивного материала, а наименьшая (не более 20%) при равномерной засыпке. Установлено также, что при локальной и равномерной вдоль оси валков засыпке абразивного материала поверхностный слой связки, контактирующий с ведущим валком, перенасыщается абразивным зерном практически в течение первого оборота валка, после чего избыток зерна на выходе из очага деформации осыпается с поверхностного слоя связки, что приводит к необходимости его возврата в зазор между валками по мере смешения. Дальнейшее смешение без подрезки (второй стадии макросмешения) практически не способствовало прониканию дискретных элементов твердой фа зы в слой вязкой фазы. После 11 минут смешения в результате повышения тем пературы смеси произошла ее вулканизация, после чего дальнейшее смешение стало невозможным. При смешении с подрезкой проникание зерна на всю толщину полуфабриката достигалось за 5 минут смешения независимо от варианта засыпки зерна. Результаты эксперимента позволяют сделать два важных вывода [80]: 1). Способы засыпки зерна в очаг деформации, влияя на качество двух слоино композиции, практически не влияют на продолжительность смешения при наличии подрезки. 2). Без подрезки смешение слоев двухслойной композиции полуфабриката практически не достигается, что подтверждает теоретические предпосылки о влиянии ориентации компонентов смеси к направлению потока на эффективность микросмешения. Способ засыпки зерна, не отражаясь существенно на эффекте смешения, может оказать заметное влияние на износ валков. Наличие избытка зерна в очаге деформации фактически означает, что через жесткую поверхность валка и относительно жесткую поверхность перенасыщенного поверхностного слоя связки пропускается абразивное зерно, что и является основной причиной повышенного износа валков. Постепенная подача зерна, обеспечивающая баланс между его поступлением на контактную поверхность и внедрением его в связку, исключает прохождение избыточного зерна через зазор между валками. Равномерная по длине зазора загрузка зерна очевидно должна привести к снижению неравномерности износа и исключить перегрузки привода в момент пуска стана.
