Введение к работе
Актуальность проблемы. К настоящему времени созрела настоятельная необходимость перевода промышленности и всего народного хозяйства на новые современные экологически чистые ресурсосберегающие технологии. Решению этой задачи может способствовать увеличение производства и широкое внедрение полимеров и композитов на их основе в различных отраслях тяжелой, легкой и пищевой промышленности. Это ставит перед исследователями, конструкторами и технолога ряд новых проблем и требует более углубленных и всесторонних исследований способов получения и переработки полимерных материалов, в том числе создания математических моделей различных химико-технологических процессов. Математическое моделирование позволяет получать как качественную, так и количественную информацию о процессах и явлениях, происходящих в элементах технологического оборудования, что значительно облегчает проектирование и оптимизацию режимов соответствующего процесса.
Несмотря на большие успехи в теории и математическом моделировании процессов переработки полимеров. в области одношнековой и особенно двушнековой экструзии остается нерешенным целый ряд проблем. Так, недостаточно изучено влияние геометрии сечения винтового канала и утечек через зазоры на локальные и интегральные характеристики потока в одношнековых машинах. Не дано удовлетворительного объяснения и описання явления резкого падения расхода при неизменных значениях задаваемых параметров, получившего название "срыва массы с рифов". Недостаточно изучена гидродинамика и теплоперенос в двухшнековых машинах и аппаратах с встречной винтовой нарезкой по корпусу и шнеку. Успехи и достижения в математическом моделировании и широкое распространение персональных компьютеров не привели до сих пор к созданию математического обеспечения автоматизированного рабочего места (АРМ) технолога-конструктора экструэионного оборудования.
В то же время рассмотрение всех этих вопросов является исключительно важным с точки зрения научно обоснованного проектирования, улучшения качества продукции, создания новых методов переработки. Поэтому разработка методов расчета процесса
экструзии полимеров и композиций на одно- и двухчервячных машинах с учетом гидромеханических, тепловых и ориентационных явлений, направленная на создание математического обеспечения автоматизированного рабочего места конструктора-технолога экструзионного оборудования является весьма актуальным направлением, содержащим научную новизну и имеющим практическую ориентацию.
Цель работы
I.Развитие теоретических основ экструзионной переработки полимеров и дисперсных систем, включающее разработку универсальных методов расчета одно- и двухчервячных экструдеров, а именно:
-разработка эффективных математических моделей и методов расчета экструзионного оборудования с учетом реальной геометрии винта, техмерности потоков, неизотермичности, проскальзывания и утечек через зазоры,
-описание реологического поведения и расчет явления срыва в шнеке дисперсных материалов с ориентационной анизотропией свойств, наведенной гидродинамикой потоков,
-создание методик расчета процессов проходного прессования крупногабаритных изделий из термопластов с учетом изменения формы экструдата -под действием сил собственного веса, нанесения теплоизоляционных покрытий на тонкостенные оболочки методом интрузии,
-создание на основе разработанных моделей и методов расчета математического обеспечения автоматизированного рабочего места САРМЗ технолога-конструктора на базе персональных компютеров, внедрение АРМ в практику предприятий и конструкторских бюро.
Научная новизна. На основании фундаментальных положений механики сплошных сред и вычислительной математики с единых методологических позиций впервые построены кваэитрехмерные и трехмерные модели одношнековой экструзии, учитывающие реальную геометрию шнек-винта, неиэотермичность процесса. наведенную потоком анизотропию свойств перерабатываемого материала, возможность проскальзывания материала по стенкам канала, утечки через зазоры между корпусом и ребордой.
Впервые построены гидродинамические модели коротационных и контрротационных двухшнековых машин с плотно зацепляющими витками, содержащие в качествне неизвестных три компоненты
вектора скорости, давление, распределенную нагрузку на реборду и температуру. Для этих моделей на базе метода конечных элементов созданы вычислительные программы, составляющие основу математического обеспечения автоматизированного рабочего места конструктора- технолога экструзионного оборудования. Это позволило провести исследования ряда технологических процессов и получить следующие новые результаты:
-определен диапазон применим; сти одномерных, двумерных и квазитрехмерных моделей расчета одночервячных экструдеров;
-на базе кваэитрехмерных моделей расчета исследовано влияние проскальзывания и утечек через зазоры на силовые, кинематические и расходно-напорные характеристики одночервячных экструдеров;
-впервые получены трехмерные поля скоростей в С-образной полости двухчервячных экструдеров, определено влияние валкового зазора на производительность и перепад давления;
-определены критериальные условия, при которых реализуется немонотонность расходно-напорных характеристик экструзионных головок, дано их экспериментальное подтвеждение;
-на основании впервые проведенного решения задачи об изменении формы экструдата под действием сил собственного веса показана принципиальная разница естественного и принудительного охлаждения при экструзии крупногабаритных изделий;
-предложено два механизма явления срыва массы с рифов: первый связана с неизотермичностью процесса и немонотонностью расходно-напорных характеристик шнек-винта и головки, второй - с ориентацией анизометричных частиц в дисперсных материалах; сформулированы необходимые и достаточные условия возникновения срыва;
-вперые исследована гидродинамика потоков в экструдерах с сопряженной нарезкой по шнек-винту и корпусу в условиях прилипания и абсолютного скольжения, показано, что скольжение как по винту, так и по корпусу играет положительную роль при невысоких перепадах противодавления.
Практическая значимость. На основе разработанных методов расчета шнек-винтов и экструзионных головок определен диапазон допустимых режимов проходного прессования крупногабаритных изделий из термопластов, обеспечивающих в пределах допуска
сохранение формы изделия под действием сил собственного веса. Результаты внедрены в НПО им.Кирова Сг.Пермь) с экономической эффективностью 300 тыс. руб.
Предложена и внедрена принципиально новая схема процесса нанесения теплоизоляционных покрытий на внутреннюю поверхность тонкостенных оболочек. Экономический эффект от внедрения новой схемы на НПО"Искра" составил 441.9 тыс.руб.
На основе расчета экструзии трансверсальноизотропных дисперсных материалов даны практические рекомендации по изменению конструкции шнековых аппаратов, снижающие возможность срыва массы с рифов. Работа выполнена по постановлению диррективных органов и принята комиссией Министерства общего машиностроения СССР.
Разработанные математические модели и методы расчета составили основу для математического обеспечения автоматизированного рабочего места САРМ) технолога-конструктора. Работа АРМ организована на двух предприятиях ПСГКамкабель" и КБ машиностроения. г.Пермь.
Автор защищает
I.Новые квазитрехмерные и трехмерные модели и методы расчета одно-, и двухчервячных экструзионных машин для переработки полимеров и дисперсных систем.
2.Результаты исследований по гидродинамике и теплообмену аномальновяэких расплавов полимеров и трансверсальноизотропных дисперсных материалов в дозирующих зонах экструзионных машин.
3.Тепловой и ориентационный механизм срыва массы с рифов. Необходимые и достаточные условия его реализации.
4.Новую принципиальную схему нанесения теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность тонкостенных оболочек.
5.Принципы построения и математическое обеспечение автоматизированного рабочего места конструктора-технолога на базе персональных компьютеров.
Личное участие автора
Все научные задачи и направления исследований, результаты которых представлены в диссертации, задуманы и поставлены автором. Основные результаты получены лично автором. Экспериментальные работы и отладка вычислительных програм'.:
проводились в соавторстве с сотрудниками Института механики сплошных сред УрО АН СССР.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертационной работы докладывались на: П-й Всесоюзной конференции "Современные проблемы тепловой конвекции",Пермь.1975; Всесоюзном симпозиуме "Теория механической переработки полимеров",Пермь,1976.1983.1985; YI Всесоюзном семинаре по численным методам механики вязкой жидкости.Пермь,1976; П-й Всесоюзной конференции по механике аномальных систем, Баку, 1977; Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия". Москва,1982,1986; Всесоюзная конференция по прочности и пластичности. Пермь. 1983; УП школе-семинаре "Метод конечных элементов в механике деформируемых тел". Запорожье, 1985; конференции "Химические активные смеси". Пермь, 1986; Ш-й Всесоюзной научно-технической конференции "Композиционные полимерные материалы - свойства, производство и применение".-Москва.1987; областной научно-технической конференции "Математическое моделирование в процессах производства и переработки -полимерных материалов". Пермь, 1988; П-й Всесоюзной научно-технической конференции "Реология и оптимизация процессов переработки полимеров", Ижевск. 1989; XY-м Всесоюзном симпозиуме по реологии. Одесса. 1990; Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование технологических процессов обработки материалов давлением". Пермь. 1990; Международном симпозиуме генерация макроструктур в механике сплошных сред". Пермь-Москва. 1990.
Часть результатов вошла в отчет АН СССР "Важнейшие результаты в области естественных и общественных наук за 1986г".
Список публикаций, отражающих основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата.
Структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов и списка цитируемой литературы и приложения.