Введение к работе
Актуальность работы. Несмотря на бурное развитие теории переработки пластмасс в некоторых отраслях по-прежнему превалирует эмпиризм в проектировании и эксплуатации шнековых машин.
До настоящего времени для некоторых видов пластмасс не удается, не только оптимизировать, но даже стабилизировать процесс одношнекового формования в силу недостатка знаний о физико-механических свойствах этих пластмасс и, как следствие, несовершенства конструкции и неоптимальных технологических параметров формования.
Пластические массы в широком смысле, принятом в данной работе, это не только гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты, реактопласты и эластомеры), но и высоконаполненные дисперсные гетерофазные системы, физико-механические свойства которых допускают их переработку, в том числе шнековое формование, например: высоко концентрированные растворы целлюлозы и ее производных, высоконаполненные смеси биополимеров, катализаторные массы и другие высоконаполненные растворы и суспензии. Далее в тексте перечисленные пластмассы будем называть высоконаполненными дисперсными композициями (ВДК).
Эмпирические подходы в поиске оптимальной конструкции одношнекового пресса и параметров формования ВДК не приводят к успеху. Главной проблемой остается потеря устойчивости процесса формования ВДК, часто называемая срывом массы - это прекращение процесса формования. При этом давление в предматричной зоне резко падает до нуля, масса вращается на шнеке и скользит по поверхности когезионного разрыва в зазоре между корпусом и шнеком, возникает локальный перегрев массы за счет внутреннего и внешнего трения, что в итоге приводит к механической и термической деструкции ВДК. Поэтому требуется срочная остановка всей технологической линии, очистка оборудования и новый запуск. Для некоторых ВДК срыв массы ведет к взрыву, потере оборудования и человеческим жертвам.
Нестабильность процессов шнекового формования ВДК и отсутствие прогноза потери устойчивости, выявили необходимость более тщательного изучения физико-механических свойств ВДК и построения новой математической модели процесса шнекового формования ВДК с учетом возможного срыва массы.
Цель работы. Выявить причины неустойчивости формования ВДК в одношнековом прессе, разработать рекомендации по их устранению, создать инструмент исследования физико-механических свойств и процесса шнекового формования ВДК с учетом неустойчивости. Научная новизна.
Предложена количественная оценка предела сдвиговой прочности ВДК на основе предельной деформации сдвига, накопленной ВДК в поле сдвиговых напряжений, при превышении которой ВДК терпит локальный когезионный разрыв, который далее лавинообразно распространяется по наиболее напряженному сечению.
Разработана методика оценки предела сдвиговой прочности ВДК на основе анализа сдвиговой ползучести. Выполнено математическое описание
зависимости предела сдвиговой прочности ВДК от температуры, давления и соотношения жидкой и твердой фаз.
Предложен критерий устойчивости формования ВДК в одношнековом прессе, основанный на сравнении предельной деформации сдвига ВДК с расчетной сдвиговой деформацией ВДК в наиболее напряженном аксиальном сечении канала шнека в предматричной зоне. Выявлены области устойчивого и неустойчивого формования ВДК в пространстве конструктивных и технологических параметров.
Разработаны методики экспресс-оценки качества формования ВДК и потери высоколетучей жидкой фазы ВДК на основе исследования компрессионных свойств ВДК прессованием в замкнутом объеме.
Разработана математическая модель процесса формования ВДК с учетом неустойчивости для анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, а также систем управления процессом в условиях периодически изменяющихся внешних условий. Модель учитывает сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности (срыв массы) и проскальзыванием на стенках каналов.
Разработана методика оценки границ области угрозы устойчивости с заданным запасом устойчивости в пространстве конструктивных параметров одношнекового пресса и технологических параметров режима формования.
Практическая ценность. Разработан инструмент исследования — пакет моделирующих программ (ПМП) в составе разрабатываемого аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс», который обобщает накопленный опыт исследований физико-механических свойств и условий формования ВДК в одношнековом прессе с учетом неустойчивости.
Основу ПМП составляют вновь разработанные методики: оценка предела сдвиговой прочности ВДК, экспресс-оценка качества формования ВДК и экспресс-оценка состава высоколетучей жидкой фазы ВДК, а также существующие методики исследования физико-механических свойств пластмасс и методики математического моделирования одношнекового пресса.
С использованием ПМП выполнены исследования физико-механических свойств высококонцентрированных растворов этилцеллюлозы и поверочные расчеты действующих одношнековых прессов, выбраны оптимальные конструктивные и технологические параметры формования по производительности и мощности с ограничениями по устойчивости.
Предложен ряд новых конструкций одношнековых прессов, позволяющий увеличить их производительность за счет значительного повышения устойчивости формование ВДК и, таким образом, существенно снизить потери сырья и энергии. Новые конструкции защищены патентами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: III Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных ХТС", Таллин, 1982; 2-ой Международной конференции, посвященной памяти академика Г.К. Борескова. Новосибирск, 1997; 121 Conference "Process Control '99", Bratislava, 1999; 2-ой Международной конференции "Образование и устойчивое развитие общества", Москва, 2004.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них - 7 в научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертации, авторских свидетельств и патентов - 4.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 166 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок, 34 таблицы и 9 приложений. Список литературы содержит 241 наименований.
