Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние технологий и оборудования для изготовления длинномерных резино технических изделий методом экструзии 9
1.1 Непрерывные методы получения длинномерных вулканизованных изделий из резиновых смесей. 9
1.1.1 Основные способы непрерывной вулканизации длинномерных резиновых технических изделий 12
1.1.2 Способы интенсификации процесса вулканизации 16
1.2 Теоретическая и экспериментальная оценка степени вулканизации 19
1.2.1 Показатели степени вулканизации резиновых смесей 21
1.2.2 Экспериментальная оценка степени вулканизации 24
1.2.2.1 Химические методы определения степени вулканизации 25
1.2.2.2 Физико-химические методы определения степени вулканизации 25
1.2.2.3 Механические (специальные) методы определения степени вулканизации 27
1.3 Математическое моделирование сложно-сдвигового течения в кольцевом цилиндрическом канале 30
1.4 Оптимизация процесса диссипативного разогрева резиновых смесей при профилировании в сдвиговых головках 39
ГЛАВА 2. Математическая модель неизотермического течения аномально-вязкой жидкости в кольцевом канале сдвиговой головки при экструзии 47
2.1 Формулировка задачи теоретического исследования 47
2.2 Уравнения математической модели 48
2.2.1 Математическая модель двумерного течения вязкой жидкости в кольцевом канале диссипативной головки 48
2.2.2 Математическая модель теплообмена при течении аномально-вязкой жидкости в сдвиговой головке 54
2.2.3 Математическое описание процесса подвулканизации в зоне деформации диссипативной головки 57
2.3 Метод и алгоритм решения математической модели 61
2.4 Анализ результатов расчета 70
2.5 Результаты и выводы по главе 82
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса экструзии резиновых смесей с применением сдвиговой головки ... 84
3.1 Формулировка задачи экспериментального исследования 84
3.2 Исследование процесса неизотермического винтового течения материала в диссипативной головке к экстру деру 85
3.2.1 Описание экспериментальной установки 85
3.2.1.1 Устройство и принцип действия 85
3.2.1.2 Средства измерения и контроля 89
3.2.2 Методика проведения эксперимента по определению температуры и энергосиловых характеристик процесса диссипции 89
3.2.3 Результаты экспериментальных исследований 91
3.2.3.1 Исследование влияния конструктивных параметров головки на температуру заготовки на выходе из зоны диссипации 91
3.2.3.2 Влияние частоты вращения цилиндра диссипативной головки на температуру заготовки 92
3.2.3.3 Исследование зависимости энергосиловых характеристик процесса от режимов переработки и геометрических параметров головки 95
3.2.4 Оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных 98
3.2.4.1. Обработка результатов наблюдений и оценка погрешности результатов измерений 98
3.2.4.2 Сопоставительный анализ теоретических и экспериментальных результатов 101
3.3 Проверка метода оценки степени подвулканизации экструдируемых заготовок с помощью модифицированного критерия Бейли 105
3.3.1. Описание экспериментальной установки 106
3.3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 109
3.3.3 Определение вулканизационных характеристик экструдируемых заготовок 110
3.3.3.1 Обработка полученных кинетических кривых вулканизации 111
3.3.3.2 Анализ результатов 114
3.4 Результаты и выводы по главе 116
ГЛАВА 4. Применение разработанной модели в прикладных расчетах и оптимизация процесса экструзии резиновых смесей 118
4.1 Расчет полезной мощности привода вращения цилиндра диссипа-тивной головки 118
4.2 Оптимизация процесса диссипативного разогрева резиновых смесей, склонных к подвулканизации 121
4.2.1 Постановка задачи оптимизации 121
4.2.2 Определение пределов варьированья управляющими параметрами процесса диссипативного разогрева 124
4.2.3 Метод расчета оптимальных параметров экструзионного оборудования для получения длинномерных заготовок заданного профиля с использованием диссипативных головок 126
4.3 Особенности построения совмещенной характеристики червячной машины с диссипативной головкой 130
4.4 Практические рекомендации по конструированию и эксплуатации диссипативныхголовок кэкструдерам 134
4.5 Методика проектирования сдвиговых головок к червячным машинам при экструзии резиновых смесей, склонных к подвулканизации 137
4.6 Результаты и выводы по главе 138
Основные результаты и выводы по работе 140
Литература 142
Приложения 152
- Основные способы непрерывной вулканизации длинномерных резиновых технических изделий
- Математическая модель двумерного течения вязкой жидкости в кольцевом канале диссипативной головки
- Влияние частоты вращения цилиндра диссипативной головки на температуру заготовки
- Метод расчета оптимальных параметров экструзионного оборудования для получения длинномерных заготовок заданного профиля с использованием диссипативных головок
Введение к работе
В последние годы в промышленности переработки полимеров, а также в производстве шин и РТИ большое внимание уделяется интенсификации существующих процессов и производств, при этом все большее внимание уделяется качеству производимых изделий.
В самых различных отраслях народного хозяйства и в быту находят применение длинномерные резинотехнические изделия - трубы, шланги, разнообразные профили. Их изготовление включает в себя несколько технологических этапов: профилирование заготовки из резиновой смеси, последующая вулканизация заготовок, отбор, упаковка и складирование [1-3,5]. При этом вулканизация является наиболее продолжительным и энергоемким процессом. Она включает в себя две стадии: нафев материала до температуры вулканизации и последующая его выдержка определенное время при этой температуре в вулка-низационной среде. Чтобы сократить время вулканизации, и тем снизить энергозатраты этого этапа, необходимо разогреть заготовку еще при профилировании. Тогда первая стадия вулканизации - индукционный период, период дора-зогрева заготовки, пройдет уже при экструзии резиновой смеси.
Экструзия - непрерывный процесс формования длинномерных изделий, заключающийся в придании материалу требуемой формы в результате продав-ливания его через профилирующий канал. В основном экструзия резиновых смесей осуществляется на специализированных червячных машинах (экструде-рах), без постоянного совершенствования которых, а также дальнейшего изучения этого процесса невозможно решение важнейших научно-технических задач в отраслях экономики, занимающихся переработкой полимеров [4,6-14].
В результате ряда исследований было показано, что одним из наиболее перспективных направлений интенсификации процесса разогрева резиновых смесей при экструзии является их переработка в условиях сложного сдвига, который реализуется в головках к червячным машинам за счет вращения или виб-
7" рации элементов головок. Интенсивная сдвиговая деформация, которая осуществляется в кольцевом канале головки, способствует снижению вязкости материала, обеспечивает дополнительную гомогенизацию расплава и его быстрый разогрев.
При этом в области деформации диссипативной головки происходят сложные гидродинамические и термодинамические процессы, влияющие на качество перерабатываемого материала. Среди многочисленных видов брака при экструзии большое место занимает брак по причине неправильного темпера-турно-временного режима переработки: преждевременная вулканизация (под-вулканизация, скорчинг) резиновой смеси еще в период интенсивной ее деформации. Поэтому проводить разогрев надо таким образом, чтобы на выходе из головки экструдера, но не ранее, материал достигал стадии подвулканизации , так как это позволит не только разогреть экструдат, но еще и зафиксировать профиль заготовки и тем исключить ее деформирование при последующем движении по вулканизационной камере.
Чтобы прогнозировать описанные процессы важно знать распределение температуры и скорости в области диссипации, это позволит описать тепловую историю частиц материала и оценить вероятность его подвулканизации по длине и зазору области деформации. А поскольку степень подвулканизации заготовки зависит от особенностей ведения процесса и от параметров перерабатывающих устройств, то решение задачи о влиянии конструктивных параметров оборудования и технологических режимах процесса на ее значение представляется принципиально важным для оценки качества получаемых изделий и при проектировании оборудования данного вида.
В промышленности накоплен большой практический опыт по переработке резиновых смесей. Однако этот опыт недостаточно систематизирован, отсутствуют математические модели, позволяющие вводить эффективное управление технологическими процессами и их оптимизацию, а также прогнозировать поведение резиновых смесей на конкретном производственном оборудовании. До сих пор еще технологические режимы переработки при экструзии
8 выбираются в соответствии с многочисленными и разобщенными экспериментальными данными, на основе таких субъективных факторов, как интуиция и квалификация технического персонала, а не на базе предварительного расчета и теоретического анализа.
В соответствии с выше изложенным особую актуальность приобретает разработка адекватной математической модели, методов расчета и оптимизация процесса экструзии длинномерных резинотехнических изделий с использованием сдвиговых головок для диссипативного разогрева резиновых смесей. Этому и посвящена данная работа.
Основные способы непрерывной вулканизации длинномерных резиновых технических изделий
Вулканизация в среде жидкого теплоносителя характеризуется тем, что профиль непрерывно протягивается через слой горячего раствора или расплава солей, залитых в ванну, с помощью гибкой ленты, одновременно выполняющей функцию погружного устройства (рисунок 1.2). Длина области вулканизации определяется скоростью экструзии, теплофизическими и вулканизационными свойствами резиновой смеси и теплоносителя. Данный способ вулканизации обладает существенными недостатками. К их числу можно отнести возможность деформации профиля малой жесткости и сложного сечения, трудность удаления с изделий остатков солей, большие производственные площади. Так как в качестве теплоносителя используются такие соли как KNO3 » NaNOs , NaNC 2, то актуальны вопросы обеспечения пожаробезопасное и, что особенно важно в настоящее время, экологической безопасности производства. Однако, тем не менее, вулканизация в растворах (расплавах) солей наиболее распространена на предприятиях, вероятно, вследствие высокой производительности, простоте конструктивного оформления и невысокой стоимости теплоносителя.
По сравнению с рассмотренным способом вулканизация в среде газообразного теплоносителя осуществляется в камерах, выполненных в виде тоннеля, по которым циркулирует нагреваемый в калорифере горячий воздух (рисунок 1.3). Данный способ не имеет большинства недостатков, присущих выше
Схема вулканизатора шприцованного профиля с псевдожиженным слоем рассмотренному. Однако низкий коэффициент теплоотдачи воздуха существенно ограничивает возможность широкого применения данной технологии.
При вулканизации в псевдоожиженном слое создаются более благоприятные условия для передачи тепла от теплоносителя к погруженному в него изделию. При этом эффективная теплопроводность слоя соответствует теплопроводности металлов, а теплоотдача приближается к таковой для жидкости и в 50-100 раз больше теплоотдачи воздуха [26]. Схема установки для непрерывной вулканизации в псевдоожиженном слое приведена на рисунке 1.4. Вулканиза-ционная среда представляет собой двухфазовую смесь - кварцевый песок и нагретый воздух. В дополнение к песку (или вместо него) могут добавляться стеклянные шарики (баллотини), а в качестве ожижающего агента использоваться также перегретый пар или инертный газ (азот). Для данной технологии характерна химическая инертность, техническая и экологическая безопасность,, отсутствие загрязнения изделий. Этим она выгодно отличается от вулканизации в расплаве солей, хотя имеет более сложное аппаратурное оформление, существенно проигрывает в тепловом отношении и, как следствие, в производительности.
Вулканизаторы барабанного типа находят успешное применение для вулканизации плоских непрерывных изделий (рисунок 1.5). В данном случае вулканизация изделия осуществляется по мере движения в результате контакта с нагретыми барабанами, число которых может быть от одного до шести. По барабану может перемещаться, не деформируясь, только профиль типа «полоса», что обуславливает узость номенклатуры вулканизуемых изделий и ограничивает сферу использования этого способа вулканизации. Этот же недостаток характерен и для технологии вулканизации в подвижных обжимаемых формах и жестких оболочках.
В рассмотренных способах вулканизации подвод тепловой энергии к материалу производится извне, и прогрев изделия осуществляется от поверхности к центру заготовки. Таким образом, время вулканизации зависит не только от теплопередающей способности теплоносителя, но и от теплопроводности вул канизуемого материала. Так как теплопроводность вулканизуемых смесей низкая, то при массивных профилях сечения прогрев сердцевины осуществляется медленно. Обеспечить быстрый и равномерный прогрев во всем объеме изделия позволяет вулканизация в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ). Кроме того, этот способ обладает и такими преимуществами, как оперативное регулирование температурного режима, возможность автоматизации технологического процесса, относительно небольшие габариты нагревательных установок, высокий КПД процесса. Однако вулканизация СВЧ имеет и существенные недостатки. К ним, прежде всего, относятся возможность нагрева резиновых смесей только на основе полярных каучуков или смесей со специальными добавками и радиационная опасность технологии, требующая установки специальных средств защиты и фильтров радиопомех [4].
Таким образом, существующие способы непрерывной вулканизации имеют как сравнительные преимущества, так и недостатки, то есть не обладают универсальностью. В то же время для всех технологий характерна длительность во времени, энергоемкость, потребность в больших производственных площадях, вредность. В этой связи необходимость интенсификации вулканиза-ционных технологий очевидна. - К первой группе относятся мероприятия по модификации рецептур резиновых смесей, обеспечивающих повышение скорости вулканизации, снижение порообразования в материале и, как следствие, снижение давления вулка 17 низации, повышение прочности связи между слоями и элементами изделия и т.д. К числу наиболее важных конструктивных способов интенсификации относятся изменения конструкции изделий (снижение слойности, уменьшение толщины и т.д.) и конструкции вулканизационного оборудования и оснастки. К третьей группе относятся такие факторы, как повышение теплоотдачи теплоносителя и начальной температуры вулканизуемого изделия, использование новых видов обогрева, уменьшение тепловых потерь и т.д. Объект исследований настоящей работы — сдвиговые (диссипативные) экструзионные головки - можно отнести к группе теплотехнических способов интенсификации вулканизации длинномерных экструдируемых РТИ. В данных устройствах в кольцевом канале, образованном двумя вращающимися коаксиальными цилиндрами, производится интенсивное сдвиговое воздействие на материал, вследствие чего он подвергается быстрому диссипативному разогреву до температуры вулканизации.
Математическая модель двумерного течения вязкой жидкости в кольцевом канале диссипативной головки
Однако в работе [69] была использована целевая функция, которая имеет множество решений, и в данной постановке задачи оптимизации, определить какое решение из этого множества более предпочтительно - трудно, найден глобальный или локальный минимум функции. Необходимо ввести дополнительное условие оптимизации, условие, учитывающее такие характеристики процесса, которые подразумевают однозначное решение задачи оптимизации.
Заметим также и то, что критерий Бейли, входящий в целевую функцию, расчитывался по средней температуре материала по сечению кольцевого канала, без учета картины течения в области деформации, без учета тепловой истории частиц материала, что при некоторых условиях ведения процесса может привести к существенным ошибкам расчета (рисунок 1.11). Для правильной оценки степени подвулканизации необходим расчет времени пребывания и температуры вдоль линий тока индивидуальных частиц. И оценку допустимости того или иного режима переработки с точки зрения возможной подвулканизации имеет смысл вести по максимальному значению /, достигаемому на определенных траекториях движения индивидуальных частиц материала в процессе переработки. Кроме этого, в работе не учитывалось ограничение на мощность привода диссипативной головки, что может привести к значительным, дополнительным затратам на процесс. Таким образом, задача оптимизации диссипа-тивного разогрева резиновых смесей при экструзии через сдвиговые головки требует более корректных решений, а потому на настоящий момент актуальна.
Анализ литературных источников позволил получить следующие результаты и сформулировать соответствующие выводы: 1) выяснено, что производство длинномерных экструдируемых изделий предполагает их непрерывную вулканизацию; приведен обзор способов непрерывной вулканизации; сформулирована необходимость их интенсификации. 2) Приведен критический обзор возможных способов интенсификации непрерывной вулканизации экструдируемых РТИ. 3) Показано, что существующие способы и устройства для интенсификации непрерывной вулканизации не всегда эффективны. Указано на перспективность применения для этих целей сдвиговых экструзионных головок, приведены общие конструктивные схемы данных устройств. 4) Выяснено, что механические свойства материала могут определять степень его вулканизации. Проведен обзор показателей и методов экспериментального определения степени вулканизации резиновых смесей. 5) Из аналитического обзора исследований по проблеме течения полимерных сред в кольцевом зазоре обоснована актуальность теоретического описания двумерного течения резиновой смеси в области диссипации сдвиговой головки. Указано, что при этом необходим учет наступления подвулканизации материала при деформировании. 6) Для создания методики проектирования диссипативных головок к червячным машинам при экструзии резиновых смесей существует необходимость корректной постановки и решения задачи оптимизации процесса разогрева заготовки, определяющего качество получаемых изделий. Вышеизложенные результаты и выводы по литературному обзору обосновывают актуальность создания метода расчета процесса разогрева резиновых смесей в области диссипации сдвиговой экструзионной головки и определяют следующие задачи исследований: - математическое описание неизотермического винтового напорного течения аномально-вязкой жидкости в кольцевом канале диссипативной головки применительно к экструзии резиновых смесей; - разработка метода расчета гидродинамических характеристик процесса экструзии материала в кольцевом канале; - разработка метода оценки подвулканизации резиновых смесей в зоне деформации диссипативной головки при их шприцевании; - экспериментальная проверка метода расчета; - разработка метода расчета оптимальных технологических и конструктивных параметров диссипативной головки, обеспечивающих равномерный разогрев материала на выходе из головки с заданной производительностью при условии сохранения желаемого качества заготовок. - разработка методики экспериментального исследования вулканизационных характеристик экструдируемых заготовок; - разработка методики проектирования и расчета диссипативных головок к червячным машинам при экструзии резиновых смесей, склонных к подвулканизации.
Диссипативные головки предназначены для разогрева резиновых смесей при их экструзии. Интенсивная сдвиговая деформация, которая способствует снижению вязкости материала, обеспечивая дополнительную гомогенизацию расплава и его быстрый разогрев, осуществляется преимущественно в кольцевом канале головки. Именно здесь определяется энерго-силовой режим работы оборудования, а также уровень качества производимых изделий. Важно, чтоб во время интенсивной деформации материала не наступила его преждевременная вулканизация (подвулканизация).
Для того чтобы прогнозировать подвулканизацию, необходимо знать распределение температуры и скорости в области диссипации, это позволит описать тепловую историю частиц материала и, исходя из этого, оценить вероятность подвулканизации по длине и зазору зоны деформации. Поскольку степень подвулканизации заготовки зависит от особенностей ведения процесса и от параметров перерабатывающих устройств, то решение задачи о влиянии конструктивных параметров оборудования и технологических режимах процесса на степень подвулканизации представляется принципиально важным для оценки качества получаемых изделий и при проектировании оборудования данного вида.
Влияние частоты вращения цилиндра диссипативной головки на температуру заготовки
Основной целью применения диссипативных головок является разогрев до максимально возможных температур экструдируемой резиновой смеси. Но преждевременная вулканизация резиновой смеси, еще в диссипативной головке, крайне нежелательна, так как она в дальнейшем приводит к браку в изделии. С другой стороны получение заготовки, прогретой до температуры вулканизации, на выходе из формующей головки снизит энергозатраты последующей вулканизации. Чтобы выполнить оба условия, необходимо определить какие из технологических и конструктивных параметров процесса диссипативного разогрева оказывают наибольшее влияние на распределение температуры и степени подвулканизации в зоне диссипации.
Расчеты проводились для смесей с различными реологическими и теп-лофизическими характеристиками (таблица 2.1).
При расчете температуры в качестве начального приближения задавалось распределение температуры в области деформации, рассчитанное по модели, не учитывающей вклад продольной составляющей скорости материала во втором инварианте тензора скоростей деформации (упрощенная модель) [67].
На рисунке 2.4 представлено изменение профиля температуры резиновой смеси 7-В-14 в зоне диссипации при заданных условиях ведения процесса {q=5 10"6M3/c, Д=440 3м, L=15-10"3M, W=10C 1.}. Как видно из представленного графика, изменение температуры по области деформации имеет достаточно сложный характер. Профиль температуры на выходе из зоны деформации имеет два максимума вблизи поверхности цилиндров и один минимум ближе к центру кольцевого зазора головки. Повышение температуры по направлению к стенкам цилиндров объясняется бо льшим диссипативным разогревом в этой зоне, так как скорость сдвига материала здесь выше, чем в центре зазора. Снижение температуры резиновой смеси на поверхности цилиндров обусловлено теплоотдачей перерабатываемого материала стенкам, охлаждаемым водой или воздухом. Аккумулированная, за счет превращения механической энергии в тепловую, энергия диссипации способствует значительному увеличению температуры по мере прохождения материалом области дисипации. Максимальный прирост температуры для указанных условий ведения процесса составил 90С.
На рисунке 2.5 представлено распределение продольной составляющей скорости (V2) по кольцевому зазору сдвиговой головки. На начальном участке зоны диссипации распределение несимметрично относительно центра канала, максимум кривой смещен к внутреннему цилиндру (дорну). При дальнейшем прохождении материала вдоль канала эта не симметрия уменьшается.
Несмотря на то, что профиль температуры по зазору неоднороден (рисунок 2.4), распределение степени подвулканизации (рисунок 2.6) по кольцевому зазору канала имеет один экстремум в центре зоны диссипации. По-видимому, влияние составляющей скорости Vz на значение степени подвулканизации более значительно, чем температуры материала. Значение степени подвулканизации в центре наименьшее, так как время пребывания частиц резиновой смеси в этой зоне кольцевого зазора меньше, чем в слоях материала, расположенных ближе к стенкам цилиндров. И хотя температура вблизи стенок меньше, чем в центре, низкая скорость материала увеличивает время пребывания материала в области разогрева, и поэтому степень подвулканизации здесь максимальная.
На рисунке 2.7 представлены результаты расчета распределения температуры по упрощенной модели и по модели (2.25). Как видно из рисунка, профиль температуры в обоих случаях имеет неоднородный и несимметричный характер. В отличие от профиля, полученного по упрощенной модели, профиль, рассчитанный на основе модели (2.25), более однородный, абсолютные значения максимальной температуры здесь значительно ниже по величине и достигают 170 С.
На рисунке 2.8 показано изменение профиля температуры материала по зазору и длине области деформации при изменении температуры теплоносителя, то есть при различных значениях температуры воды, охлаждающей дорн головки. Понижение температуры воды понижает и температуру стенки охлаждаемого цилиндра, что ведет к значительному снижению температуры материала вблизи внутреннего цилиндра головки. Поэтому распределение температуры на выходе из зоны диссипации при температуре охлаждающей воды равной 20 С имеет только один ярко выраженный максимум вблизи горячего наружного цилиндра. Изменение профиля температуры ведет к изменению профиля степени подвулканизации материала (рисунок 2.9). При снижении температуры охлаждающей воды значение степени подвулканизации у поверхности внутреннего цилиндра значительно снижается, что легко объясняется наличием прямой связи между температурой материала и его степенью подвулканизации.
На рисунке 2.10 показано, как изменяется распределение температуры материала в зоне диссипации в зависимости от температуры воздуха, вблизи наружного цилиндра сдвиговой головки. Снижение температуры воздуха, охлаждающего наружный вращающийся цилиндр, ведет к падению температуры материала у стенки наружного цилиндра к центру зазора, а температура материала вблизи наружного цилиндра несколько увеличивается. Изменение температурной кривой по зазору при изменении температуры воздуха практически не ведет к изменению профиля степени подвулканизации (рисунок 2.11). Это связано с тем, что время пребывания частиц материала, движущихся по траекториям вблизи наружного вращающегося, цилиндра меньше, чем у материала, проходящего зону деформации ближе к неподвижному цилиндру.
Учитывая, что движение материала ламинарное и слои не перемешиваются, на рисунке 2.12 показано изменение степени подвулканизации резиновой смеси вдоль индивидуальных траекторий движения частиц перерабатываемого материала. Из рисунка видно, что их значения для частиц, движущихся по различным траекториям, значительно отличаются, в 3 раза. При изменении условий диссипации изменяется не только величина степени подвулканизации для индивидуальных частиц, а и место по зазору, где это значение максимально. Следовательно, подвулканизация материала может наступить лишь в некоторых слоях заготовки, при этом предсказать в каких именно без расчетов сложно.
Метод расчета оптимальных параметров экструзионного оборудования для получения длинномерных заготовок заданного профиля с использованием диссипативных головок
Математические исследования процесса диссипативного разогрева резиновых смесей при экструзии (глава 2) показывают, что наибольшее влияние на температуру экструдата оказывают такие конструктивные параметры головки, как величина зазора и длина зоны диссипации. Величина зазора кольцевого канала варьировалась от 2 мм до 10 мм, при этом изменялся радиус дорна головки (рисунок 3.2). Исследования проводились в соответствии с методикой, изложенной в п. 3.2.2.
В экспериментах исследовались два типа резиновых смесей, использующихся в производстве резинотехнических изделий. Смесь 7-В-14 (смесь № 1) представляет собой рецептуру на основе каучука БНСК-18, смесь 7-6190п (смесь № 2) — на основе СКМС-ЗОАРКМ-15 (приложение таблица 3.1).
Рисунок 3.3 отражает влияние величины зазора кольцевого канала зоны диссипации на среднюю температуру экструдируемой заготовки на выходе из канала. Опыты проводились при различной производительности червячной машины. С увеличением кольцевого зазора материал подвергается менее интенсивной деформации сдвига, что приводит к снижению его температуры на выходе из зоны диссипации. Заметим, что в случае с большей производительностью червячной машины температура экструдата на выходе из головки ниже, чем в случае с меньшей производительностью. Это объясняется тем, что время пребывания материала в зоне интенсивной деформации в этом случае сокращается и при равных скоростях сдвига величина диссипативных тепловыделений становится меньше, и смесь нагревается медленнее. Заметим также и то, что с увеличением производительности червячной машины зависимость температуры заготовки от величины зазора кольцевого канала становится менее значительной. Очевидно, это происходит тогда, когда вклад скорости кругового течения в общую скорость течения материала становится незначительным по сравнению с вкладом скорости напорного течения материала.
Зависимость температуры экструдируемой заготовки от длины канала изображена на рисунке Длина канала устанавливалась равной 50, 100 и 150 мм с помощью цилиндрических сменных втулок. Из рисунка видно, что с увеличением длины канала температура материала возрастает. Очевидно, что увеличение длины канала продлевает время пребывания резиновой смеси в области диссипативного разогрева, и способствует тому, что большее количество тепловой энергии аккумулируется материалом.
Следует заметить, что резиновые смеси с меньшим значением коэффициента консистентности разогреваются медленнее, и, естественно, диссипатив-ный разогрев в этом случае становится менее значительным.
Анализ теоретических результатов показал, что существенное влияние на разогрев материала в зоне диссипации оказывает такой технологический параметр, как частота вращения наружного цилиндра диссипативнои головки. На рисунке 3.5 показана зависимость температуры экструдата от частоты вращения наружного цилиндра головки, построенная по результатам экспериментальных исследований. В течение эксперимента последовательно изменяли частоту вращения с 2 до 14 с"1 с интервалом 2 с"1. При увеличении частоты вращения цилиндра головки, соответственно увеличивается скорость сдвига и сдвиговые напряжения в материале, а, следовательно, и температура экструдата на выходе из головки. При этом наиболее интенсивный рост температуры в исследуемом диапазоне скорости сдвига наблюдается при увеличении частоты вращения цилиндра до 6 с"1 , Это происходит вследствие нелинейности вязкости резиновой смеси. Реологические свойства резиновой смеси изменяются наиболее существенно именно при таких значениях скорости деформации [80], которые соответствуют вращению цилиндра в указанном диапазоне частот.
Отметим, что при увеличении расхода резиновой смеси для достижения требуемого значения температуры необходима большая частота вращения цилиндра.
При проведении экспериментальных исследований для определения энергосиловых характеристик процесса изменялись геометрические параметры головки (величина кольцевого зазора и длина головки), частота вращения цилиндра головки и частота вращения червяка червячной машины. В каждом опыте проводились измерения давления на входе в головку по показаниям динамометра, производительности (взвешиванием порции материала, выдавливаемого из головки за контрольное время, с усреднением результатов трех измерений), потребляемой мощности по показаниям вольтметра и амперметра.
На рисунке 3.6 отражено влияние частоты вращения цилиндра головки и частоты вращения червяка экструдера на давление в головке. Из рисунка видно, что зависимость имеет нелинейный характер. Такой же характер зависимости удельного давления от скорости экструзии отмечался и в работах [89-90]. Придание потоку резиновой смеси винтового характера течения снижает гидравлическое сопротивление каналов головки за счет снижения вязкости, что в конечном итоге приводит к увеличению суммарной скорости деформирования смеси и повышению ее температуры. Заметим, что градиент давления более значителен на первом участке кривой, когда частота вращения цилиндра головки изменяется в пределах 1-6 с 1, далее зависимость приобретает асимптотический характер. Это связано с изменением реологических характеристик материала. При увеличении скорости сдвига вязкость смеси, достигнув определенных значений, меняется незначительно.
На рисунке 3.7 приведены зависимости мощности привода головки от частоты вращения цилиндра головки. Известно, что зависимость мощности от частоты вращения (скорости сдвига) носит линейный характер, экспериментальные исследования это подтверждают. Очевидно, что степень влияния коэффициента линейности (коэффициента консистентности резиновой смеси) на мощность привода различна. Так для резиновой смеси № 1 при изменении частоты вращения в 5 раз, необходимая мощность привода изменяется в 4 раза, а для резиновой смеси № 2 при таком же изменении частоты вращения мощность изменяется в 2,5 раза. Таким образом, затраты мощности на обеспечение вращения цилиндра головки для разогрева до определенной температуры резиновых смесей с высокой вязкостью значительно выше, чем для смесей с меньшей вязкостью.
