Введение к работе
Актуальность работы. Одно из основных приоритетных направлений политики большинства заводов шинной и резинотехнической промышленности - создание перспективных технологий и оборудования для производства высококачественной продукции, отвечающей требованиям смежных отраслей. Важным аспектом развития шинного и резинотехнического производства является создание новых и совершенствование существующих технологий производства длинномерных профильных изделий автомобильных покрышек: протекторов, боковин, наполнительного шнура, бортовых лент.
Одним го путей повышения качества автомобильных покрышек является применение дублировочных технологий для производства ранее перечисленных профильных деталей. Агрегирование последних из различных материалов способствует повышеншо качества без существенного увеличения материальных затрат.
Основным способом изготовления агрегированных изделий из резиновых смесей является соэкструзия, сущность, которой заключается в непрерывном совместном продавливании двух и более материалов через матрицу мультиплексной формующей головки. При этом совместное течение пластифицированных материалов называется стратифицированным, а канал, в котором данное течение происходит - областью стагнации.
Номенклатура агрегированных изделий постоянно расширяется, а их потребление неуклонно растёт, соответственно увеличиваются капиталовложения в эту отрасль. Однако, несмотря на высокие темпы внедрения дублировочных технологий в современное производство, уровень развития соэкструзии в РФ значительно отстаёт от уровня, достигнутого в развитых странах. В большей степени это связано с отсутстви-
ем надёжных методов инженерного расчёта и проектирования формующего оборудования.
Таким образом, актуальной задачей полимерного машиностроения является создание научно-обоснованных методов расчёта и проектирования мультиплексных формующих головок и подходов к объединению червячных машин в агрегат.
Для получения высококачественной продукции необходимо поддержание определённых значений важнейших технологических параметров, обеспечивающих выравнивание суммарной скорости в выходном сечении матрицы головки. От последней в наибольшей степени зависят атоотропия свойств и размерное качество изделия. Также на качество шприцуемых заготовок существенно влияет геометрия границ области совместного формования. Таким образом, выявление закономерностей, связывающих геометрические характеристики формующего инструмента и режимные параметры процесса соэкструзии с качественными показателями изделия - актуальная задача, имеющая важное теоретическое и прикладное значение для современного производства.
Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию стратифицированного течения резиновых смесей в дублирующем канале мультиплексной формующей головки при соэкструзии. При этом в основу разрабатываемой математической модели процесса было положено решение гидродинамической задачи нестационарного стратифицированного течения аномально-вязких жидкостей с учётом деформирования поверхности раздела материалов.
Значительный вклад в развитие теории соэкструзии внесли такие зарубежные и отечественные учёные, как A. Karagiannis, J. Perdikoulias, AJ. Rincon, J. Vlachopoulos, S. Dufour, J. Dooley, CD. Han, H. Mavridis, B. Khomami, W.J. Schrenk, А.Я. Малкин, P.B. Торнер и другие.
Работа проводилась в рамках основных направлений научных исследований кафедры «Технологические машины и оборудование» ЯГТУ, соответствующих тематическому плану (№ гос. регистрации 0120.0 604213) «Моделирование физических процессов деформирования сложных реологических сред с оптимизацией режимов воздействия» на 2006-2007 гг.; (№ гос. регистрации 0120.0 852842) «Развитие моделей динамических процессов в сложных средах с нелинейными эффектами» на 2008-2009 гг.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - теоретическое описание процесса соэкструзии резиновых смесей и создание методов расчёта мультиплексного формующего оборудования на его основе, разработка научно обоснованных рекомендаций по его совершенствованию с применением стандартных процедур и методов оптимизации по поиску геометрических характеристик агрегата и режішньїх параметров процесса.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния проблемы:
создание математической модели неизотермического стратифицированного течения аномально-вязких жидкостей;
изучение основных закономерностей гидродинамики и теплообмена в процессе созкструзші (влияние геометрических характеристик формующих каналов, реологических характеристик обрабатываемых материалов и режимных параметров на характер протекания исследуемого процесса и состояние получаемых экструдатов) и разработка на этой основе рекомендаций для создания эффективных условий производства агрегированных изделий заданного качества;
исследование влияния соотношения основных режимных параметров процесса и конфигурации каналов формующей головки на меха-
нгам формирования поверхности раздела в модельных каналах простых геометрических форм с учётом специфики свойств материалов.
- разработка базовых принципов для создания перспективных
конструкций мультиплексных головок и технологических средств уст
ранения деформирования граничной поверхности материалов;
создание и реализация на базе существующих систем автоматизированного проектирования алгоритмов расчёта червячных агрегатов для процесса соэкструзии, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов и размерное качество агрегированных изделий;
разработка рекомендаций по научно-практическому обеспечению интенсификации процесса соэкструзии резиновых смесей.
Научная новизна. Разработана математическая модель расчёта гидродинамических и энергетических параметров стратифицированного течения аномально-вязких жидкостей, направленная на создание концептуальных методов расчёта формующих головок к червячным агрегатам для соэкструзии резиновых смесей.
Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности гидродинамики и теплообмена в модельных каналах при дуплексной экструзии (влияние длины зоны дублирования и кривизны её стенок, соотношений углов схождения, толщин совмещаемых потоков, их вяз-костей и расходов на распределение скоростей материалов и деформирование граничной поверхности); изучена возможность и обоснована необходимость применения способов устранения деформирования межматериальной поверхности.
Предложен подход по стабилизации структуры совместного потока материалов при соэкструзии с целью повышения качества агрегиро-
ванного изделия. Введён комплекс показателей качества комбинированных профилей.
Разработан математический комплекс, основанный на использовании упрощённой математической модели (без учёта межматериального деформирования) для расчёта соэкструзии основных деталей автомобильных покрышек.
Сформулирована и решена задача оптимизации мультиплексной экструзии и формующего оборудования для её реализации.
Практическая значимость. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты численного моделирования, а также анализ работы червячных агрегатов позволили выработать базовые подходы к созданию методов расчёта мультиплексных головок.
Сформулированы и обоснованы способы обеспечения характеристик соэкструзии резиновых смесей, гарантирующих снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.
Предложены конструкции мультиплексных головок для соэкструзии длинномерных изделий из резиновых смесей с возможностью регулирования толщины отдельных слоев.
Научные положения, выносимые автором на защиту:
математическая модель неизотермического стратифицированного течения аномально-вязких жидкостей в пространственной постановке, учитывающая деформирование поверхности раздела материалов по длине формующего канала;
результаты экспериментальных исследований гидродинамики стратифицированного течения резиновых смесей и численно-полученные закономерности влияния геометрических характеристик формующих каналов, реологических характеристик материалов и режимных параметров процесса соэкструзии на деформирование гра-
ничной поверхности;
метод расчёта основных параметров мультиплексных формующих головок для соэкструзии высоконаполненных резиновых смесей;
метод расчёта оптимальных технологических параметров процесса соэкструзии и конструктивных характеристик червячного агрегата, обеспечивающих минимальные материало- и энергозатраты при производстве агрегированных профильных изделий заданного качества;
результаты промышленных и лабораторных исследований гидродинамики дуплексной и триплексной экструзии;
обоснование принципов и методов интенсификации процесса соэкструзии резиновых смесей;
способ производства агрегированных изделий с использованием устройств регулирования положения граничной поверхности в стратифицированном течении.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных конференциях: 2-ой Международной научно-технической конференции (Вологда, 13-15 ноября 2006 г.); 20-ой Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (Ярославль, 29 мая - 1 июня 2007 г.); 3-ей Международной научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы и покрытия (Ярославль, 20-22 мая 2008 г.); 6-ой Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 22 февраля 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 6 статей в центральных реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских и докторских диссертаций, 12 статей в
сборниках трудов Международных конференций и 3 тезисов в сборниках докладов Всероссийских и региональных конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка, включающего 206 наименований, в том числе 128 - иностранных. Основное содержание работы изложено на 184 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 106 рисунков и 2 приложения.
Личный вклад автора. Непосредственное участие во всех этапах работы и обсуждения результатов.
