автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование стратифицированного течения резиновых смесей в дуплексных головках для выпуска заготовок кольцевого профиля

На правах рукописи

Юрыгин Павел Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ

РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В ДУПЛЕКСНЫХ ГОЛОВКАХ ДЛЯ ВЫПУСКА ЗАГОТОВОК КОЛЬЦЕВОГО ПРОФИЛЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 АПР 2014

Ярославль - 2014

005547329

005547329

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Гончаров Григорий Михайлович ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Блиничев Валерьян Николаевич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических производств»

кандидат технических наук, Камакин Александр Николаевич

ОАО «Ярославский шинный завод», ведущий специалист

Ведущая организация: ОАО «Ярославский завод РТИ», г. Ярославль

Защита диссертации состоится « 5 » июня 2014 г. в 14:00 на заседании Диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр. 88, ауд. Г-219.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т, д. 88; и на сайте www.ystu.ru.

Автореферат разослан « 9 » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук

тА А. А. Ильин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительную долю производственных объемов кабельной и резинотехнической отраслей составляют длинномерные цилиндрические изделия из резиновых смесей. Они отличаются многообразием конструктивного и материального исполнения, а также совмещением широкого набора эксплуатационных характеристик (прочность, эластичность, стойкость к излому, а также воздействию химических и атмосферных факторов, высокие электроизоляционные свойства и др.). Примерами могут служить кабельная изоляция, медицинские и хозяйственные шланги, рукава, трубки, жгуты, имеющие как промышленное, так и бытовое применение.

В условиях высокой конкуренции и постоянно повышающихся требований к качеству длинномерных изделий кольцевого профиля все более широкое распространение получает многослойное исполнение продукции, где каждый слой полимерного материала имеет строго определенное назначение. При этом наиболее перспективным процессом производства является мультиплексная экструзия. Данный подход заключается в формовании двух и более материалов, подаваемых из разных экструдеров, в единой мультиплексной головке, что позволяет достигнуть высокого качества стыка отдельных слоев.

При стратифицированном течении резиновых смесей в экструзионной головке особенно важной задачей является исследование процесса деформирования потока не только в формующих каналах, но и после выхода из них (в области со свободной поверхностью). Так, заметный вклад в деформационную картину течения вносит релаксация напряжений, накопленных в процессе переработки, что вызывает явление постэкструзионного разбухания. Итоговое качество продукции определяется множеством факторов, среди которых соотношение реологических свойств материалов, режимные параметры процесса, а также геометрические характеристики формующего инструмента.

На сегодняшний день накопленные эмпирические данные по формованию многослойных заготовок являются главным руководством при проектировании экструзионного оборудования. В этой связи очевидна актуальность теоретического изучения процесса соэкструзии, способствующего нахождению новых путей повышения качества агрегированных изделий. Работы в данном направлении ведутся отечественными и зарубежными исследователями, среди которых следует отметить труды таких ученых, как Ч. Д. Хан, В. Микаэли, К. Раувендааль, Г. Баракос, Д. Дули, Е. Митсулис, М. Т. Мартин, В. И. Янков и др. Однако, проблема размерооб-разования потока резиновых смесей в мультиплексных головках существующих конструкций с учетом деформирования материалов как в формующих каналах, так и в области со свободной поверхностью, остается мало изученной, что и обуславливает актуальность настоящей диссертационной работы.

Исследование выполнено на кафедре «Технологические машины и оборудование» Ярославского государственного технического университета в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ, по теме «Разработка методов расчета на основе моделей динамических процессов в сложных средах с нелинейными

эффектами» на 2012 г. (№ 01201275357) и по теме «Моделирование процессов переработки дисперсных и композитных материалов в условиях нестационарных режимов для энергосберегающих технологий» на 2013 г. (№ 01201354184).

Цель работы заключается в изучении особенностей процесса стратифицированного течения резиновых смесей в дуплексных экструзионных головках для выпуска заготовок кольцевого профиля, а также создании рекомендаций по расчету и проектированию соэкструзионного оборудования.

Для достижения обозначенной цели поставлены и решены следующие задачи:

- разработка математической модели трехмерного стратифицированного течения вязкоупругих жидкостей в цилиндрических каналах экструзионных головок и области со свободной поверхностью;

- создание метода расчета и осуществление численного моделирования процесса соэкструзии резиновых смесей в дуплексных кольцевых головках с целью выявления закономерностей формирования гидродинамических, деформационных и энергетических картин течения;

- проверка адекватности математической модели и метода расчета реальному процессу соэкструзии на экспериментальной установке для дублирования цилиндрических заготовок из резиновых смесей;

- создание рекомендаций для определения рациональных параметров процесса соэкструзии применительно к производству кабельной изоляции с точки зрения размерного качества изделия;

- разработка обобщенного метода расчета и проектирования соэкстру-зионных агрегатов с учетом процесса размерообразования экструдата как в каналах формующей головки, так и в области со свободной поверхностью.

Научная новизна. Разработана математическая модель и предложен метод расчета трехмерного стратифицированного неизотермического течения двух вязкоупругих жидкостей в каналах экструзионных головок и области со свободной поверхностью.

Исследованы закономерности формирования гидродинамических, деформационных и энергетических характеристик течения резиновых смесей в дуплексных каналах существующих кабельных головок, на основе которых выявлены основные причины отклонения размерных параметров заготовок от заданных технологическим регламентом значений и отмечены способы наиболее эффективного воздействия на них.

Сформулированы рекомендации для определения рациональных геометрических характеристик кабельных головок, режимных параметров процесса и реологических свойств полимерных материалов.

Практическая значимость. Предложенные метод расчета и рекомендации могут быть использованы для проектирования соэкструзионного оборудования и создания технологических регламентов процесса с целью повышения размерного качества длинномерной агрегированной продукции, что подтверждается применением результатов исследования на предприятии ООО «Нексанс-Рус» (г. Углич), производящем кабельную продукцию.

Методология и методы исследования. Математическое моделирование процесса соэкструзии основывалось на классических уравнениях гидродинамики, дополненных реологическим уравнением состояния вязкоупругих жидкостей. Численная реализация метода расчета осуществлялась с использованием современных программно-вычислительных комплексов. Адекватность предложенных математической модели и метода расчета проверялась экспериментальным путем на созданной лабораторной установке.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель трехмерного стратифицированного неизотермического течения двух вязкоупругих жидкостей в цилиндрическом канале и области со свободной поверхностью;

- метод расчета процесса соэкструзии резиновых смесей в кольцевых головках экструзионных агрегатов;

- результаты численного исследования особенностей формирования двухслойного потока резиновых смесей в расчетных областях реально существующих конструкций кабельных экструзионных головок;

- результаты экспериментальных исследований гидродинамических и деформационных характеристик совместного потока двух резиновых смесей;

- рекомендации для определения рациональных параметров процесса соэкструзии кабельной изоляции с точки зрения размерного качества изделия, а также обобщенный метод расчета и проектирования экструзионных агрегатов.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на XXIII и XXVI Международных научных конференциях: математические методы в технике и технологиях (Саратов, 2010, 2013), 15-16 Международных научно-практических конференциях студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2009-2010), 5-ой Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2009), 62-66 Региональных и Всероссийских научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2009-2013).

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 20 работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 7 статей в сборниках материалов международных конференций и 6 тезисов докладов в сборниках материалов конференций различного уровня.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов по работе, списка использованной литературы, включающего 154 наименования, списка публикаций и двух приложений. Общий объем работы составляет 164 страницы, в том числе 137 страниц основного текста, включающего 66 рисунков, 8 таблиц.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах проводимой исследовательской работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, обозначены цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, а также изложены результаты апробации работы и структура диссертации.

В первой главе рассматривается номенклатура и основные способы производства длинномерных комбинированных изделий кольцевого профиля из резиновый смесей, среди которых обособленное положение занимает кабельная продукция ввиду высоких требований к качеству изоляции токопроводящих жил.

Установлено, что наиболее перспективным методом изготовления агрегированной продукции является соэкструзия в мультиплексных формующих головках. В связи с этим рассмотрены конструкции существующего экстру-зионного оборудования, включая особенности конструктивного исполнения многоканальных кольцевых головок к агрегатам различного назначения.

В ходе выполнения обзора реологических уравнений состояния полимерных материалов отмечено, что модель Максвелла-Б удовлетворительно прогнозирует вязкоупругое поведение резиновых смесей при сравнительной простоте определения основных констант.

Анализ современных подходов к описанию процесса стратифицированного течения полимеров в формующем инструменте соэкструзионных агрегатов показал перспективность применения численного моделирования рассматриваемой задачи с помощью современных программно-вычислительных комплексов.

Вторая глава посвящена математическому моделированию процесса стратифицированного течения резиновых смесей в кольцевых каналах экс-трузионных головок различной геометрии.

При математическом описании процесса рассматривается трехмерное стратифицированное неизотермическое течение двух вязкоупругих жидкостей в цилиндрическом канале (фильере) и области со свободной поверхностью с учетом движущейся кабельной жилы (рис. 1).

вход 8, поверхность раздела материалов 5, свободная поверхность 55

Материал В

Рис. 1 - Расчетная схема стратифицированного течения вязкоупругих жидкостей в цилиндрическом канале и области со свободной поверхностью В ходе моделирования принимаются следующие допущения и граничные условия, являющиеся общепринятыми для подобного рода задач: течение несжимаемых полимерных материалов (резиновых смесей) установившееся и несмеши-ваемое; массовые, инерционные и силы поверхностного натяжения малы по срав-

нению с силами внутреннего трения; соблюдение условия прилипания материалов на стенках формующих каналов и кабельной жиле; представление кабельной жилы в виде подвижной стенки (движущейся вдоль оси 2 с определенной скоростью).

При этом специфика данной математической модели заключается в допущении равенства температур резиновых смесей на поверхности их раздела, отсутствии теплообмена между экструдатом и окружающей средой в области со свободной поверхностью ввиду малой продолжительности контакта данных сред, а также следующих граничных условиях:

- для поверхности раздела материалов №) - отсутствие проскальзывания резиновых смесей относительно друг друга; непрерывность полей скорости, напряжений и температур;

- для свободной поверхности (55) - условие непроницаемости, равенство нормальных напряжений внешнему (атмосферному) давлению и отсутствие касательных напряжений.

Стратифицированное неизотермическое течение вязкоупругих жидкостей описывается следующей системой уравнений:

- уравнение неразрывности

= 0; (1)

- уравнение сохранения количества движения

= -Ур + Ут; (2)

- уравнение сохранения энергии

рс(И ■ УТ) = кЧгТ + Ф, (3)

где V— вектор скорости, р - давление, í - тензор экстра-напряжений, с - теплоемкость, Т-температура, к- коэффициент теплопроводности, Ф - функция диссипации, характеризующая выделение тепловой энергии от трения молекул полимера.

В качестве реологического уравнения состояния использовалась модель Максвелла с верхней конвективной производной (Максвелла-Б):

т + Л ■?= 2цЪ- ? = ^ + V ■ V? - (? • Уут + V*; ■ т); б = 0,5(71; + (4)

где Л - время релаксации, ц - вязкость, ~ - верхняя конвективная производная тензора экстра-напряжений; Ь - тензор скорости деформации; «т» - операция транспонирования.

Вязкость зависит от температуры и определяется из соотношения Аррениуса:

ц = цо ехр(-/?(Г - Г0)), (5)

где - начальная вязкость при температуре Т0, Р~ температурная константа полимерного материала.

Применение метода конечных элементов к решению системы уравнений сохранения совместно с реологическим уравнением состояния вязко-упругой жидкости, а также рядом принятых допущений и граничных условий, легло в основу метода расчета процесса соэкструзии резиновых смесей. Предложенный метод расчета реализован с использованием современных программно-вычислительных комплексов.

В ходе численного моделирования созданы цифровые модели формующих каналов экструзионных головок различных конфигураций для наложения изоля-

ции на кабельную жилу, на основе которых выполнено исследование закономерностей распределения гидродинамических, деформационных и энергетических характеристик в дублируемых потоках резиновых смесей (см. пример на рис. 2).

материал А

Рис. 2 — Распределение скоростей (слева) и температур (справа) в продольном сечении кабельной головки МаШеАег ТНХ 35-75

Отмечено, что предложенные математическая модель и метод расчета позволяют прогнозировать положение границ раздела материалов, свободной поверхности экструдата и наиболее вероятных областей возникновения локальных перегревов резиновых смесей, что непосредственно определяет качество многослойных изделий. Кроме того, участками наиболее эффективного воздействия на совместный поток полимерных материалов являются место схождения питающих каналов и дублирующая зона, расчет геометрических параметров которых должен быть ключевым при проектировании соэкструзионного оборудования. Также немаловажен и подбор рациональных соотношений режимных параметров процесса (производительность экструдеров, скорость подачи кабельной жилы) и теп-лофизических свойств материалов.

При исследовании течения двух резиновых смесей на выходе из фильеры рассмотрены основные причины, приводящие к отклонению размерных характеристик экструдата от заданных формующим инструментом значений. Одной из причин является высвобождение упругого потенциала, накопленного в ходе деформации материалов, что сопровождается резким возрастанием нормальных и касательных напряжений (рис. 3) в области неподвижной линии трехфазного контакта (вязкоупругой жидкости, стенки фильеры и окружающей воздушной среды). В качестве другой причины стоит отметить перестраивание профилей результирующих скоростей (рис. 4 и 5). При чем закономерности формирования профилей скорости в поперечных сечениях потока влияют прежде всего на положение границы раздела материалов, а в продольных сечениях - на степень постэкструзион-ного разбухания. Именно данные особенности должны учитываться при подборе рациональных параметров процесса с точки зрения размерного качества экструдата.

Рис. 3 - Изолинии нормальных (а) и касательных (б) напряжений

V, м/с 0,020

0,015

0,010

0.005

0,000

0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020 0.022 0,024 0,026 0,028 0,030 V, м

1-3 - сечения в фильере; 4-6 - сечения в области со свободной поверхностью Рис. 4 - Эпюры результирующей скорости в поперечных сечениях

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 г. м

I ->=0,012 м; II ->=0,015 м; III ->=0,018 м; IV -у=0,0\9 м Рис. 5 - Эпюры результирующей скорости в продольных сечениях Третья глава посвящена экспериментальному исследованию дуплексного течения резиновых смесей с целью установления закономерностей протекания процесса соэкструзии на практике, а также проверки адекватности предложенной математической модели и метода расчета реальному процессу.

Экспериментальное исследование процесса проводилось с использованием трех резиновых смесей различной рецептуры на основе изопреновых и бутадиеновых каучуков. для которых была проведена предварительная работа по оценке реологических свойств (вязкости и времени релаксации). При этом, поскольку

для полимерных материалов время релаксации изменяется в достаточно широком диапазоне в зависимости от условий переработки, то принималось допущение, что наибольшая доля упругого потенциала высвобождается на небольшом участке потока после выхода из формующей головки. Таким образом, основной задачей стало построение начальных релаксационных спектров резиновых смесей. их преобразование до эффективных и определение характерных значений времен релаксации для конкретных условий эксперимента и материала.

Для определения релаксационных спектров использовалась известная методика, основанная на связи индекса течения степенного уравнения Оствальда-де Виля и спектра времен релаксации, и описываемая уравнением:

Я (А) = т(1 - п); Л = 1/у, (6)

где Н(Л) - релаксационный спектр, Я - время релаксации, т - напряжение сдвига, п — индекс течения, у — скорость сдвига.

Применение методов капиллярной вискозиметрии для построение кривых течения резиновых смесей позволило получить данные для определения искомых характеристик резиновых смесей, которые использовались далее при численном расчете соэкструзии в каналах экспериментальной установки.

Для экспериментального исследования стратифицироваиного течения была создана установка на базе винтового пресса (рис. 6).

1 - узел формования: 2, 3 - траверсы; 4 - 1,2- плунжеры; 3, 4 - цилиндры; винтовые колонны; 5 - гайка; 6 - опоры; 7 - 5,6- центрирующие кольца; 7 -опорный стол; 8 - стойки; 9 - рама; 10 - фланец; 8 - плита опорная; 9, 10, редуктор; 11, 12 - муфты; 13 - двигатель; 11 - пластины; 12 - фильера; 13 -14 - пускатель; 15 - электрощит плунжерная пара

Рис. 6 - Экспериментальная установка: а - общий вид; б - узел формования

Принцип работы установки: резиновые смеси, загруженные в рабочие полости нагнетательной зоны I и II, перемещаются под действием вытесняющего усилия верхней траверсы и плунжеров в каналы индивидуального и совместного формования головки, образованные набором пластин с цилиндрическими отверстиями. Результатом совместной экструзии резиновых смесей является двухслойная цилиндрическая заготовка (рис. 7).

Рис. 7 - Поперечные срезы экструдата: а - заданной формы; б - действительной

формы в фильере; в—действительной формы после выхода из фильеры

Для количественной оценки степени деформирования экструдата были использованы следующие параметры (см. рис. 7):

- периметр смачивания границы раздела материалов в /-ом поперечном сечении /¡гр'р", представляющий собой длину линии контакта двух резиновых смесей;

- периметр свободной поверхности (наружной границы заготовки) в г'-ом поперечном сечении Р" "'. представляющий собой длину линии контакта наружного слоя экструдата и воздуха.

Отклонение параметров от заданных значений оценивается по величинам относительных периметров: Р0грнр-^грр'/Ригсрхр', Р^=2пгт, Рас™-=Р™П/Р^хп\ ^исхП'=2яГнар, где г„„ и г„ар - радиусы окружностей, соответствующие заданным положениям внутренней и наружной границ двухслойного экструдата.

При осуществлении натурных исследований была проведена серия экспериментов по экструзии резиновых смесей в фильерах различной длины (30 и 60 мм). Наиболее характерные результаты по оценке деформационных характеристик потока и энергосиловых параметров установки приведены на рис. 8. а К

кВт

Д - длина фильеры 30 мм; о - длина фильеры 60 мм Рис. 8 - Результаты экспериментального исследования: а - изменение степени деформирования граничных поверхностей экструдата (Рот) по длине заготовки; б - изменение мощности /V, потребляемой приводом установки при эксперименте

Анализ деформационной картины течения свидетельствует о значительном деформировании обоих слоев экструдата вследствие протекания релаксационных процессов. Отмечено, что увеличение длины области совместного течения приводит к уменьшению степени постэкструзионного разбухания заготовки. Это объясняется снижением остаточных упругих напряжений в потоке по мере увеличения времени пребывания материалов в дублирующем канале. Однако подобное изменение геометрии формующего инструмента ведет к росту мощности, потребляемой приводом лабораторной установки. Аналогичные зависимости характерны и для промышленного производства агрегированной продукции из резиновых смесей, что обуславливает необходимость разработки научно обоснованных подходов к определению рациональных параметров процесса.

Выполнена оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных, при чем в ходе численного моделирования задачи (см. рис. 1) исключалось граничное условие для движущейся стенки (поверхность &)• Сравнение результатов определения размерных характеристик экструдата, давления в головке и энергосиловых параметров установки показало, что расхождение значений не превышает 10 %. Данный факт подтверждает адекватность разработанных математической модели и метода расчета реальному процессу стратифицированного течения резиновых смесей.

В четвертой главе проведена серия численных исследований течения резиновых смесей в модельных каналах кабельных головок, на основе которых предложены рекомендации к определению рациональных параметров процесса соэкструзии с точки зрения размерного качества изделия.

В ходе анализа результатов расчета в каналах с различными геометрическими характеристиками (рис. 9. где Др - перепад давления в канале) выявлено, что при производстве двухслойной кабельной изоляции предпочтительной является головка с отношением длины области стратификации к радиусу фильеры ЫЯ=1-9 и соотношением толщин совмещаемых потоков а=[Г|_,.(,]/[/?_,-,]=!. Где го - радиус кабельной жилы, л - радиус окружности, соответствующий заданному положению границы раздела материалов.

Рис. 9 - Зависимости деформационных (Рот), гидродинамических (Ар) и энергосиловых (АО параметров от: а - относительной длины фильеры £//?; б — соотношения толщин совмещаемых потоков а

__кабельная жила -_

1 -у=0,25; 2 -у=0,5; 3 -у=1,0; 4-у=1,5; 5 -у=2,0; 6-у=3,0 Рис. 11 - Зависимость формы экструдата от соотношения вязкостен материалов у Применимость рекомендаций к головкам существующих конструкций была показана на примере расчетов кабельной головки МаШеГег ТНХ 35-75, целью ко-

Исследование влияния режимных параметров процесса соэкструзии (рис. 10) на производство кабельной изоляции из двух слоев равной толщины показало, что достижение требуемых размерных параметров изделия с учетом допустимых отклонений может быть достигнуто при соотношении расходов экструдируемых резиновых смесей /?=£?д/(2в=0,9-1,1 (£>а и 0в - объемные расходы материалов для внутреннего и наружного слоев соответственно), а также при отношении линейной скорости кабельной жилы к скоростям подачи материалов в экструзионную головку £=уКабЛ'мат=0,9-1,1. а

м/с 0,12

0.010 0,012

0.020 ,1'. м 0,010 0,012 0.014 0,016 0,018 0,020 V, м

1 - 0=0,25; 2 - (3=0,5; 1 - £=0,2; 2 - ?=0,4;

3-(3=1,0; 4-[3=1,5; 5- (3=2,0 3 - {=1,0; 4 - £=2,0

Рис. 10 — Зависимости профилей скорости в выходном сечении фильеры от: а-соотношения расходов материалов /?; б — соотношения скоростей подачи

кабельной жилы и материалов £ (----граница раздела материалов)

Установлено, что наиболее предпочтительным вариантом для производства кабельной изоляции является использование наружного слоя из менее вязкой резиновой смеси по сравнению с материалом внутреннего слоя (рис. 11, у=//А/^в=1,5-3,0), что снижает степень постэкструзионного разбухания заготовки.

6 5 4 3 2 1

свободная поверхность

материал В

материал А

торых было обеспечение требуемых регламентом размерных характеристик изделия при заданной производительности и минимальных энергосиловых затратах.

Сочетание результатов настоящего исследования и существующих методик проектирования червячных агрегатов позволило разработать обобщенный метод расчета и проектирования экструзионных агрегатов для выпуска многослойных изделий кольцевого профиля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа литературных источников систематизированы данные о современном состоянии процессов производства многослойных изделий кольцевого профиля и соответствующего формующего оборудования. Отмечено, что до настоящего времени проблема размерообразования совместного потока резиновых смесей как в каналах головки, так и после выхода из них, остается мало изученной.

2. Разработаны математическая модель и метод расчета трехмерного стратифицированного неизотермического течения двух вязкоупругих жидкостей в цилиндрических каналах формующих головок и области со свободной поверхностью с учетом постэкструзионного разбухания.

3. Выполнено численное моделирование процесса соэкструзии резиновых смесей в дуплексных кабельных головках существующих конструкций и исследованы причины отклонения размерных характеристик многослойных изделий от заданных формующим инструментом значений. Показано, что такими причинами являются возрастание нормальных и касательных напряжений в области неподвижной линии трехфазного контакта (материал-стенка-воздух), а также перестраивание профилей результирующих скоростей. Выявлены способы наиболее эффективного воздействия на конечную форму двухслойного экстру-дата, к которым относятся изменение геометрии дублирующей зоны, соотношения расходов формуемых резиновых смесей и их реологических свойств.

4. Анализ сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований позволил доказать адекватность математической модели и метода расчета реальному процессу стратифицированного течения полимерных материалов.

5. Созданы рекомендации для определения рациональных параметров процесса соэкструзии резиновых смесей в дуплексных кабельных головках, а также обобщенный метод расчета соэкструзионных агрегатов с учетом размерного качества продукции.

6. Предложенные метод расчета и рекомендации для ведения процесса соэкструзии были использованы при выпуске кабельной продукции на предприятии ООО «Нексанс-Рус» (г. Углич).

Список опубликованных работ по теме диссертации:

а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Гуданов, И. С. Определение энергосиловых параметров процесса соэкструзии трубчатых профилей из резиновых смесей / И. С. Гуданов, П. П. Юры-гин, Г. М. Гончаров, А. А. Ломов // Известия вузов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2012. - Т. 55, вып. 5. - С. 116-118.

2. Гончаров, Г. М. Численное изучение процесса размерообразования при соэкструзии трубчатых изделий из резиновых смесей / Г. М. Гончаров, И. С. Гу-

данов, Ю. Б. Лаврентьев, А. А. Ломов, П. П. Юрыгин // Известия вузов. Химия и химическая технология. — Иваново, 2013. — Т. 56, вып. 12. — С. 82-85.

3. Юрыгин, П. П. Обзор вязкоупругих реологических моделей течения полимеров / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров, А. А. Ломов, Ю. Б. Лаврентьев // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань. - 2012.—№ 6. - С. 444-450.

4. Юрыгин, П. П. Математическое моделирование соэкструзии длинномерных кольцевых изделий из резиновых смесей / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров, А. А. Ломов // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань.

- 2013.-№2.-С. 267-271.

5. Юрыгин, П. П. Метод численного расчета стратифицированного течения вязкоупругих жидкостей в цилиндрических каналах / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров, А. А. Ломов // Научно-технический вестник Поволжья.

- Казань. - 2013. - № 2. - С. 272-277.

6. Юрыгин, П. П. Экспериментальное исследование слоистого течения вязкоупругих жидкостей в цилиндрических каналах экструзионной головки / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров, А. А. Ломов, Ю. Б. Лаврентьев // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань. - 2014. - № 1. — С. 190-195.

7. Юрыгин, П. П. Экспериментальное исследование особенностей процесса совместного течения двух резиновых смесей в цилиндрических каналах / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров, А. А. Ломов, Ю. Б. Лаврентьев // Промышленное производство и использование эластомеров. — Москва. — 2013,-№4.-С. 37-40.

б) в других изданиях:

8. Юрыгин, П. П. Исследование влияния геометрии области стратификации мультиплексных головок на качество агрегированных изделий из резиновых смесей / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Ю. Б. Лаврентьев // 15-ая Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии». — Томск. — 2009. — Т. 1 — С. 350-351.

9. Гуданов, И. С. Особенности расчета энергетических параметров стратифицированного течения аномально-вязких сред / И. С. Гуданов, П. П. Юрыгин, Г. М. Гончаров // 16-ая Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии». — Томск. -2010.-Т. 1-С. 314-315.

10. Юрыгин, П. П. Лабораторное изучение динамики совместного деформирования резиновых смесей / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров // 5-ая Международная научно-техническая конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования».—Вологда — 2009.—Т. 2 — С. 251-254.

11. Юрыгин, П. П. Изучение влияния геометрии модельных дублирующих каналов на качество агрегированных профилей из резиновых смесей / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Ю. Б. Лаврентьев // 5-ая Международная научно-техническая конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования». — Вологда. — 2009. — Т. 2 — С. 254-258.

12. Гуданов, И. С. Об эффективности использования полунеявных схем к расчету соэкструзии резиновых смесей / И. С. Гуданов, П. П. Юрыгин, Г. М. Гончаров // XXIII Международная научная конференция: Математические методы в технике и технологиях.—Саратов.—2010.—Т. 1, —С. 89-92.

13. Гуданов, И. С. Численное моделирование бикомпонентного потока в кольцевом канале переменного сечения / И. С. Гуданов, П. П. Юрыгин, А. А. Ломов, Г. М. Гончаров // XXVI Международная научная конференция: Математические методы в технике и технологиях. — Саратов. — 2013. —Т. 3. — С. 63-67.

14. Юрыгин, П. П. Особенности численной реализации математической модели течения полимеров в кабельных головках / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, А. А. Ломов, Г. М. Гончаров // XXVI Международная научная конференция: Математические методы в технике и технологиях. — Саратов. — 2013.—Т. 3. - С. 69-72.

15. Юрыгин, П. П. Исследование влияния геометрии формующих каналов на гидродинамику соэкструзии резиновых смесей / 62-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: тез. докл. - Ярославль. — 2009. - С. 97.

16. Юрыгин, П. П. Экспериментальное исследование процесса стратифицированного течения резиновых смесей 7 63-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: тез. докл. — Ярославль. -2011.-Ч. 1.-С. 158.

17. Юрыгин, П. П. Исследование процесса течения вязкоупругих сред в сложнопрофильном формующем канале / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров // 64-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: тез. докл. — Ярославль. — 2011.—Ч. 1. — С. 222.

18. Юрыгин, П. П. Исследование соэкструзии резиновых смесей при течении в цилиндрических каналах / П.П. Юрыгин, И.С. Гуданов, Г.М. Гончаров // 65-я всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: тез. докл. -Ярославль.-2012.-Ч. 1.-С. 289.

19. Юрыгин, П. П. Математическая модель многослойного течения резиновых смесей в цилиндрических каналах / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров // 66-я всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: электрон, сб. тез. докл. —Ярославль. —2013. - С. 167.

20. Юрыгин, П. П. Численное исследование размерообразования вязко-упругих жидкостей при соэкструзии / П. П. Юрыгин, И. С. Гуданов, Г. М. Гончаров // 66-я всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием: электрон, сб. тез. докл. — Ярославль. — 2013. — С. 168.

Автор выражает благодарность dot/енту кафедры «Технологические машины и оборудование» Гуданову И. С. за постоянную помощь и интерес к работе.

Подписано в печать 4.04.2014 г. Печ. л. 1. Заказ 309. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

На правах рукописи

Г у

201 459311 '

Юрыгин Павел Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ

РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В ДУПЛЕКСНЫХ ГОЛОВКАХ ДЛЯ ВЫПУСКА ЗАГОТОВОК КОЛЬЦЕВОГО ПРОФИЛЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гончаров Г. М.

Ярославль - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА АГРЕГИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ КОЛЬЦЕВОГО ПРОФИЛЯ......................................................... 11

1.1 Виды длинномерных комбинированных изделий кольцевого профиля

из полимерных материалов.......................................................... 11

1.2 Основные способы производства многослойных полимерных изделий

с кольцевым поперечным сечением................................................ 15

1.3 Оборудование для изготовления агрегированной продукции методом соэкструзии.............................................................................................. 17

1.3.1 Особенности конструктивного исполнения формующей оснастки кольцевых экструзионных головок.......................................... 20

1.3.2 Существующие конструкции мультиплексных кольцевых головок 23

1.4 Реологические уравнения состояния расплавов полимеров...................... 30

1.5 Современные подходы к описанию процесса стратифицированного течения полимеров в мультиплексных головках................................. 38

1.5.1 Аналитический подход к решению задачи течения вязкоупругих жидкостей в червячных головках................................................... 39

1.5.2 Численное моделирование совместного течения полимерных материалов................................................................................. 41

1.6 Результаты и выводы по главе, постановка задач исследования............. 45

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛАХ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК И ОБЛАСТИ СО СВОБОДНОЙ

ПОВЕРХНОСТЬЮ....................................................................................... 48

2.1 Формулировка цели и задач теоретического исследования....................... 48

2.2 Математическая модель стратифицированного течения двух вязкоупругих жидкостей в каналах экструзионной головки и области

со свободной поверхностью.............................................................. 49

2.2.1 Система уравнений математической модели................................ 53

2.2.2 Граничные условия.............................................................. 54

2.3 Численное решение задачи описания гидродинамики несмешиваемого течения полимерных материалов................................................................ 56

2.3.1 Решение уравнений математической модели методом конечных элементов........................................................................ 57

2.3.2 Определение положения материалов при совместном течении..... 60

2.3.3 Метод расчета процесса соэкструзии двух резиновых смесей в каналах экструзионной головки и области со свободной поверхностью .............................................................................. 62

2.4 Численное моделирование процесса соэкструзии резиновых смесей

в каналах существующих кабельных головок........................................ 65

2.4.1 Обсуждение результатов моделирования течения резиновых смесей в кольцевых каналах существующих экструзионных головок............................................................................. 68

2.4.2 Особенности формообразования двухслойного потока резиновых смесей на выходе из фильеры............................................... 74

2.5 Результаты и выводы по главе...................................................... 79

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ...................................................................................... 82

3.1 Постановка цели и задач экспериментального исследования................. 82

3.2 Определение реологических характеристик резиновых смесей.............. 82

3.2.1 Построение кривых течения резиновых смесей............................ 84

3.2.2 Определение релаксационных характеристик резиновых смесей ... 90

3.3 Устройство и принцип действия установки для соэкструзии резиновых смесей..................................................................................... 95

3.3.1 Конструкция и принцип действия установки............................. 95

3.3.2 Средства контроля и измерения основных параметров процесса ... 99

3.3.3 Методика проведения экспериментального исследования............ 101

3.4 Результаты экспериментального исследования особенностей процесса соэкструзии резиновых смесей........................................................... 102

3.4.1 Результаты исследования деформационных параметров............... 102

3.4.2 Результаты исследования энергосиловых и гидродинамических параметров................................................................................. 105

3.5 Оценка точности измерения экспериментальных данных..................... 107

3.6 Анализ сходимости результатов экспериментальных и теоретических исследований................................................................................. 109

3.6.1 Сравнение результирующих гидродинамических картин течения 110

3.6.2 Сравнение результирующих деформационных картин течения...... 112

3.6.3 Сравнение результатов определения энергосиловых параметров установки............................................................................... 117

3.7 Результаты и выводы по главе...................................................... 118

ГЛАВА 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ........................................................................... 120

4.1 Цель и задачи практического применения результатов исследования..... 120

4.2 Разработка рекомендаций к проектированию мультиплексных червячных агрегатов для экструзии резиновых смесей......................... 121

4.2.1 Влияние геометрических параметров кольцевых головок

на характеристики совместного потока дублируемых материалов 121

4.2.2 Влияние режимных параметров процесса соэкструзии

на характеристики совместного потока дублируемых материалов 127

4.2.3 Влияние реологических свойств резиновых смесей

на характеристики совместного потока дублируемых материалов 130

4.3 Определение рациональных параметров процесса соэкструзии

в кабельной головке существующей конструкции..............................................................132

4.4 Метод расчета и проектирования экструзионных агрегатов для выпуска агрегированных изделий кольцевого профиля..............................................................................137

4.5 Результаты по главе........................................................................................................................................139

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................143

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ......................................................................................................................................................................158

Приложение А................................................................................................................................................................162

Приложение Б................................................................................................................................................................164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Значительную долю производственных объемов кабельной и резинотехнической отраслей составляют длинномерные цилиндрические изделия из резиновых смесей. Они отличаются многообразием конструктивного и материального исполнения, а также совмещением широкого набора эксплуатационных характеристик (прочность, сопротивление износу, эластичность, стойкость к излому, а также воздействию химических и атмосферных факторов, высокие электроизоляционные показатели и др.). Примерами могут служить кабельная изоляция, медицинские и хозяйственные шланги, рукава, трубки, жгуты, имеющие как промышленное, так и бытовое применение. При этом сочетание в одном материале всех требуемых регламентом свойств часто либо экономически нецелесообразно, либо физически невозможно в силу их взаимоисключающей природы. Поэтому более перспективным способом производства подобной продукции является агрегирование в единое изделие нескольких полимерных слоев, каждый из которых имеет строго определенное назначение. Такой подход сопровождается активным совершенствованием технологических процессов и соответствующего производственного оборудования.

В современной промышленности переработки полимерных материалов все большее распространение получает такой метод получения длинномерных агрегированных изделий, как мультиплексная экструзия. Данный подход заключается в формовании двух и более материалов в единой головке, в которую они нагнетаются разными экструдерами. Прохождение материалами области совместного деформирования на выходе из головки обеспечивает высокое качество стыка отдельных слоев и, как следствие, качество агрегированного изделия в целом.

При стратифицированном (совместном) течении нескольких вязкоупругих жидкостей в мультиплексной экструзионной головке особенно важной задачей является исследование процесса размерообразования потока не только в формующих каналах, но и после выхода из них (в области со свободной поверхностью). Так, заметный вклад в деформационную картину течения вносит релаксация

напряжений, накопленных в процессе переработки, что вызывает явление пост-экструзионного разбухания. Итоговое качество изготавливаемой продукции определяется множеством факторов, среди которых соотношение теплофизических и релаксационных свойств материалов, режимные параметры процесса, а также геометрические характеристики формующего инструмента.

На сегодняшний день накопленные эмпирические данные по формованию многослойных цилиндрических заготовок являются главным руководством при проектировании экструзионного оборудования. В этой связи очевидна актуальность теоретических исследований по выявлению особенностей формирования гидродинамики совместного потока полимерных сред в каналах мультиплексных головок, способных также открыть новые пути повышения качества агрегированного экструдата.

Работы в данном направлении ведутся как зарубежными, так и отечественными исследователями. Следует отметить труды таких ученых, как Ч. Д. Хан, В. Микаэли, К. Раувендааль, Г. Баракос, Д. Дули, Е. Митсулис, М. Т. Мартин, В. И. Янков и др. Предлагаются различные подходы к численному моделированию течения вязкоупругих жидкостей в модельных каналах [1-3], уделяется внимание вопросам создания научно-обоснованных подходов к оптимизации режимных параметров и конструкций соэкструзионного оборудования [4, 5], а также активно разрабатываются способы автоматизированного управления технологическими процессами производства [6]. Однако, проблема размерообразования потока резиновых смесей в мультиплексных головках существующих конструкций с учетом деформирования материалов как в формующих каналах, так и в области со свободной поверхностью, остается мало изученной, что и обуславливает цель и актуальность настоящей диссертационной работы.

Исследование выполнено на кафедре «Технологические машины и оборудование» Ярославского государственного технического университета в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ, по теме «Разработка методов расчета на основе моделей динамических процессов в сложных средах с нелиней-

ными эффектами» на 2012 г. (№ 01201275357) и по теме «Моделирование процессов переработки дисперсных и композитных материалов в условиях нестационарных режимов для энергосберегающих технологий» на 2013 г. (№ 01201354184).

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы заключается в изучении особенностей процесса стратифицированного течения резиновых смесей в дуплексных экструзионных головках для выпуска заготовок кольцевого профиля, а также создании рекомендаций по расчету и проектированию соэкструзионного оборудования.

Для достижения обозначенной цели поставлены и решены следующие задачи:

- разработка математической модели трехмерного стратифицированного течения резиновых смесей в цилиндрических каналах экструзионных головок и области со свободной поверхностью;

- создание метода расчета и осуществление численного моделирования процесса соэкструзии резиновых смесей в дуплексных кольцевых головках с целью выявления закономерностей формирования гидродинамических, деформационных и энергетических картин течения;

- проверка адекватности математической модели и метода расчета реальному процессу соэкструзии на экспериментальной установке для дублирования цилиндрических заготовок из резиновых смесей;

- создание рекомендаций для определения рациональных параметров процесса соэкструзии применительно к производству кабельной изоляции с точки зрения размерного качества изделия;

- разработка обобщенного метода расчета и проектирования соэкструзион-ных агрегатов с учетом процесса размерообразования экструдата как в каналах формующей головки, так и после выхода из нее (область со свободной поверхностью).

Научная новизна. Разработана математическая модель и предложен метод расчета трехмерного стратифицированного неизотермического течения двух вяз-

коупругих жидкостей в формующих каналах экструзионных головок и области со свободной поверхностью.

Исследованы закономерности формирования гидродинамических, деформационных и энергетических характеристик течения резиновых смесей в дуплексных каналах существующих кабельных головок, на основе которых выявлены основные причины отклонения размерных параметров заготовок от заданных технологическим регламентом значений и отмечены способы наиболее эффективного воздействия на них.

Сформулированы практические рекомендации для определения наиболее рациональных геометрических параметров экструзионных кабельных головок, режимных параметров процесса и реологических свойств полимерных материалов.

Практическая значимость. Предложенные метод расчета и рекомендации могут быть использованы для проектирования соэкструзионного оборудования и создания технологических регламентов процесса с целью повышения размерного качества длинномерной агрегированной продукции, что подтверждается применением результатов исследования в производстве на ООО «Нексанс-Рус» (г. Углич).

Методология и методы исследования. Математическое моделирование процесса соэкструзии основывалось на классических уравнениях гидродинамики, дополненных реологическим уравнением состояния вязкоупругих жидкостей. Численная реализация метода расчета осуществлялась с использованием современных программно-вычислительных комплексов. Адекватность предложенных математической модели и метода расчета проверялась экспериментальным путем на созданной лабораторной установке.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель трехмерного стратифицированного неизотермического течения двух вязкоупругих жидкостей в цилиндрическом канале и области со свободной поверхностью;

- метод расчета процесса соэкструзии резиновых смесей в кольцевых головках экструзионных агрегатов;

- результаты численного исследования особенностей формирования двухслойного потока резиновых смесей в расчетных областях реально существующих конструкций кабельных экструзионных головок;

- результаты экспериментальных исследований гидродинамических и деформационных характеристик стратифицированного течения резиновых смесей;

- рекомендации для определения рациональных параметров процесса соэкстру-зии кабельной изоляции с точки зрения размерного качества изделия, а также обобщенный метод расчета и проектирования экструзионных агрегатов. Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на

XXIII и XXVI Международных научных конференциях: математические методы в технике и технологиях (Саратов, 2010, 2013), 15-16 Международных научно-практических конференциях студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2009-2010), 5-ой Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2009), 62-66 Региональных и Всероссийских научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2009-2013).

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 20 работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 7 статей в сборниках материалов международных конференций и 6 тезисов докладов в сборниках материалов конференций различного уровня.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов по работе, списка использованной литературы, включающего 154 наименования, списка публикаций и двух приложений. Общий объем работы составляет 164 страницы, в том ч