автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование сушки клеевых покрытий полимерных материалов на несущей прослойке технологической среды

г

/' / / /

И 1

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

/ ^а пРавах рукописи

Гладких Татьяна Васильевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СУШКИ КЛЕЕВЫХ ПОКРЫТИЙ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА НЕСУЩЕЙ ПРОСЛОЙКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического

моделирования и математических методов в научных исследованиях (в отрасли технических наук)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Битюков В.К.

Воронеж -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

Глава 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ СУШКИ КЛЕЕПРОМАЗАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Клеевые соединения и способы нанесения клеевых составов на детали шин и РТИ...............................................................11

1.2. Физико-химические основы процесса сушки клеепромазанного резинового полотна.............................................................14

1.3. Традиционные устройства и механизмы нанесения клеевых покрытий на полосовые материалы..........................................16

1.4. Традиционные способы и устройства для сушки клеевых покрытий полимерных материалов.......................................................20

1.5. Теоретические вопросы моделирования процесса сушки клеевых покрытий на резиновых заготовках. .....•::■•>! .ГР/:Л ....................34

1.6. Выводы...........................................................................41

1.7. Цели и задачи исследования................................................42

Глава 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ

КЛЕЕВОГО ПОКРЫТИЯ ПРОТЕКТОРНОГО ПОЛОТНА НА НЕСУЩЕЙ ПРОСЛОЙКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

2.1. Задача исследования и сущность процесса сушки клеевого покрытия протекторного полотна............................................44

2.2. Математическое моделирование массообменных процессов при сушкиклеевого покрытия диффузионно-непроницаемой и диффузионно-проницаемой подложек на несущей прослойке технологической среды.........................................................49

2.3. Математическое моделирование теплообменных процессов при сушкеклеевого покрытия протекторного полотна на несущей прослойке технологической среды..........................................57

2.4. Результаты численного экспериментирования с математической моделью тепло - и массообменных процессов при сушке клеевого покрытия резиновой подложки на НП технологической среды.......63

2.5. Выводы............................................................................68

Глава 3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

«ПРОТЕКТОР - КЛЕЕВАЯ ПЛЕНКА - НЕСУЩАЯ ПРОСЛОЙКА»

3.1. Экспериментальная сушильная секция и порядок проведения экспериментов.....................................................................70

3.2. Математическая обработка результатов экспериментов..................83

3.3. Расчет коэффициента массоотдачи клеепромазанного образца в область несущей прослойки................................................... .89

3.4. Результаты эксцериментов. Анализ влияния расходно-перепадных характеристик и геометрических параметров пневмоконвейерной секции на процесс сушки клеевого покрытия..............................92

3.5. Выводы..............................................................................99

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Пневмоконвейерные системы для сушки клеевого покрытия протекторного полотна.........................................................101

4.2. Выбор рекомендуемых параметров при расчете сушильного пневмоконвейера с несущей прослойкой технологической среды... 115

4.3. Выводы............................................................................118

Глава 5. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОТОЧНОЙ ЛИНИИ

ПРОИЗВОДСТВА ПРОТЕКТОРОВ НА БАЗЕ

ПНЕВМОКОНВЕЙЕРНЫХ СИСТЕМ

5.1. Методика инженерного расчета пневмоконвейера для сушки клеевого покрытия протекторного полотна...........................................119

5.2. Пример расчета..................................................................123

5.3. Транспортный модуль пневмоконвейера для сушки клеевого покрытия протекторного полотна на паровоздушной несущей

прослойке........................................................................126

5.4. Технологическая компоновка пневмоконвейерных систем в поточной линии производства протекторов...........................................132

5.5. Выводы...........................................................................140

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..................................................................142

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................144

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Состояние заготовительного производства протекторов шинных заводов во многом определяет количество и качество выпускаемых полуфабрикатов. В этой связи разработчиками постоянно уделяется особое внимание совершенствованию конструкций специализированных протекторных агрегатов. В последние годы осваиваются поточные линии большой единичной мощности, внедряются скоростные технологические режимы, механизируются и автоматизируются основные и вспомогательные операции. Тем не менее, существующие поточные линии не обеспечивают регламентированных норма качества протекторных заготовок. Кроме того, существует множество операций, требующие значительных материальных и энергетических затрат.

Актуальность темы. Повышение эффективности современного поточного оборудования в заготовительном производстве профилированных деталей шин в первую очередь базируется на более полном использовании наукоёмких технологий формирования протекторного массива и его последующей обработки. Объективно существующий разрыв между достижениями разработчиков новых классов оборудования и способами массового производства в последнее время увеличивается. Это обусловлено главным образом недостатком фундаментальных исследований в области разработки принципиально новых типов поточно-заготовительного оборудования, позволяющего комплексно решать вопросы интенсификации технологических процессов с учётом тенденций и особенностей развития шинного производства.

Серьёзные предпосылки для комплексной разработки вопросов интенсификации технологических процессов в полимерном машиностроении созданы известными учёными: Ю.П. Бассом, В.К. Битюковым, Л.И. Волч-

кевичем, В.Н. Колодёжновым, В.И. Коноваловым, A.M. Ковалем, А.Ю. Любартовичем, А.Г. Постернаком, B.C. Шейным, Ю.Ф. Шутилиным и др.

Производство резиновых заготовок является основным в технологическом процессе изготовления шин и большей части резинотехнических изделий.

В шинном производстве установлено, что протекторные заготовки после формирования не обладают достаточными конфекционными свойствами, что приводит к снижению механической связи при дублировании деталей автошины. Нанесение клеевого покрытия на опорную поверхность профилированных заготовок повышает их прочность и снижает влияние негативных поверхностных факторов как - то загрязнение, окисление и пр.

В традиционно эксплуатируемых механических транспортерах сушка происходит в воздушном потоке и характеризуется тем, что летучие соединения клеевой пленки отводятся неравномерно, с образованием поверхностной корки, негативно сказывающейся на качестве клеевого покрытия. Кроме того, имеет место деформация протекторного полотна.

Немаловажным недостатком в традиционной схеме сушки клеепро-мазанного резинового профиля является опасность возникновения пожаров за счет образования пожаро- и взрывоопасной среды. Отсюда возникает необходимость соблюдения повышенных требований правил пожарной и техники безопасности в существующих протекторных линиях.

Следует констатировать также факт выброса паров растворителя в окружающую среду, что приводит к ухудшению экологической обстановки и загрязнению производственной сферы.

Цель работы: теоретическое обоснование и разработка принципиально нового технологического оборудования для сушки клеевого покрытия полимерных материалов на базе транспортных систем с несущими прослойками рабочей среды.

Поставленная цель определила основные задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследования:

- обосновать возможность применения пневмоконвейерных систем для обработки протекторного полотна в поточно-заготовительном производстве деталей шин на основе анализа работы устройств для сушки клеевого покрытия;

- создать математическую модель процесса сушки клеевого покрытия на диффузионно-проницаемой и диффузионно-непроницаемой подложках. Используя эту модель и результаты экспериментов, исследовать влияние геометрических параметров и расходно-перепадных характеристик модуля сушильного пневмоконвейера на кинетику тепло- и массообменных процессов в системе «протектор - клеевое покрытие - несущая прослойка»;

- разработать и исследовать принципиально новые схемы конструкционного оформления модуля сушильного пневмоконвейера, позволяющего повысить эффективность тепло- и массообменных процессов на стадии сушки клеевого покрытия протекторного полотна в заготовительном производстве шин;

- определить предпочтительные конструктивные и технологические характеристики сушильного модуля пневмоконвейера на основании полученных аналитических зависимостей и результатов экспериментов;

- подготовить рекомендации по выбору параметров при расчете сушильного пневмоконвейера для сушки клеевого покрытия протекторного полотна;

- разработать методику инженерного расчета сушильного пневмоконвейера протекторного полотна на паровоздушной несущей прослойке. Спроектировать, рассчитать и изготовить транспортный модуль пневмоконвейера с целью его апробации в промышленных условиях АООТ «Воро-нежшина».

Методы исследования: Объектом настоящего исследования являются системы с тонкими смазочно - несущими прослойками возду-

ха, водяного пара и их комбинации, а также происходящие в них гидродинамические и тепло- и массообменные процессы.

Основные теоретические задачи работы решались с привлечением математического аппарата, который традиционно используется при рассмотрении дифференциальных уравнений в частных производных. С целью проверки полученных расчетных соотношений, а так же учета факторов, не получивших отражение в теоретических разработках, проведены экспериментальные исследования на специально созданных модулях и макетах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в моделировании трехслойной системы «протектор - клеевое покрытие - несущая прослойка», разработке принципиально новой схемы сушки, повышающей эффективность клеевого покрытия протектора на паровоздушной несущей прослойке.

На защиту выносится: Научно-теоретические основы проектирования сушильного оборудования, реализующего эффекты несущей прослойки технологической среды, использующегося в заготовительном производстве профилированных деталей шин.

Апробация работы. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах: «Информационные технологии и системы» (Воронеж, ВГУ, 1995); «Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга» (Воронеж, ВГТА, 1996); «Проблемы шин и резинокордных композитов. Задачи на пороге XXI века» (Москва, 1996); «Физико-химические основы пищевых и химических производств» (Воронеж, ВГТА, 1996); «Проблемы шин и резинокордных композитов. Дорога, шина, автомобиль» (Москва, 1997); «Математические методы в химии и технологиях (ММХТ - 11)» (Владимир, 1997); на отчетных научных конференциях (Воронеж, ВГТА, 1996 - 1999).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения.

Общий объем диссертации составляет 199 страниц, из них 162 основной текст и 37 приложений. В работу включены 53 рисунка, 3 таблицы. В списке литературы 166 наименований.

В первой главе обзор литературы и патентных источников в области сушки клеепромазанных полимерных материалов показал, что конструкции, используемые для сушки клеевого слоя протекторов, приводят к деформации резинового профиля и нарушению конфекционных свойств материала. Совершенствование существующих технологий и устройств требует проведения процесса таким образом, чтобы сушка клеепромазанного полотна проходила равномерно за короткое время.

Анализ типовых конструкций для сушки клеевых покрытий клеепромазанных резиновых заготовок дает основание считать, что системы с несущей прослойкой (НП) для транспортирования и одновременной бесконтактной технологической обработки протекторного полотна (сушка клеевого покрытия) наиболее перспективны в этой области.

Во второй главе проведен аналитический расчет параметров пнев-моконвейерной системы для сушки клеевого покрытия протекторного полотна на несущей прослойке технологической среды. Разработаны математические постановки задач исследования тепло- и массообменных процессов сушки клеевого покрытия на несущей прослойке технологической среды. А также представлены результаты численного экспериментирования с математической моделью тепло- и массообменных процессов при сушки клеевого покрытия резиновой подложки на несущей прослойке технологической среды.

Третья глава посвящена методике и технике эксперимента, включающая:

- экспериментально сушильную секцию и порядок проведения экспериментов;

- математическую обработку результатов экспериментов;

- расчет коэффициента массоотдачи клеепромазанного образца в область несущей прослойке;

- результатов экспериментов. Анализ влияния расходно-перепадных характеристик и геометрических параметров пневмоконвейерной секции на процесс сушки клеевого покрытия.

В четвертой главе рассматривается практическое использование результатов исследования и устройств для сушки протекторного полотна, а также даны рекомендации для расчета параметров сушильного пневмокон-вейера с несущей прослойкой технологической среды.

Вопросы расчета и проектирования поточной линии производства протекторов на базе пневмоконвейерных систем с паровоздушной несущей прослойкой, нашли свое отражение в пятой главе.

Разработка, теоретические и экспериментальные исследования пневмомеханических сушильных устройств проводились в воронежской государственной технологической академии с 1995 по 1999 годы.

1.ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОСТИЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ СУШКИ КЛЕЕПРОМАЗАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Клеевые соединения и способы нанесения клеевых составов на детали шин и РТИ

Среди отраслей резиновой промышленности выделяется шинное производство, широкий ассортимент которого обусловливает разнообразие применяемых материалов, их технологической обработки, оборудования и производственных процессов [104].

Шинное производство - ведущая отрасль резиновой промышленности. Примерно 60 % каучука, вырабатываемого в год, используется в шинном производстве, 25 % - в производстве РТИ и около 15 % в других отраслях [139].

Задачей шинного производства является оснащение транспортных устройств шинами, транспортерными лентами, приводными ремнями, рукавами. В процессе изготовления эти изделия подвергаются каркасному армированию с привлечением шинного корда, технических тканей и т.д. Для повышения прочности связи кордных материалов с резиной и обеспечения необходимых физико-механических показателей предусматривается пропитка или промазка специальными составами (клеями), сушка и термообработка [121].

Резиновый клей - коллоидный раствор каучука или резиновой смеси в органических растворителях (бензине, этилацетане и др.). При растворении каучука в бензине или других растворителях получается не вулканизующийся клей, а при растворении резиновой смеси - вулканизующийся.

По концентрации клеи делятся на густые или пасты (при соотношении смеси и растворителя 1:5), средние (1:10) и жидкие (1:60). Клеи применяются для прорезинивания тканей, склеивания деталей, крепления резины к металлам, резине и для других целей [138].

При нанесении клея на поверхности, подлежащие склеиванию, очень важно, чтобы его слой был равномерный и строго определенной толщины 0,10^-0,25 мм, так как при увеличении или уменьшении прочность клеевых соединений снижается. Способ нанесения клея зависит от вязкости, конфигурации и размеров склеиваемых поверхностей и имеющегося оборудования.

Выбор клея для конкретного назначения - достаточно сложная задача, поскольку ассортимент клеев широк, а универсальных клеев нет. Тип клея, конструкция изделия и технология склеивания - три взаимосвязанных между собой фактора.

Клеи для склеивания резин должны быть изготовлены на основе тех же или близких по природе каучуков, что и для резины [78]. Например, для промазки протекторов, камер, бортовых лент применяют клей ОК-57 следующего состава: резиновая смесь В-56-9041 - 8,00 вес.%; бензин БР-1 -92,0 вес.%. Состав резиновой смеси В-56-9041 для изготовления клея ОК-57 см. прил. 1.

Процессы нане