автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка червячных устройств для измельчения отходов резин легкой промышленности

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДШ1Я ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УКРЙИН»

РАЗРАБОТКА ЧЕРВЯЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ОТХОДОВ РЕЗИН ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05. 02. 13 Маиини и агрегатн легкой промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О я

0 окт -ас;,.

На правах рукописи

МИСЯЦ Владимир Петрович

Киев - 1994

Работа выполнена в Государственной академии легкой

промыаг.пениости Украины (ГАЛПУ).

г. I

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вурмистенкое fl.il. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ' Нестеров В.П. кандидат технических наук, ст. науч. сотрудник Верхоярный И.О. Ведущая организация: Обувная фирма "ВЗУТЕКС" (г. Хмельницкий)

Защита'состоится "1944 г. в 10 часов на заседании специализированного Совета (]. 01. 17. 01 в Государственной академии легкой промышленности Украины пп адресу: 252011. г, Киев -11. ул. Немировича-Данченко, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии легкой промышленности Украины.

Автореферат разослан "/А" 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук, профессор

Б.Ф. Пипа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время во всем мире остро стоит проблема утилизации и переработки отходов производства. Причем проблема отходов имеет не только экономическое и социальное, но и экологическое значение, так как несовершенные технологии утилизации практически всех видов отходов приводят к загрязнению пкрумаюцей среди. Так, например, резина и другие полимеры почти не поддаются естественным процессам разложения, а при смигании их отходов загрязняется атмосфера,

Максимальное вовлечение отходов производства изделий из полимериых материалов в промышленный оборот является в современных условиях вааным дополнительным источником сырья.

Если отходи тернопластичных материалов сравнительно легко поддаются переработке, то переработка таких материалов как резина наиболее эффективна при их измельчении и использовании порошков в качестве наполнителей резиновых смесей. Основное внимание отечественных и зарубеяных исследователей занимает проблема применения измельченной резины в виде крошки с размером частиц более 0,3 мм и тонкидисперсного резинового порошка с размером частиц менее 0,5 мм.

В легкой промышленности разработка и исследование экономичных устройств для измельчения отходов резины может послу-аить основой для создания более совершенных ресурсосберегающих технологий.

На предприятиях легкой и химической промышленности процесс измельчения осуществляется в основном в механических устройствах, в которых реализованы резание, истирании, раздавливание натериалов. При этом данные устройства, как правило, характеризуются высокой энергоемкость» процесса изме.<:-..';ет:я. Kpo.dc

того, вавной особенностью существующих измельчителей являе1 универсальность их принципов действия без учета особенное! Физикр-механических свойств измельчаемых материалов. Это се детельствует о тоы, что принцип действия данник устройств учитывает особенностей физико-механических свойств материалоЕ конкретных условиях переработки, а следовательно в них всегда обеспечены оптимальные условия процесса измельчения.

Создание высокоэффективных механических измельчающих ус ройств, в конструкции и принципе действия которых максималь учтены особенности фиэико-иеханических свойств измельчаем материалов 'является актуальной задачей, представляющей интер для многих отраслей промышленности.

Цель работы - разработка червячных измельчающих устройс для измельчения эластомеров на основе аналитических и экспер ментальных исследований поведения материала в системе цилйнд червяк, разработка метода их расчета и' проектирования.

Методы исследований. В работе использованы аналитически численные и экспериментальные методы ¡«следований, йналитиче кие и численные методы применены для анализа и исследования м тематической модели процесса двимения, деформирования и раэр шениа резины в червячном устройстве; для изучения влияния ко структивно-технологических факторов и физических свойств ыат риала на эффективность процесса измельчения; для оптимизац параметров червячных устройств.

Эксперименты проводились на экспериментальной установк реализующей реальный процесс измельчения отходов резин и давщ возможность автоматизированного контроля и измерений параметр процесса. Исследования проведены с использованием математич^ кой теории планирований эксперимента и обработки данных на ЗВ

Научная новизна. Получена аналитически и проверена эксп

риментально модель процесса измельчения резин в поле дей( твия механических сил, характерных для червячных устройств с конической роторной головной, связывающая физико-механические свой ства измельчаемых материалов с конструктивными и технологическими параые1 рани измельчителя.

Практическая ценность. Аналитические зависимости, полученные в результате исследований, позволяют определить оптимальные геометрические и технологические параметры червячного измельчающего устройства. Сформулированы рекомендации по оптимальному конструктивному оформлению и режимам работы червячных измельчителей. На основе проведенных исследований разраоотана, спроектирована и изготовлена опытная установка для измельчения обувных резиновых отходов, которая внедрена на Хмельницкой обувной фирме "&ЗИТЕКС".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуадалнсь на следующих конференциях и научных семинарах: на юбилейной ХОП научно-технической конференции посвященной 60 - летня основания КТ1Ш1, г. Киев, 1890 г.; на республиканском научно-практической семинаре "Перспективы развития производства товаров народного потребления и сферы услуг". г. Хмельницкий, 1990 г.; на 44-й научно-технической конференции КТИЛП, г. Киев, 1992 г.; на международной научно-технической конференции "Усовершенствование оборудования легкой проаишленности и слонно бытовой техники", г, Хмельницкий, 1993 г.: на научных конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава Киевского технологического института и Хмельницкого технологического института в 198? - 1994 гг.

Публикации. Основное содервание работы опубликовано в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы излоиено на 123 страницах манинописного текста, рисунков 36, таблиц 5, библиография включает 119 наименований. Общий объем работы - 170 страницы.

СОДЕРЖИМ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована

цель и определены оснотные задачи исследований, приведены сведения о методике исследований, научной новизне и практической ценности полученых результатов.

В первом разделе проведен обзор оборудования и исследова-

ний в области измельчения полимерных материалов . Установлено, что наибольшее распространение получили способы механического измельчения материалов, которые основаны на таких воздействиях, как раздавливание, уд-эр. излом, или их сочетании.

На основе анализа существующих способов и устройств для измельчения установлено, что получение порошков резины из отходов наиСолее эффективно на оборудовании, в котором осуществляется объемное деформирование материала с монотонно возраставшим механическим воздействигм при положительных температурах. Данные требования в различной степени выполняются в валковых машинах, дисковых мельницах и червячных устройствах.

Установлено, что червячные измельчающие устройства являются наиболее перспективными и экономичными при измельчении отходов резин в условиях предприятий легкой промышленности.

Проведенный анализ показал, что измельчение резин в червячных устройствах является наиболее эффективным с точки зрения энергоемкости процесса, так и требований к продуктам измельчения (при данном способе измельчения поверхность частиц материала имеет высокоразвитую, хлопьевидную структуру).

В ряде работ по »следованию процессов измельчения резин приведены сведения о том. что на энергетические показатели процесса измельчения существенно влияют такие факторы как степень обаатия материала рабочими органами измельчающих устройств, технологические решимы их работы, температура рабочих органов и Физикомеханические свойства материала.

В результате анализа источников информации по данному вопросу установлено, что несмотря на определенные технологические успехи, механизм процесса измельчения резин в червячных устройствах остается малоизученным.

Сложность исследования червячных устройств для измельчения резин связана с влиянием больного числа факторов, что при традиционной экспериментально-статистической методике требует .. большого количества экспериментов. Причем такой подход позволяет исследовать процесс измельчения только применительно к конкретному конструктивному исполнению экспериментального устройства.

Известные работы, связанные с изучением процесса измельчения резин в червячных устройствах относятся в основном к изучению физической сущности процесса и не затрагивают технологических и конструктивных параметров оборудования.

Во втором разделе изловенн результаты аналитических исследований процесса измельчения резин в червячных устройствах.

В качестве объекта исследований рассмотрен общий случай структуры червячного устройства содеряацего полый цилиндр, червяк, роторную головку имеющую форму прямого конуса и привод для вращения червяка. Червяк выполнен с постоянными шагои нарезки и диаметром сердечника.

Рассматриваемое червячное устройство условно разделяется на две функциональные зоны: зону питания, длина которой соот-

в

ептствует пихтовой части червяка и зону измельчения (роторная головка).

Для полного аналитического описания процесса измельчения резины в червячном устройстве рассмотрены несколько промежуточных стадий: поступление материала в устройство; его транспортирование в зоне питания: нагруяение до разрушения в зоне измельчения; собственно измельчение материала до некоторого конечного размера частиц.

Для аналитическое описания механизма разрушения резин разработана их деформационная модель, которая включает в себя эмпирические зависимости напря»ение-деформаиия. которые получены аппроксимацией экспериментальных кривых деформирования обуаных резин. Эти зависимости имею: следующий вид: при сматии при сдвиге

л *

Е Л' Е а

, , - --------:------; -------------- , ( 1 )

I- ^ 21 1+ М )( I - к' )

где ^ и 1. - соответственно нормальное и касательное напрявения при деформировании;

С- и Л - соответственно относительная деформация сжатия и сдвига материала;

Е - постоянная нат' риала; /И - коэффициент Пуассона,

При- аналитическом исследовании процесса разрушения резин использован термодинамический подход к описания прочностных характеристик полимерных материалов, на основании которого записано дифференциальное уравнение устойчивого процесса разрушения, которое имеет следующий вид:

и И • •

(1 Л , ..---;----= 0 . (2)

, Л уз

где с! М^.,- приращение удельной работы высокоэластнческой деформации резины:

, с

п ¿i - приращений площади свооодиой поверхности в объеме V материала; и - удельная энергия образования единицы площади поверхности разрушения материала.

Приняв упрощающее полоаение. что частицы материала до и писле измельчения имеют форму куба с размерами Иал Ол . получено следующее выраяение для количественного показателя степени измельчения, как увеличения удельной площади свободной поверхности в некотором объеме материала <-*> i I

О - 61-----------). (3)

а, па

В результате аналитического исследования поведения материала в зоне измельчения получено ряд дифференциальных уравне-)ий и выраиений для элементов процесса, система которых пред-:тавляет собой математическую модель процесса измельчения ре-¡ины в канале роторной головки и имеет следующий вид:

- , tg [,р dX , Vf г

а Со - -: а v,. = cosí arete—— )dcc;

R - г V,

. . г-

Ч/ Ч с с ; Е d

d Зх - (1-cnsí arctg—1,7-0.7 С )d ¿0; d O, =

V* (i- 6, )

* к)

r \2 J с 2 3 y 2 ,/2 9- E d ó,

dC4 = i— VdCl( + — (ddx + d): d Lt*--;

3 2 i 2

7 4-

i"-' - 1 л

dA = 6, d¿<: dS":= — d.Aw: Ve= 2r/ín ( г f X te Vp):

u '

V4. ---:

—•2 2 7/ ( R - С r + X tg X )

V 2 J; 2 r - 2 r,j 2 b¿ = -- \J 6„ + 6( L + (., ), (4)

где ¿¿.р-прирлшение деформации сяатия материала в канал! роторной головки при неподвишном роторе; с16„, (Г£„ -приращения деформаций и напряиений ма-териола при его двияении в канале г. вра«ав«имс! ротором;

¿< и - интенсивности деформаций и напряяений при деформировании материала; и V? - соответственно скорости движения материала в осевом направлении канала и его относительного скольяения по поверхности ротора;

0 - объемная производительность устройства:

- угол конусности ротора: I? н г -радиусы цилиндра и хвостовика ротора; п-частота вравения ротора. Путей численного решения полученой системы на ЭВМ методом Рунге-Кутта при следующих начальных условиях:

0^1 - с г I -о- ' ; I = / •

0 |х=о' Оо ' с1х-.о'' Чх=(Г'

л ^ I - А уд ' VI - 0' \ - 'Т •

А"3 *■№]У I =0- Т, I = с. (5)

1 J 1 х=о Чх = о

определяются степень измельчения материала и напорное давление на входе в роторную головку,

С целью определения факторов, оказывающих иаиболыее влияние на параметры процесса измельчения проведен вычислительный эксперимент с использованием полученой математической модели в ходе которого производился расчет показателей процесса при варьировании значений конструктивных и технологических факторов, В результате исследования определен характер зависимостей степени измельчения резины и напорного давления от величины ее относительного обяатия в канале роторной головки и технологических режимов работы устройства.

Расчет параметров процесса измельчения при варьировании " утла раскрытия раструба роторной головки (рис. 1) позволил определить оптимальное его значение ( т^опт, - 12...15°), при котором удельные энергозатраты на измельчение минимальны при прочих равных условиях.

Аналитические исследования нечюрно-расходовой характеристики зоны питания червячного устройства проведены на основе анализа сил. действующих на элемент материала з канале червяка (рис. 2). При исследовании учитывался нелинейный характер зависимости сил трения резин о поверхности скольнения от величины нормального давления на эти поверхности.

Исходя из уравнения баланса сил, действующих на материал в канале червяка получено выраяение для расчета мощности, затрачиваемой н зоне питания на транспортирование материала

Гс - Тп ... с

, ЕХРС--Ц )+ 1

'д ' б

(ВУЦ,| 1{,Г1Ч )(!.„ I ----- 1 п

м ф С

+1

(6)

где В - ширина канала червяка;

1 - длина образующей сечения канала червяка в направлении нормали к винтовой линии: I - длина канала червяка вдоль винтовой линии; Ф - фактор формы канала червяка; Е - модуль сдвига резины;

¿о- Удельная сила трения резины по-стали в зоне загрузки в червячное устройство; и - соответственно относительная скорость скольяе-ния цилиндра по материалу и скорость материала вдоль винтовой линии канала червяка; ■ с - константа трения резины по стали.

Рис. 2. Схема сил. действующих на материал з винтовок канале зону питанид чгрвхчкогс измельчавшего устройства.

Путем высчисления экстремальных значений мощности, затрагиваемой в зоне питания кап функции нескольких переменных ме-одос координатного спуска получены оптимальные соотношения ге-метрических параяртров червяка с прямоугольным каналом для мо-олитннх и микропористых обувных резин, которые представлены в ледующей таблице

~1^.51

Для исследования совместной работы зоны питании и зоны из-ольчения червячного устройства составлена программа для ЭВМ, кличающая математическую модель роторной головки и уравнения, пррд^ляюкие напорно-расходорую характеристику зоны питания,

Г? тр'пьчм разделе изложены результаты экспериментальных сследораний. подгверчдаюиих адекватность рчальноку процессу нзлитической мпделн процесса измельчениия резин в червячном стройстве.

Для эксг/еримешлльных исследований была слроектирогб.ча и эготовленз экспериментальная установка в которой предусмотрена еализания процесса измельчения резины, позмоячость варьирова-ия изучаемых Факторов, объективная, количественная регистрация сследчемых параметров.

При исследовании измельчавшей способности червячного уст-

о

ойства выделены следуюаие Факторы: - объемная производи-

л

елышсть м/с: - частота враыения червяка с; А - степень б)».атия: материала в канале роторной головки.

Аналитические исследования показали, что линейного прибли-ения для описания процесса измельчены резин в червячном уст-ойстве недостаточно. Й этой связи было принято решение - про-

f---------------------1-------т----[

i Вид материала ! L'/K | ' r/R

Резина монолитная ! 1. .. 1,5:1 i 0,73. ..0.78 Резина микропористая I,В!...1.66 ! 0,73...0|

1с

водить экспериментальные исследования методом 1> - оптимальноп планирования второго порядка с использованием матрицы планирования К.Коно (три уровня).

Используя программу обработки экспериментальных данных н< ЭВМ получена регрессионная зависимость, характеризующая влияни( выделенных факторов на удельные энергозатраты процесса измельчения.

В результате эксперимента установлено существование: мину мума удельных энергозатрат на измельчение при некотором оптимальном соотноаекии — - объемной производительности и частоты вращения червяка.

Проведенные исследования показали, что аналитическая модель с достаточной для практики точностью описывает процесс измельчения резин в червячных устройствах. Расхождение аналитических и экспериментальных данных не превышает 15 процентов. Зто дает право использовать ее для ¡»¿счетов режимов работы измельчающего оборудования червячного типа.

Четвертый раздел посаящен реализации результатов исследования. На основании проведанных аналитических и экспериментальных исследований предложены рекомендации по конструктивному исполнению и использованию червячных измельчающих устройств для измельчения отходов резин, разработаны исходные требования и методические основы для расчетов их констг;.ктивно-технологичес-ких параметров на ЭВМ.

На основе проведенных исследований спроектирован и изготовлен опытный комплекс оборудования для измельчения отходг-з обувнух резин в состав которого входит червячный измельчитель тонкого помола, который внедрен в производство на Хмельницкой обувной фирне "В39ТЕКС".

В результате внедрения данного комплекса предприятие

элучило возмонность эффективного вторичного использования гходов обувных резин после их измельчения в качестве згюлнителя резиновых смесей для изготовления деталей обуви и зраров широкого потребления. По результатам испытаний удельные нратн электроэнергии на процесс измельчения отходов до ;акиии менее 0,5 мм составляют 355 кВт ч/т для монолитных ¡зин и 260 кВт ч/т для микропористых обувных резин (с учетом I е р г о з а т [п т на предварительное дробление отходов в роторной юбичие), что в несколько раз меньше энергозатрат при реализа-[и процесса на валковом оборудовании.

Основные положения результатов исследований и элементы м'е-пичепких основ проектирования червячных измельчакцих уст-йств используются в учебном процессе Хмельниц;:ого технолпги-ского института.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного обзора оборудования и исслв-ваний но переработке отходов резин путем измельчения установка целесообразность научно-исследовательской работы в области рвячнмх измельчающих устройств и необходимость создания уст-Эства для измельчения резиновых отходов легкой промышленности.

2. Гипотеза мнояественного разрушения элзстомерных мате-злов в слоянонапряяенном состоянии, основанная из термодина-теском подходе к прочности полимеров позволила математичесгч 1сать процесс измельчения резин с учетом особенностей их фи-ю-механических свойств.

3. В результате аналитических исследований получена мате-ическая модель, описывавшая процесс измельчения резин в черном устройстве и определяющая зависимость качественно-коли-твенных показателей процесса от конструктивных и технологией х параметров оборудования.

4. Основным» Факторами, влияшщиыи на процесс измельченш резин в червячном устройстве являатся:

- физико-механические свойства измельчаемых материалов;

- степень обкатия материала в канале роторной гсловки;

- конструктивные параметры червяка и роторной головки;

- технологические реиимн работы измельчителя ( ^ , /I )

- температура рабочих органов.

5. гыяах.ено, что с увеличением температуры рабочих органа! червячногс устройства сниаается-степень измельчения монолитны) и микропористых обувных резин и потребляемая мощность и прт температуре ПС...115 С наблюдается минимальное значение энергозатрат на образование единицы площади поверхности разрушения,

6. При исследовании влияния конструктивно- технологически} факторов на процесс измельчения установлен, что минимум энергозатрат наблюдается при н«котором соотношении объемной производительности и частоты »рачения че^хяка, а такие при значент угла раскрытия раструба р.лорной головки равным 12...15'.

?. Исходный размер частиц измельчаемого материала практически не оказывает влияние на дисперсный состав получаемого по-рэкка, с его повышением увеличиваются энергозатраты на измельчение .

8. Определены оптимальные соотношения геометрических параметров черзака при которых происходит наиболее эффективно! транспортирование материала з винтовом канале.

9. На основе результатов исследований по заказу предприятия спроектирован и изготовлен опытный образец червячного ус ройства для измельчения отходов обувных резин, который внедрет в производство и хорошо показал себя в работе.

10. Разработан методические основы расчета основных конструктивных и технологических параметров червячных устройств ДЛ5

измельчения, которые могут быть положены в основу создания САПР.

Основное содераание диссертации отраяено в следующих работах :

1. Бурмистенков А.П., Мисяц В.П. Исследования механического поведения обувных резин в условиях нагрукения, характерных для технологических процессов легкой промышленности/ КТИЛП. -Киев, 1992. - 9 с. - Библиогр.: В назв. - Деп. в УкрИНТЭИ 16.10.92, N 1638 - Ук 92.

2. Бурмистенков П.П., Нисяц В.П. К вопросу о механизме процесса измельчения резин упруго - деформационным методом/ КТИЛП. -Киев. 19Э2. - 11 с. - Библиогр.: ? назв. - Деп. в УкрИНТЭИ 16.10.92, N 163? - Ук 92.

3. Ицук В.И.. Кармалита А.К,, Мисяц В.П. Исследование процесса измельчении отходов пористых резин в экструдере// Управление триботехническими и прочностными свойствами ыеханических систем. Сборник научных трудов. - Киев: УМИ ВО, 1990. с.132.

4. Мисяц В.П., Ицук В.И., Кармалита А.К. Установка для исследования процесса измельчения резиновых отходов обувного . производства экструзионным способом// Изв. вузов. Технология легкой промышленности. - 1989. N 4, с.129-132.

5. Мисяц В.П., Кармалита Й.К, Исследование процессов измельчения резиновых отходов обувного производства // Тез. докл. Юбилейной Х1Л1 НТН посвященной 60 - летип основания КТИЛП. -Киев. 1990. с. 236.

6. Мисяц В.П., Ицук В.И., Кармалита А.К. Использование отходов обувного производства для изготовления товаров народного потребления.. // Тез. докл. республиканского научно-практического семинара "Перспективы развития производства товаров

народного потребления и сферы услуг". - Хмельницкий, 1990. с. 117.

7. Бурмистенков А.П., Мисяц В.П. Моделирование процесса измельчения резиновых отходов упругодеформационным способом / Тез. докл. 44-й НТК КТИЛП.- Киев, 1992. с. 133.

8. Бурмистенкоь fi.il., Мисяц В.П. Исследование червячных устройств для измельчания отходов резин. //Тез. докл. международной НТК "Усовершенствование оборудования легкой промышленности и сложно бытовой техники1. - Хмельницкий, 1993. с. 38.

Sunuary

Misyats U.P. The development of shnecking devices for grinding rubber wastes in light industry.

The dessertatlon is submitted for a defence to receive a Candidate's degree in technical sciences (speciality N 05.02.13 -light industry machines and apparatuses). The State Light industry Academy of Ukraine, Kiev, 1994.

The dessertation presents the results of analytical and experimental investigations of the grinding process of rubbber. The influence of the construction - technological parameters of a shnecking device on qualitative and quantitative indices of the grinding process has been found. The initial requirements for grinding equipaent design under CftD/CftH are defined. The industrial introduction of the investigation results as the equlpnent complex for recycling of rubber uestes in footwear production Is carried out.

Анотаиия

Мисяи В.П. Разработка червячных устройств для измельчения гхолов резин легкой промышленности.

(ссертация на соискание ученой степени кандидата технических !ук по специальности 05. 02. 13 -машины и агрегаты легкой про-шленности, Государственная академия легкой промышленности (раины, Киев, 1994'.

щищается диссертационная работа, которая содеряит результаты шитических и экспериментальных исследований процесса измель-?ния отходов пезин в червячных устройствах. Установлен харзк-?р влияния конструктивно-технологических параметров червячного :тройгтва на качественные и количественные показатели процесса шельчения и определены исходные требования для проектирования (мельчающего оборудования в условиях САПР. Осуществлено пропиленное внедрение результатов исследований в виде комплекса ¡орудования для переработки отходов обувных резин. КличоеI слова:

|др(биеимя гуми, питом! енерговитрати, конструктивно-техноло-чна пптим!зац!я.

Ппдп. к печ. 19;09.94г. Формат 60x84 1/16. Бумага

тип №2. П?чять офсвтиая. Усл. печ. я. ¿,16. Усл. кр.-отт. 1,27. Уч.-изд. л. 0,91. Тираж НО. Злк. 253. Бесплатно.

Участок оптативно?, полиграфии при Государственной ака'демии легкой промышленности Украины. 252011, Кивп-П, ул. НемнровичА-Динчгнко, 2.