автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка конструкции и методики расчета шнекового пластикатора-дозатора для полимерных композиционных материалов с волокнистым наполнителем

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

САВЧЕНКОВА АЛЕКСАНДРА ИВАНОВНА

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ШНЕКОВОГО ПЛАСТИКАТОРА-ДОЗАТОРА ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ВОЛОКНИСТЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

05.04.09 — Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения.

Научный руководитель — кандидат технических наук, профессор | САЛАЗКИН К. А. |

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КИМ В. С-Х, кандидат технических наук КОШЕ-ЛЕВ Г. Г.

Ведущее предприятие: НПО «Пластик».

Защита состоится « ЬУ» г. на заседании

специализированного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук (К.063.44.01) в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения по адресу: 1078Н4- Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, МИХМ, в /У .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «З^» ¿¿сСиЛ— 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета

А. А. ПАХОМОВ

. _ ч ' ' ОБЦАЯ ХЛРЛКПЕРКСПКА РДБОШ У дстуАз1ь1юсть теш Композиционные полимерные материалы с во-дскнистым наполнителем в силу высоких конструкционных и прочност-:.Í^Ítíx характеристик широко используются во всех отраслях современной техники. Наиболее перспективным способом переработки указанных материалов является прессование изделий на автоматизированных прессовых комплексах, основными технологическими единицами которых являются гидропресс и шнековый пластикатор-дозатор. Оснащение прессов индивидуальными шнековыми пластикаторами позволяет совме-петь во времени процесс предварительного нагрева, таблетирования и прессования волокнонаполненных материалов, улучшает санитарно-гигиенические условия труда. К пластикатору-дозатору предъявляются высокие требования: стабильность работы, надежность, хорошая согласованность с работой пресса. Он должен хорошо стшгавать-ся с прессом, быть по возможности малогабаритным и компактным. В этом плане имеется еще значительный резерв улучшения технико-экономических показателей пластикатора. Специфичность свойств волокнонаполненных полимерных материалов вызывает трудности при их переработке в шнековом пластикзторе-дозаторе. Специфичные свойства данного типа материалов, их поведение в процессах переработки исследованы недостаточно. Отсутствуют достоверные данные по поведению волокнонаполненных композитов в условиях сдвиговых деформаций и деформации сжатия. Вместе с этим, существующие приборы не позволяют выполнить необходимые исследования свойств этих материалов, требуемых для расчета рассматриваемого оборудования.

Вышеназванные причины не позволяют производить в настоящее время прочностные и технологические расчеты шекового пластикато-ра-дозатора для переработки волокконаполненннх композитов с пре-емлемой точностью. Решение этой задачи представляет большой научный и практический интерес.

Диссертация является составной частью работ по Координационному плану АН СССР на 1986-1990 г. г.. тема 2.22.001 "Разработка и исследование новых высокопроизводительных методов и оборудования для переработки пластмасс", связана с научно-исследовательской работой М 01860121617, а также госбюджетной тематикой "Разработка ресурсосберегающих технологий, оборудования и методов расчета формующего инструмента для переработки пластмасс" на 1991-1995 г. г.

Цель работы. Разработка экономически обоснованной конструкции шнекового пластикатора-дозатора для композиционных полимерных материалов с волокнистым наполнителем и создание методики его

- г -

расчета на основании исследований его работы и специфических | свойств материала, проявляющихся при переработке. |

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими ее результатами:

- разработана физическая модель деформирования композиционных материалов с волокнистым наполнителем, учитывающая ориентаци-онные эффекты наполнителя заданной длины;

- создана методика расчета касательных и нормальных напряжений, возникающих при простом сдвиге волокнонаполненных композиций, учитывающая ориентацию, размеры, объемное содержание, свойства наполнителя и пс -шмерной матрицы;

- разработана мо, ель деформирования и методика расчета движения волокнонаполненнсй композиции в сужающемся канале конического шнека, учитывающие специфику свойств материала при деформировании, его взаимодействие со стенками канала и ориентацию наполнителя;

- выполнен анализ процессов деформации материала на выхода из канала шнека в дозирующую камеру шнекового пластикатора, учитывающий возникновение нормальных напряжений при простом сдвиге композиционных волокнонаполненных материалов;

- разработана методика расчета шнекового пластикатора-дозатора, учитывающая специфику свойств при деформировании волокнонаполненных материалов.

Практическая ценность. Разработанные конструктивное оформление шнекового пластикатора-дозатора для композиционных полимерных материалов с волокнистым наполнителем и методика его расчета были использованы НПО "Пластик" при разработке шнекового пластикато-ра-дозатора диаметром шнека 63 мм для переработки волокита У2-301-07. стекловолокнита типа ДСВ; Режевским химическим заводом при разработке вертикального пресс-пластикатора для волокнитов, стекловолокнитов и древмасс; Высокогорским механическим заводом при создании пластикатора-дозатора для ДСЕ Обший ожидаемый экономический эффект - 144,7 тыс. рублей. Внедрение разработок на заводах позволит повысить производительность действующего прессп- с вого оборудований в 1,5-2 раза.

Автор загрщаат:

- результаты теоретического и экспериментального исследования процесса шнеко^ой пластикации волокнонаполненных к мпозитов и

. работы отдельных узлов пластикатора;

- разработанное физическую модель деформирования композици-. онних материалов;с волокнистым наполнителем, учитывающую ориента-

- а -

циояикг эффекты, и методику расчет:; этвательннг и нормальных напряжена, возникающих при простом сдвиге шлогаюнаполненных композиций, учитывающую ориентацию, размеры, объемное содержание, свойства наполнителя и полимерной матрицы;

- разработанные модель деформирования и методику расчета характеристик движения волокнонаполненной композиции в сужающемся канале конического опека, учитывающие специфику свойств материала при деформировании, его взаимодействие со стенками канала и ориентацию наполнителя;

- результаты анализа'процессов деформации материала на выходе из канала шнека в дозирующую камеру шнекового пластикатора, учитыве-ицие возникновение нормальных напряжений при простом сдвиге композиционных волокнонаполненных материалов;

- методику расчета шнекового пластикатора вертикального типа с единым приводом вращательного и возвратно-поступательного движения шнека.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия", Москва, 1986 г., на научно-технической конференции "Математическое моделирование технологических процессов переработки материалов давлением", г. Пермь, 1990.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства и положительное решение на выдачу патента.

Объем и структура работы. Основное содержание работы изложено на 218 страницах, включающих 155 страниц машинописного текста, 54 рисунка, 2 таблицы, 18 страниц приложений. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 134 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДВРЯДИИВ РАБОТЦ

Во введении показана актуальность работы, изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние развития производства и переработки полимерных композиционных материалов с волокнистым наполнителем. Наиболее распространенным методом переработки указанных' материалов является прямое прессование, которое отличается большой трудоемкостью, малой степенью механизации и автоматизации. Как следует из литературного обзора, самым прогрессивным способом подготовки этих материалов к прессованию является ишеко-

вая пластикация. Оснащение прессового оборудования пшековыми пластнкаторами-дозаторами таблетирующего типа улучшает санитарно-гигиенические условия труда, повышает производительность прессового оборудования, создает предпосылки для разработки полностью автоматизированных агрегатов для переработки композитов.

В главе дан анализ основных закономерностей шнековой пластикации и дозирования волокнонаполненных композитов и используемого технологического оборудования. Разработке и расчету данного типа оборудования посвящено уже немало работ, однако, его внедрение сдерживается рядом причин, одной из которых является отсутствие методик расчета пластикатора-дозатора с учетом сложных процессов, сопутствующих переработке волокнонаполненного материала. Существенны'-: препятствием ча пути создания методик расчета рассматриваемого оборудования а.ляется недостаток надежных данных по поведению композитов в условиях сдвиговых деформаций и деформации сжатия. Ситуация осложняется и тем, что имеющиеся приборы не позволяют выполнять необходимые исследования специфичных свойств рассматриваемых композиционных материалов с учетом влияния ориентации наполнителя и пристенных эффектов.

Свойства волокнонаполненных композиционных материалов исследовались многими авторами. Имеющиеся отдельные-работы по исследованию поведения волокнонаполненных композитов при сдвиговых деформациях указывают на значительное влияние наполнителя на реологические свойства, особенно когда его размеры сравнимы с каналами в которых происходит течение. Однако эти данные противоречивы. Сделан вывод, что существующие пластометрические методы и приборы не могут быть использованы для высоконаполненных композиций с длинноволокнистым наполнителем. В связи с этим возникает необходимость разработки новой реологической модели волокнонаполненного композита и приборов для исследования свойств таких материалов.

С учетом всего вышеизложенного сформулированы конкретные цели и задачи исследований, необходимых для разработки конструкции и методики расчета шнекового пластикатора-дозатора для волокнона-' полненных полимерных материалов. г

Вторая глава посвящена разработ!« новой конструкции пнеково-го пластшсатора-дозатора. В результате анализа реализованных в промиадецности конструкций шнековых пластикаторов-дозаторов для переработки тершрешстопластов и использования мете-а фушсцно-палыю-стоимостного анализа (5СЛ) построена функциональао-физи-ческая модель пластикатора

Раэра(Ч>танная функциональная модель пластикатора позволила

- Б -

определить вклад г.згдаго структурного э;:ек:н°а ь выполнении главной функции устройства, вклеить дублирование функций элементами конструкции, оценить качество исполнения функций, определить основные и побочные функции элементов конструкции, результатом чего явились новые технические решения пластикатора-дозатора, защищенные треки авторскими свидетельствами.

Предложена новая конструкция пластикатора-дозатора (авторское свидетельство М 1531588, 1990), в которой исключается использование дополнительной гидросистемы, и имеющая более простое конструктивное оформление. Вращательное и возвратно-поступательное движение шнека в пластикаторе обеспечивается единим приводом, что достигается использованием муфты с винтовым механизмом. Данная конструкция была взята за основу при создании экспериментальной установки вертикального шнекового пластикатора, на которой проводились исследования процесса пшеюэвой пластикации вологагонапол-ненных композитов и работы отдельных его узлов.

В третьей гладе рассматриваются принципы создания установок с устройством, обеспечивающим вращательное и возвратно-поступательное движение шнека от одного привода, приводится описание их конструктивного оформления и результаты исследования работы плас-тикатора, оснащенного таким устройством. Кроме того, в этой гласе приводятся результаты исследования режимов работы пластикаторэ, его производительности, энергетических затрат, а также качества получаемой дозы, которые не Били исследованы предыдущими авторами, но являются необходимыми для разработки методики и проведения расчетов нластшсатора в целом. Исследования проводились на материале ДСВ-4Р-2М

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Хвостовик шнека 1 соединен со ста]саном муфты 8, имеющим внутреннюю трапецеидальную резьбу, контактирующую с резьбой ведущего вала 7 двигателя 6. Шнек 1 имеет возможность вращаться и перемещаться в осевом направлении, ведущий вал 7 неподвижен в осевом направлении, но может реверсивно вращаться. Крутящий момент цилиндрическому 1 и коническому 2 шнекам передается от реверсивного двигателя б через винтовую муфту 8. В крайнем верхнем положении шнек 1 вращается вместе с ведущим валом привода 7. При этом происходит запитка материала из бункера 4 коническим шнеком 2 в материальный цилиндр 3, его пластикация и накопление в дозирующем объеме. После накопления определенной дозы материала заслонка 5 открывает материальный цилиндр 3, а ведущему валу привода 7 сообщается противоположное вращательное движение. При этом произво-

- б -

77777777777777

ч ч ч ч ч ч

3

ч -ч ч ч

КГ

верхнее положение шнека

нижнее положение шнека

1-цилиндрический шнек

2-кснический шнек

3-ыатериальный цилиндр

4-бункер 1

5-заелонка

6-моггор-рецуктор

7-редущий вал

3 в-шштовал муфта 9-направляющая Ю-кривошип: Я вал П-нагреватели

Рис. I Схема экспериментальной установки шнекового пласт!жатор>з-дозатора

дится отрезание доги кромкой последнего витка цилиндрического шнека и выталкивание дозы его торцем. Затем осуществляется реверс, привода, шнек поднимается в крайнее верхнее положение, заслонка закрывает материальный цилиндр и цикл повторяется.

Проведенные испытания конструкции показали ее достаточную работоспособность при значительном упрощении компоновки агрегата в целом и обеспечении сокращения времени вспомогательных операций за счет исключения стадий переключения элементов гидроаппаратуры. На основании проведенного анализа силового взаимодействия отдельных элементов разработанной муфты даются формулы для расчета основных силовых факторов, необходимых для выполнения прочностных расчетов винтовой муфты.

Для разработки конструкции пластикатора были проведены исследования по выбору наиболее преемлемых технологических параметров его работы. Для материалов типа ДСВ были решены задачи выбора геометрии внутренннней поверхности загрузочного бункера, обеспечивающей наилуччше условия захвата материала. Показано, что максимальная производительность и стабильность работы достигаются при определенной степени заполнения загрузочного бункера, когда уровень перерабатываемого материала совпадает с началом нарезки конического шнека.

Изучение характера ориентации композита в коническом шнеке показало наличие сильной ориентации в окружном направлении, которая значительно меняет условия силового взаимодействия перерабатываемого материала с нарезкой конического шнека. Измерение возникающих на различных стадиях процесса величин осевых усилий и крутящих моментов на цилиндрическом и коническом шнеках показало их значительную зависимость от частоты вращения и величин противодавлений. Результаты измерений производительности и потребляемой пластикатором мощности позволили дать рекомендации по выбору режимов работы пластикатора, обеспечивающих заданную производительность.

Интересные данные были получены в результате исследования разрушения наполнителя и его ориентации в дозе подготовленного материала, которые были проведены путем отжига проб с пос,—чующей классификацией волокнистого наполнителя и построения гистограмм распределения. Исследования показали, что разрушение волокнистого наполнителя максимально в верхней части таблетки и во всех сечениях носит равномерный характер. В целом при обычных режимах работы пластикатора наблюдается значительное разрушение волокон наполнителя, причем количество неразрушенного наполнителя составля-

er 8 - 23 % в зависимости от координаты сечения по высоте таблетки. Полученные распределения длины волокон наполнителя по высоте таблетки объясняются спецификой гидродинамики заполнения дозирующей камеры расплавом. При этом нижняя часть таблетки формируется из расплава в виде спирали и не подвержена сдвиговым деформациям, в то время как ее верхняя часть испытывает сильное сдвиговое воздействие от острой кромки нарезки шнека, что и вызывает больсее разрушение наполнителя. Проведенные исследования позволяют оценить степень разрушения волокнистого наполнителя, а также рекомендовать условия набора дозы, обеспечивающие снижение разрушения наполнителя, что ос; бенно ярко било показано в экспериментах с вращающейся приемчоГ камерой.

Г,«веденные в i лаве данные по исследованию хараотера заполнения камеры и ориентации волокнистого наполнителя были использованы в дальнейшем (глава 5) для уточнения картины напряженного состояния массы перерабатываемого материала на выходе из канала цилиндрического шнека и уточнения расчетов диссипации энергии и прироста температуры в этой области.

Кроме того экспериментальные данные по ориентации наполнителя в дозе могут быть использованы для прогнозирования свойств формуемых изделий.

В четвертой главе приведены результаты теоретического и экспериментального изучения реологических свойств композитов типа ДСВ. Необходимость выполнения этой части работы вызвана тем, что имеющиеся методы подобных исследований не позволяют с достаточной точностью производить расчеты процессов течения волокнонаполнен-uux композитов с учетом их специфических свойств и ориентации наполнителя. Работа была проведена в двух направлениях. Во-первых, была создана экспериментальная измерительная оснастка и разработана методика исследования рассматриваемых материалов в условиях простого сдвига, исключающих пристенные эффекты. Оснастка позволяет производить измерения возникающих в материале касательных и нормальных напряжений в широком интервале скоростей едгига, вели- ' чин деформаций сдвига, температур, а также при различной ориента- « ции наполнителя относительно направлении сдвига. IIa рис. 2 приведены типичные зависимости касательных и нормальных напряжений от скорости сдвига при хаотичном расположении волокнистого наполнителе. Обработка полученных данных позволила дать следуг-зю зависимости для определения напряжений для условий простого сдвига

«/Дл^Па 3,0

К

2 2,0

14 о; а. к га и

1,0

2 I

ТхуД^МПа Ь,6

0,5 1,0 1,5 скорость сдвига,-Л, с

- расчетные о

- экспериментальные

9 18 24 36 давление, Р, ЫПа

Рг.с. 2 Зависимость касательных (1,2) Рис. 3 Зависимость каса-и нормальных (3,4) напряжении от тельных (I) и нормаль-

скорости сдвига ДСВ-4Р-2М при Т=353 К них (2) напряжений от

давления при Т=293 К

Рис. 4 К определении напряжений на единично:! волокне в коипозиге Го

Ра 1 у

Рис. б К анализу процессов в зоне выхода цатераала из канала пнека

Рис. 5 К расчету разиоао-скя частицы материала в канале конического пнека

где То, К . К4 - величины, зав&жхк ог „«рхиггацыг иалолиите-ля.

Во-вторых, проведенные исследования характера течения расплава волокнонаполненных композитов при различной ориентации наполнителя позволили создать физическую модель течения такого рода расплавов, а также получить выражения для расчета возникающих при этом касательных и нормальных напряжений. Согласно принятой модели (рис. 4) при сдвиговых деформациях рассматриваемой среды происходит перемещение волокон, защемленных в соседних слоях относительно полимерной матрицы выделенного слоя. Относительное перемещение волокон и матрицы обуславливает возникновение на поверхности волокон касательных напряжений, определяемых скоростью деформирования матрицы в слоях, прилежащих к поверхности волокна, и свойствами самой полимерной матрицы при заданных условиях. Суммированием проекций сил, действующих на волокна в плоскости сдвига и на перпендикулярную ей плоскость могут быть рассчитаны возникающие напряжения в плоскости сдвига композита.

При сдвиге выделенного элемента ориентация наполнителя меняется по зависимости .

О<К(С) (Ч ^ IV (2)

а скорость относительного перемещения по уравнению

Если принять эффективный диаметр зоны, в которой происходят сдвиговые деформации матрицы при перемещении волокна, в виде

с/эф = Ы/се (4)

а возникающие при этом на поверхности волокон напряжения в виде

(5)

то силу, действующую на волокно можно рассчитать по формуле ¿-лю/г ¿3(1)

) яЖ-Теи) (6)

Еходящая в формулу (6) величина 1з{,у,а также углы <£(с) и $(1), определяющие ориентацию наполнителя, должны быть взяты в виде некоторого распределения случайных величин. Тогда касательные и нормальные напряж^ия могут быть рассчитаны по формулам:

£¿зго-гей)

- • <7>

бхх =Ъ_{ииус!&-и(С)'%-со$ о<к(1) 8)

Полученные зависимости являются реологическими уравнениями волокнонаполненной среды для простого сдвига Результаты расчетов

и сравнение их с экспериментом приведены на рис. 2 и показывают достаточно хорошее качественное и количественное совпадение. Более точные значения касательных и нормальных напряжений, возникающих при деформации композитов могут быть получены подстановкой экспериментальных значений напряжений сдвига на поверхности волокна, возникающих при их вытягивании из полимерной матрицы при заданном напряженном состоянии композита. Это вызвано тем, что отдельные волокна в массе композита могут быть изогнуты, переплетены и иметь несколько точек контакта с другими волокнами. Для определения величин указанных касательных напряжений была разработана специальная экспериментальная оснастка и соответствующая методика. Полученные зависимости приведены в диссертации.

Разработанная методика для расплаЕов композитов была применена для анализа их поведения в условиях сдвига при Т < Тпл полимерной матрицы. Результаты расчетов с использованием экспериментальных данных по величинам касательных напряжений, возникающих на поверхности Еолокна при его вытягивании из массы уплотненного композита, приведены на рис. 3. В приложении даны программы и примеры расчета касательных и нормальных напряжений, возникающих при сдвиге сухой композиции и расплава ДСЕ В дальнейшем разработанная реологическая ;,юдель расплава композита была использована для расчета процессов деформирования материала в коническом пнеке и в переходной зоне между каналом цилиндрического шнека и дозирующей камерой.

Пятая глава посвящена описанию процессов деформирования композитов в рабочих каналах пластикатора. Изучение механизма движения массы в различных частях рабочей полости пластикатора для различных стадий его работы показало необходимость проведения уточненных расчетов процессов, проходящих в коническом шнеке и на выходе из канала цилиндрического пшека. Для конического шнека рассмотрена специфика деформирования материала и его ориентации, что дало возможность провести корректировку напряженного состояния материала путем учета дополнительных нормальных напряжений, возникающих за счет сдвиговой деформации в плоскости, перпендикулярной оси шнега по механизму, описанному в главе 4. Па основании предложенной шдгли движения масси (рис.5) и с учетом уравнений для опр|?деллп:л -касательных и_кормальных напряжений в виде

, ?zo = S-61* ; • б'и (3)

при общепринята: граничных условиях и усреднен;« величин напряжений в оадиалыюк) направлении была решена задача о распределении напряжений по объему материала, находящегося в канале конического

- -

шнека. Прл ®»чкз ьркк»*".. »»о к огсакиг'хв сдвиг. клшизят касзтельные кгеря.чаияя к ¡'ср*сль-к •• г.апря^лия б'^, определяемые зависимостью _ „ _

* (Ю)

где (ьх- нормальное напряжение, возникающее от набегающего конического витка, Ьц. - дополнительное нормальное напряжение от влияния волокон при сдвиге.

При этом связь между нормальными напряжениями устанавливалась с использованием коэффициента бокового давления в виде

£>00= Г* ¿¿г . б^ = ^ - ¿ж

В результат решения системы уравнений равновесия уравнение для нахождения б^ было получено в виде ,

где В а величина приведена в диссертации.

Специфика деформирования волокнонаполненного композита в данном уравнении учитывается гаээффициентом К Величина С 1(0) _била определена из рассмотрения величин касательных напряжений Тю У набегающей нарезки конического пнека в виде

с<(о)=сгехрШ9)1 , где (12)

ш J ьа-ий т <1®

Константа С2 должна определяться из начальных граничных условий в канале конического кто га. В зависимости от уровня материала в коническом бункере, определяющим величину 6иг на верхней кромке конического шнека граничные условия имеют вид

что дает значение 2 в виде

„ _ <Г+ о- Реп_

¿ЩЩЩЩТфЩо)] (15)

Величина нормального напряжения в канале конического шнека, возникающего от уплотнения нарезкей и в результате сдвига определяется зависимостью

где С:2, Фз приведены в диссертации.

Подученное уравнение учитывает специфику реологического поведения рассматриваемых материалов (через величины , Л, и может быть использовано при проведении расчетов и для случая отсутствия столОа загружаемого материала над коническим шнеком.

Расчеты по полученным уравнениям показали, что величины раз- . виваемых коническим шнеком давлений сильно зависят от геометрии бункера и свойств перерабатываемого материала, и достигают больших значений даже при малой длине шнека. Последнее подтверждается экспериментальными данными и позволяет рекомендовать выбирать длину конического шнека в пределах 0,8...1,0 D.

Специфика деформирования расплава волокнонаполненных композитов сильно проявляется при выходе материала из цилиндрического шнека и переходе в дозирующую камеру. Данный процесс сопровождается значительным тепловыделением, возникновением в набираемой дозе больших давлений и разрушением волокнистого наполнителя. Для ■оценки этих эффектов был проведен анализ процессов, протекающих в указанной зоне и разработаны физическая и математическая модели ее работы. Из рассмотрения равновесия клина материала з выходной части канала шнека (рис. 6) при использовании реологических уравнений среды в виде (1), с учетом того, что давление со стороны активной части нарезки шнека на материал является боковым по отношению к нормальному напряжению, действующему в направлении канала шнека, получено уравнение для расчета давления в дозе набранного материала:

(д f-/ (17)

С использованием усредненных величин градиента скорости сдвига в деформируемой массе на выходе из канала шнека получено выражение, описывающее напряжения сдвига в этой зоне в плоскости проходящей через торец шнека _

A - (18)

вызывающих диссипативйое тепловыделение мощности w _ Тм(УоКР :УЬ№

™А ~ COSPti (19)

и прирост температуры на величину

Тса „ £k>Z )

™ Г„м мы

(20)

Полученные аналитические выражения, описьващие процессы в указанны." специфичных зонах пластикатора, позволяют рассчитывать количественные показатели его работы (производительность, потребляемую мощность), а также прогнозировать качество получаемой продукции.

В веска х-ли::? щж.одкт«--. штодкда г-асчс.та пласти-

катора вертикального типа, дазотея р •».^ндац.^и по выбору режимов переработка —

- •,'30/Щ ПО ДИССЕРТАЦИЯ

1. На основе функционального анализа шнекового пластикатора- дозатора вертикального типа разработана новая конструкция (авторское свидетельство N 1581588, 1990 г.), обеспечивающая передачу шнеку вращательного и возвратно-поступательного движения от одного реверсивного привода Экспериментально подтверждена возможность использования разработанного привода шнека в пластикато-ре-дозаторе при переработке волокнонаполненных композиционных материалов.

2. Показано, что расчет основных конструктивных характеристик привода необходимо производить по параметрам основной стадии процесса пластикации и набора дозы с учетом условия расстыковки контактирующих поверхностей винтовой муфты.

3. Предложена физическая модель деформирования волокнонаполненных композиционных материалов, учитывающая ориентационные эффекты наполнителя заданной длины, предложена реологическая модель и методика расчета касательных и нормальных напряжений, возникающих при простом сдвиге волокнонаполненных композиций. Разработано устройство и методика определения напряжений при сдвиговых деформациях таких материалов при различных режимах нагружения и отсутствии пристенных эффектов.

4. Разработаны устройство и методика определения напряжений на поверхности армирующего волокнистого наполнителя в условиях сдвиговой деформации массы композита при различных режимах деформирования.

5. Проведенное сравнение экспериментальных и расчетных данных, показало, что разработанная методика определения реологических свойств расплава волокнонаполненной коьг.сзиции типа ДСВ учитывает влияние наполнителя: его размеры, объемное содержание, начальную ориентацию и переориентацию при сдвиге.

6. Предложен расчет характеристик движения материала в сужающихся каналах конических шнеков, учитывающий специфику свойств при деформировании волокнонаподненных материалов, ориентацию наполнителя и его взаимодействие со стенками канала Показано, что при использовании разработанной реологической модели успешно решаются вопросы расчета распределения давления в материале как при наличии так и в отсутствии удельного усилия на входе шнека.

- 1.57. Установлена взаимосвязь скорости сдвиговой деформации ориентированной массы волокнонаполненного композита в зоне выхода из канала шнека от технологически:-: параметров пластикации и условий набора дозы пластицированного материала.

8. Показано, что разработанная конструкция шнекового плас-тикатора-дозатора с приводом вращательного и возвратно-поступательного движения шнека от одного реверсивного двигателя обеспечивает упрощение конструктивного оформления, снижение материалоемкости, упрощение систем электро-- и гидроаппаратуры.

9. Разработана методика расчета шнекового пластикатора-дозатора, учитывающая специфику свойств при деформировании волокно-нап'\чненных материалов.

10. Результаты диссертационной работы внедрены в НПО "Пластик", на Высокогорском механическом заводе, на Режев ком химическом ;-;шоде с суммарным ожидаемым экономическим эффектом

1-';-;.У тыс.руб. По результатам работы получено 3 авторских свиде-те/.1.<;тва и положительное решение на выдачу патента.

Основное содержание диссертационной работе отражено в следуют;« публикациях:

1. Зубков А. В., Савченкова А. И. Исследование разрушения наполнителя при таблетировании композиционных материалов на шнековом пластикаторе. В кн.: Разработка, исследование оборудования для получения гранулированных материалов. М.: МИХМ, 1986. с. 32- 36.

2. Зубков А. В. , Савченкова А. И., Салазкин К. А. Использование шнекового пластикатора для автоматизации процесса переработки ре-актопластов. В кн.: Опыт применения химических волокон для создания композиционных материалов на полимерной основе в свете реализации программы "Интенсификация - 90." - Материалы семинара 3-4 сент. 1986 г. Ленинград, ДЦНГП. с. 74 - 76.

3. Зубков А. В., Савченкова А. II, Салазкин К. А. Исследование физико-механических свойств стекповолокнита ДСВ-4Р-2М при сдвиге. В кн.: Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия. 1.1: МИХМ, 1986. с. 52.

4. А. с. И 1527013. Устройство для получения крупногабаритны/ изделия из композиционных прессматериалсв. / Салазкин К. А., Зубков л. В., Савченкова А. И. , Скачков Е В., Михайлова А.Ю. // Открытия, изобретения, 1986, б/и N 45.

5. Скачков а Е , Савченкова А. И., Сапазкзш К. А. К разр.-лотке реологической (додели композиций с волокнистым наполнителем й кн.: Математическое моделирование технологических, процессов ^глботки

- 11', -

материалов давленг;-зн. Шрга«, 1Ж0. с. *88 - 169.

6. А. с. 1581588. ШнековыЛ пластикатор-дозатор для полимерных 1 материалов. / Салазкин К А., Савченкова А. И., Скачков К К , Зубков А. В. // Открытия, изобретения, 1990, б/и N 28.

7. Савченкова А. И., Салазкин К А. Основные результаты проведенного структурного и функционального анализа шнековых пластика-торов-дозаторов для волокнистых композиционных материалов. Материалы конференции молодых специалистов "Новое в переработке пластмасс", Москва, НПО "Пластик", 1991. с. 67 - 73.

8. Положительное решение на выдачу патента 4663000/05/037399 от 4.06.92. Способ дозирования термореактивных материалов с волокнистым наполнителем. / Салазкин К. А., Скачков Е В., Зубков А. В., Савченкова А. И. и др.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ V -касательное напряжение сдвига; ^ -скорость сдвига; То} К, К-! - константы реологического уравнения; ¿и(1), ^(¿У начальный и конечный углы ориентации волокна; у> - угол сдвига композиции;

- скорость перемещения единичного волокна в композиции; -часть волокна, зажатая в объеме, подвергающемуся сдвигу; (¡3 - эффективный диаметр зоны сдвига; , - диаметр, объемное содержание волокна; - касательное напряжение на волокне; -константа,зависящая от давления в композиции; /Лэ - эффективная вязкость; сила,действующая на волокно при сдвиге; Н -количество волокон, пересекающее плоскость сдвига; 0 - нормальное напряжение; С( , , В , ¿V- константы в уравнениях, описывающих связь касательных и нормальных напряжений от давления для сухой композиции; -коэффициент бокового давления; Кнк, 1?вк - наружный и внутренний радиус конического шнека; - угол наклона образующей конического бункера; сГ -средний угол подъема винтовой поверхности по наружному и внутреннему диаьу.'ру; Уокр - окружная скорость материала относительно цилиндра; - скорость материала в дозе в окружном направлении; Сп\рп - теплоемкость, плотность композита; ^- угол подъема винтовой линии; ^ -угол движения материала; X , Н - ширина, высота пробки материала; Рем -давление столба материала над конической нарезкой; fц -коэффициент трения на нарезке шнека; Тш, Тц - касательные напряжения со стороны шнека, цилиндра; интегралы, зависящие от

коордшшт (приведены в диссертации); Рпл 7 Рк - осевые усилия на цилиндрическом, коническом шнеках;МкД{- крутящие моменты на коническом и цилиндрическом шнеках; йТ- прирост температуры.