автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка метода и расчета оснастки производства полых полимерных термоусаживаемых изделий

РГО од

1 О Ш СЗ

.МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕЛ\ИЯ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ВОЛКОВ ФЕДОР АРМАНДОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И РАСЧЕТА ОСНАСТКИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ТЕРМОУСАЖИВАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

05.04.09 — Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре «Полимерное машиностроение» Московской государственной академии химического машиностроения.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор СКУРАТОВ Владимир Кириллович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор СТЕПАНОВ Рубен Дмитриевич,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник СОКОЛОВ-БОРОДКИН Евгений Сергеевич.

Ведущая организация: ЦНИЛПОЛИМЕРКОНТЕЙНЕР Министерства промышленности Российской Федерации

Защита состоится » ЛШЯ- 1993 г. в /Г часов

на заседании специализированного Совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук (К 063.44.01) в Московской государственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « и » аШсЛуЬЛ' 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

А. А. ПАХОМОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Полимерные материалы играют Еахную роль в научно-техническом прогрессе современного общества. 5 1991 году .в мире было переработано 95,82 млн.т пластмасс, а з 1995 году, по предварительным оценкам специалистов, должно Сыть произведено 110,ВО млн.тонн, при этом свыше 80 % - термопластов.

Одним из направления научно-исследовательски работ в промышленности переработки пластмасс в последнее время является получение изделий с различными специальными свойствами. Тагами изделиями являются, например, изделия, способные к усадке, то есть к уменьшению размеров при нагревании.

Различные термоусаживаемые изделия - пленки, лэкты, муфты, трубки и другие, используются в качестве соединительных элементов, для антикоррозионной защита, декоративных покрытий, электроизоляции, герметизацкл и для упакоаси. 3 Западной Европе на производство тары и упаковки расходуется около 30 % всех пластмасс.

Однако объем производства термоусяхиваемых изделий в настоящее время недостаточен и не удовлетворяет возрастающего спроса на них. Это связано с тем, что существующие способы производства тер-моусакиваемцх изделий технически несоверпенш, дорогостоящие : экологически небезопасны. Кроме того, эти способы требуют применения специального нестандартного оборудования и ос. _хтки.

Исходя из вышеизлокенного, задача разработки нового высокопроизводительного и экологически чистого способа производства полых термоусаживаемых изделий является актуальной.

Цель работы. Разработка способа получения полых термоусажива-емых изделий с использованием раздувного фор- вания из обычных, немодафицированных полимерных материалов, методики расчета технологических параметров процесса и конструктивных параметров оснастки.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

проведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния трубчатых заготовок на стадии свободного раздувания;

- разработана математическая модель процесса развития шсоко-эластических деформаций в трубчатых полимерных заготовках на ста-

дай свободного раздувания;

- проведена экспериментальная оценка развивающихся высокоэластических деформаций в формуемых изделиях и дано их сравнение оо значениями, полученными с помощью математического описания процесса раздувания;

- разработана методика расчета параметров процесса получения полых термоусакиваемых изделий экструзионно - раздувным формованием.

Практическая значимость работы. Разработанный ' способ производства позволяет получать полые термоусакиваемие изделия из обычных немодифицирозанных материалов на сер!й!но-вш;ускаемом оборудовании. Способ имеет высокую производительность, может Сыть полностью автоматизирован и является экологически безопасным.

Разработанная математическая модель развития высокоэластических деформаций и методика расчета позволяют получать полые изделия 'с заданным уровнем обратимых высокоэластических деформаций.

Опытная партия термоусьялваемых муфт, изготовленных по разработанной технологии из полиэтилена, была использована во ВШИЛЕГПРОМОКГАЖ для соединения секций стеклянного трубопровода и на Московском опытно-экспериментальном трубозаготовительном комбинате для изолирования сварных стыков труб. Результаты испытаний стыков стальных труб, изолированных термоусакиваемыми муфтами, позволили рекомендовать эти муфты для серийного производства.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 44-ой и на 45-ой научно-технических конференциях МИХМа в январе 1Э91 года и в феврале 1993 года и на конференции "Технология, переработка, свойства и применение пластмасс, стекло-и углепластиков е промышленности" в городе Пензе в октябре года.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре статьи.

' Объем и структура работы. Содержание работа изложено на 107 страницах, в их числе 15 рисунков и 20 страниц приложения. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 72 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассматривается современное состояние теории и практики производства термоусээкквгемых изделий. Болылшство существующих способов получения термоусаживаемых иаделиЯ требует применения модифицированных полимерных материалов, имеющих сшитую структуру. Производство изделий при этом осуществляется в несколько стадий на специализированном, нестандартном оборудовании.

В связи с широким применением полых термоусаживаемых изделм'1 представляет интерес разработка нового высокопроизводительного метода 'их производства из обычных лолимерных материалов на серийно-выпускаемом оборудовании.

Широко распространенным методом получения полых изделий из полимерных материалов является экструзионно-раздувное формование. Однако в настоящее время термоусеживаемые изделия раздувным формованием не производятся, а изделия, получаемые этим способом по существующим технологиям, в большинстве своем имеют невысоки.» уровень обратимых деформаций и но могут быть использованы в качестве термоусаживаемых. Это связано с отс,,тстзием методов расчета технологических и конструктивных параметров процесса, гарантирующих получение издел"й с высокими уровнями обратимых деформаций, т.к. только такие полимерные изделия проявляют свойство термоусакивзэмости.

На основании анализа состояния : эизводства полых термоусаживаемых изделий сформулированы задачи работы.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию кинематики развития высокоэластических деформаций в процессе свободного раздувания трубчатых заготовок.

Поведение вязкоупругой среда ггри раздувном формовании, описывается реологической моделью Леонова .А. И. Эта модель имеет термодинамическое обоснование, учитывает нелинейные эффекты и справедлива для больаих деформаций при различных видах нагружения..

Система определяющих уравнений этой модели, для случая изотермического деформирования упруго-вязкой среды имеет вид:

- д -

о + р5=2с»'1 - 2 с"'№г

'"-£«)■;] (ч

и 1>

, т

'к= эт7 • к

где: о - тензор напряжений;

е - тензор скоростей деформаций;

ер - тензор скоростей необратимых деформаций;

0 - единичный тензор;

с- тензор обратимых деформаций;

1 , 12 - инварианта тензора с (базисное инварианты); р - изотропное дасление;

Н(1 .1 ) - високоэластический потенциал;

р - безразмерный параметр, характеризующий гибкость макромолекул;

ео - время релаксации в ньютоновской области; цо - модуль Гука (высокоэластический модуль);

- константа эластичности материала; X. - Бремя;

Л/Дг - символ яумановской тензорной производной по времени.

Для описания деформационного поведения расплавов полимерных материалов в настоящей работе используется высокоэластическиЯ потенциал

V? = С'Ц, - 3) + С*1п(1г - 2) ■ (2)

гдэ С* и С* - константы материала.

Решение уравнений реологической модели (1) возможно, если известен вид напряженно-деформированного состояния исследуемой среда.

. В связи с отсутствием необходимых сведений, характер напряженно-деформированного состояния раздуваемых трубчатых заготовок определялся экспериментально.

При проведении исследований на экспериментальной установке рис.1, в качестве модели трубчатой заготовки использовалась тонкостенная резиновая ци-чндрическзл оболочка, фиксируемая двумя парами крышек, установленных на плитах приемного устройства.

Рис.1

Схема экспериментальной установки для исследования напряженно-деформированного состояния трубчатых заготовок 1 - раздуваемая оболочка; 2 - ниппель; 3 - крышки полуформ; • 4 - подвижная плита; 5 - неподвижная плита; 6 - пновмоцилиндр; 7 - пульт управления.

Методика проведения исследований заключалась в следующем: на оболочку наносилась разметка в виде двух вертикально расположенных рядов точек. Затем оболочка устанавливалась в приемном устройстве на дутьевом ниппеле, зажималась крышкают в верхней и нижней частях и после этого производилось ее раздувание. В процессе раздувания проводились измерения расстояний между точками б окружном и меридиональном направлениях. Далее определялись степени деформаций в окружном \г и меридиональном Л.^ направлениях: Л^Ь/Ь^ и Л1=1ъ/Ьо, где Ь и 11 - расстояния между точками в меридиональном и окружном направлениях деформированной оболочки, а Ь0=Ь0 - расстояния между точками в нодеформированной оболочке. После проведения экспериментов строились зависимости отношения степеней деформаций оболочки от координаты 2

»

где 2 - ъ - текущая координата по высоте заготовки, а Н0-

радиус недеформированной обе..очки.

Как видно из приведенных зависимостей, рис.2, трубчатая заготовка на стадии свободного раздувания находится в состоянии двухосного несимметричного растяжения, причем отношение степеней деформации является функцией координаты г, коэф(1ициента раздувания оболочки (0) и гсомстр:г^сс:зя параметров оболочки - высоты и диаметра Н/2йо. Однако зависимость является слабо Еыра-

женной, а степень асимметрии деформированного состояния - незначительная. В связи с этим, в первом приближении, для построения математической модели, напряженно-деформированное состояние раздуваемых заготовок мокно рассматривать как двухосное симметричное растяжение .

В соответствии с изложенным развитие внсокоэластических деформаций может быть описано третьим уравнением системы (1). При двухосном симметричном растяжении тензоры высокоэластических деформаций и скоростей деформаций будут иметь вид

Vх. 2,0

а)

1.5

т.О'-

■ а- -и

О 1

о - \(С)= 1.5; х - \2(0)- 2,0; Д-\(0)=2,5

Vя. 2,0

(3)

1.5

1.0

I

о - V (0)-1.5; х - Х<0)-2,0; Д - X (0)-2,5;' О - X (0)«3,0

в)

2.0 1.5

С— -

2 3 4 5 6 7 8

7

О 1

о-\(0)-1.5; х-\х(0)-2,0; Д - Ха(0)-2,5; а-\(0)-6,0

Рис.2

Зависимость соотношения степеней деформации от безразмерной

координаты 2 по высоте заготовок при различных степенях их> деформирования

о) Н. - 2.5; б) Н - 5; в) Н - 8;

4

¿00 0 ё 0 0 С -2е

ё( 0 0' 0 ё, 0 10 0 -2ё,.

где: ё - скорость общей деформации;

¿(- скорость необратимой деформации, При решении уравнения системы (1) считаем процесс деформирования изотермическим, а среду неснимаемой.

Определив предварительно вид функций **, ?Г, для потенциала (2)

2Vя - *(!,.!,) + »{1,.!,); (5)

с* (1,-3) + с; тд^г) + о,*аж-з) + с; ша.-г) ^

2

; (6)

и!

ояГ , 1 Г«,Гл .

эг- - г,0«Ч Г + г

(7)

(в)

где: Г т.о*/ С*;

- ЭрС - 2о + с"*. 1, - БрСГ*- 2с"*+ о*, получаем тензор ер из второго уравнения системы (1).

' £ У.СО 0 0 ■

в" - к 0 . э ?.<с> 0 9 (9)

0 0 2 " 3 Г, (с)

где

цо= 2(С* + С,'); ц - С^:

Р, (с) = [г(сЧс-с-'-с-*) ♦ §ЧНГ+ Т^НГ] I

с - Л.* - степень высокоэлвстической деформации.

После соответствующих преобразований третье тензорное уравнение системы (1) может быть сведено к одному скалярному дифференциальному уравнению

^ - 2• с• € + ^с-к-Р, (с) - 0 . (10)

которое после ввода безразмерных параметров - Е » ¿-0о - безразмерной скорости деформирования и г • Э^' - безразмерного времени, имеет вид

- 2-с-Е - ¿•с-г-1-т • ехр | —¡£- (2с + с1 + с"+ 2с*'- в) + + Г*1п(2с*+ 2с""- 4с 2 с"- 4с"- 2с* + Э)| •

Г . с " с* - с" 1

• |Г(с + с - с '- с *) + --- ♦ ----- (11)

I. 2с ♦ с"- 2 2с Ч с" - 2 ]

Решение уравнения (11) позволяет найти зависимость уровня высокоеластических деформаций ст времени. Однако для этого необходимо определить скорость деформирования заготовки ¿.

Скорость деформирования трубчатой заготовки определялась при рассмотрении процесса истечения сжатого газа в ее полость во время раздувания.

В полости заготовки при раздувании образуется смесь двух газов - газа, находившегося в заготовке до начала раздувания, и истекапцего в заготовку газа. Допуская, что режим истечения газа в заготовку критический, и рассматривая уравнения состояния газов, можно получить слэдущее соотношение

№-'(1+а> 1 л) • к • (12) о о о ' о

где: Р0.У0,Т0 - давление, объем и температура газа* находившегося

в заготовке до начала раздувания, а ко - показатель адиабаты этого газа;

Р, - давление, объем и температура смеси газов;

Л - показатель адиабаты газа, истекапцего в заготовку;

Сгм, С\г0 и р», ро- соответственно, теплоемкости и плотности истекающего и находившегося в полости заготовки газов; Си - объемный расход поступающего в заготовку газа; т - время истечения.

Из уравнения (12) можно выразить объем V как функцию времени, а затем определить и скорость деформирования, если известна температура Тй.

Температура Т1 определялась при рассмотрении соотношений между параметрами истекающего газа и газовой смеси. В результате было получено следующее выражение

Так как перепад давления между наружной и внутренней поверхностями заготовки АР мал по сравнению с Ро, а раздувание, как правило, производится воздухом, т.е. , то уравнение (13) можно пт 'вести к виду

После подстановки полученной зависимости (14) в уравнение (12) получаем

а * Су^Гп— и Л » --у^ - безразмерные коэффициенты;

Т —1

Г - (1+аЛ)"*[1 + (й0-1)(1+аЛ)"1(1+а-^|-Л)] •

(13)

(14)

1

(15)

Из выражения (15) определяем скорость деформирования

ё(т)

(16)

где ¿(0) - скорость деформирования заготовки в начальный момент времени т - 0,

*<с> - И к Г i

Справедливость полученного соотношения была проверена путем сравнения расчетных значения времени раздувания заготовок с экспериментальными данными.

Анализ расчетных и экспериментальных данных показывает, что уравнение (1G) не только качественно, но и с достаточной для практических целей точностью количественно, описывает динамику процесса раздувного формования.

Для определения уровня высокоэластических деформаций, уравнение (11) решалось методом Рунге - Кутга - Ниотрема с помощью OEM. Полученные зависмости уровня высокоэластической деформации от времени при различных значениях начальной скорости деформирования представлены на рис.3.

Как видно из рисунка, при значениях начальной скорости деформирования ниже некоторого значения, которое можно назвать критическим, уровень высокоэластической деформации сначала возрастает, а затем убывает до очень небольшие равновесных значений. При значениях начальной скорости деформирования выше критического, уровень высокоэластических деформаций постоянно возрастает.

Полученные теоретические зависимости, в случав экспериментального подтверждения их справедливости, позволяют разработать методику расчета параметров процесса производства полых термоусаживаемых изделий ^заздупным формованием из обычных материалов.

Третья глава посвящена экспериментальной проверке справедливости полученного математического описания.

Исследования проводились на экспериментальном экструзиошю-раздувном агрегате, состоящем из одночервячного экструдера с угловой головкой, при^эдгого устройства и пультов контроля и управления процессом экструзии с раздуванием. На приемном устройстве установлена раздувная форма на изделие типа "цилиндр".

Методика экспериментов заключалась в следующем: изготавливалась серия полых изделия различного диаметра, который изменялся путем установки в форму сменных вкладышей. Начальная скорость деформирования заготовок для всех изделий одной серии была постоян-

Рис.3

Зависимость уровня высокапластической деформации от времени при

р - 0,1; Г - 3

1 - Е(0) - 0,4 4 - Е(О) - 5

2 - Е(0) - 0,67 Б - Е(0) - 10

3 - Е(0) - 0,69 6 - Е(0) - 20

ной. Изменение начальной скорости деформирования осуществлялось установкой дутьевых ниппелей с различными диаметрами проходного отверстия.

Затем определялся уровень высскоэластичэских деформаций в полученных изделиях. Для этого из боковой поверхности кх вырезались прямоугольные образцы, которые помещались в ванну с глицерином при температуре 150 °С. Во время выдержки в глицерина происходило изменение размеров образцов вследствие релаксации обратимых деформаций.

Высокоэластические деформации образцов в радиальном направле нии с^ определялись как логарифм отношения первоначального размера образца 1а к его размеру после выдержки в глицерине I

е.. ш а0/1)

Результаты экспериментальных исследований (точки) и расчетные зависимости (сплошные лиши) уровня обратила деформаций еф от безразмерного времени формования t - t/0o, где t - время формования издолиР, а вв - время релаксации в ньютоновской области, представлены на рис.4.

Сравнение получонпих дагашх показиваот, что теоретические зависимости удовлетворительно описывают результаты эксперимента. Следовательно, предлагаемая математическая модель монет быть использована для разработки нового способа получения полых термоусаживаемых изделий экструзионно - раздувным формованием из обычных, немодаХмцировашшх полимерных материалов.

Экспериментальные исследования позволяют также сделать предварительные вывода и дать некоторые рекомендации по технологии предлагаемого способа.

В четвертой главе предложена методика расчета технологических параметров процесса и конструктивных параметров оснастки производства полых термоусаживаемых изделий раздувным формованием.

Суть методики заключается в следующем: сначала определяю ^я размеры усаженного изделия и размеры изделия до усадки. Затем рассчитываются размеры заготовки и подбирается необходимая начальная скорость деформирования по зависимости уровня обратимых деформаций от времени, полученной при решении уравнения (11). Время формования изделия определяется из выражения (16). Далее, о использованием выражения (17), определяется расход сжатого газа и, затем, раз-

£в 20 <6

0.8

ОМ

О Ч 1 12 1Ь 20 32

I

Рис. 4

Зависимость уровня вксокоэластических деформаций еф от безразмерного времени формования изделий t при различных начальных безр змерных скоростях деформирования Е(0): сплошные линии - расчетныо зависимости * - Е(0) - 0,645 ■ - Е(0) - 1,97 .

л - Е(0) - 0,928 о - Е(0) - 13,72

меры дутьевого ниппеля. После определения размеров дутьевого ниппеля рассчитываются геометрические параметры формущего инструмента и выбирается зкструзионнс-раздувноя агрегат.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Установлено, что на стадии свободного раздувания трубчатнч экструзионные заготовки находятся в напряхонно-деформированном состоянии, близком к двухосному симметричному растяжению.

2. Существегсмм признаком реализации процесса производства термоусаживаомых изделия является критическая скорость деформирования Екр, которая определяется как технологическими параметрами процесса, так и конструктивными параметрами оснастки.

3. ТеоротическиЯ анализ процесса раздувания трубчатых заготовок из расплавов вязкоупругих полимеров позволил установить количественную зависимость мокду скоростью деформирования заготовок и уровнем высскоэластических деформаций, развиваацшся в них.

4. На основе предложенной теоретической модели разработана и экспериментально проворена методика расчета технологических параметров процесса и конструктивных параметров оснастки для получения полых термоусажизаомых изделий раздувным формованием из традиционных для данного метода полимерных материалов.

5. Предлагаемый способ производства полых термоусакиваемых изделий получил положительное решение на выдачу патента * 4921331.

Изготовленные дашим способом полыо тэрмоусакиваемыо изделия прошли проверку в качество соединительных муфт стеклянного трубопровода во ВШШБГПРО^^ОНТАЖ и в качестве муфт для изоляции сварных стыков покрытых полиэтиленом стальных труб на Московском опытно-экспериментальном трубозаготовитольном комбинате.

Основное содержание диссертации опубликовано в следу пг'х работах:

1. Волков O.A., Скуратов В.К., Бердышев Б.В. Оценка напряженно-деформированного состояния эксгрузионных заготовок в процессе их раздувного формования. Пластически"» массы, 1991, * 5, с.41.

2. Волков O.A., Скуратов В.К., Бердышев Б.В. Кинематика развития высокоэластических деформаций в процессе раздувного форшова-

ния полимеров. Пластические массы, 1991, »7, с.41.

3. Волков Ф.Л., Скэпинцев И.В., Скуратов В.К., Бердашев Б.В. Динамика процесса раздувного формования полых изделий из экстру-заонных заготовок. Пластические массы. 1991, А 12, с.41.

4. Волков Ф.А., Бердашев Б.В., Скуратов В.К. Оценка уровня обратимых деформаций в полых раздувных изделиях. Пластические массы. 1392, * 5, с.53.