автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка методов расчета и совершенствование конструкций экструзионных головок для профильно-погонажных изделий

С-сзд

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УДК 678.057

На правах рукописи

Уфимский государственный нефтяной технический университет

ИВАНОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК для ПРОФИЛЬНО - ПОГОНАЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ

05.04.09- Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических

производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Соискатель

Научный руководитель Член кор. АН РБ , д. т. н., профессор

Иванов С.П.

Панов А.К.

УФА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

с

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................ 4

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

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ СО СЛОЖНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ................................................................................................. 8

1.1 Описание конструкций призматических экструзионных головок.... 9 1.1.1 Анализ тенденций развития теорий и методик расчета пропускной способности и гидравлического сопротивления плоскощелевых экструзионных головок..................................................... 18

1.2 Анализ конструкций профильных экструзионных головок

для изготовления изделий со сложной формой поперечного сечения...... 23

1.2.1 Анализ тенденций развития теорий и методов расчета формующих каналов профильно-погонажных экструзионных головок......................... 36

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПРОФИЛЬНО-ПОГОНАЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ...................40

2.1 Экструзионная головка для изготовления полимерного штапика

и мебельного обрамления............................................................................... 40

2.2 Конструкция экструзионной головки для изготовления полимерного плинтуса........................................................................................................... 44

2.3 Профильно-погонажная экструзионная головка для изготовления антифрикционной накладки........................................................................... 46

2.4 Экструзионная головка для изготовления облицовочной планки....... 49

2.5 Профильно-погонажная экструзионная головка для изготовления Ш-образного профиля.................................................................................... 52

2.6 Экструзионная головка для изготовления полимерных

профильно-погонажных изделий................................................................... 55

2.7 Выводы по главе....................................................................................... 57

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭКСТРУЗИОННЫХ головок для ПРОФИЛЬНО-ПОГОНАЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ............................................... 59

3.1 Выбор основного уравнения для расчета пропускной способности и гидравлического сопротивления в формующих каналах сложного профиля............................................................................................................ 59

3.2 Методика определения коэффициентов формы для формующих каналов сложного профиля.............................................................................. 62

3.3 Описание экспериментальной установки для исследования гидродинамических характеристик потоков при экструзии расплавов полимеров, планирование эксперимента.......................................... 69

3.4 Исследование реологических свойств промышленных полимеров

для изготовления профильных изделий......................................................... 76

3.5 Методика расчета гидродинамических характеристик потоков расплавов полимеров при экструзии в формующих каналах сложного профиля................................................................................... 98

3.6 Анализ результатов экспериментальных исследований

и сравнение их с теоретическими данными................................................. 113

3.7 Результаты экспериментальных исследований явления эластического восстановления струи расплавов полимеров

при экструзии изделий сложного профиля................................................... 125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................... 133

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................. 134

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................... 146

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

т - напряжение сдвига, Па; Р - давление экструзии, Па; Р - градиент давления, Па/м; Иг - гидравлический радиус, м;

- массовый расход экструдата, кг/с; Ф - текучесть расплава полимера, 1/ Па с;

Л

р - плотность расплава полимера, кг/м ; К - коэффициент разбухания экструдата; Бэ - площадь сечения экструдата, м ; 8 - площадь сечения канала, м 2; Ь - длина канала, м; а - коэффициент формы; Ь - коэффициент формы.

ВВЕДЕНИЕ

Мировое производство пластических масс развивается быстрыми темпами и к концу текущего тысячелетия его объем приблизится к 100 млн. тонн в год, что равноценно объему производства металлов [1.3]. Использование полимерных материалов позволяет снизить массу деталей и конструкций, сэкономить топливо, энергоресурсы и такие дефицитные материалы, как титан, хром, никель, вольфрам, кобальт, молибден [1.10; 1.15].

Наиболее перспективным и технологичным методом переработки полимерных материалов является экструзия, которой перерабатывается около 75 % пластических масс. При переработке методом экструзии полимеры переводятся в состояние расплава и в дальнейшем из этого состояния осуществляется формирование конечного изделия. Методом экструзии изготавливаются полимерные, листы, плоские пленки, рукавные пленки, трубы, оболочки для труб, наносятся покрытия для электроизоляции кабеля. В последнее время, возросла потребность в производстве так называемых профильно-погонажных изделий, которые имеют сложную форму поперечного сечения [1.30; 1.35].

Конечное оформление расплава полимера в непрерывное изделие осуществляется в экструзионных головках, и, следовательно, качество изделия зависит от качества формующего инструмента.

Отставание нашей страны в развитии производства изделий из пластмасс замедляет разработку и внедрение технологий новых поколений в различных отраслях промышленности и приводит к перерасходу материальных и энергетических ресурсов в 2 - 2,5 раза, снижению производительности труда в 4 -10 раз. Ситуация, которая сложилась в отрасли переработки полимеров в настоящее время, противоположна мировым тенденциям, и технический уровень оборудования отстает от уровня аналогичного оборудования зарубежных фирм на 7 - 10 лет, а математические модели, методики и программы

для технологических расчетов нового оборудования являются профессиональным секретом фирм и не продаются [ 1.3 ].

Оптимизация конструкций экструзионных головок для изготовления профильно-погонажных изделий из термопластичных материалов в настоящее время сдерживается отсутствием известных, научно обоснованных, удобных для применения на практике методик и рекомендаций для их расчета. Например, существующие зависимости для определения коэффициента разбухания при высокоэластичном восстановлении струи экструдата представляют собой сложнейшие математические выражения, применение на практике которых весьма затруднительно. Кроме этого, известные зависимости не охватывают весь спектр конструкций формующего инструмента. В частности, применение их к профильно-погонажным экструзионным головкам с формующими каналами наиболее сложных поперечных сечений приводит к приближенному виду значений рассчитываемых или проектируемых параметров, что дополнительно усложняет конструктивное оформление головки и влечет за собой эмпирические подходы, основанные на интуиции практических конструкторов и технологов, в корректировке конструкций профильно-погонажных экструзионных головок и технологических параметров процесса экструзии, что отрицательно сказывается на качестве изделия.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, совершенствование методов расчета и конструкций профильно-погонажных экструзионных головок, характеризующихся сложной формой поперечного сечения формующих каналов и производимых изделий, является актуальной и своевременной задачей, которая и позволила определить основные направления исследований.

Исследования заключаются в следующем: 1. Разработать конструкции унифицированных высокопроизводительных профильно-погонажных экструзионных головок для изготовления полимерных изделий, широко применяемых в различных отраслях промышленности.

2. Выбрать зависимость, позволяющую рассчитать основные гидродинамические характеристики профильно-погонажных экструзионных головок (пропускная способность, гидравлическое сопротивление) с формующими каналами любой сложности поперечного сечения, доступную для инженерно-технических расчетов.

3. Спроектировать экспериментальную установку для определения коэффициентов формы формующих каналов с поперечным сечением любой сложности.

4. Провести экспериментальные исследования течения расплавов полимеров в формующих каналах со сложным поперечным сечением с целью проверки выбранной зависимости для определения их пропускной способности и гидравлического сопротивления.

5. Исследовать возможность применения известных зависимостей для определения гидродинамических характеристик формующих каналов профильно-погонажных экструзионных головок.

6. Экспериментально изучить явление разбухания экструдатов многотоннажных промышленных полимеров при истечении их из формующих каналов сложного поперечного сечения и создать математическую модель, связывающую коэффициент разбухания с основными параметрами процесса.

7. Разработать программы и инструкции для определения основных гидродинамических характеристик экструзионных головок, реологических параметров полимеров и коэффициентов формы формующих каналов на ЭВМ.

8. Проверить в промышленных условиях теоретические расчеты и конструкторские решения с целью оптимизации технологических режимов переработки термопластов и внедрения конструкций профильно-погонажных экструзионных головок в производство.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ СО СЛОЖНОЙ ФОРМОЙ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ( ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

В настоящее время известно большое многообразие конструкций экстру-зионных головок, однако ввиду того, что в промышленности наблюдается тенденция замены изделий из традиционных материалов на полимерные изделия с различными размерами и формами сечений, спрос на них возрастает как на внутреннем, так и на мировом рынке, возникает необходимость создания новых высокопроизводительных и технологичных конструкций.

Применяемые для изготовления полимерных изделий со сложным поперечным сечением профильно-погонажные экструзионные головки отличаются от остальных видов сложными конфигурациями и поперечными сечениями формующих втулок и каналов, что обуславливает их некоторую уникальность как в конструктивном оформлении, так и в принципах подхода к проектированию [1.4- 1.6; 1.12; 1.13; 1.16].

По конструкции поперечного сечения формующего канала, а следовательно, и по виду производимого изделия, профильно - погонажные экструзионные головки можно условно разделить на следующие основные типы:

1. Плоскощелевые или призматические экструзионные головки для изготовления профильных листов, гофрированных лент, нанесения пленочных покрытий на ткань, фольгу, картон, бумагу, листовой металл и т.п.

2. Профильные экструзионные головки для изготовления полимерных изделий, имеющих поперечное сечение сложной формы.

В процессе создания новых экструзионных головок необходимо основываться на анализе известных конструкций, для чего рассмотрим их принцип работы , конструктивные особенности и обобщим основные сведения, имею-

щиеся по данной проблеме в современной научно литературе.

- технической и патентной

1.1 Описание конструкций призматических экструзионных головок

Основной проблемой при проектировании головок рассматриваемой группы является обеспечение равномерного распределения потока расплава полимера по ширине формующей щели и сохранение постоянства формы поперечного сечения и скорости выхода экструдата.

Частично решение указанной проблемы достигается за счет сужения поперечного сечения потока в средней части формующего канала и расширения его на краях, которым придается форма лемнискаты. Так в конструкциях плоскощелевых экструзионных головок [ 1.3; 1.7; 1.8; 1.9; 1.13 ], предназначенных для производства плоских пленок и тонких полимерных листов, в соответствии с рисунками 1.1; 1.2, для перераспределения скорости потока предусмотрена специальная выравнивающая зона, которая предшествует формующую выходную щель, и ее очертания и форма выбираются в зависимости от реологических свойств перерабатываемого полимера. Аналогичная по конструкции выравнивающей зоны призматическая экструзионная головка, в соответствии с рисунком 1.3, используется для получения полос и листов с объемной конфигурацией [4.1]. В данной конструкции авторами предлагается применение полукорпусов со сменными губками, имеющими рельефные выступы, переменные по высоте, и расположенные на выходе из'формующей щели. Использование взаимозаменяемых губок, по мнению авторов, позволяет унифицировать формующее устройство и усовершенствовать технологический процесс изготовления гофрированных профилей за счет отказа от дополнительных калибрующих устройств. Однако при настройке на технологический режим указанных устройств требуется длительный и дорого-

4

3

2

1

1 - корпус; 2 - питательный канал; 3 - выравнивающая зона;

4 -формующий канал.

Рисунок 1.1 - Плоскощелевая экструзионная головка.

1 - корпус; 2 - формующий канал.

Рисунок 1.2 - Плоскощелевая экструзионная головка.

1;2 - полукорпуса; 3;4 - рельефные выступы. Рисунок 1.3 - Призматическая экструзионная головка.

стоящий эмпирический подбор очертания и формы выходной щели, что связано с высокоэластичным восстановлением струи расплава на выходе из устройства. С целью упрощения процесса подбора очертания и формы выходной щели, а также для выравнивания линейной скорости выхода экструдата по формующему сечению, в плоскощелевой экструзионной головке [4.2], в соответствии с рисунком 1.4, для изготовления полимерных листов, с аналогичным видом подводящего канала, используются челночные преграды, располагаемые непосредственно в нем и крепящиеся к корпусу . Предполагается, что изменением взаимного расположения челночных преград возможно достижение равномерности выхода экструдата с равной толщиной по его сечению.

Рассмотренные в процессе исследований конструкции призматических экструзионных головок имеют один существенный недостаток, который заключается в том, что под действием давления расплава полимера, при высоких скоростях экструзии, происходит прогиб верхней и нижней частей корпуса. Прогиб, и как следствие искажение профиля изделия, возникает из-за недостаточной жесткости конструкции. Поэтому производительность таких головок невелика. Кроме этого, в экструзионной головке со сменными гофрирующими губками не предусмотрена возможность регулирования высоты щели формующего канала, и экструзия термопластов с разными коэффициентами разбухания и реологическими свойствами может привести при вытяжке к искажению профиля.

В производстве плоских полимерных пленок применяются плоскощелевые экструзионные головки [ 1.3; 1.7; 1.9 ]. Так, в формующих устройствах, в соответствии с рисунками 1.5; 1.6, с целью улучшения равнотолщинности и однородности материала по ширине формования в промежуточной зоне формующего канала устанавливается дополнительное приспособление, которым производится регулирование равнотолщинности экструдата. Следует отметить, что при наличии определенных положительных качеств, рассматри-

1 2

1 - корпус; 2 - челночные преграды.

Рисунок 1.4. - Плоскощелевая экструзионная головка с регулируемыми

челночными преградами.

жшжжшш

11 М

1 - корпус; 2 - распределительный шнек.

Рисунок 1.5 - Экструзионная голодка с распределительным шнеком.

1 - корпус; 2 - регулируемые формующие губки; 3 - направляющий элемент. Рисунок 1.6 - Экструзионная головка с направляющим элементом.

ваемые конструкции имеют ряд существенных недостатков. Так, наличие вращательных элементов приводит к необходимости применения дополнительного привода, что значительно усложняет конструкцию. Кроме этого, во время технологического процесса требуется постоянная корректировка скорости вращения и ручная регулировка положения направляющих элементов.

В экструзионных головках [4.5; 4.6], в соответствии с рисунком 1.8, предназначенных для производства плоскощелевых и призматических профилей, основной проблемой при проектировании является существующий вдоль оси коллектора перепад давления, обуславливающий неравномерность распределения линейной скорости экструзии по ширине формующей щели, в следствии чего возникает искажение профиля изделия.

Для компенсации градиента давления по длине коллек�