автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Вальцы для изготовления полимерных рифленых листов: разработка конструкции и метода расчета

На правах рукописи

АБАКАЧЕВА ЕЛЕНА МИДХАТОВНА

ВАЛЬЦЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РИФЛЕНЫХ ЛИСТОВ: РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДА РАСЧЕТА

Специальность 05.02.13 -" Машины, агрегаты и процессы" (Машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа- 2005

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Панов Александр Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамильевич

кандидат технических наук Мехлис Александр Николаевич

Ведущее предприятие ЗАО «Стерлитамакский

нефтехимический завод»

Защита состоится 9 сентября 2005 года в II30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « » 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

М.М. Закирничная

Ц56900

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мировой опыт применения полимерных материалов позволяет с уверенностью сказать, что этот высокотехнологичный, исключительно долговечный и многофункциональный материал и сегодня представляет огромный интерес для специалистов, занятых в различных сферах проектирования и строительства. В настоящее время наметилась тенденция замены традиционных конструкционных материалов на композитные полимеры, что значительно расширило ассортимент изготавливаемых изделий.

Основная область применения полимеров - это всевозможные профильные изделия, полученные непрерывным преобразованием расплава полимерного материала в готовый продукт. Одним из способов переработки полимеров в изделия является процесс вальцевания.

Для интенсификации процессов вальцевания требуется разработка новых конструкций валковых машин, в частности машин для изготовления рифлёных листов, которые позволяли бы в режиме непрерывного процесса получать изделия непосредственно из порошкообразных и гранулированных полимеров, до минимума сокращая подготовительные и завершающие стадии получения продуктов.

Известные конструкции валковых машин преимущественно оснащены гладкими цилиндрическими вальцами и предназначены для предварительной пластикации полимеров или изготовления плоских листов и плёнок. В нефтеперерабатывающей промышленности растёт интерес к применению профильных изделий из полимерных материалов в качестве обшивки, например, градирен. В связи с этим актуально разработать валковую машину на базе рифлёных (профильных) вальцов, способных изготавливать изделия сложного профиля без последующих стадий формообразования.

Для новой конструкции валковой машины необходимо разработать инженерный метод расчёта, учитывающий особенности вальцевания полимеров в межвалковых зазорах переменной толщины. Методу расчета предъявляется следующее требование: рассмотрение во взаимосвязи особенностей гидродинамических характеристик расплавов полимеров - псевдопластических жидкостей и формы конечного продукта.

Цель работы. Разработать способ усовершенствования процесса изготовления рифлёных листов методом непрерывного вальцевания. Получить математические зависимости для расчета основных параметров процесса вальцевания профильных листов. Экспериментально изучить свойства полимеров и изготовленных из них изделий для выработки оптимальных режимов производства рифлёных листов методом вальцевания.

Основные задачи работы

1 Разработать методику расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов с целью получения рифлёных листов, учитывающую высокоэластичные свойства материала и заданную геометрию поверхности валков.

2 Разработать конструкцию вальцов, обеспечивающую усовершенствованный процесс вальцевания полимерных материалов.

3 Экспериментально исследовать гидродинамические характеристики расплавов полимеров в процессе вальцевания.

4 Исследовать влияние эффекта разбухания полимеров на профиль готового изделия и технологические параметры процесса вальцевания.

5 Исследовать физико-механические свойства полимерных рифлёных листов: прочность, плотность и водостойкость в зависимости от условий переработки материала в изделие.

6 Используя разработанную методику расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов, учитывающую высокоэластические свойства материала, заданную геометрию поверхности валков и результаты экспериментальных исследований, определить оптимальные технологические параметры процесса вальцевания.

Научная новизна

1 Получены математические зависимости, позволяющие рассчитать основные технологические параметры процесса вальцевания и конструктивные характеристики установки для вальцевания полимерных материалов, учитывающие высокоэластические свойства перерабатываемых материалов и заданную геометрию профиля.

2 Введено понятие эффективного радиуса валков, определяемое как радиус цилиндрической поверхности, длина которой равна длине поверхности рифлёного валка. Эффективный радиус позволяет учесть криволинейную форму поверхности валка, и тем самым рассчитать производительность и мощность привода установки.

Разработан новый процесс вальцевания с применением установки для изготовления полимерных рифлёных листов (по патенту на изобретение №2250165).

Практическая ценность. На основании полученных математических зависимостей и результатов экспериментальных исследований разработана экспериментальная установка для изготовления полимерных рифлёных листов. Разработанная конструкция «Устройство вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов» внедрена для использования в Сгерлитамакском ЗАО «Каустик».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: республиканской научно-практической конференции «Проблемы интеграции науки, образования и производства южного региона Республики Башкортостан» (г. Салават, 2001 г.); научно-технической конференции «Достижения и проблемы технических наук в машино- и приборостроении» (г. Уфа, 2001 г.); республиканской научно-технической конференции «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане» (г. Уфа, 2003 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырёх научных трудах, на разработанную конструкцию вальцов получен патент РФ № 2250165.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, основных выводов, списка литературы из 72 источников.

Общий объём диссертации составляет 120 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, её научная и практическая значимость, формулируются задачи и цель исследования.

В первой главе приведён анализ конструкций и методов расчёта вальцов для переработки полимерных материалов.

Показано, что при наличии многочисленных конструкций вальцов до сих пор нет эффективного оборудования для производства полимерных рифлёных листов методом непрерывного вальцевания.

Анализ методов расчёта вальцованного оборудования показал, что существующие методики подходят для расчёта плоских вальцов, и нет точной методики для расчёта вальцов рифлёной формы, в которой должна учитываться точная геометрия рифления.

Во второй главе приведена разработка конструкции вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов.

На основании проведённого анализа конструкций вальцов на кафедре оборудование нефтехимических заводов (ОНХЗ) Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) разработана и запатентована универсальная установка для изготовления полимерных рифлёных листов методом вальцевания, являющаяся самостоятельной единицей, способной перерабатывать широкий спектр полимерных материалов, и обладающая достаточно высокой производительностью при относительной простоте конструктивного оформления.

Вальцующий механизм содержит передний 1 и задний 2 валки, установленные соосно с зазором 3. Поверхность валков выполнена в виде параболиче-

ских выступов 4 и впадин 5. Для обогрева валков предусмотрены термоэлементы 6 и 7, представляющие собой стальную трубку с намотанным на неё электроизоляционным материалом, защищенным слоем асбестового волокна 8 (рисунок 1).

За счёт вращения переднего 1 и заднего 2 валков разогретый материал увлекается в межвалковое пространство и подвергается деформированию.

1 - передний валок; 2 - задний валок; 3 - межвалковый зазор; 4-параболический выступ; 5 - параболическая впадина; 6,7 - термоэлементы; 8- асбестовое волокно

Рисунок 1- Поперечный разрез вальцов

Требуемая толщина формируемого рифлёного листа обеспечивается зазором 3 между валками 1 и 2 и варьируется в пределах 0,002-г0,004 м, устанавливается с учётом высокоэластических свойств материала, оцениваемого коэффициентом разбухания. Выступы 4 и впадины 5 образуют рифление полимерного листа. Ширина определяется требованиями к профилю готового изделия и изменяется в пределах от 0,180 до 0,225 м.

Установленные термоэлементы 6 и 7 предназначены для обогрева рабочей части валка до температуры, необходимой для переработки исследуемого материала. Для предотвращения прогорания электроизоляционного материала на его поверхность наматывается асбестовое волокно 8. Большую роль для увеличения деформации материала играет разность температур между валками, поскольку налипание материала и снятие готового рифлёного листа произ-

водится с менее нагретого валка. Температура переднего валка 1 превышает температуру заднего валка 2 на 10-15 К.

Установка работает следующим образом. Производим обогрев рабочей части валка до температуры, необходимой для переработки исследуемого материала, для чего подаём напряжение на термоэлементы, подачу осуществляем плавно, с помощью ЛАТРов, следя за показаниями амперметров, подключаем вторичный прибор КСП - 4. С помощью нажимного механизма устанавливаем необходимый для работы зазор между валками. Величину зазора контролируем по шкале лимба на механизме регулирования зазора с точностью до 0,2 мм. Загружаем подогретый материал в межвалковое пространство. Нажимаем кнопку "Пуск" на щите управления, после чего валки начинают вращаться навстречу друг другу. Материал увлекается в межвалковое пространство, подвергается деформированию. Большую роль для увеличения деформации материала играет разность температур между валками.

Термоэлементы предназначены для обогрева рабочей части валка до температуры, необходимой для переработки исследуемого материала.

Приведенная конструкция была разработана с использованием предлагаемого в данной работе метода расчёта основных технологических параметров процесса вальцевания, к которым относятся производительность установки С2 и мощность N. необходимая для осуществления вальцевания полимера в требуемом качестве.

Производительность установки (2, кг/ч, определяли, исходя из необходимости получения рифлёного листа заданного размера, по формуле

О = 3600л2КэффпЬЬуг|, (1)

где (2- производительность вальцов, кг/ч; Я3фф - эффективный радиус валка, м; п - число оборотов заднего валка, с"1;

11 - толщина ленты материала, выходящего из зазора между валками, м\ Ь - ширина ленты материала, снимаемого с валка, м\ у - объемный вес смеси, кг/м3 (у = 0,9-1,1 кг/м3); т] - коэффициент использования машинного времени (т] =0,8-0,9); Эффективный радиус валка представляет собой радиус цилиндрической поверхности, длина которой равна длине поверхности рифлёного валка:

где к] - постоянная кривой выступа, м ''; Х| - абсцисса точек кривой выступа, м; к2 - постоянная кривой впадины, м Х2 - абсцисса точек кривой впадины, м.

Мощность, потребляемая вальцами, зависит от свойств и температуры обрабатываемого материала, окружных скоростей валков, зазора между валками:

(Мр+мЛп

дг = -аеЛ_ , (3)

Л

где г) - к.п.д. редуктора;

со - угловая скорость вращения валков, 1/с;

Мр - момент для преодоления сопротивления деформации материала, который определяется по распорным усилиям, Нм; Мтр - момент сопротивления трения в подшипниках с учетом силы тяжести валков и распорных усилий, Н м.

Момент сопротивления от распорного усилия можно определить по уравнению

МР=РП,ФФ* (4)

где Р - распорное усилие, возникающее в зазоре между валками, Н; Ц>ФФ - эффективный диаметр валков, м; а - угол захвата по среднему диаметру валков, град. Момент трения в подшипниках определяется по уравнению

Мтр=М(Р + Св)с1, (5)

где ц - коэффициент трения в подшипниках;

Ов - сила тяжести валка, Н;

с! - диаметр цапфы валка, м.

Полученные формулы (1) и (3) позволяют определить производительность и мощность устройства вальцов, осуществив тем самым расчёт установки.

Разработанная нами методика позволяет рассчитать основные технологические параметры процесса вальцевания и конструктивные характеристики установки для вальцевания полимерных материалов.

Введено понятие эффективного радиуса, определяемое как радиус цилиндрической поверхности, длина которой равна длине поверхности рифлёного валка, что позволило рассчитать производительность и мощность привода данной установки.

В третьей главе показано исследование гидродинамических свойств расплавов полимерных материалов и прочностных характеристик рифлёных листов, полученных вальцеванием

Для изучения реологических свойств полимерных материалов и прочностных характеристик рифлёных листов использовалась экспериментальная установка, смонтированная в лаборатории НИР на кафедре ОНХЗ Стерлита-макского филиала УГНТУ.

В качестве объектов исследования использовались широко применяемые в химической промышленности полимерные материалы: полиэтилен высокого давления (низкой плотности) марки 15802-020 (ГГОД) по ГОСТ 16337; пластикат кабельный поливинилхлоридный (ПВХ) марки 0-40 по ГОСТ 5960.

Реологические свойства полимерных материалов определяли по методу двух капилляров Е.В. Бегли, заключающегося в определении характеристик напорного установившегося истечения расплавов полимеров из двух капилляров различной длины.

Получали листы рифлёной формы (рисунок 2).

Окончательные зависимости получали для фиксированной температуры в виде фэф =1'(тИст), где (рэф - эффективная текучесть расплава, (Па с)"1; ТИС1 - напряжения сдвига, Па.

Готовое изделие должно отвечать заданным технологическим параметрам: гладкость поверхности, полотно должно быть однородным (без пузырьков и различных включений), хороший съём полотна с поверхности вальцов. Для определения оптимального режима вальцевания проводились эксперименты. В результате проведённых экспериментов при различных температурах было установлено, что оптимальная температура вальцевания ПВД 403^423К, ПВХ - 433-ь443 К.

Представленные на рисунке 3 кривые течения необходимы для оценки качества и оптимальных режимов переработки полимеров.

а )

А

1

/ /

с/

(в СО

ч

В о се О.

и

н -

я £

6В Л

§ Б Уъ

(Ь е-

70 60 50 40 30 20 10

1 1 2

0 4 8 12 Напряжение сдвига, т-10"4, Па

Напряжение сдвига, т-10 , Па

а) б)

1) Т = 423 К; 2) Т = 403 К 1) Т = 433 К; 2) Т = 443 К

Рисунок 3 - Зависимости текучести расплава от напряжения сдвига ПВД марки 15802-020 (а) и кабельного пластиката марки О-40 (б)

Течение полимеров сопровождается возникновением эластических деформаций в расплаве, поэтому в нём появляется весь комплекс механических релаксационных явлений, которые могут вызвать, во-первых, изменение размеров изделия по сравнению с формующим зазором (разбухание изделия), во-вторых, шероховатость и даже бугристость на поверхности изделий и, в-третьих, исказить форму изделия.

Релаксация накопленных в процессе вальцевания напряжений влияет на качество изделий и проявляется в виде разбухания, происходящего под действием нормальных напряжений - перпендикулярных направлению движения массы расплава. Нормальные напряжения возникают вследствие стремления ориентированных молекул перейти в ненапряжённое состояние (эффект Вайсенберга).

Применительно к процессу вальцевания под коэффициентом разбухания К, понимали отношение площади формующего зазора вальцов Б, м2, к площади поперечного сечения рифлёного листа Бл, м\ т.е. к = у] Б / 8Л .

Для ПВД 15802-020 и композиции ПВХ 0-40 устанавливали зависимость коэффициента разбухания от числа оборотов валков. Температура процесса вальцевания для ПВД находилась в интервале 403+443К, для ПВХ 423н-453 К; число оборотов изменялось ступенчато от 15 до 30 с'1. Межвалковый зазор в данной серии выставляли равным А - 3,0" 10"3 м.

Результаты опытов представлены на рисунке 4 графическими зависимостями коэффициента разбухания от числа оборотов валков К = £ (п).

Анализ результатов, представленных на рисунке 4, показывает увеличение коэффициента разбухания К (как для ПВД, так и для ПВХ) в среднем на 5-5-6 % при возрастании числа оборотов валков с 15 до 30 с"1 . Это объясняется ростом (в единицу времени) накопленной в полимерном материале упругой деформации, обусловленной значительными сдвиговыми напряжениями при вальцевании.

Кроме того, необходимо отметить, что с повышением температуры в пределах рабочего диапазона 403-г-453 К конечное значение коэффициента разбухания возрастал на 3+6%.

Коэффициент разбухания для ПВД марки 15802-020 составлял К = 1,32+1,45; для композиции ПВХ 0-40 - К = 1,10+1,24.

—□— - ПВХ марки 0-40; -О— - ПВД марки 15802-020

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента разбухания полимерных материалов от числа оборотов валков (межвалковый зазор А = 3,010"3 м)

Наряду с установлением зависимости коэффициента разбухания от числа оборотов валков определяли также влияние на величину К значения межвалкового зазора, который варьировали в диапазоне А = 2,0+4,0" 10'3 м. В соответствии с рисунком 5 для исследованных полимеров коэффициент разбухания

возрастает с уменьшением межвалкового зазора, что объясняется увеличением распорного усилия в межвалковом зазоре и соответственно сдвиговых деформаций в массе расплава.

Для композиции ПВХ коэффициент разбухания изменялся в диапазоне К = 1,28+1,67 и при снижении толщины рифлёного листа с 4,0 до 2,0'10~3 м увеличивался в среднем на 25+26%.

Для ПВД значение коэффициента разбухания составляло К = 1,08+1,38, возрастая с уменьшением толщины листа на 22+24%.

л, я к

2 2,5 3 _ - ПВХ марки 0-40;

—

--г

-р

А, м

3,5 4

)— - ПВД марки 15802-020

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента разбухания полимерных материалов от величины межвалкового зазора

Результаты экспериментальных исследований использовались при варьировании размеров межвалкового зазора для обеспечения гарантированной толщины рифлёных листов.

В процессе отработки режимов вальцевания композиции ПВХ марки 0-40 и ПВД марки 15802-020 было установлено, что удовлетворительное полотнообразо-вание и дегазация (удаление паров воды) массы начинается при содержании влаги в сырье не более 10+12%. В противном случае наблюдается срыв массы с валков, так как избыточное количество влаги препятствует процессу пластикации.

Зависимости для исследуемых полимеров приведены в соответствии с рисунком 6 в виде V/ = f (т).

—□--ПВД марки 15802-020 (Т = 413 К);

_0__ - ПВХ марки 0-40 (Т = 438 К)

Рисунок 6 - Зависимость изменения содержания влаги в полимерной массе в процессе вальцевания

В результате экспериментов было установлено, что при максимальной начальной влажности загружаемого полимера - 10-5-12% уже через 300*360 с вальцевания массы на рифлёных валках остаточная влажность полотна снижается до приемлемого уровня: менее 0,3+0,4% - для ПВХ и менее 0,1% - для ПВД.

Далее для выявления наилучших режимов работы вальцов с профильными валками и исследования свойств готовых рифлёных листов из ПВД и ПВХ устанавливали зависимости от температуры и времени вальцевания: прочности рифлёного полотна, т.е. разрушающего напряжения при растяжении; плотности материала готового изделия. Определяли влияние плотности полимера на его водоггоглощение.

В соответствии с рисунком 7, а плотность рифлёных листов из композиции ПВХ была максимальной при температуре 443+448 К и составляла 1350+1360 кг/м3. Для ПВД максимальная плотность достигала значении 920+925 кг/м3 в интервале температур 403+413 К.

Совместное графическое изображение зависимостей разрушающего напряжения стр, МПа, и плотности рифлёного листа р, кг/м3 , от температуры процесса вальцевания Т, К, позволило установить корреляцию между величинами ор и р.

Установлено, что наибольшее значение плотности соответствует для ПВХ - 1360 кг/м3 (при Т = 443 К), для ПВД - 925 кг/м3 (при Т = 408 К).

Результаты зависимости р = Г (т) для рекомендуемых температур вальцевания приведены на рисунке 8.

Установлено, что рабочему диапазону времени вальцевания соответствуют следующие плотности рифлёных листов: для ПВХ - 1340+1360 кг/м3 (время вальцевания 4+10 минут); для ПВД - 915+925 кг/м3 (время вальцевания 240+540 с). Оптимальное время обработки материала вальцеванием составляло 300+540 с.

При изучении свойств рифлёных листов в настоящей работе использовали показатель - водостойкость, который применяли для прогнозирования поведения готовых изделий в процессе эксплуатации при контакте с влагой. Водостойкость полученных рифлёных листов выражали через коэффициент водопо-глощения е, %, характеризующий увеличение общей массы образца за счёт поглощения влаги из окружающей среды, в течение регламентированного периода времени (24 часа). Проводили сопоставление полученных значений с аналогичными характеристиками для полимерных материалов, указанных в справочной литературе.

Ор, МПа р, кг/м3

ю.о-

9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0

с

1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050

1000

423 426 429 432 435 438 441 444 447 450 453

т,к

а)

- ПВХ;

ПВД

стр, МПа

5,0

р, кг/м

950

900

850

800

750

393 396 399 402 405 408 412 415 418 421 424 427

т,к

б) -д— -ПВХ —О— -ПВД

Рисунок 7 - Зависимость разрушающего напряжения и плотности рифлёного листа от температуры процесса вальцевания для материала ПВХ (а) и ПВД (б)

р, кг/м

1400

1300 1200 1100 1000 900 800 700

А

Л у

г I

( Ь——( ) 1 Г ■ у * 1 1 1111

>

6

8

9 10 11

12

-Д— - ПВХ О = 438 К); —О— - ПВД А = 428 К)

Рисунок 8 - Зависимость плотности рифлёного листа от времени вальцевания

На рисунке 9 приведены экспериментальные зависимости водопоглоще-ния образцов из ПВХ и ПВД - Е, %, от плотности рифлёных листов.

Для кабельного пластиката марки 0-40 наименьшее водопоглощение е = 0,115% наблюдалось при плотности полотна р = 1360 кг/м3, что соответствует максимальной плотности из рабочего диапазона по температурам переработки (образец получен непрерывным вальцеванием при температуре валка Т = 443 К). Для ПВД марки 15802-020 минимальное водопоглощение е = 0,096% наблюдалось при плотности полотна р = 925 кг/м3 (Т = 423 К).

- материал - ПВД марки 15802-020 (Т = 413 К);

—О--материал - ПВХ марки 0-40 (Т = 438 К).

Рисунок 9 - Зависимость водопоглощения полотна от плотности

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработан новый процесс вальцевания с применением установки для изготовления полимерных рифлёных листов методом вальцевания (по патенту № 2250165).

2 Разработан метод расчёта основных технологических параметров процесса вальцевания на установке для изготовления полимерных рифлёных листов методом вальцевания, рассматривающий влияние геометрических и кинематических параметров валков на величину распорного усилия, необходимого для вальцевания полимера с учётом его высокоэластических свойств.

3 Введено понятие эффективного радиуса валка, представляющего собой радиус цилиндрической поверхности, длина которой равна длине поверхности рифлёного валка.

4 Получены математические зависимости для определения производительности 0 и мощности N установки для изготовления полимерных рифленых листов.

5 В результате исследований вязкотекучих и эластических свойств расплавов композиции ПВХ марки 0-40 и ПВД марки 15802-020 построены кривые течения и определен коэффициент разбухания расплавов, а также установлено допустимое содержание влаги в исходном сырье.

6 Установлено, что при температуре процесса вальцевания Т = 403+453 К коэффициент разбухания К увеличивается (как для ПВД, так и для ПВХ) в среднем на 5+6 % при возрастании числа оборотов валков с 15 до 30 с

Для композиции ПВХ коэффициент разбухания изменялся в диапазоне К = 1,28+1,67 и при снижении толщины рифлёного листа с 4,0 до 2,010"3 м увеличивался в среднем на 25+26%. Для ПВД значение коэффициента разбухания составляло К = 1,08+1,38, возрастая с уменьшением толщины листа на 22+24%.

7 Выявлено, что удовлетворительное полотнообразование и дегазация массы полимера начинается при содержании влаги в сырье не более 10+12%. Установлено, что через 300+360 с вальцевания массы на рифлёных валках остаточная влажность полотна снижается до приемлемого уровня: менее 0,3+0,4% - для ПВХ и менее 0,1% - для ПВД.

8 Прочность рифлёных листов при растяжении для композиции ПВХ марки 0-40 в интервале температур вальцевания 433+443 К составляет 7,2+8,0 МПа. Для ПВД марки 15802-020 3,7+4,1 МПа ( Т = 403+423 К). Плотность рифлёных листов из композиции ПВХ была максимальной при температуре 443+448 К и составляла 1350+1360 кг/м3 Для ПВД максимальная плотность -920+925 кг/м3 (Т = 403+413 К). Оптимальное время обработки материала вальцеванием составляет 300+540 с.

9 Установлено, что с ростом плотности материала рифлёных листов во-допоглощение снижается и для ПВХ марки 0-40 при плотности полотна р= 1360 кг/м3 составляет -0,11%; для ПВД марки 15802-020 - -0,09% при плотности полотна 925 кг/м3.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Абакачева Е.М.,Панов А.К., ПановА.А. Исследование процесса вальцевания пластических масс // Труды Стерлитамакской АН.-Уфа: Изд-во Ги-лем, 2001.- С. 119-122.

2.Абакачева Е.М., Панов А.К., Голобородкина Р.В. Экспериментальные исследования процесса получения полимерных рифлёных листов методом вальцевания // Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане: Сб. науч. тр.- Уфа: Изд-во Гилем, 2003.- С.110-114.

3.Абакачева Е.М., Панов А.К., Голобородкина Р.В. Современные конструкции вальцованного оборудования./ Москва, 2004,- 22с,- Деп. В ВИНИТИ 18.11.2004. № 1815.

4.Патент 2250165 РФ. Устройство вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов./ Панов А.К., Бикбулатов И.Х., Абакачева Е.М.- Заявлено 26.06.2000 Зарегистрировано в государственном реестре изобретений 20.04.2005.

I

Гарнитура «Times». Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Печать оперативная. Усл. изд. л. 1,1 Зак. 3954. Тираж 110 экз.

Отпечатано в типографии Богатыренко Ю.В.: г Стерлитамак, ул. Вокзальная, 13а. Лицензия на полиграфическую деятельность' код 222, серия ПД, № 01277 от 0 5 12 2001 г, выданная Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций.

»1 4 4 0 8

РНБ Русский фонд

2006-4 8933

«

ВВЕДЕНИЕ

1 Анализ конструкций и методов расчёта вальцов для переработки полимерных материалов

1.1 Анализ конструкций вальцов для переработки полимерных материалов

1.2 Анализ методов расчёта вальцов для переработки полимерных материалов

1.2.1 Методика, основанная на закономерностях упругой деформации материала между валками

1.2.2 Методика, основанная на теории пластической или упругой деформации

1.2.3 Методика, основанная на гидродинамической теории вальцевания

1.2.4 Методика, основанная на теории подобия

2 Разработка конструкции и метода расчёта вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов

2.1 Устройство вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов

2.1.1 Конструкция термоэлементов для обогрева валков

2.2 Методика расчёта вальцов для изготовления полимерных рифлёных листов

2.2.1 Расчёт производительности установки

2.2.2 Определение крутящего момента и потребляемой мощности вальцов с учетом эффективного диаметра валков

2.2.4 Тепловой баланс вальцов и расчёт термоэлементов

2.2.4.1 Тепловой баланс вальцов

2.2.5.2 Расчёт термоэлементов для обогрева валков

2.2.5 Расчёт прогиба валков

2.2.6 Механизмы регулирования зазора

3 Исследование гидродинамических свойств расплавов полимерных материалов и прочностных характеристик рифлёных листов, полученных вальцеванием

3.1 Описание методики проведения экспериментов

3.2 Свойства исследуемых полимерных материалов

3.2.1 Реологические характеристики

3.2.2 Коэффициент разбухания

3.2.3 Влажность сырья

3.3 Исследование прочностных и технологических характеристик полимерных рифлёных листов, полученных в процессе вальцевания

3.3.1 Прочность при растяжении

3.3.2 Плотность рифлёных листов

3.3.3 Водостойкость ри флёных листов

Мировой опыт применения полимерных материалов позволяет с уверенностью сказать, что этот высокотехнологичный, исключительно долговечный и многофункциональный материал и сегодня представляет огромный интерес для специалистов, занятых в различных сферах проектирования и строительства. В настоящее время наметилась тенденция замены традиционных конструкционных материалов на композитные полимеры, что значительно расширило ассортимент изготавливаемых изделий. В связи с этим возникает необходимость создания нового оборудования, которое бы обеспечивало производство изделий высокого качества с наименьшими материальными и энергетическими затратами, отличалось простотой конструктивного оформления и высокой производительностью.

Основная область применения полимеров — это всевозможные профильные изделия, полученные непрерывным преобразованием расплава полимерного материала в готовый продукт. Одним из наиболее распространённых способов переработки полимеров в изделия является процесс вальцевания, суть которого состоит в многократном пропускании материала через зазор между вращающимися на встречу друг другу обогреваемыми металлическими валками.

Для интенсификации процесса вальцевания требуется разработка новых конструкций валковых машин, в частности, машин для изготовления рифлёных листов, которые позволяли бы в режиме непрерывного процесса осуществлять изготовление готовых изделий, непосредственно из порошкообразных и гранулированных полимеров до минимума сокращая вспомогательные технологические операции.

Известные конструкции валковых машин преимущественно оснащены гладкими цилиндрическими валками и предназначены или для предварительной пластикации полимеров или для изготовления плоских листов и плёнок. Поэтому, актуальной является задача разработки валковой машины на базе рифлёных (профильных) валков, способных изготавливать профильные изделия без последующих стадий формообразования.

Для новой конструкции валковой машины необходим инженерный метод расчёта, учитывающий особенности вальцевания полимеров в межвалковых зазорах переменой толщины, который рассматривал бы во взаимосвязи, с одной стороны особенности гидродинамических характеристик расплавов полимеров — псевдопластических жидкостей- а с другой стороны, удовлетворял требованиям к изготовлениям конкретного вида изделия — рифлёных листов.

Проанализировав существующие методики [3] расчёта валковых машин можно отметить, что ни одна из них методик не может быть признана точной и исчерпывающей, поскольку на сегодняшний день еще не накоплен достаточный экспериментальный и теоретический материал, который бы дал возможность предложить законченную методику расчета основных параметров процесса вальцевания, с учётом высокоэластичных свойств перерабатываемого материала и заданной геометрии поверхности валков.

Основные направления исследований проводились в соответствии с Государственными научно-техническими программами АН РБ «Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий» на 1996-1998 г.г., программа «Аппаратосгроение» (постановление кабинета министров РБ № 204 от 26.06.96) и «Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкоторстан на 1997-2000 г.г. и до 2005 года» (постановление кабинета министров №3 от 12.01.98) по разделам «Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан».

Цель работы заключалась в следующем: разработать способ усовершенствования процесса изготовления рифлёных листов методом вальцевания. Получить математические зависимости для расчёта основных параметров процесса вальцевания профильных листов. Экспериментально изучить свойства полимеров и изготовленных из них изделий для выработки оптимальных режимов производства рифлёных листов.

Вышеизложенное определило основные задачи исследования:

1.Разработать методику расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов, учитывающую высокоэластичные свойства материала и заданную геометрию поверхности валков.

2.Разработать конструкцию вальцов, обеспечивающую усовершенствованный процесс вальцевания полимерных материалов, с целью получения рифлёных листов.

3.Экспериментально исследовать гидродинамические характеристики расплавов полимеров в процессе вальцевания.

4.Исследовать влияние эффекта разбухания полимеров на профиль готового изделия и технологические параметры процесса вальцевания.

5.Исследовать физико-механические свойства полимерных рифлёных листов: прочность, плотность и водостойкость в зависимости от условий переработки материала в изделие.

6.Используя разработанную методику расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов, учитывающую высокоэластичные свойства материала, заданную геометрию поверхности валков и результаты экспериментальных исследований определить оптимальные технологические параметры процесса вальцевания.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов, с целью получения рифлёных листов, учитывающую высокоэластичные свойства материала и заданную геометрию поверхности валков.

2.Введено понятие эффективного радиуса, который определяется как радиус цилиндрической поверхности, длина которой равна длине поверхности рифлёного валка.

•>

3.Предложены математические зависимости для определения производительности, мощности привода данной установки и распорного усилия.

4.Разработана конструкция вальцов для получения полимерных рифлёных листов, позволяющая усовершенствовать процесс вальцевания полимерных материалов.

3.Экспериментально исследовали гидродинамические свойства расплавов полимеров в процессе вальцевания.

4.Исследовали влияния эффекта разбухания полимеров на профиль готового изделия и технологические параметры процесса вальцевания.

5.Исследовал и физико-механические свойства полимерных рифлёных листов: прочность, плотность и водостойкость в зависимости от условий переработки материала в изделие.

6.Используя разработанную методику расчёта основных параметров процесса вальцевания полимерных материалов, учитывающую высокоэластичные свойства материала и заданную геометрию поверхности валков и результаты экспериментальных исследований определили оптимальные технологические параметры процесса вальцевания.

1. Аскадский A.A. Деформирование полимеров, М.: Химия, 1973. 477 е.: ил.

2. Басов Н.И., Брой В. И др. Техника переработки пластмасс.- М.: Химия, 1985.- 528с.:ил.

3. Бернхард Э. Технология переработки термопластических материалов . -М.: Химия, 1965-746 е.: ил.

4. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977-437 е.: ил.

5. Лодж A.C. Эластические жидкости.- М.: Наука, 1969-448 е.: ил.

6. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров.- М.: Химия, 1965-442е.: ил.

7. Милдман С. Течение полимеров.- М.: Мир, 1971-250 с.:ил.

8. Панов А.К. основы расчёта гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред при течении в каналах машин и аппаратов химической технологии. Учебное пособие.- уфаб УНИ, 1984. 95с.: ил.

9. Седов ЛО.И. Методы подобия и размерности в механике.- М.: Наука, 1967-428 е.: ил.

10. Тагер A.A. Физико-химия полимеров.- М.: Химия, 1968-536с.: ил.

11. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979-560 е.: ил.

12. Торнер Р.В. Основные процессы переработки полимеров ( теория и применение).- М.: Химия, 1972-452 е.: ил.

13. Торнер Р.В., Акутин М.С. Оборудование по переработке пластмасс.- М.: Химия, 1986-400 е.: ил.

14. Уилкинсон У.Д. Неньютоновские жидкости.- М.: Химия, 1964216 е.: ил.

15. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров .- М.: Химия, 1979. -366 е.: ил.

16. Шен М. Вязкоупругие релаксации в полимерах. -М.: Мир, 1974270 е.: ил.

17. Завгородний В.К., Калинчев Э.Л., Махаринский Б.Г. Оборудование предприятий по переработке пластмасс,- Л.: Химия, 1972-463с.

18. Крылов В.И., Бабков В.В., Монастырский П.И. Вычислительная методы высшей математики. Минск.: Высшая школа, 1972, т. 1.- 584с.

19. Лукач Ю.Е., Рябинин Д.Д., Метлов Б.Н. Валковые машины для переработки пластмасс и резиновых смесей. М.: Машиностроение, 1967-293с.

20. Лукач Ю.Е., Петухов А.Д., Сненатос В.А. Оборудование для производства полимерных плёнок.- М.: Машиностроение, 1981-224 е.: ил.

21. Машины и аппараты химических производств/ Н.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др.; Под общ. ред. В.Н. Соколова Л.: Машиностроение, 1982-384 с.2 Статьи в журналах

22. Виноградов Г.В., Прозоровская Н.В. Исследование расплавов полимеров на капиллярном вискозиметре постоянных давлений // Пластические массы.- 1964. №5 — С. 50-57.

23. Малкин А.Я., Фридман М.Л. Реология и проблемы технологии пластических масс // Механика полимера.- 1977. -№6. С. 1084-1092.

24. Исаев А.И., Вачагин К.Д., Набережное А.М. Инженерный метод расчёта течения полимеров в каналах некруглого сечения // Инженерно-физический журнал.- 1974. Т.27. №2.- с. 310-313.

25. Мухамезянов М.А., Фридман M.JL, Вачагин К.Д. Течение расплавов термопластов в каналах сложного сечения // Пластические массы. 1976. №4.-С. 31-33.

26. Малкин А.Я. Высокоэластичность и аязкоупругость расплавов и растворов полимеров при сдвиговом течении // Механика полимеров.- 1975. -№ 1.-е. 173-187.

27. Малкин А.Я., Забугина М.П. релаксация нормальных напряжений в текучих полимерных системах // механика полимеров. — 1975. № 2. — С. 335-339.

28. Панов А.К., Минскер К.С., Ильина Т.Ф., Панов A.A. Поливинилхлоридная композиция с использованием наполнителей из вторичного сырья // Пластические массы . 2000. - № 12. - С. 36-37.3 Статьи в сборниках

29. Панов А.К. Некоторые реологические аспекты расчёта и конструирования формующих инструментов сложного сечения // Переработка наполненных композиционных материалов: С.науч.тр.- М.: НПО "Пластик".- 1982. С.120-133.

30. Панов А.К., Вачагин К.Д. Расчёт гидродинамических характеристик потоков расплавов полимеров в призматических каналах с применением коэффициентов формы // Теоретическая и прикладная механика: Минск, Высшая школа.- 1976, вып. 3. С.56-62.

31. Глущенко И.Ф., Панов А.К. Экспериментальное исследование влияния регулируемого сопротивления на профиль скоростей // Реология, процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. темат. сб. научн. тр.- Волгоград, 1982. С.52-62

32. Мухин Г.Д., Вачагин К.Д. Экспериментальное изучение течения аномально-вязких жидкостей в прямоугольных трубах // Машины и аппараты химической технологии: Межвузовский сб./ Казань. 1973. - С. 6973.

33. Panov А.К., Minsker K.S., Ilina T.F., Panov A.A. Polivinylchloride composition with secondary raw materials.// Russian polymer news, vol. 7, № 1, 2002.-P. 41-42.

34. Panov A.K., Minsker K.S., Mekhlis A.N., Panov A.A. Extrusion head design for polymeric casing formation. // Russian polymer news, vol. 7, № 1, 2002.- P. 43-46.4 Диссертации

35. Вачагин К.Д. Исследование в области стационарных течений аномально —вязких жидкостей в узлах машин и аппаратов: Дис. докт.тех.наук: 05.17.08 защищена 22.04.74. - Казань, 1974. - 373с.:ил.-Библиогр.: с. 212-224.

36. Фридман МЛ. Регулирование реологических свойств термопластов и композиций на их основе с целью интенсификации процессов формования: Дис. .докт.техн.наук: 05.17.06 защищена 21.12.81. -М, 1981. -271 с.:ил.- Библиогр.: с. 202-220.

37. A.c. 846305 СССР, МКИ В30В11/22//B29F3/06. Узел формования литейных жгутов и укладки их на транспортер/ Х.И. Вишняков, В.А. Скаженик и И.С. Сычёв ( СССР)- 2774473/25; Заявлено 01.06.794 Опубл. 15.07.81.6 Патенты

38. Пат. № 2181665 Россия МКИ. Устройство для формирования длинноременных изделий фасонного профиля./ A.A. Ломовой, Ю.Б. Лаврентьев, Г.М. Гончаров опубликовано в П.И. 1992, № 56.

39. Пат. № 2081524 Россия МКИ. Устройство для получения листовых эластомерных материалов. / Т.Н. Несиловский, Л.М. Байдина, Е.М. Соловьёв. Опубликовано в П.И. 1989, №48.

40. Пат. № 2112367 Россия МКИ. Валковое устройство для переработки полимерных материалов ./ A.M. Воскресенский, С.Н. Грошов, В.В. Михайлов. Опубликовано в П.И. 1989, №48.

41. Пат. № 2093364 РФ МКИ. Валковый брикетировочный пресс./ Буркин С.П., Логинов Ю.Н., Бабайлов, Полянский Л.И. Опубликовано в П.И. 1997, №110.

42. Pat. № 4101367 Fed.Rep. of Germany. Single face corrugating machine/ Johann Maier.Maier. Filed : Mar. 16, 1977, № 778,106.

43. Pat.№ 3947206 USA. Corrugating apparatus/ John DeLigt, David F.talbert. Filed: Mar. 30.1976.

44. Пат. № 741790 РФ МКИ. Устройство для изготовления двухслойных пластмассовых гофрированных труб./ Н.И. Попов, Е.К. Кисель, Г.И. Филюков и И.А. Орешко. Опубликовано 15.08.1989, № 30.

45. Депонированные научные работы

46. Панов А.К. и др. Разработка методов расчёта и совершенствования конструкций многоручьевых экструзионных головок/ Панов А.К., Голобородкина Р.В., Анасова Т.А., Панов A.A.;

47. Уфимск.гос.нефт.техн.ун-т. Уфа, 1999. - 17с.: ил.- Библиогр. : 3 назв.- Рус-Деп. В ВИНИТИ 24.02.99, № 552-В99.8 Справочная литература

48. Анурьев В.И. Справочник конструктора- машиностроителя. — М.: Машиностроение, 1985. — 736с.: ил.

49. Бахарев В.К., Богданов В.в., Брачинский В.А. Переработка пластмасс. Справочное пособие. JL: Химия; 1985. — 296с.: ил.

50. Пантелеев А.П., Швецов Ю.М., Горячев И.А.: Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс. -М.: Машиностроение, 1986.-440с.

51. Солонский A.C., Досюлев С.Г. Справочное пособие конструктору- машиностроителю. — Минск, Госиздат. БССР, !962.- 403с.:ил.

52. Теплофизические и реологические характеристики полимеров. Справочник. Под общ. ред. Ю.С.Липатова.—Киев, Наукова думка, 1977.-244с.

53. Технологическая оснастка для переработки термопластов. Отраслевой каталог. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1983.-384с.

54. Нормативно- технические документы

55. ГОСТ 6616 79. преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические условия . - М.: изд-во стандартов, 1980. — 31с.

56. ГОСТ 7164-78. Приборы автоматического следящего уравновешивания ГСП. Общие технические условия.- Переиздат. М.: Изд-во стандартов, 1980.- 26с.

57. ГОСТ 16337-77. Полиэтилен высокого давления. Технические условия .- М.: Изд-во стандартов, 1984.-61с.

58. ГОСТ 5960. пластикат поливинил-хлоридный для изоляции и защиты оболочек и кабелей. Технические условия.— Переиздат. Ноябрь, 1979.

59. ГОСТ 166. Штангенциркули. Технические условия.- Переиздат. Октябрь, 1980.

60. ГОСТ 19646. Термометры стеклянные ртутные для точных измерений. Технические условия . — Переиздат. Ноябрь, 1982.

61. ГОСТ 24104-80. Весы лабораторного общего назначения и образцовые. Общие технические условия.- М.: Изд-во стандартов, 1980.-26с.

62. ГОСТ 2.319-81 (Ст СЭВ 2824-80) ЕСКД. Правила выполнения диаграмм. Введ. 01.01.1983. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 26с.

63. ГОСТ 7.1-84. Библиографические описания документа. Общие требования и правила составления.-М.: Изд-во стандартов, 1985. 5с.

64. ГОСТ 2.105-95. Межгосударственный стандарт. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. Введ. 01.07.96. М.: Изд-во стандартов, 1995.-36с.