СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

КОЛЄСНІКОВ АНДРІЙ ВАЛЕРІЙОВИЧ

УДК 628.4.04-405

УДОСКОНАЛЕННЯ ЕКСТРУЗІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ З БАГАТОСЕКЦІЙНИМ ШНЕКОМ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ВТОРИННИХ КОМБІНОВАНИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, доцент Дядичев Валерій Володиславович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри комп’ютерно-інтегрованих технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри матеріалознавства;

доктор технічних наук, професор Петухов Аркадій Дем’янович, Нацiональний технiчний унiверситет України "Київський полiтехнiчний iнститут, професор кафедри хімічної технології композиційних матеріалів.

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет, кафедра обробки металів тиском, Міністерство освіти і науки України (м. Донецьк).

Захист відбудеться 31.03.2005 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий 09.02. 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 29.051.02

доктор технічних наук, доцент Гутько Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом різко зросли потоки відходів, саме через це більш екологічно доцільним є виробництво і використання сировини з уживаної продукції.

Ресурсний і енергетичний потенціал України необхідно використовувати розумно. Основним джерелом одержання високомолекулярних з'єднань є нафта. Вона виступає джерелом як багатьох сировинних видів продуктів, так і електроенергії. Виходячи з цього, нафта є стратегічною корисною копалиною природи, використовувати яку необхідно дбайливо і раціонально.

Одним зі способів реалізації цього принципу є вторинне використання відходів полімерних матеріалів (рециклінг відходів полімерних матеріалів). Застосовуючи повторно ці матеріали реалізуються напрямки ресурсозбереження й енергозбереження. Ресурсозбереження відбувається завдяки економії чистої полімерної сировини, тому що замість неї використовуються відходи. Енергозбереження забезпечується завдяки економії за рахунок відсутності стадії синтезу полімерного матеріалу, а також і заощадженню вихідної сировини з виробництва полімерів – нафти. Виходячи з цих фактів, розглянута проблема належить до напрямку енергозберігаючих і ресурсозберігаючих технологій, що виступають сучасним науково-практичним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до комплексної науково-технічної програми "Створити та освоїти у виробництві комплекси технологічного устаткування, засоби автоматизації з використанням ресурсозберігаючих технологій", у рамках вирішення проблеми “Про впровадження системи збору, сортування, транспортування, переробки й утилізації відходів як вторинної сировини”, відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 26 липня 2001 р. N 915, з “Основними напрямками економічного і соціального розвитку України”, Закону України про відходи від 1998 року. З 1999 року робота виконувалася в рамках держбюджетних науково-дослідницьких робіт Міністерства освіти і науки України (роботи № 0197U008350, 0100U006296, 0102U002222).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення екструзійного обладнання і технології переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів з використанням багатосекційного шнека, що забезпечить підвищення його продуктивності та покращення якості вторинних виробів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі визначаються і вирішуються такі задачі:

§ провести дослідження та розробити методи удосконалення екструзійного обладнання, що відповідає завданням переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів, на підставі багатосекційного принципу конструювання;

§ розробити методику розрахунку показників роботи екструзійного обладнання з переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів;

§ розробити та дослідити математичну модель технологічного процесу екструзії з багатосекційним шнеком для переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів;

§ розробити екструзійне устаткування, що відповідає завданням переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів;

§ перевірити адекватність математичної моделі шляхом фізичного моделювання і виробничих випробувань, розробленого екструзійного обладнання.

Об'єкт дослідження. Процес екструзійної переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів.

Предмет дослідження. Екструзійне обладнання та технологія переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконано з використанням законів руху при ламінарній течії, гідродинаміки розплавів і розчинів полімерів. Моделювання технологічного процесу виконано методом Ейлера. Експериментальні дослідження проведено з використанням сучасної контрольно-вимірювальної техніки, що серійно випускається промисловістю і пройшла державну метрологічну перевірку у встановленому порядку. Кількісну перевірку експериментальних даних і одержання регресійних багатофакторних залежностей виконано методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

· Вперше отримані математичні залежності розрахунку тиску і питомої витрати в екструзійному обладнанні шляхом урахування впливу на значення цих параметрів процесів, що протікають у кожній секції екструдера з багатосекційним шнеком, переробляючого вторинну комбіновану полімерну сировину.

· Набули подальшого розвитку критерії оцінки якості змішування компонентів в’язкотекучої полімерної маси в основних секціях екструдера шляхом аналізу зсувних деформацій текучості в’язкої полімерної маси в каналі екструдера в двох напрямках.

· Удосноналено математичну модель роботи екструдера з багатосекційним шнеком з метою аналізу його параметрів роботи і розробки нових конструкцій шнеків екструдерів шляхом послідовного моделювання його окремих секцій з постійним кроком по довжині екструдера.

Практичне значення отриманих результатів:

1. У використанні нової технології переробки полімерних сумішей, що включають вторинну комбіновану сировину, забезпечуючу скорочення стадій процесу і поліпшення якості, одержуваних виробів.

2. У використанні розробленої методики розрахунку і математичної моделі робочого процесу екструзійного формування при переробці полімерної суміші, що включає вторинну комбіновану сировину, для створення нових конструкцій і визначення раціональних параметрів технологічного процесу.

3. У використанні розробленої п’ятисекційної конструкції шнека екструдера при переробці полімерної суміші, що включає вторинну комбіновану сировину.

Результати роботи реалізовані в промисловості у вигляді:

1. Експериментального зразка збірного п’ятисекційного шнека одночер-в'ячного екструдера для переробки комбінованих полімерних відходів і вторинних сумішей, упровадженого на ПП “Універсал”.

2. Спеціалізованого прикладного програмного забезпечення у виді мате-матичної моделі розрахунку параметрів роботи екструзійного устаткування по переробці комбінованих полімерних відходів і вторинних сумішей, упровадженого на ТОВ "Завод побутової хімії "ДОННА".

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримано автором самостійно. У результаті досліджень, опублікованих у співавторстві, автором розроблено методи контролю тиску в технологічному процесі соекструзії полімерів, оптимізація технологічних параметрів процесу соекструзії полімерів, методи розрахунку і конструювання деталей і вузлів соекструзійних машин, методика розрахунку при проектуванні машин з утилізації відходів полімерних матеріалів способом соекструзії, визначення раціональних конструктивних параметрів екструзійної установки з утилізації комбінованих полімерних відходів методом моделювання, методика і принципи розрахунку конструкцій машин з переробки полімерних матеріалів, методика розрахунку зони плавлення при екструзійній переробці відходів композиційних полімерних матеріалів. Автор брав участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів методами математичної статистики. Упровадження результатів дисертації в промисловість здійснювалося за участю автора.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на VIII Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, м. Чернігів, 2000р.; на IX Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, м. Чернівці, 2001р.; на XII Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, м. Миргород, 2002р.; на Міжнародній науково-практичній конференції “Університет і регіони”, м. Луганськ, 2002р.; на XIII Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, м. Дніпропетровськ, 2003р.; на Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційна техніка й електромеханіка”, м. Луганськ, 2003р.; на Міжнародній науково-практичній конференції "Місце і роль Володимира Даля в слов'янській культурі. Сьомі Міжнародні Далівські читання, присвячені 202 річниці з дня народження В.І. Даля і року Росії в Україні", м. Луганськ, 2003р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 5-и статтях у наукових журналах, 2-х статтях у збірниках наукових праць, у 5-и статтях у збірниках, виданих за матеріалами міжнародних конференцій, захищені 1-м патентом України. Усього 13 наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Обсяг дисертації – 211 сторінок друкованого тексту, з яких 3 таблиці на 2 сторінках, 20 ілюстрацій на 18 сторінках, списку використаних літературних джерел з 110 найменувань на 9 сторінках і п'яти додатків на 45 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність розглянутої проблеми, формулюється мета і задачі дисертаційної роботи, її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі розглянуті питання росту використання комбінованих полімерних матеріалів в Україні, проведена їх класифікація, проаналізовані основні існуючі способи утилізації полімерних відходів, досліджено процес екструзійного формування тиском виробів з відходів комбінованих полімерних матеріалів, зроблено аналіз конструкцій шнекових вузлів екструзійного обладнання з переробки полімерних матеріалів.

Комбінований полімерний матеріал – це високомолекулярна структура, що складається з двох і більше шарів різнорідних полімерних матеріалів або різних марок того ж самого полімеру. Основною метою створення такої композиції є поєднання в одному полімерному виробі експлуатаційних властивостей пластмас, забезпечити які однією полімерною маркою неможливо.

З існуючих способів утилізації відходів виробів з комбінованих полімерних матеріалів як з економічної, так і з екологічної точки зору найбільш вигідний спосіб вторинної переробки відходів з комбінованих полімерних матеріалів. Вторинна переробка дозволяє за рахунок використання вживаної полімерної сировини разом з наповнювачем і первинною сировиною одержати значну економію первинного вихідного полімеру.

Існують різні процеси заключного етапу вторинної переробки, основні з них: екструзія, екструзія з роздувом, лиття під тиском, соекструзія, соекструзія з роздувом.

Аналізуючи представлені основні технологічні процеси переробки термопластичних полімерних матеріалів, слід зазначити, що кожен з них має свої переваги і недоліки, а також галузі використання при виготовленні виробів різної конструкції. У більшості випадків вторинні вироби застосовуються в технічній сфері, тому що в ній вимоги до їхньої якості і властивостей менш жорсткі. Отже, немає необхідності у використанні складних технологій, а досягти необхідної якості вторинного виробу технічного призначення можна завдяки технології екструзії на модифікованому технологічному обладнанні.

При повторній переробці відходів композиційних полімерів і сумішей пластиків найбільше впливають на якість виробів, одержуваних з відходів, показники полімерного розплаву на виході з екструдера. При подальшому ж його проходженні екструзійної головки лише підтримуються температурні режими розплаву і відбувається його формоутворення. Під показниками полімерного розплаву мається на увазі його структурна однорідність, відсутність нерозплавлених і деструктованих включень, рівномірне температурне поле, рівномірність створюваного тиску. Досягти раціональних показників розплаву можна, удосконалюючи конструкцію шнека екструдера.

З існуючих конструктивних рішень виконання шнекових вузлів екструдерів найбільш придатним до умов переробки вторинної комбінованої полімерної сировини є багатосекційні шнекові конструкції. У них матеріал послідовно проходить різні стадії переробки, обумовлені конструктивним виконанням секцій. Однак існуючі конструкції не забезпечують необхідної якості переробки для вторинної комбінованої полімерної сировини. Використовувані конструкції не дозволяють поєднати високий тиск переробки та продуктивність з високою якістю змішування компонентів, необхідного для переробки вторинної комбінованої полімерної сировини.

Проблемам переробки полімерних матеріалів і їхніх відходів приділяли увагу багато вітчизняних і закордонних фахівців, у тому числі В. Е. Гуль, В. С. Кім, Г. Д. Калиновська, Г. А. Бистров, В. В. Дядичев, Е. Бернхард, Д. Ф. Каган, Д. М. Мак-Келві, К. Раувендаль, В. В. Стрибків, З. Тадмор, Р. В. Торнер, Л. Штарке та ін. Однак питанням доцільного конструювання і розрахунку шнеків для переробки комбінованих полімерних матеріалів і вторинних сумішей присвячено мало робіт.

Слід зазначити, що в роботах не знайшло достатнього відображення таке питання, як створення раціональних конструкцій екструзійного обладнання з використанням багатосекційного шнека для переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів. Не розглянутий такий момент, як розрахунок параметрів змішувальної секції шнека і її раціональне конструювання.

Другий розділ присвячено методам удосконалення і методиці конструювання обладнання, розрахунку технологічних параметрів робочого процесу переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів методом екструзії з використанням багатосекційного шнека.

На підставі аналізу особливостей властивостей вторинної комбінованої полімерної сировини розроблено функціональну схему екструзійного обладнання з переробки вторинної комбінованої полімерної сировини. Обладнання, реалізоване на підставі цієї схеми, забезпечує рівномірне плавлення компонентів суміші, гомогенне змішування, видалення з розплаву летких з'єднань і створення на виході розплавленого полімерного потоку зі стабілізованим тиском і продуктивністю. Схема включає ряд послідовно розташованих функціональних секцій.

Перша секція: секція зони живлення розігріває матеріал, транспортує й ущільнює, що досягається завдяки використанню в якості конструкції секції зони живлення шнека екструдера ділянки з конічним гвинтовим каналом зі зменшенням глибини каналу шнека h.

Друга секція (бар'єрна): розплавляє полімерну суміш, створює в результаті розплав з рівномірною за обсягом температурою і гомогенізацію (рівномірне змішування), за допомогою застосування спеціальної конструкції секції, коли в канал основного витка вводиться додатковий (бар'єрний) виток із змінюваним кроком (рис. 1).

Рис. . Розгортка каналу течії бар'єрної секції екструдера

Третя секція – декомпресії: вилучає вмістимі у відходах легколеткі з'єднання, завдяки використанню конструкції з частково заповненим каналом течії і вентиляційного отвору в циліндрі екструдера.

Четверта секція – конічна секція зони дозування визначає тиск, що розвивається екструдером, шляхом використання ділянки з конічним гвинтовим каналом зі зменшенням глибини каналу шнека h.

П'ята секція – циліндрична секція зони дозування необхідна для стабілізації значень тиску і продуктивності полімерного розплаву, завдяки застосуванню ділянки з циліндричним гвинтовим каналом.

Шляхом спільного розв’язку рівнянь, що виражають закони збереження маси, енергії і кількості руху при ламінарній течії, з рівняннями, що описують фізичний стан полімерної маси у формі в’язкотекучої рідини, отримані математичні залежності розрахунку значення тиску і питомої витрати для кожної секції шнека з метою раціонального проектування конструкції й оцінки її ефективності.

Визначено основні залежності розрахунку розмірів секцій, таким чином, щоб продуктивність екструдера відповідала продуктивності зони дозування:

, (1)

де Q3 – об'ємна продуктивність зони живлення;

Qп – об'ємна продуктивність зони плавлення;

Qд – об'ємна продуктивність зони дозування.

Визначено результуючий тиск, що розвивається екструдером:

, (2)

де Рэ – тиск, що розвивається екструдером;

L – ефективна довжина шнека екструдера;

l – довжина мікросекції;

Р(l) – перепад тиску на мікросекції;

Р0 – тиск у зоні завантаження.

З метою аналізу здатностей здібностей секцій шнека екструдера за товщиною смуг компонентів r для них отримано залежності лінійної швидкості за висотою каналу v(l), швидкості зрушення за висотою каналу г(l) і значення деформації зрушення для кожної секції Г. Для основної змішувальної секції – бар'єрної розрахунок значення деформації в бар'єрному зазорі робимо на підставі теорії витоків через зазор:

, (3)

де eб/tgцб – ширина бар'єрного зазора;

дб – висота бар'єрного зазора;

м – в'язкість суміші, що переробляється;

– градієнт тиску уздовж осі l.

На підставі витрати витоків значення швидкості зрушення

. (4)

Графічне зображення епюр лінійної швидкості і швидкості зрушення в каналі бар'єрного зазора показане на рис. 2.

Рис. . Епюри лінійних швидкостей і швидкостей зрушення для бар'єрного зазора в напрямку осі шнека в бар'єрній секції екструдера

Середня деформація зрушення дорівнює:

, (5)

де – середній час перебування часток у зоні гребня бар'єрного витка, дорівнює:

, (6)

де – середня інтегральна швидкість потоку в бар'єрній секції.

Товщина смуг на виході з бар'єрної секції екструдера розраховується в такий спосіб:

, (7)

де r0 – початкова середня товщина смуг до деформації;

е – концентрація ключового компонента.

Аналогічні розрахункові методики якості змішування складені для кожної із секцій, що базуються на відомих залежностях розрахунку епюр швидкостей для основних зон екструдера.

Третій розділ присвячено розробці і дослідженню математичної моделі для оцінки якості змішування компонентів, що переробляються, екструдером з розробленим багатосекційним шнеком у процесі обробки тиском полімерної вторинної суміші методом екструзії з метою визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів процесу.

Модель роботи екструдера з багатосекційним шнеком являє собою послідовне і зв'язане за всіма параметрами математичне зображення роботи екструдера з переробки полімерних матеріалів з розрахунком питомої витрати екструдованого полімерного розплаву на виході з екструдера; тиску, що розвивається на виході з екструдера; середньої товщини смуг компонентів полімерної суміші, що переробляється, на виході з екструдера.

Для адекватного моделювання роботи екструдера з багатосекційним шнеком у якості вихідних даних використовуються такі типи параметрів: геометричні розміри секцій шнека і екструзійної головки; технологічні параметри роботи екструдера; властивості полімерної композиції, що переробляється.

Сутність математичного моделювання екструдера з багатосекційним шнеком полягає в послідовному проходженні в алгоритмі моделі за довжиною шнека і розрахунку основних характеристик його роботи з накопиченням результату або локально за координатою довжини шнека.

Як метод реалізації математичної моделі роботи екструдера з багатосекційним шнеком застосовано метод Ейлера. Відлік координати довжини шнека ведеться через фіксовані інтервали довжини. Розрахункові події в моделі вважаються завершеними в момент закінчення цього інтервалу.

Математична модель є циклом за незалежною координатою l, вихід з якого відбувається у випадку збігу поточної координати з довжиною шнека.

Наприкінці кожного кроку циклу i відбувається нарощування параметрів моделювання i, Li[i] і залежних геометричних розмірів секцій від координати довжини шнека (в основному глибини каналу hi) за такими залежностями:

; (8)

; (9)

. (10)

де Li[і-1] – довжина шнека в поточному кроці циклу, мм;

Li[i] – довжина шнека на наступному кроці циклу, мм;

h1, h2 – глибина каналу на початку і наприкінці секції, мм;

l – довжина секції, мм.

Математичним моделюванням отримано епюри лінійних швидкостей і швидкостей зрушення по секціях екструдера. На рис. 3 зображені епюри лінійної швидкості і швидкості зрушення в бар'єрному зазорі, де розплав піддається найбільшим деформаціям зрушення, а отже і змішувальному впливу. На підставі аналізу відносного внеску секцій у процес змішування визначено, що найкраще змішування досягається в бар'єрній секції, а екструдер із багатосекційним шнеком можна використовувати, успішно поєднуючи в ньому дві стадії: змішувальну й основну обробку.

l, мм

l, мм

Рис. 3. Епюри лінійних швидкостей і швидкостей зрушення в бар'єрному зазорі

l, мм

l, мм

Методом математичного моделювання визначено залежності впливу конструктивних параметрів: ширини бар'єрного витка уздовж осі шнека (eb), зазору між поверхнею бар'єрного витка і циліндром екструдера (zb), а також технологічних параметрів переробки: частоти обертання шнека (nш) і тиску в екструзійній голівці (Рг) на якість змішування; раціональні значення цих величин.

Четвертий розділ присвячено експериментальному підтвердженню адекватності проведених теоретичних досліджень шляхом експериментальних досліджень на фізичній моделі і виробничих випробуваннях розробленого багатосекційного шнека.

Розроблено фізичну модель процесу екструзії багатокомпонентних сумішей з використанням бар'єрної секції для перевірки адекватності математичного моделювання, визначення раціональних геометричних параметрів змішувальної секції і технологічних параметрів переробки шляхом використання прозорого матеріального циліндра, шнека, що легко піддається додатковій точній обробці, в'язкої модельної рідини з твердим ключовим компонентом, набором контролюючих датчиків і регулюючих виконавчих механізмів. Оскільки модельна суміш є в’язкою рідиною з твердим компонентом, то як показник якості змішування використаний коефіцієнт неоднорідності Vc.

Експериментальні дані, отримані на фізичній моделі, оброблені методами математичної статистики.

За скорегованими експериментальними даними визначені раціональні значення геометричних параметрів бар'єрної секції: ширина гребеня бар'єрного витка еб = 4 мм і значення бар'єрного зазора zб = 0,2 мм, розміри яких відповідають результатам математичного моделювання з довірчою імовірністю Р=0,95.

Експериментально одержано залежності коефіцієнта неоднорідності модельної суміші (Vc) від технологічних параметрів екструзійної переробки: частоти обертання шнека (nш) і тиску в екструзійній головці (Рг). Значення частоти обертання шнека змінювалося шляхом корегування напруги завдання в якірному ланцюзі двигуна, а величина тиску в головці – вентилем. Характер отриманих залежностей Vc=f(nш) і Vc=f(Рг) відповідає результатам математичного моделювання з довірчою імовірністю Р=0,95.

У такий спосіб на підставі фізичного моделювання визначено раціональні конструктивні параметри бар'єрної секції і технологічні параметри переробки, а також підтверджено адекватність математичної моделі. Отримані результати використовуємо в процесі промислових випробувань і виготовлення багатосекційного шнека.

Якість змішування компонентів при переробці комбінованих полімерних матеріалів і полімерних сумішей безпосередньо визначає якість виробів, що виготовляються, особливо їхні механічні властивості.

Метою промислових випробувань є порівняння якості виробів, виготовлених з використанням класичного шнека і розробленої багатосекційної конструкції, а також оцінка впливу основних технологічних параметрів роботи екструзійного устаткування на якість виробів.

Методика проведення промислових випробувань включає такі етапи: виготовлення експериментальних зразків виробів з використанням класичної і багатосекційної конструкцій шнека; добір зразків матеріалу з отриманих виробів і проведення лабораторних випробувань з визначення їхніх механічних властивостей; якісна оцінка експериментальних даних методами математичної статистики.

Актуальною практичною задачею є прогнозування механічних властивостей одержуваних екструдатів, а саме в нашому випадку межі міцності при розтягуванні в подовжньому (у1) і поперечному (у2) напрямку. У виробничих умовах, коли переробка здійснюється на екструдерах визначеної конструкції зі строго заданою полімерною сировиною, основними аргументам такої функції виступають технологічні параметри: тиск у екструзійній головці Рг і частота обертання шнека nш, а також якісний склад суміші, що переробляється: процентний вміст у суміші вторинної полімерної сировини евп:

; (11)

. (12)

Методом найменших квадратів знайдені лінійні коефіцієнти цих залежностей, перевірка однорідності дисперсій досліджень виконувалися критерієм Кохрена при рівні значимості q=0,05, а оцінка адекватності рівнянь критерієм Фішера при рівні значимості q=0,05.

Для демонстрації безпосереднього зв'язку межі міцності зразків екструдатів з показниками якості змішування компонентів при переробці багатокомпонентних систем і адекватності результатів, отриманих різними способами, наводяться спільні графіки залежностей межі міцності у (рівняння регресії за результатами промислових випробувань), товщини смуг компонентів r (математичне моделювання) і коефіцієнта однорідності суміші Vc (фізичне моделювання) від тиску, що розвивається в екструзійній головці Рг (рис. 4).

Рис. 4. Графіки залежностей якості виробів від тиску в екструзійній головці: ····················· – r, мм; - - - - - - - - - - – Vc, %; _____________________ – у, МПа

З наведених графіків видно, що з поліпшенням якості змішування компонентів, що кількісно виражається в зменшенні показників r і Vc, значно збільшується межа міцності при розтягуванні у, одержуваних виробів.

Порівнюючи класичний конічний шнек і розроблений багатосекційний, переконуємося що при використанні багатосекційного шнека межа міцності екструдатів при розтягуванні в подовжньому напрямку (у1) збільшилася в 2,27 раз, а в поперечному напрямку - у 2,41 раза.

Навпаки, для однакової прогнозованої межі міцності при поперечному розтягуванні з використанням багатосекційного шнека можна використовувати в структурі суміші на 28 % більше відходів у порівнянні з конічним шнеком, що забезпечить економію первинної сировини і утилізацію відходів з одержанням нових якісних виробів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача удосконалення конструкції екструзійного обладнання і технології переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів з використанням багатосекційного шнека, що забезпечує підвищення його продуктивності і поліпшення якості виробів, що виготовляються.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у такому:

1. На підставі аналізу властивостей вторинної комбінованої полімерної сировини і якісного аналізу роботи екструзійного обладнання розроблена функціональна багатосекційна схема екструзійного обладнання з переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів, що відрізняється наявністю бар'єрної секції після конічної зони живлення виконанням дозуючої зони з конічної і циліндричної секцій, розташованих після секції декомпресії. Розроблена схема забезпечує ефективність роботи бар'єрної секції і стабільність тиску, генерованого в зоні дозування.

2. Шляхом спільного розв’язку рівнянь, що виражають закони збереження маси, енергії і кількості руху при ламінарній течії, з рівняннями, що описують фізичний стан полімерної маси у формі в’язкотекучої рідини, отримано методику розрахунку значення тиску, питомої витрати і якості змішування компонентів для кожної секції шнека і екструдера у цілому з метою раціонального проектування конструкції й оцінки її ефективності.

3. На підставі методики розрахунку значення тиску, питомої витрати і неоднорідності в’язкотекучої полімерної суміші реалізовано математичну модель роботи екструдера з багатосекційним шнеком з переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів, за результатами дослідження якої визначений діапазон раціональних значень частоти обертання шнека екструдера, що становить 1,13-1,92 с-1 і забезпечує значення товщини смуг компонентів r=0,0007-0,0004 мм. Ширина діапазону робочих частот для розробленого шнека в 4,4 раз більше, а мінімальна товщина смуг у 4,3 раза менше, ніж у розглянутого прототипу. Розроблена багатосекційна конструкція дозволяє підвищити продуктивність технологічного процесу екструзійної переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів у 4,8 раза і поширити гнучкість переналагодження обладнання на інші вторинні вироби.

4. На підставі результатів дослідження задач екструдера з переробки полімерних сумішей із вторинною сировиною та математичного моделювання розроблена п’ятисекційна конструкція шнека, що забезпечує рівномірне плавлення компонентів суміші, гомогенне змішування, видалення з розплаву летких з'єднань і створення на виході розплавленого полімерного потоку зі стабілізованим тиском і продуктивністю. Раціональним діапазоном ширини бар'єрного витка є значення ев=4-6 мм із товщиною смуг компонентів r=0,00173-0,00112 мм.

5. На підставі промислових випробувань зразків екструдатів, отриманих з використанням розробленого багатосеційного шнека та односекційного конічного, визначено, що межа міцності при розтягуванні зразків, отриманих з використанням багатосекційного шнека, у подовжньому напрямку збільшилася в 2,27 раза, а в поперечному - у 2,41 раза, у порівнянні зі зразками, виготовленими на екструзійному обладнанні з односекційним конічним шнеком. Відтворюваність експерименту підтверджується критерієм Кохрена при рівні значимості q=0,05, адекватність математичного опису дослідним даним підтверджується критерієм Фішера при рівні значимості q=0,05. Таким чином, при впровадженні розробленого багатосекційного шнека в технологічний процес екструзійної переробки вторинної комбінованої полімерної сировини зростає якість вторинних виробів, що виготовляються, на 23,6 %.

6. Упровадження результатів роботи в промисловості дозволило підтвердити об'єктивність проведених досліджень й одержати економічний ефект у сумі 70,3 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Колесников А.В. Методы контроля давления в технологическом процессе соэкструзии полимеров. // Труды VIII Международной научно-практической конференции “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, г. Чернигов, 23-27 октября 2000 г.,- Киев.: “ФАДА, ЛТД”, 2000, стр. 360-364.

2. Локотош Б.Н., Леваничев В.В., Колесников А.В. Оптимизация технологических параметров процесса соэкструзии полимеров. // Труды VIII Международной научно-практической конференции “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, г. Чернигов, 23-27 октября 2000 г.,- Киев.: “ФАДА, ЛТД”, 2000, стр. 107-110.

3. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Колесников А.В. Методы расчета и конструирования деталей и узлов соэкструзионных машин. // Труды IX Международной научно-практической конференции “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, г. Черновцы, 12-15 июля 2001г.,- Киев.: “ФАДА, ЛТД”, 2001, стр. 107-110.

4. В.В. Дядичев, А.В. Колесников Методы и способы конструктивного оформления и расчета машин по переработке полимерных материалов. // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. – 2002. – № 4 (50). – С. 51-54.

5. Колесников А. В. Анализ способов утилизации композиционных полимерных отходов. // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля. - 2002. - с. 305-309.

6. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Колесников А.В. Методика расчета при проектировании машин по утилизации отходов полимерных материалов способом соэкструзии // Збірник наукових праць XII Международной научно-практической конференции “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, - Киев.: “ФАДА, ЛТД”, 2002, с.56-60.

7. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Колесников А.В. Определение рациональных конструктивных параметров экструзионной установки по утилизации комбинированных полимерных отходов методом моделирования // Збірник наукових праць XIII Международной научно-практической конференции “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, г. Днепропетровск, - Киев.: “ФАДА, ЛТД”, 2003, с.329-333.

8. Колесников А.В. Синтез наилучшего способа утилизации композиционных полимерных отходов // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. – 2002. - № 11(57). – С. 116-120.

9. Локотош Б.Н., Дядичев В.В, Колесников А.В. Методика расчета зоны плавления при экструзионной переработке отходов композиционных полимерных материалов. // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. – 2003. – № 6 (64) . – С. 161-165.

10. Колесников А.В. Разработка рационального метода вторичной переработки отходов композиционных полимерных материалов. // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. В 2-х ч. Ч. 2 - Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля. - 2003. – с. 85-89.

11. Колесников А.В. Методика моделирования работы экструзионной установки по утилизации комбинированных полимерных отходов. // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. – 2004. – № 2 (72) . – с. 107-110.

12. Колесников А.В. Адекватность модели расчета перепада давления в экструзионных установках по утилизации комбинированных полимерных отходов. // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. – 2003. – № 10 (68). Ч. 2 – с. 183-186.

13. Заявка на патент 20040806998 МПК 7 В29С47/00. Екструдер для переробки термопластів / В.В. Дядичев, А.В. Колєсніков; Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (Україна). – Дата подання в УКРПАТЕНТ 21.08.2004. – 4 с.; Висновок про видачу деклараційного патенту від 11.01.2005, № 170/1.

КОНКРЕТНИЙ ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК У ПРАЦІ,

ОПУБЛІКОВАНІ ІЗ СПІВАВТОРАМИ:

[1] – здобувачем розроблено методику непрямого контролю значення тиску екструдуванния в процесі екструзійної переробки полімерів;

[2] – здобувачем розроблено спосіб оптимізації технологічних параметрів екструзійної переробки полімерів на підставі методу лінійного програмування;

[3] – здобувачем проведено дослідження і зроблено аналіз методів розрахунку і конструювання деталей і вузлів екструзійних машин;

[4] – здобувачем розроблено методику розрахунку зони живлення ексрудера для переробки вторинної полімерної сировини;

[6] – здобувачем розроблено методику розрахунку двосекційної зони дозування екструдера з переробки вторинної полімерної сировини;

[7] – здобувачем проведено дослідження роботи математичної моделі процесу екструзійної переробки вторинної комбінованої полімерної сировини;

[9] – здобувачем розроблено розрахункову схему температурного поля в каналі зони живлення екструдера і визначення її довжини методом моделювання;

[13] – здобувачем розроблено конструкцію екструдера з п’ятисекційним шнеком для переробки вторинної комбінованої полімерної сировини

АНОТАЦІЯ

Колєсніков А.В. Удосконалення екструзійного обладнання з багатосекційним шнеком та технології переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2005.

Дисертацію присвячено вирішенню науково-технічної задачі удосконалення конструкції екструзійного обладнання та технології переробки вторинних комбінованих полімерних матеріалів з використанням багатосекційного шнека, що забезпечує підвищення його продуктивності і поліпшення якості вторинних виробів. Розроблено конструкцію багатосекційного шнека для переробки полімерних сумішей, що містять вторинну комбіновану сировину, методом екструзійного формувания. Шнек забезпечує рівномірне плавлення компонентів суміші, гомогенне змішування, видалення з розплаву летких з'єднань і створення на виході розплавленого полімерного потоку зі стабілізованими тиском і продуктивністю.

Ключові слова: комбінований полімерний матеріал, вторинна суміш, екструзійне формування, екструдер, багатосекційний шнек, бар'єрна секція, товщина смуг, швидкість зрушення, зрушуюча деформація, математична модель, коефіцієнт неоднорідності, межа міцності при розтягуванні.

АННОТАЦИЯ

Колесников А.В. Совершенствование экструзионного оборудования с многосекционным шнеком и технологии переработки вторичных комбинированных полимерных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2005.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи совершенствования конструкции экструзионного оборудования для переработки вторичных комбинированных полимерных материалов с использованием многосекционного шнека, что обеспечивает повышение его производительности и улучшение качества изготавливаемых изделий. Разработана конструкция многосекционного шнека для переработке полимерных смесей, содержащих вторичное комбинированное сырье, методом экструзионного формования. Шнек обеспечивает равномерное плавление компонентов смеси, гомогенное смешивание, удаление из расплава летучих соединений и создание на выходе расплавленного полимерного потока со стабилизированными давлением и производительностью.

Путем совместного решения уравнений, которые выражают законы сохранения массы, энергии и количества движения при ламинарном течении, с уравнениями, описывающими физическое состояние полимерной массы в форме перекачиваемой вязкотекучей жидкости, получены математические зависимости расчета величины давления, удельного расхода и качества смешения компонентов для каждой секции шнека и экструдера в целом с целью рационального проектирования конструкции и оценки ее эффективности.

Разработана математическая модель работы экструдера с многосекционным шнеком с целью анализа его параметров работы и разработки новых конструкций шнеков экструдеров путем последовательного моделирования его отдельных секций с постоянным шагом по длине экструдера.

Произведены экспериментальные исследования на физической модели и промышленном оборудовании, подтверждающие адекватность математической модели и определяющие связь качества смешения компонентов вторичной полимерной смеси с пределом прочности, получаемых изделий.

Результаты работы внедрены на заводе бытовой химии “ДОННА” (г. Луганск) и ЧП “Универсал” (г. Луганск).

Ключевые слова: комбинированный полимерный материал, вторичная смесь, экструзионное формование, экструдер, многосекционный шнек, барьерная секция, толщина полос, скорость сдвига, сдвиговая деформация, математическая модель, коэффициент неоднородности, предел прочности при растяжении.

ABSTRACT

Kolesnikov A.V. Perfection of the extrusion equipment with the use of multisection worm and the technology for processing of the second combined polymeric materials. - Manuscript.

The thesis presented for a degree of Candidate of Technical Sciences on the specialty 05.03.05 - Plastic metal working processes and machines – East-Ukrainian National University n.a. V.Dal, Lugansk, 2005.

The dissertation is devoted to the decision of scientific and technical problem of construction and technology planning for processing of the second combined polymeric materials and polymeric mixtures including wastes, by the method of extrusion with the use of multisection worm, that allows to get new high-quality wares and provide the decline of the level of environment contamination. Construction of multisection worm is developed for processing of polymeric mixtures containing the second combined raw material, by the method of the extrusion shaping. The worm provides the even melting of mixture components, homogeneous mixing, delete from fusion of volatile connections and creation on the output of molten polymeric stream with stabilized pressure and productivity.

Keywords: combined polymeric material, second mixture, extrusion shaping, extruder, multisection worm, barrier section, thickness of bars, speed of change, changing deformation, mathematical model, coefficient of heterogeneity, tensile strength at tension.

Автореферат

УДОСКОНАЛЕННЯ ЕКСТРУЗІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ З БАГАТОСЕКЦІЙНИМ ШНЕКОМ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕРОБКИ ВТОРИННИХ КОМБІНОВАНИХ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ

Колєсніков Андрій Валерійович

Підписано до друку 19.01.05. Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times. Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1. Тираж 100 прим. Вид. № 930. Замов. №

Дільниця оперативної поліграфії

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а

Адреса видавництва: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а

Телефон: 8 (0642) 41-34-12. Факс: 8 (0642) 41-31-60

E-mail: uni@snu.edu.ua

http://www.snu.edu.ua