НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

На правах рукопису

СОКОЛЬСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 66-933.6.011:678.542

РОЗРОБЛЕННЯ ПЛОСКОЩІЛИННИХ ГОЛОВОК ДЛЯ ЕКСТРУЗІЙНОГО ФОРМУВАННЯ ЛИСТОВИХ ТА ПЛІВКОВИХ ВИРОБІВ ІЗ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИЦІЙ

Спеціальність 05.05.13 - машини та апарати хімічних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України на кафедрі хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, професор

Сівецький Володимир Іванович,

Національни технічний університет України "Київський політехнічний інститут",

кафедра хімічного, полімерного та силікатного машинобудування,

професор

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Пєтухов Аркадій Дем’янович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,

кафедра хімічної технології компози-ційних матеріалів,

професор

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Ануфрієв Валерій Олександрович,

Український науково-дослідний і конструкторський інститут по розробці машин для переробки пластичних мас, гуми і штучної шкіри Міністерства промислової політики, м. Київ,

директор

Провідна установа: | Інститут газу Національної академії наук України

Захист відбудеться "18" _квітня__ 2005 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 21, ауд 212.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано "16" _березня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор |

В. Я. Круглицька

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для розвитку виробництва iмпортозамiнної продукції та поліпшення стану водного середовища актуальними є розробка та впровадження технології та обладнання для виробництва вітчизняних мікропористих полімерних матеріалів. Отримання якісних за своїми мікро- та макроструктурою листових та плівкових фільтруючих матеріалів і визначення необхідних технологічних параметрів процесу й конструктивних параметрів обладнання майже неможливе без попереднього моделювання процесів приготування та формування полімерних композицій.

Найбільше поширення і перспективу при дослідженні складних гідродинамічних і теплових процесів дістають системи, побудовані на математичній базі методів скінченних елементів і контрольних об'ємів. У той же час розплави композицій, з яких формують мікропористі полімерні матеріали (МПМ), можуть мати властивості, змінні як в просторі, так і в часі, що ускладнює моделювання процесів їх приготування та формування виробів з них і унеможливлює чисто аналітичне розглядання цих процесів.

Тому актуальним є розроблення методики проектного розрахунку формуючих каналів з використанням наближених аналітичних моделей з подальшим уточненням заданих параметрів чисельними методами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з держбюджетними темами №2221, 2000 р. “Дослідження енергоресурсозаощаджуючої технології та засобів формування виробів із композиційних матеріалів”, № держреєстрації 0100U000895, №2222, 2000 р. “Розроблення теоретичних засад і алгоритмізації детермінованих математич-них моделей формування реологічно складних середовищ”, № держреєстрації 0103U000206, та №2759 “Дослідження процесів екструзійного формування виробів з полімерних композиційних матеріалів з застосуванням методів комп’ютерного моделювання”, № держреєстрації 0104U000344.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка нових методів розрахунку і конструювання формуючого обладнання для виготовлення плоских листових та плівкових виробів з термонестабільних полімерорганічних композицій (ПОК) та інших полімерних матеріалів.

У відповідності з метою поставлено такі задачі:

- розробити математичну модель, що допускає аналітичне розв’язання, для профілювання формуючих каналів плоскощілинних екструзійних головок, яка враховує залежність реологічних параметрів полімерів та термонестабільних ПОК від форми каналів, часу перебування розплаву в них, температурних, деформаційних та інших параметрів процесу формування;

- розробити математичну модель процесу переробки і формування неньютонівських рідин в каналах складної конфігурації для розв’язання її методом скінченних елементів, яка дозволить здійснювати граничний перехід від нестисливої до обмежено стисливої рідини;

- створити алгоритми та програмне забезпечення для реалізації математичних моделей;

- розробити склад композиції для формування мікропористих полімерних матеріалів з розплаву;

- розробити експериментальне обладнання та методики для дослідження процесів змішування, формування та перевірки адекватності математичних моделей;

- провести експериментальні та чисельні дослідження впливу конструктивних та технологічних параметрів процесу формування ПОК, встановити допустимі діапазони їх зміни за умови забезпечення рівномірності виходу розплаву по ширині головки;

- розробити методику автоматизованого профілювання плоскощілинної екструзійної головки для реалізації процесу формування плівок і листів з полімерів та композицій на їх основі.

Об’єктом дослідження є процес екструзійного формування плоских листів та плівок з ПОК.

Предметом дослідження є плоскощілинні екструзійні головки для формування виробів з полімерорганічних композиційних матеріалів.

Методи дослідження. Поставлені в роботі задачі вирішувались на основі сучасних методів чисельного моделювання з використанням положень теорії суцільного середовища, ітераційних підходів та методу скінченних елементів на базі експериментально визначених реологічних та теплофізичних властивостей ПОК та їх органічних компонентів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено варіант моментної схеми універсальної змішаної 9-точкової скінченноелементної математичної моделі, що дозволяє здійснювати автоматизований чисельний розрахунок параметрів течії розплавів полімерів та композицій на їх основі в формуючих каналах полімерного устаткування. При цьому геометрія робочої області може бути довільною і задаватися в тривимірній криволінійній неортогональній системі координат. Розроблена модель дає можливість відображати в результатах розрахунків вплив локальних змін технологічних параметрів, а також реологічних властивостей перероблювальних матеріалів і дозволяє ефективно розраховувати параметри течії слабостисливої рідини як граничного стану стисливої;

- розроблено математичну модель плоскощілинних головок з постійною геометрією та змінною формою колектора з урахуванням зміни реологічних властивостей в різних перерізах як для розплаву чистого полімеру, так і для термонестабільних ПОК, яка дозволяє розраховувати потрібну геометрію переднього фронту колектору. Розроблено конструкцію плоскощілинної головки з регульованою геометрією переднього фронту колектору;

- проведено чисельні експерименти, в ході яких встановлена адекватність обраних наближеної аналітичної та скінченноелементної моделей. Встановле-но межі використання аналітичної моделі, відпрацьована оптимальна методика задавання вихідних параметрів для скіченноелементної моделі. Встановлені межі використання ізотермічного припущення для течії розплаву полімеру в щілинних каналах;

- обґрунтовано вибір компонентів композиції для отримання мікропорис-того полімерного матеріалу з розплаву. Встановлено реологічні та техноло-гічні властивості композиції та її компонентів в залежності від деформаційно-напруженого стану та часу перебування під дією технологічних факторів;

- проведено експериментальні та чисельні дослідження конструктивних та технологічних параметрів формування за аналітичною методикою з викорис-танням розробленої експериментальної плоскощілинної головки зі змінною геометрією. Встановлені допустимі діапазони зміни базових геометричних параметрів формуючих каналів головки. Досліджено вплив технологічних параметрів та рецептури композиції на профіль каналів головки зі змінною геометрією за умови забезпечення рівномірності виходу розплаву по ширині формуючої щілини.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено конструкцію плоскощілинної екструзійної головки, яка дозволяє змінювати геометричні параметри по ширині формуючої щілини за рахунок змінювання форми перерізу колектора та довжини перехідного щілинного каналу, що дає можливість розширити діапазон використання головки (патенти України № К, 2003, та № А, 2003);

- розроблено методику автоматизованого профілювання плоскощілинної головки зі змінною геометрією, що дає змогу використання такого типу головок для формування виробів з полімерів та композицій на їх основі;

- проведено чисельні дослідження промислового зразка плоскощілинної головки, та прогнозування змінювання параметрів течії розплаву від технологічних параметрів;

- розроблено конструкцію ротаційного віскозиметра для дослідження реологічних параметрів в’язких рідин, у тому числі залежних від часу;

- розроблено конструкції екструзійних та змішувальних пристроїв (патенти України № А,1998, № А, 2001);

- розроблено склад композиції для виготовлення мікропористого полімерного матеріалу з розплаву (патент України № А, 1998) та спосіб отримання композиційної мембрани (патент України № А, 2000);

- науково-технічні результати дисертаційної роботи впроваджено в промислових зразках плоскощілинної екструзійної головки, виготовлених НВП “Пластотехніка” (м. Київ).

Особистий внесок здобувача. Автору належить розробка аналітичної математичної моделі профілювання плоскощілинної головки, розробка варіанту моментної схеми універсальної змішаної 9-точкової скінченноелементної моделі, розробка складу ПОК, розроблення конструкцій плоскощілинної головки зі змінною геометрією та експериментальних установок, методик розрахунків та проведення натурних досліджень і чисельних експериментів, впровадження результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. проводилась на таких конференціях і семінарах.

Научно-технічній конференції “Гидромеханика в инженерной практике” (Київ, 1996); 9-й міжнародній конференції “Усовершенствование процессов и аппаратов химических, пищевых и нефтехимических производств” (Одеса, 1996); IX міжнародній конференції молодих учених “Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений” (Казань,1998); 21 міжнародній науково-практичній конференції “Композиционные материалы в промышленности”(Ялта, 2001); 22 міжнародній науково-практичній конференції “Композиционные материалы в промышленности”(Ялта, 2002); Семінар “Индустрия тары и упаковки” (Киев, 2002); 23 міжнародній науково-практичній конференції “Композиционные материалы в промышленности”(Ялта, 2003); ХХ-й міжнародній конференції "Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов" (Санкт-Петербург, 2003); Семінар “Индустрия тары и упаковки” (Киев, 2004); 24 міжнародній науково-практичній конференції “Композиционные материалы в промышленности” (Ялта, 2004).

Публікації. За темою роботи опубліковано 18 друкованих праць в українських та міжнародних фахових виданнях, в тому числі 4 статті в ВАКівських журналах та збірниках наукових праць і доповідей на наукових конференціях, 1 стаття в збірнику доповідей міжнародної наукової конференції, 4 патенти України на винахід, 9 тез доповідей на наукових конференціях.

Обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Загальний обсяг роботи складає 174 сторінки. Крім основного тексту, що представлено на 151 сторінці, дисертація містить 84 рисунки, 2 таблиці, список використаних джерел із 122 найменувань на 11 сторінках, 3 додатки на 11 сторінках.

Автор висловлює подяку д.т.н., проф. Сахарову О.С. за надання консультативної допомоги при роботі над дисертацією.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету досліджень, визначено основні завдання і методи їх розв’язання, викладені наукова новизна та практичне значення результатів роботи. Наведено інформацію про апробацію отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналітичний огляд методів отримання МПМ та виробів з них і обґрунтовано переваги їх виготовлення з розплаву полімерорганічних композицій.

Проведено огляд конструкцій плоскощілинних екструзійних головок для формування листових та плівкових виробів. Він показав, що розглянуті конструкції плоскощілинних головок потребують вдосконалення, оскільки не є універсальними, а розраховані на конкретні технологічні режими та перероблювальні матеріали, а існуючі пристрої для балансування потоку обмежені за своїми можливостями.

Огляд математичних моделей розрахунку плоскощілинних головок, проведений на основі робіт таких відомих вчених та інженерів, як З. Тадмор, Е. Бернхард, В.С.Кім, О.М.Яхно, Р.Г.Мірзоєв, Ю.А.Жданов, Д.Д. Рябінін, Р.В.Торнер, В.А.Ануфрієв та інші, показав, що існуючі моделі взаємозалежність між формою перерізів каналів та реологічними параметрами враховують лише в першому наближенні. За суттєвої відмінності форми перерізу каналів від найпростішої такі методи можуть обумовлювати значні похибки у визначення основних параметрів. Аналітичні моделі в ряді випадків показують прийнятні результати, але не можуть врахувати тривимірність та локальні зміни реологічних властивостей розплавів, які можуть суттєво впливати на реальну картину течії. Окрім того, розплави полімерних композицій можуть мати властивості, змінні як в просторі, так і в часі, що унеможливлює їх чисто аналітичне розглядання. Все це утруднює точне рішення.

Підвищеній точності розрахунку в умовах формуючих головок складної конфігурації сприяє використання методу скінченних елементів (МСЕ). Він здатен практично зняти принципові обмеження на складність форми і підвищити ефективність розрахунків, якщо застосовуються криволінійні скінченні елементи (СЕ) та неортогональні координати. Ефективність МСЕ підвищується, якщо для розрахункових фізичних залежностей вдається використати варіаційний принцип. Моментна схема МСЕ також зменшує трудомісткість розв’язання задач. Методи застосування варіаційного принципу та моментної схеми для розрахунку нестисливих та слабостисливих рідких середовищ поки що розроблені недостатньо.

Проведений огляд методів отримання МПМ показав необхідність розроблення нового апаратурного та технологічного оформлення процесів виготовлення листових матеріалів з розплаву ПОК, для чого необхідним є розроблення вточненої аналітичної моделі розрахунку профілів каналів та методики її поєднання з ефективною чисельною моделлю течії неньютонівських рідин в каналах змішуючого та формуючого обладнання.

У другому розділі викладено методику вточненого проектування форми каналів плоскощілинної головки з полімерних композицій, в тому числі термонестабільних. Вона включає стадії попереднього проектування, перевірного гідродинамічного розрахунку за методом скінченних елементів та корекцію форм до досягнення заданої рівнотовщинності.

Попереднє проектування базується на математичній моделі, в якій відображена зміна реологічних властивостей матеріалу в різних перетинах головки шляхом використання ітераційної процедури розрахунку. Реологічний закон описується степеневою залежністю на невеликих відрізках експериментальних кривих течії.

Для композицій, що розглядаються, і переробки тонких листів та плівок прийнято ізотермічне наближення. Витрата рідини у колекторі не є постійною по довжині, оскільки останній має змінну геометрію, а також відбувається витік рідини у щілину. Для спрощення моделі використано метод східчастої апроксимації (рис. 1). Геометричні та фізичні параметри в кожній ділянці вважаємо постійними і такими, що змінюються скачкоподібно при переході до наступної ділянки.

З умови рівності швидкостей зсуву та витрат розплаву по ширині головки визначається залежність для радіуса колектора:

, (1)

де R0 – радіус на краю колектора,

z – відстань від краю.

Це дає можливість встановити залежність зміни довжини щілини по ширині головки:

Рис. 1. Схема розташування системи відліку в каналах головки

, (2)

де Q – витрата; RB – радіус колектора на вході; Н – висота щілини; W – напівширина щілини, n та m – реологічні константи в колекторі та щілині на поточній відстані z від краю.

В дисертаційній роботі наведено також варіанти проектного розрахунку каналів головки для переробки термонестабільних композицій, і конструкції, в якій плоский канал послідовно складається з декількох щілин.

Для проведення перевірного гідродинамічного розрахунку методом скінченних елементів основні фізичні рівняння математичної моделі представлені в тензорному вигляді.

Рівняння стаціонарної течії нестисливого в’язкого середовища застосовано без урахування сил інерції, оскільки сили інерції зневажливо малі в порівнянні з силами в’язкості (Re << 1):

, (3)

де – тензор напружень.

Тензор напружень виглядає наступним чином:

, (4)

де – тензор в’язких напружень; – кульовий тензор.

Тензор швидкостей деформацій, як і тензор напружень, подається у вигляді суми девіатора тензора швидкостей деформацій і кульового тензора швидкостей деформацій :

. (5)

Вираз для девіатора тензора швидкостей деформацій та для кульового тензора швидкостей деформацій :

, (6)

, (7)

де – метричний тензор.

При чисельній реалізації розв’язку вказаної системи рівнянь у швидкостях виникають ускладнення з точним задоволенням умови нестисливості. Тому в роботі нестисливе середовище представляється як граничний стан в’язкостисливого середовища. Виходячи з цього, можна записати вираз для кульового тензора напружень у вигляді:

, (8)

де - коефіцієнт об'ємної в'язкості; для нестисливого середовища.

Підставляючи рівняння (7) у (8), отримуємо:

. (9)

Отже, ми відобразили швидкості через гідростатичний тиск і в такий спосіб виключили одну невідому. Таким чином:

, (10)

або

. (11)

Для розв’язання методом скінченних елементів перепишемо отримані рівняння в матричному вигляді:

, (12)

де [K] – матриця в’язкості; {U}, {P}, {Q} – вектори вузлових швидкостей, тиску та навантажень відповідно.

Розв’язання системи диференційних рівнянь відносно функцій швидкостей переміщень точок тіла виконується методом скінченних елементів на базі криволінійних шестигранних скінченних елементів з полілінійним розподілом швидкостей. В даній роботі використана запропонована О.С. Сахаровим моментна схема МСЕ, яка дозволяє звільнитись від негативних властивостей традиційних елементів шляхом поєднання варіаційного методу з методом моментів.

Вектори швидкості переміщень точок розглядаються як полілінійні функції локальних координат x1’ , x2’ , x3’:

, (13)

де ? матриця функцій форми; {U} – вектор вузлових швидкостей СЕ.

Для знаходження матриці в’язкості СЕ використовуємо варіаційний метод.

Представимо потужність роботи внутрішніх сил як суму

,

де ? – множник Лагранжа, який чисельно дорівнює середньому гідростатичному напруженню СЕ.

Тоді маємо:

де ; – змішана матриця в’язкості-піддатливості.

На основі симетричної матриці формується система рівнянь змішаного МСЕ, яка враховує нестисливість матеріалу. Але, якщо при складанні рівнянь виключити з розгляду рівняння, що включають варіації тиску, то система рівнянь змішаного МСЕ перетвориться в систему рівнянь методу переміщень для стисливого матеріалу. Звідси витікає, що отриманий СЕ є універсальним, придатним для моделювання поведінки як стисливих, так і нестисливих середовищ. Альтернативний варіант базується на співвідношеннях МСЕ для стисливого матеріалу з граничним переходом ? = л/м > ?. ?к показали чисельні експерименти, розрахунок нестисливих тіл на основі слабостисливої моделі забезпечує необхідну точність.

Розроблена методика поєднує наближену аналітичну та вточнену скінченноелементну моделі, дозволяє здійснювати проектний розрахунок конфігурації каналів плоскощілинних екструзійних головок для формуван-ня виробів з полімерних матеріалів та термонестабільних композицій на їх основі з врахуванням залежності реологічних властивостей від часу та зміни швидкості зсуву на різних ділянках. Використання розробленої моделі дає змогу коригувати технологічні режими та конфігурацію каналів в чисельних експериментах, досягаючи рівномірності витрати розплаву по ширині вихідної щілини та оптимізуючи інші задані параметри.

У третьому розділі описано експериментальні установки, методики експериментальних та чисельних досліджень, оцінки їх достовірності.

Для проведення експерименту з дослідження процесу екструзії через канал плоскощілинної головки використовувався черв’ячно-пластикаційний вузол машини для лиття під тиском Д3127-63. Для дослідження процесу екструзії полімерної стрічки черв’ячно-пластикаційний вузол замість сопла був дооснащений експериментальною колекторною плоскощілинною головкою зі змінними вкладишами, які дозволяють змінювати форму колектора, довжину та товщину вихідної щілини.

Дослідження процесів змішування та в’язкості ПОК та їх компонентів з урахуванням змінювання їх властивостей у часі проводились в розробленому лабораторно-дослідному дисковому змішувальному пристрої, який дає можливість реалізувати різні схеми ротаційних віскозиметрів: площина-площина, конус-площина, циліндр-циліндр або їх комбінації. Співвідношення полімеру i наповнювача становило від 50 : 50 до 30 : 70% по об’єму. У процесі досліджень вивчався вплив на властивості композиції таких факторів, як температура, швидкість зсуву та тривалість змішування методом зміни одного з названих факторів, коли інші фіксувалися.

З метою порівняння ефективності запропонованого способу одержання композицій i МПМ із них виготовлялися також зразки, в яких порошкоподібний наповнювач змішувався з полімером за таких умов, коли він не доводився до розплавленого стану, а залишався в порошкоподібному вигляді з розміром частинок 10 мкм (порівняльна композиція). Після екстракції наповнювача зі зразків модельної і порівняльної композицій оцінювалась їх пористість, проникність та розмір i рівномірність розпо-ділення пор. Останні два параметри оцінювались мікроскопічним методом.

Результати оцінки пористості зразків МПМ наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Порiвняльнi данi пористостi МПМ

Вихідний вміст наповнювача у композиціях, % | Пористість зразків, %

модельна | порівняльна

50 | 42 | 23

60 | 56 | 35

70 | 66 | 52

У процесі досліджень виявилось, що пористість модельних зразків і рівномірність їх структури на 12...22% кращі, ніж у порівняльних.

Досліджено, що допустимий діапазон температур для отримання МПМ з прийнятними характеристиками складає 187...1950С. Найбільший можливий вміст органічного наповнювача – 75%. Найкращу структуру мали зразки, виготовлені з композицій на базі полімерів з більшим індексом розплаву.

Процеси виготовлення композиції досліджувалися на дисковому та двочерв’ячному екструзiйному обладнанні. Досліджувані композиції вимагали дотримання вузького температурного діапазону переробки – в межах 3...50С. Тому регулювання співвідношення в’язкостей відбувалося за рахунок змінювання швидкості зсуву та продуктивності. Обґрунтовано параметри технологічного процесу та вибір обладнання для виготовлення МПМ з запропонованих композицій. Базове екструзійне обладнання для досліджених композицій повинно мати високу змішувальну ефективність та забезпечувати якомога менший час перебування в ньому наповнювача для зменшення його деструкції. Одночерв’ячні екструдери для задовольняння цим вимогам повинні комплектуватись динамічними змішувальними пристроями, придатними для переробки термонестабільних матеріалів.

З метою доведення об’єктивності, вірності вибору та перевірки збіжності математичної моделі проводились експериментальні дослідження експериментального зразка плоскощілинної головки (рис. 2).

Рис. 2. Геометрична модель каналу експериментальної головки та нанесена розрахункова сітка скінченних елементів

Обґрунтованість вибору сітки та кількості ітерацій визначалась по зміні розподілу швидкостей на виході.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних та чисельних досліджень.

З метою проведення чисельних досліджень на базі розробленої скінченноелементної моделі було створено систему автоматизованого розрахунку параметрів течії розплавів полімерів в формуючих каналах полімерпереробного обладнання, інтегровану до пакету САПР “Весна”, який встиг добре зарекомендувати себе в розрахунках конструкцій.

Дослідження достовірності скінченоелементної математичної моделі руху нестисливих неньютонівських рідин у каналах складної геометрії за універсальною моделлю для стисливих та нестисливих середовищ проводилося на модельній конструкції плоскощілинної головки. Загальний час розрахунку, приведений до часу за останнім способом, показано на рис. 3.

Рис. 3. Залежність відносного часу розрахунку від способу завдання стисливості: 1 – ? = 5*104 з контролем об’ємів; 2 – ? = 5*105 з контролем об’ємів; 3 – ? = 5*106 з контролем об’ємів; 4 – точне врахування нестисливості; 5 – ? = 5*104 без контролю об’ємів; 6 – ? = 5*105 без контролю об’ємів; 7 – ? = 5*106 без контролю об’ємів

Найбільшої витрати часу на розрахунок потребував спосіб з точним врахуванням нестисливості та способи розрахунку без контролю об’ємів, особливо з меншим заданим коефіцієнтом об’ємної в’язкості. При цьому останні способи виявились найменш точними (рис. 4).

Рис. 4. Залежність розподілу витрат розплаву на виході з головки від способу завдання стисливості: 1 – ? = 5*104 з контролем об’ємів; 2 – точне врахування нестисливості;

3 – ч = 5*106 без контролю об’ємів

Способи з контролем об’ємів, що дозволяють граничний перехід до нестисливості, дають результати, які майже збігаються з результатами розрахунків з точним врахуванням нестисливості (криві 1 та 2 на рис. ), потребуючи набагато менше машинного часу, що дозволяє вважати їх пріоритетними для даного класу задач.

Для перевірки обраного методу чисельного моделювання показників течії розплаву в формуючих каналах був проведений чисельний розрахунок експериментальних головок довільної геометрії для екструзії стрічок товщиною 0,5мм та 1,5мм. Отримані графіки розподілу витрати матеріалу показали, що на краях головки потік розплаву значно більший (рис. 5, крива Qi/Qcеp), внаслідок цього стрічки мають нерівномірну товщину по ширині. Розбіг між експериментальними та розрахунковими значеннями майже непомітно в центральній зоні (перерізи 7...15) та дещо збільшується біля краю (перерізи 3...6), складаючи до 16%.

Рис. 5. Розподіл відносних витрат та товщин по ширині стрічок на виході з головки з товщиною вихідної щілини 1,5 мм

Таким чином, співставлення розрахункової та експериментальної кривих розподілу відносних витрат та швидкостей на виході з головки показує задовільну точність чисельного розрахунку.

Для перевірки адекватності розробленої методики профілювання плоскощілинних екструзійних головок була розрахована геометрія головки за допомогою розробленої програми. Після цього проведені чисельні та експериментальні дослідження головки розробленої геометрії. Аналіз отриманих результатів показав рівномірність розподілу товщин отриманої полімерної стрічки по ширині, а також добру збіжність цих даних з результатами чисельного розрахунку (рис. 6).

Рис. 6. Розподіл відносних витрат та товщин по ширині стрічки розплаву на виході з головки з товщиною вихідної щілини 1,5 мм

Найбільша нерівномірність виходу розплаву в експерименті становила 11%, у чисельному моделюванні _7%, найбільша похибка між експериментальними та розрахунковими значеннями становить 9%.

Досліджувався процес течії розплавів в розробленій конструкції плоскощілинної екструзійної головки, яка дозволяє змінювати довжину перехідної щілини по ширині за рахунок змінювання форми перерізу колектора (рис. 7).

Рис. 7. Креслення головки зі змінною формою перехідної щілини

Розроблена плоскощілинна головка складається з корпусу 1, в якому виконано колектор 2. Повзуни 3, які мають можливість руху в подовжньому напрямку, змінюють форму перехідної щілини 4 і, відповідно, переднього фронту колектора. Геометрія формуючої щілини 5, задана губками 6, при цьому залишається незмінною. Така конструкція дає можливість змінювати конфігурацію головки в більш широких, ніж у аналогів, межах, даючи можливість універсалізації головки для різних технологічних режимів і перероблюваних матеріалів.

Розроблено програму, яка дозволяє розраховувати зміну геометрії переднього фронту колектору плоскощілинної головки зі змінною геометрією за рахунок змінювання довжини перехідної щілини. На рис. 8 показана розрахована за допомогою програми зміна геометрії колектора від зміни технологічних параметрів для різних марок полімерів для головки шириною 0,6 м, висотою перехідної щілини 4 мм, вихідної щілини – 1,5 мм. На рис. 8, а-г Lmax – попередньо задана геометрія задньої кромки колектора.

Рис. 8. Залежність геометрії колектора від технологічних факторів: а – від температури для ПВХпл-1183; б – від температури для ПП04П10-01; в – від температури для ПЕВГ20606-012; г – від витрати для ПЕВГ 20906-040

Результати комп’ютерних досліджень показали, що для поліолефінів типу ПП, ПЕВГ реологічні властивості, а як наслідок і необхідна для забезпечення рівномірності витрати по ширині вихідної щілини форма каналів головки в меншій мірі залежать від температури (рис. , а-в), а основний вплив має швидкість зсуву, що дозволяє для них використовувати ізотермічну модель. Вплив продуктивності, а відповідно й швидкостей течії розплаву, для поліолефінів також невеликий, що дозволяє розширити діапазон продуктивностей при їх переробці на головках з незмінною геометрією.

Перевірку адекватності результатів розрахунку програми проводили в системі "Весна" на прикладі каналу постійної геометрії для поліпропілену ПП04П10-01 при температурі переробки 2000С. Результат дослідження розподілу в'язкостей по подовжній площині симетрії каналу головки (рис. 9) показав, що в каналі колектору в'язкість змінюється у напрямку вісі колектора, при чому зміни її невеликі (до 25%). Основні зміни в'язкості проходять в щілинних каналах, де вона на порядок менше в'язкості в колекторі. В щілині в'язкість падає паралельно вихідному краю рівномірно по ширині каналу, що свідчить про рівномірність виходу екструдату.

Рис. 9. Розподіл в'язкостей в каналах головки в горизонтальній площині

Адекватність ізотермічного припущення для випадку переробки поліолефінів перевірялась чисельним розрахунком в системі “Весна” для попередніх конфігурації головки та технологічного режиму, але з урахуванням дисипації. На краю колектора в даному випадку дисипативний розігрів сягає порядка 40С, а на краю вихідної щілини - 70С. Вплив дисипативного розігріву на розподіл швидкостей розплаву на виході з головки представлено на рис. 10.

Рис. 10. Розподіл швидкостей розплаву на виході з головки в ізотермічному варіанті та з урахуванням дисипації

Різниця найбільших швидкостей розплаву між двома варіантами розрахунку збільшується від центру до краю зі збільшенням дисипативного розігріву, але в абсолютному значенні не перевищує 6%, що підтверджує допустимість ізотермічного припущення для випадку течії поліолефінів.

Для порівняння результатів проектного розрахунку геометрії плоскощілинної головки, виконаного в даній роботі, з попередніми дослідженнями, було побудовано розрахункові схеми каналів за теоретичними залежностями, викладеними в роботах В.С. Кіма та Ю.А. Жданова. Результати виконаних в системі “Весна” розрахунків представлені на рис. 11.

Рис. 11. Результати розрахунків полів швидкостей розплаву на виході з головок, змодельованих за різними теоретичними моделями: 1 - даної роботи; 2 –Жданова; 3 – Кіма

Аналіз результатів розрахунків показує, що геометрія каналів плоскощілинної головки, побудована за моделлю, викладеній в даній роботі, дозволяє зменшити нерівномірність швидкостей на виході з 14 – 18% до 9%, за виключенням крайових зон (перерізи 29 – 32 на рис. 11).

У випадку формування в плоскощілинній головці тиксотропної ПОК ми отримаємо деякий розподіл швидкостей на виході. Тому для вирівняння швидкостей у цьому випадку розробленою програмою передбачено змінювання профілю головки, доки не виконуватиметься умова рівності швидкостей розплаву на виході. Результати роботи програми показано на рис. 12.

Рис. 12. Профілі переднього фронту колектора для різних ступенів наповнення

Дані наведено для поліетилену марки ПЕНГ11502-070 в якості матриці даної композиції, температури 190?С та продуктивності 80 кг/год. На відстані 0,1...0,2 м від краю спостерігається ділянка перегину. Під час переробки чистого полімеру така ділянка відсутня, але повинна бути врахована при формуванні ПОК.

Аналіз результатів розрахунку поля швидкостей розплаву в каналах головки в системі “Весна” показав їх задовільну рівномірність, що підтверджує адекватність обраної моделі та алгоритму проектного розрахунку. За виключенням крайових зон шириною не більш 10% загальної ширини головки, нерівномірність витрат розплаву на виході з формуючої щілини не перевищувала 9%.

У п’ятому розділі подано практичне використання результатів роботи.

Представлено розроблені та запатентовані конструкції змішувачів для в’язких, в тому числі полімерних, матеріалів. В запропонованих конструкціях змішувачів відбувається інтенсифікація процесу змішування шляхом підсилен-ня зсувних дій на композицію, що змішується, і збільшення корисного об’єму, що дозволяє змішувати не тільки полімери між собою або з дисперсними наповнювачами, але й різні в’язкі органічні рідини та інші матеріали.

Розроблено конструкцію плоскощілинної екструзійної головки, в якої розширено можливості регулювання локальних витрат перероблюваного матеріалу по ширині, що дає змогу досягти рівнотовщинності екструдату при переході на інші матеріали та технологічні режими.

Для отримання пористих матеріалів з розплаву запропонована рецептура композиції, що складається з термопластичного полімеру та твердого водорозчинного олігоцукридного наповнювача з температурою плавлення, яка відповідає температурі переробки розплаву полімеру.

Використання водорозчинних олігоцукридів як твердого термоплавкого наповнювача з в’язкістю розплаву, порівнянною з в’язкістю багатьох термопластів, дозволяє отримувати розплави композицій для отримання пористих матеріалів з рівномірно розподіленими компонентами безперервної структури, що забезпечує необхідну рівномірність пор та їх наскрізну конфігурацію.

Результати чисельних експериментів з моделювання плоскощілинних екструзійних головок реалізовані “НВП Пластотехніка” в процесі коригування конструкції головки для одержання листів з полістиролу шириною 1200 мм.

Завдяки проведеному чисельному моделюванню було запропоновано такі уточнення геометрії каналів головки, за яких досягається рівномірність виходу розплаву по ширині щілини, рис. 13.

Рис. 13. Розподіл витрат розплаву на виході з головки: 1 - відкоригованої конфігурації; 2 - вихідної конфігурації

Як можна побачити з рис. 13, після вдосконалення геометрії розподіл витрат, а відтак і товщин листа на виході з головки стають значно рівномірнішими.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що моделі течії розплаву полімерів в формуючих каналах екструзійних головок для виробництва плоских листів та плівок недостатньо враховують зміну реологічних параметрів полімерів, обумовлену змінами форми каналів, температури та інших факторів. Наявні на цей час чисельні методи дозволяють досить точно врахувати ці зміни, але проектний розрахунок здійснюють шляхом багаторазового підбору геометричних параметрів з повним прорахунком на кожному кроці, що потребує великих обчислювальних ресурсів та машинного часу.

2. Розроблено математичну модель течії розплаву полімерів в формуючих каналах плоскощілинних екструзійних головок, яка враховує залежність реоло-гічних параметрів полімерів від форми каналів. В основу моделі покладено умови забезпечення рівномірності швидкостей виходу розплаву з головки та рівномірності швидкості зсуву. Модель дозволяє виконувати профілювання плоскощілинних головок з постійною геометрією та змінною формою колектора з урахуванням зміни реологічних властивостей в різних перерізах як для розплаву чистого полімеру, так і для тиксотропних полімерорганічних композицій.

3. Розроблено варіант моментної схеми скінченноелементної математичної моделі для пакету САПР “ВЕСНА”, що дозволяє здійснювати автоматизований чисельний розрахунок параметрів течії таких нелінійних термов’язких рідин, як розплави полімерів та композицій на їх основі, і обробляти отримані результати. На основі моделі розроблено прикладну програму розрахунку зміни геометрії переднього фронту колектору плоскощілинної головки розробленої конструкції за рахунок змінювання довжини окремих ділянок перехідної щілини.

4. За допомогою розроблених математичної моделі та алгоритму проведені чисельні дослідження промислового зразка розробленої УкрНДІпластмаш плоскощілинної головки, призначеної для одержання листів з поліетилену. Оцінено діапазони змінювання параметрів течії розплаву від технологічних параметрів. Це дозволило сформулювати рекомендації з конструктивного удосконалення плоскощілинної головки, які були використані УкрНДІпластмаш.

5. Розроблено конструкцію плоскощілинної екструзійної головки, яка дозволяє змінювати довжину перехідної щілини по ширині головки за рахунок змінювання форми перерізу колектора та довжини перехідної щілини. На розроблену конструкцію отримано патент України на винахід.

6. Розроблено методику автоматизованого профілювання плоскощілинної головки зі змінною геометрією, що дає змогу використання такого типу головок для формування виробів з полімерів та композицій на їх основі.

7. Проведено експериментальні та чисельні дослідження конструктивних та технологічних параметрів формування з використанням розробленої експериментальної плоскощілинної головки зі змінною геометрією, встановлено адекватність обраної математичної моделі. Досліджено вплив технологічних факторів на профіль каналів головки за умови забезпечення рівномірності виходу розплаву по ширині, що дає можливість оптимізувати конструкцію.

8. Обґрунтовано вибір компонентів композиції для отримання мікропористого полімерного матеріалу з розплаву. На запропоновану композицію отримано патент України на винахід. Розроблено конструкції змішувальних пристроїв, екструзійного та формуючого обладнання та спосіб отримання композиційної мембрани, на які отримано патенти України.

9. Результати дисертаційної роботи впроваджено НВП “Пластотехніка” (м. Київ) при проектуванні та виготовленні плоскощілинних екструзійних головок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сокольський О.Л. Дослідження можливості виготовлення мікропо-ристих полімерних матеріалів з полімер-олігоцукридних композицій // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 1998. - № 2. - с. 138 - 140.

2. Сівецький В.І., Сокольський О.Л. Особливості технології виготовлення мікропористих полімерних мембран з полімеролігоцукридних композицій // Хімічна промисловість України. – 1999. - № 4, додаток. – с. 51 – 53. (Особистий внесок здобувача: визначення необхідних техноло-гічних режимів змішування та формування).

3. Сівецький В. І., Сідоров Д.Е., Сокольський О.Л. Моделювання теплової поведінки розплаву при протіканні у змішуючих каналах полімер-переробного обладнання // Вісник КДУТД. - 2003.- №1. -С. 135-138. (Особистий внесок здобувача: розрахунки температурних полів в каналах).

4. Сахаров О. С., Сівецький В. І., Сокольський О. Л., Щербина В. Ю. Розробка скінченноелементної математичної моделі руху неньютонівських слабостисливих та нестисливих рідин // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2004. - № 2. - с. 56 - 65. (Особистий внесок здобувача: участь у розробці математичної моделі, методики контролю об’ємів, проведення чисельних експериментів).

5. Патент України №21995А, МПК С08J9/26. Композиція для отримання пористого матеріалу з розплаву / Сівецький В.І., Сокольський О.Л., Мікульонок І.О. Опубл. 20.04.1998. Бюл. №2. (Особистий внесок здобувача: обґрунтування складу композиції).

6. Патент України №25439А, МПК B01F 7/10; B29B 7/38. Змішувач для в’язких матеріалів / Рябінін Д.Д., Сівецький В.І., Сокольський О.Л. Опубл. 25.12.1998. Бюл. № 6. (Особистий внесок здобувача: запропонував нове розташування змішувальних елементів).

7. Патент України №37692А, МПК В29В7/38. Змішувач для полімерних матеріалів / Сівецький В.І., Рябінін Д.Д., Сокольський О.Л., Сідоров Д.Е. Опубл 15.05.2001. Бюл. №4. (Особистий внесок здобувача: запропонував принцип дії змішувача).

8. Патент України №59876, МПК В29С 47/14. Плоскощілинна екструзійна головка / Сівецький В.І., Сокольський О.Л., Мікульонок І.О., Сідоров Д.Е., Ткаченко С.М. Опубл. 15.09.2003. Бюл. № 9. (Особистий внесок здобувача: Запропонував конструктивне виконання повзунів).

9. Сахаров А. С., Сивецкий В. И., Сокольский А.Л., Щербина В. Ю. Численное моделирование задачи гидроупругости при течении рабочих сред с нелинейными свойствами в химическом оборудовании // ХХ междунар. конф. Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов. 24-26 сентября 2003 г., Санкт-Петербург. – Докл. конф., том III, с. 150–155. (Особистий внесок здобувача: розробка алгоритмів, проведення чисельних експериментів).

АНОТАЦІЯ

Сокольський О.Л. Розроблення плоскощілинних головок для екструзійного формування листових та плівкових виробів із полімерних композицій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.13 – Машини і апарати хімічних виробництв. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена розробленню ефективних методів розрахунку та конструювання плоскощілинних екструзійних головок для виробництва листових і плівкових виробів з полімерних матеріалів та термонестабільних композицій на їх основі.

Створено алгоритм розрахунку головки, який поєднує наближену математичну модель з уточненням методом скінченних елементів, і враховує залежність реологічних властивостей композицій від основних параметрів процесу формування.

Проведено експериментальні та чисельні дослідження впливу техно-логічних параметрів процесу та рецептури композицій на профіль каналів.

Розроблено конструкцію плоскощілинної головки, яка дозволяє змінювати переріз каналів по ширині формуючої щілини.

Розроблено склад композиції для формування мікропористих матеріалів. Встановлено її реологічні та технологічні властивості.

Ключові слова: плоскощілинна головка, екструзія, формування, полімерна композиція, мікропористий матеріал.

АННОТАЦИЯ

Сокольский А.Л. Разработка плоскощелевых головок для екструзионноного формования листовых и пленочных изделий из полимерных композиций. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 – Машины и аппараты химических производств. Национальный технический университет Украины “Киевский политех-нический институт”. Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена разработке эффективных методов расчета и конструирования плоскощелевых екструзионных головок для производства листовых и пленочных изделий из полимерных материалов и термонестабильных полимерорганических композиций на их основе.

Проведенный анализ видов плоскощелевых головок показал их относительно узкую специализацию, и ограниченность возможностей регулировки, а анализ методов их расчета – недостаточный учет неньюто-новских свойств расплавов в зависимости от формы каналов и времени пребывания в головке.

Создан алгоритм расчета головки, который объединяет построенную на базе аналитических зависимостей математическую модель начального профилирования с последующим уточнением методом конечных элементов. Разработана математическая модель плоскощелевых головок с постоянной геометрией и переменной формой коллектора с учетом изменения реологи-ческих свойств в разных сечениях как для расплава чистого полимера, так и для термонестабильных полимерорганических композиций, которая позволяет рассчитывать нужную