КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Місяць Володимир Петрович

УДК 678.4.002

розвиток наукових основ проектування обладнання для подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів легкої промисловості

05.05.10 – Машини легкої промисловості

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університетi технологiй та

дизайну (КНУТД) Міністерства освіти i науки України.

Науковий консультант: заслужений працівник народної освiти України,

доктор технiчних наук, професор

Бурмістенков Олександр Петрович,

Київський нацiональний унiверситет технологiй та

дизайну, професор кафедри електромеханiчних систем.

Офiцiйнi опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук,

професор Піпа Борис Федорович, Київський нацiональний унiверситет технологiй та дизайну, професор кафедри інженерної механіки;

доктор технічних наук, професор Півень Олександр Наумович, Національний технічний університет України (КПІ), професор кафедри машин і апаратів хімічних виробництв;

доктор технічних наук, професор Либа Володимир Петрович, Хмельницький національний університет, професор кафедри технології та конструювання виробів з шкіри.

Захист вiдбудеться лютого 2008 р. о 1000 годинi на засiданнi

спеціалізованої вченої ради Д26. 102.02 в Київському нацiональному унiверситетi технологiй та дизайну (КНУТД) за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi КНУТД за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розiсланий січня 2008 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради Н.П. Бухонька

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У виробництвах, які пов’язані з переробкою полімерних матеріалів існує проблема раціонального використання відходів, що утворюються при виготовленні виробів. В легкій промисловості це в першу чергу відходи взуттєвого виробництва: відходи гум, шкірволону, браковані підошви, каблуки, утилізовані взуттєві колодки на основі поліетилену і інші.

Створення сучасних високоефективних технологічних процесів переробки відходів полімерних матеріалів і обладнання для їх реалізації є необхідною умовою прогресивного розвитку промисловості України. Вирішення цих проблем переходять в розряд найважливіших техніко-економічних і екологічних завдань. Існує ряд підходів їх рішення, але практично всі вони припускають процес подрібнення полімерних відходів до певної фракції за допомогою механічного обладнання. Існуючі промислові способи подрібнення не завжди ефективні і характеризуються високими енерговитратами. Розробка високоефективного обладнання для подрібнення відходів полімерних матеріалів легкої промисловості стримується відсутністю глибоких теоретичних досліджень в цій області. Відсутність науково обґрунтованих методів проектування обладнання для подрібнення призвела до безлічі структурних схем, які створюються найчастіше на основі інженерної інтуїції, а не на детальному вивченні процесів, що відбуваються при цьому. Існуюче обладнання для подрібнення відходів полімерних матеріалів характеризуються низьким коефіцієнтом корисної дії і часто не забезпечують високого ступеня дисперсності і необхідної якості кінцевого продукту. Для успішного подрібнення полімерних матеріалів з різними фізико-механічними властивостями необхідне всебічне вивчення залежності дисперсності, продуктивності і енерговитрат від конструктивних і технологічних параметрів обладнання.

У зв'язку з цим дослідження процесів подрібнення полімерних матеріалів і розвиток наукових основ проектування обладнання, що забезпечує необхідну дисперсність і низькі питомі енерговитрати є актуальною задачею.

Основою для виконання цієї роботи став системний аналіз наукових досягнень Аскадського А.А., Гуля В.Е., Бартєнева Г.М., Дж. Феррі, Журкова С.Н., Зуева Ю.С., Єніколопова Н.С., Каргіна В.А., Кафарова В.В., Ребіндера П.А., Ратнера С.Б., Соловьева Є.М. і інших вчених, в області фізико-механіки і технології переробки полімерів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках фундаментальних робіт: “Теоретичні основи ресурсозберігаючих технологій переробки шкіряних відходів в сучасні матеріали і вироби”, держбюджетна тема 16.06.02. ДБ № 0106Y000895, 2006-2008 рр. і “Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів”, держбюджетна тема № Н/н 2 1999-2002 рр. відповідно до плану НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розвиток наукових основ проектування обладнання з раціональними конструктивними і технологічними параметрами для подрібнення відходів полімерних матеріалів з різними фізико-механічними властивостями, яке дозволяє отримувати вторинну сировину необхідної дисперсності при мінімальних енерговитратах.

Відповідно до поставленої мети визначені наступні основні задачі дослідження:

- провести аналіз конструктивних, технологічних чинників і фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів, що впливають на якість і енергетичну ефективність процесів їх подрібнення за допомогою механічного обладнання;

- узагальнити закономірності процесів, що відбуваються при механічному подрібненні полімерних матеріалів різними способами;

- розробити фізичні моделі, що відображують прояв фізико-механічних властивостей полімерів при подрібненні;

- дослідити властивості полімерних матеріалів легкої промисловості, які є визначальними при їх подрібненні;

- отримати та дослідити математичні моделі процесів подрібнення в механічних пристроях, які задовольняють умовам підприємств легкої промисловості;

- визначити вплив технологічних і конструктивних параметрів обладнання на показники процесу подрібнення термопластичних полімерів і гуми;

- отримати експериментальне підтвердження адекватності розроблених математичних моделей реальним процесам подрібнення;

- розробити підхід до науково обґрунтованого вибору ефективного способу подрібнення і структурних схем обладнання для його реалізації;

- розробити методи проектування обладнання для подрібнення полімерів з оптимальними або близькими до них параметрами.

Об’єкт дослідження - проектування наукоємного обладнання для подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів легкої промисловості.

Предмет дослідження - обладнання для подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів легкої промисловості з прогнозованими характеристиками.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях технології виробництв легкої промисловості і переробки полімерних матеріалів, теорії математичного моделювання, фізики і механіки полімерних матеріалів, теоретичної механіки, механіки твердого тіла. Експериментальні дослідження процесів подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів взуттєвого виробництва проведено на спеціально розроблених експериментальних установках: роторно - ножовій дробарці і екструдерному подрібнювачі, з використанням комп’ютерних засобів реєстрування даних вимірювань, методів математичного планування експериментів. Аналіз експериментальних даних виконано за допомогою методів математичної статистики. Дослідження властивостей полімерних матеріалів виконано на створених експериментальних установках з дотриманням вимог відповідних стандартів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше створені наукові основи розробки наукоємного обладнання для цільового подрібнення відходів термопластичних і гумових відходів з метою подальшого використання у виробництві виробів легкої промисловості на основі дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів, що підлягають подрібненню, вивчення кінетики потоків матеріалів в робочому просторі обладнання і математичного моделювання процесів взаємодії матеріалів з робочими органами в полі механічної і теплової дії;

- вперше показано, як на основі розгляду закономірностей впливу на полімерний матеріал поля механічних сил, що створюється робочими органами обладнання для подрібнення і теплової дії можна прогнозувати кінцевий результат у вигляді дисперсності матеріалу, силових взаємодій і енергетики процесу подрібнення;

- вперше, на основі системного аналізу обладнання для подрібнення, розроблено узагальнену класифікаційну систему, яка охоплює всі можливі структурні схеми матеріальних потоків в подрібнювачах і дозволяє прогнозувати технологічний результат;

- створені нові математичні моделі критичного стану полімерних матеріалів в полі дії механічних сил і температури, які дозволяють враховувати вид напруженого стану матеріалу, швидкість деформування і температуру для прогнозування процесу його руйнування при різних технологічних умовах;

- вперше створені математичні моделі для кількісного відображення накопичення поверхні руйнування полімерних матеріалів при подрібненні, які враховують властивості матеріалів, технологічні і конструктивні параметри подрібнюючого обладнання;

- вперше розроблені математичні моделі процесів подрібнення полімерних матеріалів в роторних дробарках і екструдерах, які дозволяють прогнозувати результат технологічної дії на матеріал та отримувати детальну інформацію про внутрішні параметри процесу подрібнення, на основі якої можна здійснювати розрахунок раціональних конструкцій подрібнювачів і робити вибір оптимальних технологічних режимів їх роботи;

- розроблені вимоги і рекомендації щодо створення нових технологічних процесів подрібнення полімерних відходів легкої промисловості та проектування обладнання для їх реалізації;

- запропоновано методи проектування основних елементів конструкції роторних дробарок і екструдерів для подрібнення відходів еластомірів, які враховують технологічні обмеження параметрів процесу подрібнення і міцність робочих органів.

Практичне значення одержаних результатів:

- на основі результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень розроблені науково обґрунтовані алгоритми створення обладнання для переробки відходів полімерів шляхом подрібнення з можливістю прогнозування технологічного результату. Створено програми для ПЕОМ, які дозволяють розрахувати раціональні конструктивні і технологічні параметри обладнання для подрібнення відходів полімерних матеріалів;

- розроблено практичні рекомендації щодо вибору конструктивних схем подрібнювачів, визначення діапазону технологічних параметрів, які забезпечують необхідний кінцевий результат;

- з використанням результатів досліджень процесу подрібнення відходів термопластичних матеріалів взуттєвого виробництва визначені конструктивні вимоги і технологічні режими роботи роторних дробарок, при яких забезпечується мінімальний розкид середніх розмірів часток кінцевого продукту, що дає можливість підвищення вмісту вторинного матеріалу до 40% при його використанні для лиття підошов в суміші з первинним;

- з використанням аналітичних і експериментальних досліджень процесу подрібнення гумових відходів в екструдерах визначені їх конструктивні параметри і технологічні режими, при яких забезпечуються мінімальні енерговитрати, і одержання порошків гуми з високорозвиненою поверхнею, що є основною вимогою для використання їх в якості наповнювачів в сумішах з іншими полімерними матеріалами, для виготовлення деталей взуття;

- розроблено технічні завдання для проектування технологічних процесів подрібнення відходів полімерів з врахуванням фізико-механічних властивостей, геометричних розмірів і кількості відходів;

- розроблено і впроваджено у виробництво обладнання для переробки відходів гуми на ПП “ОЛЬГА”, м. Біла Церква. Технологія переробки полягає в трьох стадійному подрібненні відходів за схемою: дискові ножиці – роторна дробарка – екструдер і подальшому використанні гумової крихти для виготовлення гумовотехнічних виробів. При використанні результатів досліджень вдосконалено технологічний процес переробки відходів термопластичних матеріалів для литва підошов за допомогою роторної ножової дробарки на Хмельницькій взуттєвій фабриці “ВЗУТЕКС”. Вдосконалення полягає в оснащенні роторної дробарки додатковим пристроєм завантаження матеріалу, який забезпечує підвищення продуктивності, якості подрібнення і зниження енерговитрат. Підвищення якості полягає в вирівнюванні дисперсного складу крихти пластифікованого ПВХ, що на 85% складається з часток розміром 3…4 мм. Вдосконалення дало змогу підвищити вміст подрібнених відходів в суміші з первинним матеріалом з 10 до 40%;

- практична цінність отриманих результатів підтверджена трьома деклараційними патентами на винахід;

- результати дисертації використовуються в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача полягає у виборі теми дисертацiї, предмету і методiв дослiджень, постановцi та вирiшеннi основних теоретичних i експериментальних завдань. Автором створено новий напрямок у теорiї проектування обладнання для переробки відходів полімерів шляхом подрібнення з можливiстю прогнозування технологiчного результату. Розробленi принципи і методологiя узагальненого пiдходу до проектування обладнання для подрібнення термопластичних та гумових відходів в взуттєвому виробництві. Розробленi математичнi моделi процесів подрібнення полімерних матеріалів в роторних дробарках і екструдерах, які враховують їх конструктивні параметри і залежність фізико-механічних властивостей полімерів від технологічних чинників. Розробленi аналiтичнi методи визначення механічної міцності полімерних матеріалів, які враховують залежність їх фізико-механічних властивостей від технологічних чинників. Самостiйно виконанi розробка i виготовлення оригiнальних лабораторних установок, експериментальнi дослiдження, статистична обробка даних, аналiз i узагальнення результатiв роботи. Здобувачу належать основні iдеї опублiкованих робiт та деклараційних патентів на винахід. Автором особисто створені спецiальнi програми для ПЕОМ, якi дозволяють розраховувати параметри обладнання для подрібнення відходів полімерних матеріалів.

Апробацiя результатiв дисертації. Основнi положення i результати дисертації доповiдались та отримали позитивну оцінку на наукових конференціях професорсько-викладацького складу КНУТД (1998-2007 рр.); науково-практичній конференції “Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності подільського регіону” (м. Хмельницький, 1995 р.);мiжнародній науково-технiчнiй конференцiї “Новiтнi технологiї в легкій промисловості та сервiсi” (м. Хмельницький, 1999 р.); на науково-технічній конференції “Погляд у майбутнє з надією” (м. Київ, 2005 р.); на ІХ всеукраїнській ювілейній науково-технічній конференції , присвяченій 75-річчю КНУТД (м. Київ, 2005 р.); на ІІІ міжнародній науковій конференції “Новітні матеріали та технології в будові та експлуатації машин” (м. Кам’янець Подільський, 2007 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення” (м. Севастополь, 2007 р.).

Дисертація доповідалась повністю і одержала позитивну оцінку на науковому семінарі кафедри електромеханічних систем КНУТД (м. Київ, 2006 р.; міжкафедральному науковому семінарі КНУТД (м. Київ, 2007 р.) і фаховому науковому семінарі Хмельницького національного університету (м. Хмельницький, 2007 р.).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані в 22 роботах, в тому числі в навчальному посібнику, 18 статтях у спеціальних виданнях, 3 деклараційних патентах на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основна частина дисертації представлена на 365 сторінках друкованого тексту, з них 53 сторінки ілюстрацій, 3 сторінки таблиць, список використаних джерел з 239 найменувань на 23 сторінках. Повний обсяг дисертації 403 сторінки, включаючи 9 додатків на 38 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовані мета та основні задачі досліджень, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

Перший розділ присвячений огляду та детальному аналізу сучасного стану проблеми переробки відходів полімерів в легкій промисловості. Показано, що практично всі способи переробки відходів полімерів передбачають їх подрібнення до певного розміру часток з метою подальшого їх використання. Розглянуто вимоги до якості подрібнених відходів в залежності від технологічних задач. Проведено аналіз існуючих способів подрібнення полімерних матеріалів і обладнання для їх реалізації. Показано, що при виборі обладнання для подрібнення полімерних матеріалів необхідно враховувати дисперсність отримуваного продукту, розміри і механічні властивості початкового матеріалу, його температурні характеристики, реакційну здатність, можливий ступінь забруднення матеріалу продуктами зносу робочих органів, допустимий ступінь його окислення при взаємодії з киснем повітря, вибухонебезпечність і цілий ряд інших показників. Проведено аналіз чинників, що впливають на процес подрібнення полімерних матеріалів, в результаті якого встановлено, що це насамперед міцність при руйнуванні, деформаційні властивості і сили зовнішнього тертя. Сформульовано критерії порівняльної оцінки ефективності способів і обладнання для подрібнення. Показано, що процес зовнішнього тертя полімерних матеріалів в умовах, характерних для процесів подрібнення, має складний характер і вимагає експериментального дослідження.

Основні теоретичні концепції і закономірності подрібнення твердих тіл розробляли Ріттінгер, Кікс, Кірпічев, Гетс, Дель-мара, Белл, Мартін, Гросс, Циммерлей. Рішенням питання енергетичних залежностей процесу подрібнення займалися Л.Б. Льовенсон, П.А. Ребіндер, А.К. Рундквіст, Н.С. Єніколопов і інші вчені. Для опису перетворення дисперсного складу матеріалів в процесі подрібнення можна виділити чотири найбільш розповсюджених підходи: емпіричний опис на основі рівняння Розіна-Раммлера; опис кінетики подрібнення на основі диференціального рівняння зміни змісту крупного класу матеріалів при подрібненні; ймовірносно-статистичні моделі кінетики і групу моделей, званих селективними моделями подрібнення. Теоретичні дослідження в даній області, проведені авторами, направлені, в основному, на обґрунтування вибору технологічних режимів конкретного устаткування, математичне моделювання окремих процесів, які мають місце при подрібненні.

Практично немає досліджень в результаті яких отримані математичні моделі, що встановлюють достатньо повний функціональний взаємозв'язок між конструктивними параметрами механічного пристрою для подрібнення, технологічними режимами його роботи, фізико-механічними властивостями матеріалу і якісно-кількісними показниками процесу подрібнення. Немає загальної науково-обґрунтованої теорії, яка б дозволяла здійснювати аналітичний опис процесів подрібнення конкретних матеріалів з комплексом заданих властивостей і отримувати математичні моделі з метою визначення основних показників та оптимізації конструктивно технологічних параметрів створюваного обладнання.

Ці передумови визначили мету і завдання дослідження, спрямовані на подальший розвиток наукових основ проектування обладнання для подрібнення відходів полімерних матеріалів, а також на створення методу розрахунку чисельних значень кінцевого результату подрібнення та їх відповідність вихідним вимогам, з використанням новітніх, зокрема інформаційних технологій.

Другий розділ присвячено обґрунтуванню теоретичного підходу до відображення процесів механічного подрібнення полімерних матеріалів і розробці методів прогнозування результатів технологічної дії при подрібненні. Сформульовано загальні принципи моделювання процесів подрібнення матеріалів.

Враховуючи залежність параметрів процесу подрібнення від великого числа чинників, формально можна представити його схемою зображеною на рис.1, в основі якої є розгляд процесу подрібнення, як засобу збільшення площі вільної поверхні або розділення на частини матеріалу шляхом його обробки одним з відомих способів. Схема відображає основне завдання промислової реалізації процесу подрібнення, яке полягає у виборі або створенні устаткування для подрібнення конкретного матеріалу з метою отримання необхідного результату.

Як видно з схеми на рис. 1, вихідними параметрами процесу подрібнення є хімічні, фізико-механічні і геометричні властивості матеріалу. У математичній моделі повинні бути враховані ті хімічні властивості полімеру, які впливають на хід процесу подрібнення (агресивність, температура деструкції, здатність окислюватися).

Рис. 1. Узагальнена схема взаємозв’язку чинників процесу подрібнення полімерів

Аналітично ці показники можуть бути представлені у вигляді коефіцієнтів, значення яких залежать від умов процесу. Фізико-механічні властивості повинні бути представлені у вигляді рівнянь залежності деформаційних властивостей, критерію міцності, сил зовнішнього тертя, густини, в`язкості та інших необхідних характеристик від чинників, що впливають на ці показники. Геометричні властивості початкового матеріалу є фіксованими і визначаються фракційним складом або середнім розміром часток, а при необхідності, особливостями його геометричної форми.

Механічний спосіб, за допомогою якого здійснюється процес, може бути аналітично представлений у вигляді рівнянь, що визначають геометричну форму робочих органів машини, їх кінематичну характеристику, властивості (шорсткість поверхні, температуру) і умови проведення процесу (тиск, наявність інших речовин і ін.). Процес подрібнення потрібно розглядати як такий, що складається з окремих складових: завантаження матеріалу в зону подрібнення, навантаження до початку процесу руйнування, власне процес множинного руйнування і видалення матеріалу із зони подрібнення. Ефективність процесів подрібнення може бути визначена при розгляді сукупності енергетичних потоків, які протікають в системі пристрій-матеріал. Рівняння енергетичного балансу для процесу подрібнення має вигляд:

, (1)

де - робота зовнішніх механічних сил, що прикладаються до системи; - кількість теплоти за рахунок зовнішніх джерел; - кількість теплоти за рахунок внутрішніх процесів (дисипація, хімічні процеси і ін.); - приток в систему інших видів енергії (радіаційне випромінювання, електричне поле високої частоти і ін.); - енергія, витрачена на деформацію монолітних шматків матеріалу; - енергія, витрачена на пластичну деформацію полідисперсної суміші матеріалу, яка не приводить до руйнування окремих шматків; - робота сил зовнішнього тертя матеріалу і робочих органів; - енергія, витрачена на утворення вільної поверхні в матеріалі в результаті його руйнування; - енергія, витрачена на зміну фізико-хімічних властивостей матеріалу.

Взаємозалежність видів енергетичних потоків може бути виражена диференціальними рівняннями, які записуються на основі класичної термодинаміки з урахуванням конструктивно-технологічних параметрів подрібнювача.

Таким чином, математична модель процесу подрібнення може бути представлена системою диференціальних рівнянь, що виражають динаміку енергетичних потоків в системі “матеріал - подрібнюючий пристрій - зовнішнє середовище”.

На основі аналізу процесів, що відбуваються при подрібненні полімерів в механічних пристроях зроблено узагальнення класифікаційних ознак способів подрібнення полімерів і устаткування для їх реалізації.

Встановлено, що їх дискретними ознаками є тільки структурні схеми обладнання, що визначають характер руху матеріалу під час технологічної обробки і виділено наступні основні параметри, які можуть бути описані безперервними функціями: геометричні і кінематичні параметри робочих органів; геометричні характеристики матеріалу; фізико-механічні властивості полімерів в залежності від технологічних умов подрібнення (температури, швидкості і умов деформування). Дано визначення цих параметрів і сформулювані загальні принципи математичного описання їх характеристик безперервними функціями.

Геометричні параметри робочих органів визначають поточну інтенсивність технологічної дії на матеріал при його подрібненні

. (2)

де - площа перетину робочої порожнини подрібнюючого пристрою у напрямку нормалі до відносної швидкості основного потоку матеріалу і робочих органів; - сумарна площа проекції ефективної поверхні робочих органів на площину ; - об'єм робочої порожнини подрібнювача; - об'єм матеріалу, що знаходиться в подрібнювачі в момент часу .

Кінематичні характеристики робочих органів можуть бути описані рівняннями руху, вид яких визначається структурною схемою пристрою для подрібнення. Геометричні характеристики матеріалу можна відобразити за допомогою функції зміни питомої площі вільної поверхні матеріалу в процесі подрібнення

, (3)

де - площа вільної поверхні в об’ємі матеріалу.

З метою визначення ознак пристроїв для подрібнення, що мають дискретний характер проведено аналіз можливих структур потоків матеріалу при подрібненні. На відміну від хімічних процесів, які характеризуються безперервними, монотонними кінетичними рівняннями, процес подрібнення може відбуватись шляхом здійснення ряду окремих актів руйнування матеріалу. Тому доцільно представити його у вигляді послідовного ланцюга, що складається з комірок, кожна з яких характеризується стаціонарними умовами руху, деформування і руйнування матеріалу при незмінних властивостях. Кожна комірка характеризується певною інтенсивністю технологічної дії робочих органів на матеріал і технологічними умовами. Результатом обробки матеріалу при проходженні -ї комірки є зміна площі його вільної поверхні до значення . В залежності від типу пристрою для подрібнення кількість комірок може складати: , при одноразовому навантаженні і руйнування певного об’єму матеріалу; , при дискретному деформуванні об’єму раз; , при монотонно зростаючій інтенсивності деформування протягом часу перебування матеріалу в пристрої.

В результаті запропонованого підходу, дискретні ознаки пристроїв для подрібнення зводяться до дев’яти структурних схем матеріальних потоків, що представлено в таблиці 1.

Для кожної структурної схеми визначено характерні рівняння кінетики збільшення площі вільної поверхні матеріалу при подрібненні, в залежності від координати переміщення матеріалу , значення інтенсивності технологічної дії і часу обробки , а також види розподілу розмірів кінцевого продукту подрібнення.

Кожна з дев’яти структурних схем може бути описана математично при наявності рівнянь, які відображають геометричні і кінематичні характеристики робочих органів, геометричні властивості і фізичний стан матеріалу в залежності від технологічних умов подрібнення.

Проведено аналіз енергетичної ефективності обладнання з різними структурними схемами, який показав, що найбільш економічними є подрібнювачі типу 1, 2, 3, в яких матеріал після акту руйнування негайно видаляється з їх робочої зони.

Показано, що зниження енерговитрат на подрібнення полімерів можливе за рахунок зменшення межі міцності і величини деформації матеріалу до початку руйнування шляхом цілеспрямованого впливу на його фізико-механічні властивості.

Розроблено узагальнену математичну модель процесу механічного подрібнення полімерних матеріалів, яка може бути застосована для аналітичного опису подрібнюючого обладнання і фізичні моделі для кількісного та якісного відображення процесу руйнування крихких, пластичних і високоеластичних полімерних матеріалів при подрібненні.

В загальному випадку це повинна бути система рівнянь наступного вигляду:

Таблиця 1.

Характеристики кінетики процесів подрібнення при різних структурних схемах матеріальних потоків

(4)

де - площі вільної поверхні матеріалу; - інтенсивність механічної дії на матеріал; - робота подрібнення; - температура; - параметр механічних властивостей матеріалу; - тепловий потік; - узагальнена координата положення.

Розроблено алгоритм пошуку найбільш ефективного способу і обладнання для реалізації процесу подрібнення відходів полімерних матеріалів з відомими властивостями, при заданих вимогах до технологічного результату. Проведено аналіз чинників, що впливають на механізм руйнування полімерних матеріалів при подрібненні, який дав можливість намітити області подальшого дослідження та зрозуміти, що механізм локальної зміни фізичного стану матеріалу в зоні руйнування повинен мати своє пояснення з фізичних позицій.

Третій розділ присвячено розвитку теоретичних методів розкриття механізмів руйнування полімерних матеріалів. При вирішенні поставлених задач використовуються різні теорії деформації і руйнування полімерів.

Вирішено питання про граничні значення питомих енергій деформацій, при яких починається процес руйнування. Для прогнозування їх чисельних значень, що залежать від технологічних умов процесів подрібнення, за основу взято молекулярно-кінетичну теорію граничного стану твердих тіл. В результаті отримані рівняння, які виражають сило-температурно-часову аналогію граничного стану полімера при крихкому , високоеластичному механізмах руйнування і пластичній деформації. Рівняння мають наступний загальний вигляд:

, (8)

де - коефіцієнт, що залежить від виду напруженого стану матеріалу при деформуванні; , , - відповідно енергії активації процесів крихкого, високо еластичного і пластичного механізмів руйнування полімерного матеріалу; , - постійні, що залежать від виду полімерного матеріалу; - швидкість деформації. Критичний стан полімерів, що слідує з рівнянь виду (8) представлено схематичною діаграмою, яка показана на рис. 2.

Рис. 2. Схематична діаграма, критичного стану полімерного матеріалу в залежності від температури

На діаграмі (рис. 2), нижче температури, що відповідає положенню точки 1 полімерний матеріал може руйнуватись тільки за крихким механізмом (температура крихкості). На проміжку температур 1-3 полімер руйнується за високоеластичним механізмом.На проміжку температур 3-4 матеріал руйнуються за пластичним механізмом, який монотонно переходить в процес в’язкої течії. Точці 4 відповідає температура плавлення полімеру. В інтервалі температур, що визначаються положеннями точок 4-5 може відбуватись руйнування макромолекул полімеру, що знаходиться в розплавленому стані. Точка 5 відповідає температурі термічної деструкції молекул полімеру. В температурному інтервалі 5-6 матеріал ( вже не полімерний) представляє рідину, що здатна пружно опиратись тільки силам всебічного стиснення. Точка 6 температура термічного руйнування хімічних зв’язків. Нижче температури, що відповідає точці 2, можливе зміцнення високоеластичних полімерів при значних деформаціях і руйнування за крихким механізмом, а при вищих температурах відбувається їх пластичне деформування. Температури точок перетину 1, 2, 3 гіпербол будуть зміщуватись від початкового значення (при , ) при зростанні діючих напружень і швидкості деформації.

На основі принципу підсумовування пошкоджень і рівнянь виду (8) отримано рівняння для визначення приросту площі вільної поверхні при руйнуванні полімерного матеріалу в полі дії механічних сил, тиску і теплової дії:

, (9)

де - час руйнування; - напруження; - площа вільної поверхні елементу матеріалу до руйнування; - передбачуване (максимально можливе) прирощення питомої поверхні в об’ємі матеріалу , що підлягає термомеханічному впливу.

Представлено аналітичні дослідження процесу деформування і руйнування матеріалу, при різанні двома ножами (рис.3).

а | б

Рис. 3. Схема розрахунку параметрів процесу різання матеріалу ножами:

а- початковий, б - проміжний стани процесу різання

В результаті проведених аналітичних досліджень отримано рівняння для визначення залежності зусилля деформування матеріалу до початку процесса його руйнування

.(10)

За допомогою рівняння (10) проведено аналіз залежності зміни зусилля різання від конструктивних параметрів процесу руйнування полімерних матеріалів з різними фізико-механічними властивостями (рис. 4).

Отримано математичні моделі деформування елементів матеріалів з крихкими, високоеластичними і пластичними властивостями кінцевих розмірів при руйнуванні, які можуть бути використані при математичному відображенні процесів руйнування полімерів при різанні між двома ножами і при деформуванні робочими органами обладнання, що створюють об’ємно напружений стан матеріалу (валкові машини, екструдери і інші).

а |

б

Рис.4. Графіки залежності зміни зусилля при різанні умовного ідеально пластичного матеріалу з характеристиками =100 МПа; =0.2:

а –від кута заточування ножів; б – від радіусу притуплення ріжучої кромки

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням залежності механічних властивостей полімерних матеріалів від технологічних параметрів процесів подрібнення. В якості об’єкту експериментальних досліджень вибрано наступні полімерні матеріали: ПВХ пластикат підошовний; суміш первинного і вторинного поліетилену високого тиску (взуттєві колодки) і відходи шинного виробництва у вигляді зношених вулканізаційних діафрагм з гуми на основі бутілкаучуку.

Експериментальні дослідження руйнування полімерних матеріалів при зрізі проводились за допомогою виготовленого пристрою для різання матеріалу, який встановлювався на розривній машині ИР 5057-50 для випробування полімерних матеріалів. Технологічні зусилля, що виникали при різанні вимірювали за допомогою системи, яка складається з тензометричного датчика, підсилювача, аналого-цифрового перетворювача сигналу і персонального комп’ютера.

В результаті проведення випробувань на зріз полімерних матеріалів легкої промисловості при різних значеннях температури (оК) і швидкостей руху ножа (м/с) отримано рівняння регресії руйнуючих напружень та відносних деформацій :

для гуми: ; (11)

; (12)

для ПВХ: ; (13)

; (14)

для ПЕ: ; (15)

. (16)

На основі аналізу рівняння (10) отримано вирази для визначення питомої енергії , що витрачається на деформування полімерних матеріалів до початку процесу руйнування при зрізі:

для гуми і ПВХ: ; (17)

для поліетилену: , (18)

де - параметрична функція подібності, що визначається на основі рівняння (10), - коефіцієнт тертя полімеру; -тиск.

Отримано рівняння утворення нової поверхні в досліджуваних матеріалах при дії змінних в часі напруження, температури і тиску:

для гуми: ; (19)

для ПВХ: ; (20)

для ПЕ: . (21)

Приведено регресійні рівняння залежності коефіцієнта тертя полімерів по сталі від температури і тиску, які отримані в результаті експериментальних досліджень на спеціально розробленій експериментальні установці:

для гуми: ; (22)

для ПВХ: ; (23)

для ПЕ: . (24)

На рис. 5, 6 представлено залежності коефіцієнта тертя гуми і ПВХ пластикату від тиску і температури, які побудовані за рівняннями регресії (22), (23).

На основі виразів (17), (18) з врахуванням (11-16), (22), (23), (24) показано, що характер залежності питомої енергії деформації гуми, поліетилену і ПВХ пластикату від умов руйнування різний. Питома енергія деформації до руйнування гуми зменшується з ростом температури (від 273оК до 393оК) в усіх діапазонах швидкості. При збільшенні швидкості деформування гуми в інтервалі температур від 273оК до 325…335оК відбувається зменшення питомої енергії руйнування, а вище 335оК – збільшення. Мінімум енергетичних витрат на руйнування гум різанням може бути досягнутий при підвищених температурах (максимально наближених до критичних) і низьких швидкостях деформування. При руйнуванні ПВХ пластикату залежність питомої енергії руйнування від температури має екстремальний характер з областю максимальних значень при Т= 330…350оК (рис. 7а), яка зміщується в сторону більших температур зі збільшенням швидкості руйнування. Мінімум енерговитрат на деформування до руйнування ПВХ також буде при підвищених температурах (вище 350оК) і низьких швидкостях механічної дії. Залежність питомої енергії деформації поліетилену від температури і швидкості деформування (рис.7б) має область мінімальних значень при температурах 280…290оК і при цьому енергія зменшується при зростанні швидкості деформування. Таким чином встановлено, що цілеспрямоване руйнування поліетилену раціонально здійснювати при температурі 280…290оК і високих швидкостях робочих органів. Мінімальні ж енерговитрати на руйнування поліетилену будуть в області температур близьких до температури його плавлення і низьких швидкостях механічної дії.

Рис. 5. Залежність коефіцієнта тертя гуми від температури і тиску |

Рис. 6. Залежність коефіцієнта тертя ПВХ від температури і тиску

а | б

Рис. 7. Графіки залежності питомої енергій деформації до початку руйнування:

а - ПВХ пластикату б - поліетилену

П’ятий розділ присвячено аналітичним дослідженням процесу подрібнення матеріалів в роторних дробарках і екструдерах. Отримано математичні моделі роботи роторних дробарок і екструдерів, які описують кінетику і динаміку процесів подрібнення.

Роторні дробарки відносяться до подрібнювачів типу 4 (табл. 1), тому для них розглянуто баланс продуктивності утворення часток матеріалу критичного розміру і продуктивності їх видалення скрізь отвори колосникової решітки. В результаті розгляду процесу руху матеріалу скрізь отвори решітки (рис. 8) і рівняння балансу сил, що діють на частинки матеріалу в камері подрібнення (рис. 9), отримано рівняння для визначення зміни маси матеріалу, що перебуває в камері роторної дробарки в момент часу :

, (25)

де - радіус решета; - діаметр отворів решета; - кількість отворів решета; - концентрація кінцевої фракції в загальній масі матеріалу; - маса матеріалу в камері дробарки в момент часу ; - швидкість ротору; , - відповідно коефіцієнти, що враховують залежність насипної густини матеріалу від розміру частинок і нерівномірність розподілу маси матеріалу по порожнині дробарки; - ширина камери дробарки; - насипна густина матеріалу.

Рис. 8. Схема руху продуктового стовпчика скрізь отвір решітки | Рис. 9. Схема сил, що діють на одиночну частинку подрібнюваного матеріалу при її русі уздовж ножа дробарки

Розглянуто кінетику процесу подрібнення, в результаті чого отримано диференціальне рівняння четвертого типу (таблиця 1) збільшення питомої площі вільної поверхні матеріалу при подрібненні в роторній дробарці, яке має вигляд:

, (26)

де - швидкість ротора; - вільний об’єм камери дробарки; - маса матеріалу в камері дробарки в момент часу ; - кількість контактів ножів за один оберт ротору; - довжина ножів.

Отримана математична модель кінетики процесу подрібнення матеріалу в роторних дробарках, яка дозволяє визначати продуктивність, ступінь подрібнення і розподіл часток за розмірами при різних технологічних режимах і конструктивних параметрах обладнання. Шляхом рішення системи з рівнянь (25), (26) за наступних початкових умов:

, , , (24)

отримано залежності зміни питомої площі вільної поверхні матеріалу (рис. 10а), продуктивності видалення матеріалу скрізь отвори решітки в режимі зменшення маси матеріалу в камері (рис. 10б) і гістограми розподілу часток матеріалу за розмірами (рис. 11) від конструктивних і технологічних параметрів роторних дробарок, початкових розмірів і насипної густини подрібнюваних матеріалів.

а | б

Рис.10. Графіки залежності зміни в часі питомої площі вільної поверхні матеріалу (а) і маси матеріалу в камері (б) , отримані при різних швидкостях обертання ротора за початкових умов:

Рис. 11. Гістограми розподілу часток матеріалу після подрібнення при різних швидкостях обертання ротора

Для дослідження енергетичних показників процесу подрібнення математична модель кінетики процесу доповнена рівняннями, які отримані на основі (11-18) і (22, 23, 24) при характерних для роторних дробарок силових взаємодіях матеріалу з робочими органами і рівнянням потужності, що витрачається на подрібнення матеріалу, яке має вигляд:

, (25)

і рівнянням потужності, що витрачається на тертя матеріалу по поверхні камери дробарки

. (26)

З метою встановлення характеру впливу кількості ножів на ефективність процесу подрібнення, проведено розрахунки загальної потужності і продуктивності при однакових початкових і кінцевих розмірах часток матеріалу. В результаті розрахунків отримано залежності питомих енерговитрат на подрібнення від добутку кількості ножів ротору і корпусу при різних значеннях швидкості ротора і температури матеріалу, які представлено на рис. 12, 13.

Рис.12. Залежність питомих витрат енергії на подрібнення від кількості ножів ротора і корпуса при швидкості ротору 100 с-1 і температурі матеріалів 293 оК (1-для крихкого матеріалу; 2 для поліетилену; 3- для гуми) |

Рис.13. Залежність питомих витрат енергії на подрібнення від температури матеріалу при швидкості ротора 100 с-1 (1-для крихкого матеріалу; 2 для поліетилену; 3- для гуми)

В результаті аналітичних досліджень роторних дробарок отримано залежності продуктивності, потужності, розміру частинок кінцевого продукту і їх розподілу від конструктивних і технологічних чинників.

Залежність продуктивності решітки від маси завантаження має екстремальний характер, що свідчить про існування найбільш ефективного режиму роботи дробарок з точки зору ступеня заповнення камери. Збільшення радіусу решітки призводить до збільшення її пропускної здатності тільки до певних меж і можна зробити висновок про доцільність його обмеження до 0,3 м. Розмір часток матеріалу після подрібнення залежить не тільки від розміру профілюючих отворів колосникової решітки, а й від ступеня заповнення робочої камери дробарки, що в свою чергу залежить від співвідношення продуктивності колосникової решітки і швидкості завантаження матеріалу. Крім того встановлено, що на кінцевий розмір часток впливає ступінь перекриття робочої камери площею колосникової решітки. На вид розподілу часток за розмірами найбільший вплив має нерівномірність (періодичність) завантаження дробарки. Раціональну кількість ножів ротора і корпуса потрібно визначати з врахуванням геометричних розмірів і фізико-механічних властивостей подрібнюваних відходів і діаметру ротору дробарки. Ця залежність обумовлена тим, що здійснення кожного акту руйнування матеріалу ножами відбувається за рахунок кінетичної енергії обертання ротору. Після кожної взаємодії ножів з матеріалом ротор втрачає частину кінетичної енергії, швидкість його падає, і до наступного акту руйнування повинен бути достатній період розгону. Рівень енергії, який потрібен для руйнування частки матеріалу залежить від її розмірів, межі міцності та механізму руйнування. З рис. 12 видно, для полімерних матеріалів існує оптимальне співвідношення кількості ножів ротору і корпусу, а для матеріалів з крихкими властивостями доцільно використовувати обладнання, яке має нескінченно велику кількість руйнуючих елементів (робочі органи повинні представляти собою суцільні поверхні, що зближуються). З рис.13. видно, що енерговитрати на подрібнення крихких матеріалів лінійно зменшуються зі збільшенням температури матеріалу. А залежність енерговитрат від температури для матеріалів з високоеластичними властивостями має екстремальний характер з максимальним значенням в області 273 -293 оК.

Приведено результати аналітичного дослідження процесу подрібнення високоеластичних полімерів в екструдерах, які згідно розробленої класифікаційної схеми відносяться до подрібнювачів третього типу з структурною схемою потоку матеріалу з ідеальним витисненням і кратністю механічної дії . Для них характерно монотонне, безперервне збільшення інтенсивності механічної дії на матеріал в функції координати переміщення матеріалу. При моделюванні технологічного процесу подрібнення полімерів в екструдері розглянуто вид напруженого стану матеріалу (рис. 14) і сили що діють в каналі черв’яка (рис. 15). |

Рис. 14. Вид напруженого стану елементу матеріалу в каналі екструдера | Рис.15. Схема сил, що діють на матеріал в каналі зони живлення екструдера

Отримано рівняння для розрахунку зміни тиску по довжині гвинтового каналу черв’яка

, (27)

де; ;

;

; ;

Рівняння (27) справедливе у разі прискореного руху матеріалу, який виникає або при зменшенні глибини каналу, або при ущільненні матеріалу. На основі (27) отримано рівняння для визначення крутного моменту черв’яка

. (28)

Потужність подрібнення гуми на основі бутілкаучуку