Удосконалення технології виготовлення порожнистих виробів з полімерних матеріалів методами обробки тиском

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

УДК 628.4.04-405

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Удосконалення технології виготовлення порожнистих виробів з полімерних матеріалів методами обробки тиском

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

МОХ'Д А.Ф.АЛФАУРІ

Луганськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Дядичев Валерій Володиславович, завідувач кафедри комп'ютерних наук, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, завідувач кафедри прикладного матеріалознавства, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ;

кандидат технічних наук, професор, Дубина Валентин Іларіонович, професор кафедри обробки металів тиском, Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Захист дисертації відбудеться:"2" липня 2010 р. об 11 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 "2" червня 2010 р.

Вчений секретар Спеціалізованої

Вченої ради Д 29.051.02

доктор технічних наук, професорЮ.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз тенденцій використання полімерів указує на стабільне збільшення попиту на полімерні матеріали, як у сфері побутового, так і у сфері промислового споживання. У найближчому часі попит на полімерні матеріали щорічно збільшуватиметься в середньому на 4%.

Існують різні процеси переробки тиском полімерних матеріалів, основні з них: екструзія, екструзія з роздувом, лиття під тиском, співекструзія, співекструзія 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. Застосування співекструзії з роздувом дозволяє виключити багато технологічних операцій, необхідних для виготовлення порожнистих виробів з відходів полімерних матеріалів і є єдиним способом виготовлення порожнистих багатошарових полімерних виробів, при використовуванні якого виходить готовий виріб з відходів полімерів без проміжних напівфабрикатів.

Не дивлячись незважаючи на перераховані переваги процесу співекструзії з роздувом його широкому застосуванню перешкоджає низька продуктивність стадії роздуву даного процесу. Недостатньо досліджені динаміка роздуву і охолоджування багатошарової полімерної структури.

У зв'язку з вище викладеним, тема дисертаційної роботи, присвячена аналізу роздуву і охолоджування багатошарової полімерної структури в процесі співекструзії з роздувом і удосконаленню технології виготовлення порожнистих багатошарових полімерних виробів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до комплексної науково - технічної програми "Створення й освоєння у виробництві комплекси технологічного обладнання, засобів автоматизації з використанням ресурсозберігаючих технологій" у межах вирішення проблеми «Про впровадження системи збирання, сортування, транспортування, переробки та утилізації відходів, як вторинної сировини». Відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 26 липня 2001 р. N 915, за «Основними напрямами економічного і соціального розвитку України», закону України про відходи від 1998 року, починаючи з 2001 року робота виконувалась в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (роботи № 0197U008350, 0100U006296, 0102U002222).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення технології та підвищення техніко-економічних показників виробництва порожніх полімерних виробів методами обробки тиском на основі використання роторного роздуву.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі визначаються та вирішуються наступні завдання:

- удосконалити математичну модель процесу співекструзійно-роторного формування для визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів роторного роздуву;

- розробити методику розрахунку процесу комбінованої екструзії з роторним роздувом для переробки первинних і вторинних полімерних матеріалів;

- розробити роторне обладнання для виробництва порожніх полімерних виробів, що відповідає завданням переробки методами обробки тиском як первинної сировини, так і відходів полімерних матеріалів;

- провести перевірку адекватності математичної моделі процесу роторної комбінованої екструзії шляхом фізичного моделювання та виробничих випробувань.

Об'єкт дослідження - процес комбінованої екструзії багатошарових порожнистих полімерних виробів з використанням ротора роздуву для переробки як первинної полімерної сировини, так і відходів полімерних матеріалів.

Предмет дослідження - обладнання та технологія комбінованої екструзії багатошарових полімерних матеріалів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані з використанням законів руху, гідродинаміки розплавів та розчинів полімерів. Моделювання технологічного процесу здійснено методами лінійного програмування. Експериментальні дослідження виконані з використанням сучасної контрольно-вимірювальної техніки, що випускається серійно промисловістю і пройшла державну метрологічну перевірку у встановленому порядку. Кількісна перевірка експериментальних даних і отримання регресійних багатофакторних залежностей виконані методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- удосконалено математичну модель процесу комбінованої екструзії, яка дозволяє визначити раціональні конструктивні та технологічні параметри виробництва порожніх полімерних виробів з використанням роторного роздуву (кількість видувних форм, тиск роздуву, температура охолодження);

- вперше отримано математичні залежності розрахунку продуктивності роторної машини для виробництва порожніх полімерних виробів з урахуванням продуктивності екструдерів, граничної потужності, крутного моменту, напруги зсуву, часу охолодження виробу і мінімальної в'язкості розплаву;

- уточнені закономірності впливу технологічних параметрів виробництва (тиск роздуву, температура охолодження) на властивості одержуваних порожнистих полімерних виробів.

Практичне значення отриманих результатів:

- використана роторна конструкція вузла роздуву машини для виробництва порожніх полімерних виробів;

- використана нова технологія переробки полімерних матеріалів, заснована на роторному принципі видувного формування, що забезпечує підвищення продуктивності при забезпеченні якості, одержуваних виробів;

- розроблена методика розрахунку раціональних параметрів роботи роторної машини для переробки полімерних матеріалів;

- розроблена і впроваджена технологія виробництва порожніх полімерних виробів з використанням вторинних полімерних матеріалів на багатопозиційній роторній машині.

Результати роботи реалізовані в промисловості у вигляді:

- математичної моделі процесу комбінованої екструзії порожніх полімерних виробів, впровадженого на ПП "Універсал".

- машини для комбінованої екструзії порожніх полімерних виробів з використанням ротора роздуву, впровадженого на ПП "Універсал".

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень самостійно отримані автором. У результаті досліджень, опублікованих у співавторстві, автором проведені аналіз напружено-деформованого стану в процесі роздування багатошарової полімерної заготовки, дослідження технологічних параметрів обладнання для гранульованих екструзійних композицій; конструкція ротора роздуву під тиском багатошарових полімерних ємностей; модель процесу течії в головці наповнених полімерів; дослідження перебігу розплаву вторинного полімерного матеріалу в конічному каналі співекструзійної головки; модель деформації полімерної трубки в процесі роздування; методику прогнозування ймовірності розшаровування багатошарової структури. Автор брав участь у проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів методами математичної статистики. Впровадження результатів дисертації в промисловість здійснювалося за участю автора.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися і отримали схвалення на міжнародній науково-практичній конференції «Наукові дослідження - теорія та експеримент 2005» (16-20 травня 2005 р., м. Полтава); міжнародній науково-методичній конференції «Проблеми математичного моделювання»

(25-27 травня 2005 р., м. Дніпродзержинськ).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 11 наукових роботах, з них 9 - у збірниках наукових праць та журналах, які входять до списку спеціалізованих видань ВАК України.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Повний обсяг - 156 сторінок машинописного тексту. Робота містить 42 рисунка, 13 таблиць, список використаних літературних джерел із 119 найменувань і трьох додатків, що у сукупності займають 14 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі розглянуті питання зросту використання полімерних матеріалів на Україні, здійснено їх класифікацію, проаналізовано основні існуючі способи утилізації полімерних вторинних матеріалів, досліджено процес співекструзійно-видувного формування тиском виробів із вторинних полімерних матеріалів, проведений аналіз конструкцій вузлів роздуву співекструзійно-видувного обладнання для переробки полімерних матеріалів.

Проблемам переробки полімерних матеріалів та їх відходів приділяли увагу багато вітчизняних і зарубіжних фахівців, у тому числі В. Є. Гуль, В. С. Кім, Г. Д. Калиновська, Г. А. Бистров, В. В. Дядічев, Е. Бернхард, Д. Ф. Каган, Д. М. Мак-Келві, К. Раувендаль, В. В. Скачков, З. Тадмор, Р. В. Торнер, Л. Штарке та ін. Однак висвітленню питань доцільного конструювання і розрахунку вузлів роздуву співекструзійно-видувного обладнання для переробки вторинних полімерних матеріалів присвячено мало робіт.

Слід зазначити, що в роботах не знайшло відображення таке питання, як створення раціональних конструкцій вузлів роздуву з використанням роторної технології для переробки вторинних полімерних матеріалів. Таким чином, впровадження співекструзійно-видувного обладнання для переробки вторинної сировини зустрічає значний опір у зв'язку з незначною продуктивністю та складністю обладнання.

На підставі дослідження конструкцій співекструзійно-видувного обладнання для процесу переробки вторинної полімерної сировини визначено, що існуючі вузли роздуву мають ряд істотних недоліків: спостерігається значне падіння продуктивності всього процесу внаслідок падіння продуктивності в пристрої роздуву (до 36%); неефективно використовується вузол роздуву (зважаючи на нераціональне розміщення); вузький діапазон робочих частот обертання шнеків (n_ш = 0,21-0,45 с^-1), не враховується адгезія полімерів при роздуванні, час охолодження у видувній формі досягає 40 с і більше, тиск роздуву та швидкість роздуву фіксовані. Зазначені недоліки обмежують використання таких конструкцій для переробки вторинної полімерної сировини методом співекструзії з роздувом, оскільки обладнання має невисоку продуктивність і готові вироби виходять низької якості. Тому актуальним завданням є розробка методів вдосконалення співекструзійно-видувного обладнання для переробки вторинної полімерної сировини.

Другий розділ присвячений розробці функціональної схеми комбінованої екструзії порожнистих полімерних виробів з використанням вторинної полімерної сировини, математичному описуванню поведінки багатошарового полімерного матеріалу в процесі деформації, а також розрахунку методик аналізу створення якісного адгезійного з'єднання при деформуванні багатошарової заготовки в процесі роздуву та аналізу процесу охолодження багатошарової заготовки.

В результаті аналізу конструктивних і експлуатаційних показників роторних автоматичних ліній складена функціональна схема співекструзійно-роторної машини для переробки полімерних матеріалів з використанням вторинної сировини і виготовленням багатошарових полімерних виробів (рис. 1).

Функціональна схема складається з трьох екструдерів, співекструзійної головки і ротора роздуву. У кожен екструдер засипається у вигляді гранул різний або однотипний полімерний матеріал. У екструдер 2 засипається вторинна полімерна сировина, що має адгезійну сумісність з полімерами екструдерів 1 і 3. У кожному екструдері підтримуються свої технологічні режими, властиві тому матеріалу, який знаходиться в цьому екструдері. При надходженні полімеру з екструдера внутрішнього шару в співекструзійну головку матеріал, після заповнення накопичувача просувається до виходу головки. З екструдеру середнього шару розплавлений матеріал заповнє накопичувач, рівномірно нашаровується на перший матеріал, і відбувається їх рівномірне просування до виходу головки.

Матеріал з екструдера зовнішнього шару також через накопичувач потрапляє в потовщений канал головки, де відбувається його рівномірне накладення. І надалі відбувається просування всіх трьох шарів до виходу головки. Рівномірність накладення наступного шару на попередній досягається завдяки геометричним розмірам кожного шару співекструзійної головки і підбору раціональної частоти обертання шнеків кожного екструдера.

Після виходу багатошарової полімерної трубчастої заготовки з співекструзійної головки по досягненні певної довжини відбувається її передача на ротор роздуву. Потім виконується стадія 1 - захоплення й обрізка трубчастої багатошарової заготовки. На цій стадії відбувається закриття півформ прес-форми й, за рахунок наявності в їх конструкції верхньої ріжучої кромки, обрізка заготовки від торця співекструзійної головки. Потім відбувається стадія 2 - пробивання заготовки голкою для роздуву. Стадія 3 - роздув: через голку подається повітря, яке дме заготовку зсередини попередньо невеликим тиском. Далі 4 - остаточний роздув повітрям більшого тиску. 5 стадія - охолодження: кожна з півформ інтенсивно охолоджується водою, завдяки чому роздутий виріб швидко остигає й приймає відповідну форму. Наступна стадія 6 - відведення видувної голки. Після 7 та 8 стадії - розкриття півформ видувної форми і знімання готового виробу. Потім стадія 9 - доохолодження виробу. Остання стадія 10 - обрізка технологічної горловини й облою (видалення технологічних відходів).

Визначено методику аналізу динамічної поведінки багатошарової оболонки, що дозволяє визначати критичні інтенсивності напружень і деформацію зсуву, при яких відбуваються якісні адгезійні з'єднання багатошарової заготовки при роздуванні.

Властивості багатошарової структури заготовки, що роздувається: перепад тиску, пористість, в'язкість, взаємопроникнення часток у шарі, інтенсивність процесів тепло-і масопередачі - залежать від параметрів роздуву і витрати повітря.

При дослідженні процесів роздуву під тиском у багатошаровій структурі необхідно володіти достатньою інформацією про поведінку й адгезію таких шарів. Найважливішим параметром багатошарової структури є її динамічний опір. У результаті деформації багатошарового матеріалу в видувній формі виникає знакозмінний аеродинамічний напір, який має істотний вплив на динаміку адгезії багатошарової структури.

При роздуві багатошарових полімерних структур у видувній формі голкою необхідно враховувати, що повітря з голки в замкнутому просторі виходить з деякою пульсацією.

Рівняння руху частинок полімерної структури при роздуванні матеріалу потоком газу в видувній формі через видувну голку запишуться так (рис. 2):

Рис.2. До виведення рівнянь руху одиночної частки полімеру при роздуванні

d2x/dф2 = Ащ2 cos в sin ц -- g sin б, (1)

d2y/dф2 = Ащ2 sin в cos ц -- g cos б + Р / GM,(2)

де А - амплітуда коливань повітря;

щ - кутова частота коливання повітря;

Р - аеродинамічна сила тиску потоку повітря на частку багатошарової структури;

G_M - маса матеріалу.

Для розрахунку адгезійності шару, що роздувається, запропоновано рівняння:

, (3)

а для пульсороздутого:

(4)

де - швидкість початку пульсороздуву;

і - адгезійність ущільненого шару і шару в стані початку пульсороздуву;

Дослідження взаємопроникнення полімерних матеріалів у багатошаровій структурі проводили при товщинах шару від 0,2 до 0,9 мм, швидкостях роздування до 2,5 м / с і параметрах пульсації А = 5-10 мм, щ = 50-200 рад/с. Еквівалентний діаметр частинок d_Э становив 0,5-2,0 мм.

Проникнення твердих частинок по товщині шару відбувалося за рахунок руху частинок структури, викликаного пульсацією повітря з голки і потоком повітря. Для визначення інтенсивності взаємопроникнення складали баланс за «міченою» речовиною. На підставі отриманого з матеріального балансу рівняння:

(5)

визначали швидкість руху частинок у напрямку до іншого шару. У цьому рівнянні:

(6)

де G1 і G2 - маса часток у верхній і нижній частині шару;

х - концентрація твердих частинок.

Основний вплив на ефективність взаємопроникнення часток по висоті шару надають амплітуда і частота пульсацій. Отримані результати можна надати в наступному вигляді:

де W_F - масова швидкість вертикального взаємопроникнення часток;

d_Э - еквівалентний діаметр частинок, що становить (0,5-2,0) 10^-6 м;

h - товщина шару.

На підставі рівнянь динаміки роздуву багатошарових виробів, що враховують кінематичні, динамічні та енергетичні умови на поверхнях дотику шарів визначені умови, що забезпечують пластичну деформацію дотичних шарів полімерного матеріалу і гарну адгезію між шарами первинного і вторинного полімерів при максимальній продуктивності. Визначено, що швидкість деформації багатошарової заготовки необхідно регулювати тиском роздуву, а якісне адгезійне з'єднання шарів забезпечувати раціоналізацією процесу тепло-і масопереносу.

Теплові процеси, що відбуваються при зіткненні багатошарової структури з поверхнею нерухомої охолоджувальної форми, впливають на якість адгезії шарів і характер процесу деформування. В результаті зіткнення відбувається охолодження зони з'єднання. Товщина охолоджувальної зони і час її затвердіння - одні з визначальних факторів якості з'єднання.

Математична постановка задачі для шарів з різнорідних матеріалів зводиться до наступного вигляду:

, (7)

i=1, 0 x h₁; i=2, h₁ x h₂;; i=3, h₂ x h₃;

T/x =0, x= h₁, x= h₂; x= h₃, , x=0.

T(x,0)=T(x),

де , , - питома теплоємність, теплопровідність і щільність полімерів;

- температура;

- товщина i-го шару.

При визначенні розподілу температури в системі трьох циліндричних оболонок слід зазначити, що в першому наближенні тонку оболонку можна вважати плоскою. У процесах формозміни, як правило, використовуються саме тонкі оболонки. Теплова задача в цьому випадку зводиться до попередньої.

При аналізі адгезії між шарами враховували, що рух повітря при роздуванні голкою відбувається при зміні температури заготовки.

У такому випадку, для спільної методики розрахунку розглянутих процесів, рівняння теплопровідності вирішуємо одночасно з рівнянням руху заготовки на кожному кроці розрахунку. Система рівнянь, що характеризує зазначені процеси, має вигляд:

(8)

де - швидкість витоку стисненого повітря з голки;

- швидкість частинок;

V₀ - питомий об'єм;

₀ - питома внутрішня енергія;

- відношення коефіцієнта теплопровідності до питомої теплоємності;

w = cV/V₀; v = /c.

Таким чином, використання розробленої методики розрахунку технологічного процесу комбінованої екструзії багатошарових структур з використанням ротора роздуву забезпечує комплексну оптимізацію процесу з отриманням якісного адгезійного з'єднання між полімерами на заключному етапі охолодження виробу в видувній формі після роздуву голкою.

Третій розділ присвячений розробці та дослідженню математичної моделі процесу співекструзійно-роторного формування з метою визначення раціональних конструктивних і технологічних параметрів процесу.

Основною метою співекструзійно-роторної машини є переробка первинної та вторинної полімерної сировини з одержанням нових якісних виробів з високою продуктивністю процесу.

Сутність математичного моделювання процесу співекструзійно-роторного формування полягає у послідовному проходженні в алгоритмі моделі можливих значень частоти обертання шнеків екструдерів, в рамках обмежень і розрахунку значення критерію оптимальності для кожної точки.

Для процесу співекструзійно-роторного формування полімерів був запропонований наступний критерій оптимальності:

,(9)

де Q - об'ємна продуктивність;

N - частота обертання шнека екструдера.

Процес є оптимальним, коли критерій оптимальності К_о прагне до максимуму в ділянці обмеження технологічних параметрів.

Суть критерію наступна: критерій оптимальності прагне до максимуму при об'ємній продуктивності, яка прагне до максимуму, що робить процес співекструзії найбільш продуктивним і частоті обертання шнека, яка прагне до мінімуму, що мінімізує витрати потужності на роботу приладу.

У ході дослідження виявлені наступні обмеження на значення технологічних параметрів:

А. Кінематичні обмеження.

Б. Обмеження за максимальною потужністю екструдера.

В. Обмеження за максимальним крутним моментом.

Г. Обмеження за напругою зсуву.

Д. Обмеження за часом охолодження виробу.

Е. Обмеження за мінімальною в'язкістю полімерного розплаву.

В якості методу реалізації математичної моделі процесу співекструзійно-роторного формування використаний метод лінійного програмування. Відлік значень частот обертання шнеків ведеться через фіксовані, задані інтервали. Розрахункові події в моделі вважаються такими, що відбулися в момент закінчення цього інтервалу.

За результатами роботи математичної моделі визначений раціональний діапазон кількості видувних форм у співекструзійно-роторній машині. Для цього, змінюючи кількість видувних форм (р), фіксуємо значення штучної продуктивності (Q) при однакових параметрах екструдерів і переробки. Результати математичного моделювання представлені на рис. 3.

Аналізуючи представлені результати роботи математичної моделі, можна зробити висновок про те, що збільшення кількості видувних форм ефективне до певного граничного значення. Після цього значення збільшення кількості видувних форм не призводить до збільшення продуктивності, бо починає впливати обмеження за граничною швидкістю зсуву полімерного розплаву при течії в співекструзійній голівці, після якої вироби виходять неякісними. Нарощування кількості видувних форм призводить до необхідності збільшення швидкості виходу багатошарової полімерної трубки, що збільшує швидкість зсуву.

Таким чином, визначений діапазон кількості видувних форм ротора роздуву, який становить: для ємностей об'ємом 0,3; 0,5 та 1 літр 10-12; 14-16; 20-22 позицій відповідно, що дозволило підвищити продуктивність процесу із забезпеченням необхідної якості готових виробів.

На підставі порівняльного аналізу продуктивності для даного прототипу з двопозиційним роздувом і розробленої співекструзійно-роторної машини визначено, що діапазон часу видачі готових ємкостей об'ємом 0,3; 0,5 та 1 літр для розробленої роторної машини склав 1,6-8,8 с, а для розглянутого двопозиційний прототипу - 9,3-31,1 с. Тому розроблена співекструзійно-видувна машина дозволяє підвищити продуктивність процесу виготовлення багатошарових виробів з вторинних полімерних матеріалів у 3,4-6,2 рази.

Четвертий розділ присвячений експериментальному підтвердженню адекватності, проведених теоретичних досліджень, шляхом експериментальних досліджень на фізичній моделі та виробничих випробувань розробленої співекструзійно-роторної машини.

Для комплексного підтвердження адекватності запропонованої методики та математичної моделі, що оцінює якість процесу і устаткування вторинної деформації полімерної сировини роздувом, виконуємо експериментальні дослідження на фізичній моделі процесу екструзійного формування. Використання фізичного моделювання для даного процесу дозволяє зробити більш повне дослідження впливу різних параметрів конструкції видувної машини і технологічних параметрів переробки на якісні показники роботи запропонованої конструкції обладнання.

Рекомендації, отримані шляхом фізичного моделювання процесу, становлять основу для виготовлення дослідних промислових зразків співекструзійно-видувних роторних машин з переробки полімерних відходів та сумішей. На підставі експериментів з моделлю визначаються раціональні діапазони значень технологічних параметрів обладнання: тиск роздуву, час охолодження виробу в прес-формі, товщина виробу, виходячи з найкращої якості одержуваних ємкостей.

Основними припущеннями фізичної моделі в порівнянні з технологією співекструзійно-видувного роторного формування є:

а) формування одношарового виробу, тобто наявність одного екструдера, бо визначальне значення в процесі вторинного деформування має сумарна товщина полімерного циліндра, а не його якісний склад (тришарова композиція);

б) використання однопозиційного вузла роздуву, замість ротора роздуву, оскільки метою моделі є досліджувати деформацію полімерної заготовки роздувом, а не оптимізувати продуктивність;

в) використання первинної полімерної сировини, через те що виріб є одношаровим.

Методом фізичного моделювання було визначено раціональний час охолодження заготовки в пресформі, що забезпечує її формостійкість, який для виробів об'ємом 0,3, 0,5 та 1 літр склали відповідно 2,8 - 4,1; 5,6 - 7,9 та 10 - 17,1 секунд, довірча ймовірність експериментальних даних Р = 0,95 (рис. 4).

Шляхом фізичного моделювання визначені раціональний тиск роздуву трубчастої заготовки в пресформи, що забезпечують цілісність готового виробу, які для виробів об'ємом 0,3, 0,5 та 1 літр склали відповідно 0,287; 0,413 та 0,554 секунд, довірча ймовірність експериментальних даних Р = 0,95.

Метою промислових випробувань є порівняння продуктивності існуючих співекструзійно-видувних машин із розробленою співекструзійно-роторною машиною, а також оцінка впливу основних технологічних параметрів роботи співекструзійно-роторної машини на продуктивність.

Актуальним практичним завданням є прогнозування продуктивності машин з переробки полімерів, а саме у нашому випадку для процесу співекструзійно-видувного формування. У виробничих умовах, коли переробка здійснюється на екструдерах певної конструкції з точно заданою полімерною сировиною, основними аргументами такої функції виступають технологічні параметри: тиск роздуву Р_розд і частота обертання шнеків екструдерів n_ш, а також об'єм отримуваного виробу V_вир:

.(10)

Методом найменших квадратів знайдені лінійні коефіцієнти цих залежностей, перевірка однорідності дисперсій дослідів проводилися за критерієм Кохрена, а оцінка адекватності рівнянь за критерієм Фішера.

З отриманих лінійних багатофакторних залежностей випливає, що для досліджуваних значень факторів, збільшення тиску роздуву Р_розд і частоти обертання шнеків екструдера n_ш має позитивний вплив на продуктивність машини, а збільшення об'єму виробленого виробу V_вир, навпаки - негативний.

Порівнюючи базовий варіант - співекструзійно-видувну машину з двопозиційним механізмом роздуву з розробленою співекструзійно-роторною машиною, слід особливо відзначити, що співекструзійно-роторна машина має значно більші допустимі частоти обертання шнеків у порівнянні з співекструзійно-видувною машиною, у зв'язку з чим наш проектний варіант має більш високу продуктивність.

Подамо цей факт у вигляді порівняльної таблиці залежності штучної продуктивності машин Q, що розрахована на основі рівнянь регресіі, від частоти обертання шнеків n_ш для значень двох інших факторів: тиску роздуву Р_розд = 0,55 МПа і об'єму виробу V_вир = 0,5 літрів (табл. 1).

Таблиця 1 Порівняльний аналіз продуктивності співекструзійно-роторної і співекструзійно-видувної машин при Р_розд = 0,55 МПа і V_вир = 0,5 літрів

Співекструзійно-видувна машина (базовий варіант)	nш (c-1)	1,5	1,7
	Q(шт/хв)	6,4	0,4
Співекструзійно-роторна машина, що впроваджується	nш (c-1)	7,5	8,7
	Q(шт/хв)	29,4	33,5

Аналіз таблиці 1 за усередненими значеннями показує, що при використанні співекструзійно-роторної машини в порівнянні з співекструзійно-видувною маємо таке відносне збільшення продуктивності:

.

Впровадження результатів роботи на ПП «Універсал» дозволило підтвердити об'єктивність проведених дослідженнь та отримати економічний ефект у сумі 52,4 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача удосконалення конструкції співекструзійно-видувного обладнання для переробки вторинних полімерних матеріалів з використанням багатопозиційного пристрою роздуву, що забезпечує підвищення його продуктивності та покращення якості виготовлених виробів.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. На підставі аналізу особливостей властивостей вторинної полімерної сировини та якісного аналізу роботи співекструзійно-видувного обладнання розроблена нова функціональна схема співекструзійно-роторного обладнання для переробки вторинних полімерних матеріалів, що відрізняється наявністю багатопозиційного ротора роздуву. Розроблена схема забезпечує підвищення продуктивності технологічного процесу виготовлення багатошарових полімерних ємностей при різному тиску роздуву.

2. Розроблено методику аналізу динамічної поведінки багатошарової оболонки, що дозволяє визначати критичні інтенсивності напружень і деформацій зсуву, при яких відбуваються якісні адгезійні з'єднання багатошарової заготовки при роздуванні.

3. На підставі рівнянь динаміки роздуву багатошарових виробів, що враховують кінематичні, динамічні та енергетичні умови на поверхнях дотику шарів визначені умови, що забезпечують пластичну деформацію дотичних шарів полімерного матеріалу і високу адгезію між шарами первинного і вторинного полімерів при максимальній продуктивності. Визначено, що швидкість деформації багатошарової заготовки необхідно регулювати тиском роздуву, а якісні адгезійні з'єднання шарів забезпечувати раціоналізацією процесу тепло-і масопереносу.

4. Розроблено алгоритм і математична модель процесу співекструзійно-роторного формування на основі врахування частоти обертання шнеків, граничної потужності, крутного моменту, напруги зсуву, часу охолодження виробу і мінімальної в'язкості розплаву з метою оптимізації конструктивних і технологічних параметрів співекструзійно-роторної машини.

5. На підставі результатів дослідження співекструзійно-видувного обладнання з переробки вторинних полімерних матеріалів і математичного моделювання, розроблена десятипозиційна конструкція ротора роздуву, яка дозволила зменшити значення діапазону часу видачі готових ємкостей об'ємом 0,3; 0,5 і 1 літр до 1,6-8, 8 с. Тому розроблена співекструзійно-видувна машина дозволяє підвищити продуктивність процесу виготовлення багатошарових виробів із вторинних полімерних матеріалів у 3,4-6,2 рази.

6. На підставі промислових випробувань розробленої співекструзійно-роторної і співекструзійно-видувної з двопозиційним вузлом роздуву машин визначено, що штучна продуктивність співекструзійно-роторної машини при тиску роздуву Р_розд = 0,55 МПа і об'єму виробів V_вир = 0,5 літрів в середньому в 3,74 рази більше, ніж співекструзійно-видувної з двопозиційним вузлом роздуву. Таким чином, при впровадженні розробленої співекструзійно-роторної машини в технологічний процес співекструзійно-видувної переробки вторинної полімерної сировини зростає обсяг переробки полімерних відходів у 3,7 рази в порівнянні з існуючою технологією.

7. Впровадження результатів роботи на ПП «Універсал» дозволило підтвердити об'єктивність проведених дослідженнь та отримати економічний ефект у сумі 52,4 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Алфаурі Мох'д А. Ф. Реологічні проблеми в співекструзії полімерів / Мох'д А.Ф. Алфаурі // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - № 12 (142). - С. 11-14.

2. Дядічев В.В. Дослідження напружено-деформованого стану в процесі роздуву багатошарової полімерної заготовки / В.В. Дядічев, А.В. Колесников, Мох'д А.Ф. Алфаурі // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2008. - № 9 (127), Ч.1. - С. 69-72.

3. Дядічев В.В. Дослідження технологічних і конструктивних параметрів обладнання для гранульованих екструзійних композицій / В.В. Дядічев, Мох'д А. Ф. Алфаурі, К.Н. Сафронов // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2005. - № 10 (92). - С. 45-49.

4. Дядічев В.В. Модель процесу вторинного формування багатошарових полімерних структур / В.В. Дядічев, Мох'д А.Ф. Алфаурі // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Наукові дослідження - теорія та експеримент 2005» 16-20 травня 2005 р., м. Полтава - 2005. - С. 16-19.

5. Дядічев В.В. Математична модель плину вторинного полімерного матеріалу у формуючему каналі співекструзійної головки / В.В. Дядічев, Т.М.Терещенко, Мох'д А.Ф. Алфаурі // Тези доповідей міждержавної науково-методичної конференції «Проблеми математичного моделювання» (25-27 травня 2005 р., м. Дніпродзержинськ) - С. 57-58.

6. Дядічев В.В. Роздув під тиском багатошарових полімерних ємностей на базі роторної технології / В.В. Дядічев, Т.М.Терещенко, Мох'д А. Ф. Алфаурі // Вісник національного університету водогосподарства і природокористування. - 2005. - № 1 (29). - С. 68-73.

7. Дядічев В.В. Моделювання процесу переробки наповнених полімерів / В.В. Дядічев, Т.М.Терещенко, Мох'д А.Ф. Алфаурі // Збірник наукових праць «Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво» національного університету водогосподарства і природокористування. - 2004. - № 1 (29). - С. 92-97.

8. Дядічев В.В. Дослідження течії розплаву вторинного полімерного матеріалу в розподільному каналі під тиском / В.В. Дядічев, В.В.Леванічев, Мох'д А. Ф. Алфаурі [та ін.] // Збірник наукових праць «Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні» СНУ ім. В. Даля. - 2004. - Ч. 1. - С. 72-77.

9. Дядічев В.В. Моделювання технологічних параметрів екструзійного обладнання з переробки полімерних матеріалів / В.В. Дядічев, О.В. Колесников, Мох'д А.Ф. Алфаурі [та ін.] // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2004. - № 12 (82). - С. 91-94.

10. Дядічев В.В. Прогнозування адгезійної міцності багатошарової структури / В.В. Дядічев, Мох'д А.Ф. Алфаурі // Вісник українського державного університету водного господарства та природокористування. - 2004. - № 2 (26). - С. 230-237.

11. Moh'd A. F. Alfaouri. The polymer's extrusion / Moh'd A. F. Alfaouri // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - № 12 (142). - С. 7-11.

Особистий внесок здобувача у роботи, які опубліковані зі співавторами

[2] - здобувачем проведений аналіз напружено-деформованого стану в процесі роздуву багатошарової полімерної заготовки;

[3] - здобувачем проведені дослідження технологічних параметрів обладнання для гранульованих екструзійних композицій;

[4] - здобувачем розроблена модель деформації полімерної трубки в процесі роздуву;

[5] - здобувачем проведено дослідження течії розплаву вторинного полімерного матеріалу в конічному каналі співекструзійної головки;

[6] - здобувачем розроблена конструкція ротора роздуву під тиском багатошарових полімерних ємностей;

[7] - здобувачем розроблена модель процесу течії в головці наповнених полімерів;

[8] - здобувачем запропонована методика дослідження течії розплаву вторинного полімерного матеріалу в розподільному каналі екструдера середнього шару;

[9] - здобувачем розроблена методика моделювання технологічних параметрів для процесу екструзійно-роторного формувань полімерних структур;

[10] - здобувачем розроблена методика прогнозування ймовірності розшаровування багатошарової структури

АНОТАЦІЯ

МОХ'Д А.Ф. АЛФАУРІ. Удосконалення технології виготовлення порожнистих виробів з полімерних матеріалів методами обробки тиском. - 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, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі вдосконалення конструкції співекструзійно-видувного обладнання для переробки вторинних полімерних матеріалів з використанням ротора роздування, що забезпечує підвищення його продуктивності.

Розроблена конструкція ротора роздування для переробки вторинних полімерних матеріалів методом співекструзійно-видувного формування. Ротор роздування забезпечує підвищення продуктивності технологічного процесу та ефективне використання основного екструзійного обладнання.

На підставі рівнянь динаміки роздування багатошарових виробів, що враховують кінематичні, динамічні та енергетичні умови на поверхнях дотику шарів визначені умови, що забезпечують пластичну деформацію дотичних шарів полімерного матеріалу і гарну адгезію між шарами первинного і вторинного полімерів при максимальній продуктивності. Визначено, що швидкість деформації багатошарової заготовки необхідно регулювати тиском роздування, а якісне адгезійне з'єднання шарів забезпечувати раціоналізацією процесу тепло- і масопереносу.

Розроблена математична модель процесу співекструзійно-роторного формування на основі врахування частоти обертання шнеків, граничної потужності, крутного моменту, напруги зсуву, часу охолодження виробу і мінімальної в'язкості розплаву з метою оптимізації конструктивних і технологічних параметрів соекструзійно-роторної машини.

Проведені експериментальні дослідження на фізичній моделі та промисловому обладнанні, що підтверджують адекватність математичної моделі.

Результати роботи впроваджені на ПП «Універсал» (м. Луганськ).

Ключові слова: вторинний полімерний матеріал, співекструзійно-роторне формування, екструдер, ротор роздування, видувна форма, тиск роздування, швидкість зсуву, зсувна деформація, математична модель, цільова функція, технологічні обмеження, гранична в'язкість розплаву.

АННОТАЦИЯ

МОХ'Д А.Ф. АЛФАУРИ Совершенствование технологии изготовления полых изделий из полимерных материалов методами обработки давлением. - 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, 2010.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи совершенствования конструкции соэкструзионно-выдувного оборудования для переработки вторичных полимерных материалов с использованием ротора раздува, что обеспечивает повышение его производительности.

Разработана конструкция ротора раздува для переработки вторичных полимерных материалов методом соэкструзионно-выдувного формования. Ротор раздува обеспечивает повышение производительности технологического процесса и эффективное использование основного экструзионного оборудования.

На основании уравнений динамики раздува многослойных изделий, учитывающих кинематические, динамические и энергетические условия на поверхностях соприкосновения слоев определены условия, обеспечивающие пластическую деформацию соприкасающихся слоев полимерного материала и хорошую адгезию между слоями первичного и вторичного полимеров при максимальной производительности. Определено, что скорость деформации многослойной заготовки необходимо регулировать давлением раздува, а качественное адгезионное соединение слоев обеспечивать рационализацией процесса тепло- и массопереноса.

Разработана математическая модель процесса соэкструзионно-роторного формования на основе учета частоты вращения шнеков, предельной мощности, крутящего момента, напряжения сдвига, времени охлаждения изделия и минимальной вязкости расплава с целью оптимизации конструктивных и технологических параметров соэкструзионно-роторной машины.

Произведены экспериментальные исследования на физической модели и промышленном оборудовании, подтверждающие адекватность математической модели.

Результаты работы внедрены на ЧП «Универсал» (г. Луганск).

Ключевые слова: вторичный полимерный материал, соэкструзионно-роторное формование, экструдер, ротор раздува, выдувная форма, давление раздува, скорость сдвига, сдвиговая деформация, математическая модель, целевая функция, технологические ограничения, предельная вязкость расплава.

SUMMARY

MOH'D A.F. ALFAOURI. The improvement of technological processing of the hollow production from polymeric material by methods processing of pressure. Manuscript. The dissertation on competition for a scientific degree of the candidate in engineering science on the specialty 05.03.05- processes and machines of processing by pressure - East Ukrainian National University, named after Vladimir Dal, Lugansk, 2010.

This dissertation is devoted to the decision of scientific and technical problem of improvement of the construction of co-extrusion blown equipment for processing of secondary polymer material by using rotor- blow that provides increase of production.

The rotor- blow devise for processing of secondary polymer materials by co-extrusion blow molding was proposed. Rotor blowing enhances the productivity gain of the technological process and the effective use of core extrusion equipment.

The physical conditions of kinematic, dynamic and energy conditions on the surfaces of the contacting layers are taken into account in order to determine the conditions for plastic deformation of contacting layers of polymeric material and good adhesion between primary and secondary layers of the polymers. This provides maximum performance of the polymer. It was determined that the rate of deformation of multilayered feedstock is necessary to regulate it by pressure of blowing, but the quality of adhesive bonding of layers ensures the process of heat and mass transfer.

The mathematical model of co-extrusion rotor forming subject to screw's turning speed, limiting the power, rotational moment, shear stress, time to cool down the goods and the minimum melt's viscosity in order to optimize a design and the technological parameters of co-extortion rotor machine was proposed.

The experimental researching on the physical model and industrial equipment confirms the adequacy of the mathematical model.

Development model has been implemented on the PE "Universal" (Lugansk).

Key words: secondary polymeric material co-extortion rotary molding, extrusion inflate molding the rotor, blow mold, blowing pressure, shear rate, shear deformation, the mathematical model objective function, processing limits, limiting viscosity of a melt.

Підписано до друку 30.04.10. Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times. Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1. Тираж 120 прим.

Вид. № 158. Замов. № 158.

Видавництво полімерний матеріал тиск вторинний

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

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

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.ed

Размещено на Allbest.ru

...