close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Устойчивость формования наполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе..pdf

код для вставкиСкачать
Вестник СГТУ. 2012. № 1 (64). Выпуск 2
УДК 621.926.4:622.784:678.027
В.Я. Логинов, Л.В. Равичев, А.В. Беспалов
УСТОЙЧИВОСТЬ ФОРМОВАНИЯ НАПОЛНЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ
КОМПОЗИЦИЙ В ОДНОШНЕКОВОМ ПРЕССЕ
На основе математического моделирования выявлены причины
неустойчивости формования наполненных дисперсных композиций в
одношнековом прессе. Создан инструмент специального исследования
физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций и
оптимального проектирования процесса с учетом неустойчивости.
Предложены новые конструкции пресса, повышающие устойчивость
формования и экономические показатели процесса.
Наполненные дисперсные композиции, формование, одношнековый пресс
V.Y. Loginov, L.V. Ravichev, A.V. Bespalov
STABILITY OF FORMATION OF THE FILLED DISPERSE COMPOSITIONS
IN THE ONE-SCREW PRESS
On the basis of mathematical modeling the reasons of instability of
formation of the filled disperse compositions in a single screw press are
established. The tool of special research of physic-mechanical properties of the
filled disperse compositions and optimum designing of process taking into
account instability is created. The new designs of a press raising stability of
formation and economic indicators of process are offered.
Filled disperse compositions, formation, one- screw press
Основной проблемой формования в одношнековом прессе наполненных дисперсных
композиций (катализаторы, керамика, комбикорма, древопласты и т.п.) является нестабильность процесса и ее крайний случай − потеря устойчивости процесса, т.е. прекращение формования из-за срыва массы с рифов на корпусе (когезионный разрыв). Потеря устойчивости
процесса формования приводит к большим материальным и энергетическим потерям, т.к.
требуется останов не только стадии формования, но всей технологической линии, очистка
оборудования и последующий запуск. Дополнительно – это потеря количества и качества
продукта, повышенный износ и досрочный ремонт оборудования. Такая проблема отсутствует при формовании псевдопластиков, к которым относят большинство термопластов, реактопластов, эластомеров и их композиций [1, 2].
Для наполненных дисперсных композиций (НДК) не удается оптимизировать, а также
стабилизировать процесс одношнекового формования из-за недостатка знаний о физикомеханических свойствах НДК и, как следствие, несовершенства конструкции пресса и режима формования во многих отраслях промышленности, в которых по-прежнему преобладает
эмпиризм в проектировании и эксплуатации шнековых машин, в отличие от формования
псевдопластиков, для которых теория и практика шагнули далеко вперед [1, 2].
Задача настоящей работы заключается в создании инструмента исследования физикомеханических свойств НДК и оптимального проектирования процесса шнекового формования с учетом неустойчивости, а также разработке новых конструкций пресса для повышения
устойчивости формования.
398
Информационные технологии
Наполненная дисперсная композиция представляет коллоидное капиллярно-пористое
тело с каркасом из агломератов твердой фазы, удерживающим внутри жидкую и газовую фазы. В поле напряжений сдвига НДК проявляют твердообразные упруго-вязко-пластичные
свойства [3, 4], в отличие от хорошо изученных и многократно описанных гомогенных расплавов псевдопластиков, которые в большинстве случаев заметно проявляют лишь вязкопластичные свойства [1, 2].
Неустойчивое поведение НДК при сдвиговом деформировании усиливает анизотропия структуры, состава и свойств в поле напряжений сдвига, давлений и температур, в частности, ориентация макромолекул и надмолекулярных образований вдоль силовых линий поля и неравномерная миграция газовой и жидкой фаз, особенно интенсивно на границе с твердой поверхностью каналов с образованием специфического «смазывающего» слоя, поэтому
конструктивной особенностью одношнековых прессов для формования НДК являются рифы
на корпусе для удержания массы от проскальзывания.
Для математического моделирования одношнекового формования НДК с учетом неустойчивости нами разработаны специальные методики исследования физико-механических
свойств [4]: компрессионных свойств, реологических и прочностных характеристик на основе анализа сдвиговой ползучести, характеристик внешнего трения на поверхности каналов.
Результаты исследования компрессионных свойств НДК прессованием в закрытую
форму используются для оценки готовности массы к формованию, а также для описания изменения плотности массы в прессе и не только в зонах загрузки и уплотнения, но и в зоне дозирования. Значительное изменение плотности трехфазных НДК от давления не позволяет использовать в описаниях формования допущение о несжимаемости массы [1, 2], что значительно усложняет математическую модель формования наполненных композиций [3, 4].
Для количественной экспресс-оценки степени готовности НДК к формованию предлагаем использовать модуль удельной работы уплотнения:
ρк
Vк
A
P
A = ∫ PdV , → Aк =
= ∫ 2 d ρ,
(1)
m ρ0 ρ
V0
где P – давление; V0 и Vк – начальный и конечный объем4 m – масса; ρ0 и ρк – начальная и
конечная плотность.
Методика оценки реологических характеристик НДК на основе анализа сдвиговой
ползучести кроме параметров течения определяет также критический градиент деформации
сдвига – показатель сверханомалии сдвигового деформирования, которая проявляется в
накоплении деформации и приводит к когезионному разрыву, т.к. время релаксации напряжений сдвига для наполненных дисперсных композиций значительно больше времени деформирования в процессе переработки [3, 4]:
tk
γ k = ∫ γ& ⋅ dt ,
0
(2)
где γ& – скорость сдвига [1/с]; tk – индукционный период когезионного разрыва [с].
Критический градиент деформации сдвига (2) (далее назовем критическим индексом
прочности) зависит не от напряжения сдвига, а от природы и соотношения жидкой и твердой
фаз, а также температуры и давления, т.е. чувствителен к внешним факторам.
Условие устойчивости наполненных дисперсных композиций в поле сдвиговых
напряжений в общем случае имеет вид:
γ < γ k или γ / γ k или 1 − γ / γ k > 0 .
(3)
где γ – индекс прочности; γk – критический индекс прочности.
Индекс прочности γ характеризует фактическую деформацию сдвига («сдвиговую
усталость»), накопленную композицией в любой произвольной точке поля сдвиговых де399
Вестник СГТУ. 2012. № 1 (64). Выпуск 2
формаций. Выражение γ / γk определяет уровень прочности (устойчивости), а выражение
1 – γ / γk показывает запас прочности (устойчивости) в выбранной точке.
Часто используемая в теории экструзии полимеров нестационарная трехмерная математическая модель движения несжимаемой изотропной жидкости в общем виде может быть
описана системой уравнений механики сплошной среды [1, 2], представленной ниже уравнениями: неразрывности, движения, энергии, теплопроводности Фурье, реологии:
Dρ
(4)
= − ρ (∇ ⋅ v ) ,
Dt
Dv
= −∇P + [∇ ⋅ τ ] + ρ ⋅ g ,
Dt
DТ
 ∂P 
,
ρ ⋅ Cv ⋅
= −(∇ ⋅ q ) − A ⋅ T ⋅ 
 ⋅ (∇ ⋅ v ) + (τ : ∇ ⋅ v ) ⋅ A
Dt
 ∂T  ρ
ρ⋅
(5)
(6)
q = −k ⋅∇T ,
(7)
(8)
τ = µ ⋅∆,
где ρ – плотность; t – время; v – вектор скорости; Р – давление; τ – тензор напряжений сдвига, g – главный вектор массовых сил; сv – удельная изохорная теплоемкость; q – вектор теплового потока; Т – температура; А – термический эквивалент работы; k – коэффициент теплопроводности; µ – коэффициент вязкости; ∆ – тензор скорости деформации; ∇ –
дифференциальный оператор, D / Dt – полный дифференциал.
Прямое использование системы уравнений (4), (8) для описания в целом движения
наполненных дисперсных композиций в каналах пресса затруднительно из-за описанных
выше особенностей структуры и свойств НДК: среда сжимаема, анизотропна и проявляет
сверханомалию при сдвиговом деформировании.
Ранее [3, 4] нами показана возможность построения и практического использования
ячеечной модели одношнекового формования НДК с погрешностью моделирования, не превышающей погрешность измерения технологических параметров и описания физикомеханических свойств НДК. При этом математическое описание движения НДК в пределах
каждой ячейки включает уравнения (4)-(6). Сдвиговое деформирование НДК в докритической области кривой течения описывается реологическим уравнением Балкли-Гершеля с параметрической зависимостью от температуры и характеризует стержневой характер течения
в зонах ячейки с напряжением сдвига меньше предела текучести:
γ& = k (T ) ⋅ (τ − τ 0 )n ,
k (T ) = kн ⋅ exp[bT ⋅ (T − Tн )],
(10)
τ
&
где γ – скорость сдвига; – напряжение сдвига; τ 0 – предел текучести; n – индекс течения,
k(T) – коэффициент консистенции в зависимости от текущей температуры массы; kн –
начальное значение k(Tн); Tн и T – начальная и текущая температура, bT – термический коэффициент. Скольжение массы на стенках каналов, включая боковые, имеет место при условии, когда сила внутреннего вязкого трения превышает силу внешнего трения:
τ µ = c1 ⋅ (1 + c2 ⋅ P c3 ) ⋅ ln[1 + Vc c4 ],
(11)
где τµ – напряжение внешнего трения; P – давление, Vc – скорость скольжения; С1 − С4 – параметры.
Для оценки устойчивости формования НДК (3) в каждой ячейке определяется индекс
прочности, характеризующий фактическую накопленную деформацию сдвига («сдвиговую
усталость»), в т.ч. максимальную в наиболее напряженном аксиальном сечении зазора зоны
дозирования в предматричной области.
Таким образом, реальное трехмерное движение наполненных дисперсных композиций
в каналах одношнекового пресса моделируется конечной последовательностью ячеек вдоль
оси канала с раздельным двухмерным представлением характера движения в каждой ячейке
и учетом тепломассообмена между ячейками, контактирующими вдоль канала и через ре400
Информационные технологии
борду, а также теплообмена с корпусом и шнеком. Модель учитывает распределенность по
длине каналов конструктивных, технологических параметров пресса и основных физикомеханических свойств, в т.ч. особенности структуры и характер развития деформации.
Проверка адекватности математической модели одношнекового
формования НДК выполнена на одном из действующих прессов. Среднее отклонение производительности
пресса в эксперименте от расчетной в
серии испытаний при различных скоростях вращения шнека не превышает 7,5 %. Максимальное отклонение
составляет 12 % [4].
Исследования на основе математической модели чувствительности номинального режима формования по параметрам модели, представленным на рисунке, выявили область
угрозы устойчивости по каждому паДиаграмма устойчивости номинального и оптимального
раметру, а также отсутствие опти- режимов одношнекового формования НДК в пространстве
мальности номинального режима и
основных конструктивных и технологических параметров.
возможности поиска оптимальных
Все величины даны относительно номинала. Область
значений параметров. Отметим на
угрозы срыва (устойчивости) ограничена линиями срыва
и угрозы срыва
рисунке для обеспечения оптимального запаса устойчивости системы в
целом запас устойчивости для различных параметров процесса различен, наличие угрозы устойчивости процесса формования в
номинальном режиме по шагу шнека и давлению формования, т.е. процесс на грани срыва. При
этом небольшие случайные отклонения любых параметров объекта, в т.ч. физико-механических
свойств композиции на входе в пресс могут привести к потере устойчивости.
В результате оптимизации процесса одношнекового формования НДК с использованием
разработанной нами математической модели одношнекового формования и методики оценки
границ области угрозы устойчивости [4] найдены оптимальные значения конструктивных и технологических параметров, обеспечивающие уменьшение удельных затрат энергии в зоне дозирования пресса на 62 % и повышение устойчивости на 114% (рис. 1).
Столь значительный эффект оптимизация не возможен без использования разработанных нами новых элементов конструкции пресса [4]: прессинструмента, позволяющего
уменьшить давление формования на 15 %, и, как следствие, снизить удельные затраты энергии на 25 %, повысить запас устойчивости на 22% (от 0,55 до 0,67), а также новой конструкции рифленой втулки в корпусе пресса, которая позволяет уменьшить поток утечек в рифах
и зазоре на 36% и снизить удельные затраты энергии на 9% при сохранении запаса устойчивости процесса в целом на уровне 0,64.
ЛИТЕРАТУРА
1. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1977. 462с.
2. Раувендааль К. Экструзия полимеров. СПб.: Профессия, 2006. 768 с.
3. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов А.В., Старостина Н.Г. Математическая модель формования наполненных композиций в одношнековом прессе // ТОХТ. 1999. Т.33. №2. С.208-216.
4. Логинов В.Я. Формование высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе.: Дис. … канд. техн. наук. / РХТУ им. Д.И.Менделеева. М., 2009. 272 с.
401
Вестник СГТУ. 2012. № 1 (64). Выпуск 2
Равичев Леонид Владимирович –
кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление технологическими инновациями»
Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
Логинов Владимир Яковлевич –
кандидат технических наук, программист отдела лицензирования и аккредитации образовательных программ Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
Беспалов Александр Валентинович –
доктор технических наук, профессор кафедры общей химической технологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
Статья поступила в редакцию 5.03.12, принята к опубликованию 12.03.12
402
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
274 Кб
Теги
наполненных, pdf, дисперсных, одношнековых, пресс, формования, устойчивость, композиций
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа