CC BY
34
Машиностроение. Строительство. Металлообработка
УДК 691.175:579.222.2(075)
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО КРИТЕРИЯ КАЧЕСТВА В ЗОНАХ ДЕФОРМАЦИИ СМЕСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
С.С. Гуреев, А.С. Клинков
Кафедра «Переработка полимеров и упаковочное производство»,
ГОУВПО «ТГТУ»; Polymers@asp.tstu.ru
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: качественный показатель; смешение; смесительный эффект; суммарная величина сдвига.
Аннотация: Выведена зависимость для расчета суммарной деформации сдвига для процесса смешения, позволяющая оценить качество получаемого композита.
Установлено, что на качественные показатели получаемого модифицированного вторичного термопластичного материала (прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве) определяющее влияние оказывает сдвиговая деформация, возникающая в рабочих органах смесителей. Она зависит от различных конструктивных (геометрические размеры смесителя) и технологических (частота вращения рабочих органов смесителя, фрикция, температура внутри смесительной камеры) параметров процесса смешения.
Определим комплексный интегральный критерий переработки материалов, характеризующий качественные показатели модифицированного вторичного термопластичного материала, величина которого может быть положена в основу при расчете конструктивных и технологических параметров смесительных агрегатов.
Анализ литературных источников [1, 2] показал, что в основу интегрального критерия качества может быть положена величина суммарной деформации сдвига, возникающая в рабочих зазорах перерабатывающих машин.
Величина суммарной деформации сдвига для процесса смешения и модификации отходов термопластов на смесительном оборудовании (рабочие органы -валки) (рис. 1) может быть представлена как алгебраическая сумма суммарных величин сдвига для периодического процесса вальцевания (зона I, рис. 2) и изотермического течения вязкой жидкости между двумя коаксиальными цилиндрами (зоны II и III, см. рис. 2)
где ув, улц, упц - суммарная величина сдвига для периодического процесса вальцевания, в зазорах между стенкой камеры и вращающимися левым и правым валковыми рабочими органами соответственно; к - коэффициент перекрытия зон деформации.
(1)
Рис. 1. Общая схема процесса смешения
(рабочие органы - валки)
Рис. 2. Зоны деформирования материала:
I - межвалковый зазор;
II, III - коаксиальные цилиндры
Оценка смесительного эффекта при периодическом режиме процесса вальцевания (рис. 3) полимерных материалов была рассмотрена в работах [1, 2].
Таким образом, в соответствии с основными положениями теории ламинарного смешения, смесительное воздействие при однократном прохождении вальцуемого материала через зазор можно оценить по величине средней деформации сдвига, которая при этом реализуется в элементарном объеме вальцуемой массы.
В зоне поступательного течения линии тока располагаются примерно параллельно поверхности валков. Поэтому величина деформации сдвига в пределах этой зоны определяется выражением [3]
V *0 у
R
Л/2
1/2 Uo ? 3n(x2 - X„2 )+4+X2)
°x X„ ( + A.2)
(1- X 2 JfartfgX, - arctgX„ ) + (l + XK ))'
1 + X„
+ — 2
X
V
l+xK l+x2
„2 + arctgXK - arctgX„
(2)
где - скоростной поток в направлении оси X; ^ = (и + и2)/2 - средняя вели-
чина окружной скорости валков, мм/с; и\, и2 - величины окружных скоростей, соответственно левого и правого валков, мм/с; X = и - и^2и0 ; п = У / Ь; Я -радиус валков, мм; Ь0 - половина межвалкового зазора, мм.
Величина средней деформации сдвига, которой подвергается удельный объем материала при однократном проходе через зазор,
+1
jVn / Q
-1
Xк X„ U 0
(3)
У
+
h
0
У
X к2 = е/2и0 Й0 -1.
Тогда, учитывая выражение (3), получим
У = )у^Пу/Ь(2*0Яу/2(1 + Хк2) - Х„).
Вычисляем определенный интеграл, входящий в уравнение (3): +/п^п 1 1 -X
-1 7x U 0
1 -X2 (1 + X2
+1
j dn. =
J 7)
1
-1 x
2U 0H + X
2
(5)
(6)
(7)
Тогда, величина средней удельной деформации сдвига, реализуемой за один проход при вальцевании с фрикцией, будет определяться выражением
Ч!
( - XК )ctgXк - arc1:gX„)+ (1 + XK )2X„ -
1 + X н
X к
1 -X
1 -x2 (1+x к)
^1 + X K2)
X
1 + X к2 1 + X „2
„2 + arctgXк - arctgX„
[*02(1 + Xк2)xк - X„)
(8)
Суммарная величина смесительного воздействия, которому подвергается материал за все время вальцевания, равна произведению однократного воздействия на число проходов
где i (t) =
й
(X к - X „ X2Rh0
У п = У1 ^).
- число проходов; t - время процесса, с.
Оценка смесительного воздействия на полимерный материал в случае процесса изотермического движения жидкости, находящейся в кольцевом зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, из которых наружный - неподвижен, а внутренний вращается с некоторой окружной скоростью (рис. 4), была рассмотрена в работах [1-3]. Для левого и правого рабочих пространств формулы будут идентичными за исключением величин скоростей.
Величина скорости сдвига вычисляется по формуле
(9)
Рис. 4. Схема установившегося изотермического течения жидкости между двумя коаксиальными цилиндрами
+
X
X
Y = 2 U/Rn (1 -p^n ),
(10)
где и - окружная скорость внутреннего цилиндра, мм/с; Я - радиус внутреннего
в Ян
цилиндра, мм; р = —^-----отношение радиуса внешнего цилиндра к радиусу внут-
Я
реннего цилиндра; п - индекс течения расплава.
Суммарная величина смесительного воздействия, которому подвергается материал за время t, определяется следующим образом
Из вышеприведенных расчетов следует, что величина суммарной деформации сдвига для процесса модификации отходов термопластов на смесительном оборудовании (рабочие органы типа валков) может быть определена следующим образом
Проведенные экспериментальные исследования процесса модификации полиэтилена низкой плотности активированной сажей показали, что суммарная величина сдвига в рабочих органах полимерперерабатывающих машин является оценочным показателем качества получаемого композиционного полимерного материала.
Список литературы
1. Мак-Келви, Д.М. Переработка полимеров / Д.М. Мак-Келви. - М. : Химия, 1965. - 442 с.
2. Торнер, Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов) / Р.В. Торнер. - М. : Химия, 1977. - 464 с.
3. Оборудование для переработки пластмасс : справ. пособие / Под ред. В.К. Завгороднего. - М. : Машиностроение, 1976. - 407 с.
4. Исследование свойств вторичного гранулята, полученного на валковошнековом агрегате / Д.Л. Полушкин [и др.] // Процессы, технологии, оборудование и опыт переработки отходов и вторичного сырья : III Всерос. науч.-практ. конф. : Известия Самарского научного центра РАН / Самарск. науч. центр РАН. -Самара, 2008. - С. 56-62.
5. Применение интегральных критериев качества при переработке полимерных материалов валково-шнековым методом / А.С. Клинков [и др.] // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 14, № 4. - С. 870-881.
6. Автоматизированное проектирование валковых машин для переработки полимерных материалов : монография / А.С. Клинков [и др.]. - М. : Машиностроение-!, 2005. - 320 с.
(11)
(12)
Testing Method for Integral Quality Criterion in the Deformation Zones of Mixing Devices
S.S. Gureev, A.S. Klinkov
Department “Processing of Polymers and Packaging”, TSTU;
Polymers@asp. tstu. ru
Key words and phrases: qualitative index; mixing; mixing effect; total value of the shear.
Abstract: The dependence for the total deformation shear calculation for the mixing process, which makes it possible to estimate the quality of the obtained composite, is determined.
Methodik der Bestimmung des Integralkriteriums der Qualitat in den Zonen der Deformierung der Mischanlagen
Zusammenfassung: Es ist die Abhangigkeit fur die Berechnung der Summarde-formierung der Verschiebung fur das Mischprozess aufgestellt. Sie erlaubt die Qualitat des erhaltenden Komposites einzuschatzen.
Methode de la definition du critere integral de la qualite dans les zones de la deformation des dispositifs melangeurs
Resume: Est deduite la dependance pour le calcul de la deformation sommaire du decalage pour un processus du melange permettant d’evaluer la qualite du composite obtenu.
Авторы: Гуреев Сергей Сергеевич - аспирант кафедры «Переработка полимеров и упаковочное производство»; Клинков Алексей Степанович - кандидат технических наук, профессор кафедры «Переработка полимеров и упаковочное производство», ГОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Ванин Василий Агафонович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ГОУ ВПО «ТГТУ».
