CC BY
16
During the construction of modern nuclear power plants, special attention is paid to safety. Pipeline fittings, which include shut-off, regulating and safety equipment, play an important role in the NPP system. At high pressures and with large pipeline diameters, the fittings themselves can become a source of emergency situations, therefore, the main direction in the development of the main pipelines at a nuclear power plant is the use ofpossibly simpler and more reliable fittings. A variant of replacing helical springs with a design of disc springs made of titanium alloy is proposed.
Key words: springs, sedimentation, titanium alloy VT23, relaxation, sediment.
Lenina Victoria Andreevna, senior lecturer, postgraduate, lenina_va@voenmeh.ru, Russia, St. Petersburg, D.F. UstinovBSTU«VOENMEH»,
Mikhail Yurievich Silaev, head of the laboratory, silaev_miu@yoenmeh.ru, Russia, St. Petersburg, D.F. Ustinov BSTU «VOENMEH»,
Bespalov Danil Alexandrovich, applicant, labmetcontrol@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, D.F. Ustinov BSTU «VOENMEH»,
Voinash Sergey Alexandrovich, engineer, sergey_voi@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, LLC «PRO FERRUM»,
Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, head of department, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Russia, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin
УДК 621.926.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-336-341
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАЛКОВЫХ МАШИН ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Д.В. Комаров
В статье рассмотрены особенности процесса вальцевания и каландрования полимерных материалов в валковых машинах, методы расчета энергосиловых параметров валковых машин и проанализировано влияние на производительность валковых машин различных его параметров и свойств полимерных материалов.
Ключевые слова: вальцевание, каландрование, полимерный материал, валковая машина.
Валковые машины обеспечивают переработку полимерных материалов путем их деформирования или измельчения при нахождении в зазоре между вращающимися цилиндрическими металлическими валками. Переработка полимеров на валковых машинах занимает важное место в промышленности пластических масс при получении пленочных и листовых материалов [1].
Процесс вальцевания заключается в следующем. Полимерный материал многократно проходит через зазор между подогретыми валками, которые вращаются на встречу друг другу с разной скоростью в противоположных направлениях [2].
В упаковочных производствах полученные таким образом полимерные пленки, представляющие собой смесь поливинилхлорила, пластификатора, мягчителя и стабилизатора, применяют в виде чехлов для консервации различного оборудования. Их толщина составляет от 0,19 до 0,27 мм [3].
Превращение твердого полимерного материала в вязкотекучий при вальцевании обеспечивается необходимыми температурой валков и прилагаемыми механическими деформационными усилиями, что приводит к умягчению, перемешиванию и гомогенизации полимера (рис. 1).
материал; 4 - скребок
Масса полимерного материала 3 попадает в образованный валками 1 и 2 зазор, оказываясь на их поверхности. Затем он полностью переходит на валок 2 и с помощью скребка 4 удаляется в него, приобретая форму листа.
Таким образом, вальцевание применяют для смешивания требуемых компонентов с полимерами при производстве листов и пленок, а также для нагрева и размягчения готовых полимерных материалов и получения блок- и привитых сополимеров.
В отличие от вальцевания процесс каландрования представляет собой непрерывный процесс изготовления пленочных и листовых материалов, при котором из размягченного в экс-трудере полимера образуется бесконечная лента требуемых размеров. Полимерный материал, находясь изначально в горячем состоянии, пропускается постепенно через зазоры между различными парами валков не многократно, как при вальцевании, а только один раз (рис. 2). Кроме этого скорость вращения валков при каландровании значительно выше, чем при вальцевании.
К основным энергосиловым параметрам валковых машин для вальцевания и каландро-вания являются производительность, мощность и распорные усилия сопротивлению деформации полимерного материала.
Необходимость в расчете распорных сил, которые приводят к раздвижению валков, заключается в том, что вследствие превышения из предельно допустимых значений происходит поломка предохранительных устройств, приводящая к изгибу валков.
Известно три группы методов расчета мощности и распорных усилий на валковых машинах периодического действия [1].
Метод первой группы основывается на экспериментальных исследованиях и позволяет с использованием теории подобия при анализе размерностей получить эмпирические модели распорного усилия и потребляемой вальцами мощности в зависимости от свойств конкретного полимерного материала, для которого проводились эксперименты. Однако для другого вальцуемого материала или при изменении параметров процесса данные зависимости применять нельзя.
Для материалов с явно выраженным пределом текучести применяются методы второй группы, которые строятся на теории деформации. Недостаток данной группы методов заключается в некорректном описании физической сущности процессов, происходящих в валковых машинах, в связи с тем, что не учитываются особенности процессов течения и деформации полимерных материалов.
Третья группа методов основана на уравнениях гидромеханики, так как полимерные материалы при вальцевании и каландровании ведут себя как жидкости. Все эти методы основываются на приближенном решении задачи ламинарного течения несжимаемой вязкой или вязко-упругой жидкости между двумя валками.
В установившемся режиме расчет силовых и энергетических параметров вальцевания наиболее целесообразно выполнять по методу В.Н. Красовского с использованием номограмм и таблиц [1, 4].
Производительность вальцов периодического действия определяется по выражению
_ 60Кра
пп _ ,
т з + т п + тв
где V - объем единовременной загрузки, рассчитываемый по эмпирическому соотношению V _ (0,65 ^ 0,85)ВЬ , в котором В , Ь - диаметр переднего валка и длина его рабочей части; р - плотность полимерного материала; а - коэффициент использования машинного времени ( а _ 0,8 ^ 0,9); тз, Тп, Тв - длительность загрузки, переработки и выгрузки полимерного материала соответственно.
Производительность вальцов непрерывного действия в зависимости от способа прохождения полимерного материала через зазор между валками определяется по одной из двух формул:
- при однократном прохождении:
_ 60жВпИрЪа,
- при многократном прохождении:
п м 60%ВпИрЪа пн _ ,
п
где В - диаметр валка, с которого снимается масса; п - частота вращения валка; Н, Ъ - толщина и ширина полимерного материала на выходе из зазора, щ - количество прохождений полимерного материала.
Производительность валковых машин для каландрования
Пк _ 60пЭптРНЪра, или с учетом характеризующей отношение скоростей валков фрикции /
Пк _ 60%ВпНЪра ,
где р - коэффициент опережения по скорости быстроходного валка; пт - частота вращения
тихоходного валка [1].
Проанализируем, как на производительность валковых машин влияют их конструктивные параметры и свойства полимерных материалов при вальцевании и каландровании.
Для этого рассмотрим валковые машины трех следующих типов: тип I - В _ 0,15 м, Ь _ 0,35м, тип II - В _ 0,55м, Ь _ 0,8м и тип III - В _ 0,66м, Ь _ 1,5м. Толщина полимерной пленки Н _ 0,25 мм, а ее ширина для каждого типа вальца принимает следующие значения: для типа I - Ъ _ 0,3 м, для типа II - Ъ _ 0,7 м и для типа III - Ъ _ 1,3 м. Плотности полимерного материала р _ 1100кг/м3 и р _ 1300кг/м3. Коэффициент использования а _ 0,85 . Построим графики зависимости производительности валковых машин для вальцевания периодического действия трех указанных типов от времени процесса / _тз + тп + тв, представленные на рис. 3. При построении графиков принято следующее значение объема единовременной загрузки V _ 0,75ВЬ.
Для валковых машин периодического действия типа I производительность в зависимости от времени процесса изменяется несущественно и составляет в рассматриваемом диапазоне времени от 0,25 до 0,75 т/ч. Для машин типа II это изменение более существенно и диапазон изменения производительности от 1,9 до 5,5 т/ч.
На производительности машин типа III время процесса вальцевания играет наиболее существенную роль, так как диапазон ее значений более широк и составляет от 4,9 до 12,4 т/ч (см. рис. 3, а, б).
Построим графики зависимости производительности валковых машин для вальцевания непрерывного действия от частоты вращения валка для трех указанных ранее их типов при однократном прохождении полимерного материала через вальцы (рис. 4).
Графики показывают аналогичную ситуацию с валковыми машинами периодического действия. Производительность каждого из трех типов машин в зависимости от частоты вращения валка составляет: для типа I от 0,05 до 0,2 т/ч, для типа II от 0,35 до 1 т/ч, для типа III от 0,75 до 2,5 т/ч (см. рис. 4, а, б).
Производительность валковых машин непрерывного действия при многократном прохождении полимерного материала через вальцы отличается в п^ раз от аналогичных машин с однократным прохождением материала.
Qn т/ч 12 11 10 9
5 1
6 5 4 3 2 1 0
Тип I
Тип II
■ Тип Ш
Qn т/ч 12 11 10 9 3 7 6
ч
X
X
Т т П
т
9 t: мин
а б
Рис. 3. Графики зависимости производительности трех типов валковых машин периодического действия от времени процесса вальцевания для полимерных материалов
с плотностями 1100 кг/м3 (а) и 1300 кг/м3 (б)
QH
т/ч
Тип III
** *
м t*""
Т ип I
Ой т/ч
Тип III
ТипП
Тип1
■20 25 30 35 40 45 Е, об./мин °20 25 30 35 40 45 п. об./мин
а б
Рис. 4. Графики зависимости производительности валковых машин непрерывного действия трех типов от времени процесса вальцевания при однократном прохождении полимерного материала с плотностями 1100 кг/м3 (а) и 1300 кг/м3 (б)
Построим графики зависимости производительности валковых машин для каландрова-ния от частоты вращения валка для трех указанных ранее их типов с учетом фрикции 1,18 (рис.
5).
Производительность каждого из трех типов валковых машин для каландрования в зависимости от частоты вращения валка составляет для типа I от 0,05 до 0,15 т/ч, для типа II от 0,4
до 1,1 т/ч и для типа III от 0,8 до 2,45 т/ч.
Qk т/ч
Тип
*"
Ти ц[
Qk
т/ч
Тип III
'ни::
Тип I
20 25 30 35
40 45 п, об./мин 20 25 30 35 40 4) ц об./мин
а б
Рис. 5. Графики зависимости производительности валковых машин трех типов от времени процесса каландрования для полимерных материалов с плотностями
1100 кг/м3 (а) и 1300 кг/м3 (б)
Таким образом, проведенный анализ производительности валковых машин показал, что существенное влияние на данный параметр оказывают размеры валков и частота их вращения. В дальнейшем необходимо проанализировать влияние основных параметров валковых машин и свойств полимерных материалов на другие энергосиловые параметры валковых машин.
Список литературы
1. Николаева О.И., Бурмистров В.А. Конструкции и расчеты валковых машин для переработки полимеров: учебное пособие; под редакцией чл.-корр. РАН О.И. Койфмана; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2014. 116 с.
2. Вальцевание. Каландры. Валковые машины. [Электронный ресурс] URL: https://ence-gmbh.ru (дата обращения: 19.07.2022).
3. Справочник по технологии изделий из пластмасс / Под ред. Г.В. Сагалаева, В.В. Ку-лезнева. М.: Химия, 2000. 424 с.
4. Автоматизированное проектирование валковых машин для переработки полимерных материалов / Клинков А.С. и др. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2005. 320 с.
Комаров Денис Викторович, магистрант, komarovdO 75@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE ANALYSIS OF KEY PARAMETERS OF ROLL CARS FOR PROCESSING OF POLYMERIC MATERIALS
D.V. Komarov
The article considers the peculiarities of the process of rolling and calendering of limer materials in roller machines, methods of calculating power parameters of roller machines and analyzed the impact on the performance of roller machines of its various parameters and properties of polymer materials.
Key words rolling, calendering, polymer material, roller machine.
Komarov Denis Viktorovich, masters, komarovd075@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
