CC BY
15
Дьякова Элеонора Владимировна, аспирант, eleonora. borovkovaayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARA TIVE ANALYSIS OF THE FEED RA TE OF HOPPER-FEEDER DEVICE WITH PROFILE POCKETS AND ROLA TING ROLLERS
E. V. Diakova
Mathematical models of the feed rate of mechanical disk hopper-feeder device with profile pockets and rotating rollers for the element of cartridge-shooting equipment are considered, and the most productive design of the hopper-feeder device is selected.
Keywords: hopper-feeder device, automatic feeding, automatic feeding system.
Diakova Eleonora Vladimirovna, postgraduate, eleonora. borovkova@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state university
УДК 621.798:664 (075.8)
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭКСТРУДЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ УПАКОВОЧНЫХ ПЛЕНОК
А.М. Рожков
В статье рассмотрены и проанализированы способы получения многослойных полимерных пленок для упаковочных производств, выявлены преимущества метода со-экструзии, проанализировано влияние на производительность экструдера кинематических и конструктивных параметров шнека и параметров производимых пленок.
Ключевые слова: многослойная упаковка, экструзия пленок, полимерные пленки.
К качеству пищевых продуктов предъявляются высокие требования, что обуславливает необходимость упаковывания всех производимых пищевой промышленностью изделий в тару из современных видов упаковочных материалов. Полимерные материалы в зависимости от их свойств широко применяются в упаковочной промышленности.
Технология получения упаковочного материал на полимерной основе в зависимости от количества слоев может реализоваться несколькими способами.
Одним из самых распространенных способов получения плёнки для упаковки является экструзия, которая широко применяется в упаковочных производствах для получения полимерных листов и плёнок и представляет собой литье под давлением в пресс-форму бесконечной длины. Этот метод осуществляется по двум технологиям, при первой из которых получают рукавные плёнки, а по второй - с помощью плоскощелевого метода однослойные или дублированные плёнки. Эти методы позволяют получить упаковочный материал, как с одним, так и с несколькими слоями.
Не менее распространенным способом получения многослойных плёнок наряду с первым является соэкструзия, которая основана на том, что расплав различных по природе полимеров из нескольких экструдеров, как правило, двух или трех, направляется в единую экструзионную головку, которая формует многослойный материал для упаковки [1].
Сравнение и анализ конструкций экструдеров показали, что отличия их заключаются в том, что для получения соэкструзионных плёнок используются одни и те же типы экструдеров, но с различными конструкциями экструзионной головки. При этом для соэкструзии применяют несколько экструдеров с совместной головкой.
Значительным преимуществом способа соэкструзии при получении многослойных плёнок в отличие от других способов является экономическая эффективность, обусловленная производством многослойной упаковочной пленки непосредственным образом из гранулятов пластических масс при выполнении единого технологического процесса, а также безотходное производство, при котором излишки и отходы производства можно использовать для того, чтобы получить средний слой (например, при контактировании полученного упаковочного материала с продуктом).
Поэтому наиболее эффективным способом получения упаковочного материала из полимерных плёнок является соэкструзия, современным направлением развития которой происходит путем повышения количества входящих в нее слоев. При этом толщина каждого из них уменьшается таким образом, чтобы общая толщина пленки существенно не изменилась. Уже производят оборудование, которое выпускает пленки с 17-ти и 21-им слоем, в которых обеспечивается минимальная толщина входящих в структуру пленки слоев. Нанослойная технология соэкструзии широко развивается и в настоящее время изучается возможность создания пленок с 30 слоями [2].
Качество полимерного изделия зависит от равномерности распределения расплава в канале экструзионной головки. Точность поддержания толщины слоя обеспечивается конструктивными параметрами распределительных каналов головки, а также технологическими параметрами переработки полимерного материала. Основное назначение распределительного канала экструзионной головки состоит в приеме расплавленного полимера, придании ему кольцевой формы с минимальной разнотолщинно-стью, дополнительной пластикации и гомогенизации полимерного материала, поддержании или некотором повышении температуры полимерного расплава, а также создании сопротивления движению полимера, необходимого для поддержания определенного режима экструзии [3].
Проведенные в работе исследования показали, что распределительный канал с постоянным диаметром копильника, имеющий относительно несложную конфигурацию, обеспечивает разнотолщинность ±7,5%, что приемлемо для многих современных процессов производства пленочных материалов. Так как чистка экструзионных головок проводится с периодичностью от 3 до 24 месяцев, то указанная операция трудоемка и связана с повышенным термическим и механическим воздействием на поверхность головки, что приводит к постепенному изменению геометрии и твердости поверхности. В связи с этим одной из задач повышения надежности оборудования для соэкструзии и получения высококачественных пленок полимера является установка взаимосвязей между параметрами конструктивных элементов экструзионного оборудования и параметрами производимых пленок. При вращении шнека соэкструзионного оборудования расплав полимера начинает прилипать к его поверхности. При этом движение расплава полимера можно рассматривать по аналогии с движением насаженной на винт гайки, которая движется за счет торможения о стенки цилиндра и скольжения относительно вращающегося шнека [4]. В работе была разработана математическая модель течения расплава полимера в соэксрузионной машине, позволяющая определить взаимосвязь между производительностью машины с ее конструктивными и кинематическими параметрами и свойствами полимера. Пробковую модель течения полимера после преобразований запишем в виде
Л = Н
' 1 ^а ^
(1)
sin а Уг + V tgа J' 456
где ^ - пристенная вязкость, которая характеризует сопротивление сдвигу пробки на стенке пластины; Уг - скорость релаксации; Н - константа пристенной вязкости; Уг -скорость движения пробки расплава; а - угол взаимодействия.
Проведем исследование зависимости пристенной вязкости от скорости движения пробки расплава полимера при различных углах взаимодействия в диапазоне скоростей от 0,1 м/с до бесконечности. Анализ показал, что при достижении значения скорости 10 м/с, при всех значениях а каждая кривая становится параллельной горизонтальной оси. Поэтому на рис. 1 показан график изменения пристенной вязкости от скорости, при ее значениях от 0,1 до 10 м/с.
Рис. 1. Графики зависимости пристенной вязкости от скорости движения пробки расплава полимеров при углах взаимодействия:
а = 65° (_); а = 70° (......); а = 75° (_____)
Для оценки производительности зоны дозирования машины для соэкструзии воспользуемся формулой
Q = pDh-(1 - e/t)- V, (2)
где D - диаметр шнека; h - высота витков; t - шаг витков шнека; е - толщина витков; V - результирующая скорость движения расплава вдоль оси шнека, определяемая по выражению
V =
w
^ pDn - sin jcos j Dp h - sin2 j^
h + w
2
h-L
2
(3)
в котором n - частота вращения шнека; j - угол винтовой нарезки шнека; L - длина шнека; Dp - противодавление на выходе зоны дозирования.
Расчетная схема и основные параметры шнека для соэкструзии, обеспечивающего подачу полимера к экструзионной головке, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема шнека для соэкструзии
Тогда получаем математическую модель производительности зоны дозирования машины для соэкструзии с учетом выражений (1) и (3) в следующем виде
Q = pDh (1 -e/t)■
w
h + w
/
pDn ■ sin j cos j Dp h ■ sin j
2
h L
2
Проанализируем, как на производительность зоны дозирования влияют частота вращения и габаритные размеры шнека, а также параметры процесса движения расплава полимера. В качестве примера рассмотрим шнек с геометрическими параметрами: е = 6 мм, L = 1500 мм, h = 5 мм, w = 40 мм, а параметрами D и ф, будем варьировать.
О
100
80 т
40
20 о
D = 00мм
D - 50мм
D = 40мм
_ '„. *
20
40 00
а
30
о
so
60 40
20 о
20°.-'
_ -' 15°
_. - 10°
20
40
60
so
б
Рис. 3. Графики зависимости производительности зоны дозирования от частоты вращения шнека при различных диаметрах (а) и углах винтовой нарезки шнека (б)
Графики зависимости производительности зоны дозирования от частоты вращения шнека при диметрах шнека 40, 50 и 60 мм, а также углах винтовой нарезки шнека 10о, 15о и 20о, представлены соответственно на рис. 3, а и рис. 3, б.
Графики показывают, что при увеличении диаметра и угла винтовой нарезки шнека производительность зоны дозирования процесса соэкструзии увеличивается. Например, при увеличении диаметра с 40 до 60 мм производительность зоны дозирования увеличивается при каждом значении частоты вращения в 1,44 раза (см. рис. 3, а), а при увеличении угла винтовой нарезки шнека с 10 до 20о - в 1,53 раза (см. рис. 3, б).
Таким образом, производительность зоны дозирования в зависимости от конструктивных и кинематических параметров шнека в диапазоне частот его вращения от 20 до 100 об./мин составляет от 20 до 120 кг/ч для рассматриваемого полимера.
Список литературы
1. Пантюхина Е.В., Котляров В.С., Пантюхин О.В. Перспективные технологии изготовления пищевой упаковки: учебник. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 212 с.
2. Полимерные пленки: материалы, технологии и назначение, последние тенденции рынка. Специальный выпуск «Все о пленках» / Отраслевой портал Unipack.Ru [Электронный ресурс] URL: http://www.unipack.ru/paper/Plenki_Unipack_Ru2008.pdf. (дата обращения: 30.09.2020).
3. Леваничев В.В. Разработка технологии совместной экструзии в условиях единичного производства // Х.: Восточноукраинский национальный университет им. В.И. Даля, 2016. 220 с.
4. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Леваничев В.В. Моделирование процессов соэкструзии. Луганск: Изд-во ВУГУ, 1998. 74 с.
Рожков Александр, Михайлович, магистрант, rojkov. am@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE PRODUCTIVITY OF AN EXTRUDER FOR THE PRODUCTION
OF MULTILAYER PACKAGING FILMS
A.M. Rozhkov
The article discusses and analyzes methods for producing multilayer polymer films for packaging production, identifies the advantages of the co-extrusion method, and analyzes the impact on the productivity of the extruder of the kinematic and design parameters of the screw and the parameters of the producedfilms.
Key words: multilayer packaging, film extrusion, polymer films.
Rozhkov Alexander Mikhailovich, masters, rojkov.am@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.922; 621.921.34
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕДОСТАТКОВ ОТДЕЛЬНЫХ ГРУПП СМЕСИТЕЛЕЙ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
B. А. Лапина
В работе рассмотрены основные группы традиционных конструкций смесителей. Выявлены их основные достоинства и недостатки, а также проведен сравнительный анализ существующих технологических схем получения сыпучих смесей и нонмиксинговых автоматов, реализующих технологию детерминированного формирования их однородности.
Ключевые слова: смесь, смесители, стохастическое и детерминированное формирование однородности, сравнительный анализ.
В связи с созданием автоматизированных смесительных автоматов, обеспечивающих детерминированное формирование однородности смесей сыпучих материалов целесообразно рассмотреть основные функциональные достоинства и недостатки существующих традиционных групп смесителей, использующихся в настоящее время [14, 6].
Червячно-лопастные смесители. Недостатками данной группы смесителей являются значительный массоперенос с минимальной диффузией на уровне мидиобъёмов компонентов и большие энергозатраты при длительном перемешивании. В некоторых вариантах конструкций важными недостатками являются вредность и опасность условий работы и обслуживания. Также при смешивании компонентов в соотношении до 1:10 обеспечивается средний уровень качества смеси. Данные конструкции смесителей очень трудоемки и дороги в изготовлении [1, 5-7]. Обслуживание аппаратов в шлюзовом исполнении, как правило, требует операции «очисти емкостей». Некоторые элементы конструкции в случае износа не подлежат восстановлению, что определяет не высокую эффективность использования всего класса в целом.
Барабанные смесители. Эти смесители одни из самых несложных по конструкции. Недороги в производстве и просты в обслуживании. Однако обладают относительно невысокой износостойкостью, так как используют недорогие конструкционные материалы. Горизонтальные варианты конструкций, в большей степени чем остальные, способствуют сегрегационным процессам и конгломерации, особенно при длительном периодическом использовании. Аппараты наиболее безопасны, но и наиболее вредны, так как рабочий объём зачастую открыт для проникновения окружающей среды. В данных конструкциях имеется значительный массоперенос. Соотношения компонентов в смеси ограничены пределами 1:2-1:5.
