CC BY
2
is presented, which makes it possible to capture particles of prepared pyrite cinder with a size of less than 60 microns. The design and principle of operation of the devices under study are described, their digital models for hydrodynamic modeling using CAD/CAE .systems are created. Computer modeling is relevant in the development of new products, it allows you to evaluate the functionality and operability of the future product at the early stages of design, compare its effectiveness with existing equipment. It is shown that the new design of the hydrocyclone provides an opportunity to improve the ГЦК-360-10 apparatus, which is used at enterprises of various industries. It is established that the use of the new hydrocyclone design will reduce the number of repeated feeds into it, as well as reduce the number of repeated feeds into the grinding mill, which will save electricity in the hundreds of millions of rubles per year.
Key words: hydroclassification, particle separation efficiency, design, CAD/CAE system, energy intensity.
Lozovaya Svetlana Yuryevna, doctor of technical sciences, professor, lozwa@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Bashcheva Ekaterina Sergeevna. postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
УДК 621.798:664 (075.8)
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-632-633
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Е.В. Пантюхина, О.В. Пантюхин, Д.В. Комаров
В статье рассмотрено обоснование выбора полимерного материала по его свойствам долговечности, в том числе деформационным, рациональных параметров оборудования для экструзии и упаковочного оборудования, расхода полимерного материала при производстве пакетов флоу-пак двух видов. Описаны результаты компьютерного моделирования указанных параметров в среде Ма^СЛО.
Ключевые слова: полимерный упаковочный материал, экструзия полимеров, долговечность, одношнеко-вый экструдер, упаковочное оборудование.
Полимерные упаковочные материалы очень часто используются для упаковывания различных изделий [13]. При выборе упаковочного полимерного материала необходимо проанализировать свойства полимеров, поэтому с целью выбора наиболее оптимального для упаковки полимера необходимо воспользоваться выражениями:
- для определения и анализа деформационной долговечности полимерного материала при ползучести в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению, воспользуемся выражением, оценивающим долговечность формы от основных прочностных характеристик материала
?ф = А ■ exp
( г / ^ Eo - уст
R ■ T
(1)
где А - постоянная материала; Е0 - энергия активации процесса ползучести; у/ - коэффициент интенсивности
напряжения; а - разрушающее напряжение; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура деформации;
- при длительном нагружении упаковочных полимерных материалов необходимо использовать обобщенную формулу для вычисления долговечности т полимеров
'Ц0 -уа^, (2)
т = т0 • ехР| к ш Т
в которой Т0 - коэффициент, характеризующий скорость тепловых колебаний атомов полимерного упаковочного
материала; Ц 0 - энергия активации процесса разрушения; у - коэффициент снижения энергии активации разрыва
химических связей при действии приложенного напряжения [4].
С помощью выражения (1) оценим, как на величину ^ф влияют прочностные свойства некоторых видов
полимерных материалов: полистирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид. Для дальнейшего исследования все параметры упаковочных материалов были переведены в общепринятые единицы размерностей.
На рис. 1 представлены интерфейс прораммы МаЛСЛБ и графики зависимостей долговечности формы рассматриваемых полимеров от температуры в диапазоне от 200 до 250 К.
На рис. 2 представлены интерфейс программы МаЛСЛЛ и графики зависимостей долговечности при длительном нагружении рассматриваемых полимеров от температуры в диапазоне от 200 до 250 К.
Наилучшими прочностными свойствами при деформации растяжения обладает полистирол, затем полиметилметакрилат и на последнем месте поливинилхлорид. Долговечность формы данных материалов в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению составляет от 0,38 до 0,07 с для полистирола, от 0,3 до 0,01 с для полиметилметакрилат и от 0,27 до 0,001 с для поливинилхлорида. При длительном нагружении наилучшими прочностными свойствами обладает поливинилхлорид, затем полистирол, полиметилметакрилат на последнем месте.
tj>, с
полиметилметакрилат поливишшхлорлд
Т. К
Рис. 1. Графики зависимостей долговечности формы от температуры для различных полимеров
Максимальная долговечность данных материалов при длительном нагружении 660 с для поливинилхло-рида, 450 с для полистирола и 310 с для полиметилметакрилата при температуре 200 К. При этом к температуре 220 К долговечность резко снижается, практически падая до нуля. Таким образом, при ползучести в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению, наиболее прочным оказался полистирол, а при длительном нагружении - поливинилхлорид.
Е1(Е) = -
-.1-0.000001
КТ,А,Е,ч1,сг1) := А-е
600
ЛтЛСГ^ЗЗДо^О'' ^Т.т"13.55.5:46:1 4(ю J.T.lo",57,36,95.1
200
0.000239-9.81
ЕЦЕ)—K-lD °<°1> 2Ж (Т)
,-(ст1) := .-1-13
полистирол попим етилм етакрнпат попивинилхлорщ,
500 202 204 206 20S X. К
Рис. 2. Графики зависимостей долговечности от температуры для различных полимеров при длительном
нагружении
Значение прочности сварного шва в зависимости от условий реализации процесса сварки можно определить с помощью построенных графиков и на основании этого выбрать оптимальные параметры процесса.
Таким образом, при выборе полимерного материала для упаковки изделия необходим многоуровневый анализ всего процесса создания тары. Решающими критериями выбора являются физико-механические свойства упаковочного материала, которые характеризуют его способность к свариванию или склейке и определяют оптимальные параметры фасовочно-упаковочного оборудования.
На производительность зоны дозирования оборудования для экструзии влияют частота вращения и габаритные размеры шнека, а также параметры процесса движения расплава полимера, то необходимо проанализировать, при каких параметрах производительность экструдера будет максимальной.
Диапазоны основных геометрических параметров шнека: диаметр вала << шнека от 35 до 92 мм; диаметр Б вращающегося шнека от 77 до 188 мм, длина Ь шнека от 810 до 2000 мм. Для этих целей была разработана программа Ma1:hCAD, позволяющая при любых параметрах шнека экструдера и характеристиках полимерного материала оценить его производительность, например в зависимости от частоты вращения шнека (рис. 3).
Ф:-17|1Ее 52 10" ДР := 300-13" ¿,-»9 Ь >- 0-005 0 005
1=0.04 N1=0,1-100
\TCvD} :=
2 (Ь + *-) I,
N¿1 —
1 те + е ДР
4-1 1
ОХ"*. Ч>)
Б := 0 [15
ДР И 5ш(ф)-5т(.
Рис 3. Программа расчета оптимальных параметров шнека экструзионного оборудования,
производящего полимерные пленки
При этом необходимо учитывать критическую частоту вращения шнека экструдера [51. Для комплексной оценки производительности одношнекового экструдера и критической частоты вращения его шнека была разработана программа, позволяющая вычислить и выбрать оптимальный диапазон частот вращения шнека (рис. 4).
'Р := \ltSeg ДР := 300-105 т, := 5.5-106 е := 0.0061_ := 1.2 11 := 0.007 -й" := 0.045 I := + е
у := 160 1 :=0..у
Б
I ^ 200
¡:= 70.. I х. := 0.001-1
. := 60-Г-^
т.] |>(Ь +
01. . := 60-Г-
ДР 60 Ь ¿ш( ш) - 'р)
— ■: --------
■*-) 1 ] ц-1. 1
1 - 1000
: ТГ-ЬЛ .-ЗЙ^-ПК^) -
+ *-) 1 '■] ц-1_
ДР-60 Ь-5ш(кр) 5т(^р)
Рис. 4. Программа комплексной оценки производительности одношнекового экструдера и крипшческой
частоты вращения его шнека
Графики позволяют оценить производительность одношнекового экструдера в зависимости от частоты вращения п шнека и при учете критической частоты пк вращения шнека при необходимости ограничить ее.
634
Одним из функциональных устройств фасовочно-упаковочных машин является устройство для разматывания рулона полимерной пленки, то необходимо обеспечить его работоспособность с оптимальными параметрами [6, 7].
Для этих целей была разработана программа в среде МаЛСЛБ, которая позволяет определить оптимальное значение мощности привода упаковочных машин от частоты вращения при разматывании рулона для различных типов полимерных пленок, варьируя значением их плотности (рис. 5). Графики позволяют оценить мощность привода различных видов упаковочных машин, требуемой для разматывания рулона, от частоты вращения для различных типов полимерных пленок.
|| = о г?
ц №.02
тр =0.07 к = 1 I 1] 0.94
Иг := 3 315 ту - 10
сф = 70 Н = 0 2 Кр := 0 25
пчКр) :- р Нтг (нр' - гр! М1(р) :- 0.5 9.В1 (т|Кр) + ту) <1 ц
М2(»,р) :-
2 тр(р)-Кл" 2 ТГП
2 10-ор
М3(»,р) М2(п,р) + М1(р) М(п,р) М1(р) + М2<п.р) + М3(п,р)
=
М(п,р)-к-п-тг 30000-1-,
л 15»,151.. 250
Рис. 5. Интерфейс программы MathC.il) и графики зависимостей мощности привода упаковочных машин при разматывании рулона от частоты вращения для различных типов полимерных пленок
Для анализа расхода полимерного материала при производстве пакетов двух видов в автоматических машинах горизонтального и вертикального типов [8], характеризующих зависимость изменения количества пакетов по площади от свойств полимерной пленки была разработана программа в среде МаЛСЛО, которая позволяет оценить оптимальный расход полимерного материала из различных полимеров на различное количество мягких пакетов из них (рис. 6).
1. Па площади
= 5..Х
ширина
у : 20
1 - 5-У
" 2-(х1+ Д2)-(у. + ¿1)
- 0 02 1 := 0.02,0.03.. 0.1
2(Ь + с)-[1 + 2-(Ь + =5]
140
»1(0.03,0.01,1)ш
пко.м, [1.01Д;
......... .1
»1(0.0«,0.02,1) «
40
Рис 6. Интерфейс программы MathC.il) и графики зависимостей изменения количества пакетов по площади от свойств полимерной пленки
Программа позволяет рассчитать требующееся количество полимерной пленки на мягкие пакеты при фасовке в нее штучных и других видов изделий. Она учитывает размеры изделий, размеры получаемого пакета и допуски на швы пакета. Построенные методами компьютерного моделирования графики позволяют оценить количество пакетов для упаковки сыпучих продуктов, которые можно получить из определенного количества полимерной пленки в зависимости от геометрических параметров пакета.
Список литературы
1. Осипова К.С., Давыдов И.Б., Пантюхина Е.В. Особенности и основные виды упаковки различных видов замороженных полуфабрикатов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 11. С. 617-623.
2. Пантюхина Е.В., Котляров В.С., Пантюхин О.В. Перспективные технологии изготовления пищевой упаковки: учебник. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 212 с.
3. Пантюхина Е.В. Комплексная автоматизация пищевой промышленности: учебник, Тула, 2019. 216 с.
4. Рожков А.М. Исследование прочностных свойств полимерных упаковочных материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 351-355.
5. Анализ производительности экструдера для производства многослойных упаковочных пленок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 10. С. 455-459.
6. Пантюхина Е.В. Современные технологии и оборудование упаковочных производств: учебник. Тула, 2020. 220 с.
7. Рожков А.М. Анализ основных параметров устройства для разматывания рулонов упаковочного полимерного материала // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 360364.
8. Рожков А.М. Обеспечение рациональных параметров полимерной тары в форме пакетов для сыпучих пищевых продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 3. С. 433438.
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пантюхин Олег Викторович, канд. техн. наук, доцент, директор издательства, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Комаров Денис Викторович, магистрант, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
JUSTIFICATION OF RATIONAL PARAMETERS OF PROCESS AND EQUIPMENT FOR PRODUCTION POLYMER
PACKAGING MATERIALS
E.V. Pantyukhina, O.V. Pantyukhin, D. V. Komarov
The article considers the justification of the choice of polymer material by its durability, including deformation, rational parameters of equipment for extrusion and packaging equipment, consumption ofpolymer material during the production offlow pack packages of two types. The results of computer simulation of the specified parameters in the MathCAD environment are described.
Key words: polymer packaging material, polymer extrusion, long-eternity, single-screw extruder, packaging
equipment.
Pantyukhina Elena Viktorovnа, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula state
university,
Pantyukhin Oleg Viktorovich, candidate of technical science, docent, publishing director, [email protected], Russia, Tula, Tula state university,
Komarov Denis Viktorovich, masters, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
