CC BY
107
УДК 661.74, 62-83, 62-185.4
Н. И. Горбачевский, Л. Х. Мифтахова
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РЕЗИНОСМЕСИТЕЛЯ НА КАЧЕСТВО РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
Ключевые слова: электропривод, резиносмеситель, скорость вращения, гомогенизация.
Проведен анализ влияния изменения скорости резиносмешения на физико-механические свойства резиновых смесей. Изучена возможность использования современных систем управления частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами с целью оптимизации процесса смешения резиновых смесей различного назначения.
Keywords: electrical drive, rubber mixer, speed rotation, homogenization.
Given here is the study of influence of mixing speed on physical and mechanical properties of rubber mixes. The paper systems for handling asynchronous frequency controlled electrical drives aiming to optimize mixing of rubbers for various applications.
В общем технологическом процессе производства автошин особое место занимает производство резиновых смесей, от результатов работы которого, в конечном счёте, зависит производительность и качество выпускаемых автошин. Факторов, определяющих производительность, качество и другие показатели резиносмешения, достаточно много. Это технологические, конструктивные, электротехнические и др. Среди них весьма важным фактором, формирующим и определяющим показатели резиносмешения, является электрический привод.
Как показывает анализ, в настоящее время наименее рассмотренными остаются вопросы влияния скорости вращения двигателей резиносмесителя на качество резиновых смесей, разработки оптимального алгоритма управления электроприводом, создания системы диагностики, а также вопросы энергосбережения и электромагнитной совместимости. Поэтому проблема создания регулируемого электропривода резиносмесителя, наиболее полно отвечающего требованиям технологии, является весьма актуальной.
Конечной целью процесса резиносмешения является достижение равномерного по объему заправки резиновой смеси, распределения частиц каждого компонента. Условно процессы, происходящие при резиносмешения, можно разделить на два действия:
- простое смешение, или гомогенизация;
- диспергирующее смешение (разрушение крупных фрагментов).
Следует учитывать, что фактически оба процесса идут одновременно, - но
преобладание одного из процессов зависит от выбранных скоростей смешения и напряжений, возникающих в системе. Для повышения интенсивности простого смешения требуется изменение скоростей смешения. Интенсивность диспергирующего смешения корректируется технологическими приёмами. На длительность цикла смешения и качество получаемых резиновых смесей влияют следующие факторы:
- изменение скорости вращения роторов резиносмесителя (увеличение скорости сокращает цикл смешения, но приводит к увеличению температуры);
- увеличение заполнения смесью свободного объема камеры резиносмешения (стандартное заполнение ~ 75%, при превышении растёт температура смеси);
- последовательность введения ингредиентов (каучука, порошков, мягчителей и т.п.);
- стабильность поддержания температурного режима в цикле смешения;
- давление верхнего пресса в процессе смешения;
- величина зазора между гребнями роторов и стенками камеры, геометрия роторов и камеры.
С увеличением скорости вращения роторов резиносмесителя, увеличивается интенсивность механического воздействия на смесь, ускоряется процессы сдвиговых деформаций смеси рабочими поверхностями роторов и камеры смешения. Повышение температуры в камере смешения может привести к нежелательным химическим превращениям в смеси. Для ведения технологического процесса смешения необходимо подобрать «оптимальную» температуру для каждого шифра резиновой смеси. Температура, как основной параметр интенсивности смешения, наряду со временем цикла смешения, служит количественным показателем завершения процесса смешения. В реальных условиях процесса смешения на потребляемую мощность, время смешения, рост ее температуры оказывают значительное влияние свойства применяемых компонентов, (каучук, техуглерод, смягчители, порошки).
Основным показателем качества резиновой смеси является степень диспергирования в камере смешения, которая зависит от значений напряжений сдвига и работы смешения. Известно, что интенсивность простого смешения каучуков с различными компонентами резиновых смесей, определяется скоростью перемешивания компонентов в камере резиносмесителя. Установлены прямая пропорциональная зависимость между частотой вращения роторов и сдвиговыми усилиями при смешении и обратно пропорциональная зависимость между скоростью вращения роторов и временем цикла смешения [1 ]. В результате длительной эксплуатации резиносмесителей линии МХ-2 с большой единичной мощностью РС-620 на ОАО «Нижнекамскшина» с высоковольтным синхронным электроприводом и нерегулируемой скоростью вращения роторов, было выявлено, что изготовленные резиновые смеси в основном соответствуют нормативным требованиям [2], но характеризуются большим разбросом физико-механических показателей и более низкой гомогенизацией по сравнению со смесями, изготовленными на отечественных резиносмесителях объемом 250л. Главными параметрами влияющими на качество резиновой смеси, в случае применения синхронного привода, являются степень заполнения камеры и время смешения, которые
Рис. 1 - Схема технологического комплекса ПП ЗГШ ОАО «НКШ» по выпуску резиновых смесей
ограничиваются предельным ростом температуры, допустимым для резиновой смеси диапазоном (150 - 170°С). Это обуславливается более высокими скоростями смешения (50 об/мин. вместо 40 об/мин), большим объемом камеры смешения и рядом других факторов.
117
В этих условиях для стабилизации технологических свойств (повышения гомогенности резиновой смеси и снижения ее вязкости) возникла необходимость в формировании разноскоростного цикла резиносмешения. Начало отработки подобных режимов было положено при испытаниях импортных резиносмесителей фирмы «Декорфа» (ФРГ), на ОАО «Бобруйскшина» [3].
При использовании регулируемого привода становится возможным управлять технологическим процессом, увеличивая суммарную деформацию за счет снижения скорости вращения роторов. Эффект достигается за счет изменения количества подводимой энергии и сохранения теплоотвода на прежнем уровне, т.е. путем уменьшения роста температуры резиновой смеси, не превышая заданной критической температуры выгрузки.
На линии МХ-2 РС620 с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом подготовительного производства ОАО «Нижнекамскшина» (блок-схема технологического комплекса на рис. 1) были проведены исследования на гомогенность и пластичность смесей при различных режимах смешения маточных смесей с изменением величин скорости вращения ротора смесителя. В ходе исследования были проверены несколько вариантов смешения. На основании полученных результатов для серийного использования был выбран вариант со ступенчатым изменением скорости роторов 40-50-40 об/мин.
Результаты вариационно-статистического расчета протекторных резиновых смесей, изготовленных по серийному режиму и со ступенчатым изменением скоростей вращения роторов (40-50-40 об/мин) представлены в табл. 1, рис. 2 и табл. 2. Распределение вязкости резиновых смесей 4НК760 и 4НК961 соответственно показаны на рис 2 [4].
Таблица 1 - Результаты вариационно-статистического расчета
Параметры Смесь 4НК760 Смесь 4НК961
Режимы скорости об/мин 50 40-50-40 50 40-50-40
Среднее; 5 62,8875 55,1 60,75 56,1125
Стандартное отклонение Б 0.38888 0 222807 0.367423 0.310781
Медиана 63.1 55.2 60.4 56.2
Мода # Н/Д 55.2 # Н / Д 56,4
Стандарт 1,099919 0.630193 1.03923 0.379021
Дисперсия выборки 1.209821 0.397143 1.0В 0772679
Эксцесс -1.24116 1.243595 -0.2929 0.4475
Асимметричность 0,35232 3 -0.78542 1 079859 0081372
Интервал 3 2.1 2.8 29
Минимум 61.2 53.9 59,7 54 7
Максимум 64.2 56 62,5 57,6
Сумма 503,1 8 440,8 486 448,9
Счет 108 108 108 108
Таким образом, при уменьшении скорости вращения роторов до 40 об/мин в начале цикла резиносмешения формируются температурные условия процесса смешения и обеспечиваются удовлетворительное распределение и диспергирование технического углерода. Увеличение скорости вращения до 50 об/мин позволяет сократить время «собирания» смеси в камере.
вязкость резиновой смеси 4 нк 760
□ 50 об/мин □40-50-40 об/мин
52 54 56 58 60 62 64 66
кол-во выборки
Рис. 2 - Распределение вязкости резиновых смесей Таблица 2 - Результаты испытаний протекторных резиновых смесей
4НК760 4НК961
Наименование показателя 50 об/мин 40-50-40 об/мин 50 об/мин 40-50-40 об/мин
Ускоренные испытания на реометре «Монсанто»
Минимальная вязкость, ф. д. шеё 8,99 0,08 8,74 0,09
5 0 52 0 43 0 48 0 47
Тскорчинг. мин шеё 1:10 1:09 0 57 1:00
5 0:04 0:04 0 03 0:03
Т 90 %. мин med 2:05 2:03 1:45 1:48
0.00 0 06 0:05 0:05
Максимальный момент, ф.д. med 29.43 29,17 3118 3134
5 1,62 1,43 1,78 1,17
Вязкость, ед med 61,95 54,50 60,5 55,64
5 1.49 100 141 0.99
Физико-механические показатели
Условное напряжение при 300 % удлинении, кг/см' med 77,55 75,00 77,00 78,00
5 4,96 4.0 4.33 3,74
Условная прочность при разрыве, кг/см2 med 200.05 214.50 219,5 208,5
5 3,31 8,25 7,07 6.54
Относительное удлинение, % med 571,72 601,5 599,5 569,5
5 31,89 20,39 22,36 21,90
Твердость, ед. med 64,07 65.37 65,83 67,47
5 1,80 1,38 1,83 1,32
Удельный нес, Г/СМ3 med 1,115 1,117 1,108 1,114
5 0,005 0,004 0,004 0,004
Сравнительные результаты статистических данных качества резиновых смесей указывают на преимущество режима смешения со ступенчатым изменением скоростей. При этом наблюдается снижение вязкости резиновой смеси и повышаются ее прочностные характеристики (условная прочность при разрыве).
Выводы
1. В ходе исследования разноскоростных режимов резиносмешения наиболее приемлемым был принят вариант с изменением скоростей в циклосмешении 40-50-40 об/мин.
2. Результаты проведенного вариационно-статистического анализа полученных при данном режиме циклосмешения показал улучшенные показатели качества по сравнению со стандартным режимом смешения 50 об/мин для двух шифров резиновых смесей.
3. Учитывая необходимость изменения скорости в процессе цикла смешения, невозможность обеспечения безаварийного режима узла токоподвода электродвигателя в условиях внешней агрессивной среды, наиболее приемлемым для привода резиносмесителя в современных условиях является низковольтный частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) с низковольтным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором.
Литература
1. Горбачевский Н.И. Выбор оптимального варианта электропривода высокопроизводительного резиносмесителя в ОАО «Нижнекамскшина» / Н.И.Горбачевский, Р.Г. Сафин // Известия вузов «Химия и химическая технология» - 2005. - т.48. - 95 с.
2. Осипов О.И. Электротехнический комплекс проиводства резиновых смесей шинного завода / О.И.Осипов и др. // Сб. трудов ОАО «Электропривод», Москва - 2007. - 117 с.
3. Ильясов Р. С. Шины. Некоторые проблемы эксплуатации и производства. / Ильясов Р.С., Дорожкин В.П., Власов Г.Я., Мухутдинов А.А. // Каз. технолог.-ий ун.-т, Казань. - 2000. - 576 с.
4. Власов Г.Я. Основы технологии шинного производства / Власов Г.Я., Шутилин Ю.Ф., Шарафутдинов И.С., Хвостов А.А. Терехов О.Г. // Гос. технолог.-ая академия, Воронеж - 2002. -459 с.
5. Разработка и освоение технологического процесса изготовления резиновых смесей с применением импортного оборудования на линиях №№ 3 и 7 ЗМШ ПО «Бобруйскшина» // М: НИИТТТП, отчет № 14-77-82, 1983.-С. 126
6. МиттагХ. Статистические методы обеспечения качества / Х.Ринне. - М.: Машиностроение, 1995. -196 с.
7. Макаров В.Г. Анализ состояния и перспективы развития работ по идентификации параметров электрических машин / В.Г. Макаров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14. №14. - 132 с.
© Н. И. Горбачевский - канд. техн. наук, доц., зав. каф. электротехники и энергообеспечения предприятий НХТИ КНИТУ, aep-nk@mail.ru; Л. Х. Мифтахова - асп. той же кафедры НХТИ КНИТУ.
