CC BY
43
Теплообмен в массивных эластомерных композитных изделиях
Павел Гринчук,
завотделением теплофизики Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова,
доктор физико-математических наук
Светлана Данилова-Третьяк,
ученый секретарь Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова, кандидат технических наук
инная индустрия - одна из самых высокотехнологичных и наукоемких отраслей промышленности. Ведущие производители уделяют большое внимание всем аспектам создания шин - от подбора компонент до рисунка протектора. Вопрос, имеющий большое значение,- баланс генерации и отведения тепла, поскольку температура влияет на эксплуатационные характеристики и, соответственно, срок службы. Так, при возрастании температуры прочность резины существенно уменьшается. Шина становится более чувствительной к разрывам, порезам и расслоениям вследствие усталости материала. Например,
согласно данным компании «Бриджстоун», при увеличении температуры шины с 20 до 40 °C, срок службы уменьшается в среднем в 2 раза. А в процессе эксплуатации нагрев внутренних областей отдельных моделей шин может достигать 120 °C и даже выше, что действует разрушительно.
Большую долю в экспорте белорусской промышленной продукции занимают большегрузная карьерная техника и сверхкрупногабаритные шины (СКГШ) для нее (рис. 1). Производство последних - крайне сложный многостадийный процесс, который освоен только несколькими мировыми компаниями. Технологическая сложность приводит к высокой стоимости продукции. В периоды роста объемов добычи полезных ископаемых, когда СКГШ особо востребованы, стоимость одной шины для самосвала грузоподъемностью 180 т доходила до 68 тыс. долл. При этом на одном самосвале устанавливается шесть шин. Эксплуатационные затраты на них составляют 25-30% и более от суммы расходов на транспортирование горной массы автосамосвалами. Поэтому увеличение пробега имеет важное значение для сокращения затрат. Специалистам ОАО «Белшина» необходимо довести уровень ходимости отечественных СКГШ до уровня 85% от лидера в этом сегменте - компании «Бриджстоун» [1], которая ежегодно вкладывает
Рис. 1. Сверхкрупногабаритные шины производства ОАО «Белшина»
Рис. 2. Пневматическая шина в разрезе
в научные разработки десятки миллионов долларов и остается на первых позициях в этом высокотехнологичном секторе производства.
Для повышения качества шинной продукции в последнее время специалистами ОАО «Белшина» сделано много. В 2015 г. на «Белшине» установлены современные линии резиносмешения производства немецкой фирмы «Harburg Freudenberger», одно из главных преимуществ которых - возможность использовать резиносмеситель как химический реактор при изготовлении резиновых смесей с силикой. Новый подход позволил достичь улучшения многих параметров конечного продукта, в частности уменьшить сопротивление качению при одновременном сохранении коэффициента сцепления шин с поверхностью дорожного покрытия. Тем не менее проблема повышения эксплуатационного ресурса шины остается актуальной.
Диаметр СКГШ составляет 35-57 дюймов, масса - 1300-2300 кг, толщина может достигать 200 мм. При движении самосвала реализуются интенсивные низкочастотные механические деформации шины. Специфика резины заключается в том, что часть ее механической энергии деформации всегда дисси-пирует и переходит в тепло [2]. В то же время эластомеры, типичные представители которых - шинные резины, по своей природе являются материалами с теплоизоляционными свойствами. Поэтому при непрерывном режиме эксплуатации шин, характерном для
карьерных самосвалов, особенно под нагрузкой и на высокой скорости происходит их разогрев. Одна из задач повышения эксплуатационного ресурса СКГШ - достижение баланса генерации и отвода тепла от внутренних слоев шины (рис. 2). Для установления ключевых причин, влияющих на перегрев, необходим комплексный подход, включающий экспериментальное исследование тепловых режимов производства и эксплуатации СКГШ, определение основных механизмов генерации тепла в шине при ее работе, и факторов, влияющих на такую генерацию, определение основных механизмов отвода тепла, исследование влияния рецептур и технологии приготовления резиновых смесей на интенсивность теплообразования.
Ученые ИТМО совместно с кафедрой технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов БГТУ подключились к решению проблемы перегрева сверхкрупногабаритных шин в процессе их эксплуатации. В рамках ГПНИ «Энергетические системы, процессы и технологии» ведутся исследования процессов теплообмена в массивных эластомерных композитных изделиях при интенсивных низкочастотных механических деформациях. Со стороны института привлечены сотрудники четырех лабораторий: ради-ационно-конвективного теплообмена, тепло-физических измерений, математического моделирования и теории переноса. Работы ведутся по измерению теплофизических свойств и величины теплообразования в различных резиновых смесях, используемых при изготовлении СКГШ; математическому моделированию тепловых режимов крупногабаритных шин, возникающих в процессе их работы, с учетом механизмов внутреннего и внешнего теплообмена; совершенствованию методик измерений температурных режимов эксплуатации СКГШ; исследованию влияния марки и дозировки наполнителей на динамическую выносливость шинных резин при различных режимах испытания.
В рамках работы описан новый механизм диссипации механической энергии в тепло в пористых эластомерах при периодических нагрузках, типичных для эксплуатационных режимов СКГШ. Рассчитана удельная мощность тепловыделения, возникающая за счет этого механизма в крупногабаритных шинах при характерных режимах эксплуатации, и установлено, что даже при незначительной пористости резины шин (1-2%) вклад
Теплофизика
тепловыделения за счет этого механизма в общее тепловыделение в шине может быть весьма значителен. Выполнены работы по автоматизации температурных измерений на экспериментальной установке, предназначенной для определения теплообразования в резине по Гудричу, исследованы его особенности в резиновых смесях различного состава, в том числе при разной степени вулканизации.
Оценка мощности тепловыделения в единице объема пористой резины [3] подтвердила предположение, что диссипация механической энергии в тепло при циклическом расширении/сжатии газа в порах эластомера может быть существенной составляющей в источнике нагрева шин большегрузных автомобилей. В то же время показано, что уменьшение размеров пор, в том числе за счет добавления в резиновую смесь армирующих элементов в виде нано- и микроволокон, приводит к уменьшению генерации тепла. При этом в рассмотрение приняты как термодинамический механизм диссипации механической энергии, так и теплообразование за счет вязкостного механизма.
Описанием теплообмена в шине с целью выявления причин и локализации перегрева СКГШ в интересах ОАО «Белшина» занимаются несколько академических и вузовских научных коллективов. Однако предлагаемые модели зачастую слишком усложнены и требуют большого объема компьютерных вычислений и времени для реализации достигаемых режимов работы шин и последующей оценки показателей. Учеными ИТМО предложен более простой подход, согласно которому теплообмен в шине моделируется исходя из усреднения температурного поля по относительно быстрым процессам диссипации и теплопроводности. Несмотря на допущения, предложенная модель адекватна с физической точки зрения и применима для описания тепловых процессов, происходящих в шине во время эксплуатации. Установлена зависимость скоростей диссипации энергии в шине и движения, геометрических параметров, величины нагрузки, оценен коэффициент теплообмена шины с воздухом [4]. Анализ экспериментальных данных о нагреве резины протектора с точки зрения рассмотренного теоретического подхода показал, что до 30% энергии деформаций при движении под нагрузкой переходит в тепло. Полученные результаты позволили перейти от нульмерной модели к одномерному
описанию поля температур в шине с учетом скорости диссипации энергии, теплообмена с окружающим воздухом, эффективной теплопроводности резины (рис. 3, 4) [5].
Предполагаемая область основной генерации тепла - брекер. За счет рассогласования теплофизических свойств системы «металло-корд - резина» в этой области шины происходит наиболее интенсивное теплообразование и разрушение из-за затрудненного тепло-отвода. В то же время встает вопрос: куда шина сбрасывает тепло, генерируемое при деформациях, - в сторону поверхности, контактирующей с дорогой и имеющей развитый характер вследствие специфического рисунка протектора, через боковую поверхность шины или в воздушную полость внутри колеса. Простые физические оценки позволили предположить, что тепловой поток внутрь колеса в несколько раз меньше, чем скорость диссипации в нем. Это было учтено при моделировании.
Свойства резиновых смесей и отдельных компонент - предмет постоянного контроля в центральной заводской лаборатории ОАО «Белшина», лаборатории шинной промышленности БГТУ [6, 7], отделе технологии полимерных композитов Института механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси [8]. Теплофизические
Рис. 3.
Профили средней температуры (°С) шины:
1 - через 24 часа,
2 - через 12 часов,
3 - через 48 часов,
4 - стационарный тепловой режим
Рис. 4. Влияние эффективной теплопроводности резины на температуру (°С) в шине:
1 - максимальная температура
в резине,
2 - температура на поверхности шины
Рис. 5. Зависимость теплопроводности резиновых смесей от содержания карелита: 1- контроль, 2-5 масс.ч.,
3-10 масс.ч.,
4-15 масс.ч.
24
0,24
X 0,22
Г 0,20
- 0,18
£0,16
0,14
0,12
20 30 4 0 50 6 0 70 8 0 90 100 Температура, °С
120 130
характеристики (коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость) материалов шин в отечественных исследованиях до сих пор оставались в стороне, хотя эти параметры характеризуют способность материала отводить тепло. Без них невозможно моделировать температурное поле внутри шины и определять конструктивные элементы, оказывающие наибольшее влияние на генерацию тепла и его удаление в окружающее пространство. В производстве СКГШ могут использоваться 6-7 сортов резины с различными свойствами, каждый из которых может включать до 14 компонент. Влияние состава и наполнителей на теплофизические свойства резиновых смесей - один из предметов исследований, выполняемых в ИТМО, в ходе которых изучаются особенности термодеструкции, определяются теплофизические свойства резиновых смесей и отдельных компонент, применяемых при производстве СКГШ на ОАО «Белшина». Проведен термоанализ образцов готовых резин и порошкообразных наполнителей, позволивший выявить особенности термостабильности материалов, перспективы их использования в различных технологических процессах. Проанализировано влияние характеристик технического углерода и содержания различных добавок, таких как карелит, кремнеземные и муллитокремнеземные волокна, на процессы теплопереноса в резиновых смесях. Обнаружено, что введение наполнителей, необходимых для обеспечения протекания процесса вулканизации или достижения заданного уровня физико-механических свойств, может приводить и к изменению теплофизических свойств конечных материалов. Так, использование карелита в качестве компоненты вулканизующей системы приводит к возрастанию теплопроводности резины более чем в 1,5 раза, что способствует интенсификации теплоотве-дения (рис. 5) [9].
На теплоотвод в шине может влиять и сам процесс ее изготовления. При вулканизации упругость резины из натурального каучука проходит через максимум [10], такого же эффекта можно ожидать и от теплофизиче-ских свойств. Проводимые исследования позволили установить оптимальную степень вулканизации, равную 80%. Такие смеси отличаются пониженным теплообразованием по сравнению с полностью вулканизованными образцами или имеющими меньшую степень вулканизации. К увеличению теплообразования приводит и повышение содержания технического углерода, при этом теплопроводность резин изменяется незначительно и практически не зависит от степени вулканизации смеси.
Сотрудники ИТМО являются постоянными участниками заседаний научно-технического совета по развитию шинной промышленности в Республике Беларусь, на которых докладывают о полученных результатах и активно обсуждают достижения и проблемы в этой области. Значимость работ, проводимых ИТМО, в поиске ответа на вопрос, почему стареют шины, подтверждается их включением в Программу научного сопровождения по обеспечению создания новых типоразмеров шин ОАО «Белшина», сформированную концерном «Белнефтехим», Национальной академией наук Беларуси, Министерством образования Республики Беларусь и подписанную в сентябре текущего года. СИ
http://innosfera.by/2017/11/Heat_transfer
ЛИТЕРАТУРА
1. Путь к непотопляемости: повышать качество, не уступать конкурентам (интервью с заместителем генерального директора по качеству ОАО «Белшина» О. Куракиным) // Вестник Белнефтехима. 2014, №4 (99). С. 20-24.
2. Каучук и резина / под ред. Марк Дж., Эрман Б., Эйрич Ф. - Долгопрудный, 2011.
3. Гринчук П.С., Шнип А.И. О термодинамическом механизме диссипации механической энергии в пористых эластомерах в приложении к проблеме нагрева автомобильных шин // ИФЖ. 2016. Т. 89, №6. С. 1375-1382.
4. Гринчук П.С., Фисенко С.П. Скорость диссипации энергии низкочастотных механических возмущений в шине // ИФЖ. 2016. Т. 89, №6. С. 1383-1386.
5. Гринчук П.С., Фисенко С.П. Теплообмен с воздухом и профиль температуры в движущейся крупногабаритной шине // ИФЖ. 2016. Т. 89, №6. С. 1387-1391.
6. Кротова О.А., Касперович А.В., Шашок Ж.С. Особенности свойств наполненных эластомер-ных композиций с новыми промоторами адгезии // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2, №3. С. 58-62.
7. Прокопчук Н.Р., Каюшников С.Н., Вишневский К.В. Технологически активные добавки в составе эластомерных композиций (обзор) // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2, №3. С. 6-23.
8. Усова В.Н., Васильев П.В., Валенчиц Г.П., Лейзеронок Г.Н., Богданович С.П., Каюшников С.Н., Песецкий С.С. Воздухопроницаемость гермослоев шинных резин, модифицированных слоистыми глинистыми силикатами // ПОЛИКОМТРИБ-2017, Гомель, 27-30 июня 2017 г. С. 104.
9. Данилова-Третьяк С.М. О теплофизических свойствах резин и их компонент // ИФЖ. 2016. Т. 89, №6. С. 1407-1413.
10. Вулканизация эластомеров / под ред. Аллигер Г., Сьетун И. - М., 1967.
