Application of Ultrasound in Extrusion of Long Profile Rubber Billets with Specified Quality Parameters

Full Text

Введение

Эффективность ультразвукового воздействия на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридцатилетнего применения ультразвуковых технологий на ряде предприятий различных отраслей промышленности, позволившими установить следующее.  Под воздействием вибрации перестраиваются и разрушаются структурные связи во многих аморфных материалах, например, в полимерах, находящихся в вязкотекучем состоянии. При этом ускоряются механическая релаксация (тиксотропное снижение вязкости и упругости) и механодеструкция (частичное уменьшение молекулярной массы) макромолекул. В результате облегчается, например, виброформование полимеров (сокращается время переработки, снижаются рабочее давление и расход энергии), повышается качество изделий. При наложении на стационарную деформацию сдвига низкочастотных колебаний возникает эффект так называемой реологической нелинейности – увеличивается скорость течения полимерного материала (например, при вибропрессовании порошков и т.д.) [1, 2].

Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обеспечивает 10 – 1000-кратное ускорение процессов, протекающих между двумя или несколькими неоднородными средами (растворения, очистки, обезжиривания, дегазации, крашения, измельчения, пропитки, эмульгирования, экстрагирования, кристаллизации, полимеризации, предотвращения образования накипи, гомогенизации, эрозии, химических и электрохимических реакций и др.).

Использование ультразвуковых колебаний позволяет осуществлять технологические процессы, не реализуемые или сложно реализуемые традиционными методами – обеспечивать размерную обработку (сверление, снятие фасок, выполнение пазов) хрупких и твердых материалов, таких как керамика, полупроводниковые материалы, стекло, самоцветы, ферриты, сверхтвердые сплавы и стали.

Ультразвуковые колебания позволяют интенсифицировать многие процессы, происходящие на границе контакта материалов (сварку полимерных материалов, склеивание), ускоряя технологические процессы и повышая качество получаемых изделий, а также разрабатывать новые технологические процессы  и способы для вторичной переработки полимерных материалов, в том числе резиновой крошки [3].

Исследование эффективности применения ультразвука при экструзии профильных резинотехнических заготовок

В качестве объекта исследования принят неизотермический процесс экструзии резиновой смеси (шифр 46ПРФ-26) на экспериментальной установке (рис. 1) [2].

 

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования процессов экструзии под влиянием ультразвука: 
1 – шнек; 2 – цилиндр; 3 – формующая головка; 4 – загрузочное устройство; 5 – опора шнека; 6 – редуктор; 7 – термостат; 8 – электродвигатель; 9 – дорнодержатель; 10 – ванна  с теплоносителем; 11 – прижимные ролики; 12 – экструдат; 13 – цифровая фотокамера; 14 – ультразвуковой излучатель; TE – датчики температуры; PE – датчик давления;  A – амперметр; V – вольтметр

 

Параметры резиновой смеси 46ПРФ-26 и технологический режим процесса экструзии: температура цилиндра и шнека T_ц = 50 °C; температура резиновой смеси на входе в винтовой канал T_{см. вх} = 45 °C.

Эксперимент проводился следующим образом. Резиновая смесь 46ПРФ-26, приготовленная в центральной заводской лаборатории АО «Тамбовмаш»  (ОАО «АРТИ-Завод», Тамбов), с известными свойствами резалась на ленты шириной 20 мм и наматывалась на загрузочный барабан экспериментальной установки.

Далее установка в течение 30 мин разогревалась (выход на режим) и проводилась серия экспериментов, которые заключались в получении образцов в течение 5, 10, 15 с фиксированной частотой вращения w = (5; 10; 20; 30) об/мин для каждого диаметра мундштука d = (8,4; 10,4; 18) мм. Также снимались следующие параметры: T_{см. вых} – температура выхода экструдата, которая измерялась игольчатой термопарой, вмонтированной в формующую головку, °С; P – давление, которое снималось с датчика часового типа, деление; I – потребляемый ток, измеряемый с помощью амперметра, А; Q – производительность шнековой машины, получаемая взвешиванием каждого полученного образца [г / 30 с] и переводом в [кг/ч]; n – частота ультразвуковой установки, Гц. На выходе из оформляющего канала проводили измерение диаметра в нескольких определенных местах, после охлаждения образцов измерения диаметров сечения экструдата проводились в тех же точках, что позволило рассчитать относительное изменение диаметра образца до и после охлаждения. После этого физико-механические показатели и размеры образцов, полученные с применением ультразвука, сравнивались с теми же показателями образцов без воздействия ультразвука.

В процессе экспериментов выбирались различные технологические режимы экструзии и конструкции выходных каналов формующего инструмента в целях уменьшения значения относительного изменения поперечного сечения экструдата (отношение разности диаметров экструдата и мундштука к диаметру мундштука) до возможно минимального. Также варьировались значения рабочих температур в экструдере при частоте ультразвуковой установки 21 756 Гц и времени воздействия 5, 10, 15 с. В результате экспериментальных исследований получены зависимости, представленные на рис. 2, 3.

Выбраны такие технологические параметры и аппаратурное оформление, которые придают длинномерным резинотехническим заготовкам (РТЗ) требуемые физико-механические показатели [4]. Для улучшения показателей качества, то есть физико-механических характеристик длинномерных РТЗ, выбран способ воздействия на материал ультразвуковыми волнами, что привело к уменьшению разбухания длинномерных профильных заготовок из резиновой смеси на выходе из экструдера при сохранении деформационных характеристик на уровне допустимых значений для данного продукта и улучшило триботехнические характеристики материалов. Рост напряжений в полимерной композиции при малых деформациях реализуется при непродолжительном воздействии ультразвука на нее, что открывает новые возможности применения данного метода в практических целях.

Методика экспериментальных исследований состоит в следующем. Необходимо определить такой режим экструзии и выбрать такую конструкцию формующего инструмента, чтобы в исследуемом материале «разбухание», то есть значение относительного изменения поперечного сечения экструдата (отношение разности диаметров экструдата и мундштука к диаметру мундштука), было минимальным. Для этого проведены предварительные эксперименты, которые заключались  в том, чтобы выбрать несколько режимов работы экструдера(10, 20, 30 об/мин), затем исследования физико-механических характеристик без влияния ультразвука на резиновую смесь и после воздействия ультразвука. Опыты проводились на нескольких видах формующего инструмента (мундштуках). Результаты сравнивались со значениями, полученными без использования ультразвука.

Все данные экспериментальных исследований заносились в бланк исследований. Затем образцы экструдата исследовались в ЦЗЛ АО «Тамбовмаш» («АРТИ-Завод») для определения физико-механических показателей. Полученные данные по условной прочности при растяжении, пластичности, подвулканизации, вязкости по Муни, твердости образцов сравнивались с данными, полученными без влияния ультразвука при производстве заготовок. Физико-механические показатели остались на прежнем уровне.

Для определения оптимальных режимов переработки резиновой смеси с учетом изменения размеров экструдата получены следующие технологические зависимости от частоты вращения шнека: мощности N; производительности Q; давления P; температуры выхода экструдата Т_вых, а также зависимости относительного изменения диаметра экструдата до и после охлаждения d_{на вых} , d_{после охл} от частоты вращения шнека и времени воздействия ультразвука, его частоты после процесса экструзии, и проведен сравнительный анализ их с эталоном (резиновая смесь до воздействия на нее ультразвуковых колебаний).

В результате проведенных экспериментов и анализа полученных данных построены графические зависимости от частоты вращения шнека при различных диаметрах мундштука d_м (см. рис. 2, 3). Производительность монотонно растет с увеличением частоты вращения шнека до 30 об/мин. (см. рис. 2, а). Минимальная потребляемая мощность под воздействием УЗ соответствует частоте вращения шнека 20 об/мин, а с увеличением частоты вращения до 30 об/мин мощность незначительно увеличивается. Расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями составляет менее 10 %. (см. рис. 2, б).

 

Рис. 2. Зависимости производительности экструдера Q (а) и суммарной потребляемой мощности экструдера N (б)без и c воздействием ультразвуковых колебаний  от частоты вращения шнека n:
■ – без ультразвука при d_м = 10,4 мм, l = 39 мм;  -▲- – с применением ультразвука при d_м = 10,4 мм, l = 39 мм; -☐- – без ультразвука при d_м = 18 мм, l = 55 мм; -○- – с применением ультразвука при d_м = 18 мм, l = 55 мм

 

С увеличением частоты вращения шнека происходит уменьшение Т_вых на выходе из формующей головки. Это связано с уменьшением времени пребывания материала в перерабатывающих каналах (см. рис. 3, а).

Разбухание экструдата с ростом частоты вращения уменьшается в диапазоне 10…30 об/мин при отсутствии ультразвука и заметно уменьшается при наложении ультразвуковых колебаний на получаемый экструдат при числе оборотов до 20 об/мин, так как идет рост температуры от 50 °С при диаметрах мундштука 10,4  и 18 мм, следовательно, уменьшается вязкость, что приводит к уменьшению напряжений сдвига в диапазоне 20…30 об/мин (см. рис. 3, б).

 

Рис. 3. Зависимости температуры формующего инструмента на выходе из формующей головки Т_вых (а) и относительного изменения диаметра экструдата d до и после его охлаждения (б) от частоты вращения шнека n: –■– без ультразвука при d_м = 10,4 мм, l = 39 мм;  -▲- – с применением ультразвука при d_м = 10,4 мм, l = 39 мм; -☐- – без ультразвука при d_м= 18 мм, l = 55 мм;  -○- – с применением ультразвука при d_м = 18 мм, l = 55 мм

 

Для выбора режима переработки прежде всего необходимо задаваться физико-механическими показателями. Расхождения с эталонными показателями (до воздействия ультразвука) составляют не более 10 %.

Исходя из вышеперечисленного для всех диаметров мундштука выбираем температуру цилиндра T_ц = 50 °С; частоту вращения шнека 20 об/мин, так как при больших частотах вращения шнека суммарная потребляемая мощность увеличивается. При этом относительное изменение диаметра экструдата будет минимальным.

Заключение

Так как использование ультразвука при производстве длинномерных профильных резинотехнических заготовок приводит к резкому снижению относительного изменения диаметра экструдата, но при этом увеличивается расход суммарной потребляемой мощности экструдера с учетом ультразвуковой установки, значит требуется технико-экономическое обоснование эффективности его применения для достижения следующих результатов: прогнозируемых и заданных показателей качества РТИ4 проектирования энергосберегающего оборудования; разработки технологического процесса и способов вторичной переработки полимерных материалов, в том числе резиновой крошки.

About the authors

M. V. Sokolov

TSTU

Author for correspondence.
Email: msok68@mail.ru

Department “Computer-Integrated Systems in Mechanical Engineering”

Russian Federation, Tambov

P. S. Belyaev

TSTU

Email: msok68@mail.ru

Department “Materials and Technology”

Russian Federation, Tambov

D. V. Tulyakov

Tambov Business College

Email: msok68@mail.ru

teacher

Russian Federation, Tambov

K. V. Bryankin

TSTU

Email: msok68@mail.ru

Department “Chemistry and Chemical Technology”

Russian Federation, Tambov

References

Supplementary files