Місяць Володимир Петрович. Розвиток наукових основ проектування обладнання для подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів легкої промисловості

brief description

Місяць Володимир Петрович. Розвиток наукових основ проектування обладнання для подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів легкої промисловості : Дис... д-ра наук: 05.05.10 2008

Місяць В.П.Розвиток наукових основ проектування обладнання для подрібнення відходів термопластичних і гумових матеріалів легкої промисловості. Рукопис.
Дисертація на здобуття ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.10 машини легкої промисловості, Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2008.
Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми для підприємств легкої промисловості - розвитку науково обґрунтованих основ і уніфікованих підходів до проектування обладнання для переробки відходів термопластичних і гумових матеріалів шляхом подрібнення, з метою їх подальшого використання для виготовлення виробів легкої промисловості.
Розроблено узагальнену систему класифікації обладнання для механічного подрібнення відходів полімерних матеріалів, що охоплює всі можливі структурні схеми потоків матеріалу, відображає кінетику перетворення його дисперсного складу, дозволяє здійснювати синтез механічних пристроїв для подрібнення матеріалів і проводити аналіз їх енергетичної ефективності.
Розроблено узагальнену математичну модель процесу механічного подрібнення полімерних матеріалів, яка може бути застосована для аналітичного опису обладнання і аналітичні моделі для кількісного і якісного відображення процесу руйнування крихких, пластичних і високоеластичних полімерних матеріалів при подрібненні.
Розроблено математичні моделі руйнування елементів матеріалів кінцевих розмірів з крихкими, високоеластичними і пластичними властивостями при різанні між двома ножами і в об’ємно напруженому стані, які можуть бути використані для математичного відображення процесу їх подрібнення.
Розроблено аналітичні моделі, що відображують кінетику і динаміку процесів подрібнення відходів полімерних матеріалів в роторних дробарках і екструдерах в залежності від їх конструктивних і технологічних параметрів з урахуванням їх фізико-механічних властивостей.
Розроблено алгоритми і програми для розрахунку раціональних конструктивних і технологічних параметрів роторних дробарок і екструдерів для подрібнення полімерів.
Розроблено вимоги і підходи до вибору ефективного способу подрібнення і структурних схем обладнання для його реалізації.
Створені методи розрахунку конструктивних і технологічних параметрів обладнання для подрібнення полімерних матеріалів, що забезпечують його максимальну ефективність.
З використанням результатів досліджень створено технологічне обладнання для подрібнення відходів полімерних матеріалів. Результати роботи впроваджені в промисловості.

1. Розвинуто наукові основи вирішення важливої науково-технічної проблеми легкої промисловості проектування обладнання для подрібнення термопластичних і гумових відходів з урахуванням конструктивних, технологічних параметрів, залежності фізико-механічних властивостей полімерів від температури, швидкості і умов деформування, що підвищує енергетичну ефективність процесу їх переробки і дозволяє цілеспрямовано отримувати крихту необхідного розміру для виготовлення виробів легкої промисловості. Результати досліджень можуть бути використані в хімічній, машинобудівельній і інших галузях промисловості.
2. Розроблено узагальнену систему класифікації обладнання для механічного подрібнення відходів полімерних матеріалів, що охоплює всі можливі структурні схеми потоків матеріалу і відображає кінетику перетворення його дисперсного складу. Аналіз структурних схем обладнання для подрібнення за розробленою системою класифікації дозволяє здійснювати синтез механічних пристроїв для подрібнення матеріалів і проводити аналіз їх енергетичної ефективності.
3. Проведений аналіз енергетичної ефективності можливих структурних схем подрібнювачів за розробленою системою класифікації показав, що найбільш економічними є подрібнювачі в яких матеріал після акту руйнування негайно видаляється з їх робочої зони. Зниження енерговитрат на подрібнення полімерів можливе за рахунок зменшення межі міцності і величини деформації матеріалу до початку руйнування шляхом цілеспрямованого впливу на його фізико-механічні властивості.
4. Розроблено узагальнену математичну модель процесу механічного подрібнення полімерних матеріалів, яка може бути застосована для аналітичного опису подрібнюючого обладнання і аналітичні моделі для кількісного і якісного аналітичного відображення процесу руйнування крихких, пластичних і високоеластичних полімерних матеріалів при подрібненні, які відображують в загальному вигляді процеси прирощення нової поверхні полімерів при їх цілеспрямованому руйнуванні.
5. Отримано математичні моделі руйнування елементів матеріалів кінцевих розмірів з крихкими, високоеластичними і пластичними властивостями при різанні між двома ножами і в об’ємно напруженому стані. Показано, що результати випробувань на зріз при відносно низьких швидкостях деформування можуть бути використані для математичного відображення процесу руйнування при більших швидкостях. Похибка визначення руйнуючих напружень прямо пропорційно залежить від швидкості випробувань і не перевищує 15%. Дані отримані при випробуванні полімерів на зріз можуть бути використані для відображення характеристик міцності при інших видах руйнування.
6. Встановлено закономірності руйнування гуми, ПВХ пластикату і поліетилену колодочного в умовах змінних температури і швидкості деформування. Отримано рівняння, які можуть бути використані для обчислення руйнуючих напружень, деформацій матеріалів до початку руйнування і питомої роботи, що витрачається на деформування цих матеріалів до початку руйнування. Показано, що питома енергія деформації до руйнування гуми монотонно зменшується з ростом температури (від 273оК до 393оК) в усіх діапазонах швидкості. При збільшенні швидкості деформування гуми в інтервалі температур від 273оК до 325335оК відбувається зменшення питомої енергії руйнування, а вище 335оК збільшення. Мінімум енергетичних витрат на руйнування гум різанням може бути досягнутий при підвищених температурах 380400оК і низьких швидкостях деформування. При руйнуванні ПВХ пластикату питома енергія руйнування досягає максимальних значень приТ=330350оК яка зміщується в сторону більших температур зі збільшенням швидкості руйнування. Встановлено наявність області мінімальних значень питомої енергії деформації поліетилену при температурах 280290оК. Раціонально проводити цілеспрямоване руйнування поліетилену при цих температурах і високих швидкостях робочих органів. Мінімальні енерговитрати будуть в області температур близьких до температури плавлення і низьких швидкостях механічної дії.
7. Отримано регресійні рівняння залежності коефіцієнту тертя гуми, поліетилену і ПВХ пластикату по сталі від температури і нормального тиску на поверхню ковзання. Встановлено, що коефіцієнт тертя досягає максимальних значень при температурі гуми 337оК, а ПВХ 300оК. Для поліетилену цей температурний максимум знаходиться в області температур менших за 273оК.
8. Розроблено аналітичні моделі, що відображують кінетику і динаміку процесів подрібнення відходів полімерних матеріалів в роторних дробарках і екструдерах в залежності від їх конструктивних і технологічних параметрів з урахуванням фізико-механічних властивостей полімерів. Модель процесу подрібнення в роторних дробарках дозволяє визначати їх продуктивність і енергетичні показники процесу в залежності від швидкості обертання ротору, маси завантаження, радіуса ротору, площі пропускної поверхні колосникової решітки і діаметру її отворів, від об’єму бункера, кількості ножів ротору і корпусу, а також від густини матеріалу, що подрібнюється.
9. Аналітично встановлено найбільш ефективні режими роботи роторних дробарок з точки зору ступеня заповнення камери, доцільність обмеження радіуса ротора до 0,3 м, на вид розподілу часток за розмірами найбільший вплив має нерівномірність завантаження робочої камери подрібнювача. Питомі енерговитрати на подрібнення для полімерів з переважно пластичними властивостями і для високоеластичних матеріалів мають екстремальний характер і для цих матеріалів існує оптимальне співвідношення кількості ножів ротора і корпуса. А матеріали з крихкими властивостями доцільно подрібнювати на обладнанні, що має велику кількість руйнуючих елементів або робочі органи великої площі. Енерговитрати на подрібнення крихких матеріалів зменшуються за лінійним законом зі збільшенням температури матеріалу. А залежність від температури матеріалів з високоеластичними і пружно-пластичними властивостями має екстремальний характер з максимальним значенням в області 273 -293оК. Зі збільшенням швидкості обертання ротору питомі енерговитрати для високоеластичних і пружно-пластичних матеріалів зменшуються за нелінійним законом, питомі енерговитрати для крихких матеріалів не залежать від швидкості руху робочих органів.
10. Встановлено існування режимів подрібнення гуми в екструдері при яких буде досягнуто мінімальних витрат енергії.
11. В результаті експериментальних досліджень отримано підтвердження адекватності аналітичних моделей процесів подрібнення відходів полімерів в роторних дробарках і екструдерах. Відхилення результатів розрахунків значень потужності за математичною моделлю від даних експерименту при подрібненні одиничних шматків матеріалу в роторній дробарці не перевищує 8 %, а при завантаженні кількох однакових шматків матеріалу збільшується до 1220%. Відхилення значень питомих енерговитрат на подрібнення гуми в екструдері, що розраховані за математичної моделлю від експериментальних не перевищує 15 %. Встановлено, що при подрібнення відходів гум і термопластичних матеріалів в роторних дробарках доцільно застосовувати для отриманням часток матеріалу не менше 2 мм, а отримання більш дрібних фракцій ефективно на обладнанні, що реалізує об’ємне деформування матеріалу при подрібненні.
12. Розроблено алгоритми і програми для розрахунку раціональних конструктивних і технологічних параметрів роторних дробарок і екструдерів для подрібнення гуми.
13. Результати досліджень впроваджено у виробництво на п/п «Ольга» (м. Біла Церква) і Хмельницькій взуттєві фабриці «Взутекс», а також використовуються в навчальному процесі кафедри електромеханічних систем Київського національного університету технологій та дизайну.