Участок переработки полимерных материалов

Е – модуль упругости  материала, МПа;

μ – коэффициент Пуассона;

t_н и t_вн - температуры наружной и внутренней поверхности цилиндра,⁰С.

Разность :

,

здесь λ – коэффициент  теплопроводности материала стенки цилиндра, Вт/м·К ;

Q – теплонапряженность, Вт/м²;

δ – толщина стенки цилиндра, м;

Для стали : μ = 0,3; Е = 2,1·10⁵ МПа.

По [4] λ = 37,8 Вт/м·К;  α = 12·10^-6 1/ ⁰С.

Теплонапряженность определяется исходя из уравнений

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от полимера к стенке корпуса цилиндра , Вт/м²·К ;

α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра в окружающую среду.

t_п и t_ос – температуры полимера и окружающей среды.

Так как цилиндр обдувается охлаждающими вентиляторами, то примем

a₂ = 40 Вт/м²К.

Принимая t_п = 100°С и учитывая t_ос= 20°C определим теплонапряжённость.

Q = Q₂ = 40(100 - 20) = 3200 Вт/м².

Тогда Dt =

Определяем температурные  напряжения:

Тогда

  = 31,3 – 6 = 25,3 МПа

  = 3,5 – 6 = - 2,5 МПа

Таким образом эквивалентное напряжение будет:

Суммарные напряжения:

где напряжение изгиба:

L = 920 мм – длина цилиндра;

q – вес 1 см длины цилиндра.

Масса цилиндра m=40 кг, тогда вес всего цилиндра G = 400Н.

s = 29,2 МПа < [s] = 133 МПа

Условие прочности выполняется.

 

4.5 Расчет резьбы  цилиндра

Рассчитаем на прочность  резьбу цилиндра для навинчивания фланца. В данном случае применяется метрическая резьба М90×2 с мелким шагом для получения герметичного стыка и исключения самоотвинчивания в процессе работы.

Радиальное усилие, действующее  на расчётную резьбовую поверхность:

Р_R = Ptga

P – осевое усиление, Н;

a = 30° - половина угла профиля резьбы.

Р = 0,785 P = 0,785×0,032²×24,2 = 19,45 кН.

Среднее удельное давление, приходящееся на расчётную резьбовую  поверхность:

где d_ср = 88,701 мм – средний диаметр резьбы

l = 50мм – длина резьбы.

Р_R = 19,45×tg 30° = 11,22 кН

Из уравнения для  Р_ср видим, что площадь эпюры F = P_срl.

Исходя из распространения  давления по закону треугольника площадь  эпюры составит:

Отсюда выражаем величину наибольшего давления на поверхности цилиндра, длиной l:

P_max = 2P_ср = 2×0,8 = 1,6 МПа

Определим по [4] с. 109 величину допускаемого удельного давления для  стали: [P] = 7,5 ÷ 13МПа

Р_max = 1,6 МПа < [Р] = 7,5 ÷ 13 МПа

Проверим прочность  резьбового соединения на растяжение. Для этого необходимо выполнение условия

d₁ = 87,402 мм – внутренний диаметр резьбы.

Необходима также проверка резьбы по напряжениям смятия:

где

[s]_см = 100МПа – для сталей – с.109[4]

Условие прочности по напряжениям смятия выполняется.

 

4.6 Расчёт резьбового  фланца

Определим геометрические параметры фланца:

Наружный диаметр фланца:

D_H = D_б + a, где

D_б – диаметр болтовой окружности, м.

а – параметр, зависящий  от диаметра болтов или шпилек, применяемых  для крепления фланца.

При креплении фланца к узлу упорного подшипника и учитывая высокое давление внутри цилиндра целесообразнее применять шпильки.

По таб. 12.10 [6] выбираем шпильку М12×1,5 (ГОСТ 11765-66) с внутренним диаметром резьбы d₁ = 10,376 мм.

 По таб. 21.32 [4] при d_б = 12мм а = 30мм.

Тогда D_H = 130+ 30 = 160мм,

где D_б = D_y + 2d_б + 15 = 90 + 2×12 + 15 = 130 мм.

Диаметр резьбы фланца из конструктивных соображений принимается  равным диаметру цилиндра D_y = 90 мм.

Резьба фланца проверяется  на изгиб и смятие.

В зависимости от рабочей  среды и конструкции фланца по таб. 13.5 и 13.3 [6] выбираем конструкционный  материал фланца – сталь 35.

Материал шпилек –  тот же.

Нормативное допускаемое напряжение

Для стали 35 s_b = 540 МПа; s_т = 320 МПа;

n_b = 2,4 – коэффициент запаса прочности;

n_T = 1,5 – коэффициент запаса текучести.

Значит, [s] = 213МПа.

Напряжения изгиба рассчитывается по формуле:

s_и =

,

где c - коэффициент, зависящий от формы резьбы; для метрической резьбы c = 0,112;

к = 1,3 – коэффициент  затяжки;

S = 1,5  - шаг резьбы;

r - усилие, действующее на соединение от действия внутреннего давления.

здесь D_ср – средний диаметр поверхности уплотнения.

D_ср =

D₁ = 87,402 мм – внутренний диаметр резьбы.

 

s_из =

s_из = 27,4 МПа < [s] = 213МПа.

Определим допускаемое  напряжение смятия для углеродистой стали.

[s]_см = 100 МПа – с. 109 [4]

Напряжение смятия будет:

s_см = 8,5 МПа < [s]_см = 100МПа

Определим ширину фланца:

Здесь:

d_ср = 88,701 мм – средний диаметр резьбы.

d₀ =14 мм – диаметр отверстия во фланце под шпильки.

Количество шпилек для  крепления фланца к узлу опорного подшипника определим из условия  прочности шпилек: (при рабочих  условиях).

,

 где Р_б.в – болтовая нагрузка в рабочих условиях, Н;

f – площадь сечения шпильки, м²;

[s]^t_б – допускаемое напряжение для материала шпилек при рабочей температуре, МПа.

f = 0,785d²_вн = 0,785 × 10,376² = 84,5 мм²

Фланец крепится в  той части цилиндра, где температура  среды t_c = 60°С.

Поэтому расчётная температура  фланца t_ф = 0,97t_c = 0,97 × 60 = 58°С.

Согласно таб. 1.38 [6] допускаемое  напряжение = 128 МПа.

Определим болтовую нагрузку в рабочих условиях:

Р_б.2 = Р_б.1 + (1- a)r + Р_Т

Здесь a = 1,45 – коэффициент жёсткости соединения, таб. 8 [7];

Р_б.1 – болтовая нагрузка в условиях монтажа, Н.

Р_б.1 =

,

 где b_э - эффективная ширина прокладки;

q – необходимое удельное давление на посадочную поверхность;

R_П – реакция прокладки в рабочих условиях.

b_э = 0,5b = 0,5 × 10 = 5 мм

q = 60 МПа – таб. 8 [6]

R_П = pD_cpb_эmP = 3,14 × 36 × 5 × 4 × 24,2 = 54,71 кН.

Здесь, коэффициент m = 4 – по таб. 8 [6]

Р_б.1 = = 90,42 кН.

Р_Т – усилие в болтах от температурной деформации.

Здесь g = 0,1¸ 0,3 – коэффициент, учитывающий податливость прокладки и фланцевых колец в направлении от болтов, a_ф, a_к, a_б – коэффициенты температурного линейного расширения материалов фланца, кольца и шпилек.

В данном случае a_ф=a_к=a_б = 12×10^-6 1/с, т.к. разница между температурами t_б, t_ф, t_к – незначительная.

t_б = 0,9 t_c = 0,9 × 60 = 54 °С.

Р_Т = 0,2 × z × 84,5 × 2,1 ×10⁵

Тогда:

Р_б.2. = 90,42 × 10³ + (1 - 1,45) × 24,63 + 213z = 79340 + 213z.

Значит, количество шпилек составит:

При этом Р_б.2. = 79340+213×8 = 81044 Н.

Рассчитаем кольцо фланца на прочность:

Определим приведённые  изгибающие моменты в меридиональном сечении кольца:

• в условиях монтажа:

М₀₁ = 0,5 Р_б.1. (D_б – D_у) = 0,5 × 90,42 × 10³(130 – 90) = 1808400 Н×мм.

• в рабочих условиях:

М₀₂ = 0,5Р_б.2(D_б – D_У) = 0,5 × 81044(130 – 90) = 1644035 Н×мм.

За расчётное значение принимаем

М₀ = 1808400 Н×мм.

Условие прочности кольца фланца имеет вид:

Здесь y₂ = 2,8 – параметр, определяющийся по [4].

s_к = 35,2 МПа < [s] = 213 МПа.

Для обеспечения герметичности  фланца, необходима проверка условия  жёсткости, которое имеет вид:

где Q - угол поворота фланца;

[Q] – допускаемый угол поворота фланца; [Q] = 0,026 рад.

Q = 0,0004 рад. < [Q] = 0,026 рад.

Условие жёсткости выполняется.

 

 

 

5. автоматизация процесса

 

Автоматизация процесса получения полиэтиленовой трубы  направлена  на улучшение качества конечного продукта, для получения  которого требуется с высокой  точностью выдерживать технологические параметры процесса переработки полимерных композиционных материалов.

Задачей автоматизации  является необходимость регулирования  технологических параметров в заданных пределах. При выходе за пределы  регулирования система автоматики должна сигнализировать об этой ситуации на пульт управления.

При подготовке и транспортировке исходного  сырья необходимо:

• поддерживать постоянный уровень в бункерах хранения, промежуточной емкости и загрузочном бункере экструдера;
• регулировать расход сырья в смеситель;
• регулировать влажность поступающего сырья в загрузочный бункер;
• обеспечить систему включения двигателя смесителя по временному параметру.

На стадии экструдирования и формования необходимо:

• стабилизировать температуру по зонам цилиндра экструдера и в формующей головке;
• регулировать давление поступающего на раздув заготовки воздуха;
• обеспечить систему пуска  электродвигателя экструдера.

При охлаждении и намотке трубы  необходимо:

• поддерживать постоянный уровень в охлаждающей ванне;
• контролировать длину трубы;
• регулировать и синхронизировать частоту вращения двигателей тянущего устройства и станции намотки.

 Для измерения  уровня сырья установлены позиционные  датчики уровня типа ЭИУ-2, которые  управляют открытием и закрытием  впускных клапанов типа П-РЭ3/2,5-1112. При малом уровне или переполнении на щит оператора подается сигнал об аварийной ситуации.

Расход сырья  регулируется при помощи секторных  дозаторов, установленных на выходных отверстиях расходных бункеров.

Измерение температур по зонам осуществляется термопарами ТХК-0515. Каждая зона регулируется отдельным регулятором температуры РТ-93. Температура в экструдере должна быть не менее 120^оС, т.к. при меньшей температуре, из-за высокой вязкости расплава, на двигателе возникает недопустимый крутящий момент. Во избежание такой ситуации на каждом регуляторе имеется аварийная подача сигнала на пульт управления.

При помощи вышеописанных  приборов поддерживается температура  при формовании.

Давление  раздува трубной заготовки регулируется подачей воздуха из компрессора.

Уровень воды в охладительной ванне измеряется датчиками уровня УДУ-5М, сигнал с  которых подается на управляемые  вентиля СКН-2, которые регулируют слив воды в ванне. При изменении  уровня воды на 0,01м на щит оператора  подается аварийный сигнал.

Станция намотки и тянущее устройство имеют привод от электродвигателей, которые снабжены регуляторами оборотов. Отклонение числа оборотов не должно превышать 1%. Невыполнение этих параметров приводит к завышенной или заниженной толщине трубы, что является недопустимым.