ШИНЫ. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОИЗВОДСТВА

Особенности процесса резиносмешения на оборудовании большой единичной мощности

Одним из основных направлений научно-технического прогресса в шинной промышленности является интенсифи­кация и снижение трудоемкости процесса приготовления ре­зиновых смесей с одновременным повышением их качества. Существуют разные пути интенсификации производства ре­зиновых смесей и повышения производительности оборудо­вания: увеличение единичной мощности технологических линий; переход на линии непрерывного смешения; совершен­ствование геометрии рабочих органов роторных резиносме­сителей и дорабатывающих червячных машин; повышение частоты вращения роторов смесителей периодического дей­ствия [14].

На ОАО «Нижнекамскшина» одним из основных путей интенсификации производства резиновых смесей является использование смесительного оборудования большой еди­ничной мощности. Очевидно, что увеличение объема смеси­тельной камеры резиносмесителя должно привести к росту производительности оборудования и повышению эффектив­ности капиталовложений. Однако неясным остается вопрос

О качестве резиновых смесей и резин из них, полученных с использованием резиносмесителей с большим объемом сме­сительной камеры.

Завод грузовых шин ОАО «Нижнекамскшина» помимо отечественных резиносмесителей с емкостью смесительной камеры 250 литров оснащен 620- литровыми резиносмесите - лями фирмы «Саймон-Карвз». К настоящему времени накоп­лен огромный статистический материал по качеству резино­вых смесей, выпускаемых на столь различном по мощности смесительном оборудовании, а также свойствами резин на их основе. Сопоставительный анализ был проведен на протек­торных, каркасных резиновых смесях и смесях для боковин покрышки 260-508Р, выпускаемой в массовом порядке для автомобиля «КАМАЗ» [380].

Корректировка рецептур смесей в связи с их выпуском на 620-литровых резиносмесителях была незначительной и заключалась в 10 %-ном уменьшении доли каучука СКИ-3 I - группы и соответственном увеличении доли каучуков СКД и СКМС-ЗОАРКМ-15 (протекторная смесь и смесь для боко­вин). Кроме того, несколько уменьшилась дозировка серы и сульфенамида Ц. В связи с большой жесткостью протектор­ных смесей дозировка мягчителя - масла ПН-бш - увеличи­лась с 15 до 17-18 масс, частей, а в случае каркасной смеси с

4,0 до 5,5 масс, частей.

Режимы изготовления резиновых смесей на импортном и отечественном оборудовании довольно сильно отличаются (таблица 4.1).

Главное отличие заключается в более высоких скоростях

I стадии смешения на импортном оборудовании и значитель­ном сокращении общего цикла при его использовании.

На рис. 48, 49 приведены данные статистического анали­за качества смесей, изготовленных на разном типе оборудова­ния, и резин из них. Значения оценок математического ожи­дания и дисперсии показателя рассчитывались по месяцам.

Количество анализируемых заправок в месяц колебалось от сотен до нескольких тысяч. По этой причине можно гово­рить о высокой степени достоверности полученных данных.

Анализ представленных данных позволяет сделать ряд выводов. Во-первых, смеси, полученные на импортном сме­сителе, несмотря на увеличение дозировки мягчителя, имеют пониженную пластичность. Во-вторых, напряжение при 300% удлинении протекторной резины, полученной из смеси изго­товленной на 250-литровом смесителе, в среднем на 10% выше, а разброс по данному показателю значительно ниже чем у про­текторных резин из смесей, изготовленных на резиносмеси - теле большой единичной мощности. Подобный вывод можно сделать для протекторных и каркасных резин и по условной прочности при растяжении.

Таким образом, можно сделать общий вывод о предпоч­тительном изготовлении резиновых смесей на отечественном оборудовании, если в качестве критерия оценки работы раз­ного типа смесительного оборудования принять пластические свойства смесей и механо - деформационные характеристики резин.

Статистический анализ уровня первичного и окончатель­ного брака по резиновым смесям, изготовленным на разном

Оборудовании, привел к следующим результатам. Первичный брак смесей изготовленных на отечественном оборудовании составляет 1,8%, а на импортном - 2,58%. Уровень окончатель­ного брака лежит в пределах 0,04% и мало зависит от типа обо­рудования.

Одной из причин, влияющей на стабильность показателей качества смесей и резин, является частая смена заводов-постав - щиков технического углерода. Смена завода-поставщика про­исходит на объединении каждые 3-4 дня и в редком случае каждую неделю. Такая смена приводит к частой корректировке рецептуры и, как следствие из этого, к существенному отли­чию свойств смесей и резин. Подтверждением этого являются результаты, приведенные в таблице 4.2.

Представленный выше материал позволяет сделать следу­ющие выводы по изготовлению резиновых смесей на больших резиносмесителях.

1. Резиновые смеси, изготовленные на импортном смеси­тельном оборудовании большой единичной мощности, и рези­ны на их основе уступают по целому ряду важных показателей аналогичным смесям и резинам, полученным на отечественном оборудовании. Кроме того, сами показатели характеризуются большей величиной разброса.

2. С целью повышения пластоэластических свойств сме­сей, полученных на 620-литровых смесителях, и их однород­ности, необходимо провести оптимизацию режимов их изго­товления в части использования ремилинга и трехстадийных режимов изготовления смесей.

Для оптимизации резиносмешения на больших резиносме­сителях режим смешения отрабатывали в ручном режиме с вво­дом жидких мягчителей при температуре 90-100 °С и выгрузке маточной смеси при температуре 145-158 °С. Продолжитель­ность смешения с техуглеродом составила 20 с, с жидкими мягчителями - 30-35 с. В режим смешения была введена до­полнительная операция «поднятие верхнего затвора» перед вво­дом жидких мягчите л ей. Это увеличило продолжительность смешения на 5-10 с, но снизило брак резиновых смесей. При введении операции встряхивания верхнего затвора техуглерод, который ранее перетекал на верхнюю часть затвора из горло­вины загрузочной воронки в начале цикла смешения или про­сыпался с вибропитателя, попадает в смесительную камеру. Ос­новное же назначение операции встряхивания - снижение ин­тенсивности теплового воздействия на смесь, поскольку вра­щающиеся роторы, выталкивая ее в горловину, снижают разви­ваемую электродвигателем смесителя мощность и темпы роста температуры смеси. Кроме того, вытеснение смеси в горлови­ну способствует ее усреднению по объему.

Для второй стадии смешения был отработан режим, при котором ингредиенты вулканизующей группы и модификатор РУ смешивались с маточной смесью под давлением верхнего затвора в течение 35-45 с.

Увеличение количества «нестандартных» заправок, имею­щих неоднородную по массе температуру, заставило нас перей­ти на контроль смешения по температуре смеси и продолжи­тельности смешения.

Из-за увеличения объема изготавливаемой резиновой смеси и скорости ее обработки при эксплуатации резиносмесителей большой единичной мощности возникает проблема отвода по­вышенного количества выделяющегося тепла. Мы рекоменду­ем для удаления избыточного тепла снижать температуру ох­лаждающей воды до температуры 8-10 °С или увеличить пода­чу воды в единицу времени в 1,5 раза. Кроме того, в процессе отработки теплового режима резиносмесителей Р-620 и Р-270 выбраны оптимальные температуры для смесительной камеры, роторов и нижнего затвора, составляющие 30, 40, 20-30 °С со­ответственно.

Как было отмечено ранее, резиносмесители большой единичной мощности, в частности Р-620, характеризуют­ся низким пластицирующим эффектом. Это потребовало проведения комплекса работ по отработке рецептуры ре­зиновых смесей, использующих изопреновые каучуки. Анализ полученных данных показал, что наилучшие тех­нологические свойства резиновых смесей достигаются при использовании каучука СКИ-3 II группы с пластичностью

0, 38 уел. ед. и выше. Так как объем поставок СКИ-3 II груп­пы ограничен, то в случае его отсутствия в рецептуре уве­личивается содержание мягчительной группы, хотя это и привело к некоторому снижению прочностных показате­лей резин. Принимаемая в настоящее время дозировка жид­ких мягчителей по смесям, выпускаемым на отечествен­ных и импортных резиносмесителях, представлена в таб­лице 4.3.

Следует обратить внимание на большой расход масла ПН - 6ш в процессах смешения, осуществляемых на резиносмесите­лях большой единичной мощности. В условиях дефицита этого мягчителя был найден эквивалентный по пластицирующему действию дешевый заменитель на основе кубового остатка про­цесса ректификации этилбензола [129].

Было замечено влияние величины загрузки камеры ре- зиносмесителя на стабильность свойств протекторной рези­новой смеси. Варьирование объема загрузки от 480 л до мак­симально возможной (550 л) при прямом и обратном поряд­ке загрузки ингредиентов показало, что наилучшее качество смешения протекторных смесей достигается при увеличении загрузки резиносмесителя с 480 до 530 л.

Протекторные смеси шин размера 260-508Р на объеди­нении готовят в три стадии на импортном оборудовании большой единичной мощности. Выяснилось, что для обес­печения удовлетворительных технологических свойств тре­буется повышение дозировки жидких мягчителей с 7,0 до 10 м. ч. При двухстадийном же режиме дозировка жидких мягчителей составляет 16-17 м. ч. (табл. 4.3). В целом, рези­новые смеси, изготовляемые в три стадии, превосходят двухстадийные по уровню условной прочности при разры­ве и пластичности, что объясняется повышенной степенью диспергирования техуглерода при ремилинге маточной смеси.

При освоении процесса изготовления маточных смесей с использованием автоматизированного технологического комплекса (АТК-1) на базе отечественного 620-литрового ре­зиносмесителя был отмечен более высокий пластицирующий эффект смесительного оборудования по сравнению с импор­тной линией. Доработка смеси после резиносмесителя осу­ществлялась на резиносмесителе непрерывного действия РСНД 530/660 типа «Трансфермикс». В связи со значитель­ным дорабатывающим эффектом РСНД на объединении была снижена дозировка мягчителей (табл.4.4).

Опыт эксплуатации технологических линий производства маточных резиновых смесей на базе оборудования большой еди­ничной мощности показал преимущества дорабатывающих чер­вячных машин непрерывного действия типа «Трансфермикс» по гомогенизирующему и диспергирующему действию перед экст­рудерами и вальцами. При сравнении статистических данных по физико-механическим показателям резиновых смесей, произво­димых на отечественном резиносмесителе 250-40 и АТК-1, су­щественной разницы не наблюдается (табл. 4.5,4.6) [381].

Таблица 4.5.

Статистический обсчет показателей резиновых смесей

В ходе изготовления высокомодульных резин было обна­ружено, что даже трехстадийный процесс и увеличенная дози­ровка мягчителей не всегда обеспечивают его стабильность. В частности, наблюдается срыв головок грануляторов или отказ гранулятора из-за возрастания нагрузки на двигатель. При этом технологические свойства получаемых резиновых смесей и ка­чества вулканизатов на их основе недостаточно велики.

В результате освоения смесительного оборудования боль­шой единичной мощности отмечены соответствие свойств ре­зиновых смесей, выпускаемых на АТК-1 и резиносмесителе емкостью 250 л, и меньший пластицирующий эффект резинос - месителей Р-620. Корректировка рецептуры резиновых смесей, отработка режимов смешения и тепловых режимов конструк­тивных элементов смесителя позволяют обеспечить удовлет­ворительные технологические свойства резиновых смесей (за исключением высокомодульных резиновых смесей) и хороший уровень физико-механических показателей резин при стабиль­ной работе оборудования.

Одним из основных направлений повышения эффектив­ности технологического процесса резиносмешения, особен­но на резиносмесителях большой единичной мощности, яв­ляется совершенствование методов его контроля и управле­ния с учетом фактически реализуемых производственных ус­ловий.

В отечественной шинной промышленности до сих пор при резиносмешении наиболее широко используется способ управ­ления процессом по его продолжительности и температуре из­готавливаемой смеси. В этом случае возможности оптимиза­ции и интенсификации процесса ограничены нестабильностью характеристик исходного сырья и параметров теплоносителей, а также значительной погрешностью измерения температуры изготавливаемой смеси [382]. Существуют более перспектив­ные способы ведения процесса смешения путем оптимизации частотно-временной функции вращения роторов резиносмеси - теля с ограничением на температуру смеси и регулированием режимов охлаждения оборудования. Однако эти способы тре­буют существенных затрат на модернизацию уже существую­щего оборудования и создания специальных терморегулирую­щих станций.

Повышение эффективности процесса на уже существующем оборудовании может быть достигнуто организацией его управ­ления по энергозатратам [383]. Этот способ широко применя­ется за рубежом [384,385], так как характеризуется высокой про­изводительностью оборудования и стабильностью резиносме­шения. Тем не менее, и этот способ имеет ряд существенных недостатков: отсутствует учет динамики энергозатрат, что осо­бенно важно при недостаточной стабильности характеристик отечественного исходного сырья; не осуществляется прогнози­рование прироста энергозатрат после выдачи сигнала на про­ведение заключительных операций технологического режима.

Все вышеизложенное было учтено на ОАО «Нижнекамск - шина» при разработке и внедрении оригинальных отечествен­ных способов и соответствующих технических средств, входя­щих в систему контроля и управления процессом резиносме - шения по электроэнергетическим параметрам. В систему вош­ли следующие оригинальные способы:

1) способ контроля полноты объема загрузки ингредиен­тов в начальный момент по энергозатратам, позволяющий про­гнозировать их прирост на заключительных операциях техно­логического режима и автоматически учитывать изменение мощности холостого хода резиносмесителя;

2) способ задания необходимой скорости изменения сред­них значений развиваемой мощности резиносмесителя, авто­матически учитывающий колебания характеристик исходного сырья.

Реализация данных способов потребовала разработки ал­горитмов, представленных на рис. 50, 51, 52. Так, полнота объе­ма загрузки ингредиентов в начальный период смешения конт­ролируется (рис. 50) путем сравнения мощности Ысм(т), разви­ваемой электродвигателем главного привода резиносмесителя на смешение, с минимально N'(1) и максимально N"(1) допус­тимыми границами ее изменения. Корректировка значения Мсм(Т) с учетом фактического технического состояния обору­дования осуществляется по выражению:

Ысм(Т) = Мп (Т)-^,

Где 1ЧП (X) - мощность, развиваемая электродвигателем ре­зиносмесителя в процессе смешения;

Ыхх - мощность, развиваемая электродвигателем смесите­ля при холостом ходе, которая автоматически учитывается в начале каждого очередного цикла смешения.

Выполнение условий Ы'(Т)<ЫСМ(Т)<1Ч"(Т) свидетельствует

О нормальном протекании процесса смешения, в противном слу­чае вырабатывается сигнал аварийной ситуации.

Управление процессом смешения по энергозатратам Е(Т) (рис. 51) осуществляется в период времени от момента Т03 опус­кания верхнего затвора до момента Тов окончания выгрузки ре­зиновой смеси. Значение Е(Т) в текущий момент времени опре­деляется выражением:

Е(Т) = Есм(т) + АЕ30,

Где Есм(т) в свою очередь определяется, как ■снв

ЕСм^=

^03

Где АЕ30 - прогнозируемый прирост энергозатрат за пе­риод от выработки сигнала на проведение заключительных операций технологического режима (тнв - момент начала выг­рузки смеси) до их окончания, т. е. полной выгрузки готовой смеси.

АЕ30 - зависит от инерционности срабатывания исполни­тельных механизмов, их технического состояния, текущего сред­него значения, и определяется расчетно-экспериментальным путем.

Расчет текущих значений ЕСМ(Т) выполняется численным интегрированием на каждом шаге дискретизации времени. Од­новременно проводится сравнение Е(т) с заданными значения­ми энергозатрат: Евм - для ввода мягчителей и Еэт - эталон­ным, обеспечивающим заданное качество резиновых смесей.

При выполнении условия Е(Т)>Евм осуществляется выработка управляющих воздействий на ввод мягчителей, а при Е(Т)>Еэт

- на проведение заключительных операций режима смешения.

Для управления резиносмешением в условиях нестабиль­ности характеристик исходного сырья был разработан отдель­ный алгоритм (рис. 52). Согласно этому алгоритму после заг­рузки последнего ингредиента смеси - ввода жидких мягчите - лей - рассчитывается скорость изменения средних значений раз­виваемой при смешении мощности Ыср

(Шср/сН;=К tgф,

Где К - масштабный коэффициент, определяемый опытным путем;

Ф - угол наклона кривой в координатах Г^ср-т. Условием выработки управляющих воздействий на проведение заключи­тельных операций режима в резиносмесителе (момент Тнв) яв­ляется стабилизация скорости изменения

СШС1 ёф

Разработанная автоматизированная система базируется на аналого-цифровом управляющем комплексе, содержащим: пре­образователь активной мощности трехфазного тока, блок вво­да-вывода, блоков обработки, хранения и обмена информаци­ей, самопишущий миллиамперметр, фотосчитыватель, дисплей с цифропечатающим устройством. Система осуществляет учет динамики энергозатрат при резиносмешении, прогнозирование энергозатрат после выдачи сигнала на проведение заключитель­ных операций технологического режима, диагностику состоя­ния резиносмесительного оборудования.

Реализация системы на ОАО «Нижнекамскшина» сократи­ла вариационный размах показателей качества резиновых сме­сей до 50%, снизила уровень брака в среднем на 5%, понизила энергозатраты на 6-7%, повысила производительность резинос - месителя на 4-5%. Система защищена авторскими свидетель­ствами [386, 387, 388].

Определение средних значений мощности, развиваемой при смешении

Заврешение процесса резиносмешения

КОНЕЦ

Рис. 52. Фрагмент блок-схемы алгоритма управления ре - зиносмешением по скорости изменения средних значений раз­виваемой мощности.