Дисертаційну роботу присвячено дослідженню руху гранульованих полімерних матеріалів у зоні живлення черв'ячного екструдера та його впливу на конструктивно-технологічні параметри зазначеної зони, що необхідно для ефективного проєктування та експлуатації екструзійного обладнання в цілому.
Проведено аналітичний огляд сучасного стану досліджень процесу живлення черв’ячного екструдера полімерною сировиною. Розглянуто існуючі методи моделювання обладнання та процесу живлення одночерв’ячного екструдера полімерною сировиною та особливості її перероблення. Проведено аналіз існуючих методів та установок для проведення досліджень триботехнічних властивостей полімерної сировини та вплив на них таких параметрів як навантаження, температура та швидкість рухомого робочого органу.
За результатами проведеного огляду встановлено, що найближчим до реальної поведінки полімерних гранул у робочому каналі черв’ячного екструдера є опис руху сипкого середовища на базі методу дискретного елемента (МДЕ), який полягає в дослідженні взаємодії окремої частинки з іншими частинками шару сипкого матеріалу та границями розрахункової області. При цьому для виконання відповідних числових розрахунків необхідним є дослідження коефіцієнтів тертя і бічного тиску оброблюваних матеріалів та їх залежностей від конструктивно-технологічних параметрів зони живлення екструдера.
Також варто зазначити, що дослідження триботехнічних властивостей полімерних матеріалів, що необхідні для проведення числових розрахунків, зазвичай проводяться для монолітних зразків, а не для гранульованого матеріалу, хоча від точності врахування коефіцієнта зовнішнього тертя та коефіцієнта бічного тиску сипкого матеріалу залежить точність проєктування екструзійного обладнання для переробки полімерної сировини. Крім того, відсутня єдина методика для експериментального визначення коефіцієнтів зовнішнього тертя й бічного тиску, а більшість існуючих установок для визначення триботехнічних властивостей не дають змоги проводити дослідження саме для гранульованих полімерних матеріалів.
Для моделювання процесів руху сипкого матеріалу в роботі використано математичну модель дискретного опису руху сипкого матеріалу на базі методу дискретного елемента, яка дала змогу розглянути полімер у вигляді окремих гранул та врахувати вплив форми і розмірів окремих гранул на характер взаємодії полімеру із стінками робочих органів обладнання. Для опису взаємодії між гранулами було використано в’язко-пружну модель Hertz–Mindlin, яка допускає, що частинки, які мають форму сфери, під час контакту не деформуються, а перекривають одна одну на певну величину, утворюючи пляму контакту.
Проведено дослідження взаємодії між гранулами таких чотирьох полімерів: поліетилену високої густини марки Marlex HHM 5502BN (ПЕВГ), співполімеру етилену з вінілацетатом (севілену) марки 11104-030 (СЕВ), полістиролу марки Denka Styrol MW-1-301 (ПС), полівінілхлориду марки SorVyl G 2171/9005 11/01 (ПВХ). Дослідження проведено для задач формування кута природного укосу (КПУ) та руху потоку гранул на прикладі шнекового живильника.
Використання дискретного підходу дало змогу врахувати вплив форми й розмірів окремих гранул на характер взаємодії полімеру зі стінками робочих органів обладнання. Проведено порівняння двох підходів до моделювання форми гранул: за умови розгляду гранул у формі сфер та у формі мультисфер, коли розрахункова форма гранул максимально наближається до реальної.
Отримані результати показали, що модель МДЕ з аналізом гранул у формі мультисфер адекватно відтворює поведінку сипких матеріалів, на відміну від аналізу гранул у вигляді сфер. Порівняно з натурним експериментом модель МДЕ для розрахунку КПУ з використанням методу мультисфер у разі ПЕВГ та СЕВ дає похибку меншу в 3 рази, ніж модель МДЕ з використанням методу сфер, у разі ПС – похибку меншу в 6 разів, у разі ПВХ – похибку меншу в 9 разів. Різниця передусім зумовлена складною формою гранул, що безпосередньо впливає на формування КПУ утворюваного ними шару.
Додаткову верифікацію відповідності поведінки реального матеріалу змодельованому проведено за допомогою дослідження масової продуктивності шнекового живильника методами натурних, числових експериментів і аналітичного розрахунку та їх порівнянні. При числовому розрахунку використовувались гранули, змодельовані методом мультисфер.
