УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТЕКТОРНЫХ ЗАГОТОВОК АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН И СПОСОБ НА ОСНОВЕ ЭТОГО УСТРОЙСТВА
DEVICE FOR PRODUCING UNCURED TYRE TREAD MATERIAL FOR VEHICLE TYRES AND METHOD BASED ON THIS DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, предназначенным для изготовления слоистых деталей автомобильных шин и устройствам для их осуществления. В частности, предназначено для регулирования создания формы поверхности раздела материалов в процессе получения многослойных комбинированных профильных изделий. Главным образом, изобретение по способу относится к усовершенствованию процесса соэкструзии резиновых смесей за счет использования регулирования создания поверхности раздела материалов при помощи предлагаемого устройства. Изобретение по устройству относится к мультиплексной экструзионной технике, широко используемой в шинной и резинотехнической промышленности.
Уровень техники по устройству
Повышенные требования к качеству автомобильных покрышек вызвали необходимость создания и широкого применения оборудования для получения протекторных заготовок автомобильных шин, сдублированных из двух и более резиновых смесей. Первые попытки создания такого оборудования были связаны с дублировочными каландрами. Однако известно, что даже на самых точных каландрах резиновую ленту хорошего качества можно получить толщиной не более 1,2 мм. Для получения автомобильных протекторов требуется выпуск большого числа тонких лент и их последующее дублирование на каландре. При этом для оборудования характерны сложность обслуживания, малая производительность и низкое качество продукции из-за возможного захвата воздуха в межвалковый зазор. Червячно-валковые агрегаты с одно- и двухвалковыми головками за счет рационального сочетания и расширения технологических возможностей одночервячных машин и каландров исключают традиционные недостатки дублировочных каландров. Однако они уступают по производительности и ассортименту получаемых профилей мультиплексным червячным агрегатам. Головки агрегатов, обеспечивающие одновременное формование нескольких слоев и соединение их в одну заготовку, представляют собой достаточно сложную конструкцию из подвижных и неподвижных корпусов с формующими каналами, устройств с гидравлическим приводом для раскрывания и смыкания головки, крепления профилирующего инструмента. Необходимо отметить, что получение комбинированных профилей высокого качества на больших скоростях требует использование устройств, связанных с регулированием толщины слоев, калибровки профиля и т.д.
В международной заявке WO 2006101075 А1 описано устройство, представляющее мультиплексную головку для соэкструзии многослойных профилей, связанную с червячными экструдерами. Данная головка имеет внутренние устройства регулирования толщины отдельных слоев в виде регулируемых губок. Ими в равной степени передавливают поток по всей ширине формующего канала. При этом они способны лишь незначительно уменьшить величину деформаций, но не меняют формы граничной поверхности в поперечном направлении движущегося потока материалов.
Известно устройство, в котором конструкция головки для непрерывного совместного формования RU 2257295 С1 (2004-03-30) содержит корпус с формующими каналами и матрицу. Матрица подключена к источнику высокочастотных колебаний электродами. Матрица закреплена в корпусе при помощи упругого демпфера, позволяющего совершать ей линейные колебания в плоскости, перпендикулярной движению формуемого материала. Согласно этому изобретению удается снизить усилие формования непрерывного потока материала, что способствует уменьшению степени искажения поверхности раздела материалов и повышению качества стыка дублируемых слоев. При этом характерным недостатком устройства будет малая степень колебательного воздействия на формирование граничной поверхности при производстве изделий с большой толщиной слоев из высоковязких материалов.
Наиболее близкой к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является мультиплексная головка червячного агрегата для изготовления плоских профилей из различных резиносинтетических смесей, содержащая корпус с формующими каналами для сообщения с червячными прессами, описанная в патенте SU 1166666 А (1985-07-07). Повышение качества изделия и производительности процесса достигается в ней путем обеспечения одинаковой скорости течения резиновой смеси по каналам. При этом отличительным признаком конструкции головки является наличие в формующих каналах съемных насадок, имеющих выемки. Благодаря им каналы имеют приблизительно равную длину, что особенно важно для обеспечения равномерности температуры, которая определяет однородность свойств по сечению протектора.
Существенным недостатком выбранного прототипа является создание большого гидравлического сопротивления движущемуся потоку материала, что влечет за собой необоснованное увеличение мощности питающих червячных экструдеров. Также области перед выемками и выступами в съемных насадках являются источником возникновения застойных зон, что может неблагоприятно сказаться на качестве выпускаемых изделий из-за возможной подвулканизации резиновых смесей. Кроме того, при переходе с одного вида продукции на другой необходимо производить останов агрегата, откидывание верхней и нижней части головки и замену съемных насадок. Это, в свою очередь, обуславливает значительные потери времени и снижает производительность процесса.
Технической задачей изобретения является повышение универсальности мультиплексного оборудования, его производительности и качества изделия за счет устранения различия нелинейности скоростных эпюр материальных потоков и дестабилизации по давлению, а также за счет регулирования создания поверхности раздела материалов.
Раскрытие изобретения, в частности устройства. Поставленная техническая задача достигается тем, что в головке червячного агрегата для получения протекторов из различных резиновых смесей установлено регулирующее устройство с механизмом управления, позволяющее изменять форму выходного сечения впускных формующих каналов головки. Кроме того, в разъемном корпусе головки червячного агрегата помимо впускных формующих каналов для сообщения с расположенными в одной плоскости одночервячными экструдерами имеется матрица, представляющая собой формующий канал, общий для совмещаемых материальных потоков. Регулирующее устройство, размещаемое между смежными формующими каналами, позволяет одновременно изменять форму их проходного сечения и тем самым оказывать деформационное воздействие на материальные потоки, а также регулировать создание поверхности раздела материалов. По сути, клиновидные пластины регулирующего устройства являются продолжением впускных формующих каналов, а их текущее положение будет определять конфигурацию слоев и структуру комбинированного изделия. При этом количество клиновидных пластин в регулирующем устройстве будет определяться той или иной степенью подвижности.
Решение технической задачи возможно благодаря наличию следующих отличительных признаков:
- регулирующее устройство, устанавливается между смежными формующими каналами мультиплексной головки, что позволяет осуществлять одновременное воздействие на два материальных потока;
- устройство имеет модульную конструкцию и состоит из ряда одинаковых регулирующих клиновидных пластин, которым придается вращательное или поступательное движение, что позволяет локально воздействовать на поток с различной степенью;
- регулирующие клиновидные пластины являются продолжением впускных формующих каналов головки и не представляют большого гидравлического сопротивления, что позволяет увеличить частоту вращения шнеков без значительного увеличения мощности экструдеров;
- наличие простого механизма управления в виде регулировочных болтов позволяет быстро и точно изменять положение регулирующих клиновидных пластин;
- подвижность клиновидных пластин и наличие механизма управления ими позволяют производить настройку без раскрытия головки при переходе на другой состав резиновой смеси или на новый профиль;
- данное устройство не содержит сменных вставок в формующих каналах, а, следовательно, не требует останова и раскрытия головки агрегата для чистки при переходе с одного вида продукции на другой или смене композиции резиновых смесей.
Дополнительными отличительными признаками являются:
- количество регулирующих клиновидных пластин определяется геометрическими размерами дублирующего канала головки, реологическими свойствами материалов и допусковыми значениями толщин отдельных слоев согласно технологическому регламенту;
- с целью повышения эффективности устройства регулирующие клиновидные пластины предлагается исполнять различными по ширине, причем самые узкие должны устанавливаться по периферии канала, а самая широкая по центру.
При управлении положением клиновидных пластин регулирующего устройства в зоне дублирования головки устраняется дестабилизация по давлению совмещаемых потоков, возможными причинами которой могут выступать различие режимных и реологических параметров. Таким образом, регулирующее устройство позволяет расширить технологические возможности мультиплексной экструзионной головки и повысить ее универсальность. Также за счет совместного локального передавливания материалов клиновидными пластинами регулирующего устройства устраняется различие нелинейности скоростных эпюр и повышается качество стыка совмещаемых слоев.
В результате того что управление с помощью регулирующего устройства производится непрерывно, отпадает необходимость раскрытия головки для чистки при переходе на другой вид резиновых смесей.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - общий вид устройства с регулирующими клиновидными пластинами, вращающимися на оси в вертикальной плоскости;
фиг.2 - общий вид устройства с регулирующими клиновидными пластинами, поступательно перемещающимися в параллельных плоскостях.
Наилучший вариант осуществления изобретения по устройству
В зависимости от механизма управления положением клиновидных пластин предлагаемое устройство может быть выполнено в двух конструктивных вариантах.
Основные преимущества и отличительные признаки настоящего устройства будут более очевидны из нижеследующего описания. Изобретение поясняется чертежами (фиг.1 и 2), на которых представлено продольное сечение дуплексной головки, обеспечивающей соэкструзию двух резиновых смесей А и В.
Для лучшего понимания устройства и принципа его работы чертежи сопровождаются объемно-конструктивными фрагментами (фиг.3 и 4), иллюстрирующими последовательность действий по способу. Предлагаемое регулирующее устройство установлено в межголовной части 1 корпуса дуплексной экструзионной головки 2. Согласно первому варианту (фиг.1) оно состоит из общей оси 3, неподвижно закрепленной в межголовной части корпуса 1, регулирующих клиновидных пластин 4 и 5, свободно поворачивающихся на оси 3 в вертикальной плоскости, механизма поворачивающего пластины 18. По второму варианту устройство также размещено в межголовной части корпуса дуплексной головки 1 (фиг.2) и состоит как минимум из трех пар регулирующих клиновидных пластин 3, 4, 5, 6, 7, 8, автономно перемещающихся в параллельных плоскостях регулировочными винтами 9, 10, 11, 12, 13, 14. В обоих конструктивных вариантах регулирующее устройство размещено в межголовной части формующей головки 1 и из-за этого требует установки планки предварительного формования верхнего канала 15 к подвижной части корпуса 17. Единственным, но не столь серьезным недостатком рассматриваемого устройства является потребность в надежном уплотнении регулировочного механизма.
Двухслойные протекторные заготовки, получаемые с помощью предлагаемого устройства, приобретают внешнюю форму, соответствующую выходному сечению профильной планки 18, а форма границы слоев окончательно будет определяться числом регулирующих клиновидных пластин и их текущим положением.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в осуществлении соэкструзии резиновых смесей различного состава с возможностью регулирования создания формы поверхности раздела материалов и толщины отдельных слоев. При этом в формующие каналы головки, соединяющие экструдеры с матрицей, подаются пластифицированные резиновые смеси. Между смежными формующими каналами установлено регулирующее устройство, которое является их продолжением. За счет изменения положения регулирующих клиновидных пластин устройства на текущие материалы совместно оказывается локальное деформационное воздействие по всему сечению матрицы.
Несмотря на то, что устройство по изобретению было описано с конкретной ссылкой на резиновые смеси, оно может быть использовано для получения других продуктов, в том числе из полимерных материалов и термопластов.
Достигаемый технический результат
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей мультиплексной экструзионной головки. Использование подвижных регулирующих элементов в матрице позволяет осуществлять очень точное совместное регулирование толщины слоев. С другой стороны, позиционное регулирование данных элементов вносит существенные коррективы в формирование границы раздела материалов, что способствует ее соответствию заданному конечному положению. Использование вращающихся и поступательно движущихся элементов, не представляющих собой большого гидравлического сопротивления, позволяет увеличить нагнетательную способность шнеков и, как результат, повысить производительность данного вида оборудования в среднем на 10-15% без потери качества выпускаемых изделий. Увеличение производительности отчасти возможно и за счет сокращения времени обслуживание агрегата и чистки головки. Также конструкция данной головки способствует сокращению брака, связанного с внутренними дефектами структуры изделия и анизотропией свойств.
Уровень техники по способу
В шинной промышленности соэкструзия является одним из основных способов выпуска длинномерных изделий комбинированных из нескольких материалов, таких как протекторы, боковины и наполнительный шнур. Соэкструзионная технология основана на одновременной экструзии двух и более пластифицированных материалов через мультиплексную (многоканальную) профилирующую головку. Результатом соэкструзии является выпуск комбинированных изделий, состоящих из прочно связанных слоев, обеспечивающих сочетание различных, часто несовместимых в одном материале свойств (прочности, эластичности, износостойкости, когезионности, стойкости к тем или иным средам и др.). При этом качество выпускаемого профиля определяется геометрией и конструкцией профилирующего инструмента.
При определенных условиях стратифицированного течения материалов в матрице можно наблюдать очень неровную (нерегулярную) поверхность раздела между соприкасающимися потоками. Ее возникновение отрицательно сказывается на качестве конечного продукта, поэтому рассматривается как нежелательное. Так применительно к экструзии составных протекторных заготовок нерегулярность поверхности раздела приводит к отклонению от заданных допусковых значений толщин жесткой беговой части протектора и эластичного подканавочного слоя (подложки). В конечном итоге это снижает качество шины в целом и является трудно устранимым браком. Факторами, стимулирующими рост деформирования контактной поверхности, служат чрезмерная длина общего формующего канала, различия вязкоупругих свойств материалов и их расходов. Таким образом, одной из сложнейших задач при соэкструзии остается контроль индивидуальных слоев.
Устранению подобных дефектов отчасти благоприятствует способ, описанный в международной заявке WO 2006101100 А1 (2005-03-23). Данный способ получения двухслойных листов и профилей имеет возможность регулирования толщины отдельных слоев. Согласно описанию данного способа сначала по отдельности шприцуются слои одношнековыми экструдерами, затем происходит совмещение слоев в валках дублировочного каландра. При этом регулирование толщины слоев осуществлялось путем изменения скорости одного из слоев при их совмещении в рабочих органах оборудования. В частности, в определенном диапазоне изменялась частота вращения приемных валков, в зазор между которыми поступали слои, шприцуемые экструдерами. Однако величина деформаций граничной поверхности при этом уменьшалась незначительно.
Также уменьшению дефектов структуры изделия способствует подбор определенных технологических режимов, что является затруднительной, порой невыполнимой задачей, либо установка регулирующих устройств. Традиционный способ изготовления многослойных протекторных заготовок, описанный в литературе (Говша А.Г., Бастрыкин В.В., Остроухов А.В. Состояние, перспективы применения и развития одночервячных резиноперерабатывающих машин. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1986. - 42 с.), основан на соэкструзии и заключается в непрерывном совместном продавливании материалов через профильную планку, которые поступают в нее по формующим каналам головки из основных и вспомогательных одношнековых экструдеров. При этом возможным представляется лишь регулирование соотношения расходов материалов, производимое варьированием частоты вращения шнеков.
Другой способ RU 2286255 С2 (2002-05-15), выбранный за прототип, также представляет собой соэкструзию резиновых смесей, но отличающуюся возможностью повышения прочности соединения слоев пневматических шин. Он предполагает приготовление и пластикацию смеси на основе склеиваемых материалов или смеси с низким содержанием технического углерода во вспомогательном двухшнековом экструдере и ее введение в виде промежуточного слоя в отверстие матрицы непосредственно между основными слоями. Способ включает соэкструзию по меньшей мере двух основных слоев резиновых смесей (А, В) при помощи основных экструдеров и введение через указанные слои по меньшей мере одной вставки из резиновой смеси (С) при помощи сопла мини-экструдера. Основные экструдеры связаны с экструзионной головкой по меньшей мере двумя впускными формующими каналами для подачи резиновых смесей (А, В). Из мини-экструдера через сопло в головку подается резиновая смесь (С) таким образом, чтобы ее всесторонне окружали смеси (А, В).
Однако за счет введения дополнительного слоя уменьшается толщина основных технологических слоев, что может отрицательно сказаться на эксплуатационных характеристиках комбинированного изделия, и ресурсе его использования. Но в качестве главного недостатка способа можно назвать увеличение стадийности технологии за счет введения процесса смешения материалов. В частности, данный способ не позволяет достичь точного и быстрого регулирования толщины слоев, что делает затруднительным создание заданной формы поверхности раздела материалов. Главное упомянутые выше технические решения не способны полностью решить проблему деформирования граничной поверхности материалов. Все это ведет к необоснованному удорожанию соэкструзионной технологии.
Задачей настоящего изобретения, в части способа, является придание технологическому процессу универсальности, повышение качества комбинированных изделий, сокращение количества брака и уменьшение стадийности процесса.
Раскрытие изобретения
Для решения поставленной задачи предлагается способ получения протекторных заготовок автомобильных шин, реализующий соэкструзию совместно с непрерывным регулированием создания поверхности раздела материалов при их стратифицированном течении, путем придания ей инверсной (противоположной) формы посредством подвижных частей в фильере.
Принципиальное отличие изобретения от прототипа заключается в позиционном регулировании положения точек линии начального контакта материалов механическим путем. Такое направленное действие повышает универсальность мультиплексного экструзионного агрегата, расширяя спектр обрабатываемых материалов, в том числе тех, чьи реологические характеристики могут сильно отличаться.
В соответствии с настоящим изобретением способ получения протекторных заготовок автомобильных шин отличается тем, что включает в себя следующие этапы:
- нагнетание резиновых смесей (А, В) при помощи одношнековых экструдеров во впускные формующие каналы, связанные с матрицей головки;
- продавливание резиновых смесей (А, В) путем экструзии через соответствующие впускные формующие каналы;
- регулирование толщины совмещаемых слоев и регулирование создания формы границы раздела материалов посредством изменения формы проходного сечения впускных каналов за счет перемещения регулирующих клиновидных пластин устройства;
- совместное продавливание резиновых смесей (А, В) путем соэкструзии через дублирующий канал матрицы формующей головки;
- профилирование сдублированных слоев на выходе из матрицы с приданием им соответствующей формы протекторной заготовки.
Особенностью данного способа является то, что он учитывает деформирование границы раздела материалов, происходящее по длине каналов под действием сильно разнящихся свойств материалов и их расходов. Рассматриваемое искажение границы слоев устраняется путем изначального создания линии контакта слоев, которая по форме будет противоположна искаженной на выходе из матрицы. Такое контрвоздействие осуществляется посредством локального изменения положения линии схождения потоков. При этом регулирование будет производится с помощью устройства, устанавливающегося в межголовной части агрегата и выполняющего определенную последовательность действий в зависимости от конструктивного варианта.
Устранение искажения границы раздела материалов и калибровка толщины слоев осуществляются путем одновременного локального деформационного воздействия на смежные материальные потоки, текущие по впускным формующим каналам головки. В результате происходит передавливание потоков (одного по центру, другого по периферии канала), в ходе которого формируется граница раздела материалов заданной формы. Дальнейшее регулирование деформационного воздействия позволит изменять толщину слоев без останова оборудования при переходе на новый вид продукции.
Также при изменении формы проходного сечения формующих каналов устраняется различие нелинейности скоростных эпюр материальных потоков. Как следствие происходит ориентация волокон материала в заданном направлении - уменьшение анизотропии свойств и повышение качества комбинированного изделия.
Наилучший вариант реализации способа по предлагаемому изобретению
Осуществление способа, применяемого для совместной экструзии как минимум двух материалов, заключается в их непрерывном нагнетании во впускные формующие каналы головки и продавливании через матрицу с одновременным оказанием деформационного воздействия на граничную поверхность между материалами. В действительности оказываемое на материальные потоки деформационное воздействие способно изменять форму граничной поверхности. В силу различия расходов материалов и их реологических характеристик при больших скоростях соэкструзии появляется склонность к инкапсулированию. Данное явление подразумевает обтекание более вязкого материала менее вязким вплоть до полного обволакивания. Это объясняется оттеснением маловязкого компонента потока по мере его продвижения в канале к периферии (в пристеночную область), отличающуюся большим значением напряжения сдвига.
В первом варианте посредством позиционирования элементов устройства, как указано на фиг.3,а, маловязкий компонент, поступающий из нижнего экструдера в впускной канал будет передавливаться элементами устройства как по периферии, так и по центру, однако большее передавливание характерно для последнего. В другом случае, когда маловязкий материал поступает сверху по отношению к более вязкому, будет наблюдаться несколько иная форма. Оказываемое на материалы воздействие (фиг.3,б) будет заключаться в передавливании маловязкого потока по периферии, а более вязкого соответственно по центру.
Второй вариант конструкции предполагает несколько другой способ и подход к достижению технического результата. Установлено, что следствием различия режимных параметров и реологических характеристик будет являться нелинейность скоростных профилей совмещаемых потоков. Стремление материалов устранить эту нелинейность приводит к деформированию граничной поверхности. Чтобы уменьшить нелинейность скоростных эпюр до начала схождения потоков, клиновую профильную часть межголовки также предлагается выполнить набором сегментов. Данные сегменты имеют возможность перемещения в горизонтальной плоскости вперед-назад по направлению движения потоков за счет регулирующих винтов. Та или иная схема позиционирования сегментов способна деформационно воздействовать на потоки за счет различной степени тормозящего влияния со стороны сегментов. Например, когда маловязкий компонент подается из нижнего канала, его поток будет притормаживаться нижними центральной и периферийными пластинами (см. фиг.4,а). Если маловязкий материал поступает из верхнего канала нелинейность эпюры его скорости устраняется лишь периферийными верхними сегментами (фиг.4,б).
В рамках соэкструзии перечисленные варианты устройства по устранению склонности к инкапсулированию стали возможными благодаря следующим факторам: хорошей текучести материалов и высокому давлению, закрепляющему сформированную картину. Установлено, что данное устройство деформационного воздействия способно устранять самые различные причины склонности к инкапсулированию и не представляет собой большого гидравлического сопротивления. Таким образом, очевидным является повышение скорости соэкструзии при соответствии изделия заданным геометрическим размерам.
В соответствии с настоящим изобретением способ устранения нерегулярностей контактной поверхности, применяемый при соэкструзии комбинированных деталей шин, отличается перечнем следующих этапов.
По первому варианту
Путем локального передавливания того или иного материала поворачивающимися в вертикальной плоскости клиновидными пластинами 4, 5, 6 (фиг.1) изменяются границы областей течения, а также форма границы начала схождения потоков при поступлении их в дублировочную зону головки. Локальное воздействие на потоки производится при угловом перемещении пластин. Изменение их углового положения становится возможным благодаря регулирующему механизму 19, представляющему ряд червячных механизмов, связанных с тыльной частью регулируемых пластин. Тем самым осуществляется создание инверсной границы раздела материалов и регулирование толщины слоев.
По второму варианту
Конфигурация границы зоны схождения потоков, образованной вставками предварительного формования 15 и 16 (фиг.2) и клиновидными пластинами, предварительно изменяется путем перемещения ряда верхних 3, 4, 5 и нижних пластин 6, 7, 8 соответственно задаваемой форме граничной поверхности. Рассматриваемые клиновидные пластины перемещаются вперед-назад по направлению потока при помощи регулирующих винтов 9, 10, 11, 12, 13, 14. Таким образом создается возможность варьирования образуемой границы раздела для поддержания оптимального режима совмещения потоков при изменении реологических характеристик сырья или технологических параметров соэкструзии.
Достигаемый технический результат
Использованием данного способа предполагается достичь следующего технического результата:
- Непрерывное регулирование изначального создания границы раздела материалов с целью получения ее заданной конечной формы.
- Непрерывное регулирование толщины отдельных слоев материалов при соэкструзии комбинированного изделия с целью быстрого перехода с одного вида продукции на другой без останова оборудования.
- Устранение различной степени нелинейности скоростных эпюр материалов при течении с целью получения структуры одинаковой направленности (уменьшение анизотропии свойств).
- Сокращение количества неустранимого брака за счет исключения возможности образования внутренних дефектов изделия.
- Уменьшение стадийности процесса.