Безотецкий ПЗ (1206733), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Формообразование (i = 2), при котором выходящая масса из головки, в виде трубчатой заготовки раздувается по диаметру (поперечная вытяжка) до необходимых размеров сжатым воздухом, подаваемым через канал дорна головки, растягивается по длине (продольная вытяжка) тянущими валками, охлаждается снаружи поступающим из выходной щели охлаждающего кольца воздухом, что придает ей формоустойчивость.

Формализованное описание процесса получения рукавных пленок как объекта управления представляется в виде совокупности векторов входных параметров X_i, управляющих воздействий U_i и выходных параметров Y_i (см. рисунок. 3.1).

Рисунок 3.1 – Формализованное описание процесса получения рукавных

пленок

Входными параметрами стадии экструзии являются геометрические параметры экструдера Г_extrud, характеристики полимерного материала H_polymer = {T_melt, ,, c_P}, значения которых зависят от типа пленкообразующего полимера T_polymer, где T_melt, , c_P — температура плавления (С), плотность (кг/м ³), динамические вязкости (Пас), средняя удельная теплоемкость [Дж/(кгС)].

Управляющими воздействиями на стадии являются частота вращения шнека экструдера N (об/с) и температура корпуса экструдера T_b (С). К выходным параметрам относятся производительность экструдера G (кг/с), определяющая производительность линии, толщина _ext (м), температура T_ext (С).

Входными параметрами стадии формообразования являются геометрические параметры охлаждающего кольца _cool = {R_cr, b_cr}, характеристики полимерного материала и хладагентов для рукава H_polymer = {_p, _p, c_p, λ_p }, H_ca = {_cj, _cj, c_Pcj , λ_cj, j = 1, 2}, где R_cr, b_cr — радиус и ширина выходной щели охлаждающего кольца, (м); _p, _p, c_p, λ_p — плотности (кг/м³), динамические вязкости (Пас), средние удельные теплоемкости [Дж/(кгС)], теплопроводности [Вт/(мС)], {P_cj, c_Pcj , λ_cj, j = 1, 2} — давление, средние удельные теплоемкости [Дж/(кгС)], наружного (j = 1) и внутреннего (j = 2) хладагентов (внутренним хладагентом служит сжатый воздух, раздувающий рукав).

Управляющими воздействиями на стадии являются степень раздува рукава _b, расход G_c1 (кг/с) и начальная температура T_c1⁰ (С) наружного хладагента, а также частота вращения тянущих валков N_d (об/с). К выходным параметрам относятся толщина _f (м) и ширина w_f (м) полотна.

От режима работы экструдера, определяющего производительность линии и температуру экструдата, и интенсивности охлаждения пленочного рукава, определяющей характер распределения температуры вдоль оси рукава,

Анализ характеристик процесса получения рукавных пленок позволил сформулировать задачу перенастройки процесса на новый тип пленки, производительность линии и задачу исследования процесса для управления выходными параметров пленки в режиме изготовления, решаемые с использованием автоматизированной системы контроля.

Задача перенастройки на новые характеристики производства заключается в следующем. Для заданного типа рукавной полимерной пленки F, и производительности процесса G₀: синтезировать раздувную экструзионную линию путем выбора и компоновки основного технологического оборудования (шнека и головки экструдера, охлаждающего кольца) в соответствии с правилами перенастройки, обеспечив выполнение ограничений производительности, G  G₀ линии; сформировать регламентные диапазоны управляющих воздействий на стадиях [U_i^min; U_i^max], i = 1, 2, с использованием технологических регламентов; определить с использованием математической модели допустимые значения управляющих воздействий на экструдер, [(U₁⁰)^min; (U₁⁰)^max]  [U₁^min; U₁^max], которые обеспечивают получение экструдата заданных параметров, _ext _ext^min, _ext _ext^min с заданной производительностью, G  G₀.[8]

Задача исследования процесса заключается в следующем: Для синтезированной экструзионной линии с геометрическими характеристиками _line ={_extrud, _cool, D_d}, позволяющей изготавливать рукавную пленку типа F методом M_b, определить с использованием ММ значения управляющих воздействий на стадиях экструзии, U₁  [(U₁⁰)^min; (U₁⁰)^max], и формообразования, U₂  [U₂^min; U₂^max], которые обеспечивают выполнение требований к геометрическим характеристикам пленки:

3.2 Математическая модель подготовки расплава и формообразования плёночного рукава в потоке воздуха

При построении ММ процесса одношнековой экструзии приняты допущения, строго обоснованные в литературе по моделированию экструзионных процессов [7]. Основные допущения: обращенное движение корпуса и шнека, малость кривизны канала шнека, установившиеся по длине канала и времени течение и теплообмен, постоянство теплофизических свойств полимера, несжимаемость расплава, отсутствие утечек и проскальзывания расплава, малость инерционных и массовых сил, преобладание конвективного переноса теплоты вдоль оси канала и переноса теплоты теплопроводностью в радиальном направлении. Основной особенностью течения расплавленных полимеров является их способность к одновременному развитию обратимой (упругой и высокоэластической) и необратимой (пластической) деформаций. Применение этих упрощений законам сохранения физических субстанций и реологии при сдвиге позволило сформировать систему уравнений, описывающих течение и теплообмен расплавленного полимера в канале j-го элемента шнека в зоне транспортировки расплава, режим работы которой определяет производительность экструдера, температуру и качество экструдата [Полосин, Чистякова, 2009]:

, (3.1)

где P – давление на выходе из шнека, Па, – средняя вязкость

расплава,Па с,N – частота вращения шнека, мин^-1,α, β, γ – постоянные коэффиценты, зависящие от геометрических параметров шнека, соответственно.

(3.2)

(3.3)

(3.4)

где D – диаметр, L – длина, h – глубина нарезки, е – ширина гребня шнека.

Используя найденное ранее значении G, необходимо найти объемную производительность экструдера по формуле:

(3.5)

где – плотность.

При вращении двигателя шнека с производительностью Q_c осуществляется нагрев и выход пластификата из фильеры головки. Под давлением заготовка выходит из фильры со скоростью v_ext, определяемая по формуле:

_{, (3.6)}

где R_ext – внутренний радиус заготовки, _ext – толщина заготовки.

Далее трубчатая заготовка раздувается по ширине воздухом, подаваемым внутрь рукава. Одновременно с этим происходит охлаждение пузыря с наружной стороны. И после кристаллизации полученную заготовку плёнки вытягивают вытяжные валы. Процесс деформирования рукава происходит в интервале между головкой и линией затвердевания, а охлаждение продолжается вплоть до сжатия пленки тянущими валками. Таким образом результирующим описанием процесса формообразования и охлаждения пленочного рукава имеет следующий вид:

Уравнение температурного баланса:

где P – давление на выходе из шнека, Па;

Уравнение материального баланса рукава:

Вытяжка и раздув рукава приводят к утонению заготовки и к ориентации цепей макромолекул в пленке (упрочнению). Количественно вытяжка может быть оценена степенью вытяжки _d:

, (3.9)

где v_f – скорость движения пленки после тянущих валков, равная линейной скорости вращения тянущих валков; v_ext – скорость выхода экструдата из головки.

Соответственно, степень раздува _b определяется как:

, (3.10)

где D_f - диаметр раздутого рукава ( D_f = ω_f).

d_ext – диаметр рукава выходящего из кольцевого зазора.

Толщина пленки _ext может быть рассчитана как:

, (3.11)

где _ext – толщина экструдата (пренебрегая разбуханием расплава, можно считать _ext = ₀, где ₀ - толщина кольцевого зазора щели головки)

Общая величина деформации экструзионной рукавной заготовки оценивается как:

(3.12)

Предварительно рассчитав производительность экструдера G, по формуле (3.1) можно подсчитать скорость v _ext:

, (3.13)

где произведение _ext ∙ – площадь поперечного сечения рукавной заготовки расплава; – плотность расплава.

Практически для получения рукавных пленок из полиэтиленов используются величины _b ≈2,5 и _d ≈3

Большие значения _b и _d приводят к снижению стабильности размеров рукава, заметному проявлению недостатков конструкции оснастки и равномерности охлаждения. С увеличением _b и _d возрастает ориентация макромолекул, что ведет к увеличению механических характеристик изделия. Изменяя соотношение _b / _b, удается получать пленки, ориентированные, равнопрочные или с заданной прочностью в продольном и поперечном направлениях.

3.3 Проверка математических моделей

Адекватность ММ проверена по данным процессов изготовления рукавных пленок из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и толщиной (0,35–0,4)10^–3 м на линиях, состоящих из одношнековых экструдеров (с диаметрами шнека 0,045, 0,063, 0,09 м и относительными длинами шнека 25, 30 и 20 соответственно), укомплектованных угловыми головками (диаметром 0,18, 0,25 и 0,35 м). Исходные данные приведём в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Пример исходных данных

Рассчитаем параметры управляющих воздействий T_ext , _ext и _f , подставляем исходные данные в формулы 3.1 – 3.13 .

Полученные результаты расчётов занесём в таблицу 1 и таблицу 2, которые представлены в приложении 1.

По данным таблицы 1, построим график, в котором, в качестве варьируемых параметров использованы частота вращения шнека экструдера (N, на стадии подготовки экструдата) и зависимости T_ext. По данным таблицы 3.3 построим график зависимости толщины плёнки (_f) от варьируемой скорость вращения тянущих валков (_f).

Проверка адекватности ММ выполнена путем сравнения рассчитанных (1) значений и измеренных в ходе промышленного эксперимента (2) зависимостей температуры экструдата от частоты вращения шнека (рисунок. 3.1) и толщины пленки от скорости тянущих валков (рисунок 3.2).

Характеристики

Список файлов ВКР