Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 66.012-52, 66.063.8, 66.084.8

управление высокопроизводительной экструзией неоднородных материалов

Завальнюк И.П.

Введение. В настоящее время экструзия широко применяется  в  различных отраслях промышленности  для переработки разнообразных  материалов - пищевых продуктов и кондитерских изделий, комбикормов, топливных брикетов, металлов, керамики, бетонов, полимеров и композиционных материалов.

Достоинство экструзионных технологий состоит в непрерывности процесса, обеспечивающей высокую производительность и решающей проблему массовости производства. Данная технология позволяет совмещать процессы перемешивания, прессования, продавливания через фильеры для придания материалам определенной формы. Все эти свойства могут быть реализованы только при рационально выбранной конструкции экструдера и оптимальных технологических режимах.

Интенсифицировать процесс экструзии можно несколькими способами:

1) изменяя размеры и геометрические особенности шнека экструдера на стадии проектирования;

2) изменяя технологические параметров процесса, например, увеличивая скорость вращения шнека;

3) применяя физические воздействия на экструдируемый материал, как правило, используют высокочастотные колебания, влияющие на реологические свойства материала.

Особенностью экструзии неоднородных материалов является значительное увеличения коэффициента трения материала о внутреннюю стенку цилиндра экструдера и его шнек, что вызывает резкое увеличение нагрузки на шнековое устройство.  Передача экструдируемому материалу механических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности позволяет заменить трение покоя на трение скольжения, увеличить пластичность и однородность материала, а также обеспечить равномерное уплотнение и гомогенизацию материала. Однако интенсификация экструзии ультразвуком может привести к таким отрицательным явлениям, как пристенное скольжение, виброразогрев, разбухание экструдата, эластическая турбулентность и неустойчивость течения [1, 2].

Постановка задачи. Большое значение имеет создание алгоритма управления экструзией неоднородных материалов, позволяющего повысить производительность  экструдера и исключить отрицательные эффекты интенсификации процесса.

Анализ последних исследований и публикаций. В источниках [3, 4] рассмотрены современные автоматизированные системы управления экструзионными линиями. Как правило, они решают следующие основные задачи:

1) оперативный сбор информации о состоянии техпроцесса;

2) выдача управляющих воздействий функциональным узлам;

3) отображение на рабочем месте оператора информации о процессе;

4) обеспечение безопасности и надёжности процесса:

5) протоколирование в реальном времени параметров техпроцесса.

Общие технологические задачи, решение которых не обходится без систем управления:

1) поддержание в заданных технологических пределах температур зон нагрева шнеков и валков;

2) обеспечение целостности изготавливаемого изделия;

3) поддержание точных геометрических размеров экструдата;

4) контроль усилий, действующих на изделия в технологической линии.

В реализованных в настоящее время системах управления экструзионными линиями кроме стандартных законов управления PI, PD, PID могут использоваться новые алгоритмы регулирования DPID, PDPI, PID2. Кроме того, многие задачи могут надежно решаться небольшим количеством микропроцессоров, или даже одним (множественное регулирование температуры, измерение давления расплава, управление скоростью вращения и т.д.).

Однако даже современные средства автоматизации в силу сложностей экструзионной технологии при интенсификации процесса не могут исключить эксплуатационные проблемы, возникающие неожиданно в ходе работы. Многие проблемы в работе современных экструдеров могут быть связаны с неправильным управлением экструдером (неточная работа датчиков, ошибочные установки регуляторов и т.п.).

Наиболее частыми или неприятными проблемами в работе экструдера могут быть следующие четыре:

1. Нестабильность истечения расплава (экструдата), которая может быть связана с нестабильностью сырья, нестабильной работой загрузочного устройства, сбоях в датчиках и системе управления, в загрязнении экструдера.

2. Нарушения качества поверхностей и формы изделий, что вызвано нестабильным истечением расплава, загрязнением или износом экструдера и фильеры, нарушением режима калибрации, нарушением в работе тянущего устройства, нарушением соосности экструдера и постэкструзионных машин и др.

3. Деструкция материала, причинами чего могут быть повышенные температуры, механические усилия, химические взаимодействия или совместное действие этих факторов. При этом они могут проявляться локально, в местах резкого изменения течения потока или, напротив – в застойных зонах.

4. Повышенный износ экструдера из-за перегрузки, попадания абразивных материалов, термохимической коррозии.

Цель статьи. Детальное исследование существующего математического описания процесса экструзии. Уточнение математической модели экструдера, позволяющей разработать алгоритм управления, который исключает возникновение отрицательных явлений – срывов потока экструдата при интенсификации процесса высокочастотными колебаниями.

Решение задачи. Существующие математические модели движения материала в экструдере устанавливают связь между регулируемыми параметрами режима (частотой вращения червяка, заданным распределением температур, сопротивлением решетки с пакетом сеток и др.) и основными механическими и термодинамическими параметрами процесса – производительностью, фактическим распределением температуры и давления в материале, интенсивностью механического смесительного воздействия, температурой и давлением расплава на входе в головку, потребляемой мощностью, осевыми усилиями и др. [5].

Для описания движения материала, как правило, используют детерминированные математические модели, основанные на законах механики сплошной среды, или формализованные регрессионные статистические модели, рассматривающие процесс как «черный ящик» (эти модели позволяют связывать входные характеристики материала с параметрами экструдата).

При построении детерминированных моделей рассматривают три вида движения:

1) твердого материала в зоне питания (зона I – рис. 1);

2) «пробки», состоящей из частично расплавленного твердого материала, в зоне пластикации (зона II – рис. 1);

3) расплава в зоне дозирования (зона III – рис. 1) .

Условие согласования полученных решений – постоянство расхода материала (по массе) во всех трех зонах.

 

Рис. 1 Основные зоны шнека

 

Математические модели зоны питания учитывают одномерное движение в винтовом канале червяка твердой сжимаемой «пробки», сопровождающееся ее проскальзыванием относительно стенок канала червяка и корпуса. Иногда рассматривают дополнительно и начальную стадию движения сыпучего материала (гранул, порошка), частицы которого взаимодействуют между собой. Движение «пробки» сопровождается в этом случае перемещением слоев сыпучего тела.

Существующие модели позволяют установить в результате расчета следующие функциональные зависимости:

 

,

(1)

,

(2)

,

(3)

 

где  - давление;  - объемный расход материала;  - осевая толкающая сила;  - плотность материала, зависящая от давления и температуры;  - комплекс геометрических характеристик червяка (глубина канала, шаг нарезки, диаметр и др.);  - коэффициент внешнего трения, зависящий от давления и температуры;  - температура материала, поступающего в экструдер;  - коэффициент теплопроводности материала;  - теплоемкость материала;  - осевая координата сечения червяка;  - температура плавления (размягчения) материала;  - распределение температур, заданное на нагревателях корпуса;  - частота вращения червяка;  - длина зоны пластикации.

Зависимости (1) и (3) имеют обычно экспоненциальный характер, что свидетельствует о быстром возрастании значений  и  с увеличением длины зоны питания. Препятствие для широкого использования приведенных зависимостей – отсутствие сведений о связи коэффициента внешнего трения гранулированных или порошкообразных материалов с температурой и давлением.

С использованием математических моделей зоны пластикации могут быть определены: длина участка червяка, в пределах которого «текущая» ширина  «пробки» уменьшается до 0,05 - 0,1 ее начального значения; закономерности распределения давлений и температур на этом участке; возникающее в пределах зоны осевое усилие и расходуемая мощность. Решение этих задач основано на совместном рассмотрении уравнения теплового баланса (учитывающего подвод тепла к «пробке» вследствие теплопроводности от нагревателей корпуса и диссипативного  разогрева в тонком слое, а также  расход тепла на разогрев и плавление материала) и уравнения движения в тонком слое, определяющего интенсивность отвода образующегося расплава к толкающей стенке червяка.

Распределение давлений и температур в расплаве, который находится у толкающей стенки винтового канала червяка, устанавливают методами, используемыми при расчете зоны дозирования.

Математическая модель зоны дозирования позволяет определить поле скоростей, объемный расход расплава, а также рассчитать продольное распределение давлений и температур, осевые усилия и мощность, потребляемую в этой зоне. Расчет сводится обычно к решению системы нелинейных дифференциальных уравнений - уравнения движения (5), уравнения неразрывности (6), уравнения энергетического баланса (7) и реологического уравнения состояния (8):

 

,

(5)

,

(6)

,

(7)

,

(8)

 

где  - оператор Лапласа;  - тензор напряжений;  - скорость потока (векторная величина);  - тепло вязкого трения;  и  - коэффициент теплоотдачи от расплава соответственно к стенке корпуса и к червяку;  - соответственно температура материала, корпуса и червяка;  - компонента тензора напряжений;  - компонента тензора скоростей деформации;  - эффективная вязкость расплава

Интегрированием уравнений (5)-(8), выполняемым обычно численными методами, получают искомые геометрические и технологические характеристики в виде параметрических функций.

Перерабатываемый материал в данном исследовании – неоднородный, а применяемые экструдеры отличаются значительными габаритами и относительно простой конструкцией. Поэтому для математического описания экструдера можно воспользоваться стандартным описанием динамической системы в векторно-матричной форме:

 

,

(9)

 

где  - вектор состояния, (),  - вектор управления, (), А – матрица состояния, (), В – матрица управления, (), С – матрица выхода, ().

Основными параметрами, определяющими производительность экструдера и качество получаемых изделий, являются температура  и скорость потока . Поэтому примем порядок рассматриваемой динамической системы равным двум ().

Экструдер является ярким примером диссипативного объекта, поскольку ключевую роль в механике движения материала внутри экструдера во всех его фазах играют силы трения материала и расплава о стенки цилиндра и шнека.

В труде [6] предлагается, для анализа динамических диссипативных систем в критических условиях эксплуатации, выделять в матрице состояния диссипативную  и консервативную  части. Поэтому матрица А примет вид:

 

(10)

 

Тогда математическая модель экструдера будет:

 

,

(11)

 

где  - функция диссипации энергии в системе,  - полная энергия  системы определяемая согласно методике приведенной в [7].

Особенностью модели (11) является включенная в модель нелинейность в виде функции , которая отображает изменение трения материала о стенки цилиндра и шнека, т.е. взаимодействие рассматриваемого диссипативного объекта с окружающей средой.

Варьируя параметрами ультразвука, интенсифицирующего процесс экструзии, можно изменять характер движения материала. Однако чрезмерное повышение амплитуды вибраций может привести к переходу экструдера в критический режим эксплуатации, который сопровождается колебаниями самого экструдера и приводит к срыву потока материала.

Основная идея управления экструдером в критическом режиме: удерживая поток на границе срыва получить высокую производительность процесса, т.е. в структуру системы управления экструдером в дополнение к стандартному управлению  необходимо ввести управление диссипативной частью .

Структурная схема стандартной системы управления и результаты моделирования возможного критического режима представлены соответственно на рисунках 2,а и 3,а. 

 

а)

б)

Рис. 2 Структурные схемы систем управления:

а) стандартный способ управления, б) предлагаемы способ управления

 

Вводя дополнительное управление  (рис. 2,б) можно обеспечить рост показателя диссипации энергии в системе не допуская срыва потока, т.е. уменьшая амплитуду ультразвука можно увеличить трение материала о цилиндр и исключить переход в критический режим эксплуатации цилиндра (рис. 3,б).

Результаты моделирования показывают, что при переходе в критический режим работы () в экструдере возникают колебания значительной амплитуды и энергия системы возрастает (). Естественной реакцией в этом случае является резкое снятие управления, что приводит к удару в контуре диссипации ().

Применение управления диссипативной частью  позволяет возвращать показатель диссипации  к начальному уровню, тем самым предотвращая удар.

а)

б)

Рис. 3 Результаты моделирования систем управления в программе MATLAB:

а) стандартный способ управления, б) предлагаемый способ управления;

 

Согласно основной идее управления экструдером в критическом режиме работы был разработан алгоритм управления, блок-схема которого приведена на рисунке 4.

 

Рис. 4 Блок-схема алгоритма управления экструдером в условиях интенсификации:

tн, tk время начала и конца процесса, Т0, Tmaxдопустимая и максимальная температура экструдата, v0, vminдопустимая и максимальная скорость потока,

A0, w0начальные амплитуда и частота воздействия.

В алгоритме учтено, что параметрами, определяющими напряженный режим работы, являются температура перерабатываемой массы Т и скорость потока v. Как только скорость потока стремится к минимальной необходимо уменьшать амплитуду воздействия до восстановления потока, что обеспечит отсутствие ударной нагрузки в критическом режиме функционирования.

 

Выводы:

1. Проведенный анализ процесса экструзии неоднородных материалов показал возможность повышения производительности экструдера за счет управления коэффициентом трения экструдата.

2. Экструдер рассмотрен как диссипативная динамическая система, что позволило выделить в его математической модели консервативную и диссипативную части.

3. В структуру системы управления введено дополнительное управление диссипативной частью в виде колебательного воздействия на цилиндр экструдера.

4. Предложен алгоритм управления экструзией неоднородных материалов, исключающий появление ударной нагрузки в экструдере при выводе его из критического режима функционирования.

ЛИТЕРАТУРА

1.                  Хмелёв В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография / Алт. гос. Техн. Ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. – 160 с.

2.                  Басов Н.И., Любартович С.А., Любартович В.А. Виброформование полимеров. – Л.: Химия, 1979. – 160 с.

3.                  Робин А., Пименов В. Автоматизированная система управления экструзионной линией. // Современные технологии автоматизации – 2004.- №4. – С.46-51.

4.                  http://www.germany-electric.ru – официальный сайт фирмы BG electric.

5.                  Энциклопедия полимеров. Ред. коллегия: В. А. Кабанов (глав. ред.) [и др.] Т.3 – М., «Советская Энциклопедия», 1977. (Энциклопедии. Словари. Справочники). Т. 3 П-Я. 1977. – 1152 стб. с илл.

6.                  Завальнюк И.П., Бражник А.М. Методика анализа динамических объектов в критических условиях эксплуатации: матеріали XV міжнародної конференції з автоматичного управління [«Автоматика-200], (Одеса, 23-26 вересня 2008р.) / М-во освіти і науки України, ОНМА - Одеса: ОНМА, 2008. С.208 - 212.

7.                  Техническая кибернетика / Под ред. В. В. Солодовникова. Кн. 1. – М.: Машиностроение, 1967. – 768 с.


 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Современные технические средства, комплексы и системы

Краснов В.А., Прохорович А.В., Шутов С.В., Деменский А.Н. Анализ флуктуаций размера растущего кристалла (на примере легированных монокристаллов кремния, вытягиваемых из расплава по методу Чохральского)

Долина В.Г., Писаренко А.В. Синтез складної багатовимірної системи управління випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань

Стопакевич А.А., Тодорцев Ю.К. Анализ современного состояния систем управления брагоректификационными установками спиртового производства

Поливода В.В. Современные компьютерные технологии в АСУ на хлебоприёмном предприятии

Ладанюк А.П., Українець А.І., Кишенько В.Д. Управління автоматизованими технологічними комплексами харчових виробництв на основі сценарного підходу

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В. Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання енергоблоків ТЕС і АЕС

Евдокимов А.В., Китаев А.В., Агбомассу В.Л. Исследование причин, определяющих вращение рамки с током в магнитном поле после воздействия на нее внешнего импульса

Аппазов Э.С. Применение твердых растворов InGaN в фотовольтаике

Кузнєцов Ю.М., Дмитрієв Д.О. Програмно математичний апарат керування виконавчим органом багатокоординатних верстатів нових компоновок

Черевко О.И., Ефремов Ю.И., Одарченко А.М., Одарченко Д.М, Агафонова Ю.Ю. Теоретическое обоснование перспективного биконического резонатора для СВЧ-устройств при переработке растительного сырья

Хобин В.А. Бабиков А.Ю. Системы экстремального управления молотковыми дробилками с функцией гарантированного соблюдения тепловых режимов их электродвигателей.

Стадниченко В.Н. Исследование влияния изменения эксплуатационных нагрузок на свойства металлокерамических слоёв полученных с использованием трибовосстанавливающих составов

Ісаєв Е.А., Наговський Д.А., Чернецька І.Е. До вибору факторів, що характеризують окомкування тонкоподрібнених залізорудних матеріалів

Федоровский К.Ю., Лунев А.А. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

Федоровский К.Ю., Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергоустановок морских технических средств.

Пономарьов Я.Ю., Ладанюк А.П., Іващук В.В. Досвід використання нечітких регуляторів в системі атоматизації випарної установки.

Левченко А.А., Кравчук О.И. Эквивалентный макромодуль процесса технического обслуживания радиотехнических средств.

Іволгіна Т.О. Енергетичний підхід до аналізу стійкості руху вимірювальної головки координатно-вимірювальної машини

Ладанюк А.П., Кишенько В.Д., Ладанюк О.А. Системна задача управління біотехнологічними процесами.

Тернова Т.І. Алгоритм оцінювання деформацій рапорту періодичних об'єктів

Рожков С.А., Федотова О.Н. Алгоритм обучения системы распознавания автоматической системы разбраковки тканей

Пупена О.М, Ельперін І.В, Ладанюк А.П. Особливості проектування комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Квасніков В.П., Кочеткова О.В. Проектування координатно–вимірювальної машини на нейронних мережах

Водічев В.А., Мухаммед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей

Хобин В.А. Повышение качества формирования смесей средствами интеллектуализации алгоритмов управления порционным дозированием

Терновая Т.И. Автоматическая система разбраковки тканей с печатным рисунком методом компенсации информационных потоков

Рожков С.А., Бражник Д.А. Использование нейросетевых структур для построения систем распознавания образов

Місюра М.Д., Кишенько В.Д. Математичні моделі технологічних процесів пивоварного виробництва як об’єктів автоматизації

Ладанюк А.П., Власенко Л.О. Автоматизоване управління бізнес-процесами в комп’ютерно-інтегрованих структурах підприємства

Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів

Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К., Максименко И.Н. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии

Бессараб В.И. Компьютеризированная система управления водоотливным хозяйством угольных шахт по критерию минимума энергозатрат

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Тонконогий В.М. Трехконтурная АСУ нанесением ионно-плазменного покрытия на режущий инструмент.

Колесникова Е.В., Кострова Г.В. Формирование базы данных АСУТП дуговой сталеплавильной печи.

Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів то-карного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь.

Бергер Е.Г., Дмитрієв Д.О., Бергер Є.Е., Діневич Г.Ю. Синтез строфоїдографів за методом параметричних сімей.

Бабак В.П., В.Н. Стадніченко, О.Г. Приймаков Прогнозування надійності, дов-говічності та витривалості авіаційних матеріалів

Бабак В.П., Стадниченко В.Н., Приймаков О.Г., Токарчук В.В. Прогнозування витривалості авіаційних матеріалів .

Куцак Р.С. Використання методу координатного еталону в задачах автоматизації контролю якості тканини.

Попруга А.Г. Усовершенствование электрических нагревателей по критерию экономии энергии.

Пашковский А.А., Далечин А.Ю. Система регистрации спектров фотолюминес-ценции

Никольский В.В., Цюпко Ю.М. Применение пьезоэлектрических датчиков в сис-теме кондиционирования воздуха судовых систем микроклимата.

Крапивко Г.И., Хлопёнова И.А. Повышение коэффициента полезного действия кремниевых фотоэлектронных преобразователей методом лазерной гравировки.

Кихтенко Д.А. Управление шаговыми двигателями в микрошаговом режиме, оп-тимизация управления.

Горохов В.А. Автоматизированная транспортно-складская система в текстильной и легкой промышленности.

Водічев В.А. Система стабілізації потужності різання фрезерного верстата з взаємозв'язаним керуванням швидкостями робочих рухів.

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний.

Худяев А.А. К проблеме повышения точности воспроизведенияв классе многоканальных воспроизводящих систем с эталонной настройкой каналов.

Тверезовський В.С., Бараненко Р.В. Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими давачами.

Никольский В.В., Сандлер А.К. Моделирование процессов в вискозиметре с пьезоэлектрическим приводом.

Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В. Использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава для формирования наноразмерных структур InSb в матрице GaSb.

Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням.

Блинов Э.И., Кравцов В.И., Кравцов А.В., Недбайло А.Н. Управление гибкими протяженными объектами направленными силовыми воздействиями.