Регулювання прохідного перерізу формуючої головки екструдера з використанням механотронної системи

Размещено на http://allbest.ru

РЕГУЛЮВАННЯ ПРОХІДНОГО ПЕРЕРІЗУ ФОРМУЮЧОЇ ГОЛОВКИ ЕКСТРУДЕРА З ВИКОРИСТАННЯМ МЕХАНОТРОННОЇ СИСТЕМИ

Носко Сергій Вікторович

кандидат технічних наук, доцент, Національний технічний університет України «КПІ ім. Ігоря Сікорського»

Анотація. Досліджені реологічні характеристики аномально-в'язкої рідини методом ротаційної віскозиметрії. Встановлено параметри реологічного рівняння Освальда-де Віля і швидкості зсуву в каналах формуючої головки. Отримані результати про зміни напруги зсуву розчинів у широкому діапазоні швидкостей зсуву характерних для процесів екструзії. Показано вплив аномальної поведінки рідини і числа Рейнольдса на розвиток структури потоку в області повільного звуження каналу. Проведено вивчення структури нестабілізованих потоків в каналах змінної геометрії з використанням методів візуалізації на лабораторному стенді. Встановлено, що довжина ділянки гідродинамічної стабілізації потоку та додаткові втрати на ньому пов'язані з проявом сил інерції, залежать від умов входу, реологічних параметрів рідини та числа Рейнольдса. Досліджені закономірності нестабілізованої течії аномально-в'язких рідин в робочих каналах обладнання в процесі екструдування дозволили розробити механотронні засоби регулювання опору по перерізу каналів. Показано, що розроблені різні форми і геометрія розподільчих каналів в екструзійних головках, при цьому геометрія каналів постійно удосконалюється в напрямку стабілізації перепаду тиску при зміні технологічних параметрів. За результатами експериментальних досліджень розроблено конструктивне рішення формуючої головки, яке передбачає можливість автоматичного регулювання перепаду тиску за допомогою механотронної системи. Запропонована система автоматичного регулювання є однорівневою і складається з контролера керування технологічним процесом і гідроприводу з електропропорційним управлінням, що дозволяє здійснювати дистанційне безступеневе регулювання прохідного перерізу каналу головки. Встановлено, що при порушенні сталого режиму роботи екструдера (пульсації продуктивності і тиску), зміна складу і реологічних властивостей сировини, що переробляється призводить до дестабілізації тиску в формуючій голівці і вимагає оперативного впливу, пов'язаного зі зміною площі поперечних перерізів формуючої головки.

Ключові слова: гідродинаміка нестабілізованого потоку, стабілізація перепаду тисків, механотрона система регулювання.

ротаційна віскозиметрія нестабілізована течія формуюча головка тиск екструзія

Nosko Serhii Viktorovych Candidate of technical sciences, associate professor, National Technical University of Ukraine "KPI named after Igor Sikorskyi"

ADJUSTMENT OF THE PASSAGE SECTION OF THE FORMING HEAD OF THE EXTRUDER USING A MECHANOTRONIC SYSTEM

Abstract. The rheological characteristics of abnormally viscous liquid were studied by the method of rotational viscometry. The parameters of the Oswald-de Wiel rheological equation and the shear rate in the channels of the forming head were established. Obtained results on changes in shear stress of solutions in a wide range of shear rates typical for extrusion processes. The influence of anomalous behavior of the fluid and the Reynolds number on the development of the flow structure in the region of the slow narrowing of the channel is shown. The study of the structure of unsteady flows in channels of variable geometry was carried out using visualization methods on a laboratory bench. It was established that the length of the section of hydrodynamic stabilization of the flow and additional losses on it are associated with the manifestation of inertial forces, depend on the inlet conditions, rheological parameters of the liquid and the Reynolds number. The studied regularities of the unstabilized flow of abnormally viscous liquids in the working channels of the equipment during the extrusion process made it possible to develop mechanotronic means of regulating the resistance along the crosssection of the channels. It is shown that various forms and geometry of distribution channels in extrusion heads have been developed, while the geometry of the channels is constantly improved in the direction of stabilizing the pressure drop when the technological parameters change. According to the results of experimental studies, a constructive solution of the forming head was developed, which provides for the possibility of automatic adjustment of the pressure drop using a mechanotronic system. The proposed automatic adjustment system is single-level and consists of a technological process control controller and a hydraulic drive with electro-proportional control, which allows for remote stepless adjustment of the passage section of the head channel. It has been established that when the stable mode of operation of the extruder (pulsations of productivity and pressure) is disturbed, the change in the composition and rheological properties of the raw material being processed leads to destabilization of the pressure in the forming head and requires an operational influence associated with a change in the cross-sectional area of the forming head.

Keywords: hydrodynamics of unstabilized flow, stabilization of pressure drop, mechanotron control system.

Постановка проблеми. В даний час, вимоги щодо збільшення продуктивності, якості одержуваних промислових виробів та їх собівартості багато в чому залежать від характеру та особливостей течії робочих середовищ в каналах технологічного обладнання [1]. У зв'язку з цим, удосконаленням технологічних процесів, вибір раціональних конструктивних пропозицій для розробки та розрахунку вузлів апаратів нерозривно пов'язано з детальним дослідженням гідродинаміки течії робочих середовищ в геометрично неоднорідних каналах технологічного устаткування. У хімічній технології при переробці полімерів у вироби методом екструзії, зміни форми поперечного перерізу та площі каналів формуючих головок, змінюють у процесі течії фізико-механічні параметри матеріалу (щільності, в'язкості), неізотермічність потоку. [2].

У зв'язку з цим, вибір раціональних конструктивних пропозицій для розробки та розрахунку вузлів формуючого обладнання нерозривно пов'язаний з детальним дослідженням гідродинамічних особливостей течії, визначенням довжини нестабілізованої ділянки течії та додаткових втрат тиску, викликаних проявом сил інерції в потоці в геометрично неоднорідних каналах технологічного устаткування.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Авторами роботах [3-4], методом контрольних об'ємів, досліджувалася ізотермічна течія в'язкопружної рідини в каналах з різким симетричним звуженням. Показано також, що схема течії з плавним переходом з широкої частини каналу вузьку призводить до зменшення розмірів області циркуляційної течії і втрат тиску. Проте слід зазначити, що у цих роботах не представлено вплив температури середовища на процеси розвитку течії. З практичної точки зору це може викликати труднощі при розрахунках гідродинамічних параметрів формуючого обладнання.

Доцільність використання способів керування процесом виникнення нелінійного ефекту втрати симетрії потоку наведена у роботах [5-7]. Показано порівняння контурів лінії струму при течії в області місцевого опору каналу для ньютонівської, псевдопластичної та дилатантної рідин відповідно. Дослідженнями встановлено значення чисел Рейнольдса кожної з модельних рідин, у яких виникає перехід від симетричної форми течії до несиметричної. Однак слід зазначити, що введення додаткових елементів (блоків) на стінках чи осі каналу, з метою усунення несиметрії потоку, не знайшло практичного застосування. Тобто установка в потік неньютонівських середовищ стаціонарних елементів призводить до збільшення втрат тиску по довжині каналу.

У зв'язку з цим надзвичайно важливо знати закони зміни гідродинамічних характеристик нестабілізованого потоку в'язкої і аномально- в'язкої рідини в каналах екструзійного обладнання. Тому є підстави вважати, що недостатня визначеність впливу гідродинамічних особливостей потоку в каналах змінної геометрії обумовлюють необхідність проведення досліджень в цьому напрямку.

Мета статті - на основі аналітичних досліджень та експериментальних даних нестабілізованої течії удосконалити конструкцію формуючої головки, що забезпечує автоматичне регулювання тиску в процесі екструзії.

Виклад основного матеріалу. Дослідження проводилися з використанням модульних рідин різних концентрацій - водних розчинів натрієвої солі карбоксиметрилцелюлози (Na КМЦ) марки 70/300 (ТУ2231-037- 26289127) та полівінілового спирту (ПВС) марки 7/2 (ГОСТ 10779-8). Реологічні дослідження водних розчинів полімерів виконувалися на вимірювальному комплексі “Pheotest-2” із коаксіальними циліндрами.

Отримані результати реологічних досліджень приведені в (Табл. 1).

Таблиця 1

Залежність в'язкості від швидкості зсуву при 20⁰ С

Для дослідження кінематичних характеристик течії був застосований метод візуалізації, який полягає у фотографуванні введених в потік і освітлених джерелом світла частинок-міток та лазерним вимірювачем швидкості (ЛДВШ), основаним на ефекті Допплера [8].

Зона каналу головки після фільєри 2 (рис. 1), що звужується - є формуючою частиною машини, є найбільш відповідальною ділянкою і гідродинамічні умови входу та характер течії в цій зоні впливає на якість одержуваних виробів.

Враховуючи, що регулюючі пружні мембрани 4, 5 (Рис. 1) під дією штоку гідроциліндра можуть переміщатися на визначену відстань, дослідження кінематичних характеристик потоку проводилось для наступних кутів входу в менший діаметр каналу, що розташований після фільєри 3. Тобто приймавсь такий діапазон кутів входу в канал меншого діаметру: 15-35⁰ по відношенню до осі головки.

Результати дослідження кінематичних параметрів потоку при різних умовах входу і концентраціях модельних рідин приведені на рис. 2 і 3.

Рис. 1. Форми профілів швидкості при різних кутах входу і реологічних параметрах рідини: 1,3- кут входу 15⁰ (відповідно для 3% і 5% розчину КМЦ); розвиток профілів швидкості: 4 - при Х = 0,120 м; 2- Х = 0,280 м.

Рис. 2. Розвиток профілів швидкості по довжині каналу гідродинамічної стабілізації при куту входу 30⁰: 1,2 - розвиток профілю швидкостей, Х = 0,220 м і Х = 0,425 м для 5% розчину КМЦ; 3,4- відповідно для 3% розчину КМЦ.

Слід зазначити, що довжина ділянки гідродинамічної стабілізації потоку та додаткові втрати на ньому пов'язані з проявом сил інерції, залежать від умов входу, реологічних параметрів рідини та числа Рейнольдса.

Довжина ділянки нестабілізованої течії визначається залежністю:

Отримані результати про зміни напруги зсуву розчинів у широкому діапазоні швидкостей зсуву у, характерних для процесів екструзії, можуть сприяти вибору та розрахунку технологічних параметрів формуючого обладнання. Зокрема, розрахувати швидкість зсуву середовища в циліндричній частині формуючої головки і перепад тиску AP, що витрачається при течії матеріалу в ізотермічних умовах [9]:

Регулювання перепаду тисків в каналі формуючої головки з використанням механотронної системи відбувається наступним чином.

При порушенні сталого режиму роботи екструдера (пульсації продуктивності і тиску), зміна складу і реологічних властивостей сировини, що переробляється призводить до дестабілізації тиску в формуючій голівці і вимагає оперативного впливу, пов'язаного зі зміною площі поперечних перерізів формуючої головки.

При виході величини тиску в передматричній порожнині головки, з діапазону робочого інтервалу, датчики тиску Д1 і Д2 (рис. 1) формують відповідний електричний сигнал, який надходить в контролер механотронної системи регулювання. Модулі електронної апаратури регулювання генерують керуючий сигнал, який надходить на гідроциліндри з електропропорційним керуванням, що взаємодіють з мембранами (елементи 4 і 5), змінюючи при цьому площу прохідного перетину головки.

В ході технологічного процесу, по результатам обміру геометричних характеристик отриманого виробу, при необхідності відбувається налагодження опору регулюючого каналу головки.

Висновки. На підставі експериментальних розрахунків гідродинамічної початкової ділянки були визначені взаємозв'язки між конструктивними та технологічними параметрами обладнання, встановлені оптимальні умови подачі матеріалу у вихідний канал головки (перепад тиску, значення критичної напруги зсуву tkp. і т.д.) Зменшення втрат тиску, в зоні після фільєри, було отримано за рахунок зміни кутів входу в канал меншого діаметру. Використання отриманих даних дозволили вирішити завдання вибору раціональної геометрії каналів, формуючої головки, розробити конструкцію пристрою і знизити енерговитрати процесу екструзії.

Література:

1. Раувендаль, К. Экструзия полимеров / К. Раувендаль// под ред.А.Я. Малкина; пер. с англ. - СПб.: Профессия, 2008. - 768 с.

2. Торнер, Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов) / Р.В.Торнер// -М., Химия, 1977. - 464с.

3. Cherry E.M. (2010). Thee-dimensional velocity measurements in annular segments including the effect of upstream strut wake / E.M. Cherry. A.M. Padilla, C.J. Elkins// international journal of heat and fluid flow. Vol. -31, pp. 569 - 575.

4. Кутузова Э.Р. Динамика течения вязкоупругой жидкости через плоское 8:1 сужение // Э.Р. Кутузоав, Ф.Х. Тазюков, Х.А. Халаф// Вест. Казанск. Технологии. Ун-та. - 2014. - №2. С.83-85.

5. Miller E. (2004). Control of the sharkskin instability in the extrusion of polymer melts using induced temperature gradients / E. Miller, J Rothstein // Reol.Asta. vol.44, pp. 160-173.

6. Тазюков Ф.Х. Потоки вязкоупругих жидкостей моделей OLDROYD-B и FENE-P [Текст] / Ф.Х. Тазюков, Э.Р. Кутузова. Б.А. Снегирев // Вест. Казанск. Технология. Ун-та. - 2014. - №2. - с.120 - 122.

7. Khalaf H.A. (2010). Numerical simulation of the laminar flow of non-Newtonian fluid through a disk-type prosthetic heart value [Text] / H.A. Khalaf, F.Kh. tazyukov // issue, iraq., - pp. 26-39.

8. Носко С. В. Дослідження кінематичних характеристик аномально-в'язких рідин в каналах з різко змінною геометрією методами візуалізації [Текст] / С.В. Носко, В.О. Булигін // Восточно-европейский журнал передовых технологий. -2012. № 6/7(60). - с. 47-50.

9. Носко С.В., Агаев і.О. Управління вихровими структурами аномально-в'язкого середовища в каналах формуючої головки екструдера. Технологический аудит и резервы производства № 2/1 (40), 2018.

Размещено на Allbest.ru