Интерактивная модель работы экструзионного оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Возрастание потребности в полимерных изделиях и упаковке с заданным регулируемым комплексом свойств, требует повышения производительности оборудования с совершенствованием технологии изготовления полимерной продукции. Кроме того, использование эктрузионных технологий расширяет возможности утилизации изделий из полимеров, когда из отходов полимерных материалов формируется изделие и тем самым решается экологическая проблема переработки отходов.

Известные способы получения многослойных полимерных систем базируются на использовании обработки давлением их расплавов. Для этого разработано специальное оборудование, которое на сегодняшний день не всегда обеспечивает требуемые производительность и качество продукции.

Использование компьютерных технологий моделирования и визуализации позволяет существенно повысить технико-экономические показатели производства полимерных изделий, учитывая основное преимущество компьютерных технологий - низкая стоимость, затраты времени не сравнимы с тем, когда модели проектировались и создавались вручную без использования компьютерных технологий.

На сегодня самыми популярными программами для проектирования 3д моделей являются: 3DS Max, Maya, Blender.Т.к. единственной бесплатной из них является Blender, то я выбрала именно ее.

Учитывая, ограниченное количество исследований и разработок в области повышения эффективности производства полимерных изделий и проектирования высокопроизводительного оборудования, магистерская квалификационная работа, направленная на совершенствование технологии изготовления таких изделий из полимерных материалов с использованием компьютерных технологий, является крайне актуальной. В настоящее время процессы работы экструционного оборудования, невероятно важны для людей, т.к. из выдувного формования в основном изготавливается посуда с которой человек ест и пьет и от ее технологии и качества напрямую зависит здоровье человека, а порой и жизнь.

1. Анализ процессов и систем

1.1 Основные понятия

На сегодняшний день существует небольшое число методов переработки пластических масс (вторичное сырье) в готовые изделия. Но в последнее время большую популярность и значимость стала иметь экструзия. По оценкам специалистов более 40% изделий из пластмассы изготовлены методологией работы экструзионного оборудования.

Экструзия (extrusion - англ., нем.) представляет собой процесс непрерывного лития под определенным нормами давлением в бездонную литейную форму, позволяющую получать готовые изделия бесконечной длины с разнообразными поперечными сечениями в зависимости от формы.

В промышленных целях понятие экструзии и лития в формы используют с середины 19 века. В современное время экструзиянаиболее часто применяется в разнообразных отраслях промышленности для переработки различных материалов - пищевых продуктов и кондитерских изделий, комбикормов, топливных брикетов, металлов, керамики, бетонов, но в особенности - полимерных материалов. Экструзионными методами работы получают как часть материалов, так и полностью готовые изделия из полимерных масс. Экструзией из пластичных масс изготавливают трубы, листы, плиты, панели, пленки, электрические кабели и различные виды профильных изделий, как мелких, так и крупных сечений.

В зависимости от вида перерабатываемого материала, а также от устройства экструдера и дополнительного оборудования скорость экструзии может находиться в пределах от нескольких сантиметров до нескольких метров в минуту.

Виды пластических масс, перерабатываемых работой экструзионного оборудования.

Экструзионным оборудованием разрешается перерабатывать как термопластичные полимеры (термопласты), так и пластические массы. Экструзия может быть используема и в переработке эластичных материалов, например: резины.

Наиболее широко осуществляется экструзия:

- полиэтилена (ПЭ);

- полипропилена (ПП);

- полистирола (ПС);

- поликарбоната (ПК);

- полиамида (ПА);

- поливинилхлорида (ПВХ);

- полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

Основной функция экструдерного оборудования является нагнетание материала, но эта функция далеко не единственная в работе оборудования. Современное экструдерное оборудование позволяет пропорционально смешивать различные материалы, тщательно их компоновать, производить сушки рабочих смесей, осуществлять химические модификации и т.д.

Обычно, оборудование применяемое в экструзии выстраивается в виде автоматизированной технологической линии, которая состоит из загрузочных и дозирующих устройств, экструдера с фильерой, калибрационно-охлаждающих устройств, тянущих машин, пильных агрегатов, укладывающих устройств. В состав такой линии могут входить также и другие виды оборудования и машин - оборудование для хранения и предварительной обработки материалов, отделочные машины, маркировочное и упаковочное оборудование, и т.д.

1.2 Анализ моделей для экструзионного оборудования

В наше время существуют разные экструдерные машины, но каждая имеет очень узкий круг применения, изготавливая только 1 вид изделия, являясь при этом несовершенной и узкофункциональной. Рассмотрим аналоги только шнековых экструдерных машин, разработанных ранее и применяемых в наше время для достижения цели: изготовления различных полимерных изделий.

Шнековые экструзионные машины делятся на одношнековые и полишнековые (2 шнека и более), которые обычно являются двушнековые. В производстве пластмассовых изделий наиболее популярными являются именно одношнековые экструзионные машины по причинам того, что они являются:

• Простым устройством.

• Доступным - цена на такое оборудование ниже, чем на двушнековое.

• Легкими в использовании и в простоте технического обслуживания.

• В них допустима обработка различных полимерных материалов.

Такой тип экструзионного оборудования часто применяется во многих направлениях от производства упаковки до использования строительных материалов, а также многих других.

Модель работы используемого экструдерного оборудования зависит от конфигурации изготавливаемого продукта, а так же от вида пластмасс, использующихся при производстве.

Основным рабочим центром экструзионного оборудования является пара, состоящая из шнека и цилиндра. Для любого производимого продукта, а также вида материала для изготовления применима индивидуальная форма шнеко-цилиндровой пары: различная длина шнека, шнековый диаметр, геометрическое построение нарезки шнека, который используется для производства пластмасс и изделий из них. Основываясь на ключевых показателях, а так же учитывая физические и химические свойства используемых материалов все прочие составляющие экструзионного оборудования так же могут быть разными - различный диаметр нагревателя, мощность самого двигателя, число редукторов и т.д. Из этого следует, что даже если на производстве производится два абсолютно одинаковых изделия, но исполненных из разных типов материалов - может понадобится применить две абсолютно разные экструзионные машины, что является неудобством в работе, требуемое больших затрат на разные виды оборудования и затрат на его содержание, не говоря уже о затратах места в цеху и т.д. т.к. оборудование является весьма объемным, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1.1. Экструдерное оборудование для разных видов изделий

Даже учтя особенную универсальность экструдеров с одним шнеком - не исключены случаи, когда их применение крайне нерационально, а порой и вовсе становиться невозможным. Для того, чтобы работа экструзионного оборудования для полимеров была качественной - необходимо сырьё, представляющие собой микс из ПВХ смолы и различных смазок и стабилизаторов, которые предупреждают деструкцию при перерабатывании.,такое сырье должно быть подготовленно заранее.

Двухшнековые же экструзионные машины отвечают только возможности создать достаточно высокий уровень давления, достаточный для формирования профиля со сложной геометрией. Также в них имеется присутствие камеры для удаления из материалов воздуха и газов. Но быстрой и бесперебойной работой они не отличаются, из-за высоких параметров, такие машины потребляют большое количество энергии и довольно таки часто из-за перегрева разного вида деталей выходят из строя.

В наше время есть два ключевых типа экструдеров с двумя шнеками:

1. Параллельно-шнековый - представляет собой экструзионную машину, шнеки которой обладают постоянным внешним диаметром и расположены параллельно в цилиндр.

2. Конически-шнековый - у этого экструдера шнеки представляют собой конусы, т.е. внешний диаметр неодинаковый - они имеют больший диаметр со стороны редуктора и меньший диаметр выходной части. Главное преимущество - это высокая степень сдавливания материала. Такие шнеки всегда меньшей длины, нежели параллельные.

Но параллельно-шнековый и конически-шнековый не могут взаимодействовать вместе, а это замедляет работу изготовления полимеров, т.к. дает постоянные сбои то одного вида из-за перенапряжения внутри системы, то медленную работу другого.

1.3 Выходные требования к интерактивной модели

1. Современные конструктивные элементы систем обогрева должны обеспечивать стабильную температуру независимо от тепловыделений в экструдере.

2. Температуру расплава должно быть удобно прогнозировать и регулировать по средней температуре зон экструдера с учетом характера температурного профиля. Относительная погрешность прогнозирования для интервала должна составлять ±2S составляет ±12,8%.

3. Развитие систем управления процессом экструзии должно увеличивать количество контролируемых технологических параметров. Такие параметры, как процент включения нагревателей и отношение производительности к частоте вращения, требуют дальнейшего изучения для повышения стабильности процесса и оперативности управления.

2. Технология процесса, оборудования. основные технологические параметры

2.1 Рациональное использование промышленных отходов

Благодаря целому ряду ценных эксплуатационных свойств полимерные материалы широко используются в технике и в быту. Поэтому вопросы их утилизации оказываются неотделимыми от проблем утилизации других отходов жизнедеятельности человечества. Однако наряду с ценными качествами, у этих синтетических продуктов имеются и недостатки. Наиболее существенный из них состоит в том, что они, в отличие от многих природных материалов, выполнив свои функции, не уничтожаются достаточно быстро под действием агрессивных факторов окружающей среды - света, тепла, атмосферных газов, микроорганизмов, а продолжают существовать в виде долгоживущих отходов, причиняя в некоторых случаях непоправимый ущерб живой природе.

В условиях удорожания исходного полимерного сырья пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом. Использование отходов полимеров позволяет существенно экономить первичное сырье (прежде всего нефть) и электроэнергию [6]. С этих позиций рассматриваются следующие стадии оборота полимеров в общественном потреблении: синтез > переработка > модификация > применение > сбор и сепарация отходов > вторичная переработка > повторное применение > сбор и сепарация отходов > и т.д. до окончательной утилизации отходов.

Переработка вторичного полимерного сырья включает в себя три основные группы процессов: подготовительные, формообразующие и вспомогательные.

Подготовительные процессы объединяют операции превращения отходов в сырье (порошок, гранулы), пригодное для последующей переработки в изделия.

Формообразующие включают в себя операции обработки давлением для передела полимерного сырья в изделия (прессование, экструзия, литье под давлением, раздувное формование, пневмо- и вакуумное формование, каландрование).

Вспомогательные процессы объединяют отделочные и доводочные операции, например: придание готовым изделиям привлекательного внешнего вида, создание неразъемного соединения из отдельных элементов изделия и др.

Подготовительные процессы. Выбор способа предварительной обработки вторичного полимерного сырья зависит в основном от источника образования отходов и степени их загрязненности. Так, однородные отходы производства и переработки ПЭНП обычно перерабатывают на месте их образования, для чего требуется незначительная предварительная обработка - главным образом измельчение и грануляция.

Предварительная обработка вышедших из употребления бытовых и промышленных изделий требует более основательной подготовки, и включает следующие операции: сортировка (грубая) и идентификация (для смешанных отходов), измельчение, разделение смешанных отходов, мойка, сушка. После этого материал подвергают грануляции.

Предварительная сортировка предусматривает грубое разделение отходов по различным признакам: цвету, габаритам, форме и, если это нужно и возможно, - по видам пластмасс. Предварительную сортировку производят, как правило, вручную на столах или ленточных конвейерах; при сортировке одновременно удаляют из отходов различные посторонние предметы и включения.

Разделение смешанных отходов по видам проводят следующими основными способами: флотационным, разделением в тяжелых средах, аэросепарацией, электросепарацией, химическими методами и методами глубокого охлаждения [7].

Вышедшие из употребления полимерные отходы с содержанием посторонних примесей не более 5 % со склада сырья поступают на узел сортировки отходов.

1. в процессе которой из них удаляют случайные инородные включения и выбраковывают сильно загрязненные куски. Отходы, прошедшие сортировку, измельчают в ножевых дробилках.

2. мокрого или сухого измельчения до получения рыхлой массы с размером частиц 2...9 мм. [8]. Далее измельченные отходы подают на отмывку в моечную машину.

3. Отмывку ведут в несколько приемов специальными моющими смесями. Отжатую в центрифуге.

4 массу с влажностью 10...15 % подают на окончательное обезвоживание в сушильную установку до остаточного содержания влаги 0,2 %, а затем в гранулятор.

5. Грануляция является заключительной стадией подготовки вторичного сырья для последующей переработки в изделия. Эта стадия особенно важна для ПЭНП в связи с его низкой насыпной плотностью и трудностью транспортирования. В процессе гранулирования происходит уплотнение материала, что облегчает его дальнейшую переработку, усредняются характеристики вторичного сырья, в результате чего получают материал, пригодный для переработки на стандартном оборудовании.

6. Формообразующие процессы. Полученные гранулы можно перерабатывать в изделия с помощью таких технологий, как литье под давлением, компрессионное формование, экструзия, экструзия с раздувом рукава, каландрование, термоформование и ротационное формование. Каждая из перечисленных технологий на разных стадиях включает в себя операции обработки давлением. Чаще всего это экструзия полимерного материала, находящегося в пластическом состоянии, и формование изделий газами и жидкостями высокого давления. реактопласты, а также эластомеры. Благодаря большой производительности и высокому уровню автоматизации этот метод является в настоящее время основным способом формования полых изделий и, в результате ряда усовершенствований, позволяет получать полые изделия объемом от единиц миллилитров до нескольких десятков и даже сотен литров.

Для изготовления полых полимерных изделий (ППИ) наиболее часто применяются методы с использованием выдувного формования: экструзия трубчатой заготовки и ее раздув; отливка заготовки в литьевой форме с последующим раздувом; экструзия трубчатой заготовки и отливка горловины изделия, соединение горловины и заготовки с последующим раздувом [5]. Для придания изделию требуемой конфигурации, раздув и охлаждение производятся в специальной выдувной пресс-форме.

Экструзия с последующим раздувом на сегодняшний день - один из самых эффективных методов формования емкостей с применением целого ряда смежных технологий. В основе метода лежит непрерывная пластификация полимера в экструдере с дальнейшим получением заготовки в виде трубы и циклическое формование в пресс-форме путем нагнетания в заготовку сжатого воздуха. Раздув следует сразу же после загрузки заготовки необходимой длины в пресс-форму в ходе непрерывного экструзионного процесса, без остановки экструдера.

В зависимости от вида получаемой заготовки различают простую экструзию и комбинированную экструзию (соэкструзию) пластифицированного полимерного материала.

Экструзия (выдавливание) - способ получения однослойных изделий или полуфабрикатов из полимерных материалов путем выдавливания расплава полимера через формующую головку (фильеру) нужного профиля. Экструзии подвергаются практически все основные типы полимерных материалов.

Комбинированная экструзия - более универсальная технология, позволяющая значительно расширить номенклатуру и эксплуатационные возможности ППИ путем использования многослойных конструкций, в которых совмещаются полимерные материалы с различными индивидуальными свойствами. Учитывая, что данная работа посвящена исследованию и совершенствованию процессов получения полых полимерных изделий (канистр, бочек, бидонов, бутылок) комбинированной экструзией, далее более подробно рассмотрены технологии, в основе которых лежит этот процесс. Такие технологии позволяют получать комбинированные полимерные материалы, состоящие из двух и более слоев разнородных полимеров или различных марок одного и того же полимера [3, 4]. Учитывая многообразие марок полимеров, и их сочетаний в комбинированных материалах, появляется возможность создания неограниченного числа видов полимерных изделий с требуемым набором эксплуатационных свойств.

Для переработки каждого из материалов составляющих оболочку изделия при комбинированной экструзии, используется отдельный экструдер. Каждый из экструдеров подает гомогенизированный расплав в отдельную камеру многослойной экструзионной головки, формирующей соответственный слой.

Экструзионная головка является наиболее технологически сложной частью машины для комбинированной экструзии. В ней расплав каждого из материалов преобразуется в трубчатый поток, объединяется с трубчатыми потоками других полимеров, образуя на выходе из головки многослойную трубчатую заготовку.

Одной из целей совершенствования технологии комбинированной экструзии ППИ является экономия дорогостоящего основного полимерного сырья. При этом, для обеспечения необходимых качественных характеристик и жесткости изделия в качестве несущего основную нагрузку среднего слоя используют более дешевый.

В таблице 2.1. представлены основные группы классификации по совместимости полимеров.

Таблица 2.1

Полимеры

I

II

III

IV

V

1.1

1.2

1.3

2.1

2.2

2.3

3.1

3.2

4.1

4.2

4.3

4.4

5.1

5.2

1.1

ПЭНП

Х

Х

Х

П

П

П

П

П

П

П

П

П

Х

Х

1.2

ПЭВП

Х

Х

Х

П

П

П

П

П

П

П

П

П

Х

Х

1.3

ПП

Х

Х

Х

П

П

П

П

П

П

П

П

П

Х

--

2.1

ПС

П

П

П

Х

Х

Х

П

П

П

У

П

П

Х

--

2.2

Ударопрочный ПС

П

П

П

Х

Х

Х

П

П

--

У

П

П

Х

--

2.3

АБС-пластик

П

П

П

Х

Х

Х

Х

Х

--

У

Х

П

Х

--

3.1

ПВХ непласт.

П

П

П

П

П

П

Х

Х

Н

Х

Х

Н

Х

--

3.2

ПВХ пласт.

П

П

П

П

П

Х

Х

Х

Н

Х

Х

Н

Х

--

4.1

ПК

П

П

П

П

--

--

Н

Н

Х

Х

--

Х

--

--

4.2

ПУ

П

П

П

У

У

У

Х

Х

--

Х

--

--

--

--

4.3

Полиакриловые смолы

П

П

П

П

П

Х

Х

Х

Х

--

Х

--

--

--

4.4

ПА 6

П

П

П

П

П

П

Н

Н

--

--

--

Х

П

Х

5.1

СЭВ

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

--

--

--

П

Х

--

5.2

Иономеры

Х

Х

П

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

Х

Полимеры групп I, II, III способны внутри группы образовывать композицию с хорошей межслойной адгезией. Между полимерами групп I, II, III и IV хорошая межслойная адгезия возможна лишь в случае использования между ними соответствующего полимера группы V (адгезива) [3].

Анализируя представленные основные технологические процессы переработки термопластичных полимерных материалов, следует отметить, что каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, и различные области использования при изготовлении изделий различной конструкции. Использование вторичных полимерных материалов накладывает ряд специфических требований по выбору рационального технологического процесса.

Поэтому задача углубленного исследования и совершенствования процессов получения выдувных многослойных полых полимерных изделий с использованием вторичного полимерного сырья является весьма актуальной.

2.2 Технология процесса экструзионного оборудования

Экструзия, наряду с литьем пластмасс под давлением, является одним из самых популярных методов изготовления пластмассовых изделий. Экструзии подвергаются практически все основные типы полимерных материалов, как термопласты, таки и реактопласты, а также эластомеры.

В основном для экструзии пластмасс применяют шнековые, или червячные, экструдеры. Также существуют дисковые экструдеры. Для успешного производства продукции методом экструзии недостаточно только одного экструдера. Кроме него необходимо иметь еще несколько единиц оборудования, вместе составляющих экструзионную линию. Кроме того, существуют выдувные экструдеры, которые применяются в установках по получению изделий методом экструзионно-выдувного формования. Их описание, не входит в данную статью. Практически не встречаются экструдеры с вертикальными шнеками.

К технологическим параметрам переработки пластмасс методом экструзии относятся:

• температура по зонам экструдера,

• давление расплава,

• температура зон головки,

• режимы охлаждения экструдированного профиля.

Основными технологическими характеристиками экструдера являются длина шнека L, диаметр шнека D, соотношение L/D, скорость вращения шнека N, а также профиль шнека и степень изменения объема канала шнека.

Основной характеристикой формующего инструмента, состоящего как правило из экструзионной головки (вместе с фильтрующими сетками) и калибрующего узла, является коэффициент сопротивления течению расплава K. Перепад давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивления сеток и, следовательно, сигналом к их замене.

Укрупненным показателем работы любого экструдера можно назвать его эффективность, измеряемую как отношение производительности экструдера к его потребляемой мощности.

3. Описания модели и ее системы

экструзионный грануляция пластмасса

3.1 Разработка и описание модели и процессов в программе

Сердцем линии по производству экструзионным оборудованием емкостей, безусловно, является собственно экструзионная машина (основное оборудование), однако для работы необходимо и дополнительное (периферийное) оборудование. В экструзионно-выдувном формовании вся периферия делится на две большие категории: обязательная и рекомендуемая.

Обязательным для процесса является непрерывная подача сжатого воздуха и циркуляция воды для охлаждения (гидравлического масла, пресс-форм и других элементов), а также подготовка сырья в случае использования гигроскопичных материалов.

Рекомендуемое дополнительное оборудование - это всевозможные системы для работы с сырьём (подача, переработка, смешивание) и некоторые другие узлы в зависимости от конкретного производственного проекта.

Технологическая схема процесса соэкструзионно-выдувного формования приведена на рис. 3.1. Сырье засыпается в бункеры экструдеров, где он захватывается вращающимися шнеками. По мере продвижения по цилиндру полимерная смесь расплавляется и гомогенизируется, после чего под давлением попадает в копильники экструзионной головки. При поступлении полимера из экструдера внутреннего слоя в экструзионную головку материал, заполнив копильник, продвигается к выходу головки. С экструдера расплавленный материал, заполнив копильник, равномерно наслаивается на первый материал, и происходит их равномерное продвижение к выходу головки. Материал из экструдера наружного слоя также через копильник попадает в утолщенный канал головки, где происходит его равномерное наложение. И в дальнейшем происходит продвижение массы к выходу головки.

Рисунок 3.1. Схема физической модели: 1 - полуформы пресс-формы; 2 - выдувная игла; 3 - готовое изделие; 4- таймер времени охлаждения; 5 - термопара. шнеков экструдеров

Через зазор между матрицей и дорном расплав выходит наружу в виде цилиндрической трубки [11].

В процессе работы корпусы экструдеров и экструзионной головки обогревается трубчатыми нагревателями с регулированием и контролем постоянной температуры по зонам нагрева.

После выхода полимерного чулка из экструзионной головки и по достижении им определеМнной длины, происходит смыкание полуформ 1 (рис. 3.1). Благодаря верхней кромке полуформ чулок срезается и одновременно сваривается. То же происходит в нижней части. Затем полимерный чулок пробивает игла 2, через которую подается воздух и полимерная трубка раздувается изнутри. Каждая из полуформ интенсивно охлаждается водой, благодаря чему раздутое изделие быстро остывает и принимает соответствующую форму. Затем полуформы раскрываются на другой позиции и изделие 3 извлекается. Последней операцией является удаление технологической горловины.

Гибкость конструкции устройства раздува установки позволяет быстро при необходимости изменять типоразмер изготавливаемого изделия за счет замены пресс-формы.

В процессе работы установки могут быть изменены и находятся под контролем такие характеристики как, частоты вращения шнеков, температура корпуса давление в головке по слоям, давление раздува, время охлаждения изделия в выдувной форме, толщина полимерной трубки и температура заготовки.

Значение частот вращения шнеков измеряется тахогенераторами ТМП-30, соединенным с валами двигателей постоянного тока шнеков, а корректируется изменением входного напряжения в якорной цепи двигателя. Температурное поле работы машины измеряется термопарами ТПП-91 по зонам установки [2], а корректируется изменением входного напряжения на нагревательные элементы. Значения температур зон нагрева задаются из допустимых температурных диапазонов переработки полимеров. Величина давления в экструзионной головке по слоям измеряется датчиками давления [17], установленным на соединительном патрубке, а регулируется изменением зазора между матрицей и дорном соэкструзионной головки при изменении типоразмера производимой 105 емкости, для корректировки толщины полимерного цилиндра, которую измеряли штангенциркулем. Величина температуры заготовки Тз измеряется термопарой 5 начиная с момента раздува полимерного чулка, сигнал которой связан с таймером 4 (рис. 3.1). Запуск таймера осуществляется в момент раздува, а останов при понижении температуры заготовки до температуры 42 С.

Полученные изделия подвергаем кондиционированию, которое в соответствии со стандартными условиями испытаний пластиков ASTM D618-61 [2], производим при температуре 23±2С, относительной влажности 50±5 % и времени кондиционирования не менее 40 мин, так как толщина емкости после вторичного деформирования составляет 0,5-1 мм, что < 6,4 мм по стандарту.

В полученное готовое изделие через ниппель закачиваем воздух до давления 2 атм. и выдерживаем в течении 2-х часов. Давление в емкости контролируется датчиком давления ТМВ-110Р.01.(0-0,3 Мра)G1/2.150C.1. По истечении 2-х часов измеряется давление в емкости и сравнивается с первоначальным, в результате чего определяется перепад давления ?Р. Если перепад давления оказывается более 50 % то изделие отбраковывается и в дальнейших исследования не учитывается.

Таким образом, используемая физическая модель в полной мере показывает цепь производства и испытаний многослойных полимерных структур в виде полых емкостей.

3.2 Основное оборудование для работы экструзионного оборудования

Компрессор.

Суть технологии выдувного формования вообще и экструзионной модели основана на использовании сжатого воздуха для придания завершающей формы полимерному изделию из эластичной пластиковой заготовки (будь то бутылка или любое другое изделие). В экструзии используют давление 7-8 бар. Безперебойное распределение сжатого воздуха для выдувной модели прибора экструзионна осуществляется по средствам воздушных компрессоров. Также взяв во внимание то, что выдувная машина бесперебойно без резких скачков напряжения и прочих помех требует подачу сжатого воздуха, компрессор должен быть готов к интенсивной безостановочной генерации воздуха. При этом понятно, что работающий постоянно на пределе своей мощности и без перебоев компрессор будет потреблять чрезмерное количество энергии, а главное - слишком быстро исчерпывать свой ресурс.

По выше изложенным причинам для интерактивной модели работы экструзионно-выдувного формования лучше всего подходят компрессоры винтового типа с высокой производительностью, большей чем нужно выдувной машине в единицу времени и обязательно с хранилищами сжатого воздуха. Если компрессор был подобран выше изложенным образом, то опережает по производительности сжатого воздуха потребность экструзионно -выдувной модели и накапливает этот воздух в ресивере, уже из которого он попадает в выдувную машину по разработанной модели. В таком взаимодействии режимов работы у компрессора есть возможность время от времени «отдохнуть»(сделать перерыв), что хорошо сказывается и на потреблении энергии и на самой технике вцелом(т.к. любая техника имеет свой “износ”).

Основное применение сжатого воздуха - технологическое: непосредственный выдув изделий, а также поддув . Так как воздушная прослойка непосредственно касается пластика, к его качеству предъявляются четкие требования, регламентируемые международным ГОСТом. Основное из этих требований и одновременно самое важное при начинающих производствах - минимизация содержания влаги. Потому как излишнее содержание влаги привносит целый ряд отрицательных технологических моментов, возникающих в процессе выдува; общий смысл этих эффектов сводится к потере стабильности процесса и качества выпускаемых ёмкостей. Следующим и не менее важным пожеланием к качеству воздуха является минимизация содержания масленых средств так же как и самого масла. Большое содержание компрессорного масла и масляных примесей в сжатом воздухе оказывает некоторое негативное влияние не только на сам технологический процесс, но и на элементы пневматической системы экструзионного процесса. Для многих фармацевтических и пищевых производств даже используют более дорогие полностью безмасляные компрессоры, что, впрочем, является требованием конкретного стандарта чистоты отдельно взятого предприятия и не является обязательным для экструзионно-выдувного формования в целом, но является важным и не только в мерах безопасности.

Некоторые европейские производители данной техники, такие, например, как Atlas Copco, прилагают к своим компрессорам специальные фильтры отчистки от масляных загрязнений и от чрезмерной влаги. Использование таких дополнительных фильтров гарантирует получение правильного воздуха для стабильного выдувного формования, но и обеспечивает накладные расходы на их содержание и замещение.

Охладитель (чиллер).

Большое количество экструзионных машин на данное время производят срою работу на гидравлических приводах. Гидравлическое масло нагревается в процессе работы, и имеет определённый диапазон температуры, при котором его динамические свойства остаются стабильными, потому, естественно, данное масло требует постоянного охлаждения. Охлаждение масла происходит в маслоохладителе выдувной машины, по другому в чиллере, где поток масла проходит рядом с потоком холодной воды и путём интенсивной теплопередачи - охлаждается.

Другим ключевым элементом экструзионного процесса, требующего охлаждения является пресс-форма. Основной задачей системы охлаждения пресс-формы является обеспечение максимально быстрого затвердевания изделия после принятия им окончательной формы. Для эффективного решения данной задачи через пресс-форму в единицу времени нужно пропустить как можно большее количество воды с как можно меньшей температурой, но не забывать про стандарты предусмотренные ГОСТом и самой экструзионной машиной. От того насколько хорошо можно решить эту задачу и будет в большей мере зависеть временный промежуток цикла, а значит производительность экструзионной машины. Также, охлаждение в выдувной машине происходит и выдувных дорнов, которые непосредственно касаются горячей горловины изделия (и без охлаждения перегреваются и прилипают к горловине), а также должна быть охлаждена зона загрузки экструдера.

Охлаждение осуществляется путём циркуляции воды в закрытом контуре между экструзионной машиной и чиллером. Общий смысл системы сводится к тому, что охлаждённая в чиллере вода поступает в машину, где происходит теплообмен с маслом и пресс-формой, а затем снова попадает в чиллер, где вновь охлаждается до предыдущей температуры и процесс рекурсируется. Чиллер охлаждает воду за счёт теплообмена между нагретой водой и теплой (например, низкокипящая жидкость, которая при кипении забирает тепло у воды). При помощи компрессора теплая вода циркулирует в замкнутом контуре охладителя, а циркуляция воды между машиной и чиллером происходит с помощью насоса охладителя. Как правило, экструзионные машины имеют две параметра вход-выход. Один параметр ведёт к маслоохладителю, а другой - к гребёнке, распределяющей воду на пресс-форме, выдувные дорны и зону загрузки экструдера. Перед каждой из пресс-форм обычно имеется отдельная многоканальная гребёнка, которая разделяет поток воды на количество каналов, соответствующее количеству каналов охлаждения, выполненных в пресс-форме. Если количество каналов на гребёнке меньше, чем количество каналов в пресс-форме, то получается, что в единицу времени мы не впрыскиваем в форму максимальное количество воды нужной нам температуры, так как вода в канал охлаждения пресс-формы, на который не было выделено места в гребёнке, вынуждено попадёт из другого канала пресс-формы, нагревшись после его прохождения.

Наиболее требовательным к мощности охлаждения элементом являются пресс-формы. Для их охлаждения рекомендуется использовать воду с температурой на входе в машину не более 7-8 градусов (а при наличии возможности и меньше, ведь при использовании «незамерзающей» воды её температуру можно доводить до ноля градусов) и мощным водопотоком с давлением воды 5-6 бар. Оба параметра: температура и водопоток - одинаково важны. Необходимо стремиться как к снижению температуры воды, так и к увеличению интенсивности водопотока. Для решения первой проблемы необходимо позаботиться о том, чтобы чиллер имел заведомо высокую мощность компрессора, способного обеспечить охлаждение быстропроходящей воды и сохранять стабильную температуру на выходе (если мощность компрессора охладителя недостаточна, то он не сможет длительное время поддерживать заданную температуру воды и она будет постепенно расти); кроме того, с помощью вентиляционных систем должен быть обеспечен полноценный вывод тепла от вентиляторов чиллера на улицу, в противном случае холодный воздух не будет проходить через конденсатор с хладагентом (охлаждая его), что не позволит чиллеру работать с максимальным КПД. Максимальный водопоток обеспечивается мощным насосом чиллера и максимальными диаметрами проходных сечений водяного контура (диаметр шлангов, штуцеров и фитингов).

Для охлаждения масла требуется температура 14-16 градусов и гораздо меньшая интенсивность прохода воды через маслоохладитель. В связи с этим для достижения максимальной эффективности системы охлаждения рекомендуется использовать отдельный чиллер невысокой мощности на масло и отдельный чиллер большой мощности на пресс-формы. Но увы, для небольших экструзионнных машин такое разделение на два охладителя чаще всего означает чрезмерные деньго-затраты, поэтому обычно имеет место быть разделение на производствах с более, чем одной выдувной машиной или с одной машиной, но очень большого типоразмера.

Чиллеры лучше всего покупать в Европейских страннах. По причине того, что цены на европейские, в частности итальянские, охладители не особо отличаются от цен на азиатские модели экструдеров. Также, холодильная техника исключительно чувствительна к тяжёлой и длительной транспортировке, что приводит к тому, что чиллеры, доставленные мультимодальным транспортом из Азии, часто приходят с повреждёнными контурами и вытекшим хладагентом. Азиатские производители чиллеров как будто смирились с невысокой популярностью их техники в Европе и в последние годы незаметны ни в маркетинговой активности, ни в каких-либо технических инновациях. Таким образом, доминирование европейских и в особенности итальянских производителей охладителей лишь увеличивается. Среди известных брендов, проверенных годами не только в странах СНГ, но и в мире можно назвать, итальянскую компанию Piovan.

Подготовка сырья.

Полиолефины и поливинилхлорид не гигроскопичны и не требуют предварительной просушки за исключением случаев сильного и преждевременного попадания влаги в мешки или хранилища с сырьём. Поэтому их рекомендуется хранить в сухом и проветриваемом помещении, т.к. ничего полезного в их содержании для человеческого здоровья нет. Полиамид, поликарбонат и полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ) следует просушивать специальными влагоустраняющими устройствами с силикагельными ситами. Эти устройства абсолютно аналогичны применяемым в литье под давлением и других технологиях переработки пластмасс. Полистирол, который также иногда применяется в экструзионном формовании, можно просушивать обычной горячевоздушной бункерной сушилкой. В зависимости от производительности машины бункеры сушильных устройств поставляются в напольном исполнении или в навесном.

Дополнительное оборудование для работы экструзионного оборудования.

Подача и смешивание сырья.

Современные высокопроизводительные экструзионно-выдувные машины уже невозможно обеспечивать полимерным сырьём простым периодическим высыпанием его в воронку машины из мешков. Это связано не только с физическими неудобствами и сопутствующим человеческим фактором, но, прежде всего с тем, что полимерное сырье, подаваемое в экструзионно-выдувную машину, является смесью первичного материала, вторичного (т.е. «дроблёнки») и, как правило, цветовых добавок. Качество смеси, подаваемое в горловину экструдера выдувной машины, является одним из определяющих параметров стабильности всего процесса.

Любой экструзионно-выдувной процесс предполагает уход 30-50% сырья в технологический облой, который всегда (за редкими исключениями) полностью идёт на вторичную переработку. Таким образом, в конечном итоге 100% исходного сырья перерабатывается в выдувные изделия. Сложность состоит в том, чтобы обеспечить равномерное количество первичного сырья и дроблёнки в потоке материала, попадающего в экструдер. Речь идёт о равномерности именно весового содержания, ведь один и тот же физический объём содержит разный вес первичного сырья и дроблёнки. Дроблёнка имеет форму неравномерных частиц, маленьких «обрубков» в то время, как первичное сырьё представлено в форме одинаковых гранул.

Обычная пневматическая подача сырья из бункера с материалом с помощью вакуумного загрузчика не работает (по крайней мере, достаточно технологично) в экструзионно-выдувном формовании. Лёгкие куски дроблёнки пролетают шланг пневмозагрузчика с другой скоростью относительно гранул первичного материала. Поэтому даже если в исходном бункере первичное сырьё и дроблёнка были перемешаны очень хорошо, то после обычной пневматической загрузки в экструдер смесь будет попадать неравномерными кусками. Таким образом, экструзионный рукав от цикла к циклу будет состоять из разного соотношения первичка/дроблёнка, а значит и процесс потеряет в стабильности (в первую очередь рукав нужной длины при тех же оборотах шнека будет выходить из головки каждый раз за разное время).

Чтобы обеспечить стабильность нужно решить две проблемы:?- Обеспечить качественное перемешивание первички и дроблёнки?- Донести эту смесь, не теряя качества перемешивания, в горловину экструдера

Обеспечить качественное перемешивание вручную без дополнительных устройств в принципе можно, но это занимает длительное время и может потребовать отдельного человека не говоря уже о пресловутом человеческом факторе, вследствие которого работа может быть выполнена хорошо в этот раз, но плохо - в следующий. В связи с этим, для смешивания первичного сырья и дроблёнки (и здесь же подмешивание красителя) лучше использовать специальные устройства - смесители (дозаторы). Смесители (дозаторы) делятся на две большие категории - объёмные и весовые (гравиметрические).

Обычный объёмный дозатор для однослойного экструзионно-выдувного формования состоит из трёх бункеров (первичка, дроблёнка, краситель). Каждый из бункеров оснащён снизу маленьким шнеком. Путём подбора диаметров этих шнеков и управления скоростью их вращения можно дозировать количество каждого из компонентов, выходящее из соответствующего бункера в разгрузочную зону смесителя. Если дозатор установлен прямо на горловине экструдера, то полученная смесь в том же виде идёт на переработку, однако если используется напольный дозатор, то при пневмопередаче смеси возникнут проблемы, описанные выше. Мы рекомендуем использовать навесные дозаторы, однако, если по причинам каких-то ограничений в помещении, по причинам производственных предпочтений (например, при централизованной подготовке сырья в одном смесителе для нескольких машин) или другим причинам всё же используются напольные дозаторы, то необходимо решить вопрос загрузкой смеси в машину.

В этом случае загрузку можно осуществлять специальными шнековыми загрузчиками. Эти загрузчики передают сырьё не пневматикой по гибкому шлангу, а длинным стальным шнеком, вращающимся в специальной пластиковой трубе. Таким образом, во время передачи сырья из смесителя в экструдер сохраняется исходное качество смеси.

В многослойном экструзионно-выдувном формовании скорость выхода расплава из экструдера имеет ещё более принципиальное значение, т.к. это оказывает влияние на распределение толщин слоёв в общей массе стенки изделия. Чем больше нестабильность выхода потока тем большими будут колебания процентного соотношения слоёв относительно друг друга (чем больше поток, генерируемый одним экструдером, тем толще слой за который «отвечает» этот экструдер).

По этой причине для соэкструзионного выдува рекомендовано применение гравиметрических (весовых) дозаторов. Обычный дозатор просто вращает шнек, приблизительно регулируя объём подаваемого компонента; объём, но не массу. Как сказано выше, дроблёнка представлена в бесформенных частицах, поэтому при том же количестве оборотов шнека дозатора её может попасть в экструдер больше или меньше. Гравиметрический дозатор взвешивает количество подаваемого материала и, следовательно, позволяет соблюсти стабильную рецептуру смеси, что обеспечивает стабильную экструзию. Гравиметрическое дозирование в выдуве в общем-то рекомендовано не только для многослойных применений. Наиболее прогрессивные производства однослойных выдувных изделий так же стараются применять весовое дозирование, ведь ключ к успешному выдувному формованию - стабильность всех параметров, факторов и процессов.

Сбор облоя.

При использовании внутри-машинных систем удаления технологического облоя (а такие системы применяются сейчас почти повсеместно) «лишний» пластик вырубается (или срезается) и просто падает вниз. В зависимости от типа устройств удаления облоя и системы внутренних склизов в машине точки выпадения могут быть расположены по-разному, однако всегда есть возможность собрать их из-под машины специальной конвейерной лентой.

Небольшая по высоте (от пола) горизонтальная конвейерная лента располагается с лицевой стороны машины прямо под узлами смыкания. Ширина этого конвейера подбирается таким образом, чтобы беспорядочно ссыпающийся облой всегда попадал на ленту, а не на пол. Облой, упавший на пыльный пол, ещё менее приветлив при вторичной переработке, чем чистая дроблёнка, поэтому для дополнительной защиты по краям конвейера устанавливают пластины-ограждения. Эти пластины выполняют роль склизов, и улетевший в сторону фрагмент облоя благодаря такой защите всё равно спускается на ленту, а не мимо. Длина конвейерной ленты должна охватывать все точки выпадения облоя, т.е. всю ширину машины, а иногда и больше (если применяются ротационные срезчики облоя). Задача конвейера, описанного выше, собрать весь облой из-под машины. Вторая задача - транспортировка облоя непосредственно в дробилку и для этого используется второй конвейер. Второй конвейер обычно устанавливается перпендикулярно первой ленте и имеет наклонное направление транспортировки для подъёма облоя с горизонтального конвейера в приёмное окно дробилки.

Переработка.

В отличие от дробилок, используемых для ТПА, которые задействованы время от времени, дробилки, приставленные к экструзионно-выдувным машинам, работают постоянно и это лишь часть их специфики. К другим особенностям выдувных дробилок можно отнести следующее: Необходимость перерабатывать не только толстые и горячие фрагменты облоя, но и периодически целые выдувные изделия - внутренняя камера и система ножей дробилки должна быть спроектирована таким образом, чтобы изделие не подпрыгивало на ножах, а сразу разрубалось.

При отстройке машины могут возникать большие объёмы брака к переработке - дробилка должна быть способна в течение получаса-часа спокойно измельчать количество полимера в три-четыре раза превышающее штатный режим (дробление только облоя). Кроме того, после отстройки накапливается количество дроблёнки заведомо превышающее её обычную пропорцию - дробилка должна либо иметь большую встроенную камеру для временного хранения излишков облоя, либо быть соединена пневмозагрузчиком с отдельностоящим хранилищем уже из которого дроблёнка будет передаваться дальше в смеситель-дозатор.

Дроблёнка составляет 30-50% смеси, из которой производится выдувное изделие, поэтому качество дроблёнки напрямую влияет на стабильность экструзионно-выдувного процесса и качество изделия - дробилка должна измельчать облой и брак в максимально равномерные и одинаковые по форме частицы. На кусках облоя и, особенно, на бракованных изделиях (которые обычно просто бросают на пол, а потом собирают) скапливается пыль и грязь, поэтому дробилка должна иметь хорошую систему пылеотделения.

Правильное дробление - ещё один фактор стабильности экструзионно-выдувного формования. Наиболее профессиональные и проверенные решения можно получить у компаний, специализирующихся именно на регрануляции. Наиболее известный эксперт по дробилкам и мировой лидер в этом направлении - шведская компания Rapid. Rapid выпускает модели, исполнения и различные опции к дробилкам в зависимости от применения и не только имеет специальную линейку для выдувного формования, но несколько сублинеек для конкретных выдувных задач.

4. Практическая реализация модели и расчет экономической эффективности

4.1 Реализация модели в программе с пошаговым описанием

Рисунок 4.1. Вид модели без обработки

Рисунок 4.2. Вид модели с боку с готовой продукцией



Рисунок 4.3. Вид шнека для экструдера

4.2 Методы расчета экономической части

Для разработки данной модели необходимо минимум 2 человека которые могут является и программистом и инженером.

Расчёт этапов длительности каждого этапа проводится по формуле

Тце = Т люд../ Кол люд.. (дней)

Где Тце - это нужное количество людей требуемое для выполнения проекта;

Т люд-время, которое тратит человек;

Кол люд- общее количество людей.

План - график проведения работ по теме.

Расчет основных производственных процессов технологии выполняется отдельно и включает:

- определение объемов работ по основным процессам и штата рабочих для выполнения работ;

- определение месячного фонда заработной платы и начислений на заработную плату;

- установление месячной потребности: а) во вспомогательных материалах, б) в топливе, в) в электроэнергии;

- расчет амортизационных отчислений;

- сводные затраты на заработную плату

Я не получала денежных средств так как моя работа является учебной. В целях усовершенствования моих знаний и разработки данной модели в НИРС.

Оценка трудоемкости разработки программы.

Для оценки трудоемкости разработки программы использовались «Типовые нормы времени на программирование задач на ЭВМ» (утв. постановлением Госкомтруда СССР, секретариата ВЦСПС от 27.07.1987 n 454/22-70), «ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99 Информационная технология. Процессы жизненного цикла программных средств». Нормы охватывают следующие стадии разработки проектных материалов:

-техническое задание;

-эскизный проект;

-технический проект;

-рабочий проект;

-внедрение.

Описание требуемых исходных данных:

Таблица 4.1 - Описание входных данных

Наименование	Значение
Планируемый срок разработки.	1 год
Комплекс решаемых задач.	Подготовить рабочий элемент модели
Количество разновидностей форм входной информации из них: - переменной - нормативно-справочной - банка данных.	2 1 0
Количество разновидностей форм выходной информации.	1
Степень новизны задачи.	Привязка типовых проектных решений(Г)
Сложность алгоритма.	Алгоритмы учета, отчетности, статистики поиска (2).
Вид используемой информации.	Переменная информация (ПИ). Нормативно-справочная информация(НСИ).
Сложность контроля: - входной информации - выходной информации	Входные данные однообразной формы и содержания, осуществляется формальный контроль (11).
Программа разработки.	Blender

Таблица 4.2 - Расчет трудоемкости разработки программного продукта

Стадия разработки проекта	Затраты времени	Поправочный коэффициент	Затраты времени с учетом поправочного коэффициента, чел.-дней
	значение, чел.-дней	основание	значение	основание
1. Разработка технического задания
1.1. Затраты времени разработчика постановки задачи	35	норма 3г	0,65		23
1.2. Затраты времени разработчика программного обеспечения	35	норма 3г	0,35		12
2. Разработка эскизного проекта
2.1. Затраты времени разработчика постановки задачи	30	норма 3г	0,7		21
2.2 Затраты времени разработчика программного обеспечения	30	норма 3г	0,3		9
3. Разработка технического проекта
3.1 затраты времени разработчика постановки задачи	43	норма 6г	К2 = 1,0 К3 = 1,1 Кобщ. = 0,537	Кобщ= К1*К2*К3	21,18
3.2 затраты времени разработчика программного обеспечения	17	норма 6г	К1 = 0,488 К2 = 1,0 К3 = 1,1 Кобщ. = 0,537	Кобщ = К1*К2*К3	9,33
4 Разработка рабочего проекта
4.1 затраты времени разработчика постановки задачи	25	норма 6г	К2 = 1,0 К3 = 1,16 К4 = 1,15 K5=0,6 Кобщ = 0,5	Кобщ = К1*К2*К3* *К4*К5	14,5
4.2 затраты времени разработчика программного обеспечения	60	норма 6г	К1 = 0,622 К2 = 1,0 К3 = 1,16 К4 = 1,15 K5=0.6 Кобщ = 0,5	Кобщ = К1*К2*К3* *К4*К5	30
5. Внедрение
5.1. Затраты времени разработчика постановки задачи	22	норма 6г	К1 = 1,0 К2 = 1,16 К3 = 1,05 K4= 0,6 Кобщ = 0,73	Кобщ = К1*К2*К3*К4	12,12
ВСЕГО на комплекс задач (Tдн)	116,94

Расчет стоимости программного продукта.

Расчет затрат.

Для разработок, выполняемых с некоммерческой целью, необходимо произвести расчет сметы затрат на разработку программного продукта, в данном случае на разработку компьютерной модели.

В состав сметной стоимости разработки входят следующие затраты:

• основная заработная плата разработчиков (Сос);

...