Analysis of operation algorithm for automatic lines extrusion zone heating system

Full Text

В современных системах проводной связи широко используют различные кабели, основным видом изоляции в которых является полиэтилен. Технологический процесс наложения этой изоляции на отдельные проводники или элементы конструкции кабеля реализуется на автоматических линиях с непрерывным режимом работы. Одним из наиболее ответственных узлов таких автоматических линий является экструдер. Его основное назначение связано с непрерывным процессом наложения полиэтиленовой изоляции на элементы конструкции кабеля. Особую роль данная операция играет при наложении изоляции на первичный элемент кабеля в виде токоведущей жилы. Сам процесс наложения реализуется в головке экструдера, куда поступает заготовка проводника от отдатчика или с выхода системы отжига. Скорость изолирования определяет производительность всей линии. Поэтому роль экструдера в общей работе линии трудно переоценить. Известны различные варианты конструкции современных экструдеров, которые классифицируются по способу подачи полиэтилена в головку экструдера. Различают варианты использования для этих целей шнека с винтовой нарезкой, дисков особой формы и комбинированный вариант, который их объединяет, обеспечивая как хорошее смешение компонентов смеси, так и необходимое ее давление в головке экструдера. В кабельной промышленности [1] применяют в основном первый вариант шнекового экструдера, который более известен как червячный пресс. В основу конструкции этого пресса положен шнек, имеющий на своей боковой поверхности винтовую канавку или нарезку. Этот шнек помещается в обогреваемый цилиндр; в зависимости от природы полимера и технологии его переработки он имеет различный профиль нарезки по своей длине. Объемный расход полимера в таком экструдере определяется скоростью вращения его шнека, поэтому он снабжен индивидуальным приводом с возможностью регулирования скорости по информации о функционировании всей линии в целом. Обычно ограничиваются контролем скорости работы линии и значением диаметра жилы по ее внешней изоляции. Общее уравнение баланса изолирующей массы полимера имеет сравнительно простой вид: ·(D2 d2 ·Vиз·t  K·nэк·t, (1) где D - диаметр жилы по изоляции; d  диаметр медной проволоки; Vиз  линейная скорость работы линии; nэк  скорость вращения шнека экструдера; K  комплексный размерный коэффициент преобразования вращения шнека в производительность экструдера по полиэтилену; t  произвольный отрезок времени на интервале стационарности процесса наложения полиэтиленовой изоляции. Вполне очевидно, что любое нарушение этого баланса рабочей среды можно классифицировать как действующее возмущение для зоны наложения изоляции. В левой части уравнения (1) к таким возмущениям следует отнести изменение скорости изолирования линии Vиз и нестабильность диаметра медной проволоки. Если последнюю из них на первом этапе можно признать несущественной, то параметр Vиз следует считать основным возмущением и принять меры по устранению его влияния на общий процесс наложения изоляции. Более сложен процесс оценки функционирования работы экструдера как основного технологического звена зоны наложения изоляции. В правой части уравнения (1) приведена скорость вращения шнека экструдера (nэк) как основная технологическая величина, с которой жестко связана производительность экструдера по полиэтилену. В реальных условиях эта связь зависит и от технологических режимов работы экструдера, который по своей длине в направлении движения полиэтилена имеет три зоны. Они, конечно, имеют свои особенности и обладают свойством взаимного влияния на общий процесс экструзии. Так, в первой зоне происходит загрузка полиэтилена в виде гранул. Попав в эту зону, он захватывается винтовой нарезкой и перемещается вдоль оси шнека по направлению второй и третей зоны. Именно поэтому нарезка шнека в этой зоне более глубокая. Кроме того, процесс движения полимера возможен только в том случае, если его трение о стенки цилиндра будет создавать большее усилие, чем трение этого же полимера о поверхность шнека. С этой целью на внешней поверхности цилиндра первой зоны расположены нагреватели, а сам шнек делают полым внутри для его охлаждения. Качественное влияние температуры на коэффициент трения полимера о поверхность цилиндра показано на рисунке зависимостью 1. Простой анализ общего характера приведенной зависимости показывает, что коэффициент трения возрастает до момента, когда начинается плавление полимера, т. е. до точки экстремума порядка 150 °С (для полиэтилена низкой плотности этот уровень температур составит (105÷110) °С). С повышением температуры происходит размягчение полимера, он становится более пластичным и заполняет весь объем канавки шнека, формируя плотную пробку в межвитковом пространстве шнека. Желательно, чтобы процесс формирования этой пробки пришелся на границу между первой и второй зонами. Тогда общая производительность экструдера полиэтилену определится выражением [2] Q  ·nэк, где  - объемная плотность полимера;  - объем нарезки одного витка на внешней поверхности шнека;  - эквивалентный коэффициент заполнения рабочей зоны шнека (0,15÷0,50); nэк - скорость вращения шнека экструдера. Зависимость коэффициента трения от температуры полимера: 1 - полиэтилен высокой плотности; 2 - поливинилхлоридный пластикат Во второй зоне плавление полимера продолжается, он становится более пластичным. Глубина нарезки спиральных канавок обычно уменьшается, что приводит к увеличению продольного давления передаваемого уже через жидкую фазу полимера. Состав полимера при этом доводится до однородной композиции, и в гетерогенном состоянии (расплав с частичками твердого полиэтилена) он попадает в 3-ю зону, которая играет роль зоны дозирования. На ее выходе расположена сетка фильтра и головка экструдера, которая имеет дорн и матрицу, где и происходит наложение изоляции. При их отсутствии, когда речь идет о свободном выходе полимера из зоны обогрева, мы имели бы только основной поток этого полимера с минимальным уровнем его давления на выходе из головки экструдера, близким к атмосферному. Если же учесть влияние головки экструдера, то она создает гидравлическое сопротивление, а следовательно, внутри третьей зоны происходит повышение давления полимера. Результирующий поток полиэтилена характеризует его расход в зоне наложения изоляции: Q= ·nэк  (  +  ·P, (2) где , ,  постоянные конструктивные коэффициенты, которые характеризуют соотношение между основным потоком, величиной противотока и утечкой расплава полимера соответственно. Количественная оценка данных коэффициентов связана с геометрическими размерами шнека и экструдера, а их размерность соответствует выбранной системе единиц. Если считать данные коэффициенты фиксированными, то при неизменной скорости вращения шнека (nэк) можно считать, что результирующий расход полиэтилена, определяемый выражением (2), будет пропорционален давлению этого полиэтилена в головке экструдера (P). Стабильная работа экструдера связана с понижением чувствительности расхода к давлению в головке экструдера. Она определяется таким известным геометрическим параметром экструдера, как отношение длины шнека L к его диаметру D. В кабельной промышленности наиболее ходовые конструкции реализуют это отношение в пределах (20÷25). Независимо от конкретного конструктивного решения экструдера из его цилиндра полимер попадает уже в головку экструдера, где и происходит наложение изоляции на токоведущую жилу, проходящую через дорн внутри матрицы этой головки. Это завершающая операция, и на формующей части головки экструдера при продавливании через нее полимера действует перепад давлений ΔР, который равен разности давлений между внутренней частью головки экструдера и внешней средой: ΔP =P  Pвых. Этот перепад и будет определять интересующий нас расход полимера в общем балансе рабочей среды (1). Его количественная оценка определяется выражением Q=K0·P, (3) где η - вязкость расплава полимера; K0 - размерный коэффициент пропорциональности, характеризующий сопротивление канала головки экструдера процессу движения через него полимера. Проведенный анализ алгоритма функционирования работы экструдера позволяет наметить и общий принцип управления его работой в составе автоматических линий кабельных предприятий. Как известно, управление технологическим процессом всегда предполагает наличие критерия, который позволяет дать оценку качества функционирования основного технологического оборудования этого процесса. В нашем случае будем ориентироваться на геометрические размеры нанесенной изоляции, т. е. на величину диаметра жилы по изоляции. При этом не следует забывать и о целом ряде технологических факторов, которые приводят к нарушению внешней поверхности самой изоляции, ее геометрии, механических свойств, надежности и долговечности. Уменьшение дисперсии по этим показателям требует контроля температурного режима не только зон обогрева цилиндра экструдера, но и его головки, где расположены дорн и матрица, формирующие изоляцию на элементах конструкции кабельных изделий. С учетом вышеназванных обстоятельств и с опорой на проведенный анализ функционирования системы обогрева экструдера можно сформулировать требования, которые предъявляются к общему алгоритму управления всем технологическим процессом этого звена. 1. Температурный режим обогрева зон экструдера при его фиксированном значении ориентирован на постоянную скорость изолирования. Следовательно, при изменении этой скорости по различным причинам, в том числе и по чисто организационным, этот режим должен быть изменен. 2. Температурный режим первой зоны не должен доводить полимер до критического состояния начала его расплава, т. е. до температуры порядка (105÷150) °С в зависимости от марки полиэтилена (подбирается опытным путем на конкретном виде технологического оборудования). 3. Во второй зоне температура повышается до уровня, при котором полный расплав полимера должен происходить за время прохождения им первых 2/3 общей длины этой зоны. 4. Температура третей зоны решает задачу оптимальной фильтрации полимера и его калибровки на выходе из зоны наложения. 5. Конечное значение диаметра жилы по изоляции определяется давлением расплава полимера в головке экструдера и его температурой, которые подлежат контролю и коррекции в ходе технологического процесса. 6. Для уменьшения возмущений в зоне наложения изоляции скорость вращения шнека должна быть синхронизирована со скоростью работы всей линии и величиной давления в головке экструдера. 7. Со скоростью вращения шнека, в свою очередь, должна быть увязана температура зон обогрева экструдера, т. е. она играет для них роль входного или задающего сигнала. Таким образом, работа экструдера моделируется целой гаммой взаимосвязанных технологических операций, и управление их ходом требует детальной предварительной проработки всех возможных технологических режимов на реальном оборудовании с использованием соответствующих марок полимера и его наполнителей. Реализовать полученные рекомендации по ведению общего технологического процесса изолирования в рамках конкретного экструдера можно на базе системы АСУ ТП с участием локальных подсистем управления температурой зон обогрева цилиндра и головки этого экструдера. Работа подсистем должна быть увязана с величиной скорости работы всей линии через специальный узел формирования задающих сигналов. С помощью этого узла устанавливается уровень температуры отдельных зон обогрева экструдера и уровень скорости вращения для системы стабилизации скорости его привода. Кроме того, в работе привода шнека экструдера необходимо предусмотреть возможность коррекции его скорости вращения по величине давления полимера в головке этого экструдера и по конечному значению диаметра изоляции токоведущих жил уже на выходе из зоны наложения.

About the authors

Alexander G Mikheev

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files