Программный комплекс для поиска оптимальных значений режимных параметров процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропиле

1 Аналитический обзор

1.1 Конструкция одношнекового экструдера

    Одношнековый   экструдер   (рисунок 1) состоит из червяка 1,   вращающегося внутри цилиндрического корпуса 2, на котором установлен бункер 11. Внутри корпуса, как правило, запрессовывается гильза 3 с азотированной, закаленной и термообработанной поверхностью. Обогрев корпуса осуществляется нагревателями 4, сгруппированными в несколько (как правило, три или четыре) тепловых зон. На конце корпуса устанавливается головка с профилирующим инструментом 5, соединяющаяся с корпусом экструдера посредством адаптера 6. Между червяком и адаптером располагается решетка с пакетом фильтрующих сеток 7. Корпус устанавливается на станине 8. Осевое усилие воспринимается блоком упорных подшипников 10. Привод червяка осуществляется от регулируемого электродвигателя через шестеренчатый редуктор 9.  

                                  Рисунок 1- Одношнековый экструдер 

Бункер изготавливается  из листовой стали или алюминиевых  сплавов со смотровым окном для  контроля за уровнем находящегося в бункере материала. Для переработки материалов, склонных к сводообразованию (зависанию), в бункере устанавливают перемешивающее устройство. Бункера экструдеров, предназначенных для переработки материалов с низкой сыпучестью (порошки, отходы производства пленок и нитей), оборудуют устройствами для предварительного уплотнения материала. Для переработки гидрофильных полимеров применяют бункера с вакуумированием с целью удаления влаги и летучих. В некоторых случаях используют бункера, в которых материал подогревается горячим воздухом   (рисунок  2). 

    

 
 

1 - распределительные  сопла; 2 - корпус бункера; 3 - магнитный затвор; 4 - патрубок для отвода воздуха; 5 - загрузочный люк; 6 - промежуточная емкость; 7 -  заслонка, регулирующая подачу горячего воздуха; 8 - калорифер с регулятором температуры подогрева воздуха; 9 - вентилятор;    10 - загрузочная воронка экструдера. 
 

           Рисунок 2- Бункер с предварительным подогревом гранул

Шнеки. В современных экструдерах применяются шнеки с относительной длиной L/D= 15/35. Диаметр шнеков регламентируется ГОСТ 14773—80 и может составлять 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 450; 630 мм. Наиболее распространены так называемые зонированные шнеки (рисунок 3), на которых можно выделить зону питания, зону плавления и зону дозирования.

Экструзионный материал может поступать на переработку в виде гранул или порошка. Гранулы загружаются в бункер и через загрузочное отверстие поступают к шнеку. Продвигаясь вдоль шнека, гранулы расплавляются, расплав продавливается через решетку и пакет фильтр- ующих сеток. Затем расплав проходит через конический диффузор (адаптер) в головку, в которой установлен профилирующий инструмент.  

Шнек — это основной рабочий орган экструдера. Он забирает непластицированный материал от загрузочного отверстия, пластицирует его и равномерно подает в виде гомогенного расплава к головке. Продвигаясь по каналу шнека, материал разогревается как за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения, так и тепла, подводимого от расположенных на корпусе нагревателей. В результате уплотнения из материала удаляется захваченный вместе с гранулами  (или порошком)

воздух, и удельный объем пробки гранул уменьшается. Для компенсации уменьшения удельного объема гранулята канал шнека выполняется с уменьшающимся объемом витка. Поэтому глубина винтового канала шнека    на выходе всегда меньше, чем на входе. 

По характеру  процессов, протекающих на каждом участке  червяка, его обычно можно разделить по длине на три основные зоны:

• зона питания (или зона загрузки) — участок, на котором перерабатываемый материал находится в твердом состоянии;
• зона сжатия (или зона плавления) — участок, на котором почти полностью происходит плавление материала;
• зона дозирования — участок, на котором материал находится в расплавленном вязкотекучем состоянии.

Шнек, представленный на рисунке 3, имеет явно выраженную зону плавления. В зоне питания глубина канала максимальна. В зоне плавления она постепенно уменьшается до значения, соответствующего зоне дозирования. По мере приближения к головке площадь поперечного сечения канала шнека сокращается. Это достигается в результате уменьшения глубины канала шнека, вследствие снижения шага нарезки или за счет того и другого одновременно. 

Рисунок 3- Пластицирующий шнек

Корпус. Корпус одношнекового экструдера изготавливает из поковок, выполненных из стали 45. Крепление корпуса к блоку подшипников осуществляют фланцевым соединением. Для переработки порошко- образных полимеров на участке зоны питания устанавливают втулку с рифленой внутренней поверхностью. Обогрев корпуса осуществляется нагревателями сопротивления. Иногда для этой цели применяют индукционные нагреватели, паровой или масляный обогрев. 

Привод экструдера. Способы регулирования частоты вращения червяка зависят от необходимого диапазона регулирования. Чаще всего в качестве привода применяют электродвигатели постоянного тока с тиристорным управлением и коллекторные двигатели переменного тока. Некоторое распространение получил гидропривод и асинхронные двигатели в сочетании с механическими шестеренчатыми редукторами. Выбранный привод должен надежно обеспечивать необходимый для работы экструдера вращающий момент во всем рабочем диапазоне частот вращения червяка.

Головка экструдера — это профилирующий инструмент, придающий необходимую форму выдавливаемой струе полимера. От степени совершенства конструкции головки в значительной мере зависит точность поперечных размеров экструдируемого изделия и качество его поверхности. В соответствии с этим назначением конструкция головки должна удовлетворять следующим требованиям:

1) она  должна способствовать формированию  поперечного сечения потока, соответствующего форме сечения экструдируемого изделия;

2) геометрические  размеры профилирующей щели и углы выхода должны обеспечивать возможность работы с максимальными значениями производительности, при которых еще не наблюдается «эластической турбулентности»;

3) конфигурация  каналов должна исключать образование  в них зон застоя;

4) головка  должна обладать достаточным сопротивлением, чтобы на выходе из шнека создавалось противодавление, обеспечивающее качественное смешение и гомогенизацию полимера;

5) конструкция  профилирующих органов должна  быть достаточно жесткой, чтобы  при любых рабочих давлениях  сечение проточной части оставалось неизменным;

6) конструкция головки должна обеспечивать возможность регулирования распределения объемного расхода по периметру струи для устранения влияния неточностей расчета и изготовления на профиль экструдируемого изделия. [1] 

1.2 Экструзионные агрегаты для производства плоских пленок

Различные схемы  производства плоских пленок на экструзионных  агрегатах приведены на рисунке 4

Агрегат для производства плоских пленок с охлаждением их в водяной ванне (рисунок 4.1) состоит из экструдера 1, фильтра 2, плоскощелевой головки 3, охлаждающей    ванны с комплектом направляющих роликов 4, тянущих валков 5 и намоточного устройства 6. При работе агрегата расплав из экструдера 1 проходит через фильтр 2 и, выходя вертикально вниз из профилирующей щели головки 3, попадает в охлаждающую ванну 4. После охлаждения пленка проходит тянущие валки 5, устройство для обрезания кромок и поступает в намоточное устройство 6.

Рисунок 4- Агрегат для производства плоских пленок 
 
 

Кроме охлаждения пленки в ванне применяют  несколько разновидностей охлаждения на барабанах. В этом случае полотно, выходящее из формующей щели головки вертикально вниз, поступает на охлаждаемый металлический барабан (метод полива на барабан, как показано на рисунок 4.2) или на первый приемный валок системы из трех охлаждающих валков (рисунок 4.3).

Скорость  изготовления плоских пленок достигает  сотен метров в минуту. Поэтому для их намотки используют устройства с автоматической перезаправкой пленок с рулона на бобину.

Плоскощелевые головки по способу подвода расплава к формующей щели можно разделить на два типа: коллекторные головки, в которых расплав подводится к формующей щели через канал-коллектор, и головки равного сопротивления, в которых выходящий из экструдера расплав непосредственно растекается по щелевому каналу.

Основная  трудность, встречающаяся при конструировании  плоскощелевых головок, состоит  в обеспечении постоянного расхода расплава по всему фронту щелевого канала. Расплав, поступающий из экструдера в коллектор головки, проходит на пути к разным местам формующей щели различные расстояния. В результате этого давления вдоль фронта формующей щели распределяются неравномерно, что приводит к неодинаковому объемному расходу на разных участках щели и, как следствие, к возникновению поперечной разнотолщинности пленки.

Для устранения разнотолщинности используют локальные  регулируемые сопротивления (дроссели). Применяют также и локальное изменение толщины щели при помощи упругодеформирующихся губок и, наконец, используют местную корректировку температуры.

Коллекторная  плоскощелевая головка (рисунок 5) состоит  из адаптера 10 с фильтрующим элементом 11 корпуса 3, профилирующих губок 4 и 6. Расстояние между губками регулируется при помощи винтов 2 и 7. Обогрев головки осуществляется шестью или более нагревателями сопротивлений, причем четыре нагревателя 1 установлены вдоль щели, а два (12 и 13) — на теле адаптера 10 и соединительного патрубка 9. Контроль температуры производится при помощи термопар 8. Ширину экструдируемого полотна регулируют штырями 5, которые свободно перемещаются со стороны боковых щек, запирая часть формующей щели.

Рисунок 5- Коллекторная плоскощелевая головка

Головка равного сопротивления (рисунок 6) состоит  из корпуса 1, в котором монтируются губки 2 и 3. Губка 2 крепится к корпусу неподвижно, в то время как положение губки 3 можно регулировать установочными винтами 4 для получения пленки постоянной толщины. Канал, подводящий расплав, состоит из двух частей: широкого участка А, по которому расплав обтекает всю головку, и узкого подводящего канала В, длина которого подбирается таким образом, чтобы давление перед формующей щелью было одинаково по всей ширине щели. Для подсоединения головки к экструдеру служит фланец 5, который крепится к фланцу 6 корпуса экструдера при помощи откидных болтов 9. Нагнетаемый шнеком 7 расплав проходит через фильтр 8, буферные каналы А я В я выдавливается через формующую щель С. [1]

Рисунок 6- Головка равного сопротивления

1.3 Метод оптимизации

При разработке программного комплекса мы использовали уже готовую подсистему оптимизации. В данной подсистеме оптимизации для поиска оптимальных значений используется комплексный метод Бокса

Комплексный метод Бокса

Этот  метод представляет модификацию  симплексного метода и предназначен для решения задачи нелинейного программирования с ограничениями-неравенствами. Для минимизации функции n переменных f(x) в n-мерном пространстве строят многогранники, содержащие q п+1 вершин. Эти многогранники называют комплексами, что и определило наименование метода.

Введем  следующие обозначения:

х[j, k] (х₁[j, k], …, х_i[j, k], …, х_n[j, k])^T,

где j 1, ..., q; k 0, 1, 2, ... - j-я вершина комплекса на k-м этапе поиска;

х[h, k] - вершина, в которой значение целевой функции максимально, т. е. f(x[h, k]) max{f(x[l, k]), ..., f(x[q, k])}; x[h, k]- центр тяжести всех вершин, за исключением х[h, k] . Координаты центра тяжести вычисляются по формуле

, i l, ..., n.

Алгоритм  комплексного поиска состоит в следующем. В качестве первой вершины начального комплекса выбирается некоторая допустимая точка х[1, 0]. Координаты остальных q-1 вершин комплекса определяются соотношением