Оптимизация экструзионного процесса шинопроизводства применением частотно-регулируемого электропривода

Актуальность темы

Ускоренное развитие автомобилестроения в последние годы сопровождается многократным увеличением автомобильных шин и резинотехнического сырья для их изготовления. Производство данного вида продукции осуществляется в условиях жесткой рыночной конкуренции между отечественными и зарубежными производителями. Участие в этом процессе одного из ведущих изготовителей автомобильных шин в нашей стране, каким является ОАО «Нижекамскшина», требует повышения качества продукции на всех стадиях производства и, особенно, как показывает анализ, на этапах поточного изготовления резинотехнических полуфабрикатов (РТП). Необходимость повышения качества РТП обуславливается особыми условиями эксплуатации автомобилей новой конструкции, особенно так называемых «внедорожников», а также общим повышением скорости движения, грузоподъемности и проходимости автотранспорта.

Одним из важнейших технологических узлов производства РТП служат поточные линии по изготовлению боковин и протекторов автомобильных покрышек. Главным звеном в технологическом цикле этих линий служат червячные машины (экструдеры), осуществляющие перемешивание резинотехнической массы с последующим ее формообразованием путем выдавливания (шприцевания) через специальные фильерные отверстия. Происходящий таким образом процесс шприцевания должен отвечать высоким требованиям к структурной и температурной однородности и скорости технологической массы в рабочей зоне экструдера. Несоблюдение технологического регламента приводит к браку в виде «неустойчивого течения», дробления экструдата", и т. д.

Традиционный способ вращения червячных машин предусматривает применение трансмиссионных нерегулируемых приводов или, в редких случаях электроприводов постоянного тока. Однако, многолетний опыт эксплуатации данных механизмов убеждает в невозможности построения на их основе современного конкурентоспособного производства. Анализ технологического процесса показывает, что способом доведения качества РТП до уровня общепринятых мировых стандартов служит поддержание постоянства скорости продвижения и давления шприцуемой смеси в выходной зоне экструдера. В условиях поточного производства задача усложняется необходимостью получения целого ряда значений указанных параметров, каждый из которых требуется для выпуска того или иного вида полуфабриката. Указанное требование, наряду с поддержанием высокой производительности при минимальном энергопотреблении составляет основную задачу технологической оптимизации экструзионного процесса.

При выборе того или иного типа регулируемого электропривода в цехах производства автошин необходимо учитывать наличие агрессивной среды в виде выделяющейся мелкодисперсной токопроводящей сажи. Это предполагает применение бесконтактных машин и, прежде всего, асинхронных короткозамкнутых двигателей (АД) в составе частотно-регулируемых электроприводов.

При выборе того или иного варианта частотно-регулируемого электропривода предполагается исходить из полученных в процессе оптимизации экструзионного процесса результатов анализа, выводов, рекомендаций и корректив. Многовариантность предлагаемых решений объясняется технологическими различиями при производстве того или иного вида полуфабриката. Неодинаковость химического состава перерабатываемых полимерных смесей, рабочих температур и скоростей шприцевания, обуславливают различный характер оптимального регулирования скорости и момента на валу приводного двигателя. Предварительно проведенные экспериментальные исследования указывают на наличие в механических характеристиках привода экструдера, как участков постоянства мощности, так и участков постоянства момента. Критериями при выборе той или иной структуры электропривода и оптимального закона поддержания скорости, момента и давления смеси на выходе послужили минимальные отклонения ее качественных параметров, максимум производительности при ограничении уровня энергопотребления.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы явилась оптимизация экструзионного процесса шинопроизводства применением частотно-регулируемого электропривода экструдеров, обеспечивающая повышение производительности и качества резинотехнических полуфабрикатов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: — изучение физических основ процесса экструзии, позволяющих выяснить зависимость качественных показателей продукта (отклонений геометрических размеров и механических свойств) от влияния управляемых координат системы электропривода (частоты вращения и электромагнитного момента) и возмущающих воздействий в виде колебаний рабочей температуры, вязкости и давления смеси на выходе);

— получение математической модели процесса экструзии в виде аналитических зависимостей и построенной на их основе структурной схемы комплекса «электропривод — экструдер — продукт» методами теории автоматического управления;

— проведение параметрической оптимизации технологического процесса экструзии, включающее в себя следующие этапы: а) выбор исходных данныхб) определение варьируемых параметров и пределов их измененияв) установление критериев оптимизацииг) выбор метода оптимизации и получение на его основе алгоритмов управления электроприводом;

— разработка наиболее перспективных вариантов электропривода для выпуска того или иного вида полуфабрикатов;

— проведение компьютерного моделирования и проверка результатов исследований с помощью цеховой опытно-промышленной установки.

Экспериментальные исследования проведены на действующей экструзионной установке МЧТ-250 в составе поточной линии ИРУ-16Б сборочного производства ОАО «Нижнекамскшина» г. Нижнекамск.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использован математический аппарат анализа и синтеза систем автоматического управления, в том числе метод параметрической оптимизации на основе поиска экстремальных значений целевой функции. При экспериментальной проверке производилось сравнение результатов имитационного компьютерного моделирования и экспериментального исследования испытаний опытно-промышленной установки.

Достоверность и обоснованность сделанных в работе рекомендаций и выводов подтверждается качественным и достаточно близким количественным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также успешной эксплуатацией внедренной системы электропривода на поточной линии производства протекторов ИРУ-16Б, ОАО «Нижнекамскшина».

Научная новизна работы.

1. Предложена математическая модель процесса экструзии промышленно-резиновых смесей, на основе которой разработана математическая модель и структурная схема системы автоматического управления данным процессом с помощью электропривода в статическом и динамическом режимах работы.

2. Проведен глубокий анализ технологии экструзии полимеров, на основании которого определены причины появления дефектов РТП и сформулированы технологические требования к экструдеру. Предложен способ повышения качества РТП за счет стабилизации давления расплава в формующей головке экструдера.

3. Получены результаты параметрической оптимизации процесса экструзии, представленной в виде алгоритма поиска экстремума целевой функции (метод Quasi — Newton), обеспечившей наилучшее сочетание высоких показателей качества продукта и производительности машины в условиях ограниченного энергопотребления.

4. Разработана структурная схема технологического комплекса «электропривод-экструдер-продукт», отражающая взаимодействие резинотехнической смеси и рабочих органов экструдера с помощью таких понятий теории автоматического управления, как динамические звенья, внутренние обратные связи, их передаточные функции и частотные характеристики;

5. Разработаны схемные и алгоритмические решения, отличающиеся тем, что позволяют осуществить синтез асинхронного электропривода экструдером с внешней обратной связью по давлению технологической смеси в зоне фильерного отверстия на основе частотно-токового и векторного принципов управления с применением силовых запираемых вентилей.

Практическая ценность работы состоит в разработанных моделях систем в программной среде МайаЪ 9, в разработанной программе поиска экстремума целевой функции процесса экструзии при решении задачи параметрической оптимизации в среде МшксаЛ-Рг (фхъюпа1- в графических результатах исследований процесса экструзиипредложенной системе векторного управления электроприводом экструдера, предложенной схеме двухзвенного преобразователя частоты с транзисторно-конденсаторным демпфирующим устройством защиты от перенапряжений на ключах инвертора, обеспечивающего электромагнитную совместимость с питающей сетьюприведенной методике определения установившихся значений переменных состояния частотно-токовой системы управления электропривода в составе системы регулирования давления выходной смеси экструдера.

На защиту выносятся:

— математическая модель комплекса «электропривод-экструдер-продукт» на основе гидродинамической теории экструзии полимеров и положений теории электропривода в «-мерном пространстве переменных состояния;

— методика оптимизации технологического процесса экструзии в направлении повышения качества продукта за счёт поддержания постоянства давления в рабочей зоне экструдера применением высокопроизводительных систем электропривода переменного тока, работающих в условиях ограничений на энергопотребление;

— методика настройки регуляторов электропривода и обеспечения устойчивого режима экструзии с учётом физико-химических процессов в полимерной смеси в результате механического воздействия со стороны рабочего вала червяка;

— принципиальные схемы разработанных электроприводов с частотно-токовым и векторным управлением на основе двухзвенных преобразователей частоты, отвечающих условиям электромагнитной совместимости применением на сетевом входе активного выпрямителя и автономного инвертора тока на запираемых вентилях в цепях статорных обмоток асинхронного электродвигателя.

Реализация результатов. Диссертационная работа выполнена по итогам НИР и ОКР, проводившейся при участии автора на предприятии «Нижнекамскшина». В процессе этих работ автором были произведены расчёт, изготовление и настройка регулятора давления в составе обновлённого частотно-регулируемого электропривода червячной машины МЧТ-250 поточной линии ИРУ-16Б. Указанный электропривод прошёл опытно-промышленные испытания и принят к эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на V Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» в г. Казань, 2010 г., XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» в г. Томске, 2010 г., V Международной научно-практической конференции по автоматизированному электроприводу в г. Тула, 2010 г, VI Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» в г. Казань, 2011 г., XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в г. Томске, 2011 г. IX Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» в г. Чебоксары, 2011 г., на ежегодных научно-технических конференциях аспирантов и преподавателей в Ульяновском государственном техническом университете в г. Ульяновске в 2009;2011 г. г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 публикациях (в 8 трудах конференций, 2 статьях, в описании 2-х изобретений), в том числе 3 -х изданиях, утверждённых списком ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 200 страниц, в том числе 74 рисунка, список литературы из 107 наименований и приложения на 35 страницах.

Основные результаты и выводы по диссертации.

1. Изучены физико-химические характеристики процесса экструзии, выявлены основные причины влияющие на качество экструдируемых изделий позволяющее выяснить зависимость качественных показателей продукта (отклонений геометрических размеров и механических свойств) от влияния на них управляемых координат электропривода (частоты вращения и электромагнитного момента), а так же возмущающих воздействий в виде колебаний рабочей температуры, вязкости и давления смеси на выходе.

2. На основе гидродинамической теории разработана математическая модель процесса шприцевания. Анализ представленной модели и экспериментальных исследований позволил сформулировать требования к работе экструдера и определить возможности повышения качества деталей шин путем поддержания постоянства давления и производительности машины путем управления скоростью и моментом вращения червяка экструдера.

3. Для отыскания оптимального режима экструзии сформулирована и решена многокритериальная задача параметрической оптимизации процесса шприцевания, предусматривающая выбор исходных данных, определение варьируемых параметров и пределов их изменения, установление критериев оптимизации, выбор метода оптимизации и получение на его основе алгоритмов управления электроприводом.

4. Разработана структурная схема технологического комплекса «электропривод-экструдер-продукт», с учетом специфики технологии шприцевания, на основе которой проведен анализ устойчивости экструдера как нелинейного объекта управления графоаналитическим методом точечных преобразований. Получены передаточные функции узлов экструдера как объекта автоматического управления, которые явились основой задачи синтеза системы автоматического управления электроприводом экструдера.

5. Обоснован выбор типов частотно-регулируемых электроприводов, в зависимости от эксплуатационных характеристик экструдера и графиков механических нагрузок рабочего органа шприцмашины. Определено, что наиболее приемлемой для универсальных экструдеров, производящих протекторные заготовки и боковые ленты, является система асинхронно-частотного регулирования электропривода на основе векторного управления. Для экструдеров, перерабатывающих высоковязкие смеси наиболее предпочтительна — система частотно-токового управления АД.

6. Разработаны системы управления электроприводов на основе АИН и АИТ, произведен синтез регуляторов в системах подчиненного регулирования координат трехконтурной САУ экструдера методом логарифмических частотных характеристик. В результате компьютерного имитационного моделирования синтезированных систем получены графики переходных процессов в разработанных САУ, полностью отвечающие технологическим требованиям работы экструдера.

7. Предложена новая схема частотно-токового электропривода с оригинальным решением силовых цепей на основе преобразователя частоты на запираемых вентилях и транзистроно-конденсаторного демпфирующего устройства. Показано, что разработанная схема позволяет упростить систему частотно-токового управления введением демпфирующего устройства на основе одного полярного конденсатора, а также удовлетворить требованиям электромагнитной совместимости приданием сетевому току квазисинусоидальной формы.

8. По итогам проведенных в работе исследований были произведены расчёт, изготовление и настройка регулятора давления в составе обновлённого частотно-регулируемого электропривода червячной машины МЧТ-250 поточной линии ИРУ-16Б. Данный электропривод прошёл опытно-промышленные испытания и принят к эксплуатации, что подтверждается актом о внедрении.

9. Результаты исследований протекторных заготовок после проведенной модернизации электропривода шприцмашины МЧТ-250 подтвердили, что внедрение предложенных разработок позволило стабилизировать производительность экструзии, устранить флуктуации частоты вращения вращения червяка, добиться регламентированных размеров профилированных заготовок, а также исключить появление дефектов продукции, наблюдавшихся до модернизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.