Анализ методов и устройств для оптимизации, контроля параметров, корректировки режимов и управления процессом вулканизации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Rozhin, Sergey Pavlovich - Postgraduate student, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.

Scorobogatova, Anna Yurievna - Postgraduate student, Department of Automatic Control Systems, Tver State Technical University.

Osipov, Yury Romanovieh - Russia's Honored Scientist, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.

УДК 536.21

С.Ю. Осипов, А.Ю. Скоробогатова, Ю.Р. Осипов, Н.В. Потапов

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ, КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ, КОРРЕКТИРОВКИ РЕЖИМОВ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВУЛКАНИЗАЦИИ

S.Y. Osipov, A.Y. Skorobogatova, Y.R. Osipov, N.V. Potapov

THE ANALYSIS OF METHODS AND INSTRUMENTS FOR THE OPTIMIZATION, PARAMETERS CONTROL AND CORRECTION OF VULCANIZATION PROCESS

REGIMES AND CONTROL

В статье дан анализ методов и устройств оптимизации, контроля параметров, корректировки режимов и управления процессом вулканизации изделий, определено температурное поле листового резинометаллического изделия при вулканизации обкладок в псевдоожиженном инертном теплоносителе.

Термообработка, вулканизация, температурное поле, кривые распределения температуры, гуммировочное покрытие.

The paper presents the analysis of optimization methods and instruments, parameters control, correction of regimes and control of the vulcanization process of products. The temperature field of sheet rubber-metal product is determined at vulcanization of facings in pseudo-liquefied inert heat carrier.

Heat treatment, vulcanization, temperature field, temperature distribution curves, rubberized covering.

Управление технологическим процессом на базе его математического моделирования сводится, как правило, к его постоянной корректировке по эталону, заранее оптимизированному [2].

Оптимизация может производиться эмпирически, на основе опыта освоения технологического процесса либо на основе математических методов, позволяющих определить оптимальные условия проведения процесса в соответствии с выбранным критерием оптимизации [3], [4].

Следует различать оптимизацию процесса на стадии разработки технологического режима вулканизации гуммированных изделий и при его реализации на оборудовании. Так, вначале по выбранному критерию с учетом технологических ограничений и возмущающих параметров разрабатывается оптимальный режим вулканизации изделия, т.е. определяются оптимальные управляющие параметры. Затем при реализации этого режима на оборудовании в числе входных, контролируемых параметров возникают отклонения, влияние которых должно быть устранено управляющими воз-

действиями, вырабатываемыми на базе моделирования процесса и соответствующими выбранной постановке задачи и экстремуму критерия оптимизации.

В настоящее время широкое распространение получила оптимизация режимов вулканизации на оборудовании путем моделирования процесса по его фактическим параметрам, основанная на минимизации разности ояг, т.е. в момент времени твулк, когда текущий показатель ¿лим(т) становится большим или равным заданному 01ТГ эталонному для конкретной резиновой смеси, процесс вулканизации завершается.

Характерные особенности методов, осуществляемых соответствующими системами на вулка-низационном оборудовании:

¡.Выходным параметром является (т) -степень вулканизации на лимитирующем продолжительность процесса участке изделия.

2. Управляющим воздействием будет твулк -

продолжительность процесса.

3. Для различных систем входные параметры могут быть представлены:

- динамическим модулем резиновой смеси вулканизуемого изделия;

- температурой на лимитирующем участке изделия CmW;

- теплофизическими характеристиками, граничными и начальными условиями, геометрическими размерами моделируемого объекта.

Основными возмущающими параметрами, обусловленными конструктивным исполнением систем, являются:

- погрешности измерения динамического модуля на лимитирующем участке изделия;

- погрешности измерения датчиком температуры, внедряемые в изделие;

- отклонения в вулканизационных характеристиках.

Анализ этих характерных особенностей показывает, что общими являются выходные S™M (т) и управляющие твулк параметры. Основное же различие заключается во входных и возмущающих параметрах.

Разработка технологических режимов вулканизации связана с учетом возможных в конкретных условиях колебаний параметров процесса. В режим закладывается некоторый резерв по продолжительности процесса, обусловленный влиянием на него целого ряда конструктивных и технологических параметров.

Существенным моментом, влияющим на корректность работы всей системы, является выбор контрольного показателя физико-механических свойств резиновой смеси, по которому осуществляется управление режимом вулканизации.

С этой целью была исследована кинетика неизотермической вулканизации эбонитов 1752 и 1814 и резиновой смеси 2566 по показателям прочности связи при расслаивании слоев покрытий трас, по прочности связи с металлом при отрыве о0тр, по сопротивлению сдвигу обкладок 0СДВ, а также по содержанию свободной серы.

Для экспериментального определения температурного поля листового резинометаллического изделия при вулканизации обкладок в псевдоожи-женном инертном теплоносителе и методом простой конвекции измерением температуры одновременно в нескольких точках объема эластомера была создана установка периодического действия.

Воздух поступал от воздуходувки в трубчатую электропечь общей мощностью 20 кВт, подогре-

тый до заданной температуры, направлялся далее в реакционную камеру для создания заданного теплового и гидродинамического режима вулканизации. Для поддержания в реакционной камере условий, близких к изотермическим, проводили дополнительный обогрев стенок от электронагревателей. Для более точного регулирования использован электронагреватель мощностью 2,0 кВт, установленный в дутьевой коробке.

В качестве инертного мелкозернистого материала использовали шлаковые шарики диаметром

КГ

0,5 - 1,5 мм, плотностью 2800 —.

м

Резинометаллический образец закрепляли в рамке и устанавливали на определенной высоте в реакционной камере, где его подвергали термообработке при заданной температуре в течение определенного времени. Изменение температуры в массиве резиновой обкладки, в стальном слое и окружающей среде контролировали электронными потенциометрами типа КСП. Измерение температур производили с помощью хромель-копелевых термопар ХК. Продолжительность испытаний определяли временем достижения установившегося теплового состояния, когда температуры во всех контролируемых точках стабилизировались.

На рис. 1 и 2 приведены кривые распределения температуры в резинометаплическом образце с обкладкой марки 1814 + 2566 на основе НК + СКВ. Установившийся тепловой режим наступал через 1740 с.

По всем показателям кинетику определяли через 5 К в интервале температур от 413 до 428 К. Полученные данные, обработанные статистическими методами, представлены на рис. 3. Величины показателей выражены в относительных еди-5 -51

ницах =-—, где 5 - текущее, 5а - мини-

мальное, - максимальное значения показателя.

Процесс вулканизации гуммировочных покрытий лимитировался кинетикой вулканизации резиновой смеси в наименее прогреваемой зоне - между стальной подложкой и слоем полимера. На рис. 3 изображен характер формирования показателей прочности при расслаивании, отрыве и сопротивлении сдвигу (кривые 1 - 3) и содержание свободной серы (кривая 5) в неизотермических условиях для резиновых смесей 1752, 1814 и 2566.

Для удобства сравнения кинетических кривых показатель эквивалентного времени выражен, как и остальные, в относительных единицах.

Как видно, максимум из кинетических кривых неизотермической вулканизации по каждому из свойств достигается в разные моменты времени. Однако в последнюю очередь своего максимального значения достигал показатель сопротивления

сдвигу. Эта закономерность наблюдалась для всех резиновых смесей.

Для эбонитов 1752 и 1814 продолжительность индукционного периода процесса вулканизации больше, чем для резины 2566, а скорость роста уровней для всех показателей меньше.

Из проведенных исследований ясно, что показатели степени вулканизации, в том числе и эквивалентное время, формируются различным образом. В работе [1] сформулировано следующее правило выбора кинетических кривых для контроля степени вулканизации резин при автоматической корректировке режимов: из комплекса свойств выбираются свойства, быстрее достигающие оптимальных значений и недлительно сохраняющиеся в оптимуме (чувствительные к реверсии) - для участка изделия, на котором имеется опасность перевулканизации, и свойства, наименее быстро достигающие оптимума вулканизации - для участка изделия, нагревающегося медленно, который может оказаться недовулканизованным.

Таким образом, для рассмотренных объектов на основе анализа кинетики неизотермической вулканизации для наименее прогреваемых участков лимитирующим продолжительность процесса свойством является содержание свободной серы в обкладках. По этому показателю должно быть уточнено и эталонное значение эквивалентного времени при осуществлении автоматической корректировки режимов вулканизации гуммировоч-ных покрытий. Кроме того, из приведенных данных следует, что точность работы системы автоматической корректировки процесса должна возрастать при вулканизации марок резин, у которых продолжительность индукционного периода мень-

ше, а скорость роста кинетики вулканизации больше.

Достижение оптимального уровня свойств, формируемых при вулканизации, снижение числа изделий пониженной сортности, исключение брака из-за недовулканизации изделий, а также уменьшение средней продолжительности цикла вулканизации гуммированных изделий определяется автоматической корректировкой режимов вулканизации.

При автоматической корректировке режимов вулканизации блоки определения температур, степени вулканизации и сравнения заданного и текущего показателей должны работать безынерционно, в темпе с процессом. При этом в контролируемых участках изделия выбираются лимитирующие свойства, медленно достигающие оптимальных значений на плохо прогреваемых участках.

Тепловой процесс вулканизации покрытий гуммированных изделий может быть смоделирован на ЭВМ, например, при помощи метода конечных разностей или метода конечных элементов. Результатом моделирования является температурное поле.

Для заранее выбранной узловой точки сеточной модели, лимитирующей процесс, система корректировки режимов вулканизации по определяемой зависимости Т(х) рассчитывает интенсивности вулканизации /, эффекты вулка-

низации Е= |/с/т и эквивалентные времена

т, К

-4-й слой (э)

- 3-й стой (э)

- 2-й слой (э) —- - 1-й слой (э) □ - 4-й слой (м) с - 3-й слой (м) ,'.л -2-йслой{м) х -1-й слой (м)

t- 10 ,с

Рис. 1. Кинетические кривые теплового режима прогрева покрытия марки 1814 (СКБ) + 2566 (НК + СКБ) при 5ст = 4 мм

— -еос(э)

— -1 ао о (э)

— - 300 о (э)

— - 480 с (э)

— - 600 с (э)

— - 720 с (э)

- 840 с (э)

— - - 1 740 О (Э)

о - 60 с (м)

о -180 с (м)

л - 300 с (м)

X - 480 с (м)

- 600 с (м)

-720с(м)

6 5„п , мм

Рис. 2. Кривые распределения температуры в покрытии марки 1814 (СКБ) + четыре слоя 2566 (НК + СКБ) при 5СТ = 4 мм, Тс = 418 К

К К

\ / / 3 -0--1 ч>-2

{

/ М \

Г I

1800 2700 3600 4500 т, (с)

18Q0 2700 3600 4500 т, (с)

Рис. 3. Кинетика неизотермической вулканизации эбонитов 1814 (а), 1752 (б) и резины 2566 (в) по различным относительным показателям:

1 - по жесткости связи при расслаивании; 2 - по прочности связи с металлом при отрыве; 3 - по сопротивлению сдвигу; 4 - по эквивалентному времени; 5 - по содержанию свободной серы

т,

J/б/т

S(x) = --, где Е - эффект вулканизации за еди-

Ео

ницу времени при постоянной температуре, для которой подсчитывается S(x). Текущий показатель степени вулканизации сравнивается с заданным Som, и при их равенстве процесс вулканизации завершается.

Список литературы

1. Баденков, П. Ф. Достижения и перспективы исследования в области вулканизации как теплового процесса /

П.Ф. Баденков, А.И. Лукомская, В.А. Ионов; под ред. П.Ф. Баденкова // Технологические проблемы повышения эффективности вулканизационных процессов и качество шин: сб. науч. трудов.-М., 1978.-С. 15 - 30.

2. Осипов, Ю.Р. К вопросу о расчете температурного поля гуммированных изделий / Ю.Р. Осипов, А.Н. Швецов, A.A. Аваев. -М, 1981. - Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш 15.10.81, №766.

3. Осипов, Ю.Р. Моделирование и оптимизация процесса вулканизации в АСУ ТП горячего крепления эласто-мерных покрытий / Ю.Р. Осипов, В.Г. Сулоев, П.В. Буте-нин // Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП: материалы III Всесоюз. конференции. -Тула: ТПИ, 1987. - С. 119 - 120.

4. Осипов, Ю.Р. Режимы вулканизации и прогнозирование свойств гуммировочных покрытий / Ю.Р. Осипов. -Вологда, 1992.

Осипов Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента Тверского государственного технического университета, докторант Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8 (4822)44-33-90; 8-910-533-46-66.

Скоробогатова Анна Юрьевна - аспирантка кафедры АСУ Тверского государственного технического университета.

Осипов Юрий Романович - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.

Потапов Николай Васильевич - студент Вологодского государственного технического университета.

Osipov, Sergey Yurievich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Management, Tver State Technical University, Cherepovets State University Doctorate.

Tel.: 8 (4822) 44-33-90; 8-910-533-46-66.

Scorobogatova, Anna Yurievna - Postgraduate student, Department of Automatic Control Systems, Tver State Technical University.

Osipov, Yury Romanovich - Russia's Honored Scientist, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.

Potapov, Nikolay Vasilevich - student, Vologda State Technical University.

УДК 621.793

Ю.Р. Осипов, A.A. Немировский

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ С ГОРЯЧИМ ТУГОПЛАВКИМ

ГРАФИТОВЫМ АНОДОМ

Y.R. Osipov, A.A. Nemirovskiy

THE ANALYSIS OF HEAT EXCHANGE PROCESS INFLUENCE ON THE FORMATION OF THIN-FILM METAL COVERINGS PROPERTIES IN THE VACUUM ARC WITH THE HOT REFRACTORY GRAPHITE ANODE

В статье проанализированы теплообменные процессы при изготовлении тонкоплёночных металлических покрытий в вакуумной дуге с тугоплавким графитовым анодом. Исследования проводились с использованием двумерной модели процесса