Система автоматизированного проектирования непрерывных процессов термообработки материалов с полимерным покрытием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Система автоматизированного проектирования непрерывных процессов термообработки материалов с полимерным покрытием

■ С.Ю. ОСИПОВ - доцент кафедры менеджмента Тверского государственного технического университета, кандидат технических наук, докторант Череповецкого государственного университета;

Ю.Р. ОСИПОВ - профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации;

О.В. ЛЕВЫКИНА - аспирант кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета; С.В. ВОЛКОВА - соискатель кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета

В статье на основе рассмотренных решений предложены математические модели и инженерные методики расчета непрерывных процессов термообработки рулонных материалов с полимерным покрытием. Разработано информационное и математическое обеспечение САПР, программно реализованы предложенные инженерные методики расчета.

Ключевые слова: математическая модель; внутренний теплоперенос; вулканизация; покрытие на тканевой основе; полимер; зона активного теплового воздействия; предварительный нагрев

В последние десятилетия бурными темпами идет развитие автоматизации деятельности человека в сферах научного исследования, проектирования и конструирования с целью повышения производительности и эффективности труда. Автоматизация проектирования невозможна без создания соответствующих информационно-вычислительных систем с обширной базой данных из готовых модулей и моделей физических и химических явлений, процессов, аппаратов и механизмов. Система автоматизированного проектирования (САПР) не может полностью автоматизировать проектирование сложных в математическом описании тепловых процессов, протекающих при тепловой вулканизации рулонных материалов с полимерным покрытием, и используемого для этого вулканиза-ционного оборудования. САПР в промышленной теплоэнергетике функционирует как помощник инженеров-конструкторов, проектантов, которому можно поручить разработку вариантов решений поставленной задачи и их оценку, поиск новых конструктивных сочетаний, проработку детализированных чертежей и т.п.1

Очевидно, что для интенсификации и оптимизации производства необходимо применять такие методы термообработки рулонных материалов с полимерным покрытием, которые позволят получить готовое изделие с требуемыми физическими и техническими свойствами за предельно короткое время и с меньшими затратами. Так как точные расчеты, производимые с учетом всех факторов (внутренние источники теплоты, подвижность границ и др.), доста-

точно трудоемки, то целесообразно разделять расчетную стадию проектирования механизмов вулканизации на несколько этапов. Сначала на упрощенных моделях исследуется необходимое число вариантов режимов и делается предварительный выбор наиболее подходящих из них, а затем применяются уточненные расчеты с целью выбора оптимального варианта2.

Одним из возможных и сравнительно новых методов высокотемпературной вулканизации рулонных материалов с полимерным покрытием как на металлической, так и на тканевой основе является использование аппаратов с организованным псевдоожиженным слоем инертного зернистого материала. Для промышленной реализации данного способа и достижения необходимых качественных показателей обрабатываемого материала необходимо создание однородного, стабильного, организованного псевдоожиженного слоя с параметрами, постоянными в течение всего времени обработки. Последнее предполагает применение специальных тормозящих элементов, обеспечивающих в совокупности с полидисперсным составом частиц инертного зернистого материала, равномерной подачей ожижающего агента по сечению реакционной камеры и ее геометрией, использованием тэнов для создания переменного температурного слоя по высоте камеры образование относительно однородного псевдоожиженного слоя. При непрерывной термообработке рулонных материалов с полимерным покрытием на тканевой основе возможно использование вулканизационных многокамерных аппаратов с

активным гидродинамическим режимом (АГР). В работах, в которых рассматривались вышеперечисленные способы термообработки, затрагиваются отдельные аспекты задач проектирования технологических процессов и аппаратов, но отсутствует объединяющая методика их инженерных расчетов3.

Нами прежде рассматривались основные теоретические модели, описывающие механизм теплообмена между поверхностью и псев-доожиженным слоем инертного зернистого теплоносителя4. Было предложено решение нестационарной задачи линейной теплопроводности для движущегося в переменном по высоте температурном поле рулонного материала, представленного в виде двухслойной системы - полимер-тканевой основы, при условии неидеального контакта между слоями методом конечных интегральных преобразований5. Введен ряд допущений.

Задача формулируется следующей системой уравнений и краевых условий:

- для слоя полимера:

а г,

д2Т,

О X

- для слоя ткани:

а также начальные условия:

,

где Т - температура: а - коэффициент температуропроводности; к - коэффициент теплопроводности; а - коэффициент теплоотдачи; 8 - толщина; х - координата; т - время.

Выполнив решение задачи, получим температурные поля в обоих слоях:

высоте аппарата значения коэффициента теплообмена а между теплоносителем и материалом, мы выполнили численное решение поставленной задачи. Результаты решения были сравнительно оценены с экспериментальными данными. Среднеквадратичное отклонение расчетных значений от экспериментальных данных составило ~7%.

Процесс теплообмена при непрерывной вулканизации различных материалов с использованием активного гидродинамического режима рассматривается как термокинетический, протекающий последовательно в несколько лимитирующих стадий: прогрев материала от температуры Т0 до температуры начала вулканизации; неизотермическая вулканизация, протекающая параллельно с продолжающимся нагревом материала до температуры среды Тс; изотермическая вулканизация. Деление процесса на стадии выполнялось условно, в модели были введены общепринятые предпосылки и упрощения6.

Обрабатываемый многослойный материал заменяется «эквивалентной пластиной» путем оценки коэффициентов тепловой активности слоев резиновой смеси и тканевой основы:

[аГ

р — -

где 8 - порозностьслоя.

Пои удовлетворении условия (4) имеем аэ = ат > К > = 5», +8- !ап, (индексы: см - резиновая смесь, тк - тканевая основа, э - «эквивалентная пластина»).

Процесс нагрева на первой стадии представлен в виле:

дГ(х,т) 82Г(х,т),

-- = а1- 2—

д х д х

Краевые условия задачи имеют вид:

аг(о,т)

„ $, 8,

т > О;--— < л: < -

2 2

-X

.

дх

дх

[7;-Г(§э/2,т)]=0

1

Щ0

51П|1

,

2)

V"!

V V

сог-

Температурное поле материала на первой стадии процесса:

После выполнения математических преобразований окончательно получаем искомое выражение для теплового потока между слоями в виде интегрального уравнения Вольтерра второго рода с заданным контактным сопротивлением Я :

(3)

Аналитическое решение уравнения (3) в инженерных задачах теплопроводности трудноосуществимо. Взяв за основу переменные по

!53/2

а время ее протекания после численной оценки величин Ап и ^ рассчитывается следующим образом: " "г л],

т (м.^тм] (6)

где % = Т Т° - безразмерная температура,

критерий Фурье.

Температура, соответствующая окончанию первой стадии, принимается равной 393 К.

На второй стадии процесса исходная система уравнений имеет вид:

,

дх

- = а

дх2

^et Ре«

где Чм - источниковый член, а краевые условия:

1-4 oosj-m^lexpC-m'F )

х A eos

f \ ■ *

V

5э/2

ехр fa-В')' аГ<°'т>

дх

(7)

где в = ^ ~ критерий Померанцева,

(б»'2)- критерий Предводителева,

я =

в =

•fr-т,)

= - - 1 ) .

~ (5э/2У

, T(x,z У Г0,0) ^

ш.

+ С' ехр

" И,'

Ш.

■&-&П

7=ехр["А-„(с-т1,2)}

.

ства каналов в нагревательной и вулканизаци-онной камерах, габаритов камер аппарата.

Время окончания второй стадии т2 определяется уравнением:

Третья стадия продолжается от момента достижения материалом температуры Г, до окончания вулканизации. Длительность стадии т3. Процесс вулканизации протекает практически в изотермических условиях Т=Тс=const.

Уравнение вулканизации будет иметь вид:

где ки - константа скорости вулканизации; е- относительный модуль вулканизации; в - значение модуля в текущий момент времени; -максимальное значение модуля; - минимальное значение модуля.

Время третьей стадии термообработки можно получить из уравнения:

(9)

Изменение температуры обрабатываемого материала рассчитано численным методом по описанной методике (рис. 1). С помощью формул (5-9) определены конструктивные особенности аппарата с активным гидродинамическим режимом, приведена методика расчета количе-

Рис. 1. Изменение температуры обрабатываемого материала при коэффициентах теплообмена а = 1 00 Вт/(м2-К) (кривая 1)и а. = Вт/(м2-К) (кривая 2)

Задачи на проектирование технологического оборудования определяются прежде всего техническим заданием, которое выдается разработчику и устанавливается заказчиком в соответствии с его собственными требованиями. Применительно к многослойным рулонным материалам с полимерным покрытием техническое задание включает в себя эксплуатационные характеристики материала и комплекс требований, предъявляемых к готовой продукции. Готовая продукция после термообработки должна удовлетворять ряду физико-механических и специальных свойств, регламентируемых соответствующим стандартом. Техническое задание на проектирование содержит также требования, предъявляемые к технологическому оборудованию.

Первым является требование по производительности, вторым - требование к габаритам установки, поскольку ограничивающим фактором является размер производства. Имеет значение и технология нагрева теплоносителя - горячего воздуха: либо с помощью паровых и электрических калориферов, либо с помощью теплогенераторов - газовых горелочных устройств и т.п. Выбор энергоносителя также оговаривается техническим заданием. И, наконец, существенным является вопрос о степени регенерации теплоносителя, зависящего от газообразных продуктов реакции процессов.

Рассмотренные ранее теоретические и экспериментально полученные зависимости положены в основу разработанной методологии проектирования и позволяют произвести инженерный расчет оборудования для термообработки рулонных материалов с полимерным покрытием как в установках с организованным псевдоожиженным слоем инертного зернистого теплоносителя, так и в установках с активным гидродинамическим режимом.

Выделены следующие основные этапы автоматизированного проектирования тепловых режимов и теплообменных аппаратов для вулканизации рулонных материалов с полимерным покрытием:

1. Решение задач по определению тепловых потоков, действующих в системе, и их конечных температур.

2. Решение задач по определению температурных полей обрабатываемого материала, коэффициента теплоотдачи среды.

3. Решение взаимозависимых задач по выбору и расчету теплообменного и вспомогательного оборудования:

а) определение конструкции аппарата в зависимости от обрабатываемого материала и условий эксплуатации и наличия соответствующего стандартного оборудования;

б) проведение теплового расчета теплообменного аппарата;

в) проведение гидравлического расчета теп-лообменного аппарата;

г) расчет и выбор нагревательных и нагнетательных устройств в зависимости от теплового и гидравлического баланса аппарата.

4. Решение задачи оптимизации проектируемой системы.

В результате такого подхода разработана структура системы автоматизированного проектирования тепловых режимов и теплообмен-ных аппаратов для вулканизации рулонных материалов с полимерным покрытием (рис. 2).

Рис. 2. Структура САПР

Для обеспечения успешного функционирования САПР были разработаны информационные базы данных, алгоритмические и программные описания рассмотренных математических моделей вулканизуемых систем. САПР имеет иерархическую структуру со следующими особенностями:

- вертикальная декомпозиция системы;

- верхние уровни управляют работой нижележащих уровней;

- обязательность обратной связи между уровнями;

- возможность самостоятельного функционирования подуровней нижнего уровня, представляющего библиотеку программ.

■ ПРИМЕЧАНИЯ

1 См.: Осипов С.Ю. и др. Методы решения оптимизационных задач при проектировании гуммировочных изделий / С.Ю. Осипов, Ю.Р. Осипов, Д.Н. Шестаков // Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах: Материалы междунар. науч.-техн. конф. Череповец, 2002. С. 124-126; Осипов Ю.Р., Шашерин Д.Н. Применение современных информационных технологий управления тепловыми процессами // Там же. С. 126-128; Хованов Н.В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците. СПб., 1996; Затонский А.В. Оптимизация модели информационной системы поддержки техобслуживания и ремонта оборудования // Информационные технологии. 2007. № 3. С. 2-7.

2 См.: Осипов Ю.Р. Автоматизация управления тепловыми процессами при креплении эластомерных покрытий к металлу. М., 2007; Он же. Автоматическая корректировка тепловых режимов вулканизации гуммировочных покрытий. М., 2005; Осипов Ю.Р., Шашерин Д.Н. Адаптивное управление теплообменными процессами при гуммировании. М., 2005; Осипов Ю.Р., Загребин С.Ю. Автоматизация технологических процессов гуммировочных производств М., 2004.

3 См.: Осипов Ю.Р., Аваев А.А. Температурное поле ре-зинометаллического изделия в процессе вулканизации его эластомерной обкладки // Инженерно-физический журнал. 1978. Т. 3. С. 550-555; Они же. Метод расчета температурного поля влажного листового материала при его сушке в псев-доожиженном слое инертного теплоносителя // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1978. Т. 21. Вып. 9. С. 1391-1393; Осипов Ю.Р., Лукичева А.Ю. Теплоперенос при термообработке полимерных покрытий на подложке из ткани // Техника и технология. 2005. № 4. С. 80-82; Осипов Ю.Р. и др. Физико-математический анализ тепловых режимов термообработки гуммировочных покрытий / Ю.Р. Осипов, Т.А. Рожина, О.А. Панфилова // Там же. № 3. С. 51-54.

4 См.: Осипов Ю.Р. и др. Физико-математический анализ тепловых режимов термообработки гуммировочных покрытий; Осипов Ю.Р., Шашерин Д.Н. Моделирование температурного поля многослойной пластины в среде МАТ1_АВ // Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТ_АВ: Тр. всерос. науч. конф. М., 2002. С. 68-74.

5 См.: Осипов Ю.Р., Аваев А.А. Температурное поле ре-зинометаллического изделия в процессе вулканизации его эластомерной обкладки; Они же. Метод расчета температурного поля влажного листового материала при его сушке в псевдоожиженном слое инертного теплоносителя; Осипов Ю.Р., Шашерин Д.Н. Моделирование температурного поля многослойной пластины в среде МАТ_АВ.

6 См.: Осипов С.Ю. и др. Физическое моделирование кинетики неизотермической вулканизации / С.Ю. Осипов, Д.Н. Шашерин, Ю.Р. Осипов // Вузовская наука - региону: Материалы Первой общерос. науч.-техн. конф. Вологда, 2003. С. 56-58; Они же. Системное моделирование полного цикла производства и эксплуатации гуммированных объектов // Там же. С. 46-48.