Оптимизация экструзионного процесса шинопроизводства применением частотно-регулируемого электропривода

На правах рукописи

Ганиев Ришат Наильевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСТРУЗИОННОГО ПРОЦЕССА

ШИНОПРОИЗВОДСТВА ПРИМЕНЕНИЕМ

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Чебоксары – 2012

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственном технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

О докторант

Сидоров Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Осипов Олег Иванович

кандидат технических наук, доцент

Лазарев Сергей Александрович

Ведущая организация: Ульяновский научно-исследовательский и и проектно-технологический институт а машиностроения (г. Ульяновск)

Защита состоится «16» марта 2012 г. в 14 часов 00 минут в зале Ученого совета на заседании диссертационного совета Д212.301.06 при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская д. 38, библиотечный корпус, третий этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «___» __________ 2012 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.В. Руссова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсивное развитие автомобилестроения сопровождается в последние годы многократным увеличением производства автомобильных шин и резинотехнического сырья для их изготовления. Выпуск данного вида продукции происходит в условиях рыночной конкуренции между отечественными и зарубежными производителями. Участие в этом процессе одного из ведущих изготовителей автомобильных шин в нашей стране, каким является ОАО «Нижнекамскшина», 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.

Основным звеном в технологическом цикле поточных линий производства РТП служат червячные машины (экструдеры), осуществляющие перемешивание резинотехнической массы с последующим ее формообразованием путем выдавливания (шприцевания) через специальные фильерные отверстия. Происходящий процесс шприцевания должен отвечать высоким требованиям к структурной и температурной однородности технологической массы, а так же скорости её прохождения в рабочей зоне экструдера. Несоблюдение технологического регламента приводит к браку в виде «неустойчивого течения», «дробления экструдата», и т.п.

Традиционный способ вращения червячных машин предусматривает применение трансмиссионных нерегулируемых приводов или, в редких случаях, регулируемых электроприводов постоянного тока. Опыт последних лет эксплуатации данных механизмов на указанном предприятии убеждает в невозможности построения на их основе современного конкурентоспособного производства. Анализ показывает, что способом доведения качества РТП до уровня общепринятых стандартов должно служить поддержание постоянства скорости продвижения шприцуемой смеси и создаваемого этой смесью давления в выходной зоне экструдера. В условиях поточного производства задача усложняется необходимостью получения целого ряда значений указанных параметров, каждое 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. Немаловажное влияние на выбор того или иного типа регулируемого электропривода оказывает уровень запылённости в цехах производства автошин. Происходящее выделение мелкодисперсной токопроводящей сажи не отвечает условиям эксплуатации машин постоянного тока. На сегодняшний день эта особенность делает безальтернативным применение бесконтактных машин и, прежде всего, асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором в составе частотно-регулируемых электроприводов.

Исходя из вышеизложенного, основной целью диссертационной работы явилась оптимизация технологического процесса экструзии на основе современных систем регулируемого электропривода переменного тока, обеспечивающая повышение качества РТП.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение физических основ процесса экструзии, 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;

- получение адекватной 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, предусматривающей: выбор исходных данных, определение варьируемых параметров и пределов их изменения, установление критериев оптимизации, выбор метода оптимизации и получение на его основе алгоритмов управления электроприводом;

- разработку наиболее перспективных вариантов электропривода для выпуска того или иного вида полуфабрикатов с последующим решением всего комплекса задач, связанных с их анализом и синтезом;

- проведение компьютерного моделирования с проверкой результатов исследований на опытно-промышленной установке.

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

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов теории автоматического управления, в том числе методом Quasi – Newton параметрической оптимизации с отысканием экстремальных значений целевой функции. Структурный синтез и анализ систем частотно-регулируемого электропривода при малых отклонениях осуществлён с помощью линеаризованных уравнений в пространстве переменных состояния с использованием частотных характеристик и сигнальных графов. Задача достижения устойчивости «в большом» решена графоаналитическим методом точечных преобразований с использованием диаграмм Ламерея. Подтверждение правильности математических моделей получено сравнением результатов компьютерного имитационного моделирования и экспериментальных исследований в процессе испытаний опытно-промышленной установки.

Достоверность и обоснованность сделанных в работе рекомендаций и выводов обусловлена полнотой и адекватностью математической модели «электропривод-экструдер-продукт» с учётом всего комплекса влияющих на технологический процесс воздействий, как со стороны управляющего входа, так и со стороны нагрузки. Исследование проведено с использованием аналитической линеаризации исходных уравнений и общепринятых в инженерной практике допущений. Результаты работы подтверждены качественным и достаточно близким количественным совпадением данных, полученных теоретическим и экспериментальным путём, а также опытно-промышленной эксплуатацией модернизированной системы электропривода в составе поточной линии ИРУ-16Б, ОАО «Нижнекамскшина».

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Осуществлена многокритериальная параметрическая оптимизация процесса экструзии резиновых смесей, алгоритм которой, в отличии от известных решений, позволил провести поиск экстремума целевой функции по критерию наилучшего сочетания высоких показателей качества продукта и производительности машины в условиях ограниченного энергопотребления

2. Предложен новый способ повышения качества продукта экструзии, отличающийся от известных решений тем, что обеспечивает структурную и температурную однородность технологической массы за счёт постоянства скорости продвижения в рабочей зоне и стабилизации давления на выходе формующей головки.

3. Разработана математическая модель процесса экструзии, отличающаяся от известных максимально полным учётом всего комплекса физико-химических явлений в шприцуемой резинотехнической смеси, находящейся под механическим воздействием со стороны вращающегося вала в составе системы «электропривод-экструдер-продукт».

4. Предложена структурная схема технологического комплекса «элек-тропривод-экструдер-продукт», отличающаяся тем, что в ней отражено взаимодействие резинотехнической смеси и рабочих органов экструдера с позиции теории автоматического управления, предусматривающих идентификацию динамических звеньев и обратных связей с последующим исследованием передаточных функций и частотных характеристик.

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 комплексном решении проблемы модернизации электропривода экструдера. Поставленная задача повышения качества продукта на выходе червячной машины решается в увязке с не менее важной проблемой повышения производительности поточной линии за счёт увеличения скоростей рабочего вала и снижения энергопотребления устранением в энергетическом балансе сетевого входа реактивной мощности. Представленные в работе математические зависимости снабжены примерами численных расчётов, результаты которых приведены в графическом и табличном представлении. Решение каждой из поставленных задач доведено до уровня инженерных методик, применение которых иллюстрируется примерами расчётов и компьютерного моделирования с помощью популярных программ Matlab 9, Mathcad13 - Professional и др.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена по итогам НИР и ОКР. В процессе выполнения 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. Новизна предлагаемых технических решений подтверждена получением Патентов РФ на изобретения.

На защиту выносятся:

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

- методика оптимизации технологического процесса экструзии в направлении повышения качества продукта за счёт поддержания постоянства давления в рабочей зоне экструдера высокопроизводительными системами электропривода переменного тока 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;

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

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на V и VI –ой Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» в г. Казань в 2010, 2011 гг., ХVI, ХVII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» в г. Томске в 2010, 2011 гг., V Международной научно-практической конференции по автоматизированному электроприводу в г. Тула, 2010 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. Содержание работы отражено в 12 публикациях (в 7 трудах конференций, в описании 2 изобретений и 3 статьях), в том числе трех 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и востребованность объекта исследования на современном этапе шинопроизводства. Определены цель и задачи диссертационной работы, рассмотрены пути и методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая ценность полученных результатов, обоснована достоверность результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и публикациях по теме исследования, а так же о структуре и объёме диссертации.

В первой главе даётся описание технологического процесса экструзии полимерных материалов, используемых при изготовлении автомобильных шин. Приводится обзор существующего парка червячных машин, обсуждается их устройство и принцип действия. Сформулирована задача повышения качества автомобильных шин на этапе переработки резинотехнического сырья, в частности на этапе экструзии вязкоупругих резиновых смесей при производстве полуфабрикатов и деталей автомобильных покрышек. Приведены основные требования к качеству профилируемых деталей, получаемых методом экструзии. Определены общепринятые стандартные показатели качества в количественном и качественном измерениях.

Показано, что главной причиной нарушения технологического процесса экструзии, являются флуктуации технологических параметров машины, таких как давление, температура, вязкость и скорость шприцевания. Возможные варианты разрешения проблемы качества предполагают разработку универсального электропривода экструдера, реализующего принцип двухзонного адаптивного регулирования, либо создание ряда типоразмеров, каждый из которых предназначен для переработки одного вида смесей с учетом их физико-химических свойств. Однако в условиях поточного производства указанные направления модернизации были признаны излишне затратными. Предварительно проведённые на ОАО «Нижнекамскшина» экспериментальные исследования доказали преимущества другого подхода, позволившего повысить качество продукта за счёт стабилизации таких параметров цикла, как частота вращения вала червяка экструдера и давления смеси на выходе фильерного отверстия. Показано, что в условиях разнообразия технических условий эта задача, тем не менее, может быть решена применением двух наиболее перспективных систем электропривода с частотно-токовым и векторным способами управления.

Анализ механических характеристик привода червяка показал, что в зависимости от физико-химических свойств смеси и формы шприцуемого профиля, статический момент на валу червяка может изменяться в широких пределах. Наибольшие значения момента наблюдаются при шприцевании на низких и средних скоростях при производстве протекторов (однорежимные экструдеры с возможным применением частотно-токовых приводов), а малые значения момента - на высоких скоростях работы (универсальные экструдеры, с применением двухзонного электропривода). Полученные экспериментальные данные послужили основой для выработки следующих требований к системе автоматического управления (САУ) процессом экструзии: а) время переходного процесса в системе стабилизации давления в формующей головке на выходе экструдера в течение одного рабочего цикла не должно превышать tр = 12 с; б) допустимые колебания давления в переходном процессе не должны превышать 20% от установившегося значения; в) максимальная точность стабилизации давления в установившемся режиме работы допускается в пределах 1- 2 %.

Показано, что одним из возможных решений указанных задач может стать оптимизация технологического режима, обеспечивающая наилучшее сочетание показателей качества продукта и производительности машины в условиях контроля кинематических параметров червяка и начальной температуры смеси. Данная задача большей частью возлагается на систему электропривода червяка. Однако, применяемые системы электропривода экструдеров построены без учета специфических особенностей технологического процесса шприцевания, отсутствует представление данного процесса методами теории автоматического управления (ТАУ). В связи с этим отмечается необходимость разработки структурной схемы комплекса «электропривод-экструдер-продукт» и решение оптимизационной задачи с отысканием наиболее приемлемых параметров привода.

В завершение главы рассмотрены недостатки применявшихся ранее электроприводов постоянного тока. Отмечаются перспективы применения электроприводов переменного тока на основе частотно-токового и векторного управления, в наибольшей мере отвечающие требованиям регулировочных и нагрузочных характеристик экструдера.