УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ, ВЫТЯЖКИ И ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОТРОПНОГО ВОЛОКНИСТОГО ХОЛСТА ИЗ РАСПЛАВА

Полезная модель относится к области производства синтетических волокон и нетканых материалов, в частности к процессу формирования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта, и может быть использовано в других областях промышленности, где находят применение транспортирующие и наматывающие механизмы.
Известно устройство для управления процессом формования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта, содержащее электроприводы экструдера, дозирующих насосов, вентилятора нагнетания воздуха, вентилятора разряжения воздуха, сетчатого транспортера, двухвалкового каландра, наматывающего механизма, выполненное с возможностью реализации функции синхронного управления асинхронными электроприводами и приводами постоянного тока для стабилизации давления в головке экструдера и обеспечения процесса вытягивания синтетических нитей, формирования волокнистого холста и наматывания его на валик с заданным натяжением [1].
Недостатком устройства является несовершенство единого непрерывного процесса управления режимами охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава.
Задачей является разработка устройства непрерывного управления процессами охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава.
Технический результат - получение холста более высокой равномерности за счет увеличения коэффициента концентрации волокон в воздушном потоке при совершенствовании системы управления электротехническим комплексом аэродинамической установки.
Указанный результат достигается тем, что устройство для управления процессом охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава, содержит регулируемый электропривод вентилятора первой секции холодильной камеры аэродинамической установки, вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания температурного режима первой секции холодильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, установленного в первой секции холодильной камеры, третий вход подключен к датчику давления, установленному в зоне нагнетания второй секции холодильной камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вентилятора нагнетания воздуха второй секции холодильной камеры, и кинематически через редуктор - с валом вентилятора, обеспечивающего режим нагнетания воздуха в первую секцию холодильной камеры, электропривод вентилятора второй секции холодильной камеры аэродинамической установки, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания температурного режима второй секции холодильной камеры, состоящей из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика температуры, установленного во второй секции холодильной камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вентилятора разряжения, и кинематически связан с вентилятором, обеспечивающим режим нагнетания воздуха во вторую секцию холодильной камеры, электропривод вентилятора разряжения, вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания обеспечения заданной разности давлений нагнетания и разряжения воздуха в холодильной камере, состоящей из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика разности давления воздуха, установленного в зоне разряжения аэродинамической установки, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с валом вентилятора камеры разряжения, и с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода сетчатого транспортера, электропривод сетчатого транспортера, вход которого подключен к четвертому выходу микроЭВМ, на четвертый вход которого поступает сигнал задания поверхностной плотности холста, формируемого на сетчатом транспортере, состоящей из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через регулятор напряжения к асинхронному двигателю, вал которого через редуктор кинематически соединен с валом сетчатого транспортера, и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства для управления процессом охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава.
На фигуре 2 приведена функциональная схема устройства для управления процессом охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава.
Управляемый электротехнический комплекс аэродинамической установки, предназначенный для охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава, содержит электроприводы вентиляторов нагнетания воздуха в первую и вторую секции холодильной камеры, электропривод вентилятора разряжения воздуха, электропривод сетчатого транспортера.
Электропривод вентилятора первой секции (1) холодильной камеры (2) аэродинамической установки (3), вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ (4), на первый вход которой поступает сигнал задания температурного режима первой секции холодильной камеры, состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (5), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (6), второй вход которого соединен с выходом датчика температуры (7), установленного в первой секции холодильной камеры, третий вход подключен к датчику давления воздуха (8), установленному в зоне нагнетания второй секции холодильной камеры, выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (9), асинхронного двигателя (10) и редуктора (11), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (12), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (13) электропривода вентилятора нагнетания воздуха второй секции холодильной камеры, и кинематически через редуктор - с валом вентилятора (14), обеспечивающего режим нагнетания воздуха в первую секцию холодильной камеры (2).
Электропривод вентилятора второй секции (15) холодильной камеры (2) аэродинамической установки (3), вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ (4), на второй вход которой поступает сигнал задания температурного режима второй секции холодильной камеры, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (16), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (13), третий вход которого соединен с выходом датчика температуры (17), установленного во второй секции холодильной камеры (2), а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (18), асинхронного двигателя (19) и редуктора (20), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (21), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (22) электропривода вентилятора разряжения, и кинематически связан с вентилятором (23), обеспечивающим режим нагнетания воздуха во вторую секцию холодильной камеры (2).
Электропривод вентилятора разряжения воздуха (24), вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ (4), на третий вход которой поступает сигнал задания обеспечения заданной разности давлений нагнетания и разряжения воздуха в холодильной камере, состоящей из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (25), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (22), третий вход которого соединен с выходом датчика разности давления воздуха (26), установленного в зоне разряжения аэродинамической установки (3), а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (27), асинхронного двигателя (28) и редуктора (29), выходной вал которого кинематически соединен с валом вентилятора (30) камеры разряжения (31), и с датчиком частоты вращения (32), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (33) электропривода (34) сетчатого транспортера (35).
Электропривод сетчатого транспортера (34), вход которого подключен к четвертому выходу микроЭВМ (4), на четвертый вход которого поступает сигнал задания поверхностной плотности холста, формируемого на сетчатом транспортере (35), состоящей из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (36), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (33), выход которого подключен через регулятор напряжения (37) к асинхронному двигателю (38), вал которого через редуктор (39) кинематически соединен с сетчатым транспортером (35).
Аэродинамическая установка как элемент управляемого электротехнического комплекса для получения химических нитей и нетканых материалов.
Аэродинамический способ формирования волокнистых полотен имеет ряд преимуществ: большая надежность образования холста со значительным диапазоном варьирования поверхностной плотности, высокая производительность, однородность структуры холста, возможность переработки различных видов волокнистых материалов, меньшая себестоимость производства. Важными факторами в работе аэродинамических устройств являются скорость воздушного потока, вид волокна и его размеры (толщина, длина), степень распрямленности, масса формируемого холста.
Актуальна задача получения холста более высокой равномерности, а также увеличение коэффициента концентрации волокон в воздушном потоке.
Выявление и анализ факторов, определяющих качество продукции, оптимальное управление технологическими параметрами, частичная модернизация электромеханической системы являются одними из основных задач, решаемых при разработке и проектировании автоматизированных комплексов на всех стадиях формирования волокнистого продукта аэродинамическим способом.
Волокнистый слой в процессе формирования имеет разную толщину, а следовательно, и разное аэродинамическое сопротивление по площади сетчатого транспортера. Следовательно, распределение волокнистого материала при формировании зависит от этого сопротивления, что, в свою очередь, обуславливает различную по сечению камеры концентрацию волокна. Физический процесс состоит в том, что неодинаковое аэродинамическое сопротивление формируемого слоя на сетчатом транспортере вызывает перераспределение статического и динамического давления и, следовательно, скоростей воздушного потока по сечению аэродинамической камеры. Это является причиной перераспределения концентрации волокон по верхней и нижней зонам, что приводит к образованию комплексов волокон, а также увеличению их числа за счет сужения зоны активного формирования. В результате ухудшается распрямленность волокон в холсте и повышается структурная неравномерность, а неполное использование сечения камеры значительно снижает производительность установки.
Анализируя заключительный период аэродинамического формирования волокнистого настила как один из основных этапов получения продукта с заданными свойствами, необходимо отметить неустойчивость технологического режима, и, как следствие, нарушение одного из условий при групповом перемещении волокон в камере - их разъединенности. При этом поток смещается и, следовательно, волокна по сечению шахты распределяются неравномерно, что увеличивает местную концентрацию волокон и способствует образованию комплексов. В связи с этим концентрацию волокна в потоке снижают, уменьшая тем самым производительность.
c
c
н
в
Кроме нарушения технологического режима возникает дрейф траектории движения волокон, при этом проявляются возмущающие силы в виде сопротивления ΔP волокнистого слоя на сетчатом транспортере, влияющие на устойчивость работы системы в целом и, следовательно, на качество волокнистого продукта. Вследствие изменения ΔР изменяется разность давлений ΔР нагнетания (Р) и всасывания (Р), т.е.
c
ΔP=f(ΔP).
c
пр
Инерционные характеристики аэродинамической установки определяются постоянной времени, пропорциональной времени пребывания потока в машине. Время пребывания волокна в камере зависит от сопротивления ΔР, что в свою очередь приводит к изменению давления в установке и способствует увеличению сил разряжения или сопротивления перед слоем волокон на сетчатом транспортере. С увеличением сопротивления увеличивается время преобразования - транспортное запаздывание (τ) и возможно нарушение устойчивости процесса в камере.
В аэродинамической установке за счет дрейфа сопротивления слоя, изменение положения которого обуславливает колебание разности давления ΔР, изменяются зона активного формирования и положение траектории движения. Состояние неустойчивого равновесия аэродинамической установки при формировании в ней слоя соответствует наличию гармонической незатухающей составляющей переходного процесса, которая удерживает процесс на границе устойчивости. Колебания давлений в установке вызываются увеличением или уменьшением сопротивления в верхней и нижней зонах формируемого слоя. При этом равнодействующая аэродинамических сил сообщает волокну различное ускорение при транспортировании.
Требования к качеству выпускаемой продукции, особенно к равномерности холста по ширине, вызывают необходимость локального изменения поверхностной плотности. В этом случае качество волокнистого полотна повышается не только благодаря большой равномерности, но и благодаря лучшему смешиванию, способствующему повышению однородности волокнистого холста, и, следовательно, выравниванию свойств в конечном продукте независимо от дальнейшей его обработки. В частности, улучшение качества смешивания достигается в данном случае за счет установки на линии нагнетания двух электроприводов вентиляторов, регулирующих процесс охлаждения, объем и скорость воздушного потока в заданном режиме.
За счет применения устройства для управления процессами охлаждения, вытяжки и формирования изотропного холста из расплава возможно: повысить интенсивность осаждения волокон в зоне формирования холста, а этим самым его равномерность; увеличить разницу между динамическими сопротивлениями в зонах формирования, что способствует переориентации волокон и получению новой разновидности строения волокнистого продукта.
Функциональные назначения элементов системы автоматического регулирования. Устройство автоматизированного электропривода играет существенную роль в обеспечении эффективности работы управляемого электротехнического комплекса производства нетканых материалов. Управление скоростными режимами влияет на производительность, равномерность физико-механических свойств и качество конечного продукта.
Многодвигательный электропривод электротехнического комплекса управления воздушными потоками и формированием волокнистого холста обеспечивает следующие основные требования:
1. Диапазон изменения частоты вращения рабочих органов должен быть равен диапазону изменения производительности.
2. Пуск двигателей электроприводов должен быть плавным и продолжаться не более 30 секунд.
3. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: пускотормозных с заданной интенсивностью и в режиме стабилизации скоростных режимов в аэродинамической установке.
4. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать постоянную частоту вращения электроприводов с отклонением, равным не более 0,5-1%.
5. Система автоматического регулирования должна быть устойчивой во всех режимах и ограничивать имеющие место колебания питающего напряжения в установившемся режиме в пределах ±5%.
Использование, в частности, электропривода по системе «Регулятор напряжения - Асинхронный двигатель» позволяет наиболее рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь исходного сырья, увеличением коэффициента полезного времени.
Применение ресурсосберегающих микропроцессорных регуляторов напряжения позволяет снизить уровень потребления электрической энергии, особенно в режиме холостого хода, а также обеспечить управление интенсивностью пускотормозных режимов.
Авторами разработан лабораторный стенд, моделирующий устройство для управления процессами охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава, основу которого составили: многофункциональный регулятор напряжения МРН000, управляющий асинхронным короткозамкнутым двигателем 4A90L4 мощностью 7,5 кВт; датчики частоты вращения ДЧ53/18, комплектный параметрический асинхронный регулируемый электропривод серии КПЭ, комплектный асинхронный электропривод с векторным управлением «Размер 2М-5-21», датчики температуры воздуха серии NTC, датчик давления воздуха DS205F, датчик разности давления воздуха РКС-1А-01.
Устройство работает следующим образом: перед пуском устройства напряжение подается на блоки питания микроЭВМ, аналогово-цифровые преобразователи, регуляторы напряжения, датчики частоты вращения, датчики температуры и давления.
з1
з2
з3
з4
Программа в микроЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного многодвигательного электропривода и следит за формированием холста на сетчатом транспортере. Программа микроЭВМ устанавливает базовые скоростные режимы для электроприводов вентиляторов нагнетания объема воздуха в I секции (1) - U и во II секции (15) - U холодильной камеры, для электропривода вентилятора разряжения (24) объема всасываемого воздуха (U) из основания аэродинамической установки, а также для электропривода сетчатого транспортера (32) - U. Указанные электроприводы работают в следящем режиме за счет введения обратных связей через датчики частоты вращения (12), (21), (32), обеспечивая синхронный пуск и торможение электротехнического комплекса.
Устройство должно обеспечивать следующие технологические режимные показатели:
1. Охлаждение расплава в I секции холодильной камеры соответствует диапазону температур 70°С ÷ 35°С.
2. Охлаждение расплава во II секции холодильной камеры обеспечено в диапазоне температур 35°С ÷ 18°С.
3. Перепад давления ΔР воздушной массы при формировании холста на поверхности сетчатого транспортера в соответствии с технологическим регламентом.
н
з1
Установленный в зоне нагнетания второй секции холодильной камеры датчик давления воздуха (8), фиксирующий текущее значение давления нагнетания воздуха (Р), и датчик температуры (7) первой секции холодильной камеры (2) передают свои сигналы в суммирующее устройство (6), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления электроприводом (1) вентилятора подачи объема воздуха в I секции холодильной камеры, при этом увеличивается или уменьшается в зависимости от температуры и давления интенсивность воздушного потока. Датчик температуры (17), установленный во II секции холодильной камеры, аналогично корректирует заданную температуру путем управления интенсивностью воздушного потока, направляемого вентилятором (23) электропривода (15).
н
в
н
в
Электропривод вентилятора разряжения воздуха (24) работает в следящем режиме относительно электроприводов (1) и (15) нагнетания воздуха в I и II секциях холодильной камеры за счет обратных связей, образуемых датчиками частоты вращения (12) и (21). Установленный в основании аэродинамической установки датчик разности давлений воздуха (26) фиксирует изменение давления ΔР в процессе осаждения волокон на поверхность сетчатого транспортера (35). За счет управления скоростными режимами электроприводов (1) и (15) нагнетания объема воздуха в I и II секциях холодильной камеры (Р) и электропривода (24) вентилятора всасывания воздуха из камеры разряжения аэродинамической установки (3) - (Р) регулируется разность давлений ΔР=Р-Р, обеспечивающая интенсификацию процесса формирования холста на сетчатом транспортере (35).
Краткое описание технологического процесса охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава. Функциональная схема устройства для управления процессом охлаждения, вытяжки и формирования изотропного волокнистого холста из расплава представлена на фигуре 2.
Элементарные волокна формируются в фильерах (40) и направляются в закрытую холодильную камеру (2) для формирования отдельных фирментов. Холодильная камера разделена на верхнюю (2а) и нижнюю (2б) секции, к которым через систему перфораций подается охлаждающий технологический воздух из расположенных смежно друг за другом резервуаров (41а) и (41б). В указанные емкости охлаждающий воздух подается с различной способностью конвекционного отвода тепла от нагнетающих вентиляторов (14) и (23). Интенсивность воздушных потоков регулируется энергосберегающими асинхронными электродвигателями (10) и (19) за счет изменения частоты вращения. Температура охлаждающего воздуха контролируется датчиками температуры (7) и (17), установленными в резервуарах (41а) и (41б). Согласно технологического регламента разработанная система автоматического регулирования, должна обеспечивать следующий режим охлаждения: резервуар (41а) диапазон температур 70°С-35°С, резервуар (41б) - 35°С-18°С.
К холодильной камере вертикально подключен узел транспортирования и вытягивания волокон, включающий промежуточный канал (42), углы наклона которого можно регулировать, блок растяжения (43), блок малого натяжения (44), который сужается конически в вертикальном направлении с возможностью регулирования ширины канала, блок схождения (45) и раструб (46) камеры разряжения (31).
Скручивание и укладка элементарных волокон осуществляется на сетчатый транспортер (35), линейная скорость которого регулируется асинхронным электродвигателем (38). Вентилятор разряжения (30) осуществляет отсос воздуха из камеры (31). Интенсивность разряжения регулируется асинхронным электродвигателем (28). Волокнистый материал образует на сетчатом транспортере (35) слой холста, который окончательно формируется валками каландра (47) путем термоскрепления. Каландр имеет регулируемый асинхронный электродвигатель (48), работающий в режиме слежения скоростных режимов элементов САР.
н
Далее сформированный волокнистый продукт (холст) наматывается на скало наматывающего устройства (49), привод которого осуществляется от двигателя постоянного тока (50). При этом обеспечивается заданное натяжение холста в свободной зоне с помощью датчика натяжения (51). Датчик давления (8) установлен в зоне нагнетания второй секции (26) холодильной камеры (2) и определяет давление нагнетания Р. Датчик разности давлений (26), установленный в основании аэродинамической установки, фиксирует изменение давления ΔР в процессе осаждения волокон на поверхность сетчатого транспортера (35).
Источники информации
1. Поляков А.Е., Поляков К.А., Серяков И.Н., Трыков Р.В., Бордовская Т.П. Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания. Патент на полезную модель №86191. Бюл. №24, 2009.