Устройство для управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов

Полезная модель относится к области жидкостной обработки продуктов прядения в пенной среде, где современная технология предусматривает обработку с помощью эмульсирования, замасливания, доувлажнения, а также обработку паром в различных «точках» технологического процесса.
Известно устройство для управления процессом пенообразования, содержащее компрессор, подающий воздух, два насоса для подачи и откачки отработанной эмульсии, коллектор, распределяющий пену по ширине полотна нитей (Павутницкий В.В., Бузик С.И. Устройство для нанесения пенообразующего состава на волокнистый продукт. А.С. 172.65.99 СССР. Опубл. 15.04.92. Бюл. №14, - 3с).
Недостатком устройства является несовершенство единого непрерывного процесса управления интенсивностью пенообразования на поверхности обрабатываемого волокнистого материала.
Задачей является разработка оптимального энергосберегающего устройства управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов.
Технический результат - обработка волокнистого материала в пенной среде с заданными физико-химическими свойствами при совершенствовании устройства управления электротехническим комплексом жидкостной обработки.
Указанный результат достигается тем, что устройство для управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов, содержит электропривод питающих цилиндров, транспортирующих волокнистый материал на входе смесительного пеногенератора, вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания скоростного режима подачи волокнистого материала в зону пенообработки, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен 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 выпускных цилиндров, и кинематически - с фрикционными валиками питающих цилиндров, обеспечивающих заданный скоростной режим поступающего на жидкостную обработку волокнистого материала, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого кинематически соединен с выходом фрикционных валиков выпускных цилиндров, установленных на выходе пеногенератора, а выход формирует скоростной режим, обеспечивающий заданную линейную плотность волокнистого материала в зоне пенной обработки, электропривод выпускных цилиндров, транспортирующих волокнистый материал на выходе смесительного пеногенератора, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал, определяющий заданную линейную плотность обрабатываемого волокнистого материала на выходе пеногенератора, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, 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 насоса, нагнетающего жидкую эмульсию в зону пенообработки, и кинематически связан с фрикционными валиками выпускных цилиндров, обеспечивающих заданный скоростной режим обработки волокнистого материала в пенной среде, электропривод миксера, вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал, обеспечивающий интенсивность процесса пенообразования и получения эмульсии заданной дисперсионности и кратности, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с валом миксера, установленного в смесительной камере пеногенератора, электропривод вентилятора, вход которого подключен к четвертому выходу микроЭВМ, на четвертый вход которой поступает сигнал задания обеспечения оптимального давления поступающей воздушной смеси, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика давления воздуха, установленного в магистральном воздуховоде смесительной камеры пеногенератора, третий вход соединен с выходом датчика расхода воздуха, установленного в зоне нагнетания воздушного потока, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора давления, регулятора подачи воздуха, регулятора напряжения, асинхронного двигателя, редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства электропривода насоса, подающего жидкую эмульсию в зону пенообработки, и кинематически связан с вентилятором, обеспечивающим режим нагнетания воздуха в зону пенообработки пеногенератора, электропривод насоса, подающий жидкую эмульсию в зону пенообразования, вход которого подключен к пятому выходу микроЭВМ, на пятый вход которой поступает сигнал задания подачи заданного объема жидкой эмульсии, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с третьим входом суммирующего устройства, а выход со входом последовательно соединенных регулятора расхода эмульсии, регулятора подачи эмульсии, выход подключен к первому входу суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика расхода эмульсии, третий вход соединен с выходом датчика линейной плотности, установленного на выходе волокнистого продукта из зоны пенообработки, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с валом насоса, нагнетающего жидкую эмульсию в смесительную камеру пеногенератора и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства для управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов. Схема пеногенератора для жидкостной обработки волокнистых материалов приведена на фигуре 2.
Управляемый электротехнический комплекс обработки волокнистых материалов, предназначенный для получения пены заданного качества, содержит электроприводы питающих цилиндров, выпускных цилиндров, миксера, вентилятора и насоса.
з1
з2
з3
з4
3
Электропривод питающих цилиндров (1), транспортирующих волокнистый материал (2) на входе смесительного пеногенератора (3), вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ (4), на первый вход которой поступает сигнал задания U скоростного режима подачи волокнистого материала в зону пенообработки, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (5), выход которого соединен со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (6), асинхронного двигателя (7) и редуктора (8), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (9), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (10) электропривода выпускных цилиндров, и кинематически - с фрикционными валиками питающих цилиндров (11), обеспечивающих заданный скоростной режим поступающего на жидкостную обработку волокнистого материала, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (12), второй вход которого кинематически соединен с выходом фрикционных валиков выпускных цилиндров, установленных на выходе пеногенератора, а выход формирует скоростной режим, обеспечивающий заданную линейную плотность волокнистого материала в зоне пенной обработки, электропривод выпускных цилиндров (13), транспортирующих волокнистый материал на выходе смесительного пеногенератора, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал U, определяющий заданную линейную плотность обрабатываемого волокнистого материала на выходе пеногенератора, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (14), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (10), а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (15), асинхронного двигателя (16) и редуктора (17), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (18), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (19) электропривода насоса, нагнетающего жидкую эмульсию в зону пенообработки, и кинематически связан с фрикционными валиками выпускных цилиндров (20), обеспечивающих заданный скоростной режим обработки волокнистого материала в пенной среде, электропривод миксера (21), вход которого подключен к третьему выходу микроЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал U, обеспечивающий интенсивность процесса пенообразования и получения эмульсии заданной дисперсионности и кратности, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (22), регулятора напряжения (23), асинхронного двигателя (24) и редуктора (25), выходной вал которого кинематически соединен с валом миксера (26), установленного в смесительной камере пеногенератора, электропривод вентилятора (27), вход которого подключен к четвертому выходу микроЭВМ, на четвертый вход которой поступает сигнал задания (U) обеспечения оптимального давления поступающей воздушной смеси, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (28), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (29), второй вход которого соединен с выходом датчика давления воздуха (30), установленного в магистральном воздуховоде смесительной камеры пеногенератора, третий вход соединен с выходом датчика расхода воздуха (31), установленного в зоне нагнетания воздушного потока, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора давления (32), регулятора подачи воздуха (33), регулятора напряжения (34), асинхронного двигателя (35), редуктора (36), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (37), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (19) электропривода насоса, подающего жидкую эмульсию в зону пенообработки, и кинематически связан с вентилятором (38), обеспечивающим режим нагнетания воздуха в зону пенообработки пеногенератора, электропривод насоса (39), подающий жидкую эмульсию в зону пенообразования, вход которого подключен к пятому выходу микроЭВМ (4), на пятый вход которой поступает сигнал задания (Us) подачи заданного объема жидкой эмульсии, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (40), выход которого соединен с третьим входом суммирующего устройства (19), а выход со входом последовательно соединенных регулятора расхода эмульсии (41), регулятора подачи эмульсии (42), выход подключен к первому входу суммирующего устройства (43), второй вход которого соединен с выходом датчика расхода эмульсии (44), третий вход соединен с выходом датчика линейной плотности (45), установленного на выходе волокнистого продукта из зоны пенообработки, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (46), асинхронного двигателя (47) и редуктора (48), выходной вал которого кинематически соединен с валом насоса (49), нагнетающего жидкую эмульсию в смесительную камеру пеногенератора (3) и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами.
Функциональные назначения элементов устройства для управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов
Разработанное устройство играет существенную роль в обеспечении эффективности работы электротехнического комплекса для управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов.
Пенная технология обработки волокнистых материалов по сравнению с традиционной имеет ряд преимуществ: снижение энергозатрат при подготовке жидкостного раствора (эмульсии), снижение общего потребления воды, увеличение равномерности слипания волокон, повышение производительности оборудования за счет управления скоростными режимами подачи воздушного и жидкостного потоков, а также обеспечение заданной эффективности их перемешивания в смесительной камере пеногенератора.
Предлагается устройство для автоматического управления пеногенератором с целью получения пены заданного качества. После обработки волокнистых материалов в пенной среде повышается устойчивость волокон и нитей к многократным механическим воздействиям со стороны рабочих органов, обеспечивающих транспортировку, обработку и формирование волокнистого материала. Существенным фактором, определяющим качество пенной обработки является получение пены определенной дисперсности и кратности. Большое значение в образовании пены с нужными свойствами играет интенсивность процесса пенообразования и конструкция вспенивающего устройства. Предлагается решение задачи разработки устройства для обработки волокнистого продукта пеной, обеспечивающей получение конечного результата с заданными физико-химическими свойствами.
Критерием оптимизации является кратность пены, которую можно регулировать, изменяя количество подаваемого в пеногенератор воздуха и жидкости (эмульсии).
Многодвигательный электропривод электротехнического комплекса управления воздушными и жидкостными потоками и формирования пены заданного качества 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: пуско-тормозных с заданной интенсивностью и в режиме стабилизации скоростных режимов в смесительной камере пеногенератора.
4. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать постоянную частоту вращения электроприводов с отклонением, равным не более 0,5-1%.
5. Устройство должно быть устойчивым во всех режимах и ограничивать имеющее 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 пуско-тормозных режимов.
Авторами разработан лабораторный стенд моделирующий устройство для управления процессом жидкостной (пенной) обработки волокнистых материалов, основу которого составили: многофункциональный регулятор напряжения МРН000, управляющий асинхронным короткозамкнутым двигателем 4A90L 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 давления, расхода воздуха и жидкости серии NTC, датчик давления воздуха DS205F, датчик разности давления воздуха РКС-1А-01 и др.
Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение подается на блоки питания микроЭВМ, аналого-цифровые преобразователи, регуляторы напряжения, датчики частоты вращения, датчики расхода, и давления.
з1
з2
з3
з4
з5
Программа в микроЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного многодвигательного электропривода и следит за формированием и пенной обработкой волокнистого материала в пеногенераторе. Программа микроЭВМ устанавливает базовые скоростные режимы для электроприводов приемных цилиндров (1) - U, выпускных цилиндров (13) - U, миксера (21) - U, вентилятора (27) - U и насоса (39) - U. Указанные электроприводы работают в следящем режиме за счет введения обратных связей через датчики частоты вращения (9), (18), (37), обеспечивая синхронный пуск и торможение электротехнического комплекса.
з4
Установленный в зоне нагнетания датчик давления воздуха (30), фиксирующий текущее значение давления нагнетания воздуха и датчик расхода воздуха (31), передают свои сигналы в суммирующее устройство (29), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления электроприводом (27) вентилятора подачи объема воздуха в полость смесительной камеры пеногенератора (3), при этом увеличивается или уменьшается в зависимости от расхода и давления интенсивность воздушного потока.
Электропривод насоса (39) работает в следящем режиме относительно электропривода вентилятора (27) за счет обратной связи, образуемой датчиком частоты вращения (37).
Качество процесса нанесения пены на волокнистый материал определяется давлением и расходом воздушного потока, расходом жидкости, линейной скоростью транспортирования волокнистого материала через зону пенообработки и его линейной плотностью, обеспечением сбалансированного управления воздушными и жидкостными потоками при заданной интенсивности их перемешивания.
Количество пены (влаги), которое необходимо нанести на волокнистый материал для достижения оптимального результата, определяется по следующему выражению:
где М - расход жидкости (эмульсии), фиксируемый датчиком расхода (44); Т - линейная плотность волокнистого материала (фиксируется датчиком линейной плотности (45)); V - линейная скорость транспортирования волокнистого материала через зону пенообработки пеногенератора (обеспечивается обратной связью через датчик частоты вращения (18), кинематически связанного с валом редуктора (17) фрикционных валиков выпускных цилиндров (20)).
з3
Требуемое давление в пневмопроводе, фиксируемое датчиком давления (30), связано со средней расходной скоростью истечения воздуха, фиксируемое датчиком расхода воздуха (31). Интенсивность перемешивания потоков жидкости и газа (воздуха) обеспечивается электроприводом миксера (21) и задается микроЭВМ (U).