Устройство для управления тепловыми потоками процесса деформации текстильных материалов

Полезная модель относится к области исследования влияния скоростных режимов на деформационные свойства текстильных материалов при их термической обработке, и может быть использована в других областях промышленности, где находят применение сушильные машины и аппараты.
3
Известно устройство для управления процессом деформации текстильных материалов при обеспечении постоянного натяжения материала изменением интенсивности его нагрева. В данном устройстве скорость движения теплоносителя меняет соотношение прогретой и малопрогретой частей материала в зоне обработки, изменяя тем самым эквивалентный модуль деформации материала, что в свою очередь при постоянном натяжении приводит к изменению деформации [А.С. 883209 СССР МКИ Д06С 7/02. Способ управления процессом термомеханической обработки текстильных материалов и устройство для его осуществления / В.И. Коновалов, В.М. Нечаев, Л.С. Дудакова // Б.И. 1983, №43].
Недостатком устройства является несовершенство единого непрерывного процесса управления тепловыми потоками и скоростными режимами при термомеханической обработке текстильных материалов.
Задачей является разработка оптимальной системы управления тепловыми потоками и скоростными режимами транспортирования и термомеханической обработки текстильных материалов, обеспечивающей заданные параметры как натяжения так и деформации.
Технический результат - повышение энергетической эффективности использования теплоносителя и энергосберегающих систем электроприводов при совершенствовании системы управления деформационными свойствами текстильных материалов.
Указанный результат достигается тем, что устройство для управления тепловыми потоками процесса деформации текстильных материалов, содержит электропривод вентилятора сушильной камеры, вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания температурного режима, поступающего в сушильную камеру текстильного материала, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика давления теплового агента, установленного на входе теплового потока в сушильную камеру, а выход - с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры воздуха, установленного в нижней части сушильной камеры, третий вход подключен к выходу датчика натяжения текстильного материала компенсационного типа, установленного на выходе сушильной камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора давления, регулятора подачи воздуха, регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода выпускной пары, и кинематически подключен к первому входу суммирующего устройства, второй вход которого соединен с валом редуктора выпускной пары, выход которого кинематически соединен с валом вентилятора, обеспечивающего через калорифер режим нагнетания воздуха в полость сушильной камеры, выход которой кинематически соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход - с валом редуктора электропривода тянульной пары, к выходу которого подключен вход датчика поверхностной плотности текстильного материала, электропривод выпускной пары, вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания скоростного режима транспортирования текстильного материала через зону термической обработки сушильной камеры, состоящей 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 тянульной пары, и кинематически через редуктор соединен с выпускной парой, электропривод тянульной пары, вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания скоростного режима тянульной пары, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика поверхностной плотности текстильного материала, установленного на выходе сушильной камеры, а выход которого подключен через регулятор напряжения к асинхронному двигателю, вал которого через редуктор кинематически соединен с тянульной парой и при этом микро-ЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства для управления тепловыми потоками процесса деформации текстильных материалов.
Устройство для управления тепловыми потоками процесса деформации текстильных материалов содержит регулируемые электроприводы вентилятора сушильной камеры, выпускной и тянульной пары.
з1
Электропривод вентилятора (1) сушильной камеры (2), вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ (3), на первый вход которой поступает сигнал задания U температурного режима, поступающего в сушильную камеру текстильного материала (4), состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (5), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (6), второй вход которого соединен с выходом датчика давления (7) теплового агента, установленного на входе теплового потока в сушильную камеру, а выход - с первым входом суммирующего устройства (8), второй вход которого соединен с выходом датчика температуры воздуха (9), установленного в нижней части сушильной камеры, третий вход подключен к выходу датчика натяжения (10) текстильного материала компенсационного типа, установленного на выходе сушильной камеры, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора давления (11), регулятора подачи воздуха (12), регулятора напряжения (13), асинхронного двигателя (14) и редуктора (15), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (16), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (17) электропривода выпускной пары, и кинематически подключен к первому входу суммирующего устройства (18), второй вход которого соединен с валом редуктора выпускной пары, выход которого кинематически соединен с валом вентилятора (19), обеспечивающего через калорифер (20) режим нагнетания воздуха в полость сушильной камеры, выход которой кинематически соединен с первым входом суммирующего устройства (21), второй вход - с валом редуктора (22) электропривода тянульной пары, к выходу которого подключен вход датчика поверхностной плотности (23) текстильного материала.
з2
Электропривод выпускной пары (24), вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания U скоростного режима транспортирования текстильного материала через зону термической обработки сушильной камеры, состоящей из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (25), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (17), а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (26), асинхронного двигателя (27) и редуктора (28), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (29), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (30) электропривода тянульной пары, и кинематически через редуктор соединен с выпускной парой (31).
з3
Электропривод тянульной пары (32), вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ, на третий вход которой поступает сигнал задания U скоростного режима тянульной пары, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (33), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (30), третий вход которого соединен с выходом датчика поверхностной плотности (23) текстильного материала, установленного на выходе сушильной камеры, а выход которого подключен через регулятор напряжения (34) к асинхронному двигателю (35), вал которого через редуктор (22) кинематически соединен с тянульной парой (36) и при этом микро-ЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами.
Комментарии к разработке и проектированию усовершенствованного способа управления тепловыми потоками процесса деформации текстильных материалов
Разработанное устройство для управления тепловыми потоками процесса деформации текстильных материалов представляет из себя сложный многомерный многодвигательный управляемый электротехнический комплекс (УЭТК), выполненный на базе современных комплектных энергосберегающих электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением и типовых промышленных датчиков температуры, давления, частоты вращения и поверхностной плотности текстильного материала. УЭТК спроектирован по модульному принципу и 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 пятнадцати секунд.
3. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: пуско-тормозных с заданной интенсивностью и в режиме стабилизации скоростных режимов сушильной камеры (СК).
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 имеющее место колебания питающего напряжения в установившемся режиме в пределах ±5%.
6. Электропривод сушильной камеры должен обеспечивать регулирование частот вращения в диапазоне 5:1.
Применение электропривода по системе «регулятор напряжения - асинхронный двигатель» позволяет наиболее рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь исходного сырья, тепловой и электрической энергии, 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.
В усовершенствованном варианте в качестве исполнительных устройств используются управляемые электроприводы, динамические характеристики которых оказывают влияние на качество регулирования натяжения и деформации. Известен способ регулирования натяжения и деформации (вытяжки), использующий в качестве регулирующего воздействия скорость движения теплоносителя [АС 883209]. При этом натяжение при синхронизации частот вращения рабочих органов электромеханической системы (ЭМС) меняется вследствие изменения соотношения более и менее прогретых частей материала, т.е. за счет изменения среднего эквивалентного модуля деформации. Этот способ позволяет независимо регулировать натяжение материала и его общую деформацию. Однако, на динамику регулирования влияет инерционность тепловых процессов нагрева материала и собственно теплоносителя. Кроме того, изменение интенсивности подвода тепла оказывает самостоятельное влияние на свойства материала и меняет соотношение времени прогрева и выдержки при заданной температуре при неизменном общем времени обработки. Ставится задача разработки системы автоматического регулирования (САР) параметрами продольной деформации за счет управления скоростью нагрева материала в зоне обработки. При одной и той же структуре построения САР возможно два варианта реализации поставленной задачи:
1. Регулирование натяжения материала изменением скорости его нагрева в зоне обработки, а регулирование вытяжки (деформации) осуществить путем изменения скорости транспортирования продукта.
2. Регулирование вытяжки материала изменением скорости его нагрева в зоне обработки, а регулирование натяжения продукта изменением его скорости транспортирования.
Авторами разработан комбинированный вариант САР как по натяжению, так и по вытяжке (деформации) обрабатываемого материала. На фигуре 1 приведена структурная схема САР деформации, обеспечивающая постоянство натяжения материала изменением интенсивности его нагрева.
Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение подается на блоки питания микро-ЭВМ, аналогово-цифровые преобразователи, регуляторы напряжения, датчики частоты вращения, датчики температуры, давления и поверхностной плотности материала.
Программа в микро-ЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного многодвигательного электропривода и следит за режимными показателями: температурой сушильного агента внутри СК, давлением поступающего в камеру воздуха, поверхностной плотностью продукта после термической обработки. Программа микро-ЭВМ устанавливает базовые скоростные режимы отдельно для электроприводов вентилятора, выпускной и тянульной пары, транспортирующих обрабатываемый материал согласно технологического регламента.
з1
з2
з3
В сушильной камере при помощи системы нагнетания теплоносителя, состоящей из последовательно соединенных регулятора давления (11), регулятора подачи воздуха (12), регулятора напряжения (13), асинхронного двигателя (14), редуктора (15), вентилятора (19) и калорифера (20) поддерживается заданная температура, регистрируемая датчиком температуры (9), установленным непосредственно в конце зоны термообработки материалов. Отсутствие теплообмена с прогретым материалом не искажает температуру теплоносителя. Материал перемещается в сушильной камере (2) посредством выпускной (31) и тянульной пары (36), кинематически связанных через редукторы (22) и (28) с асинхронными двигателями (27) и (35), изменяющими частоту вращения с помощью микропроцессорных регуляторов напряжения (26) и (34). Синхронизация частот вращения и регулирование пусковых и тормозных режимов осуществляется с помощью датчиков частоты вращения (16) и (29), сигналы с которых поступают на суммирующие устройства (17) и (30), где сравниваются с сигналами задания. Материал, перемещаясь в СК, подвергается термомеханической обработке, давление поступающего теплоносителя контролируется датчиком давления (17), сигнал с которого поступает в суммирующее устройство (6), одновременно с сигналом задания U. Из-за разных физико-механических характеристик продукта по длине натяжение последнего изменяется. Датчик (10) контролирует величину натяжения материала, выходящего из СК. При повышении натяжения сигнал датчика (10) поступает на суммирующее устройство (8), где сравнивается с результирующим сигналом, поступающим из суммирующего устройства (6) и сигналом обратной связи, поступающим от датчика температуры (9). Результирующий сигнал управляет скоростным режимом асинхронного двигателя (14), при этом изменяя интенсивность потока теплоносителя, направленного вентилятором (19) через калорифер (20) в сушильную камеру. Интенсивность обдува материала нагретым воздухом возрастает, что приводит к увеличению скорости нагрева продукта в СК до заданной температуры и увеличению времени прохождения нагретого до заданной температуры материала. Увеличение длительности термомеханической обработки материала в СК приводит к уменьшению натяжения. Синхронизация скоростных режимов электропривода вентилятора и электропривода приемной пары обеспечивается датчиком частоты вращения (16), сигнал которого поступает на суммирующее устройство (17) одновременно с сигналом задания U. Сформированный результирующий сигнал соответствует заданному скоростному режиму подачи текстильного материала в зону термической обработки согласно режимным показателям. Величина вытяжки контролируется с помощью датчика линейной поверхностной плотности (23), сигнал с которого поступает на суммирующее устройство (30), где происходит сравнение с сигналом задания U. Результирующий сигнал поступает на регулируемый электропривод тянульной пары (36), изменяя скорость транспортирования материала в СК и тем самым величину его вытяжки. Сигналы от привода вентилятора (19) и выпускной пары (31) сравниваются в суммирующем устройстве (18), где сформированный сигнал определяет уровень отклонения натяжения материала от заданного значения и длительность термомеханической обработки материала в СК. Степень деформации (вытяжки) материала определяется результирующим сигналом, сформированным в суммирующем устройстве (21) из сигналов соответствующих скоростным режимам выпускной (31) и тянульной пары (36).
Традиционно процесс обработки, транспортирования и наматывания текстильных материалов реализуют по натяжению, т.е. считают его основным, однако ряд исследований показывает, что натяжение материала - это внешнее воздействие, а деформация отражает проявление внутренних свойств, а это реакция одновременно на натяжение и температуру. То есть при контроле деформации фиксируется результат воздействия на материал тепловых, жидкостных и силовых полей. В итоге авторами за критерий оптимальности принята вытяжка (деформация) текстильного материала.
Установлено, что вопрос оптимального выбора величины натяжения и поддержания его на заданном уровне при транспортировании и наматывании волокнистого и текстильного материалов на данный момент остается наиболее малоизученным. Определено влияние натяжения на эффективность технологического процесса и качество обработки ткани. Установлено, что термическая обработка ткани с натяжением, значительно превышающим минимально допустимые, с одной стороны, обеспечивает устойчивое транспортирование ткани, с другой стороны, ткань получает большую вытяжку, превышающую допустимую усадку при последующей влажно-тепловой обработке.
Натяжение ткани влияет на расход потребляемой мощности. При обработке ткани с меньшим натяжением сокращается расход электрической энергии в среднем на 8-10%.
Применение регулируемого электропривода с микропроцессорным управлением зонами деформации позволяет осуществить обработку тканей с заданным натяжением, что обеспечит уменьшение вытяжки тканей по основе, сократит усадку по утку, а после термической обработки снизит деформацию почти в два раза. Управляя натяжением можно полностью исключить нежелательную остаточную деформацию полотна.
Определены основные причины усадки тканей и нетканых материалов, установлены пути ее снижения за счет управления скоростными режимами транспортирующих и наматывающих механизмов.
Используя основные положения теории автоматического регулирования, определена последовательность исследования устойчивости и качественных показателей исследуемой модернизированной системы автоматического регулирования деформации в зоне термической обработки. При исследовании разработанной системы управления проведен анализ современных методов анализа качества переходных процессов регулирования. Установлено, что наиболее рациональным для предварительных исследований является косвенный (упрощенный) метод анализа САР. На основе проведенного анализа технической литературы и патентного поиска осуществлен выбор объекта исследования и анализ его технических и технологических показателей. В качестве объекта исследования выбрана сушильно-ширильная машина СШ-2-164Ш отделочного производства текстильных материалов, представляющая собой сложный многомерный динамический объект с четырьмя зонами деформации обрабатываемого материала.
Целью частичной модернизации исследуемого объекта является обеспечение заданных технологических параметров обработки ткани за счет совершенствования процесса управления положением оси ткани и ее шириной путем синхронизации скоростных режимов рабочих органов, обеспечивая заданное (оптимальное) натяжение продукта по зонам деформации. Анализ переходных процессов и качественных показателей для исследуемой системы автоматического регулирования проводился с использованием программной среды Matlab в следующей последовательности.
1. Анализ переходных характеристик зон деформации текстильного продукта.
2. Оценка устойчивости систем с помощью годографа Найквиста, карты нулей и полюсов и логарифмических амплитудно-частотных характеристик.
3. Оценка динамических свойств систем на воздействие импульса в виде дельта-функции с помощью импульсной переходной функции.
Анализ результатов исследований показал, что САР устойчива и оценивается удовлетворительными качественными показателями.