Введение к работе
Актуальность темы. Качество и эксплуатационные характеристики кабельного изделия в значительной степени зависят от правильности выбора технологического режима его изготовления. Соблюдение всех нормативных параметров кабеля, в частности толщин накладываемых на токопроводящую жилу полимерных изолирующих и полупроводящих слоев, является весьма нетривиальной задачей, поскольку в ходе технологического процесса формования изоляции существует ряд параметров, влияющих на качество готового изделия. На сегодняшний день подавляющее большинство предприятий, выпускающих кабели с многослойной полимерной изоляцией, подбирают технологические режимы лишь на основании общих рекомендаций производителей оборудования, натурных экспериментов и практического опыта технологов, что, безусловно, не являться рациональным с точки зрения качества конечного продукта и производительности линии в целом. Поэтому одной из актуальных задач кабельной промышленности является автоматизация процесса управления формованием многослойной полимерной изоляции и подбора рациональных режимов данного процесса. Проблемы автоматизации и управления в процессах экструзии и формования изоляции рассматривались в работах многих авторов (Малафеев С.И., Сагиров С.Н., Кижаев С.А., Митрошин В.Н.). Разработке математической модели стратифицированного течения посвящены исследования среди известных авторов (Первадчук В.П., Янков В.И, Мартин М.Т., Коатес П.Д. и др.). Однако практически отсутствуют результаты работ, описывающие системы автоматизированного управления процессом формования многослойной изоляции, в основе которых были бы заложены модели многослойного течения аномально вязких жидкостей в коническо-цилиндрических каналах кабельной головки.
Объектом исследования являлся процесс течения полимеров в каналах кабельной головки при наложении многослойной полимерной изоляции.
Цель работы. Разработка методики и алгоритмов автоматизированного управления процессом наложения многослойной полимерной изоляции при производстве кабелей, обеспечивающего заданное качество выпускаемой продукции.
Задачи исследования. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
построить математическую модель стратифицированного течения расплавов полимеров с различными теплофизическими и реологическими свойствами в каналах кабельной головки;
-
разработать методику и алгоритмы определения оптимальных управляющих воздействий, поддерживающих в ходе технологического процесса максимальную скорость изолирования при обязательном соблюдении условий обеспечения качества изолируемого провода;
-
разработать алгоритм параметрической идентификации математической модели в режиме управления процессом экструзии;
-
реализация и практическая апробация разработанных методик и алгоритмов на производстве.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием теорий тепломассопереноса, теории управления, методов математического моделирования, а также натурных и вычислительных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
построена новая математическая модель, описывающая неизотермические процессы тепломассопереноса трехслойного течения аномально-вязких расплавов в коническо-цилиндрических каналах;
разработаны новые методики и алгоритмы расчета сочетания управляющих воздействий, позволяющие поддерживать в ходе технологического процесса максимальную скорость изолирования при соблюдении условий обеспечения качества изолируемого провода;
построены расходно-напорные характеристики каналов кабельной головки с учетом взаимного влияния каналов;
разработан уникальный алгоритм параметрической идентификации математической модели в режиме управления процессом экструзии.
Практическая значимость работы:
построенные расходно-напорные характеристики каналов кабельной головки и сформированная база данных позволяют в режиме реального времени управлять процессом формования многослойной изоляции;
предложенная структура системы автоматизированного управления процессом формования изоляции обеспечивает возможность коррекции управляющих воздействий на основании данных наблюдения за процессом;
разработанная новая геометрия каналов кабельной головки позволяет оптимизировать потоки расплавов полимеров;
разработанный уникальный алгоритм параметрической идентификации модели позволяет уточнять оптимальные параметры процесса при неполной информации о свойствах перерабатываемых материалов;
математическая модель процесса формования полимерной изоляции и методика автоматизированного управления могут быть использованы при разработке нового экструзиионного оборудования в составе линий по производству кабелей с многослойной полимерной изоляцией.
Реализация результатов работы: с использованием разработанных методик внедрены на ООО «Камский кабель» (г. Пермь) режимы экструзионного наложения многослойной полимерной изоляции на существующем оборудовании, а также выполнена новая геометрия формующего инструмента, реализованы методики прогнозирования выходных показателей экструдируемой многослойной полимерной изоляции и рекомендации по соблюдению условий обеспечения качества изолируемого кабеля.
На защиту выносятся: методика и алгоритмы расчета оптимальных управляющих воздействий, поддерживающих в ходе технологического процесса максимальную скорость изолирования при обязательном соблюдении условий обеспечения качества провода; математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в каналах кабельной головки, сопровождающие процесс экструзионного формования многослойной изоляции; методика и алгоритмы автоматизированного управления технологическим процессом экструзии; алгоритм параметрической идентификации математической модели процесса формования многослойной изоляции в режиме управления.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается анализом практической сходимости численных решений, а так же удовлетворительным совпадением результатов с данными численных и натурных экспериментов других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Нижний Новгород, 2006 г.); 15-ой Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2007 г.); 2-й Международной интернет-конференции молодых ученых, аспирантов, студентов (г. Пермь, 2010 г.); 17-ой Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2011 г.); 17-й Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (г. Алушта, 2011 г.); 5-й Юбилейной Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2011 г.), а также на научных конференциях «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2005–2011 г.г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, приложения. Общий объем работы 95 страниц, в том числе 46 рисунков, 6 таблиц.
Похожие диссертации на Управление процессом формования многослойной полимерной изоляции при производстве кабелей среднего напряжения
