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论文 论文五日: 撇制品加工过程中温度控脯机理 厦装鲁设计较件的研究开发 姓 名 指导●t柙 刘彦昌,胡海明 学科专业 机械设计及理论 专业代再 爵财向 , 高丹子材科加工机椎理论研究置工程应用 20嘶年5月B R 青岛科技大学研究生学位
论文 橡胶制品加工过程中温度控制机理 及装备设计软件的研究开发 摘要 本课题是与青岛科高橡塑机械技术装备有限公司合作而进行的科研项目,主要是对橡胶制品加工过程中温度控制机理进行实验.从而得出橡胶制品加工过程中合理的温度控制,并对其进行分析,在此基础上开发出温控装备的设计软件。
在深入
学习面向对象技术、参数化技术和数据库
管理系统的基础上,本文完成了基于面向对象技术的板式换热器和泵的参数化设计系统的开发和面向对象特征的均温罐参数化设计系统的开发。
本课题采用面向对象的思想实现了设计过程的参数化;实现的主要功能是根据程序设计要求自动处理提交参数,系统自行完成机构的设计计算和分析选择,设计结果自动保存并生成输出设计
文档。
本谋题以密炼机的温度控制系统为例,对密炼机在橡胶加工过程中温度控制机理进行了研究分析,并对温控装置基本配置和结构参数进行阐述。
本课题采用面向对象的思想,抽象出温控装置类来表述温控装置对象,通过温控装置的设计计算
程序对温控装嚣各机构进行计算分析和选择
查询。
温控装置的参数化设计计算采用面向对象的程序编制方法在Windows平台上用Visual Basic进行开发。
用SQL Server技术建立适合面向对象技术的数据库,完成对数据库的访问。
基于AutoCAD2000,使用vB和Object ARX 2000开发工具分别对标准的零部件或
常用件进行参数化绘制,最后按照相互之间的位置关系,将它们组装成一个较为完整的图形,实现了温控装置设计系统的参数化。
温控装置参数化设计系统结合面向对象技术和参数化
设计计算的思想,充分利用各相关技术,对温控装置的各个机构进行参数优化设计计算,方便设计人员设计,缩短了设计周期,提高了工作效率。
关键词:温度控制机理温控装置面向对象技术参数化技术数据库SQL 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 STUDY ON TEMPERATURE CONTROL MECHAN I SM AND 0EVELOPMENT ON THE DESIGN SOFTWARE OF EQUlPMENT lN THE PROCESS OF RUBBER PRODUCT PROCESS I NG ABSTRACT The thesis is scientific research item that we cooperate with QingdaoKegao Rubber&Plastic Mechanical Technical Equipment Limited Company toimplement it.We aim to accompl ish the test and study on temperaturecontrol mechani sm to achieve reasonable temDerature control in the processof rubber product processing and analyze it then develop the designsoftware of equipment on the basis of i t. On the basis of further study of object—oriented techno〕ogy,parametric technology and database access technology,thi s paper hascompleted the design and development of plate type heat exchanger andpump parametric design and computing system based on object~orientedtechnology and equal temperature jar parametric design and computingsystem based on object—oriented feature.Parameterization of designprocess is realized by adopting object—oriented method,according toprogram design demand:the main function of this system is to manage thedesigning parameters submi tted,design,computation,analysis and selectof mechanism are finished,simultaneously,the result of design is autosaved and document of des ign is exported. This thesis takes TCU of mixer as an example,temperature controlmechanism in the process of rubber product processing about mixer has beenexamined and analyzed,and summarize the basic configure and structural 青岛科技大学研究生学位
论文parameter.TCU class is abstracted to demonstrate corresponding objectby adopting object一0riented method,des{gn and cotRpn ring program is toarialyze,compute,query and select TCU component. Object—oriented programming method iS adopted to exploit thiS systemby using Visual Basic at Windows platform.Database iS established by SQLServer technology,which is adapt to object—oriented technology and canbe successfully accessed.On the platform of hutoCAD2000.parametriCdrawing of standard parts and components are done by integrating VB withObjectARX2000.Finally,these drawings of standard parts are assembledinto a complete graph,and parametric design system of TCU is realized. The ideas of object—oriended technology and parametric designcomputation are combined to construct this paraaetric design system ofobject—oriented technology.The corresponding technology iS fullY usedto design and compute partial mechanism of TCU.ThiS system makes thedeviset’S design convenlent and design period is shortened,and in themeantime work efficiency iS improved.KEY WORDS:temperature control mechani sm,temperature control uni t,object~oriented technology,parametric technology,database,SQL Server 11l 青岛科技大学研究生学位
论文 第一章绪论 在橡胶加工的过程中,胶料与加工设备接触部分的强烈剪切与摩擦以及胶料本身之间所产生强烈的内摩擦,都会产生火量的热量。
这些热量势必会引起被加:〔的胶料的温度升高。
在塑炼过程中如果温度过高,将会导致橡胶分子的分解和焦烧;在混炼过程中如果温度过高,将会导致胶料的早期硫化。
同样,在挤出过程中胶料温度过高,也会导致早期硫化。
这些问题在橡胶加工中是绝对不允许的。
在早期的橡胶加工中,人们通常采用传统强制冷却的方法来带走加工过程中所产生的大量热,从而降低胶料的温度。
然而,在现代的橡胶加工中,采用恒温热水冷却方法大有取代传统强制冷却方法的势头。
实践也表明,工业化国家中的现代密炼机、挤出机和压延机几乎清一色采用了实施恒温热水控制的热水循环温控装置;在国内的冷喂料挤出机和部分密炼机、压延机也采用了热水循环温控装置。
采用这种热水循环温控装置,不仅可提高产品质量,而且还可提高生产效率。
随着时间的推移,热水循环温控装置在橡胶工业上的应用将会越来越普遍。
【l J本课题主要对密炼机的温度控制进行研究,然后在此基础上开发出温控装备的设计软件。
1.1橡胶加工过程中温度控制的研究现状分析及发展趋势 过去(甚至现在)不同的橡胶厂所采用的冷却系统都不尽相同。
早期密炼机的转子靠冷却水冷却,每一转子沿其纵身设置淋管,“废水”或用过的水从终端排水管返回到工厂的冷却水系统中。
密炼机侧壁夹套起先采用喷淋冷却,有些是采用泛流冷却,后来开发出空芯管注水冷却。
滑动式下顶栓也是空芯的,使水沿其表面周长穿行,以冷却与混炼胶接触的表面。
温度控制方式采用手动,即用手动阀门控制冷却水的流量。
当冷却水的流量超过电磁阀极限值时,调节电磁阀的开关。
此种冷却是不连续的冷却。
. 1950年以后,人们逐渐采用工厂再循环系统,但仍然靠手动阀来控制由冷却 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计
软件的研究开发塔过来的水源,实现了较高的功率和速度。
20世纪70年代,采用冷却水制冷几乎成为当时一些橡胶生产厂家所追求的时尚。
有些人,尤其是橡胶助剂配方者们认为,如果需要冷却,那就越冷越好。
在制冷冷却系统得到认可后,人们逐渐发现密炼机冷却系统能够获得两种效应:冷却不足或冷却过度。
(1)冷却不足的效应 由于热传递与混炼胶所要求的差的很远,混炼胶的温度上升得太快:混炼时间不足,导致混炼胶的温度迅速上升;局部焦烧,尤其是过热的密封部位:产品质量下降:
机械设计人员欲使转予端部产生更大剪切作用的设计受到限制。
(2)过度冷却的效应 冷却水太冷,胶料在转子端部与夹套空腔间承受剪切时,胶料出现打滑现象并不抓着转子和夹套表面,而这正是传递适当机械能量以获得良好分散所必经之道:由于混炼胶与密炼机侧壁之间产生摩擦,混炼胶局部温度迅速上升(比如将热电偶穿过冷胶表面,热电偶很快显示出80~90℃);混炼时间延长:由于混炼室内形成冷凝胶,加工困难。
最初的解决方法很简单,就是关闭部分供水阀以减少冷却水流量。
这样做缩短了混炼周期,能够使胶料分散更佳。
但是,随着密炼机金属壁的温度的升高,当温度超过首几批胶料达到的正常
作业温度时,就会出现“首批胶料效应”的
问题。
首批胶料效应是指,头几批胶料的混炼周期明显的长,在将其置于混炼室之后,这些混炼胶与后些批混炼胶fl,ODHm性能极为不同。
1970~1980年初,人们逐渐意识到混炼室内表面温度较高会带来一些实际好处。
这样,不仅混炼室内表面严重的冷凝问题解决了,而且当时美国和英国所进行的研究也表明,混炼的生产率和质量都有提高。
例如:人们发现,当循环冷却水温从20℃上升到30℃时,胎面合成母炼胶的生产率能够上升16%。
对大型密炼机来说,循环水温从24 oc上升到55℃,混炼时间能从3分45秒降到2分42秒,生产率提高了28%,炭黑分散率达到98%。
当时很多证据表明,提高水温可使产品质量和生产率有所上升。
机器温度较高可利用的副效应是“首批胶料效应”降低,另一个益处是由于在整个混炼过程循环水温…直恒定,能够使逐批胶料获得更加一致的加工性能,同时还为后续工艺提供了很大的方便,为客户提供满意的数据。
1980年卡特公司的水温调节装置开发成功,有开放式和密闭式两种设计。
采 青岛科技大学研究生学位
论文用三区段温控系统。
即对密炼机侧壁、转子利下顶栓分别进行温度控制。
理由是密炼机的每一部分执行的是不同的操作功能。
开放式系统(如图1—1)是水直接由冷却塔或工厂其他水源而来,温度不能直接控制,而且与大气始终相通,易发生氧化作用。
所以其循环水温限制在80℃左右。
图1一l开放式冷却水温度调节系统 Fig l一1 Open Temperature Adjust System of Cooling Water 密闭式温控系统(如图卜2)正如其名所示,是全封闭系统,通过热交换器输入或排出热能。
该系统通过计量阀(空气操作)的调节达到冷却。
此闷不再将冷却水排到再循环生产用水系统,而是直接排到普通“板式”热交换器的另一侧。
通过热交换器也能将f司接的热能传递给生产用水。
加热介质或为蒸汽或为电浸入式加热器。
这就使生产用水的温度控制有了很大的灵活性,它能利用PID控制器件等,使水温波动保持在±1.5℃或者更高的精度上。
生产用水一直在循环不易结垢。
90年代以后,在混炼设备上采用热水的冷却方式,逐渐得到人们的认可。
计算机控制的自动混炼开始普及。
【2j 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 感器 路蕞 由工厂冷却水补充供水系统 图1—2密闭式水温调节系统 Fig 1—2 Closed Water Temperature Adjust System 过去在温度控制装置中进行热交换的换热器大多是固定管板式换热器。
所谓固定管板式,即两端管板和壳体连接成一体的结构形式。
因此它具有结构简单和造价低廉的优点,但壳程清洗困难,这就要求壳方流体应是较清洁且不容易结垢的物料。
且其具有占地面积大,效率低,易结垢等缺点。
因此,在湿控装置中逐渐被板式换热器取代,而板式换热器与之相比有如下优点。
板式换热器的主要优点是: (1)总传热系数高 (2)占地面积少 (3)多种介质换热 (4)对数平均温差大 (5)末端温差小 (6)使用方便 在经过多年的发展演变,并且比较各种温控结构的优缺点后,现在对密炼机的温度控制逐渐选择密闭式循环系统,并且选用板式换热器替代管壳式换热器进行热交换己成为发展趋势。
1.2橡胶制品加工过程中温度控制机理 在密炼机混炼之前,温控系统要将各被控区段的温度预热到设定值。
在混炼 4 青岛科技大学研究生学位沦义叫,电机做功把电能转换为机械能,机械能又大量地转换成为热能,温控系统通过换热带走热量,使被控温度基本恒定,从而使排胶温度稳定并在工艺条件所约束的波动范围之内。
因此,温控系统的运行可以看作是静态(预热升温)和动态(正常混炼)维持被控温度恒定的过程。
用于橡胶的密炼机温控系统,由于被控温度在lOo℃以下(囡胶料的工艺性能),故通常采用软化水作为工作循环介质。
1.2.1橡胶制品加工过程中进行温度控制的原因 在密炼机进行混炼过程中,电机做功把电能转换为机械能,由于胶料在两转子突棱与密炼室壁之间受到强烈剪切、拉伸和撕裂等作用,其机械能转化为大量的热能【3 J。
因此,必须随时将胶料产生的这一高热量排出机外,以保持胶料在混炼过程中有稳定的粘度和有效剪切作用,达到良好的混合分散效果并避免焦烧现象的发生。
如何将密炼室内的温度控制在适合于胶料的混炼温度范围内,一直是人们研究的课题。
以前人们通常都是采用冷却水直接冷却密炼机。
冷却水温度过低,易产生“露水”效应,使摩擦和剪切作用降低,引起分散效果下降:冷却水温度过高又不能达到冷却效果。
为了避免产生“露水”效应,使摩擦和剪切作用降低,引起分散效果下降和为了保证产品质量的均匀性和一致性,在混炼过程中要采用恒温水对转子、密炼室等部件进行冷却。
采用恒温水冷却的优点在于: (1)由于密炼室能始终保持恒定的、适当的混炼温度,使得混炼一开始就具有最大的剪切作用和最小的滑动,避免胶料排空时,因室壁温度过低,新加胶料与室壁的摩擦而消耗过多的能量。
实验证明:在混炼过程中,采用恒温水冷却控制的混炼胶温升,明显低于采用低温冷却水的。
(2)不同的配方,由于其性能不同,其最佳混炼温度也各不相同。
当密炼机的混炼温度处于最佳的时候,密炼室中的混炼胶温度梯度就会减小,配合剂能迅速混入且易于均匀分散。
(3)采用恒温水冷却,使得进、出口水的温差均匀恒定,各批料的温度变化曲线是一致的。
在混炼的胶料排出后,冷却水的温度马上恢复到初始设定温度,这就消除了密炼机
工作时开始几批胶料质量与以后胶料质量的不一致或冬夏季的气候变化所引起的胶料质量波动。
橡胶制品加工过程中温度控制机堡发装各设计软件的研究开发 (4)采用恒温水冷却,可根据工艺方法和工艺条件以及混炼设备不同,任意选择最适当的混炼温度。
14 法勒尔公司在密炼机采用热水循环方法得到如下的结果: (1)缩短混炼周期达50%: (2)峰值功率低,能耗节省10~20%: (3)减少冷却水消耗达80%: 热水循环装置一个突出功能是使热水在系统中不断循环,如果系统中的温度高于设定温度,供水系统向循环回路供水使系统温度降低,但是热水循环装置的控制系统只允许供冷水的时间只能小于一个控制循环周期的L5%,其余时间除加热外,均为死带(既不加热,也不冷却)。
因而,在整个过程使用的冷却水比通常连续冷却操作的消耗水量降低85%。
(4)大大降低没备热应力,延长机体寿命: (5)改善混炼胶的分散度; (6)增大填充系数; (7)消除许多操作误差; (8)保持每批胶料之间的均匀性; (9)为配方人员提供控制参数的新方法。
bj1.2。
2橡胶制品加工过程中温控机理 胶料温度的控制是橡胶加工中最重要的操作条件,有人甚至把温度精确控制称为橡胶加工的生命线。
密炼机混炼过程中胶料温度的控制尤为重要。
冷却水温度过低,会使金属部件太冷,易产生“露水”效应,使摩擦和剪切作用降低,橡胶不会粘在金属面上,而会在表面上滑过,并且由于摩擦使胶料太热。
冷却水温度过高又不能达到冷却效果,金属部件太热,橡胶就会粘住,从而使胶过热和分解。
为了避免产生“露水”效应和保证产品质量的均匀性和一致性,必须对冷却水的温度进行予以控制。
通过换热器进行流体温度的调节主要有2种类型:一种是换热器中无间壁,冷热流体可直接接触,在接触过程中发生热交换,以调节流体温度;另一种是换热器中有间壁,冷热流体不相接触,分别从间壁(板或管)两侧流过,热流体热量以对流方式传给壁面,经过壁面导热后再以对流方式传给冷流体。
由于这一类型换热器应用较多,本文主要讨论此类温控装置的设计。
系统工作时热流体可在密 青岛科技大学研究生学位
论文炼机流道与温控装置中循环流动。
混炼时,胶利向密炼机流道壁面传递(或吸收)热量,壁面再传给在流道巾流动的热流体,热流体在温控装置中与问壁另一侧的冷流体进行可控热交换,使循环流体维持一定温度值以实现刘胶料的稳定温度控制。
17】 、 不同的橡塑生产机械有多个不同温度控制阶段,每一段称一个通道,因此温控装置与不同的橡塑机械配套决定了温控装置的配套数。
无论几个通道,其每个通道的结构相同。
对各式_i同的密炼机来说,温度控制系统是必需的配套装置之一。
密炼机规格的不同,其温控区段的数量也不同。
以一台典型的巾270密炼机为例,它有三段相互独立的温度控制系统,分别控制混炼室、转子和下顶栓的温度。
温控系统在密炼机混炼之前,要将各被控区段的温度预热到没定值。
在混炼时,由于机械能大量地转换成为热能,温控系统又要通过换热带走热量,使被控温度基本恒定,从而使排胶温度稳定并在工艺条件所约束的波动范围之内。
因此,温控系统的运行可以看作是静态(预热升温)和动态(正常混炼)维持被控温度恒定的过程。
温控系统由于包括密炼机主机起动前的预热升温和主机运行过程中的恒温(向系统输入热量或将系统内热量带出),因此对闭路循环介质水有升温和降温两路运行系统,当然,它们是处在温度控制调节仪表的控制之下。
密炼机的温控装置可以是多种多样的,按控制系统的加热介质可分为电加热型、热油加热型和蒸汽加热型;按控制系统的冷却方式可分为间接冷却和直接冷却型;按控制系统的循环方式又可分为封闭型和开放型;以及按控制系统的控制方式可分为电动控制型和气动控制型。
温控系统的一般形式有蒸汽加热智能温度控制系统、热油加热型智能温度控制系统、电加热直接通冷却水和电加热f司接通水冷却温控装置。
m 蒸汽加热智能温度控制系统是以蒸汽直接注入闭路循环水温度控制系统,这是早期引进的密炼机温控系统配置之一。
该系统在工作中是以温度调节仪表直接输出O~10V的PID调节信号至2只薄膜调节阀,两阀则分别以相对应的阀门开度向系统注入蒸汽(升温)或注入常温水(降温)使系统的温度维持在设定值附近。
系统内过高的压力由压力控制阀泄压,水和蒸汽是通过一个喷射混合器进行混合。
热油加热型智能温度控制装置在均温罐里通入循环油,加热时采用电加热, 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发冷却时采用风冷却的方法。
控温范围在一20。
C~350。
C(循环介质为油)之间,控制精度±】℃。
电加热、问接通水冷却的温控系统是绝大多数国内外厂商都采用的温控形式。
陔系统的加热是通过仪表~接触群或固态器件一电加热器实现。
冷却是通过仪表一电磁阀一换热器实现。
循环水和冷却水是完全独立的两套管路,即利用冷却水通过换热器带走循环水中的热量而使系统降温,也就是间接冷却。
图卜3是三通道、密炼机用电加热板式换热间接冷却型智能温控装置其中一个通道的原理图。
图卜3电加热板式换热(间接冷却)智能温度控制系统原理图 Fig 1-3 Principle Chart about Aptitude Temperature Control System of Electricity Heating Plate—type Heat Exchange(C00ling Indirectly) 1一补充软化水进口阀门 2、4、l 3、1 7一过滤器 3一冷却水进口阀门 5一冷却水磁阔 6~单向阀 7一电加热器 S一温度限制开关 9--渡住剥控开关 1 0--自动排气阀· 11一安全阀 l 2一压力控制开关 1 4一循环泵 1 5一排污阀 1 6一排气泄压电磁阁 1 8一板式换热器 1 9一系统时问常数调节阀 2 0一均温罐 本装置的循环介质采用水循环,循环回路由水加热用均温罐、高级轻型节能循环泵、板式换热器、电磁阀、过滤器、循环管路元件等部分组成。
电加热温控 8 青岛科技大学研究生学位
论文装置,一般有三个控制通道,分左、中、 右并排,在热工管路系统上.