Ефремова Дарья Геннадьевна

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
ИМЕНИ К.Г. РАЗУМОВСКОГО»
(ПКУ)
КАФЕДРА «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Ефремова Дарья Геннадьевна
(студентка 6 курса специальности 230102.65)
Сравнительный анализ экструзионных данных в условиях
информационной неопределенности
Руководитель: д.т.н., доцент Николаева С.В.
Москва
2015
2
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ЦЕЛЬЮ
ДАННОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
ЯВЛЯЕТСЯ ПРОВЕСТИ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
ЭКСТРУЗИОННЫХ
ОБЪЕКТОВ
В
УСЛОВИЯХ
ИНФОРМАЦИОННОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ.
Прогнозирование параметров экструзии
при угловых скоростях шнека,
превышающих экспериментальные
ЗАДАЧИ
Разработка модели параметров
экструзии с учетом физики сплошных
сред
Выбор оптимальных угловых скоростей
вращения шнека
3
ЭКСТРУЗИЯ
ЭКСТРУЗИЯ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ НЕПРЕРЫВНЫЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, В РЕЗУЛЬТАТЕ КОТОРОГО
ГОТОВЫЕ
ИЗДЕЛИЯ
ПОЛУЧАЮТСЯ
ПОСРЕДСТВОМ
ПРОДАВЛИВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МАТЕРИАЛА СКВОЗЬ
ФОРМИРУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ.
К основным методам экструзии можно отнести:
Метод холодной экструзии
Метод теплой экструзии
Метод горячей экструзии
4
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЭКСТРУЗИОННЫХ МАШИН
 ОДНОШНЕКОВЫЕ
Являются наиболее простым оборудованием для экструзии. Такие экструдеры
широко применяются для производства листов, труб, пленок, профилей.
 ДВУХШНЕКОВЫЕ
•
•
Конические экструдеры перерабатывают ПВХ, в виде порошка или гранул и
предназначен для изготовления профилей. Данный тип машин генерирует
давление, которое обеспечивает высокий уровень гомогенизации расплава
ПВХ в условиях короткого рабочего цикла.
Параллельные экструдеры. В данном типе система охлаждения жидкостью
позволяет регулировать температуру расплава.
 ПОРШНЕВЫЕ
Применяются редко из-за невысокого уровня пластификационной
производительности и давления.
 ДИСКОВЫЕ
Работа заключается в перемещении полимерного сырья и нагнетании давления
благодаря адгезии материала подвижными частями конструкции машины. Также
используются редко.
5
КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ
ЭКСТРУДЕРА
6
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭКСТРУДЕРА
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ШНЕКА:
А – ШНЕК ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ С ТРЕМЯ ЗОНАМИ;
Б – ШНЕК ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ВЫСОКОКРИСТАЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ;
В – ШНЕК ДЛЯ ЭКСТРУЗИИ ПВХ;
7
ЗОНА ПИТАНИЯ (I)
Поступающие из бункера гранулы заполняют межвитковое
пространство шнека зоны I и уплотняются. Продвижение гранул
осуществляется вследствие разности значений силы трения полимера о
внутреннюю поверхность корпуса и о поверхность шнека. Поскольку
поверхность контакта полимера с поверхность шнека больше, чем с
поверхностью корпуса, необходимо уменьшить коэффициент трения полимера
о шнек, так как в противном случае материал перестанет двигаться вдоль оси
температуры стенки корпуса и понижением температуры шнека.
В зону подается тепло от нагревателей, расположенных по
периметру корпуса. Если температура корпуса такова, что начинается
преждевременное плавление полимера у его стенки, то материал будет
проскальзывать по этой поверхности, т.е. вращаться вместе со шнеком.
Поступательное движение материала прекращается. При оптимальной
температуре полимер спрессован, уплотнен и образует в межвитковом
пространстве твердую пробку. Лучше всего, если такая скользящая пробка
образуется и сохраняется на границе зон I и II.
8
ЗОНА ПЛАСТИФИКАЦИИ И ПЛАВЛЕНИЯ (II)
Схема плавления пробки материала в зоне II в межвитковом сечении шнека.
1 - стенки цилиндра;
2 - гребень шнека;
3 - потоки расплава
полимера;
4 - спрессованный твердый
полимер (пробка) в экструдере.
9
ЗОНА ДОЗИРОВАНИЯ (III)
Продвижение
гетерогенного
материала
сопровождается
выделением внутреннего тепла, которое является результатом интенсивных
сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает
гомогенизироваться что проявляется в окончательном плавлении остатков
твердого полимера, усреднении вязкости и температуры расплавленной
части. Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое
необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи
его в головку, уплотнения и в итоге – для выхода сформированного изделия.
10
ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ЭКСТРУЗИОННОГО ПРОЦЕССА
ПРИ РЕГРЕССИОННОМ СТАТИСТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ
БЫЛИ НАЙДЕНЫ ПАРАМЕТРЫ A, B, C, … ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
ЗАВИСИМОСТИ F ОБЩЕГО ВИДА
Y = F(; A, B, C, …) + H,
ГДЕ  – ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА ЭКСТРУДЕРА;
H
ОСТАТОК,
ОБУСЛОВЛЕННЫЙ
СЛУЧАЙНЫМИ
(НЕУЧТЕННЫМИ) ФАКТОРАМИ, В ТОМ ЧИСЛЕ И ОШИБКОЙ
ЭКСПЕРИМЕНТА.
11
Проведённый с помощью статистического пакета Statgraphics
регрессионный анализ показал, что для всех экспериментальных данных
статистически значимыми являются следующие двухпараметрические
зависимости:

b 

Y

exp
a



 reciprocal (обратная) 
  ;

 exponential (экспоненциальная) Y = exp(a + b);
 quadratic equation (квадратичная) Y = (a + b)2;
 linear (линейная) Y = a + b ;
 square root (корень квадратный) - Y  a  b ; υ
 multiplicative (мультипликативная) - Y = a b ;
 logarithmic (логарифмическая) -
Y = a + b ln ;
Y 
 double reciprocal (дважды обратная)  S-curve (S-кривая) -
b

Y  exp  a   ;


 reciprocal (обратная) -
Y a
b

.
1
b
a

;
12
Из всех найденных зависимостей введённой дополнительной
технической предпосылке анализа (асимптотическое поведение
параметров при увеличении скорости вращения шнека)
удовлетворяют три зависимости: дважды обратная - Y 
S-кривая -
b

Y  exp  a  
 
1
b
a 

,
обратная по  - Y  a 
b
.

При этом сравнительный анализ показал, что по своим статистикам
наиболее достоверной является дважды обратная зависимость –
Y
1
b
a

.
,
13
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ
МОЛЕКУЛ ВЕЩЕСТВА В ЭКСТРУДЕРЕ
Θ-УГЛОВЫЕ КООРДИНАТЫ ЧАСТИЦЫ ОБТЕКАЮЩЕЙ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ,
R-РАДИУС,
Φ-РАДИАЛЬНЫЙ УГОЛ,
-УГЛОВАЯ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА,
-УГЛОВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СКОРОСТИ ЧАСТИЦЫ СПЛОШНОЙ СРЕД
14
ДЛЯ УЧЁТА СВЯЗИ ЧАСТИЦ СРЕДЫ СО ШНЕКОМ ВВЕЛИ КОЭФФИЦИЕНТ
ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ :
(R = R, ) =   R SIN
БЫЛО ПОЛУЧЕНО, ЧТО ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ
СПРАВЕДЛИВО СООТНОШЕНИЕ
1
α
1 3
γ
β
 - ПОСТОЯННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ, А КОЭФФИЦИЕНТ  ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
МОЛЕКУЛЯРНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ СРЕДЫ:
β  0,7 
mkT
πa04
КОЭФФИЦИЕНТ ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ СВЯЗАН СО СРЕДНЕЙ СКОРОСТЬЮ
ТЕПЛОВОГО
МОЛЕКУЛЯРНОГО
ЗАВИСИМОСТЬЮ
α
a
ДВИЖЕНИЯ
1
b
 υ   α υ R sin θ
ДВАЖДЫ
 υ 
kT
m
ОБРАТНОЙ
15
УЧИТЫВАЯ СЛУЧАЙ ПОЛНОГО ПРИЛИПАНИЯ,
ПОЛУЧИМ
ЗАВИСИМОСТЬ
КОЭФФИЦИЕНТА
ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ ОТ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА,
СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ
ДВАЖДЫ
ОБРАТНОЙ
ЗАВИСИМОСТИ:
Y 
1
b
a
υ
16
ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ВЗРЫВЧАТОСТИ K
ОТ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА 
17
ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЯ СРЕЗА Q ОТ ЧАСТОТЫ
ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА 
18
ЗАВИСИМОСТЬ РАБОТЫ РЕЗАНИЯ A ОТ ЧАСТОТЫ
ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА 
19
ЗАВИСИМОСТЬ ОБЪЕМНОЙ МАССЫ М ОТ ЧАСТОТЫ
ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА 
20
КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКСТРУЗИОННОГО
ПРОДУКТА
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
21
 НА ОСНОВЕ ФИЗИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД СОЗДАНЫ МОДЕЛИ И
РАЗРАБОТАНЫ
ЧИСЛЕННЫЕ
МЕТОДЫ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ
ПИЩЕВЫХ
ПРОДУКТОВ (НА ПРИМЕРЕ ЭКСТРУЗИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ) С УЧЁТОМ
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
КОМПОНЕНТОВ
РЕЦЕПТУРНОЙ
СМЕСИ
И
ПАРАМЕТРОВ
РАБОЧЕГО
ОРГАНА
ЭКСТРУДЕРА, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ НАХОДИТЬ ОПТИМАЛЬНЫЕ СКОРОСТИ
ВРАЩЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ЭКСТРУДЕРА.
 ОПРЕДЕЛЕНА ОПТИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА
ЭКСТРУДЕРА - 240 ОБ/МИН. ПРИ ДАЛЬНЕЙШЕМ УВЕЛИЧЕНИИ
СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ШНЕКА ПОКАЗАТЕЛИ (КОЭФФИЦИЕНТ
ВЗРЫВЧАТОСТИ K, ОБЪЕМНАЯ МАССА M, НАПРЯЖЕНИЕ СРЕЗА Q,
РАБОТА РЕЗАНИЯ A) СТАБИЛИЗИРУЮТСЯ.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ