Расчёт тепловых режимов и прогнозирование работы пресс-форм для литья пластмасс под давлением Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

6. Пап Л. Концентрирование вымораживанием. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, 96 с.

7. Акопян В.Б., Бамбура М.В., Давидов Е.Р., Ступин А.Ю., Чубатова О.И. Ультразвуковой метод концентрирования поверхностно-активных веществ их водных растворов // Журнал физической химии, 2010, 84, № 3, с. 425-428.

8. Шелудко А. Коллоидная химия / Пер. с болгар.; Под ред. Б.В. Дерягина, Е.Д. Щукина. -М.: Мир, 1984.

9. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Главн. редак. И.П. Голямина. -М.: Советская эн-циклопедияю -1989. 399 с.

10. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами (ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). - М., Изд-во РГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005, 300 с.

11. http://izvestia.asu.ru/2012/3-2/chem/TheNewsOfASU-2012-3-2-chem-06.pdf

12. Евстратова К.И., Купина Н.А.,Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. -М: Высшая школа, 1990 г., 487 с.

13. chemister.ru/Database/properties.php?dbid=1&id=6

14. Власов М.А., Пожидаев Г. И., Красенков Г.И., Ганиев Ю. Способ и устройство разделения жидкостей на фракции различной плотности. Патент № 237123

Расчёт тепловых режимов и прогнозирование работы пресс-форм для литья пластмасс под давлением

1 1 2 Зюков Е.А. , д.т.н. проф. Булатов М.А. , Дувидзон В.Г.

1 Университет машиностроения 2«ИФ АБ Универсал», 8 (926) 831-07-13, EvgeshaPo@mail.ru

Аннотация. Составлена математическая модель процесса образования осадков в каналах охлаждения литьевых форм, экспериментально определены показатели работы системы охлаждения и разработан программный модуль для расчета коэффициента теплопередачи. Уточнена методика расчета системы охлаждения, введена оценка эффективности охлаждения, позволяющая прогнозировать работоспособность литьевой формы. На примере прессования детали из полипропилена определено время цикла прессования и межремонтного пробега горячеканаль-ной литьевой формы.

Ключевые слова: пресс-форма, каналы охлаждения, время охлаждения, время цикла, твердые осадки

Введение

Система охлаждения литьевой формы предназначена для отвода из рабочей зоны тепла, поступающего с расплавом. Цикл литья полимерного изделия определяется временем его охлаждения. Вследствие образования осадков, старения и коррозии теплопередающих поверхностей каналов охлаждения существующие методы расчета тепловых режимов не позволяют прогнозировать и оперативно управлять процессом литья под давлением.

Оценка работоспособности системы охлаждения литьевой формы Эффективно работающая система охлаждения пресс-формы должна за время цикла должна обеспечить отвод тепла 0М, которое можно в первом приближении оценить:

c т(ТН - TК)

Qм = р ТН , (1)

Ц

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» где ср - средняя теплоёмкость полимера в пределах температур его пребывания в пресс, кДж ф°рме, ——;

кг- С

т - масса отливки, кг.

Интенсивность охлаждения и его равномерность зависят от расположения каналов охлаждения относительно формообразующих поверхностей пресс-формы (рисунок 1, поз. 2,

5).

Недостаточная интенсивность охлаждения приводит к увеличению цикла литья 1;ц [1] и к удорожанию отливки.:

= 1,3 Тс (2)

1 8.

К =--2 ~1п

р а

(л Т _т ^

. (3)

4 Т - Т

р Т - Т

V Л Т л Т Ф 0

где 1:о - время охлаждения, с; 5 - толщина стенки изделия, м; а - коэффициент температуропроводности полимера, м2с; Тк, Тф, Тл - температура до которой охлаждается изделие, температура формы, температура поступающего в форму расплава, °С.

Количество тепла которое способна отвести система охлаждения

а, = КтЕ(Гф - Тк ), (4)

где Кт - коэффициент теплопередачи, кВт .

м -оС

Конструкция системы охлаждения работоспособна, если:

Ор ^ Ом (5)

Существующая методика расчета[ 1 ] позволяет определить диапазон изменения значений диаметров каналов охлаждения при выполнении условия (5).

Величину коэффициента Кт определяли в виде:

Кт = 8 М (6)

8Ш! 1 + 1/а 4 у

где 5№ - характерное расстояние от формообразующей поверхности до канала системы

. кВт

охлаждения, м; - теплопроводность металла формы, —о— .

м-° С

Например, отливаемая деталь - контейнер из полипропилена объемом 950 мл, с толщиной стенки - 1 мм, масса детали - 0,032 кг, габариты формы - 296 х 296 х 290 мм, диаметр канала охлаждения Б1 = = 10 мм, рабочая температура литьевой формы - 60 °С, удель-

4 2

ный тепловой поток qz-10 вт/м , программа выпуска - 1,5 млн. деталей в год. Фактическое время охлаждения составляет 11 , а рассчитанное по формулам (2, 3) время - 5,59 с. Расчет времени цикла не учитывает зарастание каналов с течением времени и не отрегулированный процесс охлаждения.

Такие важные свойства литьевых деталей, как прочность, качество поверхности, размерная точность и отсутствие коробления, напрямую зависят от правильно назначенной температуры и грамотно спроектированной системы охлаждения. В самом первом приближении можно сказать, что при повышении температуры стенки формы на 1 °С время охлаждения увеличивается на 2% (2), что приводит к увеличению времени цикла и снижения производительно-

При переработке пластмасс методом литья под давлением в процессе эксплуатации пресс-форм находящиеся в хладагентах системы охлаждения малорастворимые соединения образуют твёрдые осадки на теплопередающих поверхностях, что приводит к увеличению температуры формы и времени цикла, количеству бракованных деталей и, в конечном итоге, увеличению себестоимости производства пластмассовых изделий.

Линия разъема

Рисунок 1. Схема горячеканальной литьевой формы: 1 - инжектор; 2 - пуансон;

3 - каналы охлаждения; 4 - изделие; 5 - матрица; 6 - система выталкивания

Технические аспекты проблемы охлаждения в условиях образования отложений на теплопередающих поверхностях

Очень важно поддерживать требуемый режим работы системы охлаждения во время эксплуатации неизменным. Возникает задача: как долго рассчитанная система охлаждения будет работать устойчиво?

Режим работы пресс-формы может быть:

- при крупносерийном производстве: непрерывным по 24 часа в сутки, месяцами;

- при опытном производстве: несколько часов в неделю или в месяц;

- при мелкосерийном производстве: с перерывами на обед, ночь и выходные дни.

Материал деталей пресс-формы, в которых проходят каналы системы охлаждения

(плиты, формообразующие детали: пуансоны, матрицы, знаки и вставки): Сталь 45, Сталь 40Х, 4Х5МФС, 40X13, 95X18, алюминиевые сплавы типа В95.

Математическая модель

Современные методы расчета системы охлаждения (например программные продукты фирмы Мoldflow) позволяют прогнозировать их работу в условиях, приближенных к реальным, при этом учитывают неопределенность исходной информации, например изменение коэффициента теплопередачи по причине загрязнения, старения и коррозии теплопередаю-щих поверхностей каналов охлаждения. Однако, такая неопределенность обычно приводит к завышению теплопередающей поверхности, а следовательно, и уровня проектно-расчетной надежности. В связи с этим любая дополнительная информация о физико-химических явлениях, протекающих на этих поверхностях, позволит уменьшить её запас и разрабатывать эф-

фективные энергосберегающие технологические схемы, сохраняя требуемый уровень про-ектно-расчетной надежности [2].

Для интенсификации отвода тепла необходимы высокоэффективные методы уменьшения накипеобразования. При температурном режиме эксплуатации литьевых форм, на тепло-передающей поверхности каналов охлаждения с хладагентом (водой) ускоряются различные гетерогенные процессы (фазовые превращения, химические и электрические реакции, сорб-ционных и других процессов). На теплопередающих поверхностях рыхлый или плотный слой осадка твердой фазы.

Рисунок 2. Загрязнённые каналы охлаждения

Отсутствие необходимости информации о процессах накипеобразования для получения достоверных количественных оценок при прогнозировании работы системы охлаждения не позволяет осуществлять оперативное управление величины тохл, т.е. поддерживать коэффициента теплопередачи не ниже допустимого значения

^^ = ^ + <К 1' (7)

^ А а(г)

где Х^,, - теплопроводность металла формы и слоя накипи (см. рисунок 4), а - коэффициент теплоотдачи к потоку хладогента.

Созданная нами база данных по эксплуатации литьевых форм позволила разработать программный модуль расчета распределения температур (рисунок 4) по толщине плиты матрицы, слоя накипи и в пристенном слое. Задача управления теплопередачей заключается в поддержании значения [КТ] при длительной эксплуатации литьевой формы и определении межремонтного пробега Ту литьевой формы. При снижении КТ < [КТ], а соответственно и увеличении тохл, становится экономически нецелесообразным осуществлять процесс литья на

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» данной форме. Скорость изменения суммы термических сопротивлений деляемой у характер изменения КТ .

л

V l

a

(t).

опре-

Рисунок 3. Схема функциональной структуры процесса теплопередачи с учетом отложений твердой фазы: I -молекулярно-кинетический уровень; II - агрегативного роста; III - локальной гидродинамики; IV - распределение температур и концентраций

по длине канала охлаждения

Рисунок 4. Распределение температур по толщине плиты матрицы, слоя накипи по сечению канала охлаждения (кривая 1); равновесные концентрации солей калия (кривая 2); qz - удельный тепловой поток от расплава (Вт/м2)

Рассмотрим единичное (локальное) сечение канала, по которому движется двухфазный дисперсный поток раствора в турбулентном режиме. Для построения математической модели используем уравнения, описывающие эффекты и явления на 1, 2, 3, 4 уровнях Физико-

химической системы (см. рисунок 3).

а 6

Рисунок 5. а) Схема слоя накипи 68; б) изменение толщины во времени т (68,у -удаляемый слой накипи)

При взаимодействии теплопередающей металлической поверхности с водой могут протекать процессы коррозии и кристаллизации с образованием продуктов, формирующих контактный слой. Контактная зона осадка формируется в нескомпенсированном электрическом поле на границе раздела теплопередающая поверхность - хладагент и определяет когезион-

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология»

ный уровень сцепления частиц накипи и возможность их разрушения (рисунок 5). С течением времени работы литьевой формы слой накипи приобретает более однородную структуру. Степень искажения структуры образующегося осадка по мере удаления от поверхности металла исчезает к моменту экранирования влияния геометрической и энергетической неоднородности теплопередающей поверхности первичным слоем осадка.

Основываясь на физической картине процессов, протекающих в системе охлаждения, сформируем задачу для расчета изменения 5 s (т), приводящего к уменьшению температуры Тф(т). При решении задачи пренебрегали изменением 5w(t) за счёт коррозионных процессов (линейная скорость коррозии немного меньше линейной скорости роста слоя реакции), а также турбулентно-миграционном переносом взвешенных нерастворимых частиц из ядра потока хладоагента на теплопередающую поверхность каналов охлаждения (концентрация нерастворимых взвешенных веществ в системе водоохлаждения не выше 10мг/л). Изменением концентрации растворённых компонентов в поперечном сечении канала пренебрегаем.

Используя допущение, что скорость перестройки температурного поля в слое осадка намного выше скорости перемещения межфазной границы накипь-раствор, обусловленного ростом осадка накипи, мы рассматривали одномерную задачу Стефана с дополнительными нелинейным граничным условием на движущейся границе [4]. Для локального сечения канала процесс теплопередачи через плиту матрицы и образующейся накипи (рисунок 4)описывается уравнениями Фурье (q z>>q x ):

для матрицы:

^ = а,^, (8)

dt dz2

для слоя осадка:

db^ (9)

где а^а2 - соответствующие значения коэффициентов температуропроводности для материала матрицы и слоя накипи, м2/с.

Начальные условия:

t = 0, St = 0, Ti(z) = Т2(z) = Т ', (10)

т.е. в начальный момент времени (т=0) стенки каналов охлаждения не имеют твёрдых отложений (5s=0) и температура стенки канала T1 (z) и равна температуре охлаждающей воды T.

Граничные условия z=0:

Т1 = Т ' = const, (11)

z = d : = -1sdT2, (12)

d z d z

z = d + d : "Is •dT2 = а{т)[Тф(t) + T1 ]. (13)

d z

Закон движения межфазной границы должен удовлетворять кинетическому уравнению роста слоя накипи:

^ = М2, (14)

а т

где б - относительная степень пересыщения по растворенному накипеобразующему компоненту:

с

5 = (ц - 31 . Тф (т)) • (15)

где a1, в1 и c-const ; кг-константа скорости роста слоя накипи, м/с:

Е

кг = kr,o ■ exP

R ■ Тф (т)

(16)

где кг.о, Е, Я - сог^.

Рисунок 6. Схема термостатируемой литьевой формы с датчиками температуры воды на воде и выходе

На рисунке 5 показана схема экспериментальной установки. В состав установки входит два контура по которым циркулирует вода: первый контур - система водооборотного охлаждения цеха и второй контур - система термостатирования. В начале работы осуществляют нагрев пресс-формы до заданной температуры с помощью термостата(работает только первый контур). Во время работы литьевой машины температуру охлаждающей воды поддерживают постоянной на входе в каналы охлаждения пресс-формы. В ходе процесса литья измеряли температуру воды во времени на выходе из пресс-формы. Экспериментальные данные по кинетике изменения температуры были использованы при расчете системы охлаждения.

Уточненная методика расчета

Для квазистационарного режима (уравнения 8 - 16) работы системы охлаждения литьевой формы составлена система нелинейных алгебраических уравнений, для численного решения которой использовали метод Ньютона-Канторовича. Результаты расчёта приведены в таблице 1. Относительная ошибка в определении температуры формообразующей поверхности Т^ не превышала 10%.

Характер изменения времени охлаждения детали показан на рисунке 6.

Рисунок 7. Относительное изменение охлаждения в течении времени Ту, £ = т охл/ т охл0

В начальный период эксплуатации формы, уменьшение величины тохл можно объяснить образованием на теплопередающей поверхности канала охлаждения первичного слоя накипи, толщиной 5 ¡5,0.

На стадии роста первичного слоя образуется островковая структура осадка [4], которая увеличивает шероховатость теплопередающей поверхности.

Рисунок 8. Алгоритм разработанной программы

На рисунке 8 приведён алгоритм программы расчёта. Условные обозначения: тохл - время охлаждения [ч];

а - среднеинтегральное значение коэффициент температуропроводности литьевого материала в условиях переработки [м2/ч];

а - толщина стенки детали; если охлаждение двухстороннее - то половина толщины [м]; 114 Известия МГТУ «МАМИ» № 2(20), 2014, т. 3

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» 1;н - температура расплава, поступающего в форму; ^ - средняя температура на оформляющей поверхности; 1;ц - температура в середине по толщине стенки изделия к моменту окончания охлаждения (для большинства термопластов 60°);

Ом - количество теплоты, которое охлаждающий агент должен отнять у расплава полимера, поступившего в пресс-форму;

ср - средняя теплоёмкость полимера в пределах температур его пребывания в пресс-форме;

Се - растворимость соли; ъ - число отливок в час ( ъ = 3600Лц);

Х - теплопроводность металла формы; Хн - теплопроводность слоя накипи;

ql, q4 - тепловые потоки;

Кт - коэффициент теплопередачи;

5н - толщина слоя накипи; 5м - толщина металла.

Таблица 1

Результаты расчета

Время Ту, час Толщина слоя накипи, м а(т), Вт/м2 К Температура Коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К

Т*ь °С Тй, °С Т , °С

0 0,00012 2670 63,00 59,06 53,79 1089

48 0,00031 2675 63,00 59,06 53,42 1160

96 0,00043 2680 64,00 60,56 55,90 1271

144 0,00055 2640 64,00 60,56 59,94 1017

192 0,00067 2592 64,00 60,56 59,05 954

240 0,00076 2584 65,00 62,08 60,89 915

288 0,00086 2567 65,00 62,08 60,59 872

336 0,00096 2540 65,00 62,08 59,28 833

384 0,00106 2510 65,00 62,08 57,95 796

432 0,00116 2400 65,00 62,08 56,61 763

480 0,00123 2390 66,00 63,64 60,33 745

528 0,00131 2380 66,00 63,64 59,52 722

576 0,00138 2364 66,00 63,64 58,70 701

624 0,00146 2345 66,00 63,64 57,88 681

672 0,00154 2337 66,00 63,64 57,05 662

720 0,00161 2327 66,00 63,64 56,21 644

768 0,00169 2315 66,00 63,64 55,37 626

816 0,00177 2310 66,00 63,64 54,52 610

864 0,00185 2301 66,00 63,64 53,67 594

902 0,00193 2291 66,00 63,64 52,81 579

960 0,00198 2280 67,00 65,26 59,43 573

1008 0,00204 2250 67,00 65,26 59,01 564

1056 0,00209 2240 67,00 65,26 58,60 555

1104 0,00214 2170 67,00 65,26 58,18 546

1152 0,00219 2130 67,00 65,26 57,34 537

1200 0,00225 2101 67,00 65,26 57,78 529

1248 0,00230 2050 67,00 65,26 56,91 521

1296 0,00235 2014 67,00 65,26 56,49 513

1344 0,00241 1980 67,00 65,26 56,08 505

1392 0,00246 1961 67,00 65,26 56,63 498

1440 0,00246 1942 67,00 65,26 56,62 498

Вследствие турбулизации, теплообмен в пристенном слое интенсифицируется и коэффициент а(т) возрастает на (10 - 15)%. На этой стадии улучшается теплоотвод и время т охл уменьшается на 15 - 20% по сравнению с тохл,0 для чистой теплопередающей поверхности.

Но уже через 300 часов эксплуатации формы, как видно из графика на рисунке 3, время охлаждения возросло на 10%, по сравнению со временем охлаждения на старте, а через 600 часов - на 20%, приводя к необходимости чистить каналы.

Таким образом, использование вычислительных методов позволяет более глубоко рассмотреть сущность процессов охлаждения в литьевой форме с учетом накипеобразования, а также проводить проектные расчеты различных типов систем охлаждения.

Литература

1. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов. -М.: Химия, 1991. -352 с.

2. Грис Х. Коррозия в денежном выражении // Kunststoffe-Пластмассы, октябрь, 2010, 13-16с.

3. Булатов М.А., Дувидзон В.Г. Надежность систем охлаждения литьевых форм // Форма + оснастка для переработки полимерных материалов, октябрь, 2008, 16-18 с.

4. Генель Л.С., Галкин М.Л., Корнеева Т.М., Брагинский В.А. Ингибиторы коррозии и отложения солей для системы охлаждения литьевых форм // Форма + оснастка для переработки полимерных материалов, ноябрь, 2007, 30-34 с.

5. Веселов А.В. Тепловой расчет литьевого оборудования для переработки полимерных материалов. Уч. пособие. -М.: МИХМ, 1979, -56 с.

6. Булатов М.А. Комплексная переработка много компонентных жидких систем теория и техника управления оборудованием осадков. -М.: Мир, 2004.-302 с.

7. Барвинский И.А., Барвинская И.Е. Руководство по анализу охлаждения пресс-форм. М., 2000.

8. Богорош А.Т. Возможности управления свойствами кристаллических отложений и их прогнозирование. Киев: Высшая школа, 1987.

Применение тонких клиентов для оперативного планирования

технологического процесса

Васильев А.А., к.т.н. доц. Зубов Д.В., к.т.н. Крысанов К.С.

Университет машиностроения zubov@msuie.ru

Аннотация. Рассмотрены вопросы применения тонких клиентов для планирования оперативной деятельности технологических процессов.

Ключевые слова: SCADA-система, тонкие клиенты, анализ данных, оперативное планирование

В настоящее время одним из самых востребованных направлений развития систем оперативного управления технологическими производствами на SCADA и MES уровня является внедрение функций foresight - постоянно уточняющегося прогноза технологических величин на масштабе времени порядка смены оператора или производственного цикла.

Одним из потенциальных потребителей такой технологии являются периодические биотехнологические процессы, отличающиеся большой вариативностью протекания стадий биосинтеза (вследсвии вырождения культуры, присутствия контаминантов и т.д.). В результате ряда факторов может существенно отличаться длительность процесса биосинентеза и как следствие, количества потребляемых ресурсов - электричества, охлаждающей воды,