（机械制造及其自动化专业论文）多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究.pdf

硕士论文 多层共挤流涎成形适 摘要 iifr llfi i i ijr ll if l lr l l l f y 19 19 2 7 9 流涎法生产塑料薄膜的过程中，从挤出机模头挤出的熔融聚合物的冷却过程决 定着塑料薄膜的质量与性能。塑料薄膜冷却定形过程是整个流涎薄膜机组工作中重 要的工序。针对塑料薄膜在骤冷辊上冷却定形问题以及高速流涎成形骤冷辊温度场 稳定性和均匀性问题展开了一系列的研究，并设计了骤冷辊温度控制系统。 首先进行了骤冷辊冷却水流道的结构设计，根据加工工艺、技术设备及温度控 制等要求设计了骤冷辊双向回流式螺旋流道结构；其次应用f l u e n t 软件对塑料薄膜 在骤冷辊上的冷却过程进行了数值模拟，分析了塑料薄膜、冷却水、骤冷辊之间导 热、对流、辐射综合的非稳态传热过程，获得了稳定工况下塑料薄膜与骤冷辊换热 过程中的温度变化规律，并提出了使薄膜晶态结构趋于一致的措施；再次对不同结 构的骤冷辊及流量不同的情况下塑料薄膜与骤冷辊的换热过程进行了仿真分析，得 出了骤冷辊流道尺寸及冷却水流量对骤冷辊与冷却水换热强度的影响趋势，找出了 影响塑料薄膜冷却速率的主要因素；最后设计了骤冷辊恒温冷却控制系统，实现了 骤冷辊表面温度的精确控制。研究结果表明，该研究可以为骤冷辊结构的合理设计、 流道参数的优化提供帮助，在工程生产应用中有一定的指导意义。 关键词：塑料薄膜，骤冷辊，冷却机理；数值模拟；温度控制；模糊p i d 控制 垒坠塑堕一 堡主笙奎。一一一 j h 比凡 a b s t r a s t d u r i n gt h ep r o d u c t i o no fp l a s t i cf i l mt h r o u g hc a s t i n gm e t h o d ，t h e c o o l i n gp c e s so f m o l t e np o l y m e rw h i c hi se x t r u d e df r o mt h ee x t r u d e rd i e d e t e r m i n e st h e q u a l i t ya n d p e r f o r m a n c eo fp l a s t i cf i l m t h ec o o l i n gp r o c e s so fp l a s t i cf i l mi st h ev i t a l w o f i ( i n g p r o c e d u r eo ft h ec a s t i n gf i l mu n i te q u i p m e n tp r o d u c t i o n a i m i n ga tt h ec o o l i n gs i z i n g 1 s s u e sa n dt h eu n i f o r m i t ya n ds t a b i l i t yo f t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h ec a s t i n g r o l l e r ，a s e n e so fs t u d i e sa r es e t i no r d e rt oe n s u r et h ec o o l i n gp e r f o r m a n c e o f c a s t i n gr o l l e r , t h e t e m p e r a t u r ec o o l i n gc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d 1n em a l nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra l ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h es t r u c t u r eo f t h ec o o l i n g w a r 钉c h a n n e lw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt op r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t e c h n i c a l e q u i p m e n t a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，ad o u b l ei n l e ta n do u t l e ts p i r a lp a t hw a s d e s i g n e d s e c o n d l v t h e c o o l i n g p r o c e s sb e t w e e np l a s t i cf i l ma n d c a s t i n gr o l l e rw a sg i v e nan 啪e r i c a js i m u l a t i o n b yf l u e n ts o f t w a r e t h ec o o l i n gm e c h a n i s ma n dt h ec o m p r e h e n s i v e n o n s t e a d vs t a t eh e a t t r a n s f e rp r o c e s sw h i c hi n c l u d e dc o n v e c t i o n ，h e a tc o n d u c t i o na n d r a d i a t i o nw a s 锄l v z e d f l a et e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fp l a s t i cf i l ma n dc a s t i n gr o l l e rw a so b t a i n e di nt h es t a b l e c o n d i t i o n t h i r d l y , s i m u l a t e da n da n a l y z e dt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nd i 仃e r e ms t m c n l r e s o f c a s t i n gr o l l e ra n dd i f f e r e n tr a t e so fc o o l i n gw a t e r , r e s e a r c h e df o rt h ei n f l u e n c e 仃e n d s f o u n do u tt h em a i nf a c t o r so fa f f e c t i n gt h e c o o l i n gr a t eo ft h ec a s t i n gf i l m l a s t i v d e s i g n e dt h et e m p e r a t u r ec o o l i n gc o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z e dt h ep r e c i s ec o n 仃o lo ft h e s u r 士a c et e m p e r a t u r eo ft h ec a s t i n gr o l l e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t u d yc a n p r o v i d e g u i d a n c ef o ro p t i m i z i n gt h ec h a n n e lp a r a m e t e ra n dd e s i g n i n gc a s t m gr o l l e rr e a s o n a b l v i i l e n g i n e e r i n gp r o d u c t i o na p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：p l a s t i cf i l m ；c a s t i n gr o l l e r ；c o o l i n gm e c h a n i s m ；n u m e r i c 出s i m u l a t i o n ； t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；f u z z y - p i dc o n t r o l i i 硕士论文 多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 1 绪论 1 1 论文研究的背景与意义 在塑料包装材料中，薄膜产品占到相当大的比例。近年来，技术的进步促使塑 料包装薄膜的功能化发展趋势日渐明显，多功能、高性能、高技术含量、优质的塑 料包装薄膜已成为国民经济中的重要行业及众多企业的研发目标【1 1 。与木材、钢铁、 水泥等材料相比，塑料包装薄膜的发展取决于它的成本优势、性能优势，以及技术 工艺与加工方法的改进等。塑料包装薄膜使用安全、成本低廉、能解决塑料周转箱 在流通与堆放过程中对物品表面的污染问题，其功能化提高了产品的附加值，增大 了社会市场对它的需求量。 塑料包装薄膜的功能化以及产品对包装的需求，不仅要求塑料包装薄膜向多功 能、多产品、多层次的复合包装膜发展，而且还要求塑料包装薄膜的生产必须采用 新的复合技术来实现。随着市场产品对包装的要求越来越复杂，包装薄膜生产技术 要求也越来越高。当前，单一品种的流涎薄膜已经满足不了产品多样性的需要，各 企业正在研制开发不同规格和性能的流涎薄膜机组，向综合性能好的多层共挤流涎 薄膜方向发展。为了满足市场对产品的需求，很多企业的工程研究人员都将目光聚 集到薄膜生产高速化的研究与开发上，包括塑料薄膜稳定高效挤出技术、塑料薄膜 冷却定形关键技术、薄膜振动控制技术、机械结构设计的优化、规范化及系列化、 薄膜展平技术等。 流涎薄膜机组自身的技术水平直接影响到塑料薄膜的质量与性能，尤其是塑料 薄膜冷却定形技术以及高速流涎成形骤冷辊温度场的控制技术。在塑料薄膜冷却定 形过程中，熔融聚合物冷却速度的快慢、骤冷辊辊面温度的稳定、辊面温度场的均 匀性直接影响了薄膜的质量和性能，如透明度、平均厚度偏差、平整度、拉伸强度、 收缩量等。而骤冷辊辊面温度场的均匀性和稳定性与骤冷辊冷却水流道的合理结构 与冷却水的流量、温度控制技术相关。 目前，国内循环冷却水的温度控制尚采用手动控制，未实现完全智能自动化控 制。随着生产速度的提高，此手动控制系统已不能满足生产的需求。因此，有必要 根据要求设计出全新的智能温控冷却水循环系统，通过人机界面进行参数的设定、 调整、监控、记忆，实现操作控制的自动化。 本论文就是基于此背景提出的。针对市场需求和流涎薄膜机组发展的趋势，研 究塑料薄膜冷却定形技术与高速流涎成形骤冷辊温度控制技术。通过对塑料薄膜在 骤冷辊上冷却机理的分析，提出薄膜晶态结构趋于一致的措施，找出影响塑料薄膜 冷却速率的主要因素及塑料薄膜与骤冷辊温度变化规律，探寻骤冷辊冷却水流道尺 l 1 绪论硕士论文 寸、冷却水流量对换热强度的影响趋势；根据控制技术的发展趋势，应用p l c 、p i d 模糊控制技术结合塑料薄膜成形工艺，设计骤冷辊恒温冷却控制方案，建立流涎薄 膜机组控制系统体系结构，实现骤冷辊的恒温控制。通过本文的研究，预期能够提 高塑料薄膜产品的质量和产量以及生产的自动化水平，改善流涎薄膜机组的工艺性 能，促进企业规模化、高技术水平的发展，提升企业的创新能力，增强市场竞争力。 1 2 流涎法生产塑料薄膜的技术发展 流涎加工法生产出的薄膜具有透明度好、平整度好、光泽性高、尺寸精度高等 优点，且后续工序如印刷、复合等极为方便2 剖，易于实现高速化、大型化及自动化， 广泛应用于食品、日用品、纺织品、医药用品等的包装。 1 2 1 流涎成形工艺 所谓流涎法就是树脂经过挤出机熔融塑化，聚合物熔体从挤出机模头挤出，流 涎到骤冷辊上急剧冷却，然后再经过测厚、电晕处理、牵引、切边，最后收卷获得 薄膜产品【4 卅，塑料薄膜生产过程的工艺流程如图1 2 1 所示。 1 2 34567891o 卜挤出机头；2 一气刀；3 一骤冷辊：4 一冷却辊；5 一测厚仪： 6 一电晕处理装置：7 一牵引辊；8 一切边装置；9 一弧形辊；1 0 一收卷装置 图1 2 1 塑料薄膜生产过程的工艺流程图 图1 2 2 为多层共挤流涎薄膜机组的原理图，机组主要由挤出部分、流涎部分、 测厚、电晕处理部分、收卷部分组成【7 - l o l 。此生产线适用于多种材料，如聚烯烃、 粘结剂、e v a 、e v o h 等，生产产品类型包括c p p 、c p e 流涎薄膜、粘结膜、含 e v o h 及p a 的高阻隔膜、保鲜膜、在线单向拉伸膜等。 ( 1 ) 挤出装置挤出装置主要有供料系统、挤出机、分配器、模具等组成，此 部分的作用主要是将树脂材料经过加热、混炼成塑化状态，然后以一定的压力通过挤 出机模头挤出成多层复合的薄膜坯料，薄膜坯料再经过流涎冷却过程及后续工序制成 所需要的产品。在此过程中为便于后续工序高质量的完成，要求供料及时，配比正确， 加热塑化，挤出均匀。 2 硕士论文多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 篾绣辫缀譬糍 荔，。睫暑5 纛。 图1 2 2 某系列多层共挤流涎薄膜机组 ( 2 ) 流涎装置流涎装置主要包括骤冷辊组、电子锁边、正负压风刀、前后移 动机构、升降调节装置、温度控制系统等，此部分主要用于冷却定形由挤出机模头挤 出的多层复合薄膜坯料。从模头挤出的薄膜坯料此时还处于熔融状态，需要迅速冷却 将其定形，此时薄膜坯料的厚度比薄膜产品的厚度厚很多，牵引过程中，薄膜坯料的 幅面宽度和厚度尺寸都发生了变化，使得两边变化大中间变化小，因此，需要薄膜坯 料迅速贴辊以减小变形。根据上述成形的基本要求，流涎装置具备的功能包括：为 保证薄膜产品尺寸的要求，流涎装置的牵引速度高于挤出机的挤出速度；为保证薄 膜冷却均匀，骤冷辊辊面温度场要均匀、稳定；为减小薄膜坯料因过度牵引引起的 不均匀变形，要求薄膜坯料迅速贴辊。 骤冷辊组包括骤冷辊、冷却辊等，是塑料薄膜生产中重要的部件，其中骤冷辊 的质量直接影响着薄膜的性能及成形效率。骤冷辊是直径较大的钢棍，表面经特殊 的钝化处理，镀硬铬；骤冷辊表面做成非镜面磨砂，目的是利用其表面微小的凹陷， 将薄膜高速运动带入而负压风刀未排干净的残留空气排入微小凹陷内l s j 。 为了保证薄膜的厚度均匀和表面质量，设置电子锁边机和正负压风刀。电子锁 边机用于控制薄膜缩幅的大小；正压风刀是将薄膜吹向骤冷辊筒，负压风刀一方面 抽掉高温烟雾，另一方面在薄膜与骤冷辊筒之间形成真空，使薄膜迅速贴辊。 升降调节装置和前后移动机构主要用于挤出机与骤冷辊之间的位置调整。 ( 3 ) 测厚装置薄膜在骤冷辊上冷却定形后，经过多级牵引进入测厚区域进 行在线测厚，根据测厚的参数值，对模唇间隙进行调节。如若采用自动调节模头的 流涎薄膜机组，在线测厚的测试信号可以直接反馈给智能控制系统，由控制系统给 相应的调节部件发出信号，自动改变模唇间隙，控制厚度偏差，以此来保证薄膜产 品的厚度 戮巍攀浚黪魏攀辍 口 1 绪论硕士论文 ( 4 ) 电晕处理装置通过对薄膜进行电晕处理，来提高薄膜的表面张力，增 加薄膜在印刷、复合等后续加工中与油墨及其它基材的粘合强度。 ( 5 ) 收卷装置收卷装置主要包括摆幅机构、分卷机构、主动牵引机构、张 力检测机构、飞刀切断、自动换卷等，此部分主要用于薄膜的收卷，保证生产的连 续性。 1 2 2 流涎成形中的关键问题 ( 1 ) 智能控制问题系统的自动化程度、加工工艺参数的优化选择、控制系 统的开放性、可扩展性以及可靠性皆有赖于网络化智能控制。 ( 2 ) 塑料薄膜高效、稳定挤出问题塑料薄膜挤出的稳定性主要表现为挤出 量的稳定性以及膜厚的均匀性，该性能对薄膜的质量与收卷质量均具有直接的影 响；而塑料薄膜挤出的高效性是实现薄膜生产高速化的必然要求。挤出成形是流涎 薄膜生产过程中的首道工序，对该工序的工艺过程进行良好的质量控制将大大简化 后续工艺过程的控制难度。 ( 3 ) 薄膜贴辊和防止薄膜横向收缩锁边问题挤出流涎的一个重要特征就是 膜坯在离开模唇后由于冷却与牵引效应而引起的变形，因此，如何解决膜坯迅速贴 辊和锁边是保证多层共挤流涎薄膜质量的关键。在本项目中使用正、负压风刀及薄 膜电子锁边机，使从模唇流涎成形的膜坯紧紧地被吸附到骤冷辊上冷却成形，保证 薄膜的质量和生产的稳定。电子锁边装置用于将从模口流出的薄膜的两个边缘固定 在骤冷辊上，从而减少“缩颈”的程度。 ( 4 ) 高速流涎成形骤冷辊温度场的控制技术问题采用理论分析和试验研究 相结合的方法，探索膜胚冷却、膜片与辊面热传导的规律，研究骤冷辊冷却水流道 的合理结构以及冷却水的温度调节技术，实现骤冷辊辊面温度场均匀和骤冷辊表面 温度控制。 ( 5 ) 薄膜冷却定形问题从模头流出的熔体在流到骤冷辊上的整个流涎过程 中的冷却速度与薄膜内部结晶情况有着密切的关系，直接影响薄膜的质量与性能； 此外，不同的树脂成形温度不同，温度的高低影响薄膜的力学性能和成形的效率； 温度的均匀稳定影响着塑料薄膜的透明度；温度的平衡将直接决定薄膜收缩的均匀 程度、影响膜面的平整以及应力的分布；因此，多层共挤流涎成形时骤冷辊的温度 场不仅要求温度的高低要适宜，而且要求温度要稳定、均匀。通过对薄膜冷却定形 机理的深入研究，实现骤冷辊表面温度的精确控制，是实现高质稳定流涎的重要环 节。探索膜胚冷却、膜片与辊面热传导的规律，研究骤冷辊冷却水流道的合理结构 以及冷却水的温度调节技术，实现流涎辊温度场均匀和骤冷辊表面温度控制。 ( 6 ) 薄膜高速收卷问题通过开发“全自动双工位收卷装置”，提高整个装置 硕士论文 多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 的运行精度和速度，实现恒张力。双工位自动翻转、换卷，可大大提高收卷速度， 提高生产效率。 1 3 流涎成形机组温度控制的技术现状 1 3 1 流涎成形机组的国内外发展状况 采用流涎工艺生产塑料薄膜有着较长的历史，最早是采用流涎铸塑的方法成形 塑料薄膜，随着挤出成形技术、模具制造技术的进步，国外相继推出了挤出流涎的 方法生产塑料薄膜。 ：2 0 世纪8 0 年代国际上开始出现c p e 、c p p 等多层共挤流涎薄膜生产线，9 0 年 代后，由于经济的发展，市场需求的增加，流涎成形技术及原材料技术得到了突破 性的进展，经过多年的发展，技术相对成熟，如德国的莱芬豪舍( r e i f e n h a u s e r ) 、 巴马格( b a r m a g ) 、意大利的克斯林( c o l i n e s ) 公司、美国的巴顿菲尔( b a t t e n f e l d ) 、 奥地利的兰精( l e n z i n g ) 公司、日本的三菱重工公司和制钢公司等【l 卜1 3 j ，这些公司 在生产能力、薄膜厚度、最大卷径、薄膜幅宽、收卷线速度等主要技术性能和控制 技术方面均处于世界领先地位。多层共挤流涎设备的出现，急速提高了生产速度， 扩大了市场规模，拓宽了塑料包装薄膜的需求。纵观全球塑料薄膜生产设备行业可 知，目前，塑料薄膜机组生产设备最新技术呈现出如下几个快速发展趋势：薄膜 产品的层数不断增加，有3 层、5 层、7 层，有些领先技术厂家设备可生产9 层共 挤薄膜。高速高效的设备生产线。设备的改进、创新，增大了生产薄膜的幅宽， 提高了收卷的线速度，快速增长了生产能力，国外领先水平的多层共挤流涎薄膜生 产线的线速度已达到6 0 0m m i n 。生产模块化与专业化。此发展趋势有利于缩短 新产品的研发周期，满足不同客户的要求，保证整机质量、降低资金成本。控制 精度及自动化程度的不断提高。人工智能技术、网络化技术和数字化控制技术的综 合应用，实现对现场数据、命令进行采集，发送，对工作指令、各项工艺参数的设 置与调正、温度监控、工况显示、故障诊断、收卷张力等的自动控制。 我国从上世纪8 0 年代中期开始引进单层结构的流涎薄膜机组，随后开始从德 国、奥地利、意大利、日本等国家引进多层共挤流涎薄膜机组。国内生产塑料薄膜 的厂家有南通三信公司、佛山仕诚公司、温州瑞安金达公司等。在塑料薄膜市场需 求的推动下，生产塑料薄膜设备的制造商将多层共挤流涎薄膜生产线的开发作为自 己的新的目标，经过不断地创新，机械结构及性能都有了很大的提高，机型的开发 也由单层到多层，小幅宽发展到了大幅宽的多功能生产线。国产多层共挤流涎设备 的制造能力虽然取得了长足进展，但与国际先进技术水平相比较，在机组的薄膜收 卷速度、数字化、智能化操作控制、制冷恒温系统、生产薄膜厚度误差、薄膜幅宽 1 绪论 硕士论文 等关键指标等方面还存在一定的差距，随着经济的国际一体化，国内外竞争也日益 激烈，因此各企业必须开发关键技术，保持市场竞争力。 1 3 2 塑料薄膜冷却机理的研究现状 在塑料薄膜从挤出机模头流出并在骤冷辊上冷却过程中薄膜的形变特点及其 温度变化方面，国外学者做了大量的研究【1 4 1 ，k a n a i 等人通过对聚合物熔体从挤出 机模头流涎到骤冷辊上的过程进行了分析，建立了垂直流涎的数学模型；y a m a d a 等人针对聚合物熔体松垂的从模头落到骤冷辊上的情况，提出了松垂流涎模型； m i c h a e l i 和m e n g e s 研究了稳定状态下运转的薄膜在处于非稳定状态的固定部分的 挤出产品，应用了偏微分方程的近似用法对其过程进行了冷却分析，分析过程中考 虑了热性能随温度的变化，忽略了黏性耗散；b i l l o n 等人考虑到薄膜的运转，提出 了聚合物熔体在稳定状态下流涎到骤冷辊上过程中的能量平衡模型。各数学模型虽 不相同，但对实际生产具有指导意义。国内学者对骤冷辊辊体的设计及换热机理的 分析做了一定的研究，分析了不同的结构对换热强度的影响、流涎薄膜冷却速度的 决定因素、决定骤冷辊辊面温度的主要因素等，但由于条件设备的限制，多数研究 仅限于理想状态下，某些关键技术没有突破性的进展，可见在优化骤冷辊结构方面、 智能温控系统方面还需要做大量的、深入的研究。 1 3 3 智能控制技术在温控系统中的应用 从全球塑料机械行业来看，企业生产线在朝着人工智能化和完全数字化的方向 发展，不同程度上，设备的自动化程度不断提高。在我国，很多生产塑料的厂家对 冷却水循环冷却的温度控制尚采用人工的温度控制方法，此方法自动化程度低，控 制精度差，达不到要求，因此需要采用先进的控制技术来提高设备的自动化程度。 l a z a d e h 基于模糊集概念最早提出了简单f u z z y 控制理论【l 引，简单f u z z y 控 制器无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时变性和非线性具有一定的适应 能力，但也存在精度不高、自适应能力有限、容易产生振荡等缺点，经过专家深入 的探讨，f u z z y p i d 复合控制技术、参数自整定模糊控制技术、模型参考自适应模 糊控制技术、多变量模糊控制技术等应时代要求而生，在定程度上解决了技术上 的难题。传统的p i d 控制是过程控制中应用最为广泛的一种方法【1 6 1 ，其通过调整控 制器的各个参数来调节控制工程的品质，具有鲁棒性好、稳定性高、使用简单方便 等优点，但也存在一些自身的弊端，为了改善模糊控制器的稳态性能，提出了模糊 控制与p i d 控制复合的控制技术，此技术不但具有模糊控制灵活且适用性强的优点， 还具有p i d 控制器精确高的特点，且对高精度伺服系统及复杂控制系统具有很好的 控制效果，近几年成为诸多企业研究的重点。 本论文中，塑料薄膜在骤冷辊上冷却的过程中，需要保证辊面温度的均匀、稳 6 硕士论文多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 定，要求辊面温差在1 。c 之间，因此需要通过对流过骤冷辊的循环冷却水进行温 度控制，使整个生产过程中骤冷辊辊面温度保持在设定值l o c 范围内，根据要求 设计出全新的智能温控冷却水循环系统，以期实现骤冷辊辊面温度场的均匀。 1 4 论文研究的内容与目标 本论文是南京理工大学与南通三信电子有限责任公司合作项目“流涎薄膜机组 控制部分研制 中的一部分，针对塑料薄膜在骤冷辊上冷却过程中塑料薄膜冷却定 形问题展开了一系列的研究，探讨塑料薄膜的冷却机理和冷却水流道结构、流量对 骤冷辊换热强度的影响，分析影响塑料薄膜冷却速率的主要因素以及塑料薄膜与骤 冷辊的温度变化规律，并设计恒温冷却控制系统，以期提高生产效率，保证塑料薄 膜的高质、高效生产，论文的主要研究内容有： ( 1 ) 骤冷辊冷却水流道的结构设计。骤冷辊辊面温度的变化直接影响着薄膜 的质量与性能，根据加工工艺、技术设备及温度控制等要求设计骤冷辊内部流道结 构，流道的设计包括水道的数量、位置、通径以及走向等，综合生产等要求设计了 双向回流式螺旋流道结构。 ( 2 ) 塑料薄膜在骤冷辊上冷却过程中薄膜冷却机理的分析，应用f l u e n t 软件 对薄膜在骤冷辊上的换热过程进行数值模拟，分析塑料薄膜、冷却水、骤冷辊之间 的导热、对流、辐射综合的非稳态传热过程，了解塑料薄膜冷却过程中的传热机理， 得出影响塑料薄膜冷却速率的主要因素以及塑料薄膜与骤冷辊之间换热强度的变 化规律，为指导生产提供必要的理论依据。 ( 3 ) 骤冷辊恒温冷却控制系统的设计与实现，设计四种形式的恒温冷却控制 系统，通过对各部分模块具体功能的分析，匹配出最优的温度控制系统，通过对控 制系统软件及硬件的设计来实现此温控系统。 1 5 论文的组织结构 本文以骤冷辊为研究对象，在充分分析塑料薄膜在骤冷辊上冷却过程中塑料薄 膜冷却机理的基础上，得出骤冷辊内部流道结构、冷却水的流量对骤冷辊换热强度 的影响规律以及塑料薄膜、骤冷辊温度变化规律，并设计且实现了骤冷辊恒温冷却 控制系统，全文主要内容如下： 第一章为绪论，简要阐述了课题研究的背景与意义，流涎法生产塑料薄膜的 技术发展、骤冷辊温度控制技术的的研究现状，最后对课题的研究内容与目标作了 详细的阐述。 第二章对冷却过程中塑料薄膜的冷却机理进行了分析，找出了影响塑料薄膜 冷却速率的外界因素，提出了使薄膜晶态结构趋于一致的措施，并针对不同的生产 7 1 绪论硕士论文 速率及不同的薄膜厚度对薄膜冷却速率的影响做了研究。 第三章对塑料薄膜在骤冷辊上的换热过程进行了研究，分析了塑料薄膜冷却 过程中的传热机理，讨论了骤冷辊内部流道结构、冷却水的流量对骤冷辊换热强度 的影响规律、骤冷辊辊面温度的变化规律以及骤冷辊壁厚对冷却速率的影响等。 第四章设计了四种不同形式的恒温冷却控制系统，通过对各部分模块元件功 能及应用的分析，结合设计方案与实际生产情况，选出了最优的温度控制方案。 第五章主要研究与实现骤冷辊恒温控制系统，对冷却水温度控制系统的硬件 进行了研究，提出了模糊p i d 技术在冷却水温度控制系统中的实现方法。 第六章简要总结了本论文的研究工作，同时指出了骤冷辊的结构及恒温冷却 控制系统有待改进与完善的几个方面，并对今后的工作进行了展望。 8 硕士论文多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 2 塑料薄膜冷却机理分析 树脂材料在挤出机中经过加热、混炼成塑化状态，再以一定的压力从模头挤出， 经过短暂的空气对流和热辐射，迅速贴附在低温骤冷辊上，急剧冷却。可见，塑料 薄膜在骤冷辊上的冷却过程对薄膜的质量起着重要作用。为了获得高性能、高质量 的薄膜产品，需要对塑料薄膜的冷却机理进行分析，找出影响塑料薄膜冷却速率的 主要因素并对其进行深入的研究，从外界因素对塑料薄膜冷却的影响规律出发，提 出必要的改进措施。 塑料薄膜在骤冷辊上的冷却过程是导热、对流、热辐射综合的非稳态传热过程， 为了探讨塑料薄膜的冷却机理，应用f l u e n t 软件对塑料薄膜的冷却过程进行仿真， 以期得到影响塑料薄膜冷却速率的主要因素和塑料薄膜冷却过程中的结晶情况。 2 1 薄膜成形过程中的换热模式 在任何情况下，只要在一个介质当中或者两个介质之间存在着温度差，就有传 热的发生，对不同的传热过程称为不同的传热模式。塑料薄膜在骤冷辊上冷却定形 正是通过由温度差引起的热能传递来实现的，在这个过程中，导热、对流、辐射三 种现象共存。 热传导是物体各部分无相对位移，仅依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒 子的热运动使热量从温度高的部分向温度低的部分传递的现象【1 7 】，热传导过程中， 能量传递速率过程即为傅里叶定律( f o u r i e r ) ，可以表达为单位时间通过单位面积 传导的热量与垂直于该截面方向上的温度变化率成正比。傅里叶定律称为导热基本 定律，其一维稳态导热时的数学表达式为 办 g 2 j2 以五 ( 2 1 ) 式中：g 表示热流密度，单位为叫垅2 ；m 表示热流量，单位为矿；彳表示垂 直于热流方向三维截面积，单位为m ：；a 表示导热系数，用来表征材料导热性能的 好坏，单位为w ( m k ) ；负号“一”表示热流传递的方向沿着温度降低的方向， 与温度梯度的方向恰恰相反，即热量从高温部分传向低温部分。 对流换热是指流体流过一个物体表面时，流体与物体表面存在温度差时发生的 热量传递现象，对流换热是与热传导过程是同时并存的。对流换热分为自然对流和 强制对流，自然对流是由于流体冷、热各部分的密度的不同引起的，而强制对流是 由于风机、水泵或其他压差造成的，可见本论文中流体的流动属于强制对流。对流 传热过程反映在牛顿冷却定律上，其基本公式为 9 2 塑料薄膜的冷却机理分析 硕士论文 g = h ( t 。一t f ) ( 2 2 ) g = h ( t r 一0 ) ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 表示流体被加热时的冷却方程，式( 2 3 ) 表示流体被冷却时的冷却方程。 式中，t w 表示物体的表面温度( k 或) ；t f 表示流体温度( k 或) ：h 表示对流 换热系数，其单位为矽( 聊2 k ) ，对流换热系数h 的大小反映了对流换热能力的强 弱，它与流体物性( 导热系数a 、粘度7 7 、密度p 、比热容c 。等) 及换热表面的大 小、布置及形状有关。本论文中对流换热系数与流体物性及冷却水流道的结构形状， 流道的数量及流道布置等因素有密切的关系。 辐射是物体通过电磁波的形式传递能量，因热的原因发出辐射能的现象被称为 热辐射【1 7 】，在计算热辐射能量时通常应用斯特藩( s t e f a n ) 和玻耳兹曼( b o l t z m a n n ) 定律，数学表达式为 = 彳叮4 ( 2 4 ) 式中：彳表示辐射面积( 所2 ) ；仃表示斯特藩一玻耳兹曼( s t e f a n - - b o l t z m a n n ) 常量，它是一常数，为5 6 7 l o 8 ( m 2 k 4 ) ；r 为热力学温度( k ) 。 2 2 塑料薄膜冷却时的传热过程分析 从模头挤出的聚合物平膜，经牵引拉伸后流涎到骤冷辊上，随同骤冷辊一起转 动一定的弧度( 大约三分之二圆周) ，再经牵引力的作用流到冷却辊上，塑料薄膜由 模头挤出到骤冷辊上的工作过程的装置原理图如图2 2 1 所示。在此过程中，塑料 薄膜冷却定形的温度是非常重要的，因为它不仅影响着薄膜的性能特点，而且还影 响在以后的各加工阶段的加工性。 在塑料薄膜冷却过程中，电子锁边用于控制薄膜缩幅的大小，其利用高压放电 原理，使薄膜紧紧吸附于骤冷辊上冷却，确保生产的平稳；从模口出来的薄膜到骤 冷辊筒之间存在着扭曲和拉伸变形，正、负压风刀是为了使从模口出来的薄膜迅速 贴附于骤冷辊上，正压风刀是将薄膜吹帖向骤冷辊简，负压风刀一方面抽掉高温烟 雾，另一方面在塑料薄膜和辊筒之间形成真空，使薄膜迅速贴向骤冷辊；骤冷辊在 塑料薄膜冷却过程中起着最重要作用，其质量的好坏决定了薄膜性能的高低；清洁 辊起到对骤冷辊表面的清洁作用，除去粘留在骤冷辊表面上的杂物，以保证薄膜的 质量；冷却辊则用于薄膜的进一步冷却；升降调节装置和移动机构则是为了保证骤 冷辊和挤出机模头之间具有合适的距离和相对的位置精度。 1 0 硕士论文多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 导轨 图2 2 1 流涎过程的装置原理图 熔融聚合物从模头挤出到骤冷辊上的过程中，首先在空气中要拉伸一小段的距 离，然后贴附在非镜面磨砂、低温、表面镀铬的骤冷辊上进行冷却，塑料薄膜在空 气中被拉伸的过程中，其几何形状有所改变( 厚度变薄，宽度减小) ，但是温度下降 的很少，而在骤冷辊上，塑料薄膜的几何形状的变化几乎停止，此时，冷却起着重 要的作用。b i l l o n 等人对这一换热过程进行了热分析，提出了聚合物薄膜在稳定状 态下流涎到骤冷辊筒的过程中能量平衡的模型【l 引，在此模型中，应用了下面的假设： 聚合物熔体在流动方向的热传导相对于热对流可以忽略不计；聚合物熔体在宽 度方向上的温度变化很小，可以忽略不计；聚合物熔体在宽度方向和厚度方向的 流动微不足道，可以忽略此流动变化。塑料薄膜拉伸的过程实际上是高分子聚合物 聚集态变化的过程，此过程与物料温度密切相关；在塑料薄膜冷却的过程中，温度 变化梯度大，而聚合物的热导率和比热容与温度存在变化关系，同时粘度随温度变 化的梯度也很大，故在分析中需要同时考虑热导率、比热容和粘度随温度的变化。 从冷却过程原理的分析及在实际生产中相关的观察可知：塑料薄膜在骤冷辊上 冷却的过程中，塑料薄膜的几何形状只存在轻微的变化，在此过程中不考虑拉伸， 只考虑冷却；薄膜在牵引的作用下与骤冷辊接触，此过程中由于摩擦而引起的内能 的变化相对于薄膜在骤冷辊上因冷却而引起的内能变化是很小的，因此可以忽略因 摩擦而引起的薄膜的内能；粘度耗散损失较小，可以忽略不计；基于上述的假设， 聚合物塑料薄膜的能量平衡可以用拉格朗日导数【7 1 ( d t d t ) 表示 掣翻学+ 而1 警t 仔a t + 器c o x ，( 2 5 ) 出 7 瑟2 p c 。( r ) a 、7 。( 丁) ，一7 在稳定状态( o t 钟) = 0 时，上述方程可表示为 2 塑料薄膜的冷却机理分析硕士论文 掣叫d 学+ 丽1 警+ 嚆掣亿6 ， 式中：，是时间；t 是塑料薄膜的温度；p 是塑料薄膜的密度；x 是塑料薄膜流 动方向的坐标；z 是塑料薄膜厚度方向的坐标；u 是骤冷辊辊筒的线速度；c 。是 塑料薄膜在恒定压力下的比热容；a h 是塑料薄膜结晶的理论比焓；k 是塑料薄膜 的热导率；仅是换算的球晶重叠塑料薄膜的体积分数；口是塑料薄膜的热扩散系数， 其与热导率和比热容的关系式是：a ( t ) = ( 丁) p c ( t ) 。由公式可以看出，塑料薄 膜的比热容和热导率在温度骤变时随温度的变化而变化。 塑料薄膜在骤冷辊上冷却时由粘流态结晶成高弹态，冷却过程中，其下表面与 骤冷辊相接触，通过热传导冷却，在这冷却定形过程中，塑料薄膜下表面与骤冷辊 的热量交换方程【7 , 1 8 】可表示为 ， b r o t t t r o l i + b i t q l - t a d i = - - - - - - - - - - - - - - - - - - = ：- - - - - - 二一 1 b 。l l + b 彻i q 脚、) ( 2 7 ) 式中：i 为与骤冷辊辊筒相接触的塑料薄膜表面的温度；为骤冷辊辊 筒的温度；6 枷为骤冷辊辊筒金属的散热率；6 叫( ) 为聚合物的散热率，其中 移( 丁) = 【k ( r ) p c p ( 丁) 2 ；是在薄膜流动方向上聚合物的平均温度。 在骤冷辊辊筒上，塑料薄膜的上表面与空气之间的换热模式包括对流换热和热 辐射，热量交换方程为 一七( 丁) 兰当= j i i ( 乙一z 咖) + 仃( s p d 砭一s 曲7 ：瑚) ( 2 8 ) 式中：乙是与空气相接触的薄膜表面的温度；兄瑚是远离薄膜的空气温度；乙 是靠近薄膜的空气温度；仃是s t e f a n b o l t z m a n n 常数；s 蒯和s 口f ，分别是塑料薄膜和 空气的热辐射系数；h 是对流热导率，可以表述为塑料薄膜与骤冷辊辊筒第一接触 点和x 横坐标( 薄膜的流动方向) 距离的函数9 j ，d,13 j i z = 0 4 0 2 r x 刎, ( r e ，) 2i f f 吞f 0 3 二3 二6 孑砰p r ) + o 4 5 ( 2 9 ) x “ 1 + ( o “ “4 、 式中：p r 是普兰托数( p r a n d t l ) ；r e ，是雷诺数( r e y n o l d s ) ，其中 r e ，= p 甜x u 7 。驴，其中j d 曲是空气密度，叩折是空气粘度。 2 3f l u e n t 软件在仿真过程中的应用 熔融聚合物在冷却时由粘流态结晶成高弹态，此过程中伴随着相变的发生，其 中聚合物材料和冷却水均是流体，故应用流体力学的知识进行分析及选用流体软件 对此冷却过程进行仿真。 硕士论文多层共挤流涎成形过程温度控制技术研究 2 3 1f l u e n t 软件的应用 c f d 软件( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是专门用于进行流场分析、流场计算、 流场预测的软件1 2 。通过应用c f d 软件，可以对流场中的现象进行分析、显示， 在较短的时间内，很好的预测所需要的性能，并且可以通过参数的改变，达到最佳 的设计效果，能为试验提供很好的指导作用。f l u e n t 软件是目前市场上应用最普遍 的c f d 软件，它是基于有限体积法对连续的控制方程进行离散的，它所具有的物 理模型丰富、数值计算方法先进和后处理功能强大，在多个行业领域中得到了广泛 应用。 在用f l u e n t 软件进行模拟仿真、求解问题时，通常要应用前处理软件、求解器 和后处理软件来完成问题的求解。在前处理软件中，可以直接创建自己所需要的几 何模型，并且对几何结构进行网格的划分；也可以通过专门的建模软件如： s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 等构建模型，保存一定的格式导入到前处理软件中，进行 网格的划分。前处理软件主要包括g a m b i t 、t 嘶d 、p r e p d f 、g e o m e s h 等，其中 g a m b i t 是具有超强组合建构模型、网格生成的专用的前处理器，它是f l u e n t 自行研 发的前处理器，可以生成f l u e n t 软件直接使用的网格模型，同时可以设置所需要的 边界条件。求解器在计算流体运动中处于核心地位，在进入计算前要导入在前处理 器中已经划分好的网格模型，其次选择求解问题的计算模型、确定材料的特性和边 界的设定，最后完成迭代计算和后处理。在后处理中用户可以借助专业的后处理软 件t e c p l o t ，来绘制函数曲线和二维图形，而且还可进行三维面绘图和三维体绘图等 等，各软件之间的关系如图2 3 1 所示。 c a d c a e 软件等，如 p r o e u g 边 界 和 ( 或) 体 网 格 骥纠甓嚣 或网格l 茄轰；涮藉 边界网格 t g r i d 2 d 三角网格 3 d 四面体网格 2 d 和3 d 混合网格 网格模型 2 d 或 3 d 网 格 p r c p d f p d f 查表 _ _ ，。_ _ _ - _ _ _ _ - 。_ _ _ 。- _ 。 p d f l 程 i 序 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型选择 边界条件设定 流体物性确定 迭代计算 结果后处理 后处理 t e c p l o t 后 处 理 程 序 图2 3 1f l u e n t 软件包之间的关系图 f l u e n t 软件中，可以应用的流动类型很多，如热传导与对流传热相耦合的传热 计算，无黏流、层流和湍流等。此软件适用于各种复杂外形的可压和不可压流体的 2 塑料薄膜的冷却机理分析 硕士论文 计算，得到的数值解不会因为试验条件的限制而受到影响，而且仿真分析的结果可 以为试验研究提供指导。 2 3 2 换热基本控制方程的应用 塑料薄膜在冷却的过程中，伴有导热、对流和热辐射的传热过程，其中下表面 与骤冷辊辊面相接触，靠热传导冷却，在骤冷辊辊筒上，薄膜的上表面与空气的换 热模式有对流换热和热辐射，f l u e n t 软件计算传热问题是通过求解下面能量方程 来实现的，能量方程为 昙( 肛) + v 舻( 肚+ p ) = v 锄v 丁一；嘭乃+ 声 + 瓯 ( 2 1 0 ) 式中：歹，为组分j 的扩散通量；屯矿为有效导热率( 七+ 毛，其中毛是由湍流引起 的热导率，根据所使用的湍流模型来确定) ；& 为包括化学反应放热和体积热源产 生的热量；等式右边的前三项分别表示由于骤冷辊导热、组分扩散和聚合物熔体粘 性耗散所产生的能量传递【2 7 1 。 辐射热源是通过求解辐射传递方程来计算辐射传热产生的能量，不管是吸收、 发射的介质还是散射的介质，在位置尹处沿着方向；的辐射传递方程可以表述成下 述形式 掣+(口坞两)_口，z2等+鲁n两舯)dn(211)as万斗万。 式中：i 是散射方向向量；芦是位置向量；i 是方向向量；s 是沿程长度，即 行程长度；口是吸收系数；a 。是散射系数；n 是折射系数；仃是s t e f a n b o l t z m a n n 常数，其大小是5 6 7 2 1 0 _ 8 w ( m 2 k 4 ) ；，是辐射强度，其取决于位置尹与方向i ； 丁是当地的温度；是凝聚相的散射相函数；( a + 仃。) s 是介质的光学深度；q 7 是立 方角。 流体在流动过程中要满足质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律，这些 物理守恒定律在流体力学中体现的就是连续性方程和n s 方程。根据质量守恒定律， 单位时间内控制体的质量增量应该等于流入的质量与流出的质量差，其直角坐标系 下的微分形式和积分形式【2 2 】如下所示 望+ 塑堕- i - 一c g ( p o ) i - 掣堕：0 ( 2 1 2 ) a t a ) c 西 现 。 昙渺+ g 趔= o ( 2 1 3 ) 式中：彳表示控制面；p 表示流体的密度；v o l 表示控制体；式( 2 1 3 ) 中第一项 和第二项分