橡膠擠出機(jī)檢測(cè)與控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王慧棟

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)械有限公司奧倫膠帶分公司，山西 陽泉 045008)

1 橡膠擠出機(jī)的發(fā)展背景

21世紀(jì)以來，我國橡膠工業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，并逐步向著橡膠工業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)，在橡膠生產(chǎn)過程中，橡膠擠出機(jī)(即橡膠壓出機(jī))，是橡膠生產(chǎn)所需要的一項(xiàng)重要的機(jī)器設(shè)備，也是關(guān)系到橡膠產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)出量極其關(guān)鍵的設(shè)備之一。橡膠擠出機(jī)起源于18世紀(jì)的英國，歷史悠久，國外的橡膠擠出機(jī)發(fā)展主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：柱塞式擠出機(jī)、螺桿型熱喂料擠出機(jī)、普通冷喂料擠出機(jī)、主副螺紋冷喂料擠出機(jī)、冷喂料排氣擠出機(jī)、銷釘冷喂料擠出機(jī)、復(fù)合擠出機(jī)等。目前，整個(gè)擠出機(jī)市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品以銷釘式冷喂料擠出機(jī)和復(fù)合擠出機(jī)為主。在90年代初，占生產(chǎn)總量95%的冷喂料橡膠擠出機(jī)成為歐美等發(fā)達(dá)國家發(fā)展主流(見圖1)。當(dāng)前這些國家仍在研發(fā)生產(chǎn)MTCD以及其它新型高速精密擠出設(shè)備。我國橡膠擠出機(jī)相較于國外部分尖端化同類型機(jī)器，仍有一定的差距，在生產(chǎn)過程中由于溫控和檢測(cè)系統(tǒng)不完善，會(huì)出現(xiàn)擠出變形的情況，擠出變形對(duì)擠出半成品的尺寸影響很大，了解擠出變形的影響因素，干預(yù)這些影響因素，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和控制，避免擠出變形的發(fā)生，這對(duì)于保證擠出半成品的品形和尺寸有重要意義。

圖1 冷喂料橡膠擠出機(jī)

2 橡膠擠出機(jī)的技術(shù)要素

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能，就要對(duì)橡膠擠出機(jī)的生產(chǎn)工序和技術(shù)要素予以不斷的完善，使其符合生產(chǎn)和產(chǎn)品的需求，擠出機(jī)的設(shè)備和工藝歷經(jīng)持續(xù)的改進(jìn)，我們對(duì)擠出機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先要全面了解擠出機(jī)的機(jī)構(gòu)及其工作原理。主機(jī)側(cè)和輔機(jī)側(cè)這兩個(gè)主要部分組成了橡膠擠出機(jī)的系統(tǒng)：主機(jī)側(cè)主要負(fù)責(zé)完成膠料的加熱擠出等加工工序，其中包括機(jī)筒、螺桿、加料裝置、機(jī)頭、控溫裝置和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)；輔機(jī)側(cè)主要完成擠出膠料的牽引與傳送等，包括切割和卷取裝置，每臺(tái)擠出機(jī)都至少由加料段、壓縮段、計(jì)量段三段組成。橡膠擠出機(jī)的工作流程(圖2)。

圖2 橡膠擠出機(jī)工作流程

3 優(yōu)化橡膠擠出機(jī)的檢測(cè)與控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)智能化和網(wǎng)絡(luò)化

為滿足各類產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，擠出機(jī)的復(fù)合化進(jìn)程使機(jī)械性能更加復(fù)雜，與其匹配的控制系統(tǒng)復(fù)雜化和控制精度的要求更高。因此，設(shè)計(jì)出合適的控制系統(tǒng)才能保證其能夠經(jīng)濟(jì)、安全可靠地運(yùn)行，在多復(fù)合擠出機(jī)的控制中，總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)性能穩(wěn)定，可以極大減少布線量，方便安裝調(diào)試和維修，也最大程度增強(qiáng)系統(tǒng)靈活與可靠性，保證檢測(cè)和控制系統(tǒng)先進(jìn)性，同時(shí)取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

采用現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對(duì)整個(gè)擠出過程的工藝參數(shù)如熔體壓力及溫度、各段機(jī)身溫度、主螺桿和喂料螺桿轉(zhuǎn)速、喂料量，各種原料的配比、電機(jī)的電流電壓等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，并采用微機(jī)閉環(huán)控制。采用網(wǎng)上遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷和控制，對(duì)擠出成型生產(chǎn)線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，這些優(yōu)化措施，對(duì)于保證工藝條件的穩(wěn)定，提高產(chǎn)品的精度是極為有利的。

3.2 控制系統(tǒng)的實(shí)操性優(yōu)化改進(jìn)

3.2.1 優(yōu)化溫度檢測(cè)，完善故障報(bào)警

擠出機(jī)在生產(chǎn)的過程中，一方面保證產(chǎn)品的正常產(chǎn)出對(duì)溫度的要求比較高，另一方面螺桿擠壓也會(huì)產(chǎn)生大量的自產(chǎn)溫，為避免橡膠在螺筒內(nèi)自硫，控制好螺桿的溫度十分必要，把溫度控制在一定范圍內(nèi)。橡膠經(jīng)過機(jī)頭由模具擠出定型，橡膠擠出機(jī)在生產(chǎn)中穩(wěn)定性非常的重要。而擠出膠料的溫度檢測(cè)主要通過熱電偶溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，傳感器與擠出速度、螺桿類型、機(jī)頭壓力、擠出溫度分布、膠料配方等相互關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定值來實(shí)時(shí)對(duì)各個(gè)工序的溫度正常情況進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)生異常，報(bào)警提示窗口會(huì)自動(dòng)彈出，并且通過聲光報(bào)警。聲音報(bào)警主要利用LabVIEW的ActiveX控件調(diào)用Windows自身具備的媒體播放器，播放出提前錄制好的報(bào)警音效，以此提醒工作人員注意；報(bào)警的同時(shí)，進(jìn)料的控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止進(jìn)料，報(bào)警內(nèi)容和故障定位同時(shí)予以顯示；系統(tǒng)軟件提供的各選項(xiàng)功能可方便工作人員在機(jī)頭位置、溫度檢測(cè)、調(diào)節(jié)輥這三個(gè)頁面隨時(shí)切換，使檢測(cè)效率得以提高。在溫度檢測(cè)實(shí)例中，可采用超聲波傳感器檢測(cè)擠出膠料的厚度，采用稱重壓力傳感器檢測(cè)膠料質(zhì)量，膠料的厚度和質(zhì)量會(huì)經(jīng)由控件形式在前面板上顯示出來，方便工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2.2 實(shí)時(shí)了解、管理運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

在生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)報(bào)表，數(shù)據(jù)報(bào)表管理系統(tǒng)是較常用的統(tǒng)計(jì)工具，數(shù)據(jù)庫注冊(cè)以后，LabVIEW就通過開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)ODBC(open database connectivity)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，數(shù)據(jù)庫訪問一般分為打開、操作、關(guān)閉這三步。LabVIEW內(nèi)部集成大量的函數(shù)包，就包括操作數(shù)據(jù)庫的函數(shù)包DCT(database connectivity toolkit)，程序員雖然并不了解ODBC技術(shù)，但是利用DCT，ODBC技術(shù)中API接口就可以和目標(biāo)數(shù)據(jù)庫建立起聯(lián)系。配合使用SQL語句，非常方便就能操作數(shù)據(jù)庫，包括創(chuàng)建表格、刪除表格、添加記錄、查詢記錄等。將生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的每項(xiàng)數(shù)據(jù)保存在Excel格式的數(shù)據(jù)表中，提供科學(xué)依據(jù)，便于工作人員對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。LabVIEW提供了Report Toolkit工具包，含有常用的Excel函數(shù)，支持標(biāo)準(zhǔn)HTML、Word、Excel文件格式。使用Toolkit函數(shù)既可以設(shè)計(jì)表格格式，還支持調(diào)用打印機(jī)設(shè)備，十分方便地生成各種形式的報(bào)表，全面提高工作效率。

4 優(yōu)化后實(shí)際應(yīng)用效果分析

橡膠擠出機(jī)溫控系統(tǒng)控制器進(jìn)行優(yōu)化后，通過仿真設(shè)計(jì)研究，對(duì)常規(guī)控制器、Mamdani模糊控制器、模糊PID復(fù)合控制器進(jìn)行仿真建模，比較后三種控制器的使用效果和抗干擾能力，發(fā)現(xiàn)模糊PID復(fù)合控制器具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差接近0值、調(diào)量超小等優(yōu)點(diǎn)，可以良好抑制和消除外部干擾因素，能夠保證擠出機(jī)溫控系統(tǒng)精準(zhǔn)性，完全滿足擠出機(jī)在擠出橡膠時(shí)對(duì)溫度參數(shù)指標(biāo)的精度要求，其在提高橡膠制品質(zhì)量方面的應(yīng)用價(jià)值較高。

隨著國產(chǎn)化復(fù)合擠出設(shè)備的發(fā)展，復(fù)合擠出技術(shù)及生產(chǎn)工藝也發(fā)展較快，例如內(nèi)蒙古富特橡塑機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的配置“L”型輥筒機(jī)頭的銷釘式冷喂料擠出機(jī)，目前已應(yīng)用在輸送帶覆蓋膠片的生產(chǎn)工藝。其最大特點(diǎn)就是壓延機(jī)和擠出機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)的綜合體，擠出橡膠制品氣密性好，簡化了生產(chǎn)工藝，減少了生產(chǎn)設(shè)備，降低了大量能耗，提高了制品質(zhì)量，該產(chǎn)品在檢測(cè)與控制系統(tǒng)方面獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)的運(yùn)用，同樣值得借鑒。

5 結(jié)語

近年橡膠工業(yè)飛速發(fā)展，帶動(dòng)中國橡膠擠出技術(shù)的快速提升，尤其是密型擠出機(jī)新型螺桿擠出機(jī)開發(fā)、復(fù)合共擠技術(shù)都逐步成熟，通過對(duì)橡膠工業(yè)市場(chǎng)的分析，不難看出擠出機(jī)的發(fā)展方向仍有很大的空間潛力。因此，對(duì)擠出工藝的技術(shù)改造，一直都將是技術(shù)研發(fā)人員需要不斷研究探索的課題。為此，在積累國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)吸納國外公司的先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)生產(chǎn)出更多規(guī)格的橡膠擠出機(jī)，設(shè)計(jì)出的新產(chǎn)品應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡單，使用效果好，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，促使橡膠擠出技術(shù)達(dá)到更加成熟的程度。