全鋼輪胎擠出聯(lián)動線張力控制淺析

趙曉光，錢熠，王維，顧建，陳征峰

(1.杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018；2. 杭州紐億自動化系統(tǒng)有限公司，浙江 杭州 310051)

隨著我國物流行業(yè)的飛速發(fā)展，全鋼子午線輪胎的應(yīng)用越來越為廣泛。載重車輛配用的全鋼子午線輪胎的動平衡和均勻性直接決定了車輛的安全、速度、油耗、舒適性等。在全鋼子午胎的結(jié)構(gòu)中，內(nèi)襯層，胎側(cè)，胎面，墊膠等部件均由擠出機聯(lián)動線生產(chǎn)。輪胎的動平衡均勻性性能與組成全鋼子午胎的基礎(chǔ)部件的尺寸一致性直接相關(guān)。有了尺寸一致的擠出部件保證，后續(xù)成型工序才能有貼合出優(yōu)良胎胚的基礎(chǔ)，經(jīng)硫化后才能生產(chǎn)出均動性合格的輪胎。

1 擠出部件尺寸穩(wěn)定性與張力控制

1.1 尺寸穩(wěn)定性影響因素

擠出聯(lián)動線在理想狀況下生產(chǎn)的擠出部件應(yīng)該能保持尺寸穩(wěn)定性。但在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中，許多變動因素影響了部件尺寸穩(wěn)定性的實現(xiàn)。這些變動因素主要包括以下。

（1）膠料：不同批次膠料特性的變動，例如：門尼、膠燒時間、塑化時間等。

（2）擠出參數(shù)：排膠溫度、機頭壓力、螺桿轉(zhuǎn)速等變動。

（3）聯(lián)動線參數(shù)：張力、線速度、強制收縮比、噴淋冷卻，卷取速度等變動。

（4）環(huán)境：現(xiàn)場車間溫度、濕度等變動。

（5）放置與運送：至下一工序的停放時間、放置方法、運送方式的變動。

以上這些因素中，（3）的聯(lián)動線長度長、環(huán)節(jié)多，需要多種手段加以控制，其中聯(lián)動線的張力控制是其中難點也是關(guān)鍵點。

1.2 擠出聯(lián)動線的張力控制特點

1.2.1 擠出部件的收縮

擠出機機頭擠出溫度設(shè)定范圍為100～130 ℃，擠出速度3～30 m/min。經(jīng)聯(lián)動線輸送冷卻后達到常溫45 ℃以下。擠出部件從擠出的高溫狀態(tài)到卷取或裁斷的常溫狀態(tài)，在這一過程，部件的尺寸有較明顯的收縮變化。橡膠的線膨脹系數(shù)比金屬的線膨脹系數(shù)約大20倍，因此橡膠制品尺寸與溫度變化密切相關(guān)。制品經(jīng)過聯(lián)動線的強制收縮段后，收縮率會達到10%左右，在隨后的的聯(lián)動線部分，非強制收縮段收縮率在3%左右。取聯(lián)動線擠出制品收縮率C=3%。如擠出速度V=18 m/min=300 mm/s, 聯(lián)動線總輸送長度L=120 m。

單位時間變化率：ΔC=V×C=300×3%=9 mm/s

輸送過程中制品的收縮長度：ΔL=L×C=120 m×3%=3.6 m

1.2.2 聯(lián)動線分段分速輸送

由1.2.1可見，聯(lián)動線輸送擠出部件是一種長度實時變化部件，在輸送過程中，部件長度逐漸收縮。如采用常規(guī)輸送方法，如輸送帶等速連續(xù)輸送。這種方法輸送下，正在逐漸收縮的擠出部件將會受到輸送帶拉伸。按1.2.1參數(shù)，即產(chǎn)生9 mm/S的單位拉伸量，聯(lián)動線總長度范圍3.6 m的拉伸量。適應(yīng)這種狀況的輸送方法應(yīng)該是根據(jù)收縮率逐漸降速的輸送方法，最理想是跟隨擠出部件的收縮率無級降速的輸送方式，但這種方式只能趨近無法完全實現(xiàn)且代價昂貴。為此，目前大部分廠家采用了折中方式，聯(lián)動線劃分為多段輸送，每一段內(nèi)為等速連續(xù)輸送，段與段間不等速的級差輸送方式。

1.2.3 段間張力控制要求

從尺寸一致性與張力關(guān)系角度看，輸送線對物料的牽引張力恒定，這種恒張力方式是保證物料尺寸一致性的最佳方式。這在輸送常規(guī)物料時連續(xù)定速輸送方式下，這種張力控制要求較易實現(xiàn)。但從1.2.1可知，橡膠擠出部件無法采用常規(guī)連續(xù)輸送方式輸送，在分段的級差輸送方式下，怎樣來保持段間張力的恒定，這是對擠出聯(lián)動線的張力控制的最大挑戰(zhàn)。

物料通過輸送帶（輸送輥）輸送時，物料牽引張力F與物料和輸送帶（輸送輥）間的摩擦力f，輸送帶（輸送輥）輸送速度V這兩個參數(shù)正相關(guān)。橡膠擠出物料在分段的級差輸送方式下，在某一段輸送時，段內(nèi)輸送速度相同，部件在此輸送段中，單位重量和部件寬度變化產(chǎn)生了變動摩擦力Δf，單位長度變化產(chǎn)生了變動長度ΔL，單位長度的變化引起了變動單位速度ΔV，因此，以上變動產(chǎn)生了變動張力ΔF。如要保持物料牽引張力的恒定，就必須在段與段間準確檢測到變動張力ΔF，同時在下一輸送段加以修正。

2 擠出聯(lián)動線的張力控制的實施

2.1 張力的分段閉環(huán)控制模式

從1.2.2可知，擠出部件在擠出聯(lián)動線的輸送是多段輸送。從1.2.3可知，需在段間檢測變動張力ΔF，同時在下一輸送段修正。也由1.2.3可知，下一輸送段張力值的修正，如無法改變下一輸送段物料與輸送帶（輸送輥）間的摩擦力，就需要改變下一輸送段的輸送速度。具體實施方法見圖1，以擠出機速度為基準速度，后一段速度是在以前段速度為輸入值，與前段間張力變動量為反饋值，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后，輸出后段速度

圖1 張力的分段閉環(huán)控制模式示意圖

圖1中，VN為前段輸送速度，VN+1為后段輸送速度，F(xiàn)ΔN為后段與前段間的段間張力變動量。

2.2 張力檢測（3種檢測方法比較）

檢測方法要求：

根據(jù)以上分析和擠出聯(lián)動線段實際工作要求，段間張力FΔN檢測有以下要求。

（1）快速準確檢測出輸送中的擠出部件的張力變化。

（2）張力劇烈變化時平抑檢測值峰谷量，避免出現(xiàn)控制器超調(diào)振蕩現(xiàn)象。

（3）擠出部件到達后段時不跑偏。

（4）不使擠出部件拉伸或堆積打褶。

（5）不影響段間空間為段與段間的物料緩存區(qū)的功能。

（6）人工或自動引頭時，不影響引頭工作的進行。

以下比較3種檢測方法的優(yōu)劣。

2.2.1 光電/超聲波檢測

這種檢測方法是一種間接檢測方法，安裝傳感器在擠出物料上方，通過非接觸檢測方法檢測段間物料位置變化來推算出段間張力變化。

這種方法簡單易行，檢測目標點是物料的最低點位置，但此位置相對光電/超聲波傳感器的傳感軸線并不固定，輸送過程中部件位置會在X、Y兩個方向都不斷變動。這樣，檢測得到數(shù)據(jù)就不是物料的最低點。同時，由于此時在段與段間的物料處于無張力輥張緊狀態(tài)，無牽引張力的擠出部件會跑偏。

2.2.2 張力傳感器檢測

這是張力直接檢測方式，通常兩個傳感器配對使用，裝配在檢測導(dǎo)輥兩端，擠出物料通過檢測導(dǎo)輥時，對張力傳感器施加力，傳感器產(chǎn)生對應(yīng)張力大小的微小變形或位移，這些變形量經(jīng)放大后輸出張力檢測信號。

這種方法檢測精度高、范圍寬、響應(yīng)快，但此時段間物料長度為一固定值，無段間物料緩存功能。在張力劇烈變化時，不能吸收峰值變化。

2.2.3 浮動輥檢測

檢測示意見圖2。前輸送段和后輸送段間安裝浮動輥裝置。裝置核心為一低摩擦旋轉(zhuǎn)缸，旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)軸連接一擺臂，擺臂上裝有滾筒，旋轉(zhuǎn)軸另一方向連接一重錘，調(diào)節(jié)重錘可以平衡掉擺臂與滾筒重量。使用比例閥和電磁閥控制旋轉(zhuǎn)缸，電磁閥可使旋轉(zhuǎn)缸逆時針旋轉(zhuǎn)，擺臂抬起；比例閥可將設(shè)定氣壓加載旋轉(zhuǎn)缸，旋轉(zhuǎn)缸在順時針方向輸出設(shè)定下壓力。旋轉(zhuǎn)缸附帶角度傳感器檢測旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角度，輸出對應(yīng)模擬量信號。以下介紹浮動輥的4個工作階段。

圖2 浮動輥檢測示意圖

（1）擠出引頭階段。電磁閥控制旋轉(zhuǎn)缸逆時針旋轉(zhuǎn)，擺臂帶動浮動輥滾筒抬起最高位。方便擠出部件頭部在滾筒下部通過。

（2）正常工作階段。引頭階段結(jié)束，電磁閥排氣，比例閥加載設(shè)定氣壓至旋轉(zhuǎn)缸。此處使用的旋轉(zhuǎn)缸為低摩擦阻力氣缸。以內(nèi)襯層生產(chǎn)線為例，內(nèi)襯層制品受到的牽引張力非常小，浮動輥滾筒下壓力要求與內(nèi)襯層牽引張力平衡。此時擺臂與滾筒重量全部被重錘平衡掉，滾筒下壓力只來自旋轉(zhuǎn)軸扭矩。設(shè)擺臂長度0.6 m，比例閥輸出設(shè)定的0.012 MPa氣壓，此時旋轉(zhuǎn)軸輸出扭矩為0.4 N.m，滾筒下壓力為0.24 N與內(nèi)襯層牽引張力一致。前后段速差匹配時，張力平衡的內(nèi)襯層處于中間位；后段速度偏快時，段間內(nèi)襯層長度減小，牽引張力大于0.24 N，浮動輥隨內(nèi)襯層向上偏轉(zhuǎn)；后段速度偏慢時，段間內(nèi)襯層長度增大，牽引張力小于0.24 N，浮動輥隨內(nèi)襯層向下偏轉(zhuǎn)。此過程，浮動輥與內(nèi)襯層配合張力使得內(nèi)襯層不拉伸或堆積打褶，同時也不跑偏。合適的浮動輥下壓力使得浮動輥與內(nèi)襯層的關(guān)系如同太極拳中的“黏勁”，膠走輥隨，不丟不頂。

（3）浮動輥角度偏轉(zhuǎn)信號。旋轉(zhuǎn)缸附帶的角度傳感器實時檢測旋轉(zhuǎn)軸相對中間位的偏轉(zhuǎn)角度，并將角度值轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出。設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸處于中間位，傳感器輸出5V電壓；旋轉(zhuǎn)軸處于上偏極限位，傳感器輸出10V電壓；旋轉(zhuǎn)軸處于下偏極限位，傳感器輸出0V電壓。讀取此模擬量信號就可得到浮動輥相對中間位的偏轉(zhuǎn)角度。

（4）劇烈變化時阻尼。在擠出引頭階段切換至正常工作階段時，包括某些特殊狀況時，段間擠出部件張力變化劇烈，浮動輥隨之劇烈擺動，旋轉(zhuǎn)缸活塞腔背壓起到氣阻尼作用，類同電子線路中的減振器件一樣使得聯(lián)動線張力的振幅和振頻得到抑制。大量的不合格制品是在這種階段被生產(chǎn)出，及時平抑會大幅減少不合格制品的產(chǎn)出。

2.3 張力控制

根據(jù)2.2的分析，擠出聯(lián)動線采用浮動輥檢測段間張力FΔN是一種合適的方法。段間張力被浮動輥以間接檢測并以角度值模擬量信號反饋至控制器，控制器以前段速度值為基準，根據(jù)角度值調(diào)整后段速度。

2.3.1 速差控制

控制器接收到角度值模擬量信號，對前后段速差做以下控制。

（1）浮動輥角度值為5V，前后輸送輥速度匹配，不調(diào)整；

（2）浮動輥角度值＞5V，后輸送輥速度過慢 加快速度；

（3）浮動輥角度值＜5V，后輸送輥速度過快 減慢速度。

2.3.2 速差控制算法

PID算法形式簡單、性能穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)快。但1.1節(jié)所述擠出聯(lián)動線所受的變動因素影響比較多，采用固定參數(shù)的PID算法無法完全適應(yīng)多種變動因素，不能達到良好的控制結(jié)果。模糊算法以模糊推理為核心，靈活、適應(yīng)性強。采用模糊+PID的自整定算法能較好適應(yīng)擠出聯(lián)動線具體控制要求。這種控制策略流程圖見圖3。

圖3 速差控制算法控制策略流程圖

3 配方管理與大數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化

3.1 規(guī)格配方管理

同一條生產(chǎn)線需生產(chǎn)多品種多規(guī)格擠出部件，不同部件的牽引張力是不同的。從上文可知，浮動輥下壓力應(yīng)與聯(lián)動線輸送的部件牽引張力一致，因此，擠出聯(lián)動線切換規(guī)格時，浮動輥下壓力也就是比例閥設(shè)定壓力要隨之切換。圖4是一內(nèi)襯層生產(chǎn)線浮動輥的配方設(shè)定畫面，包含比例閥壓力，中間位角度的設(shè)定，這些與生產(chǎn)規(guī)格相對應(yīng)的浮動輥設(shè)定配方儲存在擠出聯(lián)動線工控機內(nèi)，切換規(guī)格時相應(yīng)的浮動輥配方將會同時調(diào)取使用，無需人工干預(yù)。

圖4 內(nèi)襯層生產(chǎn)線浮動輥的配方設(shè)定畫面

3.2 大數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化

我們在擠出聯(lián)動線上加裝在線測量擠出部件的寬度、長度和整體外形的檢測裝置。將這些檢測得來的大數(shù)據(jù)儲存，處理后，針對每一個擠出部件各環(huán)節(jié)設(shè)定參數(shù)進行反饋優(yōu)化，之后再反饋再優(yōu)化。包括2.3.2所述速度算法、參數(shù)3.1所述浮動輥比例閥壓力和中間位角度設(shè)定參數(shù)，我們都可以利用大數(shù)據(jù)來不斷優(yōu)化。

4 結(jié)束語

張力控制在多數(shù)輸送場合都是控制要點，本文就輪胎半制品擠出聯(lián)動線的張力控制的特點、張力檢測的手段、控制方法、配方管理及大數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化等幾個方面闡述了實際工作的一些總結(jié)和心得。在我們對張力控制的不斷摸索改進中，半制品部件的尺寸也會越來越趨向一致性的目標。