橡胶挤出机检测与控制系统优化设计

王慧栋

(阳泉煤业集团华越机械有限公司奥伦胶带分公司，山西 阳泉 045008)

1 橡胶挤出机的发展背景

21世纪以来，我国橡胶工业发展稳定，并逐步向着橡胶工业强国迈进，在橡胶生产过程中，橡胶挤出机(即橡胶压出机)，是橡胶生产所需要的一项重要的机器设备，也是关系到橡胶产品质量和产出量极其关键的设备之一。橡胶挤出机起源于18世纪的英国，历史悠久，国外的橡胶挤出机发展主要经历以下几个阶段：柱塞式挤出机、螺杆型热喂料挤出机、普通冷喂料挤出机、主副螺纹冷喂料挤出机、冷喂料排气挤出机、销钉冷喂料挤出机、复合挤出机等。目前，整个挤出机市场的主导产品以销钉式冷喂料挤出机和复合挤出机为主。在90年代初，占生产总量95%的冷喂料橡胶挤出机成为欧美等发达国家发展主流(见图1)。当前这些国家仍在研发生产MTCD以及其它新型高速精密挤出设备。我国橡胶挤出机相较于国外部分尖端化同类型机器，仍有一定的差距，在生产过程中由于温控和检测系统不完善，会出现挤出变形的情况，挤出变形对挤出半成品的尺寸影响很大，了解挤出变形的影响因素，干预这些影响因素，对其进行优化和控制，避免挤出变形的发生，这对于保证挤出半成品的品形和尺寸有重要意义。

图1 冷喂料橡胶挤出机

2 橡胶挤出机的技术要素

为了提高产品质量和产能，就要对橡胶挤出机的生产工序和技术要素予以不断的完善，使其符合生产和产品的需求，挤出机的设备和工艺历经持续的改进，我们对挤出机控制系统进行优化，首先要全面了解挤出机的机构及其工作原理。主机侧和辅机侧这两个主要部分组成了橡胶挤出机的系统：主机侧主要负责完成胶料的加热挤出等加工工序，其中包括机筒、螺杆、加料装置、机头、控温装置和电气传动系统；辅机侧主要完成挤出胶料的牵引与传送等，包括切割和卷取装置，每台挤出机都至少由加料段、压缩段、计量段三段组成。橡胶挤出机的工作流程(图2)。

图2 橡胶挤出机工作流程

3 优化橡胶挤出机的检测与控制系统

3.1 控制系统智能化和网络化

为满足各类产品的生产需求，挤出机的复合化进程使机械性能更加复杂，与其匹配的控制系统复杂化和控制精度的要求更高。因此，设计出合适的控制系统才能保证其能够经济、安全可靠地运行，在多复合挤出机的控制中，总线技术、网络结构简单，技术性能稳定，可以极大减少布线量，方便安装调试和维修，也最大程度增强系统灵活与可靠性，保证检测和控制系统先进性，同时取得良好的社会经济效益。

采用现代电子和计算机控制技术，对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量，各种原料的配比、电机的电流电压等参数进行在线检测，并采用微机闭环控制。采用网上远程监测、诊断和控制，对挤出成型生产线进行网络控制，这些优化措施，对于保证工艺条件的稳定，提高产品的精度是极为有利的。

3.2 控制系统的实操性优化改进

3.2.1 优化温度检测，完善故障报警

挤出机在生产的过程中，一方面保证产品的正常产出对温度的要求比较高，另一方面螺杆挤压也会产生大量的自产温，为避免橡胶在螺筒内自硫，控制好螺杆的温度十分必要，把温度控制在一定范围内。橡胶经过机头由模具挤出定型，橡胶挤出机在生产中稳定性非常的重要。而挤出胶料的温度检测主要通过热电偶温度传感器来实现，传感器与挤出速度、螺杆类型、机头压力、挤出温度分布、胶料配方等相互关联。系统依据设定值来实时对各个工序的温度正常情况进行检测，一旦发生异常，报警提示窗口会自动弹出，并且通过声光报警。声音报警主要利用LabVIEW的ActiveX控件调用Windows自身具备的媒体播放器，播放出提前录制好的报警音效，以此提醒工作人员注意；报警的同时，进料的控制系统会自动停止进料，报警内容和故障定位同时予以显示；系统软件提供的各选项功能可方便工作人员在机头位置、温度检测、调节辊这三个页面随时切换，使检测效率得以提高。在温度检测实例中，可采用超声波传感器检测挤出胶料的厚度，采用称重压力传感器检测胶料质量，胶料的厚度和质量会经由控件形式在前面板上显示出来，方便工作人员实时监测。

3.2.2 实时了解、管理运行状态数据

在生产过程中，会产生大量的数据报表，数据报表管理系统是较常用的统计工具，数据库注册以后，LabVIEW就通过开放数据库互联技术ODBC(open database connectivity)对目标数据库进行访问，数据库访问一般分为打开、操作、关闭这三步。LabVIEW内部集成大量的函数包，就包括操作数据库的函数包DCT(database connectivity toolkit)，程序员虽然并不了解ODBC技术，但是利用DCT，ODBC技术中API接口就可以和目标数据库建立起联系。配合使用SQL语句，非常方便就能操作数据库，包括创建表格、删除表格、添加记录、查询记录等。将生产中的各环节产生的每项数据保存在Excel格式的数据表中，提供科学依据，便于工作人员对生产环节进行分析。LabVIEW提供了Report Toolkit工具包，含有常用的Excel函数，支持标准HTML、Word、Excel文件格式。使用Toolkit函数既可以设计表格格式，还支持调用打印机设备，十分方便地生成各种形式的报表，全面提高工作效率。

4 优化后实际应用效果分析

橡胶挤出机温控系统控制器进行优化后，通过仿真设计研究，对常规控制器、Mamdani模糊控制器、模糊PID复合控制器进行仿真建模，比较后三种控制器的使用效果和抗干扰能力，发现模糊PID复合控制器具有响应速度快、稳态误差接近0值、调量超小等优点，可以良好抑制和消除外部干扰因素，能够保证挤出机温控系统精准性，完全满足挤出机在挤出橡胶时对温度参数指标的精度要求，其在提高橡胶制品质量方面的应用价值较高。

随着国产化复合挤出设备的发展，复合挤出技术及生产工艺也发展较快，例如内蒙古富特橡塑机械有限公司设计、生产的配置“L”型辊筒机头的销钉式冷喂料挤出机，目前已应用在输送带覆盖胶片的生产工艺。其最大特点就是压延机和挤出机诸多优点的综合体，挤出橡胶制品气密性好，简化了生产工艺，减少了生产设备，降低了大量能耗，提高了制品质量，该产品在检测与控制系统方面独有的技术特点的运用，同样值得借鉴。

5 结语

近年橡胶工业飞速发展，带动中国橡胶挤出技术的快速提升，尤其是密型挤出机新型螺杆挤出机开发、复合共挤技术都逐步成熟，通过对橡胶工业市场的分析，不难看出挤出机的发展方向仍有很大的空间潜力。因此，对挤出工艺的技术改造，一直都将是技术研发人员需要不断研究探索的课题。为此，在积累国内生产技术经验的同时，也应吸纳国外公司的先进技术，开发生产出更多规格的橡胶挤出机，设计出的新产品应具备结构简单，使用效果好，实用性强的特点，促使橡胶挤出技术达到更加成熟的程度。