（机械电子工程专业论文）数字式多功能精密塑胶制品成形系统的实现研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 _ _ _ 奠一ii 一 摘要 弋塑胶制品在国民经济和国防建设中占有重要地位，但在生产过程中产 品质量控制普遍存在严重问题，质量稳定性差。其原因在于橡胶的硫化过 程具有模糊性，产品质量和性能与胶料的配方、结构尺寸和环境温度等许 多不确定性因素有关，常依赖于操作者的经验和技能，人为影响因素大， 产品质量难以控制，课题研究旨在为质量控制提供一个试验研究平台了 论文中作者在分析塑胶制品生产现存问题的基础上，讨论了塑胶成形 系统的结构和设计问题。论文重点讨论了三个问题： 1 作者对橡胶制品硫化成形的对象特性作了深入细致的分析，并对其 特性进行了描述和归纳，为硫化成形过程控制策略的选取奠定了基础。 2 针对对象特性，作者对控制镱略作了较广泛深入的探讨，仔细分析 了模糊控制、神经控制、专家控制和智能控制的特点，最终融合仿人智能 控制与专家控制作为系统的控制策略，并作了算法研究。 3 作者应用工控机、传感器、变送器、数据采集卡等硬件设备和工控 组态软件，在视窗操作系统平台上，完成了应用开发，使整个系统得以实 现。 最后，作者在所研制的系统上，对控制性能作了比较研究，其控制效 果是令人满意的，控制系统的鲁棒性强、稳定性好、控制精度高。砟者还 进行了初步的试验研究，优化出了一种规格的橡胶制品的工艺参数； r 一 ，? 关键词：塑胶制品，硫化，成形系统，过程控制 重庆大学硕士学位论文目录 a b s t r a c t t h ep r o d u c t so fp l a s t i c & r u b b e rp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a l e c o n o m y a n dd e f e n e ec o n s t r u c t h o w e v e r , t h e r ea r es e v e r a lq u a l i t yp r o b l e m si n t h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r e o n eo fa l li st h a tt h es t a b i l i t yo fq u a l i t yi sa l w a y s p o o r , b e c a u s eo f r u b b e rp r o d u c tv u l c a n i z i n gp r o c e s sb e i n gf u z z y i ti sc l o s e l y c o n n e c t e dw i t hm a n y u n c e r t a i n t yf a c t o r ss u c h a sr u b b e rm a t e r i a li n g r e d i e n ta n d p r o p e r t i e s ，p r o d u c ts t r u c t u r e ，t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o na n ds oo ni n p r o d u c t q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e s o t h eq u a l i t yo fr u b b e rp r o d u c to f t e nh i n g e so nt h e e x p e r i e n c ea n ds k i l l o fp r o c e s so p e r a t i n gw o r k e rw h oh a n d l e st h es h a p i n g p r o c e d u r e t h ep u r p o s eo f s u b j e c t r e s e a r c hi st om a k ea n e x p e r i m e n t a lf l a t f o r m w h i c h s u p p l i e sa f a c i l i t i e sf o r s t u d y i n gf a c t o r so f a f f e c t i n gp r o d u c tq u a l i t y b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gp r o b l e mo f p l a s t i cr u b b e rp r o d u c t s ，t h e s t r u c t u r ea n dd e s i g no fp l a s t i c & r u b b e rs h a p i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h e p a p e r , m a i n l y i ti sa sf o l l o w i n gt h r e ep r o b l e m s ： 1t h ec h a r a c t e r i s t i co f r u b b e r p r o d u c tv u l c a n i z a t i o n i sd e e p l ya n a l y z e di n d e t a i l i n t h i s p a p e r , a n da l s o t h e p r o p e r t i e s o fv u l c a n i z i n g p r o c e s s a l e s u m m a r i z e d i tl a y st h ef o u n d a t i o nf o rc h o o s i n gc o r r e c t l yt h ec o n t r o ls t r a t e g y a n dr e s e a r c h i n ga l g o r i t h mo f v u l c a n i z i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 2 a i m e da tt h eo b j e c t sc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t r o ls t r a t e g ys t u d i e dw i d e l yi n m a n yw a y s ，s u c h a sf u z z yc o n t r o l ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s c o n t r o l ，e x p e r t c o n t r o la n d i n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 t h e p r o p e r t i e s b e t w e e nt h e ma r ea l s o c o m p a r e d ，f i n a l l y , t h ef u s i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fh u m a n s i m u l a t i o ni n t e l l i g e n t c o n t r o la n de x p e r tc o n t r o li ss e l e c t e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o la l g o r i t h mi s a l s os t u d i e di nt h ep a p e r 3 m a k i n gu s eo f h a r d w a r es u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , s e n s o r s ， t r a n s d u c e r s ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n ds oo n ，a n di n s t a l l i n gh a r d w a r ew i t h s o f t w a r ew h i c hi s d e v e l o p e db ya u t h o r , t h es h a p i n gs y s t e mw h i c ho p e r a t i n g s y s t e mi sw i n d o w s9 8 ，a p p l i e dd e v e l o p m e n t a ls o f t w a r eb e i n g i n d u s t r i a lc o n t r o l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，i sr e a l i z e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e n 恤eo r i 西n a l a n dt h e d e v e l o p e ds y s t e mi sm a d e t h ed e v e l o p e ds y s t e mi ss t r o n g e ri nr o b u s t n e s s b e t t e ri n s t a b i l i t y , h i g h e r i nc o n t r o l p r e c i s i o n o nt h eb a s i s ，a u t h o rh a s c o m p l e t e de l e m e n t a r ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so f a k i n do fr u b b e rp r o d u c ta r eo p t i m i z e d k e y w o r d s ：p l a s t i c & r u b b e r , v u l c a n i z a t i o n ，s h a p i n gs y s t e m ，p r o c e s sc o n t r o l 重庆大学硕士学位论文第一章概论 第一章概论 1 1 平板硫化机的国内外研究现状及其发展趋势 平板硫化机是我国橡胶模压制品的主要生产设备之一。近年来，由于 橡胶工业的发展，新材料、新工艺不断出现，新产品的开发对橡胶产品的 质量和性能提出了越来越高的要求。我国在塑胶制造设备方面比较落后， 尤其在自动化作业和控制水平方面，还有许多设备沿用传统的继电器控制 方式，控制精度低、产品质量差，稳定性不高。落后的生产设备也给生产 过程的操作者带来诸多不便，基本上处于人工监视仪表及过程，主要靠手 工操作的状态，凭借操作者的经验和技巧指导生产，主观人为因数直接影 响产品的质量和产量。基于上述理由，应用先进的控制技术改造传统的硫 化设备，提高橡胶产品的精度和质量稳定性，在橡塑产业界已成为共识【1 】。 平板硫化机的主要功能是进行模压硫化，“八五”规划以来，我国平 板硫化机的技术水平有了显著进步，无论是从品种、规格，还是从功能、 性能、控制水平方面，都有较大的提高，出现了一些新型的平板硫化机。 如应用于橡胶海绵、塑料发泡的平板硫化机：具有自动开合模功能的平板 硫化机；抽真空平板硫化机等，这些新型的平板硫化机有力地促进了橡胶 模压制品的发展。 温度是硫化三要素之一，由于温度控制精度和热板表面温度对橡胶制 品质量的关系重大而被橡胶行业所重视，1 9 8 8 年橡胶行业曾组织过攻关， 取得了一定的突破：一是对电加热平板硫化机，采用热管热超导技术解决 热板表面温差，采用特殊控制方式的控温仪表解决电阻加热熟惯性大的问 题；二是蒸汽加热的平板硫化机，采用气动薄膜阀连续调节进入热板的蒸 汽流量和合理的蒸汽通道，从而把热板温度控制在期望的设定点；三是采 用导热油作为传热媒介的油加热平板硫化机，利用流体作为传热介质，使 热板温度精度明显提高，表面温差明显减小，同时，使用导热油后明显提 高了硫化温度1 2 】。 随着橡胶制品成形硫化的工艺要求提高，对于硫化三要素的控制、硫 化机的动作要求也不断提高，如快速合模、慢速升压，在不同压力下的放 气，模具的进出和开合模，模具分解的自动化，开合模速度的变化等等， 用常规的继电控制和液压技术已不能满足要求。动作程序日趋复杂，为了 实现高功能要求和提高动作可靠性，现正在由广泛采用单片机、p l c 控制 技术向现代液压技术和工控机软硬技术及高级的控制策略与控制算法过度 【2 1 。 重庆大学硕士学位论文第一章概 论 在一些橡胶制品厂里，已在酝酿几十台平板硫化机由一台微机进行集 中控制f 3 l 。它可以控制单机的动作和硫化时间。对于温度有波动的环境， 微机能自动修正硫化时间，能够实现等效硫化，有利于保证硫化质量和减 少人为因素的影响。不过，微机群控在我国橡胶制品行业的应用还处于起 步阶段，还不很成熟，有待于进一步研究完善1 4 】。 p l c 由于环境适应性好，抗干扰能力强而在近几年得到广泛应用。它 具有固化后程序运行可靠，修改程序方便的优点。为提高可靠性，作为动 作之一的行程开关，大多采用无接触的接近开关来取代，压力检测元件的 压力继电器被磁助式或耐震的电接点压力表所取代。目前国产的p l c 尚处 在引进消化阶段，可靠性不高。国内大多采用欧姆龙、三菱、富士、西门 子等国外名牌产品i “。 平板硫化机随着主机动作和辅机动作的日趋复杂，液压元件越来越多。 如湖州橡机厂生产的二机一组自动开模平板硫化机，若用4 5 个液压元件， 采用多个集成块，以保证系统油路短，泄漏少，阻力小，动作可靠。有些 企业的液压集成块已模块化、标准化、通用化。元件的选择，系统的组合 技术与动作可靠性密切相关，要求技术人员对系统和元件的性能十分熟悉。 在有些平板硫化机上，采用比例压力阀、比例流量阀或比例方向流量 复合阀，以实现压力、流量的无级调整，：满足不同工艺要求对压力、流量 的需要。在一些大规格的平板硫化机上，应用二通插装阀，以加大流通能 力，减少流动阻力、压力损失和内部泄漏。运用这些新的技术，可简化液 压系统，减少元件数量，提高运行可靠性。 国际上一些工业比较发达的国家，如美国、英国、德国、日本和意大 利等国家，橡胶机械比较发达，可以说美国f a r r a l 公司的密炼机技术，德 国b e r s t o r f f 公司和意大利c o m e r i o 公司的压延技术，及日本、美国和意大 利有关公司的子午线等专用橡胶技术，领导了世界橡胶技术的发展，代表 了国际橡胶工业装备水平f 6 】。 随着微电子工业的迅速发展，各神p l c 、工控产品、单片机、智能仪 表和机器人等在国外被广泛应用于各种橡胶机械产品中，如美国n r m 公 司采用程序逻辑控制系统，日本m i t s u b i s h i 公司采用m a c 时序控制器， 美国m c n i e l 采用e c y c r i 控制系统等，取代机械式时序控制器，以提高 控制水平1 7 j 。此外，用计算机对硫化车间的硫化机进行群控，如美国n r m s t e e la s f i c 公司生产的a u t o l o k 硫化机使用一台计算机主机可同时控制3 2 台硫化机p 。另外，国外橡胶硫化机械除采用传统的加热方式外，还有采 用感应加热方式，如法国塞德普鲁公司申请的轮胎硫化方法及设备专利， 及韩国大宇电子株式会社申请的模具注塑系统的模具加热装置专利都采用 感应加热。 2 重庆大学硕士学位论文第一章概 论 在国内，近年来，随着橡胶制品成形硫化的工艺要求提高，在引进、 消化、吸收的基础上。不少厂家也广泛采用微机、可编程序控制器、模糊 控制系统、机械手和现代液压技术，以提高橡胶硫化设备的控制水平。如 湖州橡胶机械厂、桂林橡胶机械厂、上海第一橡胶机械厂以及上海大中华 橡胶厂等都对他们生产的各种平板硫化机采用微机和可编程序控制器方式 控制：沈阳橡胶机械设备厂对传统的链条传动机械手进行改造研制出液压 传动式的机械手；沈阳市硬质橡胶厂、郑州轻工业学院等还采用微机对橡 胶硫化机实施群控：但在控制品质，控制效果上由于控制策略及控制算法 方面存在某些问题，也存在不少不尽人意之处，总的趋势是正在积极探索、 不断前进之 9 j 。 1 2 平板硫化机的控制性雒及其对橡胶制品的影响 平板硫化机的主要功能是进行橡胶制品的硫化，使胶料和各种助剂在 一定温度和压力的情况下发生交联等化学反应，达到所需要的机械性能和 物理化学性能，其理化机理是很复杂的，在此只从外特性角度对三要素( 温 度、压力和时间) 的影响略作讨论。 1 2 1 硫化温度控制及其对制品的影响 硫化是化学反应过程，决定性的条件之一是硫化温度。硫化温度和硫 化速度之间存在一定关系( 硫化温度对硫化速度的影响通常用硫化温度系 数来表示，若已知胶料的硫化温度系数，可以根据阿累尼乌斯( a n h e n u s ) 经验公式，计算出不同温度的硫化时间) ，提高硫化温度，可以缩短硫化时 间，提高生产效率【l o 】。但提高温度时要考虑如下因素：橡胶是不良导热体， 对于厚制品来说，高温会增加制品内外温差，导致硫化程度不一致；对于 纤维的制品，高温会使纺织物强度降低；对于花纹复杂的制品，硫化初期 胶料要有充分的流动时间充模和渗入纺织物之中【1 ”。 如何通过试验研究，针对胶料的配方、性质、产品结构和工艺条件等 因素优化设计出各种制品的最佳硫化温度，并实行精确、实时控制，使其 既能达到要求的硫化效应、保证产品性能，又能提高生产效率，是橡胶制 品工艺的关键之一。 1 2 2 硫化压力控制及其对制品的影响 橡胶制品除薄制品外，一般都需要在一定压力下硫化。硫化压力可以 保证产品的致密性，消除气泡；促进胶料在膜内的流动，使其迅速充满模 重庆大学硕士学位论文第一章概论 腔，以制得结构复杂的产品：还可提高制品胶层与布层或金属层、布层与 布层之间的粘着力和产品的耐曲挠性等【l l j 。 硫化压力的大小由胶料的性质、产品结构和工艺条件等因素而定。对 流动性差的胶料、结构和形状复杂的厚制品，硫化压力一般要大一些。如 何精确的控制硫化各阶段的压力，并在正硫化阶段之前，进行排汽，消除 气泡，通过提高制品的致密性、粘着力和耐曲挠性来保证产品的机械性能 和力学性能，是提高制品性能的又一关键因素。 1 2 3 硫化时间控制及其对制品的影响 、 硫化时间是随硫化温度而变的，它们之间有相互依赖的关系，遵循正 硫化的硫化效应准则。硫化效应准则是衡量硫化程度的尺度，等于硫化强 度与硫化时间的乘积。硫化时间过短会造成欠硫，硫化时间过长会导致过 硫。 在传统硫化过程中，如电加热平板硫化机，通电一段时间，在此时闻 橡胶制品接受热源导入的热量，其内部按照一定的升温曲线升温，一定时 间之后，结束硫化。由于每个系统的控制参数值都会有一定的波动，所以 硫化周期的选择都是按照所控参数在最坏的条件下，仍能达到所需硫化程 度的最低允许值来考虑的，这样可以使生产的所有橡胶制品不会欠硫。事 实上，这种考虑使所有橡胶制品都处在过硫状态，这样不但增加了硫化时 间，降低了硫化设备的使用效率，而且制品的老化程度会有所增加，缩短 了使用寿命，降低了橡胶制品的质量。 解决以上问题的关键是进行等效硫化，即采用“速率积分”的方法进 行硫化时间控制，等效硫化的一大特征就是使硫化时间随硫化温度变化而 相应变化。精确而实时的硫化时间控制，能使橡胶制品的各种物理力学性 能达到最佳状态。 1 3 课题的提出及研究内容 1 3 1 课题的提出 橡胶制品的硫化过程具有模糊性，由于高分子材料没有一个固定的化 学分子式，同一种原材料，其分子量可能相差上百倍，甚至上万倍，其硫 化工艺不具有明显的规律性，与胶料的配方、性质、产品结构和工艺条件 等许多不确定因素密切相关其产品质量的优劣程度常常依赖于操作者的 经验和技能，即使是合格产品其机械和物理化学性能稳定性差，方差分 布大。 4 重庆大学硕士学位论文 第一章概论 目前的塑胶制造设备主要靠手工操作，劳动强度大，工作危险性高， 加热方式落后等，为此，重庆奔腾科技发展有限公司和重庆大学机械传动 国家重点实验室合作，拟对传统塑胶制造设备进行技术改造，研制一台数 字式多功能精密塑胶制品成形系统装置，供试验和试生产用，该装置功能 如下： 1 1 改传统传导加热方式为感应加热方式，使温度场的分布更加合理， 充分创造有利于硫化的条件，达到硫化后的材质均匀、致密，机 械性能良好，并有利于节约能源； 2 ) 用机械手代替危险、繁重的取模、合模、开模、脱模等手工操作； 3 ) 采用可变尺度的自动定位塑胶制品模具： 4 ) 用计算机对温度、压力和时间等工艺参数进行任意设定和锁定控 制及工况历史曲线存储； 5 ) 对工艺参数及操作实现计算机控制； 6 1 用计算机对多台设备组成的自动生产线实现群控。 作者所从事的研究课题“数字式多功能精密塑胶制品成形系统实现研 究”是其中的一个子课题，但它是整个课题的核心部分，其任务是研制出 一台供试验用的样机。 课题研究是针对塑胶制品行业普遍存在的问题，即温度、压力和时问 三者关系如何搭配，也就是工艺参数的选取应使经硫化后塑胶制品的性能 ( 物理、化学、机械等) 最佳，性能稳定可靠，使用寿命长。但都苦于没 有一台研究温度、压力、时间三者关系的综合实验装置，且可供参考的相 关文献也极少，即使有也是定性分析，或者根据实验和经验总结出的经验 公式。在实际生产中，由于配料成分千差万别，制品类型繁多，理化性能 也要求各异，因此所提供的经验公式或给出的工艺参数是对特定制品而言 的，只有原则上的指导意义，远非最佳工况参数，生产塑胶制品的厂家只 能根据自身的条件试验确定工艺参数，但一般企业并不完全具备条件，因 此直接影响生产，也是制品性能欠佳的重要原因之一。鉴于塑胶制品在国 防及国民经济中的广泛应用，因此，该课题研究有重要工程实用价值及经 济意义。长期以来，因对温度、压力、时间三要素难以给出定量关系，只 能给出描述性的定性结论，其原因之一就是因为被加工对象具有不确定性、 非线性、大惯性、时滞性等特性，这类对象或过程的控制一直是控制工程 界的难题，由于难于建立较精确的数学模型，因而传统( 或经典) 的p h i ) 控制方法及现代控制理论( 如最优控制，自适应控制等) 方法都不能用， 因为这些控制算法都建立在严格的数学基础之上的。因此要研究控制策略 及相应的控制算法，这在技术理论上是有一定深度的。由于在原平板硫化 机上改造系统，受到各种条件约束和限制，这给系统实施带来诸多困难， 5 重庆大学硕士学位论文第一章概论 因此工程现实上有较大难度，上述表明，该课题研究不仅有工程价值和经 济意义，而且有技术理论意义和工程实现难度，一旦突破，其研究成果在 塑胶制品行业是有推广使用价值的，应用前景乐观。 1 3 2 本课题的研究内容 总结上述，“数字式多功能机密塑胶制品成形系统实现研究”课题的 工作可以概括为： 1 ) 对待改造的平板硫化机装置提出改造的技术论证可行性方案； 2 ) 数字式多功能机密塑胶制品成形系统总体软硬件系统的设计研 究； 3 ) 计算机控制系统的软硬体设计( 包括信号检测、变送、转换、数 据采集、输入输出设计等) ，系统安装调试： 4 ) 硫化过程的控制策略研究： 5 ) 硫化过程的控制算法研究； 6 ) 基于阿累尼乌斯( a r r h e n i u s ) 经验公式的等效硫化控制研究； 7 ) 成形系统的试验研究。 6 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 第二章橡胶制品硫化成形特性分析 2 1 工艺过程 2 。1 1 模压成形 在传统塑胶制造行业中，模压橡胶制品的工艺流程大致如图2 - 1 所示 【1 l 】： 图2 - 1 模压橡胶制品工艺流程图 本课题研究主要涉及模压橡胶制品的成形及硫化工艺，其中硫化三要 素的分析及其对制品的影响、以及如何精确、实时的控制这三要素是本课 题研究的核心和重点。应用平板硫化机模压硫化成形操作工艺如下： 1 ) 用开炼机或密炼机对胶料和相关助剂进行混炼； 2 ) 把经炼胶机炼热、变软的胶料剪成合适的形状，放入挤胶料盒； 3 ) 装配好橡胶制品模具，如果模具是冷的，还需要预热； 4 ) 把橡胶制品模具和挤胶料盒按设计要求装配在一起，放置在平板硫 化机的下加热平板； 5 ) 按动“合模”按钮，在油泵电机的作用下，柱塞顶动下加热平板自 下向上运动，在压力作用下，开始挤胶成形； 6 ) 当发现胶料挤满，按下“开模”按钮，当下平板下降到适当位置， 停止下降，取下挤胶料盒，罩上相应模具； 7 ) 按下“合模”按钮，下平板上升，油压升到规定值后，即按动“停 7 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 _ _ 曩曩皇目_ l _ 一i 蔓量| _ _ _ - _ - _ _ - 止”按钮，电动机即停止，此时进入“保压硫化”过程； 8 ) 硫化结束，按动“开模”按钮，平板下降，从模具中取出制品，进 行脱模； 9 ) 对制品进行车磨处理及检验。 2 1 2 硫化历程 橡胶的硫化历程可分为四个阶段，即硫化诱导阶段、热硫化阶段、正 硫化阶段及过硫化阶段f l l 】，如图2 2 所示： 蕾 b 1 日2 c d 、 _ i 蠢 爪 ： q m 柏妣“与 i j _ 甍t 时辩 图2 - 2 硫化历程圈 2 2 ，2 1 硫化诱导期 在此阶段内，交联尚未开始，胶料在模内有良好的流动性，此阶段的 长短决定胶料的焦烧性能及操作安全性。该阶段结束之后，胶料开始发硬 并丧失流动性。( 这里提及的焦烧是指在混炼、压延、挤注作业中或者混炼 胶料及返回胶料在存放中发生早期硫化的现象。它取决于所采用的促进剂 种类、用量及其加工温度等。近年来，随着加工工艺的高温、高速化，胶 料在高温下加工的情况增多，因此，产生焦烧的可能性也相应增加。) 2 2 2 2 热硫化工序 继诱导期之后，交联便以一定的速度开始进行( 其速度快慢取决于配 方及硫化温度) 。在热硫化阶段初期交联程度较低，即使到达此阶段的后 期，硫化胶的主要物理机械性能如拉伸强度等尚不能达到最佳值。 2 2 2 3 平坦硫化工序 8 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 在这一阶段，硫化胶的主要物理机械性能均达到或接近于最佳值，或 者说硫化胶的综合性能达到最佳值。这一阶段所取的温度和时间分别称为 正硫化温度和正硫化时间，统称为正硫化条件。正硫化是一个阶段，即在 这一阶段中，胶料的各项物理机械性能基本上保持恒定，或者变化很小， 所以也称为平坦硫化阶段。 2 2 2 4 过硫化阶段 平坦硫化阶段后，继续硫化便进入过硫化阶段，在此阶段中，不同的 橡胶出现不同的情况：天然橡胶出现各项物理机械性能下降现象；而大部 分合成橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶等物理机械性能变化甚小或保持恒定。 2 2 正硫化条件的设定 通过正硫化，硫化胶的主要物理机械性能均达到或接近于最佳值，或 者说硫化胶的综合性能达到最佳值。这一阶段所取的温度和时间分别称为 正硫化温度和正硫化时间。正硫化是一个阶段，即硫化的第三个阶段。 正硫化阶段是胶料的综合性能达到最佳值的阶段，达到正硫化所需要 的最短硫化时间称为“正硫化起点”。由于在给定的温度下，胶料的各种性 能达到最佳值的时间不一，为了使橡胶制品获得最佳的性能和正确的正硫 化条件，必须按制品的性能要求、形状、工艺特性，选择既能满足制品特 殊性能要求，又有良好的综合性能的最短硫化时间，一般称为“工艺正硫 化”。一般橡胶制品的工艺正硫化时间应取应力、应变最高值时刻稍前一点。 工艺正硫化的确定可采用硫化胶物理机械性能测定法、专用仪器法( 如 门尼粘度计、硫化仪等) 和化学方法，常用的是物理机械性能法和专用仪 器法。确定橡胶正硫化点最有效的方法是测定橡胶的扯断力、伸长率、永 久变形、定伸强度、膨胀性和冷冻时弹性的变化。其各种物理机械性能随 硫化时间的变化如图2 - 2 所示i “】。 硫化胶在硫化过程中物理机械性能和化学性质的曲线变化，有最高的 和最低的数值。大部分指标最合适的数值都是在同一时间内达到的。硫化 胶达到最合适的性能所需的时间，主要决定于生胶性质、硫化温度、硫化 介质、硫化剂的性质和胶料中硫化剂的含量。 重庆大学硕士学位论文第二璋橡胶制品硫化成形特性分析 硫化时问( 分) 图2 - 2 橡胶在硫化过程中的物理机械性能变化 i ，扯断力；2 伸长率；3 膨胀；4 弹性；5 硬度 因为正硫化点可使橡胶制品具备优良的性能，所以确定正硫化点是橡 胶制品制造过程中非常重要并具有决定性意义的问题。硫化过程、正硫化 控制的主要条件是硫化过程中的温度、时间和压力。 2 2 1 硫化温度 硫化是化学反应过程，其决定性的条件是硫化温度。硫化温度对硫化 速度的影响通常用硫化温度系数来表示。其表达式为： 式中：t ，握度为t 。时所需的硫化时间； t 。温度为t ：时所需的硫化时间： k 硫化温度系数； t 。一t l 温度差。 硫化温度系数k 是在特定温度下，橡胶达到一定硫化程度所需的时间 与在温度相差l o 的条件下所需的相应时问之比。硫化温度系数相当于化 学反应的温度系数，是通过定伸应力或结合硫磺量来测定。按不同指标所 测定的温度系数往往并不相同。它随胶料的差异而变化，但通常取值为2 或在1 9 2 1 之间。若已知胶料的硫化温度系数，如硫化温度发生变化可 通过公式( 1 ) 求出温度变化后的硫化时间。若硫化温度系数为2 ，硫化温 1 0 1q 警 k ； 气一t 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 度升高1 0 ，则硫化时间为原有硫化时间的一半。因此可通过提高硫化温 度加速硫化过程，但提高温度时要考虑如下因素：橡胶是不良导热体，对 于厚制品来说，高温会增加制品内外温差，导致硫化程度不一致；对有纤 维的制品，高温会使纺织物强度降低；用高温硫化天然橡胶时，因溶于胶 料中的氧的强烈氧化作用，这种作用会使硫化胶的物理机械性能恶化；对 于花纹复杂的制品，硫化初期胶料要有充分的流动时间充模和渗入纺织物 之中，另外，胶料种类、配方、产品规格尺寸、环境温度和硫化方法等因 素也要考虑。 2 ，2 2 硫化压力 橡胶制品除薄制品外，一般都需在一定压力下硫化。橡胶中若含有气 孔时，对橡胶的物理性能有很大的影响，特别是对磨耗和老化性能的影响。 气孑l 是受各种因素的影响而生成的，比如，橡胶中的水分、配合荆吸附的 空气、溶于橡胶中的气体和机械杂质的气体，生胶的氧化过程和硫化过程 中生成的气体。消除气孔的最好办法是使橡胶在一定压力下进行硫化，硫 化压力可以保证制品的致密性，消除气泡；促进胶料在模内的流动，使其 迅速充满模腔；还可提高制品胶层与金属层之间的粘着力和产品的耐曲挠 性等。 硫化压力的大小由胶料的性质、产品结构和工艺条件等因素而定，对 流动性差的胶料、结构和形状复杂的厚制品，硫年艺压力一般要大些。硫化 压力的手动控制比较困难，常依赖于操作者的经验、技能。 2 2 3 硫化时间 硫化时间和硫化温度之间是相互依赖的，时间过短会造成欠硫，过长 会导致过硫。 硫化效应是衡量硫化程度的尺度。若一种胶料在不同硫化条件下硫化， 只要其硫化效应相同，那么就能达到同一硫化程度。硫化效应等于硫化强 度与硫化时间的乘积，即： e = i - f ( 2 2 ) 式中：e 一硫化效应； i 一硫化强度； 1 一硫化时间，m i n 。 公式( 2 2 ) 表示硫化强度是胶料在一定温度下，单位时间内所达到的硫化 程度。它与硫化温度系数和硫化温度有关： 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 ，= k 1 0 ( 2 3 ) 式中：k 一一硫化温度系数； t 硫化温度， 如将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，则得式( 2 4 ) ： t - 1 0 0 e ：岸百f( 2 4 ) 对于橡胶制品正硫化时间的确定，一般采用硫化效应公式( 2 - 4 ) 来 进行计算。测出它的硫化温度，计算其硫化效应。问题是对于厚制品来讲， 橡胶导热性能差，不同部位的温度分布差异大；硫化温度系数k 的确定本 身就比较模糊，硫化温度场的分布还要受环境温度等许多不确定性因素的 影响，原材料和配方对胶料的导热性能也有一定影响，例如在添加了z n 0 等晶须增韧助剂以后，对导热性能影响就比较大。这些常依赖操作者的技 能，控制因数繁多，质量稳定性差。 2 3 等效硫化原理 根据硫化等效原理，即橡胶的硫化速度与硫化温度的关系，以及硫化 机的温升情况，定量计算硫化程度，修改硫化时间，当达到指定时间时， 自动结束硫化。 橡胶硫化理论指出，硫化效应是衡量胶料硫化程度的一个尺度，只要 使橡胶制品获得最佳硫化效应，就可使橡胶达到最佳硫化程度。这种基于 等效硫化概念来控制橡胶制品硫化过程的方法，称为等效硫化工艺【1 3 l 。 硫化效应由范德霍夫公式给出，在硫化温度恒定的情况下，硫化效应： e = ，a r = k t 。- t o ) 7 ”f( 2 5 ) 式中： e 的单位与t 相同。 卜硫化强度，当1 = 芷。矗“o 时为硫化时间折合系数，与温度有关 k 硫化温度系数 卜_ 橡胶制品特定部位实际硫化温度， 1 2 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 t 0 硫化效应的标准温度， r 硫化时间，秒 在硫化温度发生波动的情况下，硫化效应： e ：m r ：j 聊) t ( r ) - t o f l o d r ( 2 - 6 ) 式中 c 1 硫化起始时间，秒 t 2 硫化终止时间，秒 硫化效应与硫化强度和硫化时间的关系也可以用图形表示，如图2 3 所示： 憾 蕊 s 嚣 7 j时闯，t 12 图2 - 3 等效硫化图 如图中所示，横坐标表示硫化时间，纵坐标表示硫化强度，阴影部分 面积表示硫化效应，所谓等效硫化，即阴影部分面积相等。 堪 瞩 s 堰 图2 - 4 硫化效应近似计算图 如图2 - 4 所示，在t 很小时，可以认为k 、t 在t 范围内不变，所以 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 胃目皇置量| 量甚置_ i 曼曼一 可近似计算硫化效应： e = e = e f k t ( f ，) 川o ( 2 7 ) i = 1 ，一i 选定t 2 - 1 0 ，因而e 2 = a ，根据控制精度要求，选定温度采样的时间间隔t ， 然后根据所测温度t i 计算出e i ，当e 巨达到标准温度t 。下的硫化效应e o 时，硫化结束，从而达到最佳硫化程度。 2 4 被控对象特性归纳 综合以上硫化理论知识和对阕题的分析，可对被控对象的工艺特性进 行归纳。 2 4 1 参数的未知性、时变性、随机性和分布性 橡胶制品的硫化是在一定温度和压力的情况下，使胶料和各种助剂发 生交联等化学反应，达到所需要的机械性能和物理化学性能，面实际上橡 胶这种高分子材料，没有一个固定的化学分子式，同一种原材料，其分子 量可能相差上百倍，甚至上万倍，其硫化工艺不具有明显的规律性，其硫 化过程是模糊的，与胶科的配方、性质、产品结构和工艺条件等许多不确 定因素密切相关，其产品质量的优劣程度常常依赖于操作者的经验和技能， 即使是合格产品，其机械和物理化学性能稳定性差，方差分布大。 2 4 。2 大纯滞后、大惯性 平板电加热系统中间设置有绝缘的陶瓷装置，温度传感器( 热电阻 p t l 0 0 ) 就放置在其间。加热平板和电阻丝之间、温度传感器和电阻丝之间 都不是直接接触，其热量传递方式是通过热辐射和平板内空气对流实现。 根据传热学基本知识，其温度场分布是不均匀的非稳态系统，它们之间的 热量传递关系是用微分方程或偏微分方程描述的f 1 4 】，热量传递存在明显滞 后。计算机控制系统的采样周期t = 1 0 0 m s e c ，作者对温度响应滞后时间进 行过一些测试，对平板硫化机在常温下加热1 5 分钟，温度达到1 2 0 c ，然 后停止加热，经过2 0 分钟的延迟之后。温度达到1 6 0 。时间滞后用- 表 示，当1 t 0 5 ，其滞后就必须在算法中加以考虑，而本系统t t = 1 2 0 0 0 。 由此可以看出，加热系统属于超大纯滞后，大惯性系统。 2 4 3 非线性 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 由传热学知识可知，一般的导热方程如下“： 一o t ：三f 粤+ 粤+ 冀1 + 生 ( 2 8 ) 瓦2 面l 萨+ 矿+ 矿j + 瓦 “吣 九导热系数，w ( m ) p 密度，k 咖5 t - _ 温度， t 时问，秒 q ，内熟源强度，w m 2 p 比热容，j ( k g ) 上面的传热方程显然不满足线性系统的齐次性和叠加性基本条件，即 不满足如下关系式“”： f ( k l x l + i 2 并2 ) = f ( x i ) + 屯厂 2 ) ( 2 9 ) 综上所述，该系统是一个非线性系统。 2 4 4 时滞的未知性和时变性 确定橡胶制品的标准硫化条件是非常复杂的，在进行硫化时，不确定 的热流要起作用，这种橡胶各层还要在不同的温度和变化温度下进行硫化。 温度滞后损失即是内层温度低于外层温度的现象，是随制品规格增大及材 料传热性的降低而增大。橡胶制品内部的传热性决定于胶料的传热性和制 品本身的形状，制品外部的轮廓决定着热流的方向。制定正确的硫化条件 使内外层同时达到正硫化点是很困难的。由于胶料的热容量和传热性的变 化，材料的热学性质也要随化学反应而变，所以计算硫化过程中能改变橡 胶主要材科性质的化学过程也很复杂。诸多不确定因素都导致受控对象时 滞的未知性和时变性。 2 4 5 环境干扰的未知性、多样性和随机性 胶料属于热的不良导体，不同部位的硫化程度和到达最佳硫化的时间 不一。并且这种原料的各种助；! j ，是在炼胶祝上进行混炼成的，其分布很 难说是均匀的。在给定的温度下，胶料的各种性能达到最佳值的时间不一， 与制品的性能要求、配方、形状、工艺特性和环境温度密切相关，因此参 数具有未知性、多样性和随机性。 2 5 本章小结 重庆大学硕士学位论文第二章橡胶制品硫化成形特性分析 1 ) 对涉及本课题的模压橡胶制品成形t 艺作了简要讨论，并引出了硫化 历程等概念； 2 ) 详细讨论了正硫化的概念及其重要意义，并对影响硫化的重要条件温 度、压力、时间等三个关键因素对硫化程度的影响作了概括描述； 3 ) 讨论了等效硫化原理，为以后研究等效硫化控制算法奠定了物理基础： 4 ) 最后对受控对象的特性进行了归纳，它是后面选取合适的控制策略的 理论依据。 1 6 重庆大学硕士学位论文第三章硫化成形系统设计考虑 第三章硫化成形系统设计考虑 本系统由硫化机械成形装置、液压系统、电加热系统、电气系统和电 控系统等五个部分组成。 3 1 平板硫化机结构 根据加工工艺及现有条件，选用平板硫化机装置。其结构主要由框架、 柱塞、工作缸、加热平板、密封等组成( 如图3 1 所示) 。液压传动与控制 系统、电控系统是独立的装置，属于主体的控制与执行机构部分，通过油 路与电路和主机连接使机器工作。 平板硫化机为柱塞式结构，油缸设置在下方，闭模时柱塞自下向上运 动，并配有独立的油压装置，供单机驱动之用。液压及电气部分均设有过 载保护装置。 图3 1 平板硫化机 该机的机械运动形式主要有两种类型，一是闭模，二是开模，闭模时 柱塞自下向上运动，开模时柱塞自上向下运动。 t 7 重庆大学硕士学位论文第三章硫化成形系统设计考虑 平板硫化机的操作主要是“合模”、“开模”和“放气”等动作。 a ) 合模：对十一般手动操作设备，在模具放入平板后，即可按一下 “合模”按钮，油泵电机运转，下平板上升，油压升到规定值后， 即按动“停止”按钮，电动机即停止，闭模结束。 b ) 放气：在合模结束之后，模具中的胶料和各种助剂在高温、高压 情况下受热变软，溶解在胶料中的气体受热分解，开始发生交联 等化学反应，此时，按动“开模”按钮，释放气体，随即按下“合 模”按钮，升到规定压力值，如此反复几次，然后，进入“保压 硫化”过程。 c ) 开模：“保压硫化”到达规定时间，硫化结束，可按动“开模”按 钮，电机即启动，平板下降，最后按动“停止”按钮，一次手动 操作结束。 3 2 液压系统 本机液压动力源采用y b 2 0 低压叶片泵和2 5 m c y l 4 1 b 高压轴向柱 塞泵双泵同时供油，以供制品硫化过程中各阶段流量和压力的需要，油泵 由电机直接驱动。整套油泵动力装置和组合阀体均置于主机右侧，便于集 中管理及维护，油箱设在主机的下机座内。如图3 1 所示： 该系统的液压传动与控制系统如图3 2 所示，来自油箱的油液经滤油 器而被叶片泵吸入，经排出口排出，泵排出的液压分二路。一路从v 1 卸 荷溢流阀向系统供油，一路从叶片泵排出口到高压柱塞泵吸油口经加压泵 排出口排出，向系统以最大流量供油，当系统压力上升到0 6 m p a 时，v 1 卸荷，使低压泵的大部分油液流回油箱，此时电机继续运转，低压泵的少 部分油液向高压泵供油，高压泵继续向系统供油，当系统压力达到2 0 m p a 时，v 3 溢流阀溢流，系统压力不再升高，对系统起保护作用。阀v 1 是调 卸荷压力的，一般调至使柱塞能快速上升即可，约o 6 m p a 左右，不宜调 得过高，阀v 3 是调整系统最高压力的，它可以在2 0 m p a 以下任意调节。 阀v 4 是三位四通电磁换向阀，改变电磁铁d t l 和d t 2 的通断，即可以打 开液控单向阀的控制油压力，v 5 是溢流阀，以保护液控单向阀v 6 不受高 压冲击而损坏，其压力调节只要能打开液控单向阀即可，一般为1 5 m p a 左右，不宜