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北京化工大学硕士学位论文 高聚物线型制品挤出设备的控制系统研究 摘要 挤出法制备聚合物光纤是一种高效的加工方法，但是传统的挤出 机组难以制备这样高精度的制品。本文研究了高聚物线型产品挤出设 备的控制系统，希望通过采用先进的控制技术提高挤出精度。 本文在前人的经验基础上对影响高聚物挤出制品成型精度的因素 进行了总结分析。在分析各影响因素的基础上，重点研究了温度和压 力两个影响因素的控制。 文中通过分析几种常见的控温方法，在本挤出机组上选用了利用 智能控温仪表控温的方法。经过实验验证，在此控温方式下系统控温 精度达到了l 。c ，很好地满足了实验要求。 为了减小熔体泵出口压力波动，本文设计了串联熔体泵与压力闭 环控制的稳压方法。文中在假设单螺杆挤出机的挤出压力与螺杆转速 的转换为比例惯性环节的前提下，对整个控制系统的调节特性、稳定 性、稳态误差进行了理论分析。通过四笔记录仪记录压力波动，用实 验验证了该压力控制系统的良好控制效果。 塑料光纤直径是衡量制品质量的重要指标。本文通过虚拟仪器技 术，设计了光纤直径的在线监测系统。该系统中使用激光测径仪测量 光纤直径。系统使用l a b v i e w 软件编写应用程序，通过此程序实现了 计算机与激光测径仪的串行通讯，将测径仪测得的直径数据进行显示、 北京化工大学硕士学位论文 存储与分析。 关键词：挤出稳定性，温度控制，压力控制，直径监测，虚拟仪器 藕裹耗t 天学联童掌链沦文 s t u d y0 nt h ec o n t r o ls y s t e m 0 fp o iy m e rw i r ee x t r u s l 0 ne q u i p n 删t a b s t r a c t e 臻掇s i o n 攒嚣氇o df o f 争f e 爹撕堇l g 印l y m 嚣嗖i e a l 鳓程p o f ) i s o n ek i n d o fh i 曲e 瓤c i e n tm a i l u f a c t l l r i n gp r o c e s s b u ti t sd i 蕊c u l tt o p r e p p o fw h i c hb er e q u i r e d h a v i n gh i 曲d i m e n s i o n a lp r e c 豳nb y t 豫d i t i o n a le 碰：n l s i o ne q u i p m e n t 。t h ea 由，a n c e 硅c 傩扫o lt e c h o l o g yw a su s e d i no 戮i a b 融o r d e rt oi 黼p r o v et h ed i m e 拄s i o n a lp r e c i s 艟p o e 曩l e c o n t r o l8 y s t e mo fp o fe ) ( t r u s i o ne q u i p m e n tw a sd e e p l yr e s e a r c h e di n “s p a p e t 露l e 蠡e t o 搭攮采i 珏鑫h e n c e 魏ep 端c i s i o 珏o fp o l y 黼材e x 掇s i 强 p r o d u c t sw e r es u m m a r i z e da n da i l a l y z e db yr e f e r e n c e t ot h ef o m e r e x p e r i e n c e s b a s eo na n a l y z i n gt h e s ef a c t o r s 娃l et e m p e r a l u r ec 蜘la i l d p f e s s 獬ee 雌轾o lw e f em a l 鞋l yr e s e a 囊e d 。 t h ei n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n n l i n s t r u m e n tw a su s e di no u r e x 们s i o ns y s t e ma n 烈a n a l y z i n gs e v e r a lk i n d so ft e m p e r ec o n t r o l m e t h o 幽。砸t et e m p e f a t u f ec o n 罐o lp r e e i s i 撇o f 娃l i ss y s t e mc a 摭b ea c h i e v e d a b o u t 主l4 c ，p r o v e db yo u re x p e 疽m e n t ，w h i c hc a nm e e t 墩ee x p e r i m e n r e q u i r e m e n t i no r d e rt of e d u c et h ei n p u tp r e s s u r ef l u c m a t i o no fg e a rp u m p ， 北京化t 大学硕j 二学位论文 g e a rp u m pa n dp r e s s u r ec l o s e d 1 0 0 pc o n t m ls y s t e mw a sd e s i g n e d b a s e d 0 nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h et r a n s f e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x t m s i o np r e s s u r e a n ds c r e ws p e e di sf i r s t - o r d e ri n e n i ap l a i l t s ，t h ea d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i c ， s t a b i l i t y a n d s t e a d y - s t a t e e r m ro ft h ew h o l ec o n t r o l s y s t e m w e r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ee x c e l l e n tc o n t r o le 腩c to fm i sp r e s s u r ec o n t r o l s y s t e mw a sc o n f i h n e db yu s i n gf o u r - p e nr e c o r d e rt or e c o r dt h ep r e s s u r e n u c t i l a t i o n p o l y m e ro p t i c a lf i b e r sd i 锄e t c ri sa ni m p o r t a n ti n d e xt oe v a l u a t e p o f sq u a l i t y p o f sd i 撇e t e ro n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e s i g n e db y u s i n gv i m a li n s t m m e n tt e c h n o l o g yi n 仳sp 印e lt h ep o f sd i 锄e t e rw a s m e a s u r e db yl a s e rd i 锄e t e rg a u g e a p p l i c a t i o np r o g r 锄c o m p i l e db y l a b v i e ws o f t w a r ew a su s e di nm i ss y s t e m ，a n dt l l r o u g hm i sp m 孕锄 c o m m u n i c 撕o nb e t w e e nc o m p u t e ra 1 1 dl a s e rd i 锄e t e rg a u g ew a sa c t u a l i z e d ， a n dt h ed i 锄e t e rd a t aw a sa l s od i s p l a y e d ，s a v e d ，a n da n a l y z e d k e yw d s ：e x t m s i o ns t a b i l 吼t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，p r e s s u r ec o n _ t r o l ， d i a m e t e rm o n i t o r i n g ，v i r t u a l i n s t m m e n t 北京化工大学顾十学位论文 符号说明 螺棱的轴向宽度，m ，m m 直径，m 。m m 黏流活化能，j m o l - l 电偶的热电势，v 采样频率，h z 塑料与机筒的摩擦因数 塑料颗粒间的内摩擦因数 计量段螺杆的螺棱深度，m ，m m 电流，a 减速器环节的比例系数 挤出机环节的比例系数 压力变送器环节的比例系数 控制器的比例系数 口模形状系数 螺杆计量段的长度，m ，i 砌 熔体的非牛顿指数 螺杆转速，r s - 1 ，r m i n _ 1 压力，p a 体积流量，m 3 s 一1 电阻，q 摩尔气体常量，j m o r l k _ 1 温度，k ，o c 可控硅失控时间s 控制器的积分时间，s 挤出机环节的积分时间，s i v 6 d 历 巨 厂 五 丘 胁， 局岛岛昂杨b 聍 h p q r r r 正乃 北京化丁大学硕扛学位论文 控制器的微分时问，s 电流反馈滤波时闽，s 速度反馈滤波时间常数，s 控铡攫凝，s 电压，v 速度，m 。s i 螺纹升角，。 光纤长度，m 牯度，p 粥 剪切遵率，r 1 鳔稃臻棱与瓿簿的鬻豫，m ，m m 最大角频率，h z v 勋咒瓦u 矿 毋 鼙，努 北京化工大学位论文原创性声明 y 882 0 39 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：子至盈耻 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 ， 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在卫年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：五鲥 翩虢丘卑扛 日期：i 之! 么么：z 日期： 3 出：昱 北京化工天学硕士学位论文 第一耄绪论 1 挤出成型技术和理论的硪究发展历史“1 在当今世界四大材料体系( 术材、硅酸盐、金属和聚合物) 中，聚合物和金属是 威用最广、最重要的鼹种材料。以树脂为倒，其产量趣过了1 亿吨，我圉的年产量 t 魏已接近了1 千万吨，丽在这些树脂中，大约8 0 都要经过螺秆挤出这一熏要的工 慧来加工。其中不仅靓括膜、板、管、丝和型材等制品的直接成型。还包括中空吹 黧、热戒螯等坯辩静揍出热工。豫诧之矫，在填充、增强、共混、改经等复合毒孝料 和聚合物合盒生产过程中，螺杆挤出在很大程度上取代了开炼、密炼等常规工艺。 逐有，在瓣虢稳送、瓣承、蒜气、子澡、啜辇移造救等嚣楚璞工序孛，纛论是大鳌 的树脂厂，或者是中小型的制品厂，几乎都采用了挤出这一先嫩工艺。挤出机几乎 藏必经鸯一令与塑辩蠢关兹金渡袋磅究瓤最基本瓣装冬之一。在这里逐没毒考惑 注塑机几乎都用螺枰来预塑这一重要因素。 如果从1 7 9 7 年j b r a n d l 2 1 开始用挤出工艺生产锻譬箕起，按出工业融经有2 0 0 多年的历史。1 8 4 5 年，h b e w l g y 改进了r b r o o m r 3 】申请的专利，开始用校塞式挤出 机来生产眩缆。1 8 7 9 颦m g r a y 取褥了世界上第一个螺杼挤出机的专利1 4 】，至1 8 8 1 警，荚菡f r a n c i s s h o w 公司开始塞产和销像螺秆挤出机。僵鸯剿1 9 3 9 年，e t r o e s t e r 公司生产的单螺杆挤出机才从蒸汽加热改为电加热并附有空气冷却，长径比也大 约只有l o 左右。应该说这只燕貉出瓿静初籁酚段。 2 0 世纪3 0 年代，热塑性塑料迅速发展，开始了工业化生产，p v c 、p e 和p s 分 麓在1 9 3 9 年、1 9 4 0 年鞠1 9 4 1 簪开薅采蕊耪出法采麓工，这裁艇镬菸爨狐拳乎褥蜀 了很大提高。到5 0 年代，挤出机的长径比已达到了2 0 左右，螺杆无级调速和挤出 系绞叁动擦滠已褥劐 l 较广泛豹应罴，濮、叛、管、丝帮中空睃鎏等刳熬帮嚣始褥 到发展。自5 0 年代扦始，各种工程塑料如1 9 5 0 年的a b s ，1 9 5 6 年的p o m ( 聚甲 黻) ，1 9 5 8 年粒p c ( 聚碳酸酯) 秘1 9 4 9 年的p e t 等墩都开始工渡化生产。从弱零 代至7 0 年代末，通用魍料如p e 、p v c 、p p 、p s 等的产量，几乎以每5 年翻一番的 遮度增长。螺杆直径小至2 0 m m 大至5 0 0 m m 的挤出枫均已生产，长径比也增加至 北京化工大学颅十学位论义 3 0 3 5 殴羔。各静滢滚按篷穰、疆耪挤爨穗、撵气貉密橇敬爱双攘抒挠滋毫氇都霉 到了广泛的应用。 最近2 0 年壹至2 0 世纪寒豹工业实践袭明：秘鼹、劝裁、塑拳喜提藏、铡鑫熬工 及其应用，已成为一个宠整的工业体系。除大量的板、管、膜、丝、中空吹塑等常 娥制品外，为发挥各秘书嘻翡的特点，以便锶到具有各祧综合 生黢的塑料铡最( 如睚 隔包装、耐磨、印刷、无毒以及废旧塑料的利用等簿) ，各种复合共挤制品得到了 广泛的应用，如九层的复合膜、蔽层的复合板、三层的复合瓶和复合管，两层的复 合丝( 光导纤维) 等：考虑到聚合物拉 率磊内于分子敷向其光泽发、强瘦、阻隔性都 有明显提高，而制品厚度却明显减小，从而降低了制品的成本，因此各种拉伸制品 鳐o p e ( 蕈淘楚锌聚乙烯) 、b a 睁p ( 双囱挝 枣聚嚣爨) 、8 0 p a 乾塞纯：天学矮圭掌位谚文 从圈中可以看到，当挤出机出口流量稳定时，牵引速率波动f 嗝度i 譬i 越大， lp l j 则直径的波动幅度1 等i 也越大。 l 上 i 从上嚣的分誊厅可以蕾出，在拷蹬滚量稳定的壤援下，壹缀黔渡魂与牵g l 速度 的波动成阮例关系，牵引速度的波潮将会直接影响挠出副品的质量。由于挤出流 量的绝对稳定是不可能，牵引速度不加以合理控制，两者的波动叠加势必造成制 晶质量波动的进一步加大。从表露。e 着，构建壹经一牵弓l 速度的阙环控锻系统， 通过改交牵弓l 速度来控制直径的大小似乎是可行，但扶控制璎论的角度来说，构 成反馈控制的必要条件是被调量必须与调节参数肖直接的因果关系，而其他参数 必须为次要因素，哥以渡当作干预窳对待。对娃上的阕题，举霉l 速度的波动只是 直径波动的一个因素，但不是主要源嚣。如果强行加入直径一牮弓 速度的缀馈控 制，直径的波动会加大，甚至引起振荡。我们在实践中已经诚明了这一点。 现实孛牵弓l 枧一般采用履带式缓者滚轮式鼹萋孛，要健牵弓l 速度静波动瓣蠹径 豹波动降至最小，可行的办法是提搿牵引装置加工精度，采潮离精度的驱动控制 系统。使v 减至最小。采用伺服驱动系统是种较好选型方案。 2 2 5 螺秆几何参数辩挤出稳定性的影响 对予锋温牛顿流体，忽略露流，计量段流拳的理论公式为： q = 俐一兰叠一魏) ( 2 一1 5 ) 醌 肫群= 型学；= 等警 式中，p 2 为螺杆计量段结束处的压力；p l 为螺秆计量段开始她的压力：l 3 为计量 段螺杆的长度；r ii 为螺槽中熔体的黏度；n 为螺轩转速。 揍爨凝壤妥数滚率公式磐式( 2 2 ) 殛忝。 假设：q l = n3 一n ，即螺杆与机头中熔体黏度相等，假设计量段出口处的 压力p 。岛机头入口处的压力相等，在挤出机工作点处联立式( 2 1 5 ) 和式( 2 2 ) 嚣式滂去p 2 ，整理譬t 1 6 j e 隶纯t 夫学嫒二i 举豫论文 q ( 1 + 令一和 陋1 6 ) 糟计量段入口处压力p i 变化了p ，则挤出爨q 也会相应变化q 。则上式相 应霹麓残： ( q 十q ) ( 1 + 东) = 硎十号( p t + 卸) ( 2 - 1 7 ) 将a q 与p l 的比值定义为压力波动系数k ： ( 2 一1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中k 的大小反映了挤出系统中流率波动对压力波动的敏感性，应 尽力优化螺杆几何参数以使k 较小为好，根据式( 2 ，1 8 ) 讨论如下： ( 1 )计量段的长度耱礓深计量段长发越长，受唾波动系数越，l 、。这说明螺 轷诗爨段豹长径毙大些，熔俸混合充努，佳煞藏异夺，荑l 耪出援：较稳定。诗量段 槽深h 3 越小，压力波动系数k 越小。 ( 2 )熔体黏度熔体黏度n 越大，则波动系数k 越小，即熔体温度降低可 减小波动影响，但是熔体漱度过低可能会造成辍优质量不良，从掰影响挤出制最 豹瞧麓。敌犍，生产过程中哭麓在瀵是工艺祭黪鹣蕊挺下尽量赛糯低温菸囊。 ( 3 )计量段入口聪力从式( 2 1 8 ) 知挤糖产率与计量段入口压力之间的 关系为： q = 鼢城 ( 2 一1 9 ) 囊羔式霹翔，诗塞段入霜娃莲力波动盎热一迩会鼹揍鲞产鍪豹稳定毪遥或较 大的影响。因此为达到稳定挤出的目的，还要设法减小凸的值。计量段入口处 的压力波动与固体输送及熔融过程紧密相联。固体物料在螺杆加料段的运动情况， 受物料与祝箕盎表蟊，貔料与螺杆表蟊以及搦辩与物料之阀的摩擦俸用靛影嚷。 在攘瓣段，函霆体麓精溪态状态不稳定，基实状态整凄不稳定，纛爨予摩擦蠢澄， 使物料与机筒、螺杆表两间的摩擦因数发生畿化，因而造成固体输送的不稳定。 为稳定送料，加料段长度l l 不能过短，一般来讲l l 应大于5 d ，邋常可占螺杆总 长的3 0 5 0 ，这样固体输送引起的波动才会比较小。另外，艇缩段长度l 2 壶蝎 ，一警 l i 望璺 = 签 北京化工人学倾士学位论丈 汝一楚，国体床跑较稳定，固体寐不荔破碎，波动较小，但b 太长会造成螺耩交 浅速疲低于熔融速度，使得络融速度减慢。因此对每一种塑料来讲，其螺秆压缩 段长度存在一个合理的范围。 2 2 6 高聚物及其助剂对挤出稳定性的影响 流体的黏度来源于分子间的内摩擦。分子间的作用力小、分子链柔顺性大、 分子链中链段数越多丽且短、链段活幼能力越大，通过链段运动产生的大分子据 对位移的效果也就越大，流动性就越好，反之亦然。影响分子链柔蹶性豹各耪嚣 豢主要是主镶组成、取代基、相辩分子爨基及其分布、支优等。众掰蠲翔，势窃 静主要效应是破坏由链缠结产生豹分子福互铬靥。由于键缠缭是分子尺寸和分子 数蟊二者静醋数，新戳稻辩分予质量及其分布是决定高聚物材料黏度的关键因素， 都直接影响挤出的稳定性。 通常极性高聚物的分子间作用力比非极性高聚物的大，流动性就差。也可以 说，相对分子质量相当的商聚物，刚性链的黏度比柔性链的高。分子问作用力小， 玻璃化温度r 低，链段活动性大，黏度小。流动蚀好。刚性很强的蔫聚物，如聚 酰亚胺和其它芳磷绩聚物的裁度题很褰的。 塑料在热王避程中，从性能秘热工王艺焦度考虑，要窝塑辫本体材料中搦入 辩交鼗裁、增塑裁、紫外线壤收裁、壤充翔等各种萌帮。翱入各种动麓看，塑料 鹤黏褴、弹往、瑶服点班及流交往能就要发生变化，从而影响到挤出加工过稷韵 稳定性【3 6 】。 有关高聚物及其助剂对挤出稳定性的影响在许多书籍上已有介绍，本文在此 不再做深入探讨。 2 ，3 本光纤制备橇组结构及提高挤警过程稳定性的工艺措施 对影响挤出稳定性的各主要因素有了了解，便可以做到有的放矢在实际挤出 制备过程中有针对性地加以解决。利用材料流变学原理，结合单螺杼挤出机生产 实际，合理选择工艺参数，合理设计挤出成型系统结构，采用先进的测控手段， 从藤捉衰接出过瑕的稳定性，实现裹分子材料的糕蜜拱出【3 7 1 。 北京化t 人学硕i ：学位论文 2 3 1 挤出漱度的控制 裁面已经分辑过按出溢魔对于揆趱稳定谯懿重婺意义，因_ l 逄要合理设鬟貉出 机中各段的濑度以及采用先进的测控手段。离聚物程挤出机中从迸料口到出料口 是逐灏被熔融豹，纛要浴善捺鑫辍鹣各段设定不弱豹溢疫，潋霞使褥高聚秘爨寿 一个合理的熔融历史，从而不会使熔融结束点太靠遗机头部位。一般设定挤出机 静最高温凄魄高聚秘的络融溢度高l 矿c 左右。在本研究顼弱中，我们将挤蹬祝 从入口至4 熔体泵出口划分为9 个加热段。挤出机各段温度通过热电偶进行测艟， 并通过欧姆就智能p i d 控温器控制溢度。 2 3 2 挤出机的工1 乍压力 当揍出援正常工终黠，疆辩款瀵瘦、螺拇转速蘩零蠖定，嚣挖我识谈必瘫聚 物材料在工作点的黏度也是不变的。图2 2 怒挤出机体积流率q 与服力降p 的 关系。鹜中豹a b 称麓鳔稃褥性线，宅豹舞搴只与懿抒静死籍参数京关。 o 0 m o q e 0 图2 2 挤出机螺秆特 生线与机头特性线 当转速不同时，所得到的相互平行的商线组称为螺杆特性线族。由直线a b 不罐季出，警撬头全部打开越，生产攀最大，j 毙时熬产量霹冀正滚浚星，鼗 = 轨2 圭枷2 嘲c o s 妒s i n 妒 ( 2 _ 2 0 ) 当机头荚闭时，爱有下斌： = 岛+ g ( 2 2 1 ) 如忽略漏流的影响，则可求出挤出机可能达到的最大机头压力降p 。a x = 黯 ( 2 - 2 2 ) 北京化t 夫学 蔺士学位论文 蠢圈2 2 露懿，挤鲞杌的生产率与p 有密切关系，丽p 不仅与螵杆参数、 材料往质有关，而且与丰凡头肉腔流道、口模韵特僚有关。 嚣然，挤出机正常工作状态下的机头压力值，应为螺秆特性线与机头特性线 交点的压力值p c ，挤出机工作压力值p c 可由下式计算得到： 龇2 焘特 p 2 3 ) 与p c 对应的嗽可由下式计簦褥到： 如筹寿 p 2 4 ) 为了控销挤出梳的压力渡动实现精密挤密通常采掰如下一些控帚l 手段： ( 1 ) 熔体齿轮泵与单螺秆挤出税串联使用 近年来，齿轮泵的重要健已得到塑料加工界的广泛认可，很多引进生产线都 配备了熔体泵，国内一些企业也陆续推出了工业化产品。 熔体泵具有单独的驱动电机，在理想情况下，是一神难位移输送设备，与单 螺杆按出机串联使用，可以获褥稳定的输如压力和稳定的流率。掺出钒、凌率波动 霉常是由于枫头蜃力波动逑成鲍，瑟与熔咎泵串联居，熔俸泵起到了显著熬稳基 效果。 ( 2 ) 压力波动控制器 蕊力波动控制器怒一种有效的稳压装嚣，它是灌予动态平衡原理研究出来的。 当物料沿挤岛机螺杆被挤入机头时，就产生了压力，该压力也把物料挤入控制器 中。因为控制器的螺旋线旋向与挤出机的螺旋线旋向相反，所以被压力挤入控制 器中的聚食物熔体直到控制器中产生的压力与挤出机的压力相等时才为止。压力 波动控制器的应用迄今远不如串联式熔体凝广泛，主簧原因是其可控性差，当接 出王艺条绺改变时，京霹能因其镰离设计工佟状态恧失去稳垂 # 髑。 京本研究壤螯中我稍采样了第一释方法，将熔俸荫轮浆与单蝾秆挤出枫串联 使用。诧矫，将蠓秆转速与鹾力形成闭环反馈控制系统，通过调节螺秆转速调节 熔体泵入妇前的压力。这在以后的后续章节中将详细阐述。 2 3 3 螺杆转速与牵引速度的确定和控制 焱其它袈传不变的情况下，接出机流量q 与螺枵转速n 近似的为正比关系 2 0 北意化工大学硕l ：学位论文 但是当转速过高时，剪切速率增加，材料黏度下降，逆流和露流壤增加，敲生产 率增加的并不显著。过高的螺丰t 转速还会导致螺杆驱动功率的增加，并使吃料困 难。擞据不圈弱生产工艺笈求嚣要对拣轷转速送行逶当蹋节。出予物辩输送懿及 熔融等的不稳定性，对螺杼转速波动造成一定影响。对于糖密按出系统来说，需 要确定螺杆转速并进行精确的控制。 零；l 速魔懿渡韵与壹径渡韵瓣关系藩嚣已经逶行了瑾论雄导。挤出漉量稳定 的情况下，牵引速度的波动幅度越大则直径波动幅度也越大。牵弓l 速度波动叠加 上螺杆转速波动引起的流最波动，直径波动将会更大。 掇离螺杼转速每牵雩| 速度静稳定缝有嚣嵇方法：一释蹩撬高传秘聱努豹精度， 一种怒提高电机和调速方式的糙度。 挤出机通常使用的传幼方式有带传动，齿轮传动和带传动与激轮传动混用这 三耱方式。带传动_ 过程串盔于带瓣弹毪潺凌不可避兔静产生速塞豹波动，餐是采 用这荦申传动方式时w 以很方便调节传动轴的中心距。电机邋过减遮器与按出桃螺 杆直涟的方式能够克服带传动的速度波幼，似是在加工时癸保证它的精度，在安 装簿簧注意溺辘魔。现在髓牵弓| 辊一般采用磁带式或者滚轮式两耱方式，禳据挤 出制晒的不阉选择念理的方式，以避免牵引邀程中出现打、潦或者影响制黯形状。 如今电机的种类越来越多，也出现了许多不同的调速方式。湖此从电气角度 应禳攒需要滚择速率波动小和谲速桎熬稳定豹潺速方式。 由于螺枵转速与牵g l 速度郝存在波动，g l 入同步协调控制系统，让鼹者懿波 动尽缴同步，能够减少对挤出制品的影响。 令式( 2 _ 1 1 ) 中等咄眚鸭管= x ，猁耐阻变形得： y 紫( 口2 + 2 拉+ 1 ) x 十口2 + 2 口( 2 - 2 5 ) 假设直径波动范围为a - a ，( 0 a 1 ) ，代入式( 2 2 5 ) 得： 警a = + a 辩， y 2 + 2 童+ 1 ) x + 奠2 + 2 当a = 一a 时， y 篇( 4 2 2 辟+ 1 ) x 十2 2 以 ( 2 - 2 7 ) 由式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 作图2 3 可得： 北京化t 大掌硕士学位论文 a + 岔a 乞 一 7 一 一“一。20 二 “ i 。一可 一2 a 7 阐2 3 螺轩转速波动牵，出口流量波动率，萄径波动率关系示意图 麸霆中霹鞋看窭，当螺抒转遴波动搴范嚣在芦( 一强，+ 为) 靖，避毒亍嚣步接诵 控制，即当螺概转遗增大辩枣弓l 遗度也阉时增大，牵g l 速度波动率允许的范围必 x ( 一m ，+ 孔) 。当螺杆转速波动率范围同样在y ( 叫l ，+ y ) 时，不进行同步协调控 制，牵引速度波动举允许的范围为x ( 一曲，+ 工2 ) 。显然可以观察出，进行同步协 调控制比不采用同步控制时，牵引速度允许的波动范围要宽。那么当牵引速度波 动螟疫穗羁翳l 毒凝下，采潮霹步秘谖控剿，铡暴尺寸波动率簸会受，l 、。 2 3 4 挤出机总体结构的设计 糖密揍毽设备与普透揍鑫浚螽在经貔要求上奏着缀大豹菠巅。藩瑟蠢经对影 响挤出帆稳定性的主要因素进行了分析，便可以针对这些园索对挤出机缉进行优 化设计。 在本研究壤譬串，挤爨撬组圭要采麓了懿下熬结褥。麴下图2 罐疑示； 潮2 - 4 鏊料光纡挤出辊枫组示意图 北寨他e 大学顿士学技瓷文 为了将螺抒转速渡麓控籁在满意酾范灞之淘，主电税遥焉了盎瀛瞧梳，在餐 动方式上使髑连轮减速簸耀主电极与螺耪进行鼗连。极麓分为五段挽热区，爰爱 风扇强制冷却，电加热圈和冷却风扇由欧姆龙的智能控温仪表进行控制。 实验中所加工的物料主要是聚甲基丙烯酸甲酯( 简称p m m a ) ，该物料具有很 强的蔽湿性，如栗不蒋物料所含的水份筘 出，那么求份经过加熟变为水蒸气将在 揆出的物糖中彩戒气泡。韭乏豁器糕进入撬篱过纛中会带进一些空气，凝崧内部也 会包含一些低分子挥发物等等，这魑也可能形成气泡。气泡的存在，在制品表亟 或内部可能会出现孔隙、疤痘和表面昏暗等缺陷，严蓬地影响挤出制品的外观和 机械性能，丽且对于光纤来说其光传播性能也受到很大破坏。为了解决这个问题， 本挤鑫税采翔其有摊气穗能豹革螺籽帮谯撬篱上设诗一个排气疆酶方法用来捺 气。封 气式单螺杼接出耄| 减少了气溆的形成，键带采了霉糖翻爨力波动的闻题， 必须采取相威的改进措施。本项目中，设计的压力闭环反馈控制系统较好的解决 了这一问题，这将在后续章节中介绍。 单螺秆一熔体泵串联挤出的方式经过大量酌实戥证明怒一种比普通单蝶秆挤 密援更优筹穗按凄系统。它其寄揍爨物糕鼗度蒸圈宽，稳添计量葫穗强，绱聚塑 化、撵气效果好，揍出产量赢以及遥应较瘫地拱出桃头压力等优点f 3 8 l 。本实验搬 缎也采用了这样的结构，在挤出机出口处串联了一个熔体泵，并且由伺服电机驱 动。 为了保诞挤出枫的举弓i 系统的稳定往。本实验税组采嗣履带式的牵弓1 装置。 上藩帮下层鹣润距可调节，牵霉l 装爨逶遘惘骚瞧凝驱动绦涯了奄雩| 速率翡稳定。 琵衷纯工大学磺士攀证论文 第三豢挤出机温度控制系统的设计 3 1 温度控制的重鬟性 加工物料的温度是挤出成型过程中的煎骚参数。它不仅仅影响到挤出生产过 程。对于成型制品的性自质量也至关重要。 澳瓣鬏蕴扶辩斗迸入螺獾隧嚣，律隧卷爨籽的转囊，塑瓣鬏鹣野媲篷蘸竣送。 塑料颗粒往前豹输送登主要取决予塑辩对械简的摩擦因数五釉塑料对螺秆的鼙 擦因数正。如果厶愈大或辫正愈小，往前输邀的固体塑料量将愈多。大量的实验 表明：树脂对金属的摩擦因素主要取决于系统的温度及金属的袭诼粗糙度或系统 懿缝稳及形凌，与系绞聪力及魏瓣运动速爱瞧蠢关系闯。当耪爨凝系统懿续穆及 形状确定殴后系统的漱魔就成了影响摩擦因索的关键，也就楚说系统温度将直接 影响避料量的多少。在我们的实验中就曾经多次遇到因固体输送段温度设定不正 确而姆致进料不畅，甚鼙发生架桥现象。 系绫致洹度如果太低会增大辕送过程审瀚隧力，增加电穰舞爨澄耗，也会造 藏拣秆转速静不稳定。系统豹温度过高羽鸯霹缀菠物辩发生势瓣，产生发泡嚣象， 这驻然是不允许的。 谯本文前面的章节2 2 1 中关于温度波动对挤出稳定性的影响也进行了较深 入的分析。在大量的实簖实验中也可以观察到由于熔体温度的变识引起的熔体压 力藏产爨戆交蘧。当瀵籽转速不变，恧滢发簸t l 蠢裹爨受辩，甏数嶷察蘩压力 有一定程度的降低，产爨有所提高。如下翻3 1 所示： 幽3 1 搽幸# 溢鹱对蛾杼魏桃头特惶蓝线昀影螭 蜘 北京化tf j = 学 0 j 十学位论文 熔俸钛枕头嚣模挤密，口模溢度分布将影晌制品形状。高温的制品通常需要 经过冷却装置定型。冷却的温度刘会商接影响制品的尺寸、光洁度和残余应力等 性能。 3 。2 温度控制系统的理论分橇 羹料在挤出生产过程串通遭与舞弄的热交抉戳及阐体摩擦产生的热量获得了 一个物料加工温度。篇热爨平衡方程式可以表述如下f 1 9 j ： 加热+ q q 热= 日墅料+ 损失 ( 3 - 1 ) 其中： 奠。一撅热系统鼹提供浆女量。 曰加热；，2 五r ( 3 ，2 ) 式中i 为加热器的电流，r 为加热器的电阻，t 为通电时间。 hm 搏一传动系统的机械能通过螺杼对塑料的挤压、剪切和摩擦等丽转化成 的热能。 珏女。一握籽在挤爨过程孛翳褥到静热戆。 珏；+ 一在挤出邈程中酌熬损失。箕中包括梳筒和梳头周围介质( 空气) 的 熟交换( 对流、辐射) ，冷却介质( 水、空气) 觚加料斗座、螺秆、 机筒等处带走的热熊。 由于 i 自# 和hm * 这两项干扰因素的不确定性，即使保 正加热功率的稳定对于 h | 来说仍然难以确定，因此这就对温度的精确控制提出了要求。 在控制挤出机的操作淑度时，一般是掩极篾澄度，过渡套湿度、枫头漫度作 为被控参数，憋搬热嚣豹功率( 或电攫) 乍为控剁参数组成单阙臻控制系统；奏 些橇台上慝时j 丕要戳螺杼温度俸为被控参数组成螺栝溢度闭环控制系统。这样熔 体温度使得翻了滴接投靠羚销。 由于挤出辊实际上是一分布参数对象，机筒温度溜挤出方向具有分布参数特 性，一般怒将其分成3 6 段进行单闭环控制。 乾寨纯工夫学硕士学位论文 3 3 常用的温度测控系统分析 3 3 1 一般控制系统的组成 为了能够清楚地表示一个自动调节系统各个组成部分( 或称为环节) 之间地 相互影响和信号联系，一般都用方块瀚( 或称为框图) 来表示调节系统的组成。 下帮3 2 是个抽象纯生产过程酾简化控制系统方块阉p 翻。假定该系统越一个单 交爨控翻系绕( 魏梳篱温度控翻系统) ，把被控交基渲定在鸯霸工过程设定德的菜一 可以接受静谈差范围内。传感器楚一个敏感元串，对被控交量逡行溯量，并戬魄 倒关系传递测量髅号给控毒器，一般这一售号称必反馈售号，菠秀紧麴被控参数 的变化极限范围由输入( 或称为设定) 单元来完成，可以幽操馋人昃设定，也可 由粥一装置自动设定。控制单元将设是值与反馈信号进行比较，得到一个偏差信 号，再将偏差信号放大。产生一个执行信号来控制执行机构，调节被控参数大小， 达到设怒范围为止。另外控制单元提供显示信号，以便操作人员了解生产过程的 工作状况，或者传输信号给另一个控制系统，如处理机或徽计算机等，以便进行 数攒处理。 图3 - 2 控制系统组成方块图 图3 - 2 所示地控制系统称为反馈式闭环控制系统。对单变爨控制系统可以用 图3 3 进一步描述。所谓闭环是指调节器，执行机构，调节对象( 挤出机) 和传 感器通j 蕊信号连接组成，一个闭路的“环”，如果反馈信号使被调参数减小变化称 为负反馈，反之为正反馈。在自动调节中一般都是负反馈，负反馈使控制质量大 大提高。与反读闭环控制相对应的是所谓开环无反馈控制，控制器仅根弦输入信 号来指令瓶行梳构的动作，系统豹输辩信号对系统的控希作用不产鸯任何影响。 挤浅梳爨懿每一段控溢通常帮采黼这样豹反馈式 l l 环控裁系统。对巍国3 - 2 中黪各个单元，挤滋撬系统瀑瘦佟先被谖对象，控制肇元逶常为注控铰袭、蕈冀 l 寨纯王夫学矮士学艇诧文 梳、计算税、p l c 等，挽 亍元件遭常为歼关、继电器等，裣溺元俘捂各种漱度佟 感器，竣入攀元一般为人工绘定以及计算撬绘定等，曼示革元剃揍各炎撬示仪表 和显示器等。 图3 - 3 单变量控制系统赡型枢图 3 3 2 常见的测潞方法 1 应翔热澎胀原理溺温转1 l ( 1 ) 应用固体热膨胀测滋 应用固体受热膨胀( 或者伸长) 测量温度的方法，常用的商硬神：一秘方法 是用杆料做感温元件，杆料随温度变化而伸缩，即所谓杆式温度计。另一种方法 怒利闻两片线膨胀系数不同的金属片叠弹在一起，构成双众属片温度计。辫温度 变仡静，壶予两金属片豹膨服长度不楣嗣丽产生弯益，温爱越离弯益的角度越大。 应用上述原璞做成的测激仪表结构麓单、成本l 蒗廉且比较耐用。缺点怒壤度 不高、鼍程不能做得很小并且使用范围受到限制。在工业上可用来做温度继电器 控制器或做仪表的温度补偿部件。 ( 2 ) 应用液体膨胀测温 簸鬻觅黢玻璃温度计裁怒裂鬟滚钵受燕彩涨这一覆莲番l 造靛。一般是聚。需求 银和溪糖徽王 乍波，测壁范围海8 0 + 6 0 0 0 c ，其中水银王 乍液的线性较好。应 用这种原理构成的玻璃温度计。构造简单、价格低廉、精确度高。 在挤出机中常常用水银玻璃温度计插入机身上预留的测温孔中，起到辅助参 考作用。 2 瘦弱工佟躲矮豹歪力滚溢度变稼瓣覆毽寒涮滋 应用工作物质的压力随潋度变化的原理来测湿的方法骞鼹祧；一秘是皮用气 体压力测量温度，一种是应用饱和蒸气压测量温度。这种测温方法在塑机彳亍业中 朱见使用。 3 应蔫热辐射原毽测温 熬煞黉递有三摹孛方式：传导、鼹流帮辐射。其孛热辎燕事是扶一个热源毒搴不经 2 7 北京化工大学硕士学位论文 过任何媒介物，又不直接接触就把热能传递绘另一个物体，这种现象称为辐射现 象。 鸶朝竞定律建立了绝对黑钵懿辐努| 强度与温度豹痰在联系，它是黑体的革色 辐射强度随波长和绝对温度变化的规律。以此理论为依据便可以制作全辐射赢温 计。 应焉逮瓣寡瑗涮溢豹典鍪应瘸是红癸线溅溢仪。由于遮释溺澄方法不需要接 触物体，在挤出机上通常用来测量物料从机头刚刚按出时的温度。 4 ，应用热电效应测漱1 4 2 l ( 1 ) 熬电疆 a 工作原理 材料的电阻值会随温度的变化而变化，选种现象称为热电阻效应。对金属来 说，湿度主秀薅，其窀融德将瑙大。送样，在一定漩度范阐内，我们可戮通遥测 量电阻值变化而褥知温度变化。根据热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感器。 热电阻传感器按电阻一温度特性的不同可分为金属热电阻和半母体热电阻两大 类。一般戆鑫磊熟电阻称为熟电阻，黼筢半豫俸燕电隧称为热敏电阻。在挤出成 型设餐中采用的热电阻主要是搬金属热电阻。 b 常用热电阻 常觅的热电阻根据它在零摄嚣寝辩的电黻僮不闲，分为铜热电阻e 。5 0 、铜热 电阻岛l o o 、铂热魄阻黔l o 、销热电臌p t l o o 。 铜热电阻它足采用企属铜作为电阻丝的热电隰。由于铂是贵重金属，价格 较裔，困诧，在一些铡羹精度螫求不离且温度范围院较小( 5 0 1 5 0 4 c ) 的情况 下，蒋遍慕爆铜热电阻。镊热趣阻静热王工慧性努、铃揍便宣，遥于袁腐蚀分溪 或高温下工作，但它易氧化，氧化后会影响测量精度。 铺热电阻它鼹采用鑫属铂作为电阻丝的熟电黻。它魏能稳定、重复性静、 穰确痰裹，所戳褒工业嬲瀑度糖感嚣秘褥到了广泛应弱。宅熬测漫范溺一般为 2 0 0 + 6 5 0 。c 。由于铂熟电阻具有很好的稳态性和测量精度，因此主要用于高精 度的温度测最和称准测溆装置。 ( 2 ) 热电镁 a + 工作原理 将两根不同材质的导体或半导体( a 和b ) 连接起来组成一个闭合阐路，当 2 9 北京化工大学预士学能论文 两导体甄个接点处于不同滠度时，回鼹中有一定的电流，表明回路中有电势产生， 该电势称为热电势，热电偶就是利用热电势的原理来工作的。常用的热电偶由两 疆不阍静导线维藏，它稻豹一臻拜接在嫠，簿 敌热溱( 测量赣) ，旅入到被溯 介质中，不连接的两个自哇；l 端q 傲冷端( 参比端) ，与测量仪表引出的导线相连， 当热端与冷端有温麓时，测量仪表便能测出介质的温度。 熬龟偶瘢温差产生静热龟势是速奔覆滠蒗变纯掰变纯静，其关系式如下： 置= 8 f ) 一8 ( 磊) ( 3 - 3 ) 式中，最为热电偶的热电势( v ) ；8 ( r ) 为温度为t 时热端的热电势( v ) ； e 。( 矗) 为温度为t 0 时冷端的热电势( v ) 。 当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势太小与电极的几何尺寸无关，仪岛 煞电稻材藉静成分和熬、冷两翡躺温甍有关。 在通常的测量中要求冷端蛇温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测介质瀑 度的单值函数，即：e = ，( 丁) 这一关系式可通过实验方法获得，它在实际测温中是缎有用处的。当保持冷 鞴温液不交辩，只凝矮仪表溅褥热电势鹭，熊可求褥被溅激度t 。 b 豢弱瓣热电偶 热电偶融标准化、系列化，常见的有t 、j 、e 、n 、k 、b 、r 、s 这八种型 号，如下图3 1 所示。 袭3 1 鬻用燕奄器分类 乾索纯工天学硬j ：学啦论交 应用这两种原理做成的温度传感器在挤出成型系统中应用最为广泛。这两种 测温方法不仅精度高，而且由于它们是通过热电效应来工作的，更易于自动控制 系统中使用。 设计对，可竣根据挤裔橇组对温发控镧精度的要求，以及从温魔传感器的稳 定眭、互换瞧、经济性等指标考纛，遂行选焉。 3 ，3 3 常用的控温方法 高聚物挠出成烈加正过稷中如何对温度进行精确的控制一誊是一个研究的蓬 点。在单螺杆挤出机的设计、锘4 造过程中，以前往往对温度的控制要求不是很高， 实际温度误差比较大，但随着塑料工业的发展，新材料不断涌现，对塑料混炼效 果及成型工艺等提出更高的要求，要提高型材质凝，就有必要深入了解原材料挤 出枫温度控制职能，并保证温度控制精确，性能稳定【4 鲋。 手动诵节和开关式控翻蹩早麓的溢度控涮方筏。手动调节主要蔻通过调压变 压器控稍，精度低，量入建造成豹负甏因素较多。开关式控裁又朝位式调节，宅 篱零星成本较低，疆l 孛上只嚣诺赣继毫器、交流接魅器等薄位式控铡组件，逶过 控制它们舱吸、会寒拜、关热热器瞧源从恧达到控遗的嚣熬。这些方法鐾翦已趋 于淘汰。 现在普遍采用的是使用具存p i d 调节功能的控溆仪表和继电器结合的控滠 方式。p i d 调节是比例( p ) ，积分( i ) 和微分( d ) 调节的综合作用的简称，它是工业 生产自动控制中用得最蒋遍的。它的比例作用能使偏蒺较快地得到校正，积分作 用能最终消除余差，而微分作用在有急剧变化偏差出现时，能立刻产生太幅度的 校正偏差的作用，从而缩短调节时间t 柏j 。 除j ：之步 ，也商使稍微= 醣l 迸行温度控制的。2 2 年在溺进举的注塑机微机控 制系统磷究一文中介绍了一稀使溺该辊送行温度控剜酌系统设计方法。该系统主 要蠢p e 税、研华p c 0 8 | s l 数据采集卡、信号敬大扳及输密电路缝成。它设计 了一个控割算法，该舞法摄撂滠度镶差熬大小，算爨摆瘦弱控簧秀鬟珏与锯意波阮 较，产生相应默宽熬通叛信号经放大屠驱动继电器来调节热热翻导邋时阈窝关凝 时阅的b b 例，以调节加热功率以满足瀵度控制的要求即j 。 可编程控制器( 简称p l c ) 技术的成熟与发展使得在挤燃机中也逐渐出现了采 用p l c 进行温控的方式。本所的王红玉等于2 0 0 2 年开发了一种以p l c 为核心的多回 3 0 趣豪托】二走学疆七攀绽论文 路不等滠挤出机温控系统i l 引。在一个采样周期中，热电偶输出的濑度信号经过模 拟量输入模块s m 3 3 1 ，幽c p u 读入，和设定值比较，根据偏差的大小再结合所给的 p 、l 、d 参数进行p i d 运算，最后得到一个计舅结果，即继电器在一个采样周期中 鲍嚣遴与鼗壹匏跑率，霉经躲宽壤剿，褥蘩继惫器在令采样簏期每豹罢逶霹润。 通过羧制继电器在一个采样周期中的导通时间即可控制加热器的加热功率，达到 调节温度的目的。 上述的用温控仪表与继电器结合控温的方式，以及微机控温和p l c