（机械设计及理论专业论文）橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 橡胶制品加工过程中温度控制机理 及装备设计软件的研究开发 摘要 本课题是与青岛科高橡塑机械技术装备有限公司合作而进行的科研项目，主 要是对橡胶制品加工过程中温度控制机理进行实验从而得出橡胶制品加工过程 中合理的温度控制，并对其进行分析，在此基础上开发出温控装备的设计软件。 在深入学习面向对象技术、参数化技术和数据库管理系统的基础上，本文完 成了基于面向对象技术的板式换热器和泵的参数化设计系统的开发和面向对象 特征的均温罐参数化设计系统的开发。本课题采用面向对象的思想实现了设计过 程的参数化；实现的主要功能是根据程序设计要求自动处理提交参数，系统自行 完成机构的设计计算和分析选择，设计结果自动保存并生成输出设计文档。 本谋题以密炼机的温度控制系统为例，对密炼机在橡胶加工过程中温度控制 机理进行了研究分析，并对温控装置基本配置和结构参数进行阐述。本课题采用 面向对象的思想，抽象出温控装置类来表述温控装置对象，通过温控装置的设计 计算程序对温控装嚣各机构进行计算分析和选择查询。 温控装置的参数化设计计算采用面向对象的程序编制方法在w i n d o w s 平台 上用v i s u a lb a s i c 进行开发。用s q ls e r v e r 技术建立适合面向对象技术的数据 库，完成对数据库的访问。基于a u t o c a d 2 0 0 0 ，使用v b 和o b j e c ta r x2 0 0 0 开发 工具分别对标准的零部件或常用件进行参数化绘制，最后按照相互之间的位置关 系，将它们组装成一个较为完整的图形，实现了温控装置设计系统的参数化。 温控装置参数化设计系统结合面向对象技术和参数化设计计算的思想，充分 利用各相关技术，对温控装置的各个机构进行参数优化设计计算，方便设计人员 设计，缩短了设计周期，提高了工作效率。 关键词：温度控制机理温控装置面向对象技术参数化技术数据库s q l 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 s t u d yo nt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e c h a nis ma n d0 e v e l o p m e n t o nt h ed e s i g ns o f t w a r eo fe q u l p m e n tl nt h e p r o c e s so fr u b b e rp r o d u c tp r o c e s sin g a b s t r a c t t h et h e s i si ss c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mt h a tw ec o o p e r a t ew i t hq i n g d a o k e g a or u b b e r & p l a s t i cm e c h a n i c a lt e c h n i c a le q u i p m e n tl i m i t e dc o m p a n yt o i m p l e m e n ti t w ea i mt oa c c o m p li s h t h et e s ta n ds t u d yo nt e m p e r a t u r e c o n t r o lm e c h a n is mt oa c h i e v er e a s o n a b l et e m d e r a t u r ec o n t r o li nt h ep r o c e s s o fr u b b e rp r o d u c tp r o c e s s i n ga n da n a l y z ei tt h e n d e v e l o pt h ed e s i g n s o f t w a r eo fe q u i p m e n to nt h eb a s i so fit o nt h eb a s i so ff u r t h e rs t u d yo f o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o o g y ， p a r a m e t r i ct e c h n o l o g ya n dd a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g y ，t h isp a p e rh a s c o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f p l a t et y p eh e a te x c h a n g e ra n d p u m pp a r a m e t r i cd e s i g na n dc o m p u t i n gs y s t e mb a s e do no b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g ya n de q u a lt e m p e r a t u r ej a rp a r a m e t r i cd e s i g na n dc o m p u t i n g s y s t e mb a s e do no b j e c t o r i e n t e df e a t u r e p a r a m e t e r i z a t i o no fd e s i g n p r o c e s si sr e a l i z e db ya d o p t i n go b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，a c c o r d i n gt o p r o g r a md e s i g nd e m a n d ：t h em a i nf u n c t i o no ft h i ss y s t e mi st om a n a g et h e d e s i g n i n gp a r a m e t e r ss u b m it t e d ，d e s i g n ，c o m p u t a t i o n ，a n a l y s i sa n ds e l e c t o fm e c h a n i s ma r ef i n i s h e d ，s i m u l t a n e o u s l y ，t h er e s u l to fd e s i g ni sa u t o s a v e da n dd o c u m e n to fd e si g ni se x p o r t e d t h i st h e s i st a k e st c uo fm i x e ra sa ne x a m p l e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l m e c h a n i s mi nt h ep r o c e s so fr u b b e rp r o d u c tp r o c e s s i n ga b o u tm i x e rh a sb e e n e x a m i n e da n da n a l y z e d ，a n ds u m m a r i z et h eb a s i cc o n f i g u r ea n ds t r u c t u r a l 青岛科技大学研究生学位论文 p a r a m e t e r t c uc l a s si sa b s t r a c t e dt od e m o n s t r a t ec o r r e s p o n d i n go b j e c t b ya d o p t i n go b j e c t 一0 r i e n t e dm e t h o d ，d e s g na n dc o t r p nr i n gp r o g r a mi st o a r i a l y z e ，c o m p u t e ，q u e r ya n ds e l e c tt c uc o m p o n e n t o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o di sa d o p t e dt oe x p l o i tt h i ss y s t e m b yu s i n gv i s u a lb a s i ca tw i n d o w sp l a t f o r m d a t a b a s ei se s t a b l i s h e db ys q l s e r v e rt e c h n o l o g y ，w h i c hi sa d a p tt oo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dc a n b es u c c e s s f u l l ya c c e s s e d o nt h ep l a t f o r mo fh u t o c a d 2 0 0 0 p a r a m e t r i c d r a w i n go fs t a n d a r dp a r t sa n dc o m p o n e n t sa r ed o n eb yi n t e g r a t i n gv bw i t h o b j e c t a r x 2 0 0 0 f i n a l l y ，t h e s ed r a w i n g so fs t a n d a r dp a r t sa r ea s s e m b l e d i n t oac o m p l e t eg r a p h ，a n dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ft c ui s r e a l i z e d t h ei d e a so f o b j e c t o r i e n d e dt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t r i cd e s i g n c o m p u t a t i o na r ec o m b i n e dt oc o n s t r u c tt h i sp a r a a e t r i cd e s i g ns y s t e mo f o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y t h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g yi sf u l l yu s e d t od e s i g na n dc o m p u t ep a r t i a lm e c h a n i s mo ft c u t h i ss y s t e mm a k e st h e d e v i s e t sd e s i g nc o n v e n l e n ta n dd e s i g np e r i o di ss h o r t e n e d ，a n di nt h e m e a n t i m ew o r ke f f i c i e n c yi si m p r o v e d k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o lm e c h a n is m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t ， o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ，d a t a b a s e ，s q ls e r v e r 1 1 l 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论 在橡胶加工的过程中，胶料与加工设备接触部分的强烈剪切与摩擦以及胶料 本身之间所产生强烈的内摩擦，都会产生火量的热量。这些热量势必会引起被加 ： 的胶料的温度升高。在塑炼过程中如果温度过高，将会导致橡胶分子的分解和 焦烧；在混炼过程中如果温度过高，将会导致胶料的早期硫化。同样，在挤出过 程中胶料温度过高，也会导致早期硫化。这些问题在橡胶加工中是绝对不允许的。 在早期的橡胶加工中，人们通常采用传统强制冷却的方法来带走加工过程中所产 生的大量热，从而降低胶料的温度。 然而，在现代的橡胶加工中，采用恒温热水冷却方法大有取代传统强制冷却 方法的势头。实践也表明，工业化国家中的现代密炼机、挤出机和压延机几乎清 一色采用了实施恒温热水控制的热水循环温控装置；在国内的冷喂料挤出机和部 分密炼机、压延机也采用了热水循环温控装置。采用这种热水循环温控装置，不 仅可提高产品质量，而且还可提高生产效率。随着时间的推移，热水循环温控装 置在橡胶工业上的应用将会越来越普遍。【lj 本课题主要对密炼机的温度控制进行 研究，然后在此基础上开发出温控装备的设计软件。 1 1 橡胶加工过程中温度控制的研究现状分析及发展趋势 过去( 甚至现在) 不同的橡胶厂所采用的冷却系统都不尽相同。早期密炼机 的转子靠冷却水冷却，每一转子沿其纵身设置淋管，“废水”或用过的水从终端 排水管返回到工厂的冷却水系统中。密炼机侧壁夹套起先采用喷淋冷却，有些是 采用泛流冷却，后来开发出空芯管注水冷却。滑动式下顶栓也是空芯的，使水沿 其表面周长穿行，以冷却与混炼胶接触的表面。温度控制方式采用手动，即用手 动阀门控制冷却水的流量。当冷却水的流量超过电磁阀极限值时，调节电磁阀的 开关。此种冷却是不连续的冷却。 1 9 5 0 年以后，人们逐渐采用工厂再循环系统，但仍然靠手动阀来控制由冷却 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 塔过来的水源，实现了较高的功率和速度。 2 0 世纪7 0 年代，采用冷却水制冷几乎成为当时一些橡胶生产厂家所追求的 时尚。有些人，尤其是橡胶助剂配方者们认为，如果需要冷却，那就越冷越好。 在制冷冷却系统得到认可后，人们逐渐发现密炼机冷却系统能够获得两种效应： 冷却不足或冷却过度。 ( 1 ) 冷却不足的效应 由于热传递与混炼胶所要求的差的很远，混炼胶的温度上升得太快：混炼时 间不足，导致混炼胶的温度迅速上升；局部焦烧，尤其是过热的密封部位：产品 质量下降：机械设计人员欲使转予端部产生更大剪切作用的设计受到限制。 ( 2 ) 过度冷却的效应 冷却水太冷，胶料在转子端部与夹套空腔间承受剪切时，胶料出现打滑现象 并不抓着转子和夹套表面，而这正是传递适当机械能量以获得良好分散所必经之 道：由于混炼胶与密炼机侧壁之间产生摩擦，混炼胶局部温度迅速上升( 比如将 热电偶穿过冷胶表面，热电偶很快显示出8 0 9 0 ) ；混炼时间延长：由于混炼 室内形成冷凝胶，加工困难。 最初的解决方法很简单，就是关闭部分供水阀以减少冷却水流量。这样做缩 短了混炼周期，能够使胶料分散更佳。但是，随着密炼机金属壁的温度的升高， 当温度超过首几批胶料达到的正常作业温度时，就会出现“首批胶料效应”的问 题。首批胶料效应是指，头几批胶料的混炼周期明显的长，在将其置于混炼室之 后，这些混炼胶与后些批混炼胶f l , o d h m 性能极为不同。 1 9 7 0 1 9 8 0 年初，人们逐渐意识到混炼室内表面温度较高会带来一些实际好 处。这样，不仅混炼室内表面严重的冷凝问题解决了，而且当时美国和英国所进 行的研究也表明，混炼的生产率和质量都有提高。例如：人们发现，当循环冷却 水温从2 0 上升到3 0 时，胎面合成母炼胶的生产率能够上升1 6 。对大型密 炼机来说，循环水温从2 4o c 上升到5 5 ，混炼时间能从3 分4 5 秒降到2 分4 2 秒，生产率提高了2 8 ，炭黑分散率达到9 8 。当时很多证据表明，提高水温 可使产品质量和生产率有所上升。机器温度较高可利用的副效应是“首批胶料效 应”降低，另一个益处是由于在整个混炼过程循环水温直恒定，能够使逐批胶 料获得更加一致的加工性能，同时还为后续工艺提供了很大的方便，为客户提供 满意的数据。 1 9 8 0 年卡特公司的水温调节装置开发成功，有开放式和密闭式两种设计。采 青岛科技大学研究生学位论文 用三区段温控系统。即对密炼机侧壁、转子利下顶栓分别进行温度控制。理由是 密炼机的每一部分执行的是不同的操作功能。 开放式系统( 如图1 1 ) 是水直接由冷却塔或工厂其他水源而来，温度不能 直接控制，而且与大气始终相通，易发生氧化作用。所以其循环水温限制在8 0 左右。 图1 一l 开放式冷却水温度调节系统 f i gl 一1o p e nt e m p e r a t u r ea d j u s ts y s t e mo fc o o l i n gw a t e r 密闭式温控系统( 如图卜2 ) 正如其名所示，是全封闭系统，通过热交换器 输入或排出热能。该系统通过计量阀( 空气操作) 的调节达到冷却。此闷不再将 冷却水排到再循环生产用水系统，而是直接排到普通“板式”热交换器的另一侧。 通过热交换器也能将f 司接的热能传递给生产用水。加热介质或为蒸汽或为电浸入 式加热器。这就使生产用水的温度控制有了很大的灵活性，它能利用p i d 控制器 件等，使水温波动保持在1 5 或者更高的精度上。生产用水一直在循环不易 结垢。 9 0 年代以后，在混炼设备上采用热水的冷却方式，逐渐得到人们的认可。计 算机控制的自动混炼开始普及。【2 j 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 由工厂冷却水补充供水系统 感器 路蕞 图1 2 密闭式水温调节系统 f i g1 2c l o s e dw a t e rt e m p e r a t u r ea d j u s ts y s t e m 过去在温度控制装置中进行热交换的换热器大多是固定管板式换热器。所谓 固定管板式，即两端管板和壳体连接成一体的结构形式。因此它具有结构简单和 造价低廉的优点，但壳程清洗困难，这就要求壳方流体应是较清洁且不容易结垢 的物料。且其具有占地面积大，效率低，易结垢等缺点。因此，在湿控装置中逐 渐被板式换热器取代，而板式换热器与之相比有如下优点。 板式换热器的主要优点是： ( 1 ) 总传热系数高 ( 2 ) 占地面积少 ( 3 ) 多种介质换热 ( 4 ) 对数平均温差大 ( 5 ) 末端温差小 ( 6 ) 使用方便 在经过多年的发展演变，并且比较各种温控结构的优缺点后，现在对密炼机 的温度控制逐渐选择密闭式循环系统，并且选用板式换热器替代管壳式换热器进 行热交换己成为发展趋势。 1 2 橡胶制品加工过程中温度控制机理 在密炼机混炼之前，温控系统要将各被控区段的温度预热到设定值。在混炼 4 青岛科技大学研究生学位沦义 叫，电机做功把电能转换为机械能，机械能又大量地转换成为热能，温控系统通 过换热带走热量，使被控温度基本恒定，从而使排胶温度稳定并在工艺条件所约 束的波动范围之内。因此，温控系统的运行可以看作是静态( 预热升温) 和动态( 正 常混炼) 维持被控温度恒定的过程。 用于橡胶的密炼机温控系统，由于被控温度在l o o 以下( 囡胶料的工艺性 能) ，故通常采用软化水作为工作循环介质。 1 2 1 橡胶制品加工过程中进行温度控制的原因 在密炼机进行混炼过程中，电机做功把电能转换为机械能，由于胶料在两转 子突棱与密炼室壁之间受到强烈剪切、拉伸和撕裂等作用，其机械能转化为大量 的热能【3j 。因此，必须随时将胶料产生的这一高热量排出机外，以保持胶料在混 炼过程中有稳定的粘度和有效剪切作用，达到良好的混合分散效果并避免焦烧现 象的发生。如何将密炼室内的温度控制在适合于胶料的混炼温度范围内，一直是 人们研究的课题。 以前人们通常都是采用冷却水直接冷却密炼机。冷却水温度过低，易产生“露 水”效应，使摩擦和剪切作用降低，引起分散效果下降：冷却水温度过高又不能 达到冷却效果。为了避免产生“露水”效应，使摩擦和剪切作用降低，引起分散 效果下降和为了保证产品质量的均匀性和一致性，在混炼过程中要采用恒温水对 转子、密炼室等部件进行冷却。 采用恒温水冷却的优点在于： ( 1 ) 由于密炼室能始终保持恒定的、适当的混炼温度，使得混炼一开始就具 有最大的剪切作用和最小的滑动，避免胶料排空时，因室壁温度过低，新加胶料 与室壁的摩擦而消耗过多的能量。实验证明：在混炼过程中，采用恒温水冷却控 制的混炼胶温升，明显低于采用低温冷却水的。 ( 2 ) 不同的配方，由于其性能不同，其最佳混炼温度也各不相同。当密炼机 的混炼温度处于最佳的时候，密炼室中的混炼胶温度梯度就会减小，配合剂能迅 速混入且易于均匀分散。 ( 3 ) 采用恒温水冷却，使得进、出口水的温差均匀恒定，各批料的温度变化 曲线是一致的。在混炼的胶料排出后，冷却水的温度马上恢复到初始设定温度， 这就消除了密炼机工作时开始几批胶料质量与以后胶料质量的不一致或冬夏季 的气候变化所引起的胶料质量波动。 橡胶制品加工过程中温度控制机堡发装各设计软件的研究开发 ( 4 ) 采用恒温水冷却，可根据工艺方法和工艺条件以及混炼设备不同，任意 选择最适当的混炼温度。1 4 法勒尔公司在密炼机采用热水循环方法得到如下的结果： ( 1 ) 缩短混炼周期达5 0 ： ( 2 ) 峰值功率低，能耗节省1 0 2 0 ： ( 3 ) 减少冷却水消耗达8 0 ： 热水循环装置一个突出功能是使热水在系统中不断循环，如果系统中的温度 高于设定温度，供水系统向循环回路供水使系统温度降低，但是热水循环装置的 控制系统只允许供冷水的时间只能小于一个控制循环周期的l 5 ，其余时间除加 热外，均为死带( 既不加热，也不冷却) 。因而，在整个过程使用的冷却水比通 常连续冷却操作的消耗水量降低8 5 。 ( 4 ) 大大降低没备热应力，延长机体寿命： ( 5 ) 改善混炼胶的分散度； ( 6 ) 增大填充系数； ( 7 ) 消除许多操作误差； ( 8 ) 保持每批胶料之间的均匀性； ( 9 ) 为配方人员提供控制参数的新方法。b j 1 2 。2 橡胶制品加工过程中温控机理 胶料温度的控制是橡胶加工中最重要的操作条件，有人甚至把温度精确控制 称为橡胶加工的生命线。密炼机混炼过程中胶料温度的控制尤为重要。冷却水温 度过低，会使金属部件太冷，易产生“露水”效应，使摩擦和剪切作用降低，橡 胶不会粘在金属面上，而会在表面上滑过，并且由于摩擦使胶料太热。冷却水温 度过高又不能达到冷却效果，金属部件太热，橡胶就会粘住，从而使胶过热和分 解。为了避免产生“露水”效应和保证产品质量的均匀性和一致性，必须对冷却 水的温度进行予以控制。 通过换热器进行流体温度的调节主要有2 种类型：一种是换热器中无间壁， 冷热流体可直接接触，在接触过程中发生热交换，以调节流体温度；另一种是换 热器中有间壁，冷热流体不相接触，分别从间壁( 板或管) 两侧流过，热流体热量 以对流方式传给壁面，经过壁面导热后再以对流方式传给冷流体。由于这一类型 换热器应用较多，本文主要讨论此类温控装置的设计。系统工作时热流体可在密 青岛科技大学研究生学位论文 炼机流道与温控装置中循环流动。混炼时，胶利向密炼机流道壁面传递( 或吸收) 热量，壁面再传给在流道巾流动的热流体，热流体在温控装置中与问壁另一侧的 冷流体进行可控热交换，使循环流体维持一定温度值以实现刘胶料的稳定温度控 制。1 7 】 、 不同的橡塑生产机械有多个不同温度控制阶段，每一段称一个通道，因此温 控装置与不同的橡塑机械配套决定了温控装置的配套数。无论几个通道，其每个 通道的结构相同。对各式_ i 同的密炼机来说，温度控制系统是必需的配套装置之 一。密炼机规格的不同，其温控区段的数量也不同。以一台典型的巾2 7 0 密炼机 为例，它有三段相互独立的温度控制系统，分别控制混炼室、转子和下顶栓的温 度。 温控系统在密炼机混炼之前，要将各被控区段的温度预热到没定值。在混炼 时，由于机械能大量地转换成为热能，温控系统又要通过换热带走热量，使被控 温度基本恒定，从而使排胶温度稳定并在工艺条件所约束的波动范围之内。因此， 温控系统的运行可以看作是静态( 预热升温) 和动态( 正常混炼) 维持被控温度恒 定的过程。 温控系统由于包括密炼机主机起动前的预热升温和主机运行过程中的恒温 ( 向系统输入热量或将系统内热量带出) ，因此对闭路循环介质水有升温和降温两 路运行系统，当然，它们是处在温度控制调节仪表的控制之下。 密炼机的温控装置可以是多种多样的，按控制系统的加热介质可分为电加热 型、热油加热型和蒸汽加热型；按控制系统的冷却方式可分为间接冷却和直接冷 却型；按控制系统的循环方式又可分为封闭型和开放型；以及按控制系统的控制 方式可分为电动控制型和气动控制型。温控系统的一般形式有蒸汽加热智能温度 控制系统、热油加热型智能温度控制系统、电加热直接通冷却水和电加热f 司接通 水冷却温控装置。m 蒸汽加热智能温度控制系统是以蒸汽直接注入闭路循环水温度控制系统，这 是早期引进的密炼机温控系统配置之一。该系统在工作中是以温度调节仪表直接 输出o 1 0 v 的p i d 调节信号至2 只薄膜调节阀，两阀则分别以相对应的阀门开 度向系统注入蒸汽( 升温) 或注入常温水( 降温) 使系统的温度维持在设定值附近。 系统内过高的压力由压力控制阀泄压，水和蒸汽是通过一个喷射混合器进行混 合。 热油加热型智能温度控制装置在均温罐里通入循环油，加热时采用电加热， 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 冷却时采用风冷却的方法。控温范围在一2 0 。c 3 5 0 。c ( 循环介质为油) 之间，控 制精度】。 电加热、问接通水冷却的温控系统是绝大多数国内外厂商都采用的温控形 式。陔系统的加热是通过仪表接触群或固态器件一电加热器实现。冷却是通过 仪表一电磁阀一换热器实现。循环水和冷却水是完全独立的两套管路，即利用冷 却水通过换热器带走循环水中的热量而使系统降温，也就是间接冷却。 图卜3 是三通道、密炼机用电加热板式换热间接冷却型智能温控装置其中一 个通道的原理图。 图卜3 电加热板式换热( 间接冷却) 智能温度控制系统原理图 f i g1 - 3p r i n c i p l ec h a r ta b o u ta p t i t u d et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo f e l e c t r i c i t yh e a t i n gp l a t e t y p eh e a te x c h a n g e ( c 0 0 l i n gi n d i r e c t l y ) 1 一补充软化水进口阀门2 、4 、l3 、17 一过滤器 3 一冷却水进口阀门 5 一冷却水磁阔6 单向阀 7 一电加热器 s 一温度限制开关 9 - - 渡住剥控开关10 - - 自动排气阀 1 1 一安全阀l2 一压力控制开关14 一循环泵 15 一排污阀 16 一排气泄压电磁阁18 一板式换热器 19 一系统时问常数调节阀 20 一均温罐 本装置的循环介质采用水循环，循环回路由水加热用均温罐、高级轻型节能 循环泵、板式换热器、电磁阀、过滤器、循环管路元件等部分组成。电加热温控 8 青岛科技大学研究生学位论文 装置，一般有三个控制通道，分左、中、 气控制柜，控制柜除安装温度的仪表外， 右并排，在热工管路系统上方安装了电 还安装了主机的控制按钮及仪表。 循环水从水加热均温罐之循环出水口由循环泵压出，经循环管路送入被控对 象流道，把热质传递给被控对象( 当被控对象的温度低于控制设定值时) 或从被 控对象带出热量( 当被控对象的温度高于设定值时) ，循环水流经测温元件后， 经板式换热器再回到水加热均温罐之循环水返回口，形成一个闭合循环。根据测 温元件的测量值与设定值比较，p l c 根据控制算法作出相应的调节。当需要冷却 时，由p l c 发出冷却信号，控制驱动冷却电磁阀开启，使循环水与冷却水在板式 换热器中隔板进行热质交换，流经板式换热器的冷却水排出系统带走热量，使系 统的循环水温度下降：当需要加热时，由p l c 发出加热信号，控制驱动加热回路 进行电加热，由循环水补充热质。 1 3 温控装置的基本配置 智能温控装置由机械和自控两大部分组成。机械部分根据不同需要将多个循 环通道组合在一起，选用先进的进口循环泵、均温罐、板式换热器、电磁阀、过 滤器、检测元件、终端执行元件，可靠性高、故障率低。控制部分自动对多个开 关量和模拟量的采集、运算、判断、保护、控制，选用当今先进的微机化调节仪 表配以自行研制开发的信号调理、运算、判断、驱动等电路，实现循环介质温度 自动控制、生产过程自动化。机械部分与控制部分的有机融合，实现真正意义上 的机电一体化。 1 3 1 机械部分的基本配置 不同的橡塑生产机械有多个不同温度控制段，每一段称一个通道，因此温控 装置与不同的橡塑机械配套决定了温控装置的通道数。无论几个通道，其每个通 道的结构相同，下面以一个通道为例介绍机械部分，结构框图如图1 5 所示。 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 】一压力捡测元件；2 一一安全阀： 4 一极限温度检测元件；5 一一液位检测元件 7 一一电加热器；8 一一循环泵： 9 - 控温对象( 橡塑生产设备的某一段) ： 3 - 一均温罐： 6 一一泄压电磁闷 10 - 一流量检测元件( 根据需要) ； 1 1 一一止回阀。12 一一温度检测元件： 13 一一冷却换热嚣； 14 一一冷却电磁阀： 图l 一4 机械系统结构框图 f i g 1 - 4s t r u c t u r ed i a g r a mo f m a c h i n es y s t e m 主要由水循环系统( 均温罐、高级轻型节能循环泵、板式换热器、电磁阀、 过滤器、循环管路元件等) 、检测元件、终端执行元件等部分组成。 l 、均温罐 由缸体、法兰、接头、电加热器、保温层、压力表、温度表等组成，均温罐 采用无缝钢管焊接，加工方便，其剖面图如图所示： 青岛科技大学研究生学位论立 厂 1 一一 图1 5 均温罐 f i g ，1 - 5e q u a lt e m p e r a t u r ej a r 2 、循环泵 循环泵的工作条件是在最高温度1 2 0 c 的场合下，工作能正常运行，这就要 求所选用的泵能够久耐高温，且具有完全密封、无泄露、耐腐蚀、耐高温等特点。 同时，外形美观、体积小、噪音低、运行可靠、使用维修方便，应用范围很广。 泵的种类较多，质量较好的且经常使用的有g r u n d f o s 公司生产的t p 和c r 系列 的泵。t p 系列的泵的外形如图： 里避 霪蘑 图1 6 循环糸 f i g1 - 6c i r c u l a t ep u m p 3 、换热器 换热器是石油、化工、制药等工业部门中应用相当广泛的单元设备之一。换 热器的性能剥产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作 用。面对型号众多的换热器，如何根据工艺要求选出最佳的换热器，是设计者经 常遇到的问题。随着计算机技术的迅速发展，开发用于换热器选型计算机辅助设 计系统，对于在计算机上实现换热器的优化选型，深入节能、节资、以及提高设 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 计水平和设计效率具有非常重大的意义。 由于板式换热器具有紧凑、高效、节能等优点，因此其品种、型号众多， 用户在选择余地增加的同时，又面临着换热器型式、标准的不统一，因此选型比 较困难。 板式换热器的板片按波纹的几何形状区分，有水平平直波纹、人字型波纹、 斜波纹等波纹板片，按流体在板间的流动形貌区分，有管状流动、带状流动、网 状流动的波纹板片。一般来说，人字型波纹片的传热效率高、流体阻力大、承压 能力好；水平平直波纹板片相对于人字型波纹板片则传热效率低一些，流体阻力 小一些，承压能力也稍低。 由于板式换热器具有设备基础简单、易按换热面积增减板片、工艺管道简单、 检修容易和传热效率高等优点，近年来，己在各种介质的换热过程中得到了广泛 的应用。 诽 圈 串 “一 r 节 卜一 诽斟 吐：卤阜k 图l 一7 板式换热器 f i g 1 7p l a t eq - y p eh e a te x c h a n g e r 4 、过滤器 循环回路中的水质要求较高，为防止循环泵流道被堵塞应在回路中安装过滤 器。 5 、电磁阀 本装置利用电磁阀来控制冷却水管路的开启和关闭，当温度高于设定温度 时，电磁阀开启：当温度低于设定温度时，电磁阀关闭，故选用一个二通的电磁 阀。 6 、单向阎 在回水管路中和进冷水管路中，以及补充水进水管路中设置单向阀，防倒流。 7 、安全阀 青岛科技大学研究生学位论文 安全阀的作用就是起安全保护作用，即当均温罐的压力太高时，排水管路中 的电磁阀出现故障，为了安全和使其它管路不致被破坏，就设置一个安全阀。 8 、压力表 本温控装置中，在每个缸口上都安有压力表，它可以随时表示出缸内的压力， 以便压力升高后，安全阀失灵时，设备不会损坏，另外，它有利于随时检查和观 测。 9 、组合方式及底座 各个通道通过角铁卡角与底座相连， 之问的管路用等径直接相连，组合自由。 个结构为焊接件。 同时受力不大可用螺栓联接，而各通道 各通道的机架以及底座均选用型钢，整 1 32 控制部分的基本配置 与机械部分一样，每个通道均相同，以一个通道为例，结构框图如图1 9 所示。 图1 8 控制系统框图 f i g 1 8c o n t r o ls y s t e md i a g r a m 温度检测元件( r t ) 自动检测回水温度由信号综合调理电路经a d 转换送 于 橡胶制品加工过程中温度控制枧理及装备垃计软件的研究开发 p l c ，按p d 调节规律输出调节信号( 加热、冷却) ，与设定的上下限温度( b 、 c ) 比较输出温度上下限报警信号；压力上限( p i ) 、压力下限( p 2 ) 、泵过载( r ) 、 循环介质液位( l ) 、极限温度( t l ) 、循环介质流动状态( f ) 等状态量经自动检 测元件或装置送p l c ：自动手动、循环泵、加热、冷却排气按键命令信号经“信 号综合调理”电路送p l c 。p l c 对其逻辑运算输出实际控制信号经“驱动”电路 驱动各终端控制元件；输出当前温控装置的状态信号，经状态显示电路显示其工 作状态：输出当前实际温度值和设定参数值，送各通道温度、状态显示电路和设 。定显示电路显示，实现了自动检测、自动显示、自动报警、自动控温、自动保护 功能。 1 4 本课题的研究价值及主要内容 1 4 1 课题的理论意义和研究价值 在密炼机进行混炼过程中，由于胶料在两转子突棱与密炼室壁之间所受到的 强烈剪切、拉伸和撕裂等作用，其机械能转化为大量的热能。由于胶料对温度很 敏感，其粘度直接受温度的影响，因而温度的波动将导致胶料加工过程的波动， 使批料与批料之间，这一时刻与那时刻之间的胶料或半成品产生波动，很难保 证半成品质量的一致性。因此，在要求高质量的今天，无论是密炼机挤出机、 注射机、压延机都应该使用电加热循环温控装置。 以前对胶料进行冷却都是直接通自然水到设备中进行冷却，现在都采用热水 循环温控装置，这不仅可提高产品质量，还可提高生产效率。但是温控装置的设 计大部分是根据经验进行换热器、泵的选型和罐的参数化设计。例如青岛科高公 司为m i c h e l i n 公司以及其他橡胶生产企业生产的温控装置大部分都是根据经验进 行生产的。这样所设计的温控装置虽然满足冷却的要求，但某些参数设置选择的 都偏大，从而造成了一定的浪费。 本课题对橡胶加工过程温控机理进行了理论分析和实验研究，得出了一套不 同胶料、不同配方、不同加工工艺情况下的冷却水温度数据，并在此基础上开发 研究了一套系统，可以根据加工胶料的一系列要求通过参数化设计直接由系统自 动设计温控装置的各个设备并以文档的形式生成。这为生产温控的厂家提供一个 更精确的设计温控装置的工具，减少了不必要的浪费，具有定的实际应用价值。 本课题研究的意义：在理论方面，对温控装置的机理及各装置的工作原理进 4 青岛科技大学列f 究生学位沦文 行深入的研究：在实践方面，通过本课题的实验研究得出了橡胶加工过程中合理 的温度控制范围。在此基础上，通过对其参数进行优化，得出温控装置准确的设 计参数，从而建立起温控装置主要部件的数据库与图形库，进而进行温控装置的 总体结构优化设计。这就避免了以前通过经验选型的盲目性，不准确性。 1 42 课题的主要内容 本课题是关于橡胶制品加工过程中温度控制机理的研究利温控装置装备的 设计软件开发，它的主要内容包括以下几方面的内容： ( 1 ) 温度控制机理的实验分析 本课题首先在大量实验的基础上分析了密炼机的冷却机理和混炼不同胶料 时冷却水温度的确定，通过分析橡胶加工过程中温度控制的研究现状，分析了选 用温度控制装置的原因，并与以前的直接通冷却水冷却进行比较，分析得出其优 点，为装备设计软件的研究开发提供了前提条件。并且详细阐述了温度控制的机 理。 ( 2 ) 温控装置主要参数的优化及部件图形库的建立 温控装置主要由换热器、泵和罐组成。扳式换热器的主要参数是换热器的单 板换热面积、板片数和换热板片的型号。根据不同型号的换热器建立数据库，由 密炼机中冷却水带走的热量，根据建立的数学模型确定换热器的总换热面积，由 换热器设计建立的数学模型，从数据库中选择单板换热面积，从而设计出换热器。 泵的主要参数是泵的流量和扬程，由密炼机中冷却水的流量确定泵的流量。根据 泵的型号、参数尺寸建立泵的图形库。 将计算步骤、公式转换成程序代码，并封装成模块，对换热器和泵进行设计 计算，并能自动输出计算结果，形成设计文档。把计算过程中需要查阅手册的一 些基本数据存储在数据库管理系统中，进行换热器和泵的计算分析和选择查询。 ( 3 ) 面向对象特征罐的结构设计 基于a u t o c a d ，使用v b 开发工具对罐的各零部件进行参数化绘制，最后按照 相互之间的位置关系，将它们组装成一个较为完整的图形，实现面向对象特征的 罐的结构设计的参数化。 ( 4 ) 温控装置总体结构设计 根据所设计出的换热器、泵和罐，根据设计要求按照相互之间的位置关系， 将各个设备组装成一个完整的装备图，实现了整个温控装置的结构设计。 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发 第二章设计相关技术及开发工具 设计系统充分应用已有的成熟技术，对系统进行了开发。在介绍具体的设计 过程之前，先介绍一下相关的技术知识。 主要技术分为3 个部分：面向对象的v b 编程技术、参数化技术及s q ls e r v e r 数据库管理技术。这三个部分构成了我们整个体系的骨架。参数化技术用于参数 的v b 开发后台应用程序；s q ls e r v e r 用于数据库的存储与管理。 2 1 面向对象技术 21 1 面向对象技术概述 面向对象技术是计算机应用领域在最近两年迅速发展起来的软件的设计方 法，它与传统结构化程序设计相比较，增加了软件的可扩充性和可重用性，提高 了程序员的生产能力，并控制维护软件的复杂性和软件维护的开销。 面向对象技术追求的是软件系统对现实世界的直接模拟，尽量实现将现实世 界中的事物直接映荆到软件系统的解空间。它希望用户用最小的力气、最大程度 地利用软件系统解决问题。 当前，无论用计算机解决什么问题，都需要用程序设计语言对问题的求解方 法加以描述，软件实质上是问题求解的一种表述形式。显然，如果软件能够直接 表达求解问题的方法，那么软件不仅易于被人们理解，而且易于维护和修改，进 而提高了软件的可靠性和可维护性。此外，如果能按人们的通常思维方式来建立 问题空间的模型，就可以提高公共问题空间中软件的模块化和重用化的可能性。 面向对象方法学的基本原则就是：按人们通常的思维方式建立问题空间的模型， 设计出尽可能自然表现求解方法的软件。 为了实现上述基本原则，就必须建立直接表示组成问题空间的事物以及这些 事物间相互关系的概念。此外，还必须建立适应人们一般思维方式的描述范式。 由于人们在认识和理解现实世界的过程中普遍运用的三个构造法则：( 1 ) 区分对 象及其属性。( 2 ) 区分整体对象及其组成部分。( 3 ) 不同对象类的形成及区分。客 青岛科技大学研究生学位论文 观世界都是由客观世界的实体及实体间的相互关系构成的，这些对象就是( 物理 空间) 问题空间的对象，人们利用计算机来解决实际中的问题，从本质上讲，就 是借助于某种程序语言的规定，剥计算机中描述的实体施加某种动作，并用动作 的结果去映射实际刊题的解。这些在计算机中所描述的实体就是解空间( 抽象空 间) 的对象。在面向对象技术中，对象是系统的基本要素，它具有固定的处理能 力，并通过消息传递和响应来完成工作，反映了问题空间中事物的信息及其发生 相互作用的能力。类定义了一组相似的对象。一个类包含了一组列象的公共属性 和行为。1 9 - l 目 212 面向对象方法的优越性 面向对象设计方法使得设计者可以把精力集中在系统设计上面不用担心系 统中所使用的对象的细节，对象之间是通过消，宦、( m e s s a g e ) 来联系的，它能够很 好地解决软件可靠性、可修改性、可理解性和生产率的问题。同时为软件重用性 打下了基础。使得新的软件开发可以利用先前开发的软件从而加快了程序设计过 程。面向对象设计方法在本系统中得到了应用。 面向对象的方法( o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，o o m ) 不仅仅是一种新的程序设 计方法，而且是一种全新的设计和构造软件的思维方法，它使计算机处理问题的 方式更加接近于人类的思维方式。面向对象方法具有四个基本特性：标识唯一性、 分类性、多态性和继承性。 2 2 参数化技术 2 2 1 参数化设计思想的提出 在实际机械设训+ 中，大多是对原有设计的修改，即使是进行全新产品设计， 在从功能设计到详细设计阶段也需要多次形状与尺寸的综合协调、优化。传统c a d 软件采用固定的尺寸值来定义几何图素，要修改某局