橡膠擠出機均勻喂料控制技術

劉彥昌，韓正霖，林廣義，郝生武，劉志勇

(1.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061;2.青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266061;3.江蘇中宏環(huán)保科技有限公司，江蘇 江陰 214437)

橡膠擠出機分為熱喂料擠出機和冷喂料擠出機。喂入熱喂料擠出機的膠料是不低于50℃的膠條或膠團狀的預熱混煉膠，喂入冷喂料擠出機的膠料是處于環(huán)境溫度下的膠條或膠粒狀的混煉膠。

如果在熱喂料擠出機喂料口處增加一根錐形或柱狀的短螺桿，與螺桿喂料段構成雙螺桿式結構，就能使用來自密煉機的不規(guī)則的團狀膠料，喂入熱喂料擠出機。但是由于團狀膠料喂入過程的不均勻性，將會導致向前輸送的螺桿螺槽內的壓力和機頭壓力的不均勻，從而使擠出產品隨時間波動。此種喂料方法可用于濾膠等作業(yè)，因為在這種作業(yè)中，產量波動不是影響作業(yè)的大問題。

對于冷喂料擠出機，盡管使用振動槽等計量法可以實現準確等量的膠粒喂入，但由于膠粒的黏連性（由于橡膠的玻璃化轉變溫度Tg通常低于室溫，室溫下的橡膠呈高彈態(tài)，軟的橡膠顆粒容易彼此黏連在一起），將給膠粒生產（造粒）、儲存和運輸帶來很大問題。例如，大量隔離劑的使用將損害膠料質量，造粒設備的投資和操作費用較高，而且較低體積密度的膠粒還能減少擠出能力。這種喂料方法主要應用在電纜制造中，這是因為用于電纜的膠料硬度大，膠粒黏結性低（與熱塑性塑料顆粒類似），并且擠出產量受生產線硫化速度而不是擠出能力的限制，喂入膠粒造成的擠出能力損失也不是影響作業(yè)的大問題。

因此，無論是熱喂料擠出機，還是冷喂料擠出機，一般都采用簡單的膠條喂入方式。

為了使膠條順利喂入擠出機，通常采用強制喂料技術即喂料輥技術，這一技術已經發(fā)展成為橡膠擠出機的一個通用設計(見圖1)。這一喂料技術包含一個楔形下凹通道和一個喂料輥。楔形下凹通道位于喂料口處螺桿下面的喂料襯套內，起無障礙喂料的作用。楔形下凹通道與螺桿螺棱配合逐漸壓縮沿螺桿旋轉方向被拖曳旋進的膠片，至其結束處被切斷成為塊料進入螺桿螺槽。喂料輥布置在喂料口處，同螺桿平行，與螺桿旋向相反，并和喂料口處螺桿一起形成“喂料輥對”。由于喂料輥工作表面線速度比螺桿外圓線速度稍大（典型速比值是1.08:1），因此，喂料輥與其相接觸的膠料之間產生摩擦，增加對膠料喂入的推力，連續(xù)強迫膠條進入楔形下凹通道，改善膠條被螺桿拉入，避免在沒有喂料輥即自由喂料時出現的螺桿與膠條之間的打滑現象，提高了喂料均勻性和喂料能力。

然而，通用設計的喂料輥技術，由于喂料速率、口型、螺桿轉速或溫度分布等的變化，會造成喂入膠條的速率與擠出機螺桿能夠接納的膠料速率不一致或不平衡，必然導致喂料過多或喂料缺少現象。前者使喂料通道中和螺桿螺槽內的膠料壓力增加，引起膠料在喂料輥和螺桿之間間隙之上堆積，導致喂料阻塞或喂料失??；后者使喂料通道中和螺槽內的膠料壓力降低，導致螺桿饑餓或喂入膠條斷裂。這些情況都會產生喂料不均勻或不穩(wěn)定的問題，使擠出產品出現波動。

恒定的正常大小的堆積膠是喂料所希望的，它表示喂料均勻和喂料速率合適。如何控制堆積膠大小或均勻喂料，一直是橡膠擠出機設計技術的改進目標。為此，在通用設計的喂料輥技術的基礎上，相繼發(fā)明或開發(fā)了一些橡膠擠出機均勻喂料控制技術。這些技術，根據控制檢測的方法不同，可分為料位法和壓力法兩種。

圖1 通用設計的喂料輥技術原理圖

1 料位法均勻喂料控制技術

這種方法是利用各種感應裝置(機械式或光電式等)，感應喂料口內擠出機螺桿與喂料輥之間間隙之上的堆積膠高度，從而控制膠條喂入速率的技術。根據改變膠條供給速率的方式不同，這種喂料控制技術又可分為柱塞式、拖曳板式和滑板式。

1.1 柱塞式

如圖2[1]所示，一個隔板將擠出機的喂料口分成喂入室和聚積室兩個部分。相對于擠出機能夠加工的膠料，當喂入的膠料多余時，多余膠料將在聚積室內聚積。由于膠料的向上壓力，安裝在膠料聚積室中的活塞將上升，一直上升到達它的上限位置，這時，活塞桿上的凸桿碰撞上限位開關，操作停止供給喂入室的新膠條。在聚積室中阻塞的膠料通過活塞被推回進入螺桿的螺槽內。當聚積室變空時，活塞下降，活塞桿上的凸桿會碰撞下限位開關，膠條又重新開始供給喂入室?；钊麠U上的阻止環(huán)的作用是在聚積室變空時，阻止活塞觸碰螺桿。

這種喂料控制技術能夠使喂料段的螺桿螺槽一直充滿，但因為活塞必須總是再次作用于膠料，施加的壓力是不連續(xù)的，并且也不能通過活塞自動調節(jié)應被螺桿吃入的材料量。

1.2 拖曳板式

圖2 柱塞式喂料控制

如圖3[2]所示，靜止支架通過螺釘被固定在喂料座體上，帶座軸承固定在靜止支架上。旋轉組件(包含旋轉支架、壓力傳感元件和拖曳輥)通過帶座軸承，旋轉安裝在軸上。制動板布置在旋轉支架中間并與旋轉支架共軸單獨轉動，制動板上固定安裝有拖曳板。在靜止支架的橋式結構頂部上設有浮動螺釘，浮動螺釘擰入制動板中，以調節(jié)在拖曳輥上面的制動板的高度。施加在制動板上的壓力由彈簧抵抗，彈簧的張力由固定在橋式結構上的調節(jié)螺釘調節(jié)。

在擠出機螺桿和喂料輥之間間隙之上的膠料堆積，趨向于使傳感元件(尼龍塊或旋轉輥筒)升高。隨著傳感元件的升高，包括拖曳輥的整個旋轉組件也升高，使拖曳輥和拖曳板之間的間隙變窄，拖曳輥將喂入的膠條擠壓向拖曳板。喂入膠條和拖曳板之間的摩擦將減慢膠條，阻止在間隙中的膠料進一步積累。在拖曳板上面的彈簧支承，限制擠壓載荷，允許足夠的滑移來防止喂入膠條斷開。

這種喂料控制技術僅能對喂料多余的膠條進行摩擦拖曳減速，降低甚至消除在喂料口內的膠料積累，自動調節(jié)膠料的供給速率，但對喂料缺少的情況，不能自動調節(jié)喂入速率。

1.3 滑板式

如圖4[3]所示，一個傾斜布置在喂料輥上面的滑板，可由氣缸或液壓缸通過活塞桿往復運動。超聲波掃描裝置布置在喂料口中，用于感應堆積膠的大小。

圖3 拖曳板式喂料控制

圖4 滑板式喂料控制

當喂料多余形成過大的堆積膠時，超聲波掃描裝置將其感應的信號傳遞給控制裝置，觸發(fā)壓力源，控制滑板向螺桿移動，喂入喂料口的膠條被強迫遠離喂料輥表面進入螺桿上面的堆積膠區(qū)，造成與膠條相接觸的喂料輥表面面積減少，進而膠條被拉入喂料輥和螺桿之間間隙的力減小，拉入的膠條量也隨之減少或膠條不能再進一步被拉入；同時，供給喂料口的膠條速率也相應減少，從而引起膠料從堆積膠處被拉進螺桿，螺桿上面的堆積膠減少。

當堆積膠已達到正常大小時，超聲波掃描裝置又發(fā)出信號，滑板縮回離開喂料輥，懸掛著進入喂料口的膠條通過再次接觸喂料輥表面而被喂料輥咬住，被拉進喂料輥和螺桿之間的間隙中，新膠料進入擠出機。

這種喂料控制技術，基于拉入力與膠條同喂料輥接觸面積的大小成比例的機理，保證喂料輥僅拉入能被擠出機加工量的膠料進入擠出機，實現了膠料喂入速度的自動連續(xù)調節(jié)，并且不依賴于喂入膠條橫截面。但是，超聲波掃描傳感器容易被擋住和產生故障，甚至掉落被擠出機吞下。

2 壓力法均勻喂料控制技術

如圖5[4]所示，這種技術裝置有2個分開的、直徑相同的、旋轉方向相反的、獨立于螺桿驅動的、布置在螺桿喂入位置上方的輥。2個輥旋轉速度相同，各自有一個獨立的驅動(液壓旋轉馬達或電機-減速箱單元)，也可以只有一個驅動。在喂入通道中布置壓力測量傳感元件。驅動單元和壓力測量傳感元件都與控制單元連接。

圖5 兩輥式喂料控制

該種喂料控制技術，基于喂料位置處螺槽中的膠料填充程度是螺槽內或喂入通道中的膠料壓力的函數或喂料輥對的扭矩是喂入通道中的膠料壓力的函數的機理，來自動連續(xù)調節(jié)喂料輥對的旋轉速度和膠料喂入量，實現膠料的連續(xù)均勻喂入。

這種喂料控制技術的優(yōu)點是：

（1）與通用設計的喂料輥技術和料位法均勻喂料控制技術相比，在螺槽中膠料壓力的連續(xù)均勻性高，能夠消除或至少減少喂料引起的不需要的擠出波動現象。

（2）能夠均勻喂入擠出機最大可接受的膠料量，使擠出產量增加。

（3）不需要改變膠條尺寸。

（4）能夠完全避免膠料在喂料口內的阻塞現象。

（5）能被安裝在每一規(guī)格的擠出機上，費用低，可用于現有設備改造和新設備上。

由上述可以得到結論：兩輥式是一種較好的橡膠擠出機均勻喂料控制技術。

但在實際中，包括兩輥式在內的各種均勻喂料控制技術幾乎不被使用，其原因可能是：一方面，喂料均勻性控制還沒有引起擠出機制造商和使用廠家的足夠重視；另一方面，擠出機使用廠家更注重用均勻尺寸的膠條來解決膠料喂入的不均勻性問題。

基于壓力法均勻控制的膠料喂入量的機理，可對現有通用設計的喂料輥技術進行改造，能夠獲得一種比兩輥式更簡單的均勻喂料控制技術。這一方法是：首先，采用獨立于螺桿驅動的單獨喂料輥驅動，因為當喂料輥由螺桿上的齒輪嚙合驅動時，不依賴于螺桿速度的喂料輥速度是不可能的；其次，增加喂料輥的扭矩檢測和設定系統。這樣，根據設定的喂料輥扭矩，能夠連續(xù)調節(jié)喂料輥的旋轉速度，進而連續(xù)調節(jié)膠條喂入量，實現連續(xù)均勻喂料。