劉彥昌，韓正霖，林廣義，郝生武，劉志勇

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061;2.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266061;3.江蘇中宏環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 江陰 214437)

橡膠擠出機(jī)分為熱喂料擠出機(jī)和冷喂料擠出機(jī)。喂入熱喂料擠出機(jī)的膠料是不低于50℃的膠條或膠團(tuán)狀的預(yù)熱混煉膠，喂入冷喂料擠出機(jī)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(jī)喂料口處增加一根錐形或柱狀的短螺桿，與螺桿喂料段構(gòu)成雙螺桿式結(jié)構(gòu)，就能使用來(lái)自密煉機(jī)的不規(guī)則的團(tuán)狀膠料，喂入熱喂料擠出機(jī)。但是由于團(tuán)狀膠料喂入過程的不均勻性，將會(huì)導(dǎo)致向前輸送的螺桿螺槽內(nèi)的壓力和機(jī)頭壓力的不均勻，從而使擠出產(chǎn)品隨時(shí)間波動(dòng)。此種喂料方法可用于濾膠等作業(yè)，因?yàn)樵谶@種作業(yè)中，產(chǎn)量波動(dòng)不是影響作業(yè)的大問題。

對(duì)于冷喂料擠出機(jī)，盡管使用振動(dòng)槽等計(jì)量法可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(chǎn)（造粒）、儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)很大問題。例如，大量隔離劑的使用將損害膠料質(zhì)量，造粒設(shè)備的投資和操作費(fèi)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(yīng)用在電纜制造中，這是因?yàn)橛糜陔娎|的膠料硬度大，膠粒黏結(jié)性低（與熱塑性塑料顆粒類似），并且擠出產(chǎn)量受生產(chǎn)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(wú)論是熱喂料擠出機(jī)，還是冷喂料擠出機(jī)，一般都采用簡(jiǎn)單的膠條喂入方式。

為了使膠條順利喂入擠出機(jī)，通常采用強(qiáng)制喂料技術(shù)即喂料輥技術(shù)，這一技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為橡膠擠出機(jī)的一個(gè)通用設(shè)計(jì)(見圖1)。這一喂料技術(shù)包含一個(gè)楔形下凹通道和一個(gè)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(nèi)，起無(wú)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(zhuǎn)方向被拖曳旋進(jìn)的膠片，至其結(jié)束處被切斷成為塊料進(jìn)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(duì)”。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(chǎn)生摩擦，增加對(duì)膠料喂入的推力，連續(xù)強(qiáng)迫膠條進(jìn)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(shí)出現(xiàn)的螺桿與膠條之間的打滑現(xiàn)象，提高了喂料均勻性和喂料能力。

然而，通用設(shè)計(jì)的喂料輥技術(shù)，由于喂料速率、口型、螺桿轉(zhuǎn)速或溫度分布等的變化，會(huì)造成喂入膠條的速率與擠出機(jī)螺桿能夠接納的膠料速率不一致或不平衡，必然導(dǎo)致喂料過多或喂料缺少現(xiàn)象。前者使喂料通道中和螺桿螺槽內(nèi)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(dǎo)致喂料阻塞或喂料失??；后者使喂料通道中和螺槽內(nèi)的膠料壓力降低，導(dǎo)致螺桿饑餓或喂入膠條斷裂。這些情況都會(huì)產(chǎn)生喂料不均勻或不穩(wěn)定的問題，使擠出產(chǎn)品出現(xiàn)波動(dòng)。

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(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)目標(biāo)。為此，在通用設(shè)計(jì)的喂料輥技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼發(fā)明或開發(fā)了一些橡膠擠出機(jī)均勻喂料控制技術(shù)。這些技術(shù)，根據(jù)控制檢測(cè)的方法不同，可分為料位法和壓力法兩種。

圖1 通用設(shè)計(jì)的喂料輥技術(shù)原理圖

1 料位法均勻喂料控制技術(shù)

這種方法是利用各種感應(yīng)裝置(機(jī)械式或光電式等)，感應(yīng)喂料口內(nèi)擠出機(jī)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(shù)。根據(jù)改變膠條供給速率的方式不同，這種喂料控制技術(shù)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(gè)隔板將擠出機(jī)的喂料口分成喂入室和聚積室兩個(gè)部分。相對(duì)于擠出機(jī)能夠加工的膠料，當(dāng)喂入的膠料多余時(shí)，多余膠料將在聚積室內(nèi)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(dá)它的上限位置，這時(shí)，活塞桿上的凸桿碰撞上限位開關(guān)，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(jìn)入螺桿的螺槽內(nèi)。當(dāng)聚積室變空時(shí)，活塞下降，活塞桿上的凸桿會(huì)碰撞下限位開關(guān)，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(shí)，阻止活塞觸碰螺桿。

這種喂料控制技術(shù)能夠使喂料段的螺桿螺槽一直充滿，但因?yàn)榛钊仨毧偸窃俅巫饔糜谀z料，施加的壓力是不連續(xù)的，并且也不能通過活塞自動(dòng)調(diào)節(jié)應(yīng)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(zhuǎn)組件(包含旋轉(zhuǎn)支架、壓力傳感元件和拖曳輥)通過帶座軸承，旋轉(zhuǎn)安裝在軸上。制動(dòng)板布置在旋轉(zhuǎn)支架中間并與旋轉(zhuǎn)支架共軸單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)板上固定安裝有拖曳板。在靜止支架的橋式結(jié)構(gòu)頂部上設(shè)有浮動(dòng)螺釘，浮動(dòng)螺釘擰入制動(dòng)板中，以調(diào)節(jié)在拖曳輥上面的制動(dòng)板的高度。施加在制動(dòng)板上的壓力由彈簧抵抗，彈簧的張力由固定在橋式結(jié)構(gòu)上的調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)。

在擠出機(jī)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(zhuǎn)輥筒)升高。隨著傳感元件的升高，包括拖曳輥的整個(gè)旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(lái)防止喂入膠條斷開。

這種喂料控制技術(shù)僅能對(duì)喂料多余的膠條進(jìn)行摩擦拖曳減速，降低甚至消除在喂料口內(nèi)的膠料積累，自動(dòng)調(diào)節(jié)膠料的供給速率，但對(duì)喂料缺少的情況，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)喂入速率。

1.3 滑板式

如圖4[3]所示，一個(gè)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(fù)運(yùn)動(dòng)。超聲波掃描裝置布置在喂料口中，用于感應(yīng)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(dāng)喂料多余形成過大的堆積膠時(shí)，超聲波掃描裝置將其感應(yīng)的信號(hào)傳遞給控制裝置，觸發(fā)壓力源，控制滑板向螺桿移動(dòng)，喂入喂料口的膠條被強(qiáng)迫遠(yuǎn)離喂料輥表面進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步被拉入；同時(shí)，供給喂料口的膠條速率也相應(yīng)減少，從而引起膠料從堆積膠處被拉進(jìn)螺桿，螺桿上面的堆積膠減少。

當(dāng)堆積膠已達(dá)到正常大小時(shí)，超聲波掃描裝置又發(fā)出信號(hào)，滑板縮回離開喂料輥，懸掛著進(jìn)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(jìn)喂料輥和螺桿之間的間隙中，新膠料進(jìn)入擠出機(jī)。

這種喂料控制技術(shù)，基于拉入力與膠條同喂料輥接觸面積的大小成比例的機(jī)理，保證喂料輥僅拉入能被擠出機(jī)加工量的膠料進(jìn)入擠出機(jī)，實(shí)現(xiàn)了膠料喂入速度的自動(dòng)連續(xù)調(diào)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(chǎn)生故障，甚至掉落被擠出機(jī)吞下。

2 壓力法均勻喂料控制技術(shù)

如圖5[4]所示，這種技術(shù)裝置有2個(gè)分開的、直徑相同的、旋轉(zhuǎn)方向相反的、獨(dú)立于螺桿驅(qū)動(dòng)的、布置在螺桿喂入位置上方的輥。2個(gè)輥旋轉(zhuǎn)速度相同，各自有一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)(液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)或電機(jī)-減速箱單元)，也可以只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)。在喂入通道中布置壓力測(cè)量傳感元件。驅(qū)動(dòng)單元和壓力測(cè)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(shù)，基于喂料位置處螺槽中的膠料填充程度是螺槽內(nèi)或喂入通道中的膠料壓力的函數(shù)或喂料輥對(duì)的扭矩是喂入通道中的膠料壓力的函數(shù)的機(jī)理，來(lái)自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)喂料輥對(duì)的旋轉(zhuǎn)速度和膠料喂入量，實(shí)現(xiàn)膠料的連續(xù)均勻喂入。

這種喂料控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）與通用設(shè)計(jì)的喂料輥技術(shù)和料位法均勻喂料控制技術(shù)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(dòng)現(xiàn)象。

（2）能夠均勻喂入擠出機(jī)最大可接受的膠料量，使擠出產(chǎn)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(nèi)的阻塞現(xiàn)象。

（5）能被安裝在每一規(guī)格的擠出機(jī)上，費(fèi)用低，可用于現(xiàn)有設(shè)備改造和新設(shè)備上。

由上述可以得到結(jié)論：兩輥式是一種較好的橡膠擠出機(jī)均勻喂料控制技術(shù)。

但在實(shí)際中，包括兩輥式在內(nèi)的各種均勻喂料控制技術(shù)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(jī)制造商和使用廠家的足夠重視；另一方面，擠出機(jī)使用廠家更注重用均勻尺寸的膠條來(lái)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(jī)理，可對(duì)現(xiàn)有通用設(shè)計(jì)的喂料輥技術(shù)進(jìn)行改造，能夠獲得一種比兩輥式更簡(jiǎn)單的均勻喂料控制技術(shù)。這一方法是：首先，采用獨(dú)立于螺桿驅(qū)動(dòng)的單獨(dú)喂料輥驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)喂料輥由螺桿上的齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(cè)和設(shè)定系統(tǒng)。這樣，根據(jù)設(shè)定的喂料輥扭矩，能夠連續(xù)調(diào)節(jié)喂料輥的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而連續(xù)調(diào)節(jié)膠條喂入量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻喂料。