黃賢飛

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

為了提升石油混煉造粒機(jī)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)造粒機(jī)實(shí)施精細(xì)化管理，通過(guò)精細(xì)化管理可以進(jìn)一步掌控造粒機(jī)的每個(gè)環(huán)節(jié)、每個(gè)工序以及每個(gè)成本等關(guān)鍵程序鏈。混煉造粒機(jī)的使用壽命不能只靠后期維修來(lái)延長(zhǎng)[1]，而應(yīng)在使用過(guò)程中就加以控制。造粒機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)涉及多個(gè)元件與工序的共同作用，屬于鏈條工程，元件與工序之間環(huán)環(huán)相扣，每個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題均會(huì)影響機(jī)械的耐用性與疲勞性，而通過(guò)加強(qiáng)混煉造粒機(jī)不同階段的精細(xì)化管理可提高造粒機(jī)的使用壽命。

作為一種管理策略，精細(xì)化管理不僅僅是精細(xì)管理混煉造粒機(jī)的運(yùn)行過(guò)程，還與研發(fā)改進(jìn)、成本以及安全等多個(gè)方面息息相關(guān)。然而機(jī)械的使用壽命是成本與安全問(wèn)題的核心環(huán)節(jié)，因此本文以精細(xì)化管理為實(shí)施依據(jù)，提出一種石油混煉造粒機(jī)壽命延長(zhǎng)控制方法。

1 精細(xì)化管理下混煉造粒機(jī)機(jī)筒溫度控制

1.1 控制方法結(jié)構(gòu)架構(gòu)

混煉造粒機(jī)機(jī)筒在運(yùn)轉(zhuǎn)階段，通過(guò)外部加熱使機(jī)器內(nèi)部生成一定的熱量[2-3]，此熱量與物料、機(jī)筒內(nèi)壁和螺桿之間形成相對(duì)的摩擦能和剪切熱而出現(xiàn)融化，導(dǎo)致造粒機(jī)壽命縮短[4]。為了延長(zhǎng)石油混煉造粒機(jī)壽命，對(duì)石油混煉造粒機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段的能量變化進(jìn)行分析，構(gòu)建均衡聚合物顆粒的熔融能量表達(dá)式如下：

(1)

式中：ρ為聚合物密度；cρ為比熱容；·q表示傳導(dǎo)加熱，q為加熱功率；VED為黏性耗散熱；PED為塑性能耗散；FED為粒子之間的摩擦能耗散；為體積熱源；t為運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)；T為機(jī)筒實(shí)際溫度。

(2)

(3)

FED=n·p·f·Fn·Δv

(4)

混煉造粒機(jī)各組成部分可單獨(dú)控制，在機(jī)筒外壁裝有鑄鋁電阻加熱器，在接近機(jī)筒內(nèi)壁的地方裝有熱電偶，熱電偶利用變送器與信號(hào)調(diào)理電路，把采集的電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)溫度控制中心，應(yīng)用電磁閥與可控硅控制加熱器的功率輸出，采用智能溫度控制方法來(lái)管控冷卻水流量，通過(guò)控制混煉造粒機(jī)的機(jī)筒溫度，降低機(jī)器整體能耗負(fù)荷，以此來(lái)延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命[5-6]?；鞜捲炝C(jī)示意圖如圖1所示。

圖1 混煉造粒機(jī)示意圖

1.2 控制方法相關(guān)指標(biāo)與算法構(gòu)建

從傳熱學(xué)角度研究機(jī)筒傳熱過(guò)程，令加熱器的加熱形式為脈沖熱流模式，將機(jī)筒傳熱單元設(shè)定成矩形，降低構(gòu)建算法的復(fù)雜度。如果溫度傳播形式為機(jī)筒徑向傳播，則傳熱系數(shù)λ為常數(shù)，機(jī)筒溫度測(cè)試點(diǎn)受均勻熱流的作用，脈沖加熱的熱流情況如圖2所示。

圖2 脈沖加熱熱流示意圖

若溫度到達(dá)預(yù)設(shè)數(shù)值，加熱器斷開(kāi)并停止工作；若溫度降低至一定數(shù)值，加熱器啟動(dòng)。不同時(shí)刻下機(jī)筒徑向溫度分布T(x,t)的計(jì)算公式如下：

(5)

按照實(shí)際情況設(shè)定混煉造粒機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值，整理后得到物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表1。

表1 混煉造粒機(jī)物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

將機(jī)筒溫度測(cè)試點(diǎn)深度x分別取為0.01，0.02和0.03，利用MATLAB軟件編程，得到脈沖加熱下機(jī)筒各溫度測(cè)試點(diǎn)響應(yīng)示意圖，如圖3所示。

圖3 脈沖加熱下機(jī)筒各溫度測(cè)試點(diǎn)響應(yīng)示意圖

分析圖3中曲線走勢(shì)發(fā)現(xiàn)，引起機(jī)筒溫度滯后與非線性情況的主要原因有以下3種：

1)機(jī)筒加熱系統(tǒng)熱慣性。如果溫度較高，加熱系統(tǒng)不再加熱，但機(jī)筒溫度仍然不斷升高；如果溫度較低，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)并逐漸加熱，但機(jī)筒溫度仍需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才會(huì)增加。因?yàn)榛鞜捲炝C(jī)溫控系統(tǒng)的降溫介質(zhì)主要是水，這會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)加熱系統(tǒng)的熱慣性能。

2)相鄰加熱塊熱量會(huì)嚴(yán)重影響多段式機(jī)筒加熱塊的加熱效果，在實(shí)際的溫度控制中，將忽視相鄰加熱塊的干擾，而只顧及到本段加熱塊。

3)機(jī)筒溫度改變的非線性屬性，由機(jī)筒中生成的摩擦能、黏性耗散能以及塑性變性能所具有的時(shí)變性與非穩(wěn)態(tài)性導(dǎo)致。

因此，利用階躍響應(yīng)辨識(shí)的精細(xì)化管理形式，建立近似的數(shù)學(xué)描述形式，依據(jù)機(jī)筒加熱階段的溫度變化特點(diǎn)，利用一階慣性加滯后環(huán)節(jié)，對(duì)混煉造粒機(jī)機(jī)筒溫度的傳遞函數(shù)進(jìn)行近似表示，當(dāng)預(yù)熱機(jī)筒達(dá)到一定溫度，混煉造粒機(jī)實(shí)施階躍激勵(lì)，標(biāo)記下機(jī)筒溫度變化情況，采用方差法得到混煉造粒機(jī)機(jī)筒溫度控制函數(shù)，表達(dá)式如下：

(6)

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

實(shí)驗(yàn)所用混煉造粒機(jī)由大連某機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)，機(jī)器參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 混煉造粒機(jī)機(jī)器參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

采用6個(gè)型號(hào)、規(guī)格完全相同的混煉造粒機(jī)，機(jī)筒類型為整體鍛造式機(jī)筒，機(jī)筒材質(zhì)為45鋼，并在各造粒機(jī)機(jī)筒內(nèi)壁上分別設(shè)定3個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，點(diǎn)A位置是內(nèi)壁面的兩端冷卻水流道槽較寬處，點(diǎn)B在任意銷釘孔處，點(diǎn)C位于機(jī)筒外壁上任意處。將6個(gè)造粒機(jī)劃分成兩個(gè)類別，類別一不使用本文方法管控，分別是1、2、3號(hào)造粒機(jī)，類別二使用本文方法實(shí)施精細(xì)化管理，分別是4、5、6號(hào)造粒機(jī)。

2.2 穩(wěn)定狀態(tài)的溫度動(dòng)態(tài)與能耗分布

當(dāng)兩類機(jī)筒溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，兩類別中3個(gè)造粒機(jī)的測(cè)試點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)相同，各測(cè)試點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度與能耗情況如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定狀態(tài)下機(jī)筒各測(cè)試點(diǎn)溫度情況

圖4中，2 000 s與2 100 s時(shí)刻的冷卻系統(tǒng)為啟動(dòng)狀態(tài)，2 500 s與2 600 s時(shí)刻的冷卻系統(tǒng)為停止?fàn)顟B(tài)。由圖可知，機(jī)筒內(nèi)壁溫度最高，外壁溫度相對(duì)較低，銷釘孔處溫度最低，因?yàn)槔鋮s水流道構(gòu)造影響機(jī)筒內(nèi)壁面溫度變化，使內(nèi)壁面溫度分布存在溫差，根據(jù)曲線變化幅度可知，混煉造粒機(jī)機(jī)筒溫度趨于平穩(wěn)后，機(jī)筒各測(cè)試點(diǎn)均呈現(xiàn)較小的溫度變化趨勢(shì)，且處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分布狀態(tài)。因類別二使用了精細(xì)化管理，所以各測(cè)試點(diǎn)溫度相對(duì)穩(wěn)定，能耗也相對(duì)較低，比較穩(wěn)定。由于能耗隨著溫度的變化而改變，且成正比，通過(guò)溫度變化情況就能夠直接反映出能耗情況，故以下實(shí)驗(yàn)省略能耗指標(biāo)，只對(duì)溫度變化進(jìn)行說(shuō)明。

2.3 基于穩(wěn)定參數(shù)的分析

假設(shè)過(guò)沖溫差、機(jī)筒狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)間為自變量參數(shù)，溫控效果與使用壽命關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同時(shí)間下溫控效果與使用壽命關(guān)系示意圖

過(guò)沖溫差為溫度變化過(guò)程中，發(fā)生在溫度曲線過(guò)沖部分的機(jī)筒溫度和預(yù)設(shè)溫度之間的最大差值，使機(jī)筒溫度在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到最優(yōu)溫度。由圖5可知，在機(jī)筒運(yùn)轉(zhuǎn)階段，本文方法對(duì)不同時(shí)間的溫度分布情況做了全方面的綜合性考量，且參數(shù)為固定數(shù)值，故溫控效果較好，更接近各時(shí)刻的理想溫度取值，有效延長(zhǎng)了造粒機(jī)的使用壽命。

2.4 基于單參數(shù)的分析

當(dāng)過(guò)沖溫差、機(jī)筒狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)間為變化參數(shù)時(shí)，溫控效果與使用壽命關(guān)系如圖6所示。

圖6 單參數(shù)下溫控效果與使用壽命關(guān)系示意圖

通過(guò)圖6能夠發(fā)現(xiàn)，由于精細(xì)化管理與石油混煉造粒機(jī)工作階段的深入結(jié)合，實(shí)時(shí)地綜合調(diào)控造粒機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)，溫控效果隨著過(guò)沖溫度值的增加而降低，使用壽命與過(guò)沖溫度值成正比；溫控效果隨著機(jī)筒狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)間的減少而增加，使用壽命與溫度控制效果成正比。因此，在實(shí)際調(diào)控中，當(dāng)過(guò)沖溫度值波動(dòng)較大時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整影響使用壽命的相關(guān)參數(shù)。

2.5 冷卻水供給累計(jì)時(shí)長(zhǎng)與使用壽命關(guān)系分析

若在造粒機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段，物料受剪切擠壓等效用產(chǎn)生大量熱量，需啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)冷卻造粒機(jī)機(jī)筒，控制機(jī)筒溫度，假設(shè)冷卻水接入的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)比例為Rt，采用式(9)界定：

(7)

式中：Sc為冷卻時(shí)間累計(jì)值，s。

冷卻水供給累計(jì)時(shí)長(zhǎng)比例值與使用壽命關(guān)系如圖7所示。

圖7 冷卻水供給累計(jì)時(shí)長(zhǎng)比例值與使用壽命關(guān)系

根據(jù)圖7曲線走勢(shì)可以看出，在機(jī)筒溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)前，冷卻水供給累計(jì)時(shí)長(zhǎng)比例值的波動(dòng)較大，變化較為明顯，當(dāng)溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，冷卻水供給累計(jì)時(shí)長(zhǎng)比例值逐漸趨于平穩(wěn)，使用壽命也不斷增加；而本文方法因引入精細(xì)化管理，機(jī)筒溫度會(huì)提前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，所以冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行能耗不被外界參數(shù)影響，不再產(chǎn)生多余能耗。

3 結(jié)論

工業(yè)領(lǐng)域需要的是高速、大扭矩、高產(chǎn)量的混煉造粒機(jī)，故要求造粒機(jī)具有高效、低能耗、低溫?cái)D出以及較長(zhǎng)使用壽命等性能。本文基于精細(xì)化管理，設(shè)計(jì)出一種石油混煉造粒機(jī)壽命延長(zhǎng)控制方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

1)在機(jī)筒運(yùn)轉(zhuǎn)階段中，本文方法全方面、綜合性考量不同時(shí)間的溫度分布情況，溫度控制效果較好，測(cè)試點(diǎn)得到的溫度更接近各時(shí)刻的理想溫度取值，有效延長(zhǎng)了造粒機(jī)的使用壽命。

2)本文方法利用精細(xì)化管理，實(shí)時(shí)地綜合調(diào)控造粒機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)，當(dāng)溫度曲線過(guò)沖或波動(dòng)較大時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整影響使用壽命的相關(guān)參數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命。

3)本文方法因引入精細(xì)化管理，機(jī)筒溫度會(huì)提前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行能耗不受外界參數(shù)影響，能耗負(fù)荷較低。

由于能力有限，仍存在以下需要改進(jìn)的問(wèn)題：混煉造粒機(jī)的螺桿組合從未進(jìn)行拆解、重組，降低了機(jī)器抗疲勞性能，導(dǎo)致造粒結(jié)果未能達(dá)到最佳的預(yù)期效果，下一步可將擠出過(guò)程作為優(yōu)化因素，精細(xì)化管理擠出階段的螺桿轉(zhuǎn)速、加料量、螺桿結(jié)構(gòu)以及機(jī)頭壓力等，以延長(zhǎng)造粒機(jī)的使用壽命。