雙螺桿擠出機電氣控制系統分析

1.引言

擠出機由于三大合成材料之一的塑料問世以來得到迅猛發展。以塑代鋼、以塑代有色金屬、以塑代水泥等，被廣泛地應用于農業、建材、包裝、機械、電子、汽車、家電、石化和國防，擠出機以及人們的日常生活等各個領域，塑料已是人類活動的最主要的原料之一。由于擠出成型是塑料加工的最主要的形式，因此發展塑料擠出成型技術與設備具有重要意義。

雙螺桿擠出機是塑膠加工機械中的一種重要設備，它已不僅僅適用于高分子材料的擠出成型和混煉加工，它的用途已拓寬到食品、飼料、電極、炸藥、建材、包裝、紙漿、陶瓷等領域。擠出機高速、高產，可使投資者以較低的投入獲得較大的產出和高額的回報。但是，擠出機螺桿轉速高速化也帶來了一系列需要克服的難點：如物料在螺桿內停留時間減少會導致物料混煉塑化不均，物料經受過度剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解，擠出穩定性控制困難會造成擠出物幾何尺寸波動，相關的輔助裝置和控制系統的精度必須提高，螺桿與機筒的磨損加劇需要采用高耐磨及超高耐磨材質，減速器與軸承在高速運轉的情況下如何提高其壽命等問題都需要解決。

從整體上說雙螺桿擠出理論的研究尚處于初始階段,這就是所說的"技藝多于科學".；擠出機工作過程的電氣自動化控制也在不斷發展，傳統的電氣控制都是分別采用單機自動化儀表實現的，如今已發展到采用人機界面技術、計算機技術、變頻技術等構成的觸摸屏、PLC、溫度控制模塊、變頻調速等組成的電氣控制系統。

2.擠出機的構成

擠出機主要由螺桿、機筒、加熱冷卻系統、傳動系統和控制系統等組成。

2.1螺桿和機筒

螺桿是塑料機設備中最重要的零部件，它直接關系到塑料機塑化效果和產量。螺桿在料筒內旋轉工作是在高溫高壓大扭拒下進行的，由于它要在轉動中強力推動物料前移，同時，它本身還要承受強大的摩擦力和塑料分解腐蝕氣體的侵蝕，因而螺桿的材料必須具有很高的力學強度、承受巨大的扭力矩和高溫高壓條件下不變形的性能。

螺桿在旋轉過程中，主要靠螺棱對塑料進行剪切塑化，并推動塑料前移，因而螺棱承受巨大的剪切應力和摩擦力，由于長期在苛刻條件下工作，螺棱磨損，螺棱變小，同料筒的間隙增大，導致塑料擠出量降低，嚴重時會產生塑料回流，且塑化效果降低，出現晶粒和產能嚴重下降的現象。

熔融擠出的過程是將預混合好的物料從加料口進入擠出機機筒，經機筒第一段為加料段，物料在此階段不會熔融，隨螺桿傳動，物料被帶入第二段為壓縮段，該段為加熱階段，物料開始熔融，物料間的摩擦力增加，形成高粘體，繼續隨螺桿傳動進入高剪切的第三段為均化段，使它很有效分離顏料" target="_blank">顏料聚集體，達到充分分散的目的。目前，應用于粉末涂料中使用的擠出機設備于雙螺桿擠出機、單螺桿擠出機和星型螺桿擠出機等，雖然擠出機的類型、內部構造各不相同，但是設計目的是一致的，即最大限度的使物料均勻分散，因此擠出機的好壞直接決定物料的分散程度。

螺桿泵的工作原理：螺桿繞本身的軸線旋轉的同時沿襯套內表面滾動，形成了密封的腔室。螺桿每轉一周,密封腔內的液體向前推進一個螺距，隨著螺桿的連續轉動，液體螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔，最后擠出泵體。

2.2加熱冷卻系統

擠出機的加熱冷卻系統是為了保證擠出機能夠正常運轉，以及保持擠出機有穩定的工藝溫度。擠出機中機筒的加熱是為了使機筒受熱達到一定的溫度，冷卻是為了使高溫機筒把溫度降下來。在擠出機擠塑料生產過程中，機筒上有加熱和冷卻裝置交替工作，則使機筒工作時溫度恒定在一個擠出塑料化需要的工藝溫度范圍內，保證了擠出機正常擠塑制品成型生產的順利進行。塑料的熔融主要依靠機筒的熱傳導，所以擠出機必須要有足夠的加熱裝置功率。機筒的加熱方式，可采用電阻加熱，電感應加熱或者用載熱體加熱。加熱的控制有位式控制和比例控制。位式控制比較簡單，是開關控制，總是全功率加熱或者切斷，溫度波動大。比例控制是按照實際溫度和設定溫度差來自動選擇加熱功率，因此熱慣性比較小，溫度波動小。

機筒的冷卻方式可以采用風冷和水冷，風冷方法是用電動風機來吹機筒需要降溫的部位，讓冷風帶走機筒部分熱量，以達到機筒降溫目的。風冷機筒的特點是機筒降溫的速度緩慢。機筒采用循環水冷卻降溫的速度較快，但長時間使用容易結垢堵塞，因此若要使用水冷方式，應該選用處理過的軟化水。

2.3傳動系統

擠出機的傳動系統要為擠出機提供螺桿運轉動力，為了滿足工藝要求，對擠出機的動力應有以下幾個要求：

（1）螺桿能夠有足夠的轉矩；

（2）螺桿能夠從低速起動，然后調至所需要的轉速，并且應該是恒轉矩狀態；

（3）運轉平穩，轉速不波動。

2.3.1主機

一臺擠出機主機由擠壓、傳動、加熱冷卻三部分系統組成。

擠壓系統主要由螺桿和機桶組成，是擠出機的關鍵部分；

傳動系統中起作用是驅動螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉速；

加熱冷卻系統主要來保證物料和擠壓系統在成型加工中的溫度控制。

2.3.2輔機

擠出設備的輔機的組成根據制品的種類而定。一般說來，輔機由劑透定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分組成。

2.4控制系統

擠出機控制系統的主要作用，是在擠出過程中實現對螺桿轉速、機筒溫度和熔體壓力等工藝參數的控制。目前，以儀表控制系統、PLC控制系統為主要選擇。兩者的功能分別為：溫度控制中儀表控制系統可以實現開關兩控制，也可以采用智能儀表實現簡單比率控制，而PLC控制系統可以通過模擬量通信實現PID（比率-積分-微分控制）控制；前者壓力控制顯示熔體壓力，而后者顯示熔體壓力并實現閉環控制；前者的測試功能只有顯示功能，而后者可以實現測試單元的串口通信。擠出機的控制系統主要由電氣、儀表和執行機構組成，其主要作用為：

（1）控制主、輔機的拖動電機，滿足工藝要求所需的轉速和功率，并保證主、輔機能協調地運行。