再论密炼机橡胶混炼智能控制.pdf

张海等．再论密炼机橡胶混炼智能控制4 5 3 再论密炼机橡胶混炼智能控制 张海1 ，蔡奕涛2 ，邹明清2 ( 1 ．华南理工大学工业装备与控制学院，广东广州5 1 0 6 4 0 ；2 ．广，I l 华工百川自控科技有限公司，广东广州5 1 0 6 4 0 ) 摘要：介绍密炼机橡胶提掉智艟控制系统的应用概况．从6 十方面讨论密炼视橡胶提炼的智蘸控徊翱嚣，主要渗 盈智能控翩的概念、混炼过程的排腔段密炼机主轴功率与密炼室内物料粘度的关系，提炼腔粘度预澍的精度、密炼机 椽胶混炼工艺的研究、强度参数和如何生产质t 均一性混炼腔昀问题针对如何生产质量均一的混炼腔的问题，特别 提出一个所谓热历程”控制方案要求整个混炼过程每批胺料的“热历程”都相同．即原材料质量( 包括温度) 、密炼机 状态，起始温度、原料投^ 密炼机后转子对胶料的作用( 机械能) ，生热和总散热及使腔科升温等的热量均相同 关键铘：峦燕机；橡胶混辕} 智能控制 广州华工百川自控科技有限公司开发的密炼 机橡胶混炼智能控制系统已在国内多家大中型橡 胶企业中应用本文介绍密炼机橡胶混炼智能控 制系统近年来的应用概况，并从6 个方面讨论密 炼机橡胶混炼的智能控制问题。

l 应用概况 最近，密炼机橡胶混炼智能控制系统的应用 情况大致可做如下描述：①密炼机设备普遍较好， 基本上都是在转速为4 0 ～6 0r ·r a i n - 1 的情况下 混炼，压砣压力充足稳定，一般都可在自动控制的 条件下混炼，自动控制率在9 0 “以上②采用密 炼机橡胶混炼智能控制系统后，根据密炼机混炼 流变理论，通过每批料的混炼过程功率曲线的物 理意义，可详细了解每批料混炼过程中的物料状 态和一些微小的影响及变化，根据最佳粘度理论 可以判断每批料混炼工艺的优劣以及如何进行改 进，以便对混炼工艺进行优化③在密炼机设备 正常、采用优化后的工艺混炼并采用功率控制( 即 粘度控制) 或双参数控制( 其中有一参数为功率) 的条件下结束混炼排胶，所生产的混炼胶一般情 况下都可合格，混炼胶质量即使有波动，其幅度也 较小，门尼粘度的波动值可控制在士5 个门尼值 以内甚至更小 除上述基本情况外，一些新的情况值得引起 注意一是目前一些密炼机设备即使是新的设 备，从一些配方胶科的混炼过程来看，由于冷却效 率不够，已经影响到混炼胶的质量比较典型的 就是，设备条件基本正常，在连续混炼的情况下， 从混炼参数变化曲线( 见图1 和z ) 的温度曲线可 以观察到，每车料投料时的起始温度在不断上升， 如果同时采用温度控制混炼排胶，对混炼胶质量 的影响是十分明显的。

针对这种情况，有些企业 为了稳定混炼胶质量，采用控制投料起始温度的 方法，收到了很好的效果二是在自动控制的条 件下，每批料混炼的情况基本正常，混炼功率曲线 基本相似，但有时会突然出现一批或两批料情况 异常，经查找原因．发现主要是两批料之间间隔时 间长短不同所致获知这一原因并采取有关措施 后，这种情况明显好转三是气压波动、压砣升降 与投料时间的长短等因素对快速密炼机的影响都 是很大的气压波动会大大改变混炼过程中混炼 状态，其影响很难预测；压砣升降和投料时间的长 短会改变混炼过程中实际混练时问和辅助混炼时 间的比例，这些因素都会改变混炼功率曲线和影 响混炼胶质量 在全自动操作条件下和人工操作条件下( 其 混炼参数变化曲线见图3 ) ，影响因素及其对混炼 过程的影响程度都是不同的在全自动控制还不 普及、绝大多数还是人工操作的年代认为只要采 用全自动控制混炼一切问题就解决了，这种理解 是正确的，因为在人工操作时出现的问题采用全 自动控制后基本上都没有或者不是主要问题了 但是，如果对混炼胶质量的要求很高，即使采 4 5 4 第1 4 届中国轮胎技术研讨会论文集 时问／o 田l 密炼机自动混炼参数变化曲线( 之一) 1 一温度曲线f 2 一功率曲线‘3 一压力曲线1 4 一转速曲线·5 一压砣位置曲线 肘同止 圈2 密炼机自动混炼参数变化衄线I 之二) 注同图1 。

用全自动控制，也还会有一些新的问题如N R 排料时同的长短、原材料存放条件的变化( 温度、 批次之间门尼粘度的波动、不同批次不同厂家的湿度) 等因素的变化，都会影响全自动控制条件下 炭黑、母炼胶停放时间的长短、气温的变化、冷却 的混炼胶质量 水温与流量的变化、压砣压力的波动、每批料之 从稳定混炼胶质量的角度来说，不宜采用人 间问隔时间的长短、投料时起始温度的波动、辅助工操作，而应采用全自动控制操作，提高全自动控 一掣叫一．掣壬o∞．堪卜06)■罩簧出斑p＼毯礴 一掣q一．罩岳吣．坦卜一鲥犟簧出越p＼斟赠 张海等．再论密炼机橡胶混炼智能控制4 5 5 时同／ 圈3 密炼机手动混炼参教变化曲线 往同图1 ． 制率同时，采用密炼机橡胶混炼智能控制可以质量预定要求时结束混炼排胶这两点中的第一 发现并解决全自动控制中存在的问题，提高全自点过去人们做不到，不知道密炼室内物料的混炼 动控制率如果把这个过程定义为控制的3 个阶情况，现在知道一些了，并可据此进行优化} 第二 段，那就是人工操作、自动操作和智能控制点达到预定质量要求时结束混炼排胶并给出预测 值，可以说体现了智能控制 2 关于密炼机橡胶混炼智能控制的几个问题 2 ．1 智能控制的概念 所谓智能，也可叫人工智能。

一般认为，能够 根据对输出值的检测分析，自动修正混炼过程的 控制参数或设定值，以达到预定的技术要求；或者 能够实现自我控制和修正，具有信息反馈系统等， 即达到了智能控制 对密炼机橡胶混炼智能控制来说，其智能主 要表现在两个方面：①根据橡胶混炼流变理论，通 过记录胶料混炼过程功率曲线，就能分析胶料混 炼过程的优劣，也能判断胶料是处于粒子流动状 态还是已处于分子流动状态了根据混炼过程最 佳粘度的理论，可以知道此时应如何优化胶科的 混炼工艺，使优化混炼工艺的工作比过去大大简 化了过去对密炼室中物料的混炼状态如何，一 点都不知道为此有研究者采用透明的室壁，但 是也没能观察到什么，解决不了根本问题②可 预测每批混炼胶的粘度和分散度，在达到混炼胶 2 ．2 混炼过程的排胶段密炼机主轴功率与密炼 室内物料粘度的关系 流变学理论中关于密炼机流变分析中有如下 一个最简单的关系式： P = T N —n ' N 2 ／I A ／2 式中，P 为密炼机主轴功率，N 为转子转速, ／z 为 胶料粘度，A 为该密炼机的几何参数，为一常数 它可用来说明排胶段主轴功率与胶料粘度成正比 的关系，试验也证明该推论是正确的。

从关系式 和推导关系式的假说来看，都不是无条件的，如在 推导时假设温度恒定和密炼室内充满了物料，实 际温度不恒定、密炼室内并未充满物料，在关系式 中转子转速还是平方的关系，对每一台密炼机的 几何参数A 的求解也不是容易的，因此有必要在 建立预测粘度的数学模型时采用数理统计的方 法近年来广州华工百川自控科技有限公司在这 方面开展了不少工作，具体内容可参见李俊发表 在本会上的综述论文 第1 4 届中国轮胎技术研讨会论文集 2 ．3 混炼胶粘度预测的精度 关于混炼胶粘度预测的精度问题，有必要在 此作简要的分析 ( 1 ) 混炼胶粘度预测的精度大小或者说预测 得准不准，与数学模型有关，这方面不展开谈，在 提出关系式时都有讨论 ( 2 ) 预测准与不准实际都是以与实测值的比 较结果来说的实际工作大都是用门尼粘度( 以 下论及粘度时都用门尼粘度表示) 来衡量门尼 粘度的实测值是从一批2 0 0k g 以上或3 0 0k g 以 上的混炼胶中取2 0g 克以下的胶料用门尼粘度 计来测定的一台门尼粘度计的测定值存在一定 的误差根据多个生产单位用广州华工百川自控 科技有限公司提出的测定方法测试的结果发现， 一台门尼粘度计的测定误差较小的为0 ．4 ～0 ．8 个门尼值，较大的有7 ～8 个门尼值，一般在2 个 门尼值左右。

可以设想，混炼好的一批物料有 2 0 0 或3 0 0k g 以上，其门尼粘度值肯定不都是一 样的根据以往的工作，在一批物料不同部位取 3 0 个样在同一台门尼粘度计上测试，发现混炼得 很好的胶料，不同部位门尼值差为3 ～4 个门尼 值，有的甚至可达l o 个门尼值以上 ( 3 ) 预测值除与数学模型有关外，还需所提供 的预测值计算参数能够整体反映这一批胶料从 以往的工作来看，对于粘度平均值为5 0 个门尼值 左右的混炼胶，其粘度预测值与实测值相差可以 达到1 个门尼值以内 ( 4 ) 采用功率控制排胶时每批混炼胶粘度的 波动实际就是预测值、每批馄炼胶粘度的分布以 及门尼粘度计实测值误差等的总和在不考虑仪 器测量误差、每批混炼胶只测量一个门尼粘度值 的条件下，每次检测3 0 或5 0 批的混炼胶的粘度， 其粘度的波动范围，最好的情况是有9 5 ％的批次 在士3 个门尼值内，一般都在±5 个门尼值内} 若 不采用功率控制排胶，波动范围一般在土7 个门 尼值左右因此可以认为在功率控制排胶的条件 下，将门尼值波动范围控制在4 - 3 个门尼值以内 就已经是很理想的结果了 2 ．4 密炼机橡胶混炼工艺的研究 过去的这些工作主要研究证实并解决了以下 几个方面的问题。

( 1 ) 橡胶在混炼过程中主要是处于液态，其在 密炼室中的运动服从液体的流动规律流动特性 用粘度来表征 ( 2 ) 橡胶与固体粒子混合时，由于橡胶占混炼 胶体积的大部分或者绝大部分，橡胶在混合中的 作用起主导地位，而固体粒子在混合中的作用居 于次要地位，因此，混合质量的好坏主要由橡胶的 性能来决定对混合流动来说，流动阻力的大小 决定了流动混合的难易 ( 3 ) 混合中存在流动和粒子分散两种作用 流动阻力小时容易流动，但如果阻力太小则通过 它传递的力也太小，不利于粒子集聚体的分散 因此，提出橡胶在“最佳粘度”时混炼流动阻力小， 粒子分散又容易，此时就是其最佳的混炼时间 根据是否“最佳粘度”就可判断混炼工艺是否最 好，应如何改进 ( 4 ) 根椐流变学理论．赋于混炼过程功率曲线 新的物理意义，可以通过分析功率曲线判断混炼 工艺是否最好 ( 5 ) 根椐数理统计方法建立的预测混炼胶粘 度的数学模型可以预测混炼胶的粘度 以上工作总的来说都集中在密炼机橡胶混炼 工艺的物理状态方面，而化学状态方面的研究还 基本没有展开，还有很多工作要做 2 ．5 温度参数 在密炼机橡胶混炼工艺的各种参数中，过去 对温度只是作一般的看待，现在有了一些新的认 识，即胶料的温度代表该胶料所处的物理状态。

就橡胶而言，它有玻璃态、高弹态和粘流态3 种状 态从混炼过程考察，一般可从室温到1 1 0 ℃左 右，或者是从室温到1 6 0 ℃左右对于普通橡胶， 如N R ，S B R 和B R 在上述温度范围内可以认为 是在高弹态’高弹态与粘流态的转变区和粘流态 3 种状态在不同的状态下，橡胶的物理性能差 别是很大的假设橡胶处于室温条件下，这时橡 胶是很硬的，受到密炼机转子作用力时其表现主 要以拉伸或剪切破坏为主，很少变形流动如果 升温到8 0 或1 0 0 ℃，那就基本进人粘流态，受力 就以流动变形为主如果温度达到1 2 0 ℃以上， 那么粘性流动就显现得更充分还有一点需要指 出，对大型快速密炼机来说，这一温度变化过程很 张海等．再论密炼机橡腔混炼智能控制4 5 7 快，一般就在2r a i n 左右如果是全自动控制条 件，温度就会影响密炼机每批混炼的起始温度( 一 般都未控制) 从以往记录到的数据来看，起始温 度低的有6 0 ～7 0 ℃，高的有1 2 0 ℃甚至更高如 果排胶温度定为1 6 0 ℃，可以想像影响有多大 再就是胶料的温度和室温随着季节的变化而不 同，低的仅1 0 ℃甚至更低，一般为2 0 ～3 0 ℃，如 果预热可以达到5 0 ～6 0 ℃。

在1 0 ℃甚至更低温 度时，橡胶是一个很硬的固体从以上分析可。