利用壓力控制提高單螺桿擠出中的加工穩(wěn)定性

文/ US EXTRUDERS公司 KEVIN SLUSARZ

利用壓力控制反饋可以提高擠出加工的穩(wěn)定性，這種加工穩(wěn)定性是基于擠出機(jī)后適配器內(nèi)的壓力變化。在多種聚合物上的試驗(yàn)顯示了這種方法的有效性。

提高加工穩(wěn)定性對(duì)于最終產(chǎn)品滿足嚴(yán)格的公差要求至關(guān)重要。通常，如果擠出機(jī)不能提供公差足夠小的熔體，就要向系統(tǒng)中添加一個(gè)熔體泵。如圖1 所示，熔體泵是一個(gè)定容裝置，擁有兩個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的相互嚙合的齒輪。熔體流入入口，進(jìn)入齒輪的一個(gè)齒,繞到齒輪外面，然后，當(dāng)齒嚙合時(shí)被擠出泵外。對(duì)入口壓力的控制，可以通過(guò)對(duì)擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速作出輕微的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在壓力控制的情況下，控制器會(huì)做出相同的調(diào)整來(lái)控制下游適配器的壓力，如圖2 所示。擠出機(jī)下游的壓力傳感器被用于壓力控制?？刂破?，不管是離散的還是基于PLC 的，將通過(guò)在極高的頻率下做最小的速度變化來(lái)調(diào)整擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速以保持壓力。由于螺桿轉(zhuǎn)速的變化不到2 r/min，因此對(duì)聚合物熔體溫度的影響很小。通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)速的階躍變化來(lái)計(jì)算聚合物對(duì)轉(zhuǎn)速變化的反應(yīng)，即可自動(dòng)調(diào)整PID 參數(shù)，這是用熔體泵做不到的。

加工穩(wěn)定性是在擠出機(jī)后通過(guò)在適配器中測(cè)得的壓力變化來(lái)定義的。在一個(gè)固定的限制條件下，壓力的變化與輸出速率的變化有關(guān)（假設(shè)熔體溫度固定），這可以通過(guò)壓降與輸出速率的基本方程來(lái)表示。利用這些方程式，并用冪律方程計(jì)算黏度，可以將下面的方程式發(fā)展為：

Q ∝ (P/η)1/n

ΔQ=1/n (ΔP)

Q 是輸出速率，P 是壓降，n是冪律常數(shù)。

因此，如果ΔP 最小化，輸出的變化將最小化，因而可以提高加工的穩(wěn)定性。利用目前的壓力控制器以及現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)，可使測(cè)得的壓力變化最小化。

測(cè)試

采用一根壓縮率3:1 的計(jì)量螺桿，在一臺(tái)螺桿直徑0.75 in.（約19 mm）、長(zhǎng)徑比24:1 的擠出機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)加工穩(wěn)定性的改善情況。如表1 所示，對(duì)4 種不同的材料進(jìn)行了評(píng)估。

表1 材料性能

所有的試驗(yàn)都是在50 r/min的固定螺桿轉(zhuǎn)速和350 °F（約176.7 ℃）的固定溫度下進(jìn)行的。針對(duì)每種材料的加工，都是達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止，這時(shí)，壓力控制器會(huì)自動(dòng)調(diào)整，直到與每種樹(shù)脂相適應(yīng)。一旦計(jì)算出 PID 參數(shù)，即可在沒(méi)有壓力控制的情況下加工材料5 min，然后開(kāi)啟壓力控制繼續(xù)運(yùn)行5 min，最后關(guān)閉壓力控制再運(yùn)行5 min。

每個(gè)步驟的壓力、壓力變化和螺桿轉(zhuǎn)速都會(huì)得到測(cè)量，這組數(shù)據(jù)如圖3 至圖5 所示。對(duì)于1 200 MFR PP 材料而言，自動(dòng)調(diào)節(jié)程序不能為其開(kāi)發(fā)出PID 參數(shù)，這是因?yàn)檫@種材料的黏度很低，不會(huì)對(duì)輕微的螺桿轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生有效的反應(yīng)。

結(jié)果

3 個(gè)測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)顯示，壓力變化可以減少20%～40%，這種減少很大程度上取決于材料和黏度特性，意味著黏度非常低的材料可能無(wú)法從這項(xiàng)技術(shù)中受益。這些控制器可以在市場(chǎng)上買到，并且可以自動(dòng)調(diào)節(jié),而為熔體泵確定PID 則必須手動(dòng)調(diào)節(jié)。壓力控制是一個(gè)很好的選擇，消除了對(duì)熔體泵的需要。

表2 擠出測(cè)試數(shù)據(jù)

取消熔體泵的好處包括取消了電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)、泵和入口適配器，結(jié)果是減少了維護(hù)保養(yǎng)，所用的適配器可以更短，減少了停機(jī)時(shí)間。對(duì)于螺桿直徑較大的擠出機(jī)而言，還需要做更多的工作，這是因?yàn)?，在給定螺桿轉(zhuǎn)速下，剪切速率較高，導(dǎo)致相對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)速，對(duì)熔體溫度的影響較大。