四輥壓延機(jī)厚度控制及測量探討

摘要：本文主要介紹兩用壓延機(jī)的基本構(gòu)成和壓延厚度控制的原理，具體闡述膠片和簾布厚度測量的主流方法，通過厚度控制策略，實現(xiàn)輥距和軸交叉的調(diào)節(jié)，確保簾布厚度均勻穩(wěn)定，提高壓延裝置的使用效率，節(jié)省天然膠用量。
1 四輥壓延機(jī)介紹
壓延機(jī)是對混煉好的橡膠進(jìn)行壓實、延展的機(jī)器，在橡膠塑料機(jī)械中壓延機(jī)屬于重型高精度機(jī)械。橡塑加工在1880年就開始應(yīng)用S型四輥壓延機(jī)了。在輪胎生產(chǎn)過程中，纖維或鋼絲壓延機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備之一。因為兩用壓延機(jī)具有規(guī)格大、輥速快、半制品精度高、自動化水平高的優(yōu)勢，所以近年來橡塑行業(yè)應(yīng)用比較多，從而有力地促進(jìn)了該類設(shè)備的發(fā)展。
2 四輥壓延機(jī)結(jié)構(gòu)
壓延機(jī)主要由輥筒、輥筒軸承、機(jī)架、調(diào)距裝置、傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、輥溫調(diào)節(jié)裝置、安全裝置、控制系統(tǒng)及附屬裝置等組成。
2.1輥筒及軸承
壓延機(jī)的輥筒是主要的工作零件。在壓延生產(chǎn)過程中，輥筒受橫壓力及其它作用力影響會產(chǎn)生撓度變形，補(bǔ)充輥筒彈性變形的方法為軸交叉和反彎曲調(diào)整法。軸承是支承輥筒正常運轉(zhuǎn)的部件。壓延機(jī)輥筒在生產(chǎn)過程中，輥筒所受外力和輥筒的重量都要由輥筒兩端的軸承來承受。
2.2機(jī)架
機(jī)架是壓延機(jī)的骨架，由底座、橫梁和機(jī)架組成，支撐其它零件承受壓延負(fù)荷的作用。機(jī)架本體通常采用灰鑄鐵鑄造，灰鑄鐵鑄造的機(jī)架強(qiáng)度較高、減震性能好。機(jī)架在鑄造或焊接完成后要進(jìn)行退火或人工時效或自然時效處理，以消除內(nèi)部應(yīng)力，防止在加工過程中或加工完成后產(chǎn)生變形。
2.3 調(diào)距與軸交叉裝置
壓延機(jī)的調(diào)距裝置是調(diào)整各輥筒間隙的裝置，是控制壓延制品厚度的最主要的機(jī)構(gòu)。輥筒軸交叉裝置是壓延機(jī)上常用的補(bǔ)償輥筒撓曲變形一種機(jī)構(gòu)。調(diào)距裝置和軸交叉裝置以液壓系統(tǒng)為主，液壓系統(tǒng)通過調(diào)整液壓油液位實現(xiàn)驅(qū)動力的穩(wěn)定，確保調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高精度操作。
2.4 擋膠板和劃氣泡裝置
壓延機(jī)的喂料輥縫處設(shè)有擋膠板裝置，這是一組緊貼輥面并可以沿輥面進(jìn)行左右移動的機(jī)構(gòu)，其作用是保持物料在擋料板所限定的寬度范圍內(nèi)進(jìn)行加工；防止輥縫中的物料向輥筒端面溢出。
膠料在壓延過程中難免混入空氣，遇熱膨脹形成氣泡，如不及時清除將影響簾布貼膠質(zhì)量。為消除氣泡，一般在壓延機(jī)的貼合輥上裝有劃氣泡裝置，將輥筒上的膠面劃破，使氣體散出。
3 壓延厚度控制及影響因素
四輥壓延機(jī)從上往下編號為：1#輥、2#輥、3#輥、4#輥，其中1#輥和2#輥壓出上膠片，3#輥和4#輥壓出下膠片，2#輥和3#輥將上下膠片壓貼為簾布，中間夾層為纖維或鋼絲。3#輥為定軸轉(zhuǎn)動，其它三個輥筒為軸心可動，輥筒兩端帶有調(diào)距傳動裝置。
橡膠制品厚度由三種方式來調(diào)整：（1）調(diào)距裝置為機(jī)械傳動，利用蝸輪蝸桿和絲杠絲母調(diào)整各輥筒間隙，是控制壓延制品厚度的最主要的機(jī)構(gòu)；（2）軸交叉裝置為機(jī)械傳動，采用蝸輪蝸桿、絲杠絲母和液壓油缸，用于精調(diào)（或微調(diào)）；（3）預(yù)彎曲（反彎曲）裝置為液壓傳動，用于精調(diào)（或微調(diào)）。
3.1 厚度控制原理
生產(chǎn)過程中如果膠片的厚度超出上下限或出現(xiàn)楔形（一端厚一端薄），優(yōu)先手動調(diào)整調(diào)距裝置。分別啟動1#、2#、4#輥兩端的調(diào)距電機(jī)，壓延機(jī)調(diào)距裝置結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.軸承體；2.橫梁；3螺桿；4.壓蓋；5.螺母；6.內(nèi)齒套
7.蝸桿減速機(jī)；8.減速機(jī)；9.電機(jī)；10.棘輪扳手 11.滾動軸承
圖1 壓延機(jī)調(diào)距裝置

生產(chǎn)過程中如果出現(xiàn)膠片中間厚兩端薄，則調(diào)整軸交叉裝置和預(yù)彎曲裝置。軸交叉裝置安裝在1#與4#輥筒軸承體上，當(dāng)輥筒因負(fù)載而產(chǎn)生變形，膠片出現(xiàn)兩端薄中間厚時，調(diào)節(jié)交叉裝置來進(jìn)行一定補(bǔ)償。預(yù)彎曲裝置是在輥筒兩端的主軸承外側(cè)增加額外的輔助軸承，由油缸提供一個外力使輥筒產(chǎn)生少量的彎曲變形，以補(bǔ)償輥筒在工作載荷作用下產(chǎn)生的撓度。
3.2厚度影響因素及控制方法
實際生產(chǎn)過程中影響厚度的因素主要有以下幾種:⑴由于調(diào)距裝置和軸交叉裝置均采用機(jī)械傳動，裝置控制中存在反向間隙；⑵生產(chǎn)過程中輥筒偏心、軸承磨損、輥筒溫度變化和輥筒磨損；⑶生產(chǎn)過程中膠料配方的變化（粘度的變化）、預(yù)熱工序的溫度的變化率、簾線品種規(guī)格的變化、喂料擺膠的變化和生產(chǎn)線速度的變化等。
壓延機(jī)厚度2#輥和3#輥壓出貼出簾布（中間夾層為鋼絲或簾子布），簾布表面為凹凸不平，測量厚度須經(jīng)過濾波平均算法才能得出厚度趨勢曲線，通過控制2#輥（微調(diào)）的調(diào)距裝置實現(xiàn)簾布厚度穩(wěn)定。軸交叉和預(yù)彎曲裝置不要經(jīng)常調(diào)節(jié)，這兩裝置存在機(jī)械間隙的反動慣量，變化的形狀為不規(guī)則弧形，兩套裝置一般為操作主手人為控制，設(shè)備使用2-3個月或大修開機(jī)后手動調(diào)節(jié)，如果控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，產(chǎn)生不合格品會非常多。
膠片的厚度偏差有短期影響因素和長期影響因素，短期因素有不可控特質(zhì)，一般在設(shè)備開機(jī)預(yù)熱或更換規(guī)格時發(fā)生，包括輥筒溫度的劇烈變化、短期速度變化率大和輥筒跳動等因素，一般為3分鐘左右。長期因素為可控因素，在壓延設(shè)備運行穩(wěn)定后，速度的小幅度變化、簾線規(guī)格的變化、環(huán)境變化、溫度的微調(diào)和壓延機(jī)的動力裝置的變化，壓延機(jī)運行期間長期因素一直存在。有效的厚度控制系統(tǒng)必須在壓延主機(jī)運行穩(wěn)定后再投入自動運行，避免在不可控期間運行自動策略，減少不合格品的數(shù)量。通過自動調(diào)整壓延機(jī)輥筒調(diào)距裝置，可以控制長期因素，修正左右兩個點的厚度偏差；通過手動控制軸交叉裝置和預(yù)彎曲裝置，可以實現(xiàn)膠片橫向厚度偏差，確保中間點和左右兩點的厚度相同。
厚度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是保證膠片的厚度穩(wěn)定均勻，必須準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)。厚度控制系統(tǒng)提供輥筒溫度、線速度、膠片厚度、簾布寬度和簾布的長度等工藝數(shù)據(jù)，提供良好的可視界面，操作人員依據(jù)工藝數(shù)據(jù)可以正確的做出在線質(zhì)量控制決定，使操作人員成為質(zhì)量管理者。厚度控制系統(tǒng)采用滑動平均法計算制品的厚度，采用自動目標(biāo)優(yōu)化策略實現(xiàn)膠片厚度的自動控制。自動目標(biāo)優(yōu)化策略通過控制調(diào)距裝置，對輥筒間隙、凸度、交叉度進(jìn)行微調(diào)，確保膠片厚度落在目標(biāo)區(qū)間內(nèi)。
4 厚度測量類型及特點
目前壓延機(jī)配套的測厚裝置，其工作原理不外空氣法、β射線、渦流激光三種方式。常用的空氣法和β射線測厚裝置為國際品牌，一般與壓延機(jī)配套生產(chǎn)；渦流激光測厚裝置為國內(nèi)自主研發(fā)，以壓延測厚改造為主，2014年已經(jīng)成功配套科米尼奧壓延機(jī)（新安裝）使用，整體設(shè)計與設(shè)備控制中均已達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。
4.1 空氣法測厚
空氣法測厚由兩部分組成——電磁測量和空氣測量。電磁可以測出傳感器到金屬表面的距離，空氣測量出到非金屬的膠片之間距離，二者之差就是被測的膠片厚度。空氣為8 kg動力風(fēng)，在被測物厚度尺寸發(fā)生變化時引起氣體噴頭前的氣隙變化，使得氣隙傳感器的內(nèi)部壓力變化，由氣電轉(zhuǎn)換傳感器感應(yīng)其變化，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流信號值，反饋到控制系統(tǒng)中，經(jīng)二次計算得出實際測量值。傳感器在測量物表面通過步進(jìn)電機(jī)拖動來回掃描，電磁探頭和空氣探頭實時測量。
空氣法測厚測量精度高，測厚誤差僅為0.005mm，在同類產(chǎn)品中精度最高。測厚探頭每40分鐘回基點自動較準(zhǔn)一次，減少人工操作。測厚系統(tǒng)控制算法可以自學(xué)習(xí)，用戶可將一段時期內(nèi)的控制流程下載到系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動記錄用戶的控制策略，形成自適應(yīng)的控制邏輯，自動執(zhí)行控制流程?？諝夥y厚裝置使用動力壓縮空氣測量厚度，壓延機(jī)產(chǎn)生的膠煙和高溫對測量精度沒有影響。
空氣測厚為非接觸掃描測量，只能控制左右兩個輥距電機(jī)，保證左右兩邊的厚度，如果控制軸交叉裝置，簾布厚度超標(biāo)非常多，不合格品長度無法保證?？諝鉁y厚需要清潔純凈的壓縮空氣，必須經(jīng)常清理空氣裝置探頭，設(shè)備使用和保養(yǎng)要求較高。空氣測厚系統(tǒng)中多為意大利原產(chǎn)的控制板和高精度機(jī)加工件，設(shè)備一旦發(fā)生故障，設(shè)備維修周期長，目前在國內(nèi)沒有固定的售后維修機(jī)構(gòu)，需要意大利原廠工程師赴現(xiàn)場解決，費用較高。
4.2 β射線測厚
射線測厚利用β射線在穿透物質(zhì)時能量被吸收的原理進(jìn)行測量。射源與探測器位于被測物同一邊，射線穿過被測物經(jīng)輥筒反射后再被探測器（電離室）接收，射線進(jìn)入電離室內(nèi)，電離室內(nèi)氣體被電離，輸出電離電流經(jīng)過放大器放大，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺煽刂葡到y(tǒng)接收，二次運算得出被測物厚度。
射線測厚可以選擇掃描或固定式測量，測量精度為0.01mm，需要定期手動標(biāo)定，可控制上下膠片左右兩邊和中間厚度?？刂扑惴ㄖ胁捎锰卣骺刂坪妥赃m應(yīng)控制算法兩種，引入壓延速度做為加減速補(bǔ)償。鋼絲簾布因膠中有鋼絲，射線不易穿透鋼絲，測量不穩(wěn)定，只能加大射線強(qiáng)度，因此對于防護(hù)裝置要求較高。β射線與物質(zhì)的密度成比例，安裝在簾布卷取前可測量簾布的重量，二次計算后可以得出每卷簾布的覆膠量，對于評估材料的投入產(chǎn)出意義很大。
射線測厚系統(tǒng)投入運行前必須取得當(dāng)?shù)丨h(huán)評的許可，生產(chǎn)維護(hù)人員需要安全培訓(xùn)，佩戴劑量吸收筆，定期監(jiān)測射線泄漏劑量，確保安全生產(chǎn)。射源在使用過程中有能量衰減，需要定期標(biāo)定和能量調(diào)節(jié)，通過加大電離放大器的高阻阻值，確保測量精度。射源在當(dāng)?shù)丨h(huán)評備案后，一旦設(shè)備需要報廢或拆除，射源的保存必須經(jīng)環(huán)評部門批準(zhǔn)，因為射源半衰期內(nèi)對環(huán)境和人體損害很大，需要專業(yè)方法處理。
4.3 渦流激光測厚
渦流激光測厚由兩部分組成——電渦流測厚和和激光測厚。電渦流傳感器測量上下膠片厚度，電渦流傳感器的體積小、安裝方式簡單，可滿足壓延機(jī)壓延輥之間空間有限的現(xiàn)場情況。激光傳感器測量簾布厚度，采用兩只傳感器對射掃描測量。
電渦流傳感器通電工作時產(chǎn)生高頻電流，高頻電流通過繞組線圈所產(chǎn)生的磁場，磁場感受壓延輥筒位置的變化，將變化的位置轉(zhuǎn)換成電壓或電流。電渦流傳感器定點測量，在生產(chǎn)過程中輥距調(diào)節(jié)引起輥筒位置變化時，傳感器總成自動調(diào)節(jié)保證滾輪始終與被測物緊密接觸，傳感器輸出隨被測物厚度的變化成線性輸出，通過零點和實測值二次計算出膠片的厚度。渦流測量不受油、灰塵、油污、高溫影響。傳感器帶有屏蔽，安裝不需要考慮受到金屬電磁干擾。傳感器總成接觸膠片表面，輥輪表面經(jīng)高精度特殊工藝處理，對于PCR和TCR的膠片均無粘連附著。
激光測厚技術(shù)是依據(jù)激光傳感器測距原理延伸而來的功能應(yīng)用。其測量原理是：由伺服電機(jī)帶動上下一對相對位置同步的激光傳感器做往復(fù)運動，激光傳感器根據(jù)被測物表面高度變化，通過幾何計算出測物厚度值。
渦流測厚精度為0.01mm，激光測厚精度為0.02mm。渦流測厚校準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)塞尺完成，激光傳感器校準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)塊、標(biāo)準(zhǔn)厚度板完成。激光測厚系統(tǒng)配備標(biāo)準(zhǔn)量塊，每次掃描到末端，系統(tǒng)自動標(biāo)定，消除機(jī)械間隙誤差；同時配備恒溫防膠煙裝置，使傳感器處于正常工作環(huán)境中，確保測量精度。
膠片左右兩點厚度可調(diào)節(jié)，系統(tǒng)自動控制1#、4#輥左右兩個輥距電機(jī)，通過PI算法和補(bǔ)償策略保證膠片和簾布厚度縱向均勻。膠片與簾布的厚度橫向穩(wěn)定通過操作主手人為調(diào)節(jié)（軸交叉和預(yù)彎曲），系統(tǒng)提供厚度實時測量值做為參考依據(jù)。渦流激光測厚系統(tǒng)核心傳感器為德國品牌，所有元件均為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，備件易于購買，維修成本低。
5 結(jié)束語
隨著壓延生產(chǎn)線制造水平的不斷提高，壓延制品精度滿足工藝要求已不是問題，控制制品厚度在下限區(qū)域，節(jié)約膠料成本，每年可為用戶創(chuàng)造很大的利潤空間，所以安裝制品厚度在線檢測、控制系統(tǒng)是勢在必行。隨著市場對輪胎品質(zhì)的要求不斷提高，對半成品的過程檢測和控制也越來越受到生產(chǎn)企業(yè)的重視。
（張占興 張傳照）
（北京沃華創(chuàng)新科技有限公司；安徽佳通輪胎有限公司）