DE3035353C2 - Verfahren zum Steuern des Mischvorganges von Kautschukmischungen in einem Innenmischer - Google Patents

Verfahren zum Steuern des Mischvorganges von Kautschukmischungen in einem Innenmischer

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Description

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Die Erfindung betriff; ein Vt.fahren zum Steuern des Mischvorganges von KLuischukmischungen in einem Innenmischer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 24 04 292 bekannt.
Aus der US-PS 34 47 201 ist es bekannt, die Mischungstemperatur und/oder das Motordrehmoment an einem Innenmischer dadurch konstant zu halten, daß zwar beide Größen erfaßt werden, jedoch nur die Summe der Abweichungen von einem vorgegebenen Wert in eine Drehzahländerung des Antriebes umgesetzt wird, wodurch beide Größen gleichzeitig entsprechend erhöht oder erniedrigt werden. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß nicht beide Einzelabweichungen für sich minimiert werden können.
Aus der Zeitschrift KAUTSCHUK UND GUMMIKUNSTSTOFFE, 1971. Nr. 3, Seiten 119 bis 127 ist es bekannt, eine Steuerung nach reaktionskinetischen Daten, die sich aus dem Temperaturverlauf errechnen, mittels Prozeßrechner vorzunehmen, wobei der Rechnung ein Temperaturverlauf über der Zeit zugrundeliegt, der aufgrund eines Basisversuches ermittelt wird. Der Machteil dieses Verfahrens ist, daß es sich nur zur Kontrolle chemischer Reaktionen eignet.
Aus der Zeitschrift Gummi Asbest Kunststoffe 7/78 (31) Seiten 512—515 ist es bekannt, eine Steuerung nur nach der spezifischen Energie vorzunehmen. Diese Steuerung hat den Nachteil, daß durch das Konstanthalten nur dieser einen Größe verstärkte Abweichungen anderer Verfahrensparameter auftreten.
Störgrößen bei einem Mischvorgang sind Schwankungen der Maschincntcmpcratur, der Kühlwasscrtem- b5 peraiiir. der MiUerial-Zugabclcmpciatur, des Stempcldrucks. der Dreh/ahl oiler des !-"tillgnules. Diese StftrumUen haben wesentlichen Kiiifliili iiuf Verfahrens und Qualitätsgrößen, als da sind Auswurftemperatur (schonendes Mischen), Füllstoffdispersion (Zugprüfung), Viskosität (Scherprüfung). Elastizität (Verarbeiibarkeit), Homogenität (Mischgüte), Zeit (Wirtschaftlichkeit) und Reaktionsgrad (chemischer Kettenabbau, Vernetzungssicherheit).
Bei dem aus der eingangs genannten DE-OS 24 04 292 bekannten gattungsgemäßen Verfahren wird zum Steuern des Mischvorgangs von Kartschukmischungen in einem Innenmischer von Beginn des Mischvorgangs an die über den Antriebsmotor der Schaufeln dem Mischgut zugeführte Mischleistung gemessen und zur Ermittlung der zugeführten spezifischen Energie mittels eines Integrators über die Zeit aufsummiert Diese Werte werden zur Signalbildung für die Änderung von Betriebszuständen herangezogen. Zusätzlich wird fortwährend mittels eines Thermoelements die Mischguttemperatur ermittelt und bei Ober- bzw. Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte werden in einer Regelschaltung die Betriebsgrößen der Mischung, z. B. Stempeldruck oder Drehzahl der Mischrotoren so beeinflußt, daß die Temperatur wieder in den zugelassenen Bereich läuft.
Auch dieses Verfahren vermindert die Einflüsse von Störgrößen beim Mischvorgang noch nicht in ausreichendem Maße.
Der Erfindung iiegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend auszugestalten, daß die qualitätsmindernden Einflüsse von Störgrößen auf ein Minimum reduziert werden, indem der Verfahrensablauf durch eine exakte Steuerung entsprechend einer definierten Vorgabe bestimmt wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst
Wesentlich an der Erfindung ist also, daß der Verlauf der Mischguitemperatur in Abhängigkeit von der dem Mischgut zugeführten spezifischen Energie als Sollwert für die Steuerung abgespeichert vorgegeben wird. Diese Sollwert-Kurve kann z. B. experimentell unter idealen Vorgabebedingungen an einer sogenannten Basischarge ermittelt werden. Die experimentell ermittelte Idealkurve des Temperaturverlaufes in Abhängigkeit von der zugeführten Energie wird im Speicher der Steuer- und Speichereinrichtung, welche z. B. durch einen Mikrorechner gebildet wird, abgespeichert
Findet nun ein Mischvorgang unter Bedingungen statt, welche von den Idealbedingungen abweichen, treten also Störgrößen auf, wie z. B. jahreszeitlich bedingte höhere Ausgangjtemperaturen des Mischgutes, wird während des Mischvorganges rechnergesteuert eine Regelung so vorgenommen, daß eine möglichst gute Annäherung an den idealen Kurvenverlauf erreicht wird. Die Steuerung erfolgt so, daß in an sich bekannter Weise die Leistung des Antriebsmotors, welche über dessen Stromaufnahme bei gegebener Spannung leicht zu ermitteln ist, gemessen wird, wobei diese Leistungsaufnahme in direktem Zusammenhang mit der dem Mischgut zugeführten Leistung steht da die Leistungsverluste bei der Leistungsübertragung als im wesentlichen gleichbleibend unterstellt werden können. Das Integral der zugeführten Leistung über der Zeit, also die zugeführte Energie wird gespeichert. Die Rechnereinrichtung (Mikrorechner) ordnet über die abgespeicherte Sollwert-Kurve dem gemessenen jeweiligen Wert der insgesamt zugeführten Energie einen entsprechenden Tcmpcratur-Soll-Wen zu und vergleicht diesen mit dem gemessenen Tcniperalur-Isi-Werl, welcher der Kechnereiniiehlung ebenfalls zugeführt wird. |e nach-
dem ob und in welcher Richtung Abweichungen zwischen Ist-Wert und Soll-Wert bestehen, verändert der Rechner die Schaufeldrehzahi und/oder den Stempeldruck. Da die tatsächlich insgesamt zugeführte spezifische Energie eine äußerst charakteristische Größe für den Mischgutzustand ist, kann durch die erfindungsgemäß vorgesehene Regelung der Temperatur in Abhängigkeit von dieser charakteristischen Größe eine Optimierung des Mischvorgangs erreicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Innenmischer,
Fig.2 einen Horizontalschnitt durch den Innenmischer gemäß der Schnittlinie H-II in F i g. ί,
F i g. 3 ein Regelungs-Steuerungs-Schema für den Innenmischer und
Fig.4 ein Vergleichsdiagramm für die Mischungstemperatur über der zugeführten spezifischen Energie.
Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte, an sich bekannte Innenmischer weist ein Gehäuse 1 auf, das. auf e'mem Maschinenständer 3 ruht In dem Gehäuse 1 ist eine Mischkammer 4 angeordnet deren Wand 5,6 die Form zweier achsparallel zueinander und horizontal angeordneter Zylinder hat, die einander berühren oder in geringem Maße durchdringen.
In der Nähe der Wand 5,6 der Mischkammer 4 sind im Gehäuse 1 Kühlkanäle 7 vorgesehen. Der Mischkammer 4 kann Mischgut mitteis eines Stempels 8 von oben unter Druck zugeführt werden, der mittels eines hydraulischen Arbeitszylinders 9 über eine Kolbenstange 9 betätigbar ist Bei hochgefahrenem Stempel wird das Mischgut, beispielsweise Rohgummi, durch eine hierzu in eine — gestrichelt dargestellte — Öffnungsstellung geschwenkte Einführklappe 10 eingegeben. Durch eine weitere Einfüllöffnung 11 können in das Grundmaterial einzuarbeitende (pulverförmige) Komponenten, insbesondere also Zuschlagstoffe, zugegeben werden.
In der Mischkammer 4 sind konzentrisch zur jeweiligen Wand 5 bzw. 6 Wellen 12,13 derart angeordnet daß ihre Achsen 14, 15 horizontal und parallel zueinander verlaufen. Sie fallen mit den beiden envähnten Achsen der die Wände 5 bzw. 6 bildenden Zylinder zusammen. Auf den Wellen 12,13 sind — in F i g. 1 nur angedeutete — Knetschaufeln angebracht von denen eine mögliche Ausführungsform in F i g. 2 dargestellt ist
Der untere Sattel der Mischkammer 4 ist als um eine Achse 16 gemäß dem Pfeil 17 nach unten wegschwenkbarer Klappsattel 18 ausgebildet der in der hochgeschwenkten Betriebsstellung mittels einer hydraulisch betätigba-en Verriegelungsvorrichtung 19 gehalten wird. Die von dem Klappsattel 18 während des Betriebes gemäß der Darstellung in F i g. 1 verschlossene untere öffnung 20 dient zum Entleeren der Mischkammer 4 nach dem Misch- und Knetvorgang.
Die Wellen 12,13 werden gegensinnig entsprechend den Drehrichtungspfeilen 21, 22 angetrieben. Hierzu sind die Wellen 12, 13 jeweils in Lagern 23, 24 drehbar gelagert, die an den die Mischkammer 4 stirnseitig abschließenden Stirnwänden 25,26 angebracht sind.
Mit der jeweiligen Welle 12, 13 ist eine Misch- und Knetschaufel 27 bzw. 27' verbunden. Sie weist einen zylindrischen Schaufelkern 28 bzw. 28' auf, auf dem zwei Haupt-, Förder- ynd Mischflügel 29, 30 bzw. 29', 30' angebracht sind.
Die Flügel 29, 30 au." Jem Schaufelkern 28 einerseits und die Flügel 29', 30' auf dem anderen Schaufelkern 28' andererseits sind so angeordnet daß jeweils die Flügel 29 und 29' bzw. 30 und 30' ein Paar bilden, die einander tangierend umlaufen. Sie können aber auch in bekannter Weise ineinandergreifend ausgebildet sein.
Der bisher dargestellte und beschriebene Innenmischer ist beispielsweise aus der DE-OS 28 36 940 bekannt so daß von der Beschreibung weiterer Einzelheiten Abstand genommen werden kann.
Auf den Wellen 12,13 sind jeweils ein Zahnrad 31,32
ίο drehfest angebracht die kämmend ineinandergreifen. Der Antrieb erfolgt mittels eines Elektromotors 33 über ein stufenlos regelbares Getriebe 34.
In der Mischkammer 4 bzw. ihrer Wand 5, 6 ist ein Temperaturfühler 35 angeordnet, mittels dessen die Temperatur der in der Mischkammer befindlichen und behandelten Charge gemessen wird.
Wie sich aus dem Steuerungsschema nach F i g. 3 ergibt werden während eines chargenweise ablaufenden Mischvorganges eine Reihe von Störgrößen wirksam.
die sich auf qualitätsbestimmende Verfahrensgrößen, nämlich die spezifische Energiezufuhr und die Massetemperatur auswirken. Bei diesen Störg.ößen handelt es sich bspw. um Maschinentemperatur-, Kühlwassertemperatur-, Chargen-Zugabetemperatur-, Stempe'druck-, Drehzahl- oder Füllgradschwankungen. Die Chargentemperatur wird jeweils mittels des Temperaturfühlers 35 gemessen und hieraus der Zeitverlauf der Mischungstemperatur T ermittelt. Parallel dazu wird die Antriebsleistung des Elektromotors 33 ständig in einem Integrator erfaßt und hieraus der Zeitveriauf der spezifischen Energiezufuhr s ermittelt Die Antriebsleistung des Elektromotors 33 kann als Maß für die der Charge zugeführte Energie dienen, da die Verluste außerhalb des Mischers bekannt oder in üblicher Weise exakt erfaßbar sind.
Aus dem Integrator wird weiterhin laufend die integrierte Antriebsleistung, also die der Charge zugeführte spezifische Energie abgeleitet und zur Steuerung des Mischungsablaufs nach der der Charge zugeführten spezifischen Energie eingesetzt. Es erfolgt also eine Steuerung nach Energiemarken, wobei bei Erreichen einer ersten Energiemarke, d. h. bei Erreichen einer bestimmten zugeführten spezifischen Energie (Energie pro Kilogramm Masse) ein Zuschlagstoff, beispielsweise Ruß bei Kautschuk als Charge zugegeben wird und bei Erreichen einer zweiten Energiemarke der Stempel 8 gelüftet und bei Erreichen einer dritten Energiemarke der Klappsattel 18 geöffnet und die Charge ausgeworfen wird.
so In Kombination damit wird aus dem Zeitverlauf der spezifischen Energiezufuhr und dem Zeitverlauf der Mischungstemperatur eine Regelung der Mischungste.nperatur über dem Energieverlauf abgeleitet, wobei als Stellgröße entweder die Drehzahl oder der Stempeldruck dienen. Die Regelung erfolgt hierbsi über iinen Soll-Ist-Wert-Vergleich, wobei der Ist-Wert der schon erläuterte Verlauf der Mischungstemperatur Tuber der spezifischen Energiezufuhr s ist, während der Soll-Werf in beliebiger WeLe durch eine sogenannte Basischarge ermittelt wird. Bei einer Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert wird dann entweder die Drehzahl als Steilgröße nachgeregelt oder aber der StempelcVuck als alternative Stellgröße nachgeregelt, wobei davon auszugehen ist, daß mit steigender Drehzahl bzw. zunehmendem Stempeldruck Jie Mi:chguttemperatur stärker als die spezifische Energie steigt, während mit abnehmender Drehzahl bzw. abnehmendem Stempeldruck die Mischguttemperatur stärker als die spezifische Energie
•J\J JJ JJJ
sinkt.
Durch diese Kombination von Steuerung des Mischvorgangablaufes über die spezifische Energie und Regelung der Mischguttemperatur in Abhängigkeit vom Energieverlauf wird eine annähernde Konstanz dieser beiden wesentlichen Qualitätsparameter von Charge zu Charge erreicht.
Für die Steuerung und die Regelung kann ein Mikrorechner eingesetzt werden, dem einerseits die Energiemarken und der Soll-Wert-Verlauf der Temperatur über der spezifischen Energiezufuhr auf eine der zahlreichen bekannten Weisen eingegeben werden kann.
Versuche haben gezeigt, daß durch diese Art der kombinierten Steuerung und Regelung die Konstanz der qualitätsbestimmenden Parameter sich erheblich is verbessert hat. Die Abweichung der qualitätsbestimmenden Parameter ist bei einer Störgrößenbeaufschlagung geringer, als wenn nur eine Steuerung nach Energiemarken einerseits oder nur eine Temperaturregelung andererseits vorgenommen würde. Dasselbe gilt auch gegenüber einer Steuerung nach Energiemarken und zusätzlicher Temperaturregelung, wenn die letztere nur darin besteht, vorgegebene Minimal- bzw. Maximaltemperaturen nicht zu unter- bzw. zu überschreiten. Die kombinierte Steuerung und Regelung geht zwar zu Lasten beträchtlicher Mischzeitschwankungen, was aber nicht qualitätsbestimmend ist. Qualitätsbestimmend ist die spezifische Energiezufuhr, da sie direkt mit der Füllstoffdispersionsqualität und der Verarbeitungsviskosität korreliert.
Beide bestimmen wieder die üblichen Prüfwerte (Mooneyviskosität, Zugfestigkeit, Modul). Qualitätsbestimmend ist auch der gesamte Temperaturverlauf über der spezifischen Energiezufuhr, da er den chemischen Kettenabbau, die Grenzviskosität zum Einarbeiten von Weichmachern, den Anvulkanisationsgrad mit Vernetzungschemikalien und die Materialschädigung durch Übertemperatur bestimmt.
In Fig.4 ist jeweils die Mischungstemperatur über der zugeführten spezifischen Energie für verschiedene *o Verfahrensführungen aufgetragen, wobei der Einfluß einer höheren Zugabeiemperatur der Charge, beispielsweise im Sommer, als Störgröße vorliegt. Eine — ausgezogen dargestellte — Kurve B gibt einen Basisversuch wieder, der als Soll-Wert vorgegeben wird. Dieser Basisversuch wurde bei einer Ausgangstemperatur To, beispielsweise im Winter, durchgeführt. Im Betrieb werden jetzt die Chargen mit einer höheren Temperatur Ti, beispielsweise im Sommer, zugeführt. Bei einer reinen Zeitsteuerung, wie sie in F i g. 4 gestrichelt dargestellt ist, bleibt die Temperatur ständig oberhalb der Basiskurve B. Die Ist-Temperatur ist also ständig höher als dem Sollwert-Verlauf entspricht und die spezifische Energiezufuhr ist durch die niedrigere Viskosität kleiner.
Bei einer reinen Steuerung der Energiezufuhr, wie sie in F i g. 4 punktiert dargestellt ist, wird die Energiekonstanz eingehalten; die Temperatur weicht jedoch noch weiter vom Sollwert-Verlauf ab als bei Zeitsteuerung. Dagegen führt die erfindungsgemäße Kombination von Energiesteucrung mit Tempcralurfolgcrcgelung, beispielsweise über Beeinflussung der Drehzahl, zu dem strichpunktiert dargestellten Verlauf, bei dem sich die Mischungstemperatur dem Soll-Wert B sehr schnell stark und anschließend praktisch genau annähert. μ
Der Verlauf der Mischungstemperatur über der zugeführten spezifischen Energie nach F i g. 4 zeigt auch die Steuerung nach Energiemarken, wenn nämlich am ersten Maximum der Basiskurve am Punkt R\ ein Zuschlagstoff, beispielsweise Ruß, zugegeben wird und wenn am zweiten Maximum R2 beispielsweise ein Lüften des Stempels erfolgt. Am Ende Ri wird dann beispielsweise der Klappsattel 18 geöffnet.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Steuern des Mischvorganges von Kautschukmischungen in einem Innenmischer, bei dem von Beginn des Mischvorganges an die dem Mischgut durch den Antriebsmotor der Mischrotoren zugeführte, auf die Mischgutmenge bezogene spezifische Mischleistung fortwährend gemessen und zur Ermittlung der zugeführten spezifischen Energie über die Zeit integriert wird und die Summenwerte einer Steuer- und Speichereinrichtung zugeführt werden, worauf in Abhängigkeit von diesen Werten Signale für die Änderung von Betriebszuständen, insbes. für die Einführung von Zuschlagstoff /5 fen, abgegeben werden, wobei zusätzlich die Mischguttemperatur fortwährend ermittelt wird und bei Abweichungen von vorgegebenen Temperatur-Sollwerten mittels einer Folgesteuerung die Drehzahl der Mischrotoren und/oder der Stempeldruck verändert bürden, dadurch gekennzeichnet, daß der fortwährend ermittelte Ist-Wert der Mischguttemperatur ebenfalls der Steuer- und Speichereinrichtung zugeführt und mit einem dort gespeicherten, als ideal ermittelten, gewünschten Verlauf der Mischgutternperatur in Abhängigkeit von der zugeführten spezifischen Mischarbeit als Sollwert verglichen wird.
DE3035353A 1980-09-19 1980-09-19 Verfahren zum Steuern des Mischvorganges von Kautschukmischungen in einem Innenmischer Expired DE3035353C2 (de)

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