1. 挤出机螺杆转速与管材外径波动的关联测试

测试对象与变量定义

本案例针对一台单螺杆挤出机（螺杆直径 D=65 mm，L/D=30）生产 PE100 给水管材（外径 dn=110 mm，SDR=11）的工况。核心任务是：在固定料筒温度、口模温度、牵引速度、真空度、冷却水温度等参数的条件下，仅阶梯式改变螺杆转速，连续采集管材外径，建立“转速波动 → 外径波动”的对应关系，并找出转速稳定性的临界范围。

为便于后续分析，先明确几个关键定义：

• 转速设定值 N_set：主机给定转速，单位 r/min。
• 转速实际值 N_act：由编码器或变频器反馈的实际转速，采样周期 1 s。
• 转速波动幅值 ΔN：在某一稳定台阶内，N_act 的最大值与最小值之差，单位 r/min。
• 外径波动幅值 ΔD：同一时间窗口内，在线测径仪采集的外径最大值与最小值之差，单位 mm。
• 波动传递比 K = ΔD / ΔN：单位 mm/(r/min)，用于量化转速波动对外径波动的放大或衰减程度。

测试系统连接与数据采集

测试系统由三部分组成：挤出机主机（含变频器与编码器反馈）、在线激光测径仪（安装于真空定型箱后、牵引机前，采样频率 10 Hz）、数据采集记录仪（同步记录转速与外径，时间戳对齐）。测径仪测量方向为管材同一截面的两个互相垂直方向，取平均值作为该时刻外径值，以消除管材椭圆度对单方向测量的干扰。

采集时，每个转速台阶保持 120 s，前 30 s 为过渡段不纳入统计，后 90 s 为稳定统计窗口。转速台阶按 N_set = 18、22、26、30、34、38 r/min 依次递增，每个台阶重复采集 3 次，取 ΔN 与 ΔD 的平均值。

测试执行与数据记录

按以下顺序执行测试，确保其他工艺参数全程锁定：

1. 开机预热至料筒与口模温度稳定（各段温度波动 ≤ ±1 ℃），牵引速度锁定为 1.8 m/min，真空度锁定为 -0.06 MPa。
2. 将螺杆转速从 18 r/min 起，按 +4 r/min 阶梯递增至 38 r/min，每个台阶稳定运行 120 s。
3. 采集系统同步记录 N_act 与 D(t)，每个台阶取后 90 s 数据计算 ΔN 与 ΔD。
4. 每个台阶重复 3 次，取平均值填入记录表。

下表为一次教学示例采集结果（示例数据，用于说明分析方法，非实测值）：

关联分析与临界范围识别

从示例数据可以看出：在 18～26 r/min 区间，K 基本维持在 0.13 mm/(r/min) 左右，说明转速波动对外径波动的影响是线性且可接受的；当转速升至 30 r/min 时，K 开始上升至 0.150，ΔD 达到 0.21 mm；到 34 r/min 以上，ΔN 与 ΔD 同步快速放大，K 升至 0.185～0.224，外径波动已接近或超过 dn=110 mm 管材的常规控制上限（通常要求 ΔD ≤ 0.3 mm 对应外径公差）。

因此，可将 30 r/min 视为本工况下转速稳定性的临界点：低于该转速时，转速波动被熔体输送与定型过程有效衰减；高于该转速时，螺杆计量段熔体压力脉动增大、挤出量瞬时波动加剧，外径波动随之放大。建议实际生产中将螺杆转速控制在 ≤ 28 r/min 的稳定区间，并在 30 r/min 附近设置工艺警戒线。