（机械电子工程专业论文）尾桨叶梁成型设备关键技术研究.pdf

摘要叶梁( 树酯基复合材料) 热压成型过程中，存在着许多复杂的环节，其中两大关键技术对产品质量造成很大的影响，即温度和压力控制。对它们进行完善的计算机控制和仿真是成型过程安全可靠、产品质量合格的保障。在温度系统中，通过系统需求分析，首先从热学性能、可加工性和机械性能三个方面对热压模具的材料进行了选择，确定热压模具的材料为模具钢( 5 c r m n m o ) ，然后根据项目需求和现有的技术条件，确定了温控系统的加热n 冷方案。最后根据热压设备几个关键部位处对隔热材料的不同需求，选择了聚四氟乙烯作为隔热材料。同时对温度控制系统的硬件电路进行了设计和配置。利用a n s y s 分析了叶梁热压后的温度分布情况，分析结果表明叶梁温差为6 3 9 8 。c ，与实际测量一致，但是距离要求温差在2 以内的要求相差太大。本课题要求温度均匀一致，这样大的温差显然不符合要求。之后对影响热压面温度均匀性的原因进行分析。首先分析了热压模具和周围环境之间的热损失对热压面稳态温度均匀性的影响，给出了在热压头侧面加隔热材料和调节加热功率的解决方案：其次从热压头材料的热扩散率的角度出发，分析了热扩散率对热压面动态温度均匀性的影响，并分别从保持现有热压头结构不变和改变热压头结构两个方面，给出了增大热压模具热扩散率的解决方案。最后采用在叶梁两端温度较低的区域并联两个管排式结构加热器来解决温度分布不均匀的问题。方案选定好后，采用a n s y s 软件进行改进实验，有规律的改变管路在模具内的分布进行瞬态温度场分析，得到的分析结果温差为0 1 8 7 。c ，满足温差要求。在压力控制系统的设计上，本课题设计了热压系统的液压回路包括前后回路、出口节流调速回路、主蓄能器回路、增压蓄能器回路和增压控制回路，继而对压力控制系统做了总体设计，采用工控机与可编程控制器( p l c ) 构成的两级控制模式，负责热压机的动作顺序控制和压力的控制。建立了压力控制系统的数学模型，利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱对其进行了仿真，建模、仿真和分析，得到了系统在常规p i d 控制器作用下对不同控制信号的响应曲线和特性参数，定量地分析了系统的动态指标。得到了阶跃信号下的响应曲线。在参数为k p = l o ，k i = o 8 ，k d = o 3 的p i d 控制下，系统的速度响应能较好地跟随控制信号，建压时间可以满足要求。关键词：热压成型、温度控制、温度均匀性、压力控制、电液比例控制、仿真a b s t r a c ti nm o l d i n gp r o c e s so fr e s i n o u sm a t r i xc o m p o s i t e sb yh o t 。p r e s s i n g ，m a n yc o m p l i c a t e dp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g e se x i s ta n dm a n yi n t r i c a t ef a c t o r sa f f e c tq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s t h em o s ti m p o r t a n te l e m e n ti st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o ri t sf o r m a t i o np r o c e s si st h eg u a r a n t e eo fh i g hq u a l i t yo ff i n a lp r o d u c t s a n di ta l s om a k e st h ew h o l ep r o c e s sm u c hr e l i a b l e t h es c h e m eo fs y s t e mi si n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h ed i a t h e r m a n c ya n dt h em e c h a n i c a la b i l i t y , t h em a t e r i a lo fh o t - p r e s s i n gb l o c ki sd e c i d e d t h ec o n d u c t i o no i la sh e a te l e m e n ta n dt h ec i r c u l a t i n g - o i lc o o l i n ga sc o o l i n gm e t h o da r ee m p l o y e di nt e m p e r a t u r es y s t e mb yc o m p a r i n gs e v e r a lh e a t c o o l i n gp r o j e c t s t h eh e a ti n s u l a t i o nm a t e r i a li ss e l e c t e d u s i n ga n s y ss i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t e t h er e s u l ts h o w st h a tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei s6 3 9 8 。c b u tt h er a n g ei so u to ft h ed e m a n d i n g t h e nia l na n a l y s i st h ei m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t e f i r s tt h et h e r m a ll o s sb e t w e e nt h em o u l da n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t si se x p l a i n e da n dt h es o l u t i o ni sg i v e n s e c o n d l y ,c o n s i d e r i n gd i f f u s i o nr a t eo fm a t e r i a l ，t h ea n a l y s i so ft h i si sg i v e n f i n a l l y , p a r a l l e lt w ot u b e si nt e m p e r a t u r el o w e rr e g i o nt os o l v et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nn o n u n i f o r m i t yp r o b l e m t h ep l a ni sc a r r i e do nb ya n s y ss o f t w a r et oi m p r o v et h et e m p e r a t u r en o n u n i f o r m i t yp r o b l e m ，t h r o u g ht h ec h a n g i n go fp i p e l i n ea n dt h e no b t a i n st h er e s u l tt h a tt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei so 18 7 0 c ，s os a t i s f i e dt h er e q u e s t t h e n , t h eb l u ep r i n to fi n j e c t i o ns y s t e mo fp r e s s i n g , w h i c hi n c l u d e sh y d r a u l i cc i r c l ed e s i g n ，c o n t r o ls c h e m ed e s i g n ，h a r d w a r ec h o o s e ，s o f t w a r es t r u c t u r ed e s i g n ，i sp r e s e n t e d t h ef a c tt h a tt h ei n j e c t i o np r o c e s si sap r o c e s sw i t hh i g hs p e e da n dh i g hp r e s s u r er e q u i r e st h ec o n t r o lv a l v e sa n ds e n s o r st oh a v er a p i dr e s p o n s ea n df i n ep r e c i s i o n ，s a m p l i n gp l a t et oh a sh i g hs a m p l i n gf r e q u e n c y , c o n t r o ls o f t w a r et oh a sb e t t e rr e a l - t i m ep r o p e r t y i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fi n j e c t i o ns y s t e mo fp r e s s i n gm a c h i n eb a s e do ne l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o li si n t r o d u c e di nd e t a i l 1 1 1o r d e rt og e tai n - d e p t ha n dv i s u a lu n d e r s t a n d i n go ft h ep e r f o r m a n c eo fr e a l - t i m ec o n t r o l l e di n je c t i o ns y s t e m ，m t a l ba n di t ss i m u l i n kt o o l b o xi su s e dt ob u i l dm o d e l ，s i m u l a t i o na n da n a l y z ef o rv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e ma n dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo fi n j e c t i o np r o c e s s a sr e s u l t ，r e s p o n s ec u r v e sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，w h i c hr o u n d l yr e p r e s e n tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a r eo b t a i n e du n d e rv a r i o u sc o n t r o ls i g n a l sd u r i n gc o m m o np i dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：h o t - p r e s s i n g ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y ；p r e s s u r ec o n t r o l ；e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ；s i m u l a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：妒年月加学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以提供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名如十固签字日期：矿侣年t 月狷新签名勃弋签字同期：奄卜年1 月、( ) 日学位论文的主要创新点一、对叶梁热压成型设备的加热方案、制冷方案以及隔热材料进行了详细的设计和选择，并对温度和压力这两个关键技术给出了详细的设计方案。二、在保证温度均匀性方面，通过a n s y s 仿真模拟瞬态温度场，经过有规律的实验，给出了提高叶梁温度场均匀性的规律，并给出了控制在温差范围内的方案，从而为叶梁热压设备加热机构在模具内部的分布改进提供了一些必要的参考数据和设计依据。三设计了液压回路并对实时控制压力系统性能有一个较为深入和直观的了解和分析，本文利用m a t l a b 和s i m u l i n k 工具箱对热压速度控制系统和压力控制系统进行建模、仿真和分析。第一章绪论第一章绪论1 1 树酯基复合材料成型工艺概述由两个或两个以上的独立的物理相，包括粘结材料( 基体) 和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物称为复合材料n 1 。复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。本论文所涉及的复合材料是以热固性树酯( 酚醛树酯) 为基体，以t - 3 0 0 碳纤维为主要增强剂组成的树酯基复合材料。树酯基复合材料自1 9 3 2 年在美国第一次研制成功，到现在已经经历了7 0多年的研究和发展历程位1 。就各国情况而言，发展的途径有所不同，美国首先在军工方面应用，主要用来制造雷达罩、飞机部件，后来才逐渐转为民用。而西欧各国则直接发展民用复合材料，但对复合材料的军事应用也非常重视。就全世界而言，目前已经型成从原料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检测等比较完整的工业体系，与其他工业相比发展较快。我国从5 0 年代末开始发展研制纤维增强的树酯基复合材料曲3 ，北京、上海和哈尔滨等地成立了研究机构。7 0 年代以前，复合材料研究主要用于国防工业，7 0 年代以后才开始转为民用。8 0 年代，我国引进大量的外国先进技术，型成了从研究、设计、生产及原材料配套的较完整的工业体系。树酯基复合材料的成型基本上可以分为三要素：赋型、浸渍、固化。其成型加工过程如图1 - 1 所示h 1 ：应图卜1 树酯基复合材料成型简图树酯基复合材料的生产工艺有很多种类，不同的生产工艺，适应不同的制品性能与生产规模。本课题所研究的纤维增强树酯基复合材料采用的是模压成型工第一章绪论艺，即尾叶梁片整个生产过程采用的是缠绕和模压共同作用的工艺方法缠绕模压法，它是将预浸渍的碳纤维缠绕在一定的模型上，然后在金属对模中加热加压成型。1 2 热压成型工艺简介模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。模压成型工艺的主要优点：生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品；因为批量生产，价格相对低廉。模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树酯工艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、浴瓮、整体卫生问组件等。模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种：纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压法。碎布料模压法是将浸过树酯胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。织物模压法是将预先织成所需型状的两维或三维织物浸渍树酯胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。层压模压法是将预浸过树酯胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的型状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。缠绕模压法是将预浸过树酯胶液的连续纤维或布( 带) ，通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。片状塑料( s m c ) 模压法是将s m c 片材按制品尺寸、型状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。预成型坯料模压法是先将短切纤维制成品型状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂( 树酯混合物) ，在一定的温度和压力下成型。第一章绪论1 3 热压成型设备的发展状况早期的热压成型加工设备一般是采用普通的压力设备简单的改制而成，不仅所实现的功能有限，而且这些设备的控制性能差，对工艺参数的复现性差，难以保证产品的加工质量，更难以确定最优的工艺参数。随着热压成型技术的不断发展，对性能优良的加工设备的需求更加迫切。国外对热压成型设备的研究很早，而且现在也出现了一些成熟的热压成型设备产品。比如：德国j e n o p t i k 公司3 所开发的h e x 一0 2 型热压设备，可实现的工艺参数为：最高温度3 2 0 ，最大压力2 0 0 k n 。以及奥地利e v g 公司1 开发的e v 5 2 0 h e 型热压成型设备，可实现的工艺参数为：最高温度5 5 0 ，最大压力4 0 i ( n 。相比国外的研究，国内在热压成型设备方面的研究起步较晚，许多实验室用的手动热压机都是自己设计制造的，互换性差，技术通用性不强，劳动强度大，精确度不高。近几年国内一些科研单位研制出了一些手动和半自动的热压设备。1 3 1 热压法理论简介对于热压的理论方面的研究重点主要在于热压填充方式、热压的应力以及成型仿真等方面。j u a n g 和l e e 等人将热压成型的加热方式分成等温加热和非等温加热两种。等温热压是模具温度与聚合物温度相同的情况下进行热压：而非等温热压则是模具温度与聚合物温度不同的情况下进行热压，通常是模具的温度较高而聚合物的温度为常温或在较低的温度。研究发现：等温热压复制精度不高，且成型应力大，因此必须要找到一个平衡且合理的热压时问以获得较高的复制精度和较低的成型应力：而非等温热压时，可以得到较高的复制精度，并且聚合物整体的变型不大。此外，使用a n s y s 分析软件来分析p v b 、p m m a 、p c 材料在热压过程中的变型情况，分析热压填充方式的不同。1 4 热压成型工艺关键参数压制工艺中的关键是确定工艺参数，其中最重要的参数是温度、压力和时间【7 1o1 温度：本设备所采用的成型工艺的升温过程可分为四个阶段，如图1 - 2 所示。第一章绪论图卜2 热压过程中温度、时间变化曲线升温第一阶段是从室温升至物料显著反应温度，即预热阶段。此时树酯熔化并排出部分挥发物，压力一般为全压力的1 2 1 3 。第二阶段是中间保温阶段。这时树酯熔化、渗透，反应速度较低。保温时间根据材料性能和制品的厚度而定。第三阶段，升温阶段。这是为了提高树酯固化程度。此时，树酯反应速度加快。第四阶段为保温阶段，目的是使树酯充分固化，该温度取决于树酯的固化特性，而固化时间则取决于制品的厚度。最后阶段为冷却阶段，达到保温阶段终点即可停止加热，然后缓慢冷却，并保持所需的最高压力。冷却速率对制品表面的平整度有影响，应控制冷却速率，开始冷却时不宜过快，降至所需温度以后才可以脱模。2 压力：层压压力的作用：用来克服挥发物的蒸气压；使粘结树酯流动；使碳纤维层间密切接触；防止制品冷却时变型。成型压力的大小根据树酯的固化特性确定。固化时若有小分子物逸出，压力应大一些；树酯固化温度高时，成型压力也要相应增大。1 4 1 温度对叶梁热压成型过程的影响温度、压力、时间是热压成型中的重要工艺参数，它们影响着树酯的流动性，而树酯的流动性直接决定了热压过程中产品的最终型状，其中温度对热压成型的影响最为显著。研究温度在热压成型过程中的作用已经成为各个科研机构重要内容之一8 1 。预浸料在热压过程中因为温度变化容易产生各向异性的内应力及残余应力，第一章绪论而这些应力对于叶梁成型尺寸、表面粗糙度及稳定性都有重要的影响。美国加利福尼亚州伯克利大学机械工程学院伯克利传感器与执行器研究中心对微观情况下聚合物的热压成型尺寸与工艺参数关系进行了研究嘲。该中心在利用热压法研究了聚碳酸酯塑料制作微透镜过程中，得到了温度对微透镜顶端曲率半径和微透镜高度成型的影响及关系。图i - 3 ( a ) 微透镜高度与温度关系曲线图( b ) 微透镜曲率半径与温度关系曲线图图i - 3 ( a ) 和( b ) 分别为压力p = o 8 m p a 、时间t i m e = 5 5 m i n 时微透镜高度和曲率半径与温度的关系图。图卜3 ( a ) 显示为透镜高度与温度变化在1 7 0 - 1 9 0 。c之间呈线性关系，而且温度越高时温度变化引起的高度变化越大；图1 - 3 ( b ) 显示，在1 7 0 - 1 9 0 。c 温度变化时，曲率半径基本趋势是随着温度升高而逐渐减小的。这是因为温度越高树酯粘性和表面张力越小。这说明温度对材料的流动性有较大的影响。图1 - 4 热压工艺中温度与沟道成型关系图( 材料：p c ，压力：2 3 p s i )热压温度：( a ) 1 5 5 ：( b ) 1 6 5 。c美国俄亥俄州州立大学材料科学与工程系研究人员对微结构热压成型尺寸及内应力与温度的关系进行了研究n 们d 1 1 3 。图卜4 为利用热压机热压p c 基板，在第一章绪论不用温度下，通道成型尺寸与模板尺寸关系图。模板设计通道尺寸为8 0 0um ，在热压压力为2 3 p s i 条件下，左图为在1 5 5 时，通道成型只有设计尺寸的一半及4 0 0 u m 左右；右图为在1 6 5 时，基板的通道成型尺寸与设计尺寸基本达到一致。该图说明在不同温度下，通道成型尺寸有很大的差异。可见实现对温度的精度控制，对采用热压法制作成品有很重大意义。1 4 2 压力对叶梁热压成型过程的影响热压成型设备在一定范围内对叶梁施加受控的压力，是热压成型设备的一项主要功能比5 。热压成型温度、压力、时间几个可控因素中，压力对叶梁成型质量有较大的影响。压力的作用：用来克服挥发物的蒸气压：使粘结树酯流动：使碳纤维层间密切接触；防止制品冷却时变型。热压过程中，应力在径向的分布是不均匀的，从而导致材料体积流动在径向分布的不均匀。从理论上分析，要获得与热压模具完全一致的结构，必须对热压工艺参数进行有效的控制，提高叶梁热压成型的压力是其中最为有效的手段。此外，由于叶梁材料存在压缩屈服极限，因此要获得与模具通道相当( 材料的热胀冷缩、应力松弛等使它们之间不可能完全相等) 的深度，必须保持足够高的成型压力。同时，为了在自动化生产中每片叶梁应具有良好的一致性，还要求压力控制有良好的精度和重复性。1 5 本课题主要工作和研究意义本课题来源于某螺旋桨厂，为了能够对大多数叶梁采用高效的热压成型制作，就必须研制一台高效率，保证产品质量的热压机。本文围绕叶梁成型设备的研制，开展了以下几个部分的工作：1 ) 通过查阅大量的文献，了解了复合材料及热压成型技术的发展现状，认识到温度在叶梁热压成型过程中的重要作用，并对国内外先进的热压设备进行了概述。2 ) 根据项目需求，给出了温度控制系统详细的加热方案、制冷方案以及导热油管内径的大小和加热功率的确定。3 ) 根据所确定的温度控制系统方案，对温度控制系统的硬件电路进行设计。4 ) 用a n s y s 有限元软件仿真试验，分析利用并联导热油管的方案才能使叶梁成型温度达到理想的要求。5 ) 对热压叶梁的压力控制系统进行了设计。6 ) 利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱仿真压力控制系统。第二章温度控制系统设计第二章温度控制系统设计叶梁热压成型机主要由加热、冷却、传动和压力四个部分组成，其中实现加热、冷却的机械装置及其控制装置称为温度控制系统。本章将对热压模具材料的选取，加热和制冷方案的确定，以及关键部位处隔热材料的选取进行研究。最后，对温度控制系统的硬件进行了设计。2 1 温度控制系统的总体性能指标温度控制系统的用途是用来提供原料热压成型所需要的加热平台，为了得到一致性好的结构，对温度控制系统的性能应有如下要求：1 ) 快速平稳的升温。2 ) 温度过冲小。3 ) 较高的响应速率，测温仪表、温控器、加热电源等都应具有较小的响应时间。4 ) 安全、可靠、自动化程度高、操作方便，尽量延长易损件的使用寿命。5 ) 加热平台的温度均匀性好。2 2 热压模具材料的选择温度控制是大滞后的过程控制，在控制过程中温度会出现过冲现象，被控对象的热容量越大，那么过冲现象就越明显，所以在热压头材料的选择上，在保证其具有良好的导热性能，即导热系数较大的同时，应使其在体积相同时的热容量尽可能的小。若从热容量大小及导热性( 导热系数越大导热性能越好) 方面考虑则选取铝合金较为合适，但是从承压性能和硬度要求来考虑，铝合金不可以作为模具材料。因此，我们选用热作模具钢。热作模具钢用于制作使金属在高温下塑性成型的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模这些模具在工作时承受很大的压力和冲击，并反复受热和冷却，因此要求模具钢在高温下有足够的红硬性及良好的耐热疲劳性。常用的模具钢n 羽是5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、3 c r 2 w 8 v 。前两种钢，工作温度在4 0 0左右能满足各种工种的成型加工，但由于合金元素含量较低，材料的淬透性一般，当模具尺寸超过2 5 0 m m 可能淬不透，常用于工件尺寸较小、型状较简单、产品批量较小的热作模具。近年来，为了弥补这两种材料的不足，在此基础上，研制出了4 c r 2 m o v n i 、3 c r 2 m o v n i 、5 c r 2 n i m o v s 等新材料，经渗氮处理后其模具的使第二章温度控制系统设计用寿命可提高到原来的2 5 倍以上。3 c r 2 w 8 v ，其中钨的含量在8 左右，辅以适当的钒，具有明显的二次硬化效果，热硬性、热强性很好，但3 c r 2 w 8 v 原材料的元素偏析也特别严重，且材料中的c r 、w 、v 均是碳化物型成的电子化合物的型态存在。为了充分发挥材料的优势，提高模具的寿命，首先原材料要反复镦拔锻造，且要控制碳化物偏析小于3 级，成品淬火温度必须高于1 1 0 0 ”c ，以便得到固溶合金强化板条马氏体组织，经高温回火后碳化物高度弥散析出。可大大提高模具寿命，常用于工件尺寸较大、型状较复杂、产品批量较大的热作模具。因此，经过上述分析，我们采用5 c r m n m o 作为该设备的模具材料。2 3 加热和制冷方案的确定2 3 1 加热方式的选择1 ) 感应加热用交流电流流向被卷曲成环状的导体( 通常为铜管) ，由此产生磁束，将金属放置其中，磁束就会贯通金属体，在与磁束自缴的方向产生涡电流( 旋转电流) ，于是感应电流在涡电流的影响下产生发热，用这样的加热方式就是感应加热。由此，对金属等被加热物体，在非接触的状态下就能加热。这时窝电流的特性是：在线圈接近的物体上集中，感应加热表现出在物体的表面上较强里边较弱的特点，用这样的原理来对被加热体的必要的地方集中加热，达到瞬间加热的效果。一个感应加热系统的基本组成包括：交流电源、感应线圈、被加热物体。如图2 - 1所示，感应加热方式具有加热温度高，加热速度快，加热效率高，易控制等优点。图2 1 感应加热示意图第二章温度控制系统设计2 ) 电加热电加热是利用阻性元件通电时，电能转变为热能的原理对物体进行加热的一种加热方式。电加热元件多种多样，一般来讲，有以下几种有代表性的电加热元件：a ) 电加热片电加热片是一种薄膜型的加热元件，它由两层或多层绝缘薄膜，中间夹以电热材料组成，这类电加热器的一个重要特点是厚度小，一般在l m m 以下，最薄的可达0 i m m 。因此，它的单位面积的质量很小，热惯性也很小，一般适用于精密仪器、零部件的温度控制。b ) 电加热丝电加热丝采用电阻丝缠绕方式。这种加热方式也比较常见，类似平时用的电炉子，就是利用电阻丝缠绕来达到使被加热物体均匀受热的。最常用的就是镍铬合金电阻丝，它易控制，且耐高温。c ) 电加热棒在电加热丝周围包上一层绝缘层，就型成了电加热棒。该绝缘层具有良好的导热性能，并且可以防止漏电，使得电加热棒即可获得良好的导热性能，使用起来也比较安全。3 ) 循环热油加热导热油加热技术目前国内外经济实用温度为1 0 0 - 3 8 0 。c ，这与许多行业( 建材、橡胶、医药、化工等) 的生产加热设备所需工作温度十分匹配，且运行安全、高效、节能、投资及运行成本低。其优点主要有以下几个方面：a )热效率高、节能效果好。导热油循环加热是利用导热油通过加热器热传导降温放出热能达到加热目的，是一种封闭式的强制循环系统，故无热量损失，因此热效率高节能效果好。b )导热油加热无气相压力运行安全成本低。导热油加热是在较低的运行压力( 克服管道阻力所产生的压力) 下进行循环供热，因无气相压力，故可使所用设备的材料强度和密封要求降低，有利于降低设备制造和使用成本，并可较容易地满足生产工艺要求温度。c )温度调节容易比较稳定。导热油加热工艺面上温度控制误差值为2 。c 。加热时可根据温度要求直接控制油加热炉镗燃料的燃烧量，并可实现油加热炉的油出口处油温误差在5 。c 以内。比较以上几种加热方式，从加热效率、经济性、现有的技术条件和项目需求等方面综合考虑，最后决定采用循环热油加热作为设备的加热方式。第二章温度控制系统设计2 3 2 压力、流量和温度调控装置导热油循环供热系统是属于无压力运行系统，管道中的微压力主要用于克服管道和加热器孔道对油液运行产生的摩擦阻力，系统中的压力调控装置为压力表和压力( 溢流) 阀，主要用于调温节流时油液通过溢流阀分流( 回炉) 。流量控制是由系统中的可调节流阀门实现，其作用在于控制单位时间内进入加热器的导热油量，并依此进行加热器的温度微调。加热上艺面的温度控制主要是通过加热炉油出口处的油温来实现，温度的微调则是通过节流阀门开口大小来实现，即加热器工艺面上温度的精确控制是由加热炉燃烧器和节流阀双重控制实现。温度是根据不同测量位置选用不同结构型式的热电阻温度计显示。2 3 3 导热油管内径的计算管路安装应力求少弯曲、少转弯并尽量减短管路长度和避免管道交叉，对于较长管道应考虑克服其热胀冷缩变型的相应结构措施。在本设计中，要求油管要有足够的通流面积( f 。) ，即油管内径应使其管内油液流速满足较佳速度v ；，对于吸油管v i _ 1 5 - 2 m s ：对于进油管v 。= 2 - 2 5 m s ：对于回油管v 。= 2 5 3 5 m s 。确定各管道油液流速后，则可依公式( 2 一1 ) 求出管道内径长队即：d _ 4 6 厚“v 式中：q - - 油泵输油率( m 3 s )在本设计中，进油管v ：= 2 5 m s ：q = o 0 0 3 5 m 3 s最终求得管道内径长d f 0 0 2 6 m2 3 4 热能功率的确定( 2 - 1 )主要应考虑在单位时间内加热工艺面上应得到的总热量要求。满足其要求的影响因素是单位时间内油泵所能输入的载热油体( 导热油) 的油量及导热油进入加热器时的工艺要求温度0 。和加热器工艺要求导出的温度0 。两者的差值，并据此进行估算。加热工艺面所需热量e ”可按公式( 2 - 2 ) 计算：第二章温度控制系统设计e i - a 半式中：名一加热器所用材料的导热系数日一加热工艺面有效工作面积万一加热工艺面实用导热件( 材料) 厚度供热系统供给热量e ：可按公式( 2 - 3 ) 计算：( 2 - 2 )( 2 - 3 )式中：皖。一导热油进入加热器要求的最高温度皖：一导热油流出加热器时所要求的最低温度e - - 导热油热烩值，可近似地取其油温值q 一油泵的输油率考虑供热能力的可靠性，一般取e ：= 1 2 e 。因此，我们根据经验公式e 。= 1 2 e 。并且根据实际要求，取加热器工艺要求导出的温度o ：= 1 2 5 。c 、导热油进入加热器时的工艺要求温度o 。= 8 0 。c 、名= 7 0 4 w m i j c 、日= 0 0 9 m 2 、万= 0 1 5 m 可以算出热能功率e ：= 1 2 x 7 0 4 x o 3 2 x ( 12 5 - 8 0 ) o 15 = 2 2 8 0 9 ( w )最后，选择热能功率为2 2 5 千瓦。2 3 5 制冷方案的选择目前比较常见的制冷方式有：循环气冷，循环液冷，半导体热电制冷n 3 1 等等，由于热压头部件的热容量较高，需要的冷却功率较大，并且预计达到的较高的使用温度，故选择循环油冷作为系统的制冷方案。冷却系统工作时，油泵将导热油从油冷却机的油箱中压出，经由循环油路进入到热压头中，对热压头进行冷却，被加热的导热油回流到油冷却机中，再由油冷却机对其进行冷却。油冷机工作时油泵从机床油箱( 油池) 里抽取油液至蒸发器中进行换热，冷却后的油液以压力油的型式经冷却机出口输出，送回油箱( 油池)与热油混合。油液的连续循环使整个油箱( 油池) 的油温下降。冷却机的温度控制器通过温度传感器反应油液的即时温度，油温在使用范围内可由操作者任意设置，温控器将油温与设定温度进行比较，自动控制机组开停。制冷机组则根据热负荷变化情况自动调节制冷剂流量两者配合使油温自动恒定在操作者设定的温度值上。油冷却机出口的油温保持在1 5 - 2 0 。c 之间。第二章温度控制系统设计热压模具内部油路如图2 - 2 所示：图2 - 2 热压头内部油路油冷机选择已经成型的产品，这样对设计有保障。2 4 隔热材料的选择选择隔热材料首先要考虑它的导热系数，导热系数越小，还需要根据隔热材料具体使用的场合考虑其机械加工性能、其隔热性能就越好。此外，抗压能力、硬度、毒性等。根据本系统的实际需要，在如下三类位置需要放置隔热材料。1 ) 上、下热压模具与恒温板之间2 ) 上、下腔体的内壁3 ) 上、下联接板的波纹管过孔处隔热材料安装位置示意图如图2 3 所示：图2 - 3 隔热材料安装位置示意图第二章温度控制系统设计在第一类位置，为防止热量传递到机体上，所以在热压模具和恒温板之间要放置隔热材料。此处，除要求隔热材料具有较小的导热系数外，还要求其具一定的承压能力，因为压力是直接作用在此处的隔热材料上的，并且还要求其加工后应具有较小的表面粗糙度，以免影响两热压面间的平行度，另外考虑到与热压板、恒温板之间的安装问题，还需要此处的隔热材料具有较好的机械加工性能。在第二类位置，由于热压模具的热量会通过热辐射和空气对流传递到腔体的内壁上，腔体温度过高会给操作人员带来不便，故在腔体的内壁要使用隔热材料，此处除了要求所选择的隔热材料具备较小的导热系数，还需要其具有一定的柔性，可弯曲，以便于安装。安装时，使其紧贴在腔体的内壁上。在第三类位置，为了避免通有热油的波纹管与上下联结板直接接触，故在上下联结板的油路过孔处安装隔热材料，此处要求隔热材料具备良好的机械加工性能。由于本系统对隔热材料的隔热性能、加工性等要求较高，所以常用的隔热材料大理石、石棉等不能满足要求。比较以下几种导热系数很小的隔热材料。表2 1 三种隔热材料性能比较隔热材料优点缺点氧化锆隔热性能较好，价格较便宜机械加工性能差，抗压强度低，表面粗糙度大聚四氟乙烯隔热性能较好，具有良好的价格较贵机械韧性，可弯曲纳米孔硅质绝热材料隔热性能良好，柔性，可耐价格昂贵，可加工性1 0 0 0 。c 以上的高温差，抗压强度低根据热压机对隔热材料性能的需求，最后选择聚四氟乙烯作为以上三类位置的隔热材料。2 5 温度控制系统硬件设计热压机温度控制系统的硬件部分主要由工业控制计算机，温度传感器，信号调理模块，d a 转换器，a d 转换器，双向可控硅及其触发器等组成。第二章温度控制系统设计图2 4 温度控制系统原理图2 5 1 温度控制系统的工作原理工作原理如下：由置于热压模具内部的温度传感器所采集到的反映热压模具温度的电压信号，经过信号调理模块的滤波、放大和线性化处理后，送入a d转换器进行模数变换。将转换后得到的数字量送入到工控机中。温控程序比较控制目标量与采集的数字量，根据p i d 控制算法计算出温度控制数字量，经d a转换器变成模拟控制量，送入到双向可控硅触发器中，通过控制双向可控硅在一个固定周期t 内的导通时问来实现对加热器平均加热功率的调节，从而达到控温的目的。2 5 2 控制器设计温控系统的控制器采用工业控制计算机辅以相关温控程序来实现，采用p i d控制算法进行控制。p i d 控制即比例、积分、微分控制，自1 9 世纪4 0 年代开始以来，广泛应用在工业生产中，长期以来，由于其无需精确的对象模型，算法简单，可靠性高，且其参数具有明显的物理意义，调整方便，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。p i d 控制器由比例、积分、微分三个环节组成，p i d 控制系统结构框图如图2 - 5 所示图2 - 5p i d 控制系统结构框图第二章温度控制系统设计经典p i d 控制算法表达式的离散型式为：七“( 后) = k p e ( k ) + k , e ( k ) + k o ( e ( k ) - e ( k - 1 ) )i - - - o( 2 - 4 )式中：k 一采样序号；k = o 、1 、2 u ( k ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值：e ( k ) 第k 次采样时刻输入的偏差值：k p - - i ；i ：例系数k l - - 积分系数：k i ：三，k 。r 微分系数：冬磬t 为采样周期，t ，和t d 分别为积分、微分时间常数。p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。比例控制能迅速反映误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，k p 的加大，会引起系统的不稳定：积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差。因此，只要有足够的时间，积分控制作用将能完全的消除误差，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至出现震荡：微分控制可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。通过人工整定p i d 参数，经过多次实验，最后得到p i d 参数。2 5 3 模拟量输入通道配置模拟量输入通道用于把检测装置从被控对象中检测的模拟信号转变成数字信号送入到计算机中，要完成这一功能，需要采样一将连续的模拟信号转变成离散的模拟信号，转换通过整量化将离散的模拟信号转变成离散的数字信号。模拟量输入通道由p t l 0 0 铂电阻温度传感器、温度变送模块、a d 转换模块组成。在温度控制系统中主要完成温度信号模拟量的采集、放大，以及模拟量到数字量的转换功能。第二章温度控制系统设计2 5 3 1 温度传感器在大多数情况下，对温度传感器的选用，需要考虑以下几个方面的问题：1 ) 测温范围的大小和精度要求。2 ) 测温元件大小是否适当。3 ) 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温的要求。4 ) 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。5 ) 价格如何，使用是否方便。工业现场使用的温度传感器主要有热电偶、热电阻。热电偶是利用热电效应的原理进行工作的测温元件，是温度测量中使用最广泛的传感器之一，其测量温区宽，一般在- 1 8 0 - 2 8 0 0 。c 的温度范围均可使用：测量的准确度和灵敏度度较高，尤其在高温区内，有较高的精度。因此热电偶在一般的测量和控制系统中，常用于中高温区的温度检测。热电阻主要是利用电阻随温度的变化而变化的原理来实现温度的测量的，这种温度传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，因此常用于该温区( - 2 0 0 6 5 0 。c ) 内的温度测量。常见的热电阻温度传感器从组成材料上，可分为铂电阻温度传感器、铜电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器。其中铂在氧化性介质和高温中有较好的物理和化学性质的稳定性，因此，利用铂制作的铂电阻温度传感器有相对较高的精度，在要求温度控制精度较高的场合，通常选用铂电阻温度传感器。本温控系统的控温范围为0 - 3 0 0 ”c ，并且要达到较高的控制精度，故选用铂电阻作为温度传感器。按i e c 7 5 1 国际标准，温度系数t c r = o 0 0 3 8 5 ，p t l 0 0 ( r o = 1 0 0q ) 、p t l 0 0 0 ( r o = 1 0 0 0q ) 为统一设计型铂电阻温度传感器。其中p t l 0 0 0 主要用于6 0 0 。c 以上温度的测量。温度系数t c r 可由式( 2 - 5 ) 计算。t c r = ：r i 0 0 - r 0r x l 0 0铂电阻温度与电阻的特性关系为：在0 - 8 0 0 。c 范围内，r 。与t 的关系为：( 2 - 5 )( 2 6 )第二章温度控制系统设计式中：r 。一温度为t 。c 时铂电阻的电阻值；r 。一温度为0 。c 时铂电阻的电阻值；a 、b 为常数，当温度系数为：t c r = 3 8 5 x 1 0 3 。c 时，其数值分别为：h = 3 9 0 8 0 2 x 1 0 一| o cb = 一5 8 0 2 x10 门。c 2铂电阻按允许偏差( 相对于分度表) 可分为a 和b 两个等级，它们的允许误差分别为( 0 1 5 + 0 0 0 2iti ) 。c 和( 0 3 0 + 0 0 0 5lti ) 。c 。铂电阻温度传感器有三种接线方式：2 、3 和4 线制接法，为消除引线电阻影响，通常采用3 和4 线制接法，3 线制接法如图2 - 6 所示：r 埘r图2 - 6 温度传感器三线制接线图从传感器引出的