（机械电子工程专业论文）石膏墙板成型设备自动开模控制系统研究.pdf

中南人学硕士学位论摘要 摘要 石膏建材是世界公认的绿色建材，具有广阔的应用前景，而石膏 墙板是一种具有代表性的石膏建材。石膏墙板的质量及其生产效率取 决于石膏墙板成型设备的性能。因此，本论文针对目前国内普遍使用 的依靠经验设计的手工及半机械化设备，设计出一套生产效率较高的 石膏墙板成型设备及其自动开模控制系统。 本文致力于研究基于石膏固有性质的一套实用的石膏墙板成型设 备及其自动开模控制系统。为此，首先阐述了石膏墙板成型过程中的 微观理论，详细探讨了石膏凝固过程中的强度发展变化规律和热力学 变化规律，通过深入研究得出其内在联系石膏凝固过程中温度开 始下降的时候，石膏墙板达到开模所具有的强度，以此作为这套系统 的理论依据。然后对石膏墙板成型设备进行了较为详细的研究，在此 基础上确定了石膏墙板成型设备自动开模控制系统的方案及其开模 控制条件。整套系统包括微控制器及其外围电路、温度传感电路、通 信电路等几大部分，本文完成了基于a v r 单片机自动开模控制系统 的软硬件设计，最后还开发了基于d e l p h i 7 0 的上位机监控系统，可 对这套自动控制系统实施监控，这为将来石膏墙板的大规模自动化生 产奠定了基础。 本文以石膏固有性质为理论依据，选用a v r 单片机为主控制器， 同时选用d s l 8 8 2 0 为这套自动开模系统的温度传感器并辅以上位机 监控系统，使得这套系统具有更好的实用性、稳定性和方便性。将本 文设计的石膏墙板成型设备自动开模控制系统进行现场实验，结果表 明本控制系统大大提高了石膏墙板质量及其生产效率。 关键词：开模，单片机，温度传感器 中南人学硕士学位论文a b s ，r r a c t a b s t r a c t n l eg y p s u mb u i l d i n gm a t e r i a l u n i v e r s a l l ya c k n o w l e d g e da sag r e e n b u i l d i n gm a t e r i a l ，h a sab r o a da n db r i g h tf u t u r e ，a n dt h ew a l l - b o a r dm a d e o fg y p s u mi sat y p i c a lb u i l d i n gm a t e r i a l ，w h o s eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v e e f f i c i e n c yd e p e n do nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es h a p i n gd e v i c e so fg y p s u m a n d w a l l - b o a r d t h e r e f o r e ，b a s e d o nt h e e x i s t i n g m a n u a lo r s e m i m e c h a n i z e dd e v i c e s ，w h i c ha r en o w a d a y sw i d e l yu s e di no u r c o u n t r y , t h i sd i s s e r t a t i o ni st od e s i g nas e to fe f f e e t i v ed e v i c e sf o rs h a p i n g g y p s l l mw a l l - b o a r da n dam e c h a n i z e dm a n i p u l a t i v es y s t e mf o ro p e n m o d e l d e v o t e dt os u c hk i n do ft a s k ，t h ea u t h o ra tt h ev e r yb e g i n n i n g e x p o u n d st h em i c r o 1 e v e lt h e o r i e sa b o u tt h ep r o c e s so ff i g u r a t i o no f g y p s u mw a l lb o a r da n de l a b o r a t e st h el a wo ft h ec h a n g i n gg y p s u m i n t e n s i t yw h i l ec o n c r e t i n ga sw e l la st h el a wo ft h e r m o d y n a m i c s t h o u g h d e e p g o i n gr e s e a r c ht h ea u t h o rg e t st h ei n t e r n a lc o r r e l a t i o n - - w h i l et h e g y p s u m st e m p e r a t u r eb e g a nt or e d u c ei nt h ec o n c r e t i n gp r o c e s s ，t h e g y p s u mw a l l b o a r dg e t ss oi n t e n s ea sr e q u i r e do fo p e nm o d e l ，w h i c hi st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o n t h ea u t h o rc o n t i n u e st o c o n d u c tav e r yd e d i c a t e r e s e a r c ho nt h es h a p i n gd e v i c e so fg y p s u m w a l l b o a r d ，a n dt h e r e a f t e r f i x e so nab l u e p r i n to ft h em e c h a n i z e d m a n i p u l a t i v es y s t e mf o rt h es h a p i n gd e v i c eo fg y p s u mw a l lb o a r da n d s e t sf o r t ht h em a n i p u l a t i o nc o n d i t i o n s t h ew h o l es y s t e mc o m p r o m i s e s s e v e r a lm a j o rp a r t s ，s u c ha st h em i c r o c o n t r o l l e rw i t hp e r i p h e r a lc i r c u i t ， t h et e m p e r a t u r et r a n s d u c e rc i r c u i t ，t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h ea u t h o r c o m p l e t e st h e t a s ko fd e s i g n i n gt h es o l r a r ea n d h a r d w a r ea c c o r d i n gt oo p e nm o d e lc o n t r o ls y s t e mm e c h a n i z e db y 筒瓜 m i c r o c o n t r o l l e ra n da tl a s td e v e l o p san e wm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n d e l p h i7 0h o s tc o m p u t e r , w h i c hc a l lr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o lt h e m e c h a n i z e dm a n i p u l a t i v es y s t e m , w h i c hl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rt h e l a r g es c a l ea u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n go fg y p s u mw a l l b o a r di nt h ef u t u r e t h i s d i s s e r t a t i o n t a k i n g t h en a t u r eo fg y p s u ma si t st h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n , c h o o s e st h ea v rm i c r o c o n t r o l l e ra sam a j o rc o n t r o l l e ra n d m e a n w h i l ec h o o s e sd si8 8 2 0a st h e t e m p e r a t u r e s e n s o rf o rt h i s 中南大学硕十学位论文a b s t r a c t a u t o m a t i co p e nm o d e ls y s t e m ，w h i c he n a b l et h i sw h o l es y s t e mh a sb e r e t p e r f o r m a n c ei nt e r m so fc o n v e n i e n c e ，s t a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y t h e r e s u i to ft h ee x p e r i m e n tw i t ht h i ss e to fs y s t e md e s i g n e db yt h ea u t h o r s h o w st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mg r e a t l yi m p r o v e st h eq u a l i t yo fg y p s u m w a l l b o a r da sw e l la si t sp r o d u c t i v ee f f i c i e n c y k e yw o r d s ：o p e nm o d e l ，m i c r o c o n t r o l l e r , t h et e m p e r a t u r e s e n s o r i 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外； 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名；盔盈宣 日期： 丝年月型日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垂垂查导师签名作者签名：i 茎尘塑导师签名 日期：幽年月? 上日 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 1 1 选题背景 第一章文献综述 人类的生存与发展给我们生活的地球造成了巨大压力，由此，各国对节能、 利废和环保都给予了高度重视。当前，世界各国都在高举绿色建材”舭1 的旗帜， 所谓绿色建材，是指无毒或低毒的健康型建材，防火或阻燃的安全型建材，耗能 低的节能型建材以及各类新型多功能建材。 石膏建材是世界公认的绿色建材，用建筑石膏为主材制成的石膏墙材具有呼 吸功能，轻质、环保，美观实用，可钉、可锯、防火、隔音、隔热等优异的性能 【，l 。目前日本以及欧美等发达国家和地区的房屋采用石膏墙材约占内墙材总量的 7 0 左右，这些国家的石膏墙材按人均使用量计：加拿大位居世界第一，约为1 3 2 平方米，日本和法国4 4 平方米，英国2 6 平方米。在欧洲，石膏砌块的应用也相 当的普遍，仅法国每年石膏砌块的使用量就接近2 0 0 0 万平方米，荷兰5 0 0 6 的隔墙 材料是石膏砌块，在我国，石膏墙材的应用量还不到7 。 长久以来石膏强度低、耐水性能差是石膏建材难以获得大量推广的技术瓶 颈，也是石膏墙板难以获得大量应用的主要原因。2 0 0 5 年长沙归一建材科技有限 公司董事长石宗利先生研制出高强、耐水轻质石膏墙板，通过专家鉴定，该项技 术已经达到了国际领先水平。图1 1 是长沙归一建材科技有限公司的石膏墙板外 观图，表1 1 是长沙归一建材科技有限公司石膏墙板的检测结果与国家标准的对 照表。 我国是石膏资源大国，天然石臂储量达6 0 0 亿吨以上，居世界第一位，此外 工业副产品化学石膏的排放量与日俱增，因此发展石膏基墙材具备得天独厚的资 源优势隅”。我国还具有发展石膏建材的政策优势、技术优势和市场优势等。 我国建材工业科技发展“十五”计划和2 0 1 5 年远景规划已将石膏建材列为 重点发展的新型建材，预计未来l o 年将保持2 0 以上的增长速度。可见，石膏这 种古老的胶凝材料必将在新时代重新焕发青春。同时，石膏建材装各也会发展成 为一个很大的产业群，而石膏墙板作为该产业群的重要一员正面临着前所未有的 发展机遇。 1 2 石膏墙板成型设备的发展历史及现状 石膏墙板、砌块是以石膏为主材制成的板材，其中可添加玻璃纤维或木制纤 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 - 1 石膏墙板外观图 表1 - 1 长沙归一建材科教有限公司石膏墙板的检测结果与国家标准的对照表 国家标准 检测项目检测结果优于国家标准数 j g 厂r 1 6 争一2 0 0 5 国家标准为3 0 公 斤砂袋，在落差 抗冲击性能实测9 9 次优标4 次 0 5 m 的情况下， 摆动的冲击5 次 抗弯破坏荷重载国家标准为1 5 实测2 4 倍优标0 9 板自重倍数倍 国家标准为 抗压强度m p a实测为4 7 m p a优标1 2 m p a 3 5 m p a 软化系数国家标准为0 6实测为0 9 3优标0 3 3 面密度k g 平方 国家标准为实测为优标 米 9 0 k g n f 5 5 7k g m 23 4 3k g m 2 含水率国家标准为1 2 实测为1 7 优标l o 3 国家标准为 干燥收缩值m m实测0 2 4m m优标0 3 6 m m m 0 6 m m m 国家标准为 吊挂力n实测1 0 0 0 n 1 0 0 0 n 国家标准分为室 空气隔声量d b实测3 8 2 d b优标3 2 d b 墙3 5 d 8 耐火极限m国家标准1 h实测3 5h优标2 5 h 维。国外的石膏砌块制作历史很长，但是在1 9 5 0 年左右仍然是平模水平；从1 9 5 4 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 年开始采用的立模成型、项升技术进行生产，提高了劳动效率和产品质量从而获 得了迅速发展。德国是8 0 年代生产石膏砌块最多的国家，也是石膏砌块生产技术 最先进的国家，其主要公司为m a c k 、s i e m p e l k a m p 6 j 。我国的石膏砌块行业标准 也是非等效采用德国d i n l 8 1 6 3 标准而制定的。国外的石膏砌块经过半个多世纪的 完善和考验，已经形成一套完整的关于石青砌块的产品规格系统、技术规范、砌 块及应用等资料和图集。 国内在2 0 世纪的7 0 年代末，开始研制并生产石膏墙板、砌块和装备。由于当 时的条件所限，使用平模、立模的手工操作，并逐步过渡到简易的机械生产，发展 速度极为缓慢，其设备如图1 - 2 所示。进入2 0 世纪8 0 年代后，国家对石膏墙板及其 图1 - 2 立模墙板成型机 设备的研制加大了投入力度。1 9 8 3 年中国新型建筑材料杭州设计研究院承担了国 家“六五”科技攻关项目“石膏墙板、砌块的研究”，开发研制出我国最早的石 膏实心墙板、砌块的中试机组，并于1 9 8 6 年初通过了国家建材局主持的部级鉴定。 该机组采用了“立模成形、液压顶升”原理，类似移动式集装箱机组结构如图卜3 所示。产品规格及质量要求基本符合德国( d i n l 8 1 6 3 ) 标准。1 9 9 8 年该院又推出了 新一代石膏实心墙板、砌块机组，在模腔结构等方面作了一系列的重大改进，但是 在机械化、自动化方面尚需加大投入，尽早实现智能控制的重大突破。 1 9 9 8 年苏州非金属矿工业设计研究院研制开发了石膏空心墙板、砌块的成形 机组，该机组除了采用。立模成形、液压顶升”原理外，还在1 5 个模箱中各配有 六根固定式抽空管，用以实现石膏砌块的抽空目前还有其他一些单位在进行石 膏砌块的生产设备的研制。目前，这类机型的典型代表是河南玛纳建筑模板有限 公司1 7 q 。玛纳建筑模板有限公司研发的“玛纳成组立河南模m 系列产品”有2 1 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 - 3 石膏实心墙板成型设备 项核心技术获国家实用新型专利，1 9 9 9 年5 月1 6 n 在北京通过国家建材局主持的 鉴定，鉴定认为“玛纳成组立模机属国内首创，达到了国际先进水平”。1 9 9 9 年1 1 月，g r c 轻质墙板玛纳成组立模机获“国家重点新产品证书”( 项目编号； 9 9 g 0 4 l b 4 1 3 0 0 1 6 ) ，设备如图1 - 4 所示。自1 9 9 9 年第一台投放市场至今已售出5 0 0 图卜4 玛纳成组立横m o l 成型机 多台( 套) ，遍布全国2 8 个省市自治区近2 0 0 个城市。2 0 0 2 年被河南省科技厅认定 为河南省高新技术产品。用于生产g r c 、硅镁、石膏等轻质隔墙条板，使用轻 骨料，圆形孔洞，人工抽芯，自动电加热，模体机械开合，年生产能力6 万2 。 在m 0 1 系列基础上，经技术改进，形成m 0 2 m 0 3 成组立模系歹i j ，m 0 3 增加板长自动 调整和上榫槽手动压合搓抹成型功能。用于生产g r c 、硅镁、石膏等轻质隔墙条 板，使用轻骨料，圆形孔洞，人工抽芯，自动电加热，模体液压开合，年生产能 力1 8 万m 2 ，如今该套设备已经发展到m 0 5 系列，并于2 0 0 3 年3 月通过国家经贸委技 术进步与装备司组织的新产品新技术鉴定，鉴定认为“该技术为国内领先，国际 首创”用于生产钢丝网架聚苯夹芯复合板，震动落料成型，自动电加热，模板 液压开合，端模液压开合，板长自动调整，上榫槽自动压合搓抹成型。年生产能 力1 8 万m 2 。 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 2 0 0 5 年长沙归一建材科技有限公司一套国内生产效率较高的石膏墙板成型 设备，该设备是双立模结构【7 l ，其主体部分可分为一委搅拌装置、一套转管抽芯 装置、两套石膏墙板成型装置模具车等三部分，其三维图如图卜5 所示。 图i - 5 石膏墙板成型设备三维图 该套设备的工作原理如下：首先操作工人将石膏粉、粉煤灰、珍珠岩等原料 按比例混合好，当生产开始的时候，将这些事先配好的原料加到搅拌装鹭的搅拌 桶里，同时注入一定比例的水，启动搅拌装置的搅拌电机将原料与水搅拌混合均 匀成料浆；与此同时启动转管抽芯装鼍，装置中的一台电机( 转管旋转电机) 带 动转管旋转，另一台电机( 转管行走电机) 带动该装置向前行走，直至转管前端部 碰到石膏墙板成型装置模具车后端挡板为止，此时转管行走电机停下，而转 管旋转电机带动转管在石膏墙板成型装置模具车中继续旋转；当搅拌装置将 石膏墙板原料搅拌均匀后，启动搅拌装置的行走电机带动搅拌装置前行到达模具 车上方，打开搅拌桶浇注开关通过软管向模具车中进行浇注，在浇注的同时转管 继续旋转，当浇注完毕后，搅拌行走电机反转带动搅拌装置回到初始位置，在冲 洗完搅拌设备之后关闭搅拌桶浇注开关，经过一段时间后，转管抽芯装置中的行 走电机反转带动该装置向后行走进行抽芯，在进行冲洗后两台电机都停止旋转； 此时将该套模具车推至旁边等待石膏墙板完成固化过程，而后将另一套模具车推 至搅拌设备下面，进行下一轮的生产，当第一轮的石膏墙板成型后将模具车打开， 取出石膏墙板，送至晾晒场地，冲洗完模具车进行新一轮的生产，其生产工艺流 程图如图i - 6 所示。 半水石膏水化时，其化学反应方程式为( 卜1 ) 所示；固体的绝对体积增加 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 - 6 石膏墙板生产工艺流程图 4 5 。但系统的体积( 即转化成二水石膏的体积) 较系统初始体积( 即半水石膏与 c a s o , 三皿d + 主马d 。观2 h 2 0 ( 1 - 1 ) 水的初始体积的总和) 缩小7 3 a , 9 1 ，因此，即使按理论用水量，熟石膏水化后 的生成体也是多孔的。实际上，拌和石膏浆体时水的用量很大，这些拌和水造成 的孔隙率，比熟石膏加水时所缩小的体积要高出5 倍，石膏表现为体积膨胀。 在生产空心石膏墙板过程中，转管抽芯装置是其生产过程中必不可少的一个 环节，以前的装置往往都设计成一列固定不动的芯管插入模具车中，待浇注完毕 后进行抽管，由于石膏在凝固过程中的体积膨胀往往将固定不动的芯管抱死，影 响产品质量和生产效率。本套系统主要由转管、冲洗装置、转管减速箱、行走小 车等几部分组成，三维图如图卜7 所示，其特点为：转管、穿芯、抽芯汇成一体， 转管和行走牵引动力均在一个底盘上。转管抽芯机架上装有行走轮，在两条平行 轨道上前进与后退，同时形成穿芯和抽芯的运动方式。转管减速箱装在机架上， 转管机构由减速器带动主动齿轮啮合两个被动齿轮，被动齿轮又啮合其它1 2 个 齿轮，使两排1 4 个齿轮按不同方向旋转；伸出机箱的齿轮轴上安装有芯管，芯 管前端轴头与成型模具的端模板孔相配合，芯管头上下各有两个锥形螺纹与端模 板的定位装置配合，苍管托在端模板孔内，在穿芯时引导滑动。机架后部装有减 速器，通过链轮带动行走轮轴上的链轮，轮轴上有两道钢丝绳卷筒，从机架下引 出前后两根钢丝绳并固定在地锚上，控制电动机正反转可使机架前后移动。轨道 上装有行走限位开关，控制转管抽芯机的前进和后退距离，也使生产墙板的长度 尺寸得到有效的控制，转管抽芯机通过延时控制器在规定的时问内自动接通后退 电路，消除了人为因素延长或提前抽芯时间的现象。 由于石膏本身的物理性能局限性，石膏墙板的抗压强度一直难以达到现代建 筑的高标准需求，以至其适用范围受到很大局限，影响了石膏墙板的推广和应用。 为解决这一难题，我们从石膏墙板生产环节的技术工艺人手，改变了传统的石膏 墙板抽孔工艺，采用在石膏浆进入模具车的时候启动机械芯管进行旋转抽孔的新 技术。 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 在石膏浆尚未凝结成形之前，利用机械芯管进行旋转抽孔，通过芯管的运转 带动石膏浆的流动，使其均匀分在于成形模具的内部空间。在抽孔的同时，对石 膏浆体形成二次搅拌，使石膏水化反应更为均匀合理，以提高石膏墙板的整体强 图1 - 7 转管抽芯装1 三维图 度；通过机械芯管在石膏墙板成形过程中的不断旋转，能排出空气，增加石膏墙 板密度，有效地增强了石膏墙板的抗压、抗折能力，大大提高了石膏墙板的内部 强度；在石音凝固后使孔道内壁形成一层坚硬的壳体，增加了石膏墙板抗压强度； 可添加工业废料，降低生产成本。 通过实践，转管转速在1 0 1 2 转分为宜，如果转速过高，芯管转动产生离 心力，影响墙板质量，同时加速端头衬板的磨损而造成漏浆，反之，当芯管转 速过低时，传动机构庞大，功率也受影响。在国内外的设备中，转管通常用无缝 钢管制成，这样的转管不但重量大，而且经常冲洗，容易生锈，影响产品质量， 如今可将钢制芯管换成塑料芯管，不但减轻重量，而且不会生锈，实践证明，这 样做的效果很好。 1 3 石膏墙板成型设备开模控制系统的发展历史及现状 由于石膏墙板成型设备在我国的发展历史比较短，成型设备本身还不是很完 善，在开模控制方面的研究就更加少。国内7 0 年代末开始着手研究石膏墙材成型 设备，当时使用的平模都是手工操作，在浇注成型石膏墙板后，工人根据经验等 到石膏墙板固化成型后通过人力将模具打开；当成型设备发展到简易的机械设备 后，人们通过机械动力将模具打开，开始是操作工人根据经验等经过一段时间后 通过使电机反转打开模具，其中具有代表性的公司为长沙归一建材科技有限公 司。该公司的石膏墙板采用湿法成型，其设备三维图如图卜8 所示，主要由行走轮、 7 中南人学硕十学位论文第一章文献综述 图1 - 8 石膏墙板成型装王一一模具车三维图 成型模腔、电机、模板电动分离机构等组成。石膏墙板成型装置的工作原理如下： 当生产开始时，模具车在两道7 m 长的轨道上移动到搅拌装置下面，搅拌系统搅拌 石膏粉料，同时转管抽芯装置的转管开始转动并将转管插入模具车内，待石膏粉 料搅拌好后，石膏混料便注入一个模具车的两个模腔内，待石膏浆初凝后由时间 继电器控制抽芯装置机构抽掉芯管，然后模具车移到轨道的另一端，待终凝后成 型模具车电动开模，转臂在伸缩机构的推动下，使两侧板先平移以克服墙板与模 板的吸附力后，两边侧板自动翻转4 0 。，成型墙板随底槽滑动到模腔中间，用 搅拌台上的起重系统将墙板吊出，进行清理、刷隔离剂后电动合模，电动合模装 有超载离合器和限位开关，在合模达到规定力值后自动切断动力，防止损坏设备。 然后进行下一个循环，每套系统有两个模具车，这样两个模具车交替工作，大大 提高了劳动生产率和设备的利用率。 该套设备的开模过程是通过时问继电器来进行控制的，代表了当前开模控制 的最高水平，在继电器内设置石膏成型的时间为延迟时间，在石膏开始成型时启 动时间继电器，等石膏成型后继电器动作接通控制电路带动电机反转打开模具， 取出石膏墙板。当前比较典型的时间继电器【l o 】有上继电气有限公司生产的 s s - 1 8 i i 型固体时问继电器，其外形图如图1 - 9 所示，其主要技术参数如表1 - 2 所 示川。 圈i - 9s s - i s 型固体时闻继电器 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 表1 - 2s s - 1 8 i i 型固体时间继电器主要技术参数 电源电压 交流2 4 v 、3 6 v 、4 8 v 、ll o v 、2 2 0 v 、3 8 0 v ：直流1 2 v 、2 4 v 、4 8 v 、 1 l o v 、2 2 0 v 。 动作时间误差不大于1 。 输出触点 两组常开常闭转换。 在电压不超过2 5 0 v ，电流不超过5 a ，时间常数为5 0 7 5 m s 的 触点容量 直流有感负荷电路中，产品输出触点的断开容量为5 0 w 。输出触 点在上述规定的负荷条件下，产品能可靠动作及返回5 1 0 4 次。 输出触点长期允许接通电流为5 a 。 产品各导电端子连在一起，对外露的非带电金属部分或外壳之 介质强度间，能承受2 0 0 0 v ( 有效值) 5 0 h z 的交流电压历时1 分钟试验而 无绝缘击穿或闪络现象。 通过以上简介可知，我国的石膏墙板成型设备虽然有了长足的进步，但是在 机械化、自动化程度上还需要进一步的投入，才能实现科学发展。进入2 1 世纪以 来，我国的经济建设高速发展，不断地注入新的活力，新型墙体材料市场亦出现了 超常发展的态势，众多企业纷至沓来，竟相研发石膏墙板、砌块机。有研制单机的， 也有研制成套的；有研制实心的，也有研制空心的；有研制固定式抽空管的，也有 研制旋转式抽管的。随着社会的进步和行业的发展，有了石膏墙板成型设备的国 家行业标准，石膏堵板成型设备在研制革新中，会不断地出现新的亮点和好的势 头，必然会更加有力地促进石膏墙板成型设备的发展，也必然会更加有力地促进 石膏墙板的生产和市场的兴旺。石膏墙板成型设备的产品标准将会指导生产、控 制和提高产品质量并不断地创新。从发展方向上看，电子计量、智能控制、成套 供应乃是全面发展的必然趋势，是所有机组制造商赖以生存的奋斗目标。 1 4 本课题的目的、意义和主要研究内容 1 4 1 本课题的目的与意义 我国的石膏墙板成型设备经过几十年的发展，从当初的平模、立模手工操作 发展到现在较高的生产水平，生产效率、产品质量都有了长足的进步，但这其中 还存在一些问题，现在这些石膏墙板成型设备的研究与设计基本上都是借鉴其它 成型设备根据经验进行的，很少有结合石膏的特性进行研究与开发的，因此生产 出来的石膏墙板总是存在这样或那样的缺陷，生产效率较低。在目前生产墙板的 环节中，其中的开模过程基本上都是人们根据经验通过时间来进行控制的，这种 开模方式不但生产效率较低，产品质量也难以保证。因此为了提高劳动生产率， 9 中南大学硕七学位论文第一章文献综述 降低产品废品率，生产出更好的产品，有必要研究石膏的固有特性，研制更加实 用的生产设备以满足生产的需要。本课题正是研究基于石膏固有性质的一套实用 的石膏墙板成型设备及其自动开模控制系统，并开发了基于d e l p h i 7 o 的上位机 监控系统，可对这套自动开模控制系统实施远程监控，这为将来石膏墙板大规模 自动化生产奠定了基础。 1 4 2 主要研究内容 ( 1 ) 石膏墙板成型微观理论和热力学规律的研究 通过查阅文献了解石膏墙板成型过程中的微观理论，研究石膏凝固过程中的 强度发展变化规律和热力学变化规律，找出其中的内在联系，并将此应用到实际 生产中，进而指导生产 ( 2 ) 石膏墙板成型设备的研制 根据生产实际，借鉴国内外先进的生产设备，并结合石膏的固有特性，研制 出一套符合空心石膏墙板实际生产需求生产效率高的成型设备。 ( 3 ) 石膏墙板成型设备自动开模控制系统的研究 根据石膏的固有性质石膏墙板成型的微观理论和热力学规律的内在联 系，以石膏在凝固过程中的发热规律为指示，以实际生产为基础，结合现代的通 信技术、传感技术，研发出一套智能化的石膏墙板成型设备自动开模控制系统。 1 5 本章小结 本章给出了论文的选题背景，并对石膏墙板成型设备及其开模控制系统的发 展历史及现状进行了简要介绍，最后给出了本课题的研究目的与意义以及研究的 主要内容。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章石膏墙板成型理论研究 第二章石膏墙板成型理论研究 从第一章文献综述中可知，石膏墙板是典型的绿色建材，具有广阔的应用前 景，在本章中我们将要研究石膏墙板成型的微观理论以及其在凝固过程中的热力 学规律。 2 1 石膏的基本性质 石膏般呈白色或无色透明，当含有杂质时，呈灰褐、黄等色，比重介予 2 3 1 2 3 3 ，摩氏硬度为1 5 2 ，在水中的溶解度比较小，在2 0 时，换算为 c a o 的二水石膏的溶解度为每升2 0 5 克 1 2 l 。 石膏硬化后，内部具有大量的孔隙，孔隙率可达5 0 6 0 ，故其密度小， 强度也较低。建筑石膏硬化后具有较强的吸湿性，吸湿后，晶体间粘结力减弱， 强度显著下降，遇水则晶体溶解引起破坏，吸水后受冻，更易崩裂。所以，单纯 建筑石膏的耐水性和抗冻性均较差h 射。建筑石膏凝固时，不像石灰和水泥那样 出现收缩，而是略有膨胀( 约为1 ) ，硬化时不会出现裂缝。所以，石膏浆可以 浇注成尺寸准确，表面光滑细致的构件。 石膏是热的不良导体，其导热率在1 6 4 6 ，为0 2 5 9 千卡米度时。 当石膏遇火时，由于二水石膏中的结晶水蒸发，吸收热量，表面生成的无水物又 是良好的热绝缘体，故石膏的防火性好。 2 2 石膏墙板成型机理的研究 作为石膏制品工业来说，主要工艺包括两个方面：一是石膏胶凝材料的制各， 二是石膏制品的制备。前者是指将二水石膏加热使之部分或全部脱出水分，以制 备不同的脱水石膏相，后者是指半水石膏再水化，使之再生成二水石膏并形成所 需的硬化体。因此，石膏脱水与再水化是整个石膏工业的理论基础”】。 石膏墙板作为墙体材料，其成型的内在原因在于半水石膏是一种气凝性胶凝 物质，能够和水发生反应并逐步形成具有一定强度的石膏硬化体。 2 2 1 石膏的脱水理论 ( 1 ) 石膏的脱水过程 石膏矿石的主要成分是二水石膏，因煅烧温度和时间的不同，石膏矿石的脱 中南人学硕士学位论文第二章石膏墙板成冲j 理论研究 水过程也不同，得到的石膏粉的化学组成也不同0 5 1 。相应变化过程可以用下述 反应式( 2 1 ) 表示： 1 2 0 1 4 0 1 8 0 3 6 0 4 0 0 1 1 8 0 c a s o 2 1 420 一8 一c a s o 1 2 h2o 一b c a s o 卜+ c a s 0 i i ( 二水石膏)( b 一半水石膏)( 1 3 一型无水石膏)( i i 型无水石膏) 大于1 1 8 0 c a s o i + c a o ( 2 1 ) ( 煅烧石膏) 其中，半水石膏水化速度适中，形成的石膏晶体强度高，适用于生产石膏墙 板。当半水石膏与水再混合时，它就溶解形成饱和溶液，同时又能与水发生相互 作用，再次水化形成二水硫酸钙。由于二水石膏的溶解度仅为半水石膏的1 4 ， 所以二水硫酸钙就会形成过饱和溶液，结晶沉淀。伴随半水石膏不断转化为二水 硫酸钙，结晶体也随着增长，进行连生和排列，最后结晶和固化。 m 型无水石膏水化速度极快，但形成疏松的石膏晶体，强度低，不能用于生 产石膏墙板。 i i 型无水石膏难溶于水，也不能用于生产石膏墙板。 ( 2 ) 石膏的脱水机理 石膏的脱水机理可用品格缺陷理论来解释【1 6 1 7 1 8 1 。石膏在一定的温度下发生 脱水相交过程，在石膏晶体内部最先脱水的必然是从晶格缺陷部位开始，原始石 膏本身也存在着一些缺陷，就一颗二水石膏的品片而言，其表面绝不是均匀的， 现已知石膏表面有缺陷，包晶，空洞，解理，裂纹及杂质等各种不均匀现象。除 了原始石膏在脱水前本身所具有的缺陷外，从固体化学的观点来看，固体的化学 反应或者晶相转变都会出现某些特点晶格缺陷。无疑，这些缺陷的存在对石 膏的脱水过程起着重要的作用。 2 2 2 石膏浆体硬化的形成理论 ( 1 ) 1 3 一型半水石膏和二水石膏晶体结构分析 观察二水石膏与半水石膏的晶体结构0 9 , 2 0 1 ( 图2 - 1 及图2 - 2 ) ，可以看出二水 石膏转变为半水石膏时，要发生两类变化：一是在两个离子层之闻水分子失去 3 4 ，二是c a 2 + 离子与s 0 4 2 一离子彼此错开，因此在水分子层中形成了直径为3 a 的沟道，水分子可以自由通过沟道，这也就是半水石膏比较容易水化，转变为二 水石膏晶体的重要原因。 1 2 中南大学硕+ 学位论文第二章石膏墙板成型理论研究 图2 - 1 二水石膏晶体结构图2 - 2 半水石膏晶体结构 ( 2 ) 半水石膏水化机理 石膏胶凝材料的价值在于半水石膏遇水后能够水化硬化，形成具有一定强度 的建筑体，其主要化学反应式如式( 2 - 2 ) 所示。 ( 2 2 ) 关于半水石膏的水化机理有许多说法，归纳起来，主要有两个理论：一是溶 解析晶理论；另一个是局部化学反应理论瞄1 。 半水石膏水化的溶解析晶理论或称溶解沉淀理论目前得到了普遍承认。它首 先由l e - c h a t e l i e r 提出，后来又得到许多学者的论证与支持。这个理论认为： 半水石膏与水拌和后，首先是半水石膏在水中溶解，因为其饱和溶解度( 例如在 2 0 时为8 9 1 左右) 对于二水石膏的平衡溶解度( 例如在2 0 时为2 9 1 左右) 来说是过饱和的，所以在半水石膏的溶液中二水石膏的晶核会自发地形成和长 大，反应过程如式( 2 - 2 ) 所示。l e - c h a t e l i e r 也将此过程分为三个阶段：a 、 水化作用的化学过程；b 、结晶作用的物理过程；c 、硬化力学过程。正是由于这 种析出的二水石膏结晶相互交叉连生而形成的网络结构使石膏浆体硬化并具有 一定的强度。 深入探讨石膏水化的溶解析晶理论时1 2 埘l ，有两个重要问题值得讨论，一个 中南人学硕十学位论文第二章石膏墙板成喇理论研究 是与形成二水石膏晶核数量有关的石膏相的溶解度；另一个是与形成二水石膏晶 体形态有关的溶液性质【1 9 】。 半水石膏与二水石膏的溶解度及其比值决定了溶液的过饱和度。关于c a s o 一h ：0 体系诸石膏相的溶解度见图2 3 所示。从图中可见石膏相的溶解度与温度 j 1 4 0 l 1 2 0r 1 0 0 一j 、卜一 已e - 8 0 6 0 4 0 2 0 o 0 2 0 40 60 8 i 0 一 g c a s o 1 0 0 时k 0 1 c a s o z 2 h202 c a s o 2 h20 圈2 - 3c a s o - h20 体系溶解度 有关，在1 0 0 c 左右二水石膏与半水石膏的溶解度趋于一致，也即1 0 0 c 是 c a s o 2 1 i2 0 c a s o 。i 2 h2 0 的转变温度。在1 0 0 c 以下，温度越低，半水 石膏溶液对二水石膏来说是过饱和度越高，如表2 - i 所示，过饱度的大小决定了 溶液中二水石膏晶核的数量并影响硬化过程的一系列特性。 表2 - 1 石膏溶解度与温度的关系 二水石膏平衡b 一型半水石膏最b 一型半水石膏的过饱 温度( k ) 溶解度( c 。)大溶解度( c 。)和度度( c 。c 。) 2 8 8 i 9 98 7 44 3 9 2 9 32 0 58 1 6 3 9 8 3 0 32 0 97 0 73 3 8 3 1 32 1 l6 1 22 9 7 3 3 32 0 74 6 82 2 6 二水石膏的晶体形态决定了石膏硬化体的强度，二水石膏晶体形态不同，其 1 4 中辩犬学硕士学像论文第二：章石膏壤蔽成型理论研究 形成的石膏硬化体的力学强魔也就不同。襁半水石膏水化时，可以通过控制二水 露黉不露鑫嚣豹生长速度来羧测生或二承葫蠢鑫薅豹形态。 二水石膏的各个晶面静溶解度速度不同豫l ，若良( 0 1 0 ) 面的溶解度速度为 l ，则( 1 1 0 ) 渐为1 7 6 ，( 1 1 1 ) 面为1 8 8 ，e a i n g e r ( 1 9 7 3 ) 研究过外加离子对石 膏懿两的影响。实验证明，毅石膏一定的过饱和条件下，h + 、s r + 、a g + 等离子 吸瓣在( 1 1 0 ) 鬻主，瑟h s o ；、n o ；、n a + ( j g 成n a 一貔络台离予) 簧| l 吸辩奁 ( 1 1 1 ) 面上；o h 。离子则吸附在( 0 1 0 ) 酾上，二水石膏貉体的( 1 1 1 ) 面由c a 2 + 缎成，所以它选择性吸附h s o ；、n o ；、n a + 等；而( 1 1 0 ) 面由c a 2 + 和s 0 2 , - 组 成，邃憩委负惑予蘩可竣吸瓣，毽是穗对寒诞，薹至+ 、s r + 、a g + 等褰予在s 0 2 , - 熬 吸附最强。因藏，通过吸附剂的选择可以控制不同晶面的生长速度，从而控制晶 体的形状。另外，k a r s h i n ( 1 9 7 0 ) 研究过搅拌时回转遽度、温度对= 水石膏晶 体龋面溶解度的影响，结果凌明，当转速较高时( 0 1 0 ) 萄的垂壹藏上溶解速度 鳕为( 1t 0 ) 薅瓣4 嵇。嚣熊帮瑷逶过掺多 翩裁、控澍鞭转速度秘潼凌等一系确 措施来使二水稻臂的晶型成针状、棒状、板状、片状等不同形态。 关于半水石膏水化的局部化学反应理论，也有人称之为胶体理论。这神理论 谈兔，在半承褒囊承伍过程巾翳菜一孛裁除羧，半零嚣囊与本分子生残莱静吸瓣 络和物或某种胶凝体，然后这些中闻产物掰转化为二水疆膏。1 9 7 6 年t r i o t l t e r 等人曾经用扫描电镜观察b 型半水石膏在水蒸气中和水中水化得到的二水石 膏，弛髓发现，水纯嚣妁半水石膏与在水蒸气中承让褥剿鹣二承石誊穗纥，在形 狄、丈夸等方瑟完全没霄差掰，因诧谴销诀为在东蒸气审，半承石膏窳亿是按嚣 部化学反应理论进行的。他们把这个水化理论分为三个阶段：1 、水分子在半水 石膏表面上的吸附；2 、吸附水分子的溶解；3 、新相的形成。但是，刎目前为止 上述孛瓣狳段瓣产勃还缺乏爨骞说鞭力瓣实验涯鞠。 ( 3 ) 石膏浆体的硬化及其强鹰发展过程 石膏胶凝材料在水化过程中，仅形成水化产物，浆体并不一定能形成具有强 度豹硬化体，只蠢当水位产物黠体互提连象形成结晶结秘鼹对，方能逐步硬纯并 罴肖一定酶强度1 2 翻，困藏弼黻认为，石鬻装体豹硬豫邋程就是结晶绣构网静形 成过程，而这一过程又伴随糟强度的发展。这里我们用辍性强度p 。及浆体的极 限麴应力来表缀浆体的结构碳度，所谓极限剪应力是指：当浆体在外力作用下产 垒貔骛应力等予绞大子辍蔽骜斑秀，浆蒋将产生霹叛熨察弱靛滚动，其影交疆慰 问丽变化，如果剪应力小于极限剪应力，受浆体表现出阐体的性质。因此，极 限鹧应力越大，也就是塑性强度p 越大，则浆体的结构强度也越大。 唇膏浆体豹嫒纯过程，转黢着结鞫强发黪发展，魏潮2 4 表示墅半承石 膏浆体的结构强浚随对闲的笈袋过程，图审曲线表明，霹膏浆体硬纯过程发震的 中南大学硕士学位论文 第二章石膏墙板成型理论研究 初始阶段约为o 6 m i n ，浆体的塑性强度p 。很低，而且增长缓慢；第二阶段6 l o o m i n ，强度迅速增大，及至发展到最大；第三阶段，塑性强度p 的发展分为 两种情况，图中曲线1 表示已形成的石膏硬化体如果处于正常的干状态下，其强 度将保持相对稳定，图中曲线2 表示如果硬化浆体在潮湿的条件下养护，则强度 将逐渐下降。 上述三个不同的阶段，表明了石膏浆体在硬化过程中不同的结构特性。现分 述如下；初始阶段