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m c 尼龙管材离心成型机的绿色设计研究 摘要 本文首先简要介绍绿色设计的含义及特点，接着讲述管材离心成型机设计 研究中的关键技术问题。2 0 1 0 年合肥某橡塑设备有限公司提出研制开发生产尼 龙管材离心成型机的项目，本人承担该项目的主要设计工作，在设计的过程中 对铸型尼龙和管材离心成型机进行深入的学习。通过理论和实践研究并在绿色 设计的理念下，对成型机进行系统的研究和分析，并对设备的关键技术进行改 进和优化。 本文以现有生产铸型尼龙管材离心成型机为参考依据，并分析和研究现有 离心成型机的优缺点。通过查阅大量铸型尼龙和管材离心成型机的资料，突破 传统思想，克服现有离心机运行时的散热大、能耗大、轴承寿命短、振动量大 等缺点。在新的设计过程中对关键结构进行重新的设计：支撑结构的设计、模 具的设计，从而改善以往管材离心成型机的不足。 关键词：m c 尼龙管材；离心成型机；绿色设计；浮动支撑；毛坯选取。 t h er e s e ar c ho fg r e e nd e s i g nf o rm cn y l o np i p ec e n t r i f u g a l f o r m i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e st h em e a n i n ga n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h e g r e e nd e s i g n ，a n d t h e nd e s c r i b e dt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fc e n t r i f u g a l f o r m i n gm a c h i n e sd e s i g na n dr e s e a r c h i n2 0 1 0 ，ac o m p a n y i nh e f e ip u tf o r w a r d t h ep r o j e c ti nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn y l o np i p ec e n t r i f u g a lf o r m i n g m a c h i n e ，iu n d e r t a k et h em a i nd e s i g nw o r ki nt h ep r o j e c t ，d oa ni n 。d e p t hs t u d y t o m cn y l o na n dt h ec e n t r i f u g a lf o r m i n gm a c h i n ei n t h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ， t h r o u g ht h et h e o r ya n dt h er e s e a r c hi n t h ep r a c t i c e ，a n dt h ec o n c e p to fg r e e n d e s i g n ，c o n d u c tt h ei m p r o v e m e n ta n d t h eo p t i m i z a t i o no fs y s t e m ，d oad e e p r e s e a r c ha n da n a l y s i st ot h ek e yt e c h n i q u eo ft h ee q u i p m e n t t h i sp a p e rb a s e do nt h ee x i s t i n gp r o d u c t i o no fm cn y l o np i p ec e n t r i f u g a l f o r m i n gm a c h i n ef o rr e f e r e n c e ，a n a l y s e s a n dr e s e a r c ht h ea d v a n t a g ea n dt h e d i s a d v a n t a g eo fe x i s t i n gc e n t r i f u g a lf o r m i n gm a c h i n e t h r o u g hc o n s u l t i n g al a r g e n u m b e ro fm cn y l o na n dc e n t r i f u g ed a t a ，b r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a li d e a ， o v e r c o m et h eb e a r i n gh e a t i n g w h e nt h ec e n t r i f u g er u n s ，l a r g ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dl a r g ea m o u n to fv i b r a t i o n f a u l t s i nt h ep r o c e s so ft h en e w d e s i g nu s e d k e y w o r d s ：m cn y l o nt u b i n g ；c e n t r i f u g a lm o l d i n gm a c h i n e ；g r e e nd e s i g n ；f l o a t i n g s u p p o r t ；r o u g hs e l e c t 致谢 时光荏苒，岁月如梭，在这两年多的学习和生活中，我又学到了更多的东 西，在此感谢所有关心我、教育我、指导我、帮助我的老师、同学和亲戚朋友， 在此致以诚挚的谢意。 本文是在李学京教授的悉心指导下完成的。承蒙李老师的精心教导和亲切 关注，在学习上、生活上和做事的态度上给予循循善诱的教诲和严父般的关怀。 李老师认真的负责态度、勤勉的工作作风、踏实严谨的做事原则和宽以待人的 处事态度是我所要学习的榜样。在此，谨向李老师致以由衷的敬意和深深的感 谢! 感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院工程图学系的老师，在研究课题选 择，论文方向等方面给予了我耐心细致的指导，使我的论文研究工作得以顺利 进行。 感谢工程图系研究室所有的师兄师姐师弟师妹们，他们在日常生活、科研 实践和论文写作过程中给予我关怀和帮助，他们在我找工作和构思论文过程中 给予我帮助和鼓励。 铱看：关砷 pj 1 7 妒p 罾 插图清单 图1 1 绿色设计的主要内容1 图1 2 m c 尼龙制备工艺流程图3 图1 3 m c 尼龙新的生产工艺流程图4 图2 1 水冷型离心成型机结构示意图8 图3 1 托辊结构示意图一1 5 图3 2 支撑板结构示意图1 6 图3 3 托辊轴一1 8 图3 4 托辊轴受力分析示意图1 8 图3 5 模具受力分析示意图一1 9 图3 6 轴承受力分析示意图2 0 图3 7 f o 作用下的受力示意图2 0 图3 8 水平面受力分析示意图一2 1 图3 9 水平面弯矩图2 1 图3 1 0 垂直平面受力分析图一2 2 图3 1 1 垂直面弯矩图2 2 图3 12 f 0 产生的受力和弯矩图2 3 图3 1 3 托辊模具摆放结构示意图2 6 图3 1 4 托辊座多重轴承结构示意图2 8 图3 1 5 过渡套结构图3 1 图3 1 6 球墨铸铁管管材模具结构示意图3 2 图3 1 7 优化后的管材模具示意图3 2 图3 1 8 管材模具毛坯跳动量变化一3 3 图3 1 9 管材模具毛坯跳动量变化二3 4 图3 2 0 管材模具的毛坯尺寸示意图3 4 图3 2 1 管材模具受力分析示意图3 5 图3 2 2 管材模具所受弯矩示意图3 6 图4 1 管材模具断面上由惯性引起相对运动变化示意图3 9 图4 2 离心成型机转速的确定一4 1 图4 3 m c 尼龙管道产品一4 2 图5 1 控制系统框图4 5 v 表格清单 表2 1m c 尼龙性能儿 表3 1 托辊直径的尺寸参考( m m ) 2 6 表3 2 轴承工作性能比较3 0 表4 1 重力系数g 的选用4 0 表4 2d n 6 0 0 管材模具转速实验数据4 2 表5 1 尼龙管材的浇铸工艺参数4 6 v 第一章绪论 1 1 绿色设计的概述 关于设计与环境的问题，是由美国设计理论家维克多巴巴纳克( v i c t o r p a p a n e k ) 于1 9 7 1 年在为真实世界而设计一书中提出的，他强调设计应认 真考虑有限的地球资源的使用问题，设计要为保护地球的环境服务【1 l 。随着全 球环境破坏的日益严重，人们越来越重视到环境与设计问题的研究。到了2 0 世纪9 0 年代初，全球掀起了绿色研究的浪潮。它是一种先进的设计思想，其 背景是国际社会对可持续发展和对人类健康越来越深入的关注【2 j 。 绿色设计的概念最早是由丹麦工业大学的l e oa l t i n g 等教授于1 9 9 3 年提 出的，随着生态环境的恶化、市场的需求和可持续发展战略的提出，绿色设计 的理念越来越引起人们的关注。绿色设计( g d ：g r e e nd e s i g n ) ，也称为生态设 计( e d ：e c o l o g i c a ld e s i g n ) 或环境意识设计( e c d ：e n v i r o n m e n t a lc o n s c i o u s d e s i g n ) ，其基本理念1 3 j 是在最初设计阶段就将环境因素和预防污染等措施纳入 到设计中去，将保护环境作为产品设计的主要目标和出发点，力求在满足产品 性能的同时能够保护环境，力求对环境的影响达到最小【4 】。 从绿色设计的概念可知，绿色设计的主要特点是：绿色设计拓展了产品的 生命周期，它不仅满足了产品的使用期的寿命，还把回收利用考虑进去【s 】：绿 色设计是一个不同于传统串行设计的并行闭环设计过程【6 】；绿色设计更有利于 环境保护、能源利用和可持续发展等。 绿色设计的主要内容【7 j 包括产品结构设计、产品材料选取、制造环境设计、 产品工艺设计、包装方案设计和回收处理设计等6 个环节，具体情况如图1 1 所示： 图1 1 绿色设计的主要内容 在绿色设计过程中主要遵循以下几个原则8 1 ： 1 、资源最佳利用原则 资源最佳利用原则是指资源的投入量与产出量之比趋于1 。它包括两方面 的内容：一方面是在选择资源时，从可持续发展观出发，把资源的再生能力和 跨时间配置问题考虑进去，不能因为资源的不合理使用而加剧枯竭危机，要尽 可能使用可再生资源；另一方面是在设计时减少资源应用过程中的浪费和流失 问题，尽量保证所选用的资源在产品的整个利用过程中的利用率达到最大。 2 、能源消耗最少原则 能源消耗最少原则是指在生产过程中输入能源尽可能最少、输出能源尽可 能最大。它包括两方面的内容：一方面是在选用能源时，尽可能的选用太阳能、 风能等清洁型可再生能源，而不是汽油、柴油等不可再生能源，这样可以有效 的缓解能源危机，并能减少对环境的污染；另一方面是在设计阶段就要求产品 在整个使用过程中消耗能源最少，并减少资源和能源的浪费，尽量避免这些能 源转化为振动、造成热辐射以及电磁波等。 3 、“零损坏”原则 “零损坏”原则是产品在生产和使用过程中对人类身心健康的损坏最小。 绿色设计应确保产品在生命周期内对劳动者具有良好的保护功能。在设计上不 仅要考虑产品的制造、使用环境、产品的质量和可靠性等方面，还要考虑如何 保护生产者和使用者的安全，而且要使产品符合人机工程学和美学等原理，以 免对人类的身心健康造成危害。 4 、“零污染”原则 “零污染”原则是指产品在生产和使用过程中对环境造成的污染最小。绿 色设计抛弃了传统的“先污染，后处理”的设计观念，而实施“预防为主，治 理为辅的设计观念1 9 】。 5 、生态经济效益最佳原则 绿色设计不仅要考虑产品所创造的经济效益，而且要从可持续发展的观点 出发，考虑产品在生命周期过程中对生态环境和社会所造成的影响，以及所带 来环境生态效益和社会效益的损失。也就是说要使绿色产品的生产者不仅能取 得好的环境效益，而且能取得好的经济效益，即取得最佳生态经济效益 ( e c o e f f i c i e n c y ) 1 。 6 、技术先进性原则 技术先进性原则【1 1 1 是指在生产过程中采用先进的技术，从技术上保证可靠 性、安全性、经济性等。实现产品的各项功能，确保产品在生产过程中具有很 好的环境协调性。 总之，绿色设计是一个很庞大的系统，目前主要是寻求降低环境污染和降 低能耗的因素，进而寻求一种解决方法。在具体实施过程中，现阶段主要是针 对某一部分或者某一过程进行技术改造【12 1 ，从而尽可能的实现绿色设计的整个 2 过程。 1 2m c 尼龙管材概述 1 2 1 铸型尼龙的定义 铸型尼龙是一种单体浇铸聚合成型的复合尼龙材料，又称m c 尼龙，是一 种综合性能良好，应用广泛的工程塑料【13 1 。它具有密度低( 约是钢铁的t 7 6 ) 、 力学性能良好、耐磨、自润滑等优点，常在工程机械中代替金属制品，比如轴 套、滑块、滚筒、电梯滑轮等。近年来，m c 尼龙因其优异的综合性能在塑料 管材尤其是大e l 径管材的生产中得以广泛的应用【1 4 1 。 铸型尼龙的制备工艺【15 】是指将已内酰胺单体在9 0 。c 下融化；接着加热升 温到1 3 5 。c 左右，开始抽真空处理( 要求真空度 0 0 9 8 m p a ) ，沸腾1 0 1 5 m i n ； 恢复常压后加入n a o h ，接着抽真空( 真空度同上) ，在1 3 5 。c 1 4 0 。c 下进行 脱水反应1 5 2 0 m i n ；至沸腾温度恒定后，加入催化剂并搅拌均匀；接着迅速倒 入预热到1 7 0 。c 的模具中，保温一定时间后，切断模具加热电源，冷却一段 时间后脱模。m c 尼龙制各工艺流程刚1 6 】如下图1 2 所示： 抽真空脱水抽真空脱水 图1 2 m c 尼龙制备工艺流程图 这个生产工艺相当于加入两次催化剂( 一次n a o h ，一次催化剂) ，总体上 耗能耗时，不符合绿色设计的宗旨。为此在生产过程中我们运用了新的生产工 艺，在新的生产工艺中只需要加入一次催化剂。运用新的生产工艺的优点是： 加入催化剂的次数减少，缩短了反应时间；提高了设备的利用率，减少了设备 闲置的时间；加快了新成型工艺的工业化进程，使生产更加标准化。由于催化 剂的用量本来就少，新的生产工艺只需将n a o h 和催化剂在小的反应系统中反 应，制备成一种混合催化剂。这种催化剂可以大量制各，常温下成粒状。制备 的混合催化剂可以直接应用于生产，所以不需要在大型的生产系统中依次制备， 这就节省了大型生产系统的运行时间，也就节省了成本，相对缩短了生产时间， 提高了生产效率。 新的m c 尼龙制备工艺流程图如下图1 3 所示： 3 一 加热，抽真空脱水 一 i 已内酰胺活性料f = = = = = = = = = = = = ：= = 刊混合催化剂i 放在恒温真空状态下冷却 抽真空脱水 图1 3 m c 尼龙新的生产工艺流程图 在新的生产工艺中，主要分为两个部分进行：第一部分主要在小型反应系 统中制备混合催化剂的过程；第二部分是应用制备的混合催化剂来进行大规模 生产尼龙制品的过程。这就把m c 尼龙的制备分为两个部分进行，整体上提高 工业生产的效率，节约了资源，并提高了对生产系统的调控能力。在本项目中， 把新的成型工艺应用于工业生产，节约了生产成本，使生产效率得到了极大提 古 同0 1 2 2 铸型尼龙的成型方法 铸型尼龙的成型方法通常有两种：静态浇铸聚合成型和离心浇铸聚合成型。 静态浇铸是晟简单和常用的一种成型方法，是指在常压下将原料溶液( 通 常是单体、预聚体或单体溶液等) 灌入模具型腔，完成聚合或缩聚反应而固化， 从而得到与模具型腔相似的制品。这种浇铸m c 尼龙的方法主要是用来生产滑 块、不规则制品等。其缺点是在浇铸过程中容易产生气泡，致密性不均匀等， 从而影响产品质量。 离心浇铸聚合成型又分为水平式浇铸和立式浇铸两种，一般情况下如果产 品的轴向尺寸大于径向尺寸时多采用水平离心浇铸成型方法，反之则选用立式 离心浇铸成型方法。而铸型尼龙管材轴向长度一般为6 米，有的可以达到9 米， 甚至1 2 米；径向长度一般在9 0 m m 1 6 0 0 m m ；因此m c 尼龙管材常采用水平离 心浇铸聚合成型，又称为卧式离心浇铸成型。这种浇铸方法的优点是：致密性 好，不容易产生气泡，产品质量高。 1 2 3 卧式离心法浇铸管材的优点 采用卧式离心法浇铸的管材具有如下优点【17 1 ： 1 、卧式离心浇铸聚合成型工艺先进，简单易行，管材的力学性能稳定、 4 材质均匀一致性较好，质地紧密，提高了产品的整体性能。 2 、由于离心的作用，离心浇注的管材，大大提高了产品的质量，而且成 型产品中无气孔、缩孔等现象发生，提高了产品的合格率。相对于尺寸精度要 求不高的产品，在模具精度高的情况下，浇铸出的产品不需要二次加工，一次 即可成型，也比较符合绿色设计的概念。而用卧式离心法浇铸成型的尼龙管材 均是一次成型，无需二次机械加工，而且产品的合格率在9 5 以上。 3 、卧式离心浇铸聚合成型工艺可以生产出不同口径和不同厚度的管材产 品，从而克服了以往生产薄壁管材难的缺点。还可以根据配方的不同，生产出 适应不同工作环境的管材，比如抗静电尼龙管材、耐磨损尼龙管材、耐腐蚀尼 龙管材等。其产品样式较多，可以根据不同需求进行改性，灵活多变。 4 、卧式离心法浇铸的管材无论是在长度上还是口径大小上都有很大的提 高，离心浇铸的管材的长度目前主要以6 米为主，其口径为d n 9 0 一d n l 6 0 0 甚至 更大的尼龙管材，这是挤出成型和静态浇铸所不能相比的。 1 2 4m c 尼龙管材的性能和应用 随着塑料行业的发展，大口径尼龙管材凭借着自身的优点将成为管材运输 业中的主力军。开发生产高强、轻质、耐磨、耐腐蚀的大口径管材已被科技部、 国家纪委列入1 9 9 9 年颁布的当前优先发展的科技技术产业重点指南。经过 这几年的发展，大口径管材已经成为塑料管材发展的主要方向之一，其生产管 材的必要设备卧式离心成型机也完全由国内制造，本文主要是在前人对离心成 型机研究的基础上对管材离心成型机进行技术改造，并提出新的见解。 铸型尼龙管材的优点主要表现在以下几个方面：强度工作压力为 o 2 m p a 4 0 m p a ；轻质一m c 尼龙管材的密度约为钢材的1 7 6 左右；耐磨同等情 况下，体积耗损约为钢管的1 s ：耐腐蚀可耐多种化学介质的侵蚀，无电化学 腐蚀，不需要防腐层：低摩阻铸型尼龙因其自身的润滑性，在同等条件下，管 材压力损失约为钢管的7 0 ，而且可以阻止介质在管壁上结垢等。因此，尼龙 管材成为了近几年市场上畅销的产品，在很多领域中是其他塑料管材良好的替 代品。可广泛的应用于航道疏浚、化工行业、火力发电、冶金行业、石油开采 等行业。 1 3 本课题研究的背景、意义和来源 1 3 1 本课题研究的背景 首先，近几年随着全球化竞争的加剧，对资源的需求越来越大。在可持续 发展的理念的要求下，绿色设计越来越引起人们的关注。绿色设计的理念不仅 要求节约资源，而且还要求减少环境污染，把环境问题放在了设计之中。 其次，随着国家基础设施的投入加大，一些跨省、跨区域的大型引水、排 污、输油、输气等工程陆续启动；在全国各地的排水，引水工程中，对大口径 管材的需求越来越多。而铸型m c 尼龙管材依其自身特有的属性，越来越受到 5 人们的关注和认可。 最后，在铸型m c 尼龙的生产上，主要是利用管材离心成型机进行生产。 管材离心成型机【1 8 】最初是用来生产金属管材的。1 9 1 4 年巴西的工程师德拉沃 ( d el a v a u d ) 发明了水冷金属型离心铸管法。我国是在1 9 8 5 年开始从美、德 等国引进水冷金属型离心铸管法技术和设备。这种设备主要是用来生产球墨铸 铁管材的，此时的非金属管材的生产在国内还是一片空白。近几年随着塑料行 业的发展，这种离心铸管设备经过改造，逐渐运用于生产塑料管材，由于起步 比较晚，技术不成熟，所以在塑料管材离心成型机技术还不是很完善，有许多 需要改善的地方。鉴于尼龙管材的广泛用途，研究非金属管材的离心成型设各 就越来越有意义。 1 3 2 本课题研究的意义和目的 由于铸型m c 尼龙管材有着很大的发展前景，而且国内的生产管材技术起 步较晚。本文主要是在绿色设计的理念下，对现有的生产管材的离心成型技术 进行技术改造。本文研究的成果可供从事绿色设计研究的人员特别是从事塑料 塑性成型工作的工程技术人员，从事管道生产的人员和从事离心设备研究的人 员作参考，具有一定的理论研究价值和现实及长远的经济意义。 1 - 3 - 3 本课题的来源 本课题来源于合肥某橡塑设备有限公司对大型m c 尼龙管材离心成型机的 技术改造项目。 6 第二章管材离心成型机 2 1 管材离心成型机 2 1 1 管材离心成型机的发展历程 1 8 4 9 年，英国人安德罗逊克( a n d r e ws h a n k s ) 制造出世界上第一部管材 离心成型机【19 1 。此后逐渐淘汰了传统的以手工操作为主的卧浇铸管和立浇铸管 工艺。1 8 7 0 年生产出直径为7 5 m m 长达3 6 0 0 m m 的离心管材。 1 9 1 0 年，德国工程师奥托勃里迪( o t t o b r i e d e ) 设计出可移动浇铸槽 的管材离心成型机，改善了生产长管子难的缺点。 1 9 1 4 年，巴西工程师代德拉沃( d el a v a u d ) 在奥托勃里迪离心机的基础 设计出水冷金属型铸型法，使金属型离心铸管的机构和生产工艺更为合理，在 铸铁管的生产方面获得了成功。它有三个特点：金属型水冷，提高了冷却速度 和生产率；采用移动流槽能生产出更长的管子；采用拔管装置提高了生产效率。 目前世界上大部分铸铁管都是使用此法生产，故为了纪念这位发明人此法又称 为代德拉沃法。 其它各国在制管也取得很大的发展：美国于1 9 3 3 年开始生产水冷金属型 离心铸管；加拿大、法国、日本、德国分别于1 9 2 3 年、1 9 2 8 年、1 9 4 0 年、1 9 4 5 年开始用离心法生产铸管；我国最早的离心铸管车间是在1 9 3 2 年日本侵占东 北后由日本久保田公司在鞍山开始建立起来的 2 0 1 ，在1 9 8 3 年由邢台钢铁厂首 先引进了热模离心铸管工艺，起步较晚。 这种水冷型离心铸管成型机，主要由浇铸机、离心铸管机、接管机、拔管机、 运管车等组成。离心铸管机的前面设有浇铸机，后面设有拔管机，左侧设有接 管机，运管车位于离心铸管机与接管机的中间。离心铸管机【2 1 】机壳内部配有管 材模具支撑装置、管材模具、管材模具更换升降装置和托辊等。其结构示意图 如图2 1 所示： 7 图2 1 水冷型离心成型机结构示意图 注：1 - 浇料包；2 一离心铸管机；3 电动机；4 接管机；5 拔管机：6 机座。 8 离心铸造成型法生产管材的工艺是在2 0 世纪6 0 年代发展起来的，到了7 0 年代发展速度加快。管材离心成型机最初设计和后来几十年的发展，主要是围 绕生产球墨铸铁管进行的。球墨铸铁管又称p i d 管【22 1 ，它具有钢的品格、铁的 本质。所以球墨铸铁管又称延性铸铁管，强度比钢管高，延展性比钢管高出1 0 ， 口径一般在2 6 0 0 m m 以内。球墨铸铁管的优点：耐腐性能好、耐力高、密封性 能好、抗震性能强等；其缺点为：价格高、运输不便、环境污染严重、安装困 难、生产大口径管材时球墨的程度化不高、管材整体质量下降。同时由于材料 的单一性和技术的滞后性，这种管材和离心成型机在很长一段时间内得到广泛 的应用。 2 1 2 塑料管材的发展 随着我国经济的高速发展，基础设施建设中管材的投入愈来愈大。现如今 只靠球墨铸铁管远远不能满足要求，随着塑料行业的迅速发展，涌现出许多塑 料管材( 例如硬聚氯乙烯管、聚乙烯管和铸型尼龙管材) ，塑料管材依靠其良好 的性能很快占领市场，并在一些领域内取代了球墨铸铁管材。现在，每年各类 管材的投资约占全国基础建设总投资的三分之一，是国家基础建设的重要组成 部分，也是城市和工业生产的命脉。世界上其他国家已经在塑料管材产业上取 得很大的发展，其中德国克拉公司具有整套的生产塑料管材的生产设备，并于 2 0 0 5 年在土耳其承接世界上第一大口径塑料压力管材工程；美国自1 9 9 7 年开 始购置国外塑料管材生产线技术，生产出的塑料管材已用于城市输水工程和排 污工程：日本政府于1 9 9 5 年在东京、神户各建立一套生产线，并决定用塑料 管材更换原来的排水管材，2 0 0 4 年开始引进国外先进塑料管材的生产线；我国 起步较晚，于1 9 9 8 由石家庄宝石电子集团和美国运通国际有限公司共同投资 并引进德国大口径塑料管材生产线，其产品主要用于市政工程和化学储罐，产 品己获得河北省优质建材金奖并列入建设部为2 0 0 0 年优先推广使用的新型建 材。另外山东栾州长龙管材公司、辽宁大连东高新管材公司也相继引进了国外 大口径塑料管材生产线。 生产塑料管材的机器有挤出成型机和离心成型机，离心成型机的生产设备 类似于球磨铸铁管的生产设备，它是在原来水冷型金属离心技术的基础上进行 设计研发的，至今已有十几年的发展，技术日趋完善。乙烯管的生产主要是靠 挤出成型机，相对于铸造尼龙管材而言，其生产设备主要是卧式离心成型机。 这主要是因为尼龙的成型过程和其他塑料的成型过程不同，尼龙的成型过程又 是一个化学反应过程。m c 尼龙具有聚合温度低、结晶度高、工艺简单、分子 质量大、力学性能高等优点。相对于其他塑料具有耐磨、自润滑、减震消音、 耐油脂、耐化学腐蚀、使用范围宽等特点，在某些场合可代替铜、绿、钢等金 属材料23 1 。鉴于m c 尼龙的特性，用这种塑料生产的m c 尼龙管材将具有广泛 的前景。 由于生产管材的离心机进口设备价格高，前人在水冷型金属离心机的基础 上进行改进，开发出国内生产塑料管材离心成型机设备，并取得一定的成绩。 铜陵中环管业有限责任公司是目前国内大型改性m c 尼龙产品生产企业，公司 承担4 0 0 0 吨年改性m c 尼龙管材、管件项目，2 0 0 0 年1 1 月被发改委列为“国 家高科技产业化示范工程”，该项目已于2 0 0 3 年6 月建成投产。2 0 0 3 年元月又 被国家科委列为“国家8 6 3 重大专项研究”计划。以塑带钢和发展管材运输业 是两大世界性发展趋势，随着我国经济的发展，大口径工程塑料管材已经成为 急需。铜陵项目的建成投产，弥补了我国高性能、高强度、大1 2 1 径工程塑料的 空白。相继在山东东营和山东枣庄也出现了生产尼龙管材的厂家。 2 1 3m c 尼龙管材的优点 m c 尼龙管材的优越性主要是由m c 尼龙的性能决定的，m c 尼龙性能如下 表2 1 所示。 鉴于m c 尼龙的性能，用离心法生产的m c 尼龙管材具有如下优点： 1 、绿色环保节能：首先，m c 尼龙管材的生产过程对环境无污染，尼龙的 制备过程是一个化学反应过程，生成的物质是尼龙和极少量的水。因此m c 尼 龙管材的生产是没有废气、废水和废料产生的；其次，废旧管材和不合格管材 可以回收利用，加热成熔融状态后压铸成所需要的产品( 以板材为主) ，也符合 绿色设计的理念和国家可持续发展战略思想；最后，m c 尼龙是碳氢化合物燃 烧时，生成的物质只有二氧化碳和水蒸汽，无其它有害气体产生，并且散发出 相当于燃油的热能，废料又可以作为能源加以利用。在设计过程中，在成型机 的外面加了一层保温系统，提高了能源的利用率。 2 、管材内壁的粗糙度低：采用离心成型法生产的m c 尼龙管材内壁光滑， 粗糙率很小，这主要是靠离心力的作用和m c 尼龙自身具有自润滑性造成的。 m c 尼龙管材内壁粗糙度低，使管内的液体或气体流动时阻力损失小，保障输 送介质的流畅，提高流量；此外，m c 尼龙管材还具有很强的抗附着性，管内 不易结垢，沉积物无法附着，随管内液体或气体流动排走。使用m c 尼龙管材 运输时，管材不仅安全、不会堵塞，而且还可以提高运输介质的流量。 3 、抗腐蚀性强：m c 尼龙管材具有稳定的化学性能( 其性能如表2 - 1 所示) ， 几乎对所有的稀盐酸、碱、酒精、油、汽油和城市污水等具有抗腐蚀能力。m c 尼龙管材可以用来运输腐蚀性物质，如造纸厂的排污管道，化工厂的污水处理 管道等；也可以把管道埋设在环境恶劣的场地，如高碱、污水以及具有腐蚀性 的环境。 1 0 表2 1m c 尼龙性能 项目数据 物理性能 密度g c m 3 1 0 2 3 吸水率( 2 4 h ) 0 0 2 0 0 3 吸水率( 长时间) 0 0 4 0 7 摩擦系数 0 1 5 热性能熔点2 3 5 2 5 0 热变形温度( o 4 5 m p a ) 2 0 4 2 1 8 热变形温度( 1 8 2 m p a ) 1 4 9 2 1 8 线胀系数k 1 5 1 0 8 幸1 0 燃烧性自熄 力学性能 拉伸屈服强度m p a 9 7 拉伸强度m p a 8 4 断裂伸长率 3 6 拉伸弹性模量g p a 4 2 弯曲强度m p a 1 3 4 弯曲弹性模量g p a 4 2 压缩强度m p a 1 2 5 缺口冲击强度7 k j m 一2 不断 化学性能耐酸性能被硫酸、甲醇、乙醇等溶解或部分溶解： 耐盐溶液性在常温下易被某些盐类如氯化钙饱和的甲醇溶液和强 氧化剂破坏 耐碱性能耐各种浓度的碱 耐油性对各种动植、物油类有好的稳定性 耐有杨溶性不受醇类碳氧化合物、卤化碳氢化合物及酮等的 影响 耐老化性日光及气候 纯m c 尼龙要阳光暴晒半年后，物理力学性能特 影响别是冲击韧性好伸长率将明显下降，改性后耐光老化 性能将明显改善，户外使用寿命可达s 0 年2 引。 4 、很高的耐磨性：m c 尼龙本身具有很好的耐磨性【2 引，m c 尼龙通过离心 技术浇铸出的滑轮现在已经用于电梯( 取代了原先的金属滑轮，m c 尼龙滑轮 具有耐磨，噪音低等特点) 、大型工程机械等；浇铸出的m c 尼龙衬板已经安装 在矿山用的球磨机上。所以m c 尼龙管材同样具有很强的耐磨性，可以输送矿 砂泥浆或含沙量高的河水等高密度液体。 5 、安全无毒害：m c 尼龙属于惰性非极性物质，生产m c 尼龙管材时，不 添加任何重金属盐和有毒害药剂。完全燃烧时，生成物只有二氧化碳和水，可 适用于清洁供水管材。属于无毒性产品，也符合绿色设计的标准。 6 、良好的柔韧性：m c 尼龙具有很好的柔韧性，其断裂伸长率高达3 5 0 。 m c 尼龙管材之间的连接可以采用对接焊熔法，这种方法可以使管材连成整体， 整个管线就具有较大的柔韧性，比较适合用在软地基基础或无承载压力基础的 地方，可以随地形起伏铺设。而且这种连接方法可以减少弯头、节约工时，适 合管材基础不均匀沉降及变形。即使发生高强度地震，管材断裂的可能性也很 小，仍可以正常输送介质，不会使地震次生灾害扩展。钢管、铸铁管或混凝土 管材由于刚度过大，很难满足这种要求。 7 、便于施工安装：m c 尼龙的密度为1 0 2 3 k g m 3 ，混凝土密度为2 4 0 0 k g m 3 ， 钢材密度为7 8 5 0k g l m 3 。m c 尼龙的密度约为钢材的1 1 7 6 ，约为混凝土的1 1 2 3 4 。 因此m c 尼龙管材相对较轻，重量和成本大大降低，易于运输和现场安装，从 而缩短工期，大幅度节省施工费用。 8 、破损管材易于维护：由于m c 尼龙管材自身轻的特点。可以用于修复已 经破裂或者严重破损的混凝土管材，操作时仅将m c 尼龙管材( 外径略小于破 裂的混凝土管材内径) 分段自动焊接后，整体拉进混凝土管内即可修复破损的 混凝土管材时不必拆除，从而节省了人工挖掘的时间和费用，降低维护保修成 本。 9 、使用寿命长：在正常使用条件下，m c 尼龙管材的使用寿命为5 0 1 0 0 年，还可以在露天以及各种恶劣气候条件下使用，并具有很好的柔韧性。 1 0 、工程总体造价低：对于大口径管材而言，运输和安装费用约占总体费 用的3 0 左右。球磨铸铁管材本身的价格就比m c 尼龙管材价格高，而且m c 尼龙管材便于维修和运输，因此，m c 尼龙管材的综合造价要比球墨铸铁管材 低得多。 2 1 4 现有管材离心成型机的缺点 现有管材离心成型机主要有两大缺点：一是转速低：二是成型过程采用的 是冷成型技术。 管材成型机的转速主要是由液体粘度、模具内壁粗糙度、介质种类、温度 等有关。m c 尼龙管道成型机的成型过程不同于以往的成型过程，它不仅采用 了热成型技术，而且它的成型过程是一个化学反应过程。在成型过程中需要很 快达到很大的转速，把m c 尼龙料浆贴附在管材模具内壁周围。相对大的速度 不仅能满足m c 尼龙管材的成型要求，而且会使产品的致密性和质量更好。 现有的离心成型机采用的冷成型技术具有以下缺点：一是会对产品的质量 有影响，因为浇铸出的产品温度很高，而外界温度低，会存在急剧变形；二是 造成能源的浪费，在生产过程中需要大量的热量，采用冷成型技术会使得大量 热量的散发，造成资源的浪费，不符合绿色设计的理念。在设计过程中采用了 热成型技术，不仅克服了以上缺点，而且也会提高产品质量。 1 2 2 2m c 尼龙管材离心成型系统 m c 尼龙管材之所以有这良好的性能，不仅是由于其自身的优良性能，主 要是因为它的聚合和成型过程同步进行，它采用了离心成型工艺，摒弃了以往 螺杆挤出成型法；管材成型后通过后处理系统消除内应力，进一步提高材料结 晶度，提高管材的性能质量【2 引。其中成型方法是采用的离心成型工艺主要是通 过管材离心成型系统【26 】来完成的。 管材离心成型机的主要功能是将管材模具及附件预热、干燥，尼龙料浆注 入模具，模具带动尼龙料浆旋转，使尼龙料浆贴附于管壁上聚合成型，从而生 产出各种规格的m c 尼龙管材及其连接附件。离心成型机的工作原理是把熔融 的尼龙单体、催化剂先后注入反应釜，接着倒入预热好的模具内，通过离心力 和自身粘附力的作用把尼龙料浆附着在模具内壁上，此时尼龙料浆慢慢聚合凝 固成型，进而生产出各种规格的m c 尼龙管材。离心管材成型机主要零部件包 括机座、托辊、托辊支撑、动力输入系统、转动件润滑系统、模具纵向定位装 置、模具端盖开闭装置、加热及保温控制系统等组成。 该系统主要是参照现有的离心成型机系统而设计的，现有系统的很多结构 还有很多改进的空间，尤其自绿色设计和可持续发展提出之后。本文主要从绿 色设计的理念出发并对现有m c 尼龙管材离心成型机进行了探讨和研究，并取 得了一定的成果。 第三章离心成型机的关键技术 由于市场的需求、尼龙管材的良好性能、以及生产尼龙管材的技术不断完 善。2 0 1 0 年初，合肥某橡塑设备有限公司提出了自行研制m c 尼龙管道离心成 型机的项目，该项目主要以生产大口径尼龙管材和尼龙管材配件为主。在该项 目中，本人承担了主要的设计工作，在设计过程中对离心成型机的关键技术和 绿色设计作了深入的研究。并以现有的管材离心成型机资料作为参考依据，分 析和研究了现有离心设备的优缺点。为了提高产品质量，提出了热成型技术， 使得整套设备在生产时一直处于热状态下，为了满足此要求，在绿色设计的理 念下对关键技术进行了设计和研究。 经调查国内现在利用管材离心成型设备生产塑料管材的厂家较少，较多的 是利用挤出成型设备生产塑料管材。在江苏科技咨询网上找到南京一家提供尼 龙管材生产技术的公司，总投资接近千万，但是产品规格较少。最后通过与国 外联系，发现外国有这样的生产设备，但是一套成型机造价在1 3 0 0 万，不包 括运输费用，而且制造周期又较长，在国内研究此设备很有现实意义。 合肥某橡塑设备有限公司一直从事塑料管道，尤其是从事m c 尼龙管材以 及其设备的研究。在2 0 1 0 年提出了由公司设计一套管材离心成型机设备的项 目，设计的基础是参照现有的管材离心成型设备，目前整套设备以生产 d n l 3 0 一d n 6 0 0 的尼龙管材为主。根据现有设备细节上存在的不足，并在绿色设 计的理念下进行分析和研究，最后进行设计改进并付出实施。经过研究和分析 发现，现有离心成型设备存在的不足主要表现在以下几个方面： 1 、固定的支撑系统，当浇铸时，管材模具会存在热变形，固定支承限制 了这种变形，使得模具自身发生变形，减少了管材模具的使用寿命。 2 、产品的合格率低，主要是因为对于模具的支撑采用的是固定支撑，由 于在浇铸的过程中模具存在急剧变形，使得产品容易发生变形。 3 、管材模具的设计过于笨重，启动起来需要的动力较大，会造成能源和 材料的浪费，不符合绿色设计的理念。 4 、没有采用保温装置，造成能源的浪费。 根据这些不足之处，并对这些问题进行了深入的研究和探讨，从而就关键 技术问题进行改进和设计。 3 1 关键技术之一管材模具支撑系统 m c 尼龙管材离心成型机的支撑系统主要包括支撑板和支撑托辊，支撑板 主要是用来连接模具和托辊的，托辊主要是由来支撑管材模具和带动管材模具 旋转的。在整个设计过程中，采用了“浮动支撑”的结构。这种结构的好处是 可以减少由于支撑板引起的振动以及由于模具的急剧变形引起的产品质量的降 低。 托辊在整个设备中起着支撑管材模具的作用，在支撑模具的时候改变了以 1 4 1 3 ) h i sp啪s t 0 可是他主要的弱点是希望自己如骑士般彬r e 2 a i l i n g w e a k n e s st ob et h o u g h th a v ea p o l i t ea n dh a p p y t o mt og n l l a n u y 彬有礼、快乐，确实他比任何人都欠缺这些品质 1 4 ) w o m e nh a v e , i ng e n e r a l ，b u to n eo b j e c t , w h i c hi st h e i rb e a u t y , u p o nw h i c hs c a g o ea n yf l a t t e r yi st o og r o s sf o rt h e mt of o l l o w t h i s t n l t hi sc 、，i d e 毗f r o mt h es t u d i e da n de l a b o r a t ed r e s so f t h eu o i e s tv o o n 强ni nt h ew o r l d 女人通常只关注一件事，那就是美貌。对美貌 无论怎样恭维也不为过上苍无论如何也不会造出一名其丑无比的女子，丑得对恭维自己外貌的言语都无动于衷。 l5 ) a nu n d o n b t e d , u n c o n t e s t e d , c o n s c i o u sb e a u t yi s ，o f a l lw o m e n ，t h el e a s ts e n s i b l eo ff l a t t e r yu p o nt h a th e a d ；s h ek n o w si ti sh e rd u e a n di st h e r e f o r eo b ! i g c dt on o b o d yf o rg i v m gi tt oh e r 一个确确实实、毫无争议、意识到自己美貌的美人是所有女人中对美貌的奉 承最不敏感的，她认为那是她应得的，并不因此而感激任何人。 1 6 ) b u tt h e r ei sn ol i v i n gi nt h ew o r l dw i t i l o u tac o m p l a i s a n ti n d u l g e n c ef o rp e n p l e ：sw o a k l e s s e s , a n di n n o c e n t , t h o u g hr i d i c u l o u sv a n i t i e s 但是世上没有人不热哀于接受他人的奉承，这源自人性的弱点和荒谬但又天真的虚荣。 1 7 ) t h e i r e r l o r i s a c o m f o r t a b l e 伽e t o t h e m s e l v e s ，a n d a n i n n o c e n t e n e w i t hr e g a r d t o o t h e r p e o p l e