（机械设计及理论专业论文）经轴染色机的流量控制和自动配料系统的设计.pdf

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值周围，使参数的波动小，控制的品质好，具有良好的适应性。 根据厂方的鉴定与检测，经轴染色机的机械结构设计和自 动控制系统的设计是稳定的。高温高压经轴染色机在中国研发 成功，填补了我国自制高温高压经轴染色机的空白，改善了国 产机对轻薄型或中厚型涤纶针织物染色质量，对国民经济的发 展做出了一定的贡献。 关键词：经轴染色机，p l c ，模糊控制，p r o e ，自动控制系统 t h er e s e a r c ho na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f d y e s t u f ff l o w i n g a n dc o n f e c t i n gd y e s t u f fi nb e a m d y e i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h eb e a md y e i n gm a c h i n ei sa l s on a m e dr e e ld y e i n gm a c h i n e t h et e x t i l ei sd y e dw h i c hi sw i n d e da na x e sw i t hl o t so f s m a l lh o l e t h ea x e sc a nr u ns l o w l yo ra tr e s td u r i n gt h em a c h i n ed y e i n gt h e t e x t i l e t h ed y e s t u f fc a nf l o ww i t ht w od i r e c t i o n su n d e r t h ec o n t r 0 1 o ft h ep u m p t h i sp a p e rh a st w op a r t s t h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e a n dt h er e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m p r o e n g i n e e r i n g w a su s e dt od e s i g nm e c h a n i c a ls t r u c t u r et or e a l i z et h ef u n c t i o no f b e a m d y e i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt oc o r r e l a t i v ed a t aa n d t h e c o r r e l a t i v ee x p e r i e n c eo ff a c t o r y t h eb e a md y e i n gm a c h i n ei s a h i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r em a c h i n e ，s os o m ei m p o r t a n t p a r t so fm a c h i n ei sa n a l y z e db ya n s y s a tl a s t ，t h em a c h i n e r yo f t h eb e a md y e i n gm a c h i n ew a s d e s i g n e ds u c c e s s f u l l y p l c ( p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r 0 1 ) w a su s e dt od e s i g nt h e a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mt or e a l i z et h ec o n t r 0 1 f u n c t i o no ft h e b e a md y e i n gm a c h i n e s e l e c t i n gt h ep l co fp a n a s o n i ca n d c o n f i r m t h en u m b e ro fi 0 ( i n p u t o u t p u t ) o fp l c ，a n dt h e n d e s i g nt h e h o o k u po fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h ef u z z yl o g i ct h e o r yc a nb e i n v o l v e dw h e n d e s i g n i n gt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fd y e s t u f f f l o w i n g a tl a s t ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m o fc o n f e c t i n g d y e s t u f fa n dd y e s t u f ff l o w i n gi nh t h pb e a md y e i n gm a c h i n e w a sd e s i g n e d t h ea u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m o f d y e s t u f ff l o w i n ga n d c o n f e c t i n gd y e s t u f fi nh t h pb e a md y e i n gm a c h i n eh a ds t a b l e o p e r a t i o na n dh i g h a u t o i m m u n i z a t i o n t h es u c c e s s f u lr e s e a r c ho n b e a md y e i n gm a c h i n ei sac o n t r i b u t i o nt ot h ep r i n t i n ga n dd y e i n g i n d u s t r yo fc h i n aa n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yo fc h i n a x u w e n q i a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db ya s s i s t a n tp r o f h u a y a n k e yw o r d s ：b e a m d y e i n gm a c h i n e ，p l c ，f u z z yl o g i ct h e o r y ， p r o e ，a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 目录 第一章绪论1 1 1高温高压经轴染色机的特点与国内、外现状1 1 2高温高压经轴染色机的自动配料系统2 1 3高温高压经轴染色机的流量控制系统4 1 4选题的意义5 1 5本文所要研究的主要内容6 第二章机械结构部分设计7 2 1结构设计方案7 2 1 1 自动配料系统结构方案7 2 1 2 流量控制系统结构方案8 2 2结构设计实现的基本要求9 2 2 1 设备材料的选定9 2 2 2 结构设计软件p r o e n g i n e e r 的介绍与使用10 2 3 自动配料系统的结构设计l0 2 3 1 配料的工艺过程1 1 2 3 2 配料系统的机械结构设计l1 2 3 3 自动配料系统中元件的选择1 2 2 4流量控制系统的机械设计14 2 4 1 流量控制系统的工艺过程14 2 4 2 流量控制系统的机械结构设计1 5 2 4 3 流量控制系统中元件的选择l5 第三章主要技术参数的计算1 9 3 1配料箱内热交换器的参数计算19 3 1 1 热量传递方式的确定19 3 1 2 热交换器参数的计算2 0 3 2管道的设计计算2 2 3 2 1 管道的设计计算2 2 3 2 2 管道的压力试验2 6 3 3 弯管处的a n s y s 有限元分析2 7 3 3 1a n s y s 的软件介绍与使用2 7 3 3 2 流量控制系统结构中管道的a n s y s 有限元分析2 7 第四章控制系统的研制3 4 4 1 p l c 的基本特点3 4 4 2自动配料控制系统和流量控制系统的p l c 软件设计3 4 4 2 1 自动配料及流量控制系统的控制流程图3 5 4 2 2 自动配料及流量控制系统的i o 分配3 8 4 2 3f p l 型p l c 的硬件选择及梯形图编程4 0 4 2 4f p1 的硬件安装和维护41 4 3自动配料控制系统与流量控制系统的外电路设计4 3 4 4触摸屏在p l c 上的应用4 5 第五章模糊控制理论在流量控制系统中的应用4 8 5 1基于p l c 的模糊控制概述4 8 5 2模糊控制的基本原理4 8 5 2 1 模糊控制系统的组成4 8 5 2 2 模糊控制器4 9 5 2 3 模糊合成运算和模糊推理方法5 0 5 3 基于p l c 的流量控制系统的模糊控制器的设计5l 5 3 1 流量控制系统中压力的工艺曲线5 2 5 3 2 模糊控制器的设计5 2 5 3 3 模糊控制算法的p l c 实现61 第六章总结与展望6 3 6 1总结6 3 6 2 展望6 3 参考文献6 5 攻读学位期间发表的学术论文6 9 致谢7 0 硕1 ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高温高压经轴染色机的特点与国内、外现状 经轴染色机又称为卷轴染色机。织物是以平幅卷绕在一只带孔的 芯轴上进行染色的，在染色过程中，布卷可做慢速回转或不做运动， 而染液则在染液泵控制下，正向( 自芯轴内向布卷外) 或反向强行穿 透织物层进行循环。 高温高压经轴染色机主要应用于不易承受张力的轻薄型或中厚 型涤纶针织物( 如蚊帐布、装饰布等) 的染色，一般最高染色温度为 14 0 ，具有一定的定形作用。经轴染色机的优点是染色织物的尺寸 稳定性好，不会产生折皱，染色的织物滑爽挺括，对棱形花纹、条纹 的针织物用经轴染色机染色要比绳状浸染和液流染色的质量好似3 1 。 染色前先由卷绕机将织物平整地卷绕在布满小孔的芯轴上，对于 经编织物还要采用剥边器等装置防止卷边。卷绕成布卷后包上几层包 布，加上金属匝使织物固定，然后送入高温高压染缸。高温高压染缸 中先加助剂，由主泵使助剂在四通换向阀控制下，正反循环逐渐升温， 一方面将织物中的空气驱除，另一方面又将织物浸透，然后通入染液 继续升温，升温操作按工艺规定严格准确进行，包括染液正反交替循 环的循序和时间。染液正反交替周期应视织物品种、染料类别、布卷 直径等因素决定，一般正向循环时间多于反向循环，有些疏松织物则 只用正向循环，以防止产生皱缩。染色完毕后逐渐降温，以避免织物 手感硬板，降温至9 0 以后可以排气排液，最后被染织物出机叫】。 经轴染色机在国外早有研制，在德国、前苏联、西班牙等国都已 经批量生产，并在国际上有一定的市场。新一代的高温高压经轴染色 机主要的生产厂家有香港立信公司、德国娣斯公司和特恩公司，西班 牙a t y c 公司等。在国内，经轴染色机尚未有生产厂家。 苏联19 71 年产a k - 220 1 经轴染色机可供丝绸织物的染色，该设 备有真空系统，在高温高压染缸内装入染液之前，对经轴进行抽真空， 硕j ：学位论文第一章绪论 染液由调配槽压入高温高压染缸，热交换器容量高，可加快工作溶液 的加热与冷却，经轴从高温高压染缸中取出可借助电动机械牵引实 现。 a t y c 公司生产的s u p e rtu r b oh t 经轴染色机，该型机的特点是生 产效率高，品质好，泵直接连接在高温高压染缸尾端；热交换器置于 高温高压染缸内的底部，减少热能的损失免去连接的管路，显著降低 浴比。该机有精确的自动化系统，保证染色过程稳定，能染出高品质 的布。 立信公司设备有许多优点：采用气垫式设计显著降低浴比；压力 脱水功能，用压缩空气可脱去20 的多余水分，缩短水洗时间，减少 水洗耗水量；载量大、缸量体积小；专利注册大流量高效率离心泵， 具有足够的穿透力，确保染色质量；专利注册多功能节流式液流换向 器，可随时改变缸内液体的流向，且无换向停顿时间，使染液流动均 匀顺畅，缩短染色时间，提高染色均匀度；定量加料系统使加料均匀 稳定，达到染色过程的精确控制，确保染色重现性：c v f 流量控制系 统，实现流量的精确测量与控制；先进的电脑及控制系统。 1 2 高温高压经轴染色机的自动配料系统 经轴染色机最基本的功能就是染色，而所用的物质就是染液。染 液配比的精确度及浓度大小的准确度直接影响着产品的质量，在国内 使用的其它类型的染色机中，对染液的配制有相当一部分都是由手工 来完成的( 特别是国产机) ，这样不但不能精确的达到所需要的染液 配比浓度，更加不能实现产品染色的重现性。因此只有对各种原料进 行精确的计量才能确保准确的染液组分。只有对配料全过程准确的控 制才能保证配料的工艺质量，只有对染液浓度进行精确的检测才能保 证产品的质量【8 1 。因此有必要设计自动配料控制系统，对各种染液的 配比由自动配料系统来自动完成，这样不但可以提高染液浓度的精确 性，确保准确的染液组分，减少工人的劳动强度，而且能达到产品染 色重现性的要求。 2 硕i ：学位论文 第一章绪论 自动配料系统是用p l c 进行精确的原料配比及对相应的阀门、泵 等进行控制，来完成自动配料过程，并通过相应的仪表对原料的加入 量进行显示，通过一系列的传感器对染液的加入量和浓度等进行检 测。在自动配料系统操作时，根据工艺要求，在染液配比之前通过触 摸屏输入各种原料的需求量，系统将输入信号传送给中央控制区，控 制区发出信号，启动相应原料的电磁阀来开启阀门，同时流量计开始 工作，当某种原料加到设定量时，则阀门关闭，停止这种原料的加入。 当各种原料均按设定量加入配料箱中后，控制区发出指令，启动辅泵 来循环搅拌染液，使染液混合均匀，同时用高温蒸汽将混合液体加热 至9 0 。混合均匀后，p h 值计工作，检测染液的p h 值是否满足工艺 要求，若不满足，则自动进行相应的调节；若满足，则配料箱下端的 阀门打开，同时辅泵开始工作，将染液导入染缸中。在配料箱下端有 一个液位传感器，当染液达到最低液位时，液位传感器发出信号给中 央控制区，控制区发出指令来关闭下端阀门，这样来完成自动配料的 全过程。同时，配料装置也可以手动完成，操作人员可以通过控制面 板上的操作按钮，来控制各种原料的电磁阀的开关与辅泵的启动和停 止，以便控制各种原料的流量，同时流量计显示出各种原料的加入量， 以便于操作人员能准确的控制原料加入量。 图1 1 自动配料系统结构图 硕l ：学位论文第一章绪论 1 3 高温高压经轴染色机的流量控制系统 染液在由配料箱打入染缸后，配料箱下端的阀门就会关闭，染液 就会在染缸内循环，实现周期性的正向、逆向循环流动，同时染缸内 开始升温至l40 ，染缸内的压力也开始升高至0 4 m p a ，此课题基于 以上的工作原理，来进行流量控制。稳定的流量是决定染色质量的关 键，由于在染色过程中存在升压与降压过程，染液还要周期性的进行 正向、逆向的循环流动，因此流量控制系统的结构及其管道的设计是 重要的，通过对管道的设计与布置，使染液可以正常的进行正向和逆 向流动，通过对流量的控制，使染液能保持恒定的分压力并能保持稳 定的流量，使织物具有良好的匀染性，确保产品质量的稳定性。对流 量的控制也由p l c 来实现，根据工艺的要求，合理的选择换向阀和主 泵等元件，以满足染色的工艺要求。 在流量控制系统工作前，输入染液正、逆循环工作的时间和总的 工作时间。当染液在染缸外的循环管道流动时，通过两个压力传感器 来检测缸内和芯轴内的压力值，保证缸内压力与芯轴内压力的差值等 于0 2m p a 。若其差值不等0 2 m p a ，则控制区通过对缸内压力与芯轴 内压力的差值的分析，利用模糊控制原理得出正确的调节数据，通过 变频器来改变主泵的转速，以达到染液在循环过程中稳定流量的要 求。同时利用p l c 中设有的定时器来控制泵的正向和反向转动的时间， 以实现染液的周期性正向和逆向循环流动。同样，流量控制也可由手 动来完成，在某些情况下，不需要自动控制时，可以将流量控制系统 切换为手动控制，操作人员可以通过控制面板上的操作按钮来控制阀 门的换向，以满足特殊情况下的工艺要求。 图1 2 流量控制系统结构图 4 硕l ：学位论文 第一章绪论 自动配料系统和流量控制系统的机械部分设计是由p r o e 软件来 实现的。自动配料控制系统中配料箱的大小和规格，及相应管道的安 放位置，都需要根据工艺要求来设计，并选择合适的材料。流量控制 系统中管道材料和直径的大小，及其法兰的规格和管道的布局，也需 要根据工艺要求来合理的设计和选取。同时需要对管道进行有限元分 析，以满足高温高压染色工艺的需要。 1 4 选题的意义 国外经轴染色机应用十分广泛。此设备的自动化程度高，能耗小， 在七、八十年代国外对经轴染色机的研究重点放在减少能耗上。随着 电子技术的发展，该设备的自动化控制得到应用。温度、流量、浓度、 压力、加料控制使劳动强度大大降低且染布品质得到大大的提高。可 是当今国内生产高温高压经轴染色机的厂家十分少，许多小型厂家只 生产适合对筒子纱染色的高温高压染色机，经过对我国几家大型染整 机械生产厂家了解，均没有生产此设备，我国染整企业使用的老式高 温高压经轴染色机自动化程度低，劳动强度大，易出现染色质量问题。 使用的新式高温高压经轴染色机主要是香港立信公司和德国娣斯公 司、特恩公司的产品，但由于价格高，经轴染色机并没有得到国内厂 家的广泛应用。 随着我国人民生活水平的提高，消费趋向个性化、舒适化，因此 对服装面料的品质提出了更高、更新的要求。由于染整行业有向小规 模多品种方向发展的趋势，又由于电子技术的发展及应用，国外生产 的经轴染色机成为非常受欢迎的先进生产设备。其自动化水平高，减 轻劳动强度：染色效果好，具有良好的匀染性和染色重现性；经简单 改装后，可用于经轴纱、布料、筒子纱、毛料纤维、织带的染色，还 可以供湿热法热定形处理。高温高压经轴染色机对平幅织物湿处理的 经济性十分明显，当设备由一种颜色改染另一种颜色的织物时不需要 花很多时间，是一种先进的染色方法，因此具有广泛的适用性。 硕i ：学位论文第一章绪论 1 5 本文所要研究的主要内容 本课题主要是高温高压经轴染色机的自动配料和流量控制系统 的研制，从自动配料控制系统和流量控制系统的介绍，可以概括为四 个方面的任务： 1 自动配料和流量控制系统的机械结构部分设计。根据高温高压经 轴染色机的功能要求及配料系统和流量控制系统的工艺过程，用 p r o e 对自动配料系统和流量控制系统的机械结构进行设计，使其满 足自动配料和流量控制系统的机构要求。 2 主要技术参数的计算。由于配料箱中的混合液体要加热至9 0 ， 因此要用高温蒸汽来加热，这样需要计算加热的时间和所需蒸汽的温 度。在流量控制系统中，由于工作压力为0 4 m p a ，则需要对管道进行 设计计算和压力试验，使管道满足我国gbl5 0 钢制压力容器的要 求。在管道设计计算后，要对管道进行a n asys 有限元分析，使其 能安全的工作。 3 自动配料和流量控制系统的控制部分研制。根据自动配料和流量 控制的控制流程图，对控制系统进行p l c 软件设计和外电路设计，最 终实现自动控制功能。 4 模糊控制理论在流量控制系统中的应用。由于流量控制系统要使 芯轴内外的压力差等于0 2 m p a ，为了能够较准确的控制这个差值，本 文将模糊控制理论应用于流量控制系统当中，并进行计算机模拟仿 真。 6 硕t ：学位论文 第一二章机械结构部分设计 第二章机械结构部分设计 2 1 结构设计方案 高温高压经轴染色机的机械结构主要分为：储藏罐、高温高压染 缸、 进缸小车、缸外小车、缸盖、热交换器、配料系统、流量系统 等几个结构部分。本文主要讨论配料系统和流量系统的结构方案并进 行结构设计。 通过考察张家港永胜印染厂和福建石狮印染厂的高温高压经轴 染色机，以及20 0 3 年l2 月在上海纺机展览会上展出的台湾昆士公司、 香港立信公司、西班牙a t y c 公司、德国迪斯公司的样机及产品资料， 对自动配料系统和流量控制系统的结构方案进行了对比，并选定了较 为合理的结构设计方案。 2 1 1 自动配料系统结构方案 1 自动配料系统的结构方案介绍 自动配料系统主要有两种方案，其区别在混合液体的搅拌均匀方 式上：第一种搅拌方式将电机固定于配料箱的上端，并连接一组叶片， 当电机转动时，带动叶片转动，则达到搅拌混合液体的功能：第二种 搅拌方式是在配料箱外使用循环管道，这样在辅泵的驱动下，强制使 混合液体在配料箱外部循环流动，达到搅拌混合液体的功能。 2 自动配料系统的方案对比 第一种搅拌方式主要存在两个缺点：第一个是电机放置配料箱上 端，不但使配料箱承受不必要的应力，也使整体结构不够美观：第二 个是因为叶轮只能带动一部分混合液体流动，并不能全部使混合液体 充分搅拌均匀，这样使得混合液体的均匀性存在很大的误差。第二种 搅拌方式，即可使结构紧凑美观，又可在辅泵的强制驱动下，使全部 的混合液体流动，达到均匀搅拌混合液体的目的。 因此，自动配料系统选用第二种搅拌方式即在配料箱外使用循环 管道，辅泵使混合液体在循环管道内循环流动以达到均匀混合的目 的。 7 硕l ? 学位论文 第二章机械结构部分设计 2 1 2 流量控制系统结构方案 1 流量控制系统的结构方案介绍 流量控制系统中染液的循环流动分为单循环与双循环两种方案。 单循环方案，是指染液只有一个方向的流动，即染液从芯轴内流 入，穿透芯轴和布卷流入染缸内的循环过程。 传统的单循环方案工作原理图如图2 一l ： 1 高温高压染缸 8 蒸汽入口 1 2 排液阀 1 6 溢流阀 2 循环泵3 热交换器4 加料泵 9 冷凝水入口1 0 1 1 冷却水入口 1 3 储藏罐1 4 蒸汽加压口1 5 泄压阀 1 7 压力表 图2 一l 单循环方案工作原理图 双循环方案，是指染液即可以正向流动又可以逆向流动，即染液即可 以从芯轴内流入，穿透芯轴和布卷流入染缸内，又可以从染缸内流入， 穿透芯轴和布卷流入芯轴内，其示意图如图2 2 ： 1 高温高压染缸2 四通换向阀 3 热交换器 5 4 液流管道5 主泵6 7 蒸汽、冷却水进出e l 图2 2 双向循环示意图 硕l ：学位论文第二章机械结构部分设计 2 流量控制系统的结构方案对比 单循环方案有主泵功率高、染色时间长、染色质量相对差等不足 之处，经轴染色机制造商普遍将传统的单一循环方式改为正、反循环， 管路系统采用循环装置。在使用单循环方案的染色机上所用的马达功 率l2 5k w ，并且需要高负荷运转，但在使用了双向循环装置就不需可 逆泵了，离心泵单向运转，驱动马达只要7 5k w 就够了，大大减少染 色时间，a t y c 公司在高温高压经轴染色机上用t e ch n o 型旋转离心 泵及变频组合控制调节输出染液流量和压力与传统染色过程相比较能 节省50 的能源。 因此流量控制系统采用双向循环方案，可以降低主泵的功率、减少染 色时间、提高染色质量等。根据工艺，要实现液体的正、逆循环流动， 就必须通过四通换向阀的周期性换向，来实现液体的正、逆循环流动。 2 2 结构设计实现的基本要求 2 。2 1 设备材料的选定 高温高压经轴染色机属于高温高压设备，其设计应当满足压力容 器设计、制造、管理等各项规定。就设计步骤而言，它包括调查研究、 确定方案、工艺计算、机械计算和绘制图纸等几个重要部分。 1 材料基本要求 材料要有良好的冶金质量，受压元件应由平炉、电炉或氧气转炉 冶炼，钢材应满足强度、塑性和韧性的要求。机械强度是材料抵抗外 力作用而避免产生屈服和断裂破坏的能力它是决定钢材许用应力值 的依据。塑性反映材料塑性变形的能力，一般以钢材在断裂前塑性变 形量的大小来衡量。国际标准化组织( is o ) 推荐压力容器用钢的延 伸率，对于炭钢及锰钢不小于l6 ，对于合金钢不小于l4 。韧性 是反映钢材塑性和强度的综合指标，反映钢材在断裂破坏前吸收能量 的能力。 钢材要有良好的可焊性。容器大多数是焊接结构，所以焊接性能 是选择压力容器钢应着重考虑的因素，容器的破坏也多由焊接缺陷引 起的。我国压力容器安全技术监察规程，用于焊接结构压力容器 9 硕i ：学位论文 第二章机械结构部分设计 的碳素钢和低合金钢，其含碳量不得大于0 25 。 钢材要有良好的冷热加工性能。壳体在焊接前都要进行弯卷，容 器封头要冲压成形，管子要弯管制作，这些过程都要求钢材在冷热状 态下有良好的加工性能。 2 特殊要求 压力容器是一种特殊的设备，因此它必须采用特殊的钢材。 综合上述，根据高温高压经轴染色机对材料的基本要求，简体等 受压受腐蚀元件均用s us316 不锈钢材料，非关键部件用s u s 3l6 l 等 不锈钢材料，底座、支架等不受腐蚀元件用碳素钢材料。 2 2 2 结构设计软件p ro e n gin e e r 的介绍与使用 本课题对机械结构的设计，采用p r o e n g i n e e r 三维设计软件对自 动配料系统和流量控制系统的结构进行设计。 p r o e n g i n e e r 系统是美国参数技术公司( p a r a m e t i ct e c h n o l o g y c o p o r a t i o n ，简称p t c ) 于8 0 年代中后期开发的全新三维机械设计软 件，它采用全c 语言编程，整个系统建立在统一的数据库上，具有完 整而统一的模型；完善的数据接口，可以很好的接收或输出各类通用 图形数据；以数字量传递产品信息代替以往的模拟量传递方式，对产 品理解不再有歧异性；建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植； p ro e n git i ee r 系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思 想与习惯。p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关 的概念改变了机械c a d c a e c a m 的传统概念，这种全新的概念已成为 当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准阳j 0 1 。 2 3 自动配料系统的机械结构设计 传统的配料采用人工配置，这样染液配比的精确度及浓度大小的 准确度都会出现很大的偏差，这些直接影响着产品的质量，更加不能 实现产品染色的重现性。现在参考传统的配料工艺，对配料的工艺过 程进行修正，并进行非标零件的设计和标准零件的选择，来完成配料 系统的机械结构设计l1 1 _ 1 ”。 1 0 硕i j 学位论文第二章机械结构部分设计 2 3 1 配料的工艺过程 需要的原料：水、助剂、染料、高温蒸汽；配料工艺过程如下： 1 加助剂 根据高温高压染缸( 不同的系列) 和布料的种类，先将定量的助 剂加入配料箱中，再加入一定比例的水来稀释助剂，然后通入高温蒸 汽加热至9 0 ( 加热过程中混合液体循环搅拌) ，最后用辅泵将混合 液体打入高温高压染缸内。 2 清洗配料箱 在配料箱中加入适量的水到达中液位( 即达到可以清洗配料箱的 水量) ，然后循环搅拌来清洗配料箱和相应的管道，清洗后将水排出。 3 加染料 先将配料箱中加入定量的水，然后循环加热至9 0 ，这时再将定 量的染料加入配料箱中，再次循环搅拌( 不再加热) ，搅拌均匀后， 将染料用辅泵打入高温高压染缸内。 4 最后一步是用清水清洗配料箱( 步骤如2 ) 。 2 3 2 配料系统的机械结构设计 由配料系统的工艺过程可知，此系统的机械部分主要包括配料箱 的设计和组合管道的设计，其中组合管道由加水管道、助剂管道、染 料管道、蒸汽管道和循环管道五个部分组成。其它还有泵、电磁阀、 流量计和液位传感器等元件的设计选择。 机械结构设计的创新点：在配料系统的机械结构设计中使用了组 合管道，这样使加入的水、助剂、染料等更加精确并增加染色质量的 稳定性。而传统的配料方式则没有组合管道，而是由工艺人员直接将 水、助剂、染料等由桶子倒入配料箱内，这样不但加入液体量不精确 也不能满足染色质量稳定性的要求。 首先是用p r o e 构建出配料系统的机械部分，参考传统的手工配 料工艺与相关资料，依次设计配料系统的几个机械部分： 1 配料箱 配料箱的主要功能是存储液体。参考传统的手工配料箱和相应的 硕f ：学位论文第二二章机械结构部分设计 高温高压染缸容积来进行设计。 2 水管道 向配料箱中加水主要用于溶解助剂、溶解染料和清洗配料箱，为 实现以上的功能，设计为环状喷淋式加水管道置于配料箱上端内边 缘，使加入的水可顺着配料箱的壁流入，这样可达到均匀加水和清洗 配料箱的目的。 3 助剂管道 向配料箱中加入助剂，为了能使助剂得到充分利用，则直接将助 剂加入配料箱的底部。 4 染料管道 向配料箱中加入染料，同时也是为了能使染料得到充分利用，则 直接将助剂加入配料箱的底部。 5 蒸汽管道 蒸汽管道的功能是用高温蒸汽来加热配料箱中的混合液体，使其 由常温升至9 0 ，因此，使用l2 0 的蒸汽，并使蒸汽在配料箱底部 多孔均匀射出。 6 循环管道 循环管道的功能是配合辅泵使混合液体循环达到均匀混合。 7 排液管道 排液管道主要用于将配料箱的液体排出，因此排液管道设计了两 种方式：一是在液体高于最低液位时，为了快速排液，采用泵排：二 是在液体低于最低液位时则利用液体的自重排出。 8 其它 同时为了防止染液中的杂质进入高温高压染缸，在配料箱底部通 往高温高压染缸的加料口处放置过滤网、支棍和旋盘，实现对混合液 体的过滤功能。 2 3 3 自动配料系统中元件的选择 在配料系统机械部分设计完成的基础上，为了构成一个完整的硬 件系统，还要对相关仪表及电气元件进行选择。 1 流量计 1 2 硕j ：学位论文 第二章机械结构部分设计 流量计的主要功能是计量流入配料箱内液体的体积，并能显示加 入的液体的体积，根据以上要求，对流量计进行了选择。 型号为：l e d 9 9 系列智能电磁流量计。 功能特点： 显示功能；操作设置智能化：量程自动切换功能：自检故障，报 警功能；上、下限流量报警功能；信号输出功能：通讯功能。 2 电磁阀 通过电磁阀的开关使液体能够通过和截止，并根据响应时间较 短，控制方式简单的要求，对流量计的选择如下： 型号：gbq 8 0l 二位二通电磁阀 工作原理：本阀为气控式先导型二通电磁阀，主要由三通先导阀 和主阀组成。断电常位时，外控气源被导阀活动铁芯封住，主阀活塞 下腔压力为零，阀呈关闭状态。电磁线圈通电，活动铁芯吸上，外控 气进入活塞下腔，推动活塞上移，打开主阀口，工作介质便流通；当 断电后，控制气切断，活塞下腔压力消失，复位弹簧力推动活塞下移， 主阀口封闭，阀呈关闭状态。 主要技术参数： 响应时间：o 2s ；控制介质：气；工作介质：气、液 控制压力：o 2 0 6 m p a ；工作压力：0 0 5 m p a 电压：a c 2 2 0 v 、d c 24 v耐温：12 0 功率：45 w 3 液位传感器 在配料箱中，放置三个液位传感器，即最高液位传感器：来检测 液体是否超过配料箱所能容纳的最大体积：最低液位传感器：来检测 液体是否已经到达了最低液位；中液位传感器：主要用于在清洗配料 箱时，来检测水是否达到设定的液位。根据工艺要求，液位传感器需 具有响应时间短、重现性好、耐腐蚀性强的特点。根据工艺和染液的 性质，选择液位传感器如下： 型号：u h z 5l7 c 0 6 ；名称：衬氟塑料防腐磁性液位计： 结构原理性能特点：该型液位计的基本特点是在液位计主导管各 组件内用特殊工艺衬一层氟塑料( p t f e 或p vd f ) 浮子也是全包氟塑 料。防腐性能极好，是性能价格比最高的防腐产品。响应时间0 1s 。 硕士学位论文 第_ 二章机械结构部分设计 主要用途：适用于几乎所有强腐蚀性介质。 4 辅泵 辅泵主要有两个功能：一是将配料箱中的混合液体导入高温高压 染缸内；二是使配料箱中的混合液体循环流动，以达到均匀搅拌的目 的。 选用i sw 卧式离心泵： 型号：5o 315 ( i ) a ；流量( q ) ：2 3 4 m3 h 扬程( m ) ：1 l0 m ；转速( 1 3 ) ：2 9 00 r min 电机功率( p ) ：2 2 k w ；汽蚀余量( m ) ：2 5 m 2 4 流量控制系统的机械设计 2 4 1 流量控制系统的工艺过程 原料：水、助剂和染料的混合液体；流量系统的工艺过程如下： 1 输入数据 在运行之前，通过触摸屏将运行总时间t 、正循环时间t l 、逆循 环时间t 2 输入并传送到p l c 的数据存储区，用t ( tl + t 2 ) 并取整 数1 1 为流量控制过程中的循环次数。 2 安全确认 在助剂和染料全部加入缸内后，应该确认阀4 ( 即配料箱与流量 管道系统相联的阀) 已经关闭，再进行循环操作，否则不进行下一步 工作。 3 正循环操作 即从芯轴内向染缸内流入液体，此时缸内压力为o 1m p a ，由变 频器控制泵的转速为速l ，同时由压力传感器随时检测染缸内压力。 当测得染缸内压力为0 2 m p a 时，由变频器控制泵的转速为速2 ；当 测得染缸内压力为o 3m p a 时，由变频器控制泵的转速为速3 ；当测 得染缸内压力为o 4 m p a 时，由变频器控制泵的转速为速4 。同时芯 轴内压力传感器测芯轴内压力，并确认芯轴内压力与缸内压力差等于 0 2 m p a ，则进行下一步操作，否则报警。 4 逆循环操作 1 4 硕j ：学位论文 第二章机械结构部分设计 当正循环运行ti 时间后，四通阀换向，则染液逆向循环，此时 仍保持染缸内压力为o 4m p a ，芯轴内压力减少，同时仍保持缸内压 力与芯轴压力差为0 2 m p a ，在运行t 2 时间后，四通阀换向，重复操 作正向循环，直到重复操作n 次后，完成流量控制过程的操作。 2 4 2 流量控制系统的机械结构设计 由流量控制系统的工艺过程和所确定的流量控制系统的结构方案 可知，此系统要实现正、逆向循环，因此，管道的循环形式及管道结 构设计非常重要，现从以下几个方面进行设计： 1 管道的设计 确定了染液循环流动的方案，就是要设计合理的管道来实现染液 的双向循环流动，管道主要由两部分组成：一是直管道；二是弯管道。 2 法兰等标准件的选择 法兰：dn2 0 0gb91 l6 垫圈：dn2 0 0 一l6gb9 216 2 4 3 流量控制系统中元件的选择 在流量控制系统中相关元件主要有：主泵、压力传感器。下面就 根据工艺要求和参考相关资料对以上元件进行设计选择。 因不同种类的染液，密度和粘度是不同的，因此，现根据厂方的 染液数据和相关资料，选择一种较为普遍的染液作为计算的参考数 据，其物理性质如表2 1 所示： 表2 1染液的物理性质 介质 密度( k g m 3 )粘度( c p ) 染液 8 8 5 0 6 5 1 主泵的选型与计算【l 6 18 1 主泵是高温高压经轴染色机的动力核心，依靠主泵的运转来实现 染液的循环流动，达到染色的目的。所以，主泵的选择是非常重要的， 因为它直接决定了染色质量和染色的效果，基于以上原理并参考传统 染色机的主泵，对此染色机的主泵选择如下： ( 1 ) 液压泵的基本原理与分类 硕l ：学位论文第二章机械结构部分设计 液压泵是靠密封容积变化来实现吸液和排液的，其排液量的大小 取决于密封腔的容积变化。按照结构形式的不同，液压泵分为齿轮式、 叶片式、柱塞式和螺式等类型；按照转轴每转一周所能输出的液体体 积可否调节，液压泵又分为定量式和变量式两类。 ( 2 ) 泵的分类比较与选定 参考有关资料，经轴染色机一般采用齿轮泵与离心泵两种。齿轮 泵依靠齿间和齿轮与泵壳间配合间隙的变化来吸入和压出输送介质， 在选用齿轮泵时，对粘稠性液体，选用齿轮泵是合理的。但粘度过低， 会影响齿轮泵的润滑与密封，特别是轻质化工原料，饱和蒸汽压力较 高，容易造成空转和齿轮间的无润滑磨损，所以不宜选用齿轮泵。经 查有关资料，可知，经轴染色机中，染液在4 0 时的粘度为0 6 5 c p a ， 这是很低的，没有足够的吸入真空度，很难吸入，齿轮及齿轮与泵壳 间的磨损必然严重，空转及泄漏量加大，流量不能得到保证，因此选 用更加适于输送低粘度介质的离心泵。 根据离心泵的工作原理与类型选用，结合高温高压经轴染色机的 工作原理，可以确定选用卧式抗腐蚀泵。 ( 3 ) 离心泵型号的确定1 8 】 泵流量的确定 在高温高压经轴染色机中，染缸的内径d = l2 0 0 m m ，长度l 为 2l0 0 m m ，染液一般为染缸体积的9 0 ，且染缸中的染液循环次数以为 3 次分钟，则根据以上数据，可计算出所需泵的流量d ： v ：! 刀露2 l x 0 9 ：! 3 1 4 1 2 1 2 2 1 0 9 聊3 ：1 9 8 朋3 44 q = ，l = 1 9 8 18 0 m 3 h = 3 5 6 4 m 3 h 泵扬程的确定 首先计算管路的压头损失： 由流量控制系统的机械结构系统，可计算出染液循环一周，经过 d n 20 0 管线长为l1m ，d n 20 0 的9 0 。弯头为1o 个。 计算雷诺数r e ： r e ：皇翌 1 6 硕i ：学位论文 第一二章机械结构部分i 5 2 计 式中d 一管径，m ： , 一流速，m s ； p 一密度，k g m 3 ； 一粘度，c p a ； “：盟：0 5 5 垅s r e ：丝= q ：兰兰q ：! ! 兰墅：1 4 9 9 1 0 0 6 5 弯头的当量长度，查文献1 4 2 】得： l 。= 0 2 3 5 1 0 = 7 0 m _ - 。 因雷诺数r e = l49 9 0 0 4