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河北工业大学坝十论文 颜料易分散性检验系统的研究与设计 摘要 颜料在我们的生活中必不可少。但是，彩色物品的颜色不匀及褪色现象经常发生。这 都是由于颜料的易分散性能不足等所引起的。根据德国d i n l 3 9 0 0 标准，用于不同塑料染 色的颜料易分散性必须达到一定的要求。这就要求颜料生产厂家在颜料出厂之前必须检验 颜料的易分散性。但是，目前国内还没有这种试验设备，所有的检验工作都要到国外进行。 这不仅影响产品的出口，也给颜料生产企业造成了不必要的经济负担。为增加我国出口产 品在国际市场上的竞争力，我们研究设计出一套检测准确、可靠、自动化程度高、使用方 便的化工颜料易分散性检验系统。本课题来自科莱恩( 天津) 有限公司。设计任务包括试 验设备的设计、控制系统设计和控制软件的设计。我的任务主要是试验设备的设计和控制 方法、控制元件的设计。该检验系统有两个突出特点：( 1 ) 利用熔体泵增压、稳压；( 2 ) 在 控制系统中使用变频器。 在本文中讲述了化工颜料试验系统的设计过程。包括试验方法试验原理的介绍，机械 结构设计、选材，以及控制电路设计。首先，在对现代化工加工业及化工加工机械有一定 的了解的基础上，参考挤出成型的加工方法，在试验中使用挤出机对试验材料进行预热， 并且使用熔体泵加压、稳压。筛分机是本次设计的重要内容，在设计时，使用设计软件u g 对其各部分进行造型、分析。在试验过程的控制方法上，使用专用温度传感器和熔体压力 传感器对试验原料进行温度、压力信号的采集，信号通过调理板、a d a m 模块调理转换后输 送入工控机，控制信号通过a d a m 模块转换后输送到变频器。 试验设备到现在已经完成。试用结果表明，试验结果和原来在德国测得的结果基本一 致，证明这套设备的运行可靠性。因为加入了自动控制系统，管理与操作更加简便，体现 了该设备的先进性。 关键词：化工颜料，易分散性，筛分机，检验系统，设计 颜料易分散性榆验系统的研究与设计 s t u d ya n dd e s i g no ne a s eo fd i s p e r s i o n t e s ts y s t e mo fp i g m e n t s a b s t r a c t c h e m i c a lp i g m e n t sa r ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yi no u rl i f e ，b u td e p i g m e n t a t i o no f m a t e r i a lc a n b es e e ne v e r y w h e r e ，i ti sa l lb e c a u s et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep i g m e n t si sn o ts t e a d ye n o u g h t oa v o i dt h i sp h e n o m e n o n t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep i g m e n tm u s tb et e s tb e f o r ei tb eu s e d t h i s t e s ts y s t e mi sn o te x i s ti no u rc o u n t r yn o w , t h ep i g m e n tm a n u f a c t u r em u s lt a k et h e i rp r o d u c t st o s o m eo t h e rc o u n t r y s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g nan e wt e s ts y s t e mo fo u ro w n t h es y s t e mi s d e s i g n e df o rc a r l i n c ec o m p a n ya n dm a i u l yu s e di np l a s t i cp i g m e n t s t h ew h o l ew o r ki n c l u d e s t h ed e s i g no ft h et e s te q u i p m e n t ，t h ec o n t r o lm e t h o da n de l e m e n t s ，a sw e l la st h ec o n t r o ls o f t w a r e m y t a s ki n c l u d e st h ef i r s tt w o t h et h e s i st e l l so f t h ec o n t r i v ep r o c e s so f t h et e s ts y s t e m t h et e s ts y s t e ma n dt e s tp r i n c i p l e ， t h ed e s i g no ft h ee q u i p m e n t ，t h ec o n t r o lm e t h o da n dc o n t r o le l e m e n t sa r ea l li n c l u d e d n o wh e r e a r et h es p e c i a l t i e so f t h i ss y s t e m ： i ) u s i n g as p e c i a lp u m pt oi n c r e a s et h et e s tp r e s s u r e ； i i ) u s i n gu a n s d u c e ra n dc o n t r o lc o m p u t e ri nc o n t r o ls y s t e m ； w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c h e m i c a lm a c h i n e ，e x t r u s i o ni sw i d e l yu s e di np l a s t i ce n g i n e e r i n g r e f e r e n c et ot h i s ，t h e s em a c h i n ew i l lb eu s e di nt h et e s ts y s t e m t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e s e x t r u d i n gm a c h i n e g e a r b o xo fr e d u c t i o na n dt h em a i n t e s td e v i c e f i l t r a t em a c h i n e t h ef i l t r a t e m a c h i n ei sd r i v e nb yr e t a r de n g i n e a l lt h e s em a c h i n e sa r ec o n f i g u r a t e do nt h ec o n t r o lc o m p u t e r t h ec o m p u t e rc o n t r o l st h e s em a c h i n e sb yc o n t r o lt w ot r a n s d u c e r s f i v es e n s o r sa r ef i x e di nt h e f i l t r a t em a c h i n e t h r e et e m p e r a t u r es e n s o r sa n dt w op r e s s u r es e n s o r s t h et e m p e r a t u r es e n s o r s s u r v e yt h et e s tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s o r sm e a s u r et h ei n l e tp r e s s u r ea n do u t l e tp r e s s u r e r e s p e c t i v e l y t h e s ed a t aa r es e n dt ot h ec o m p u t e ra f t e rb e i n gt r a n s l a t e db y a dt r a n s l a t o r s n e c o m p u t e rm a n i p u l a t e st h e mb ya r i t h m e t i c l o g i co p e r a t i o n sa n ds e n d sc o n t r o ld a t at ot r a n s d u c e r s a l lt h i st e s ts y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n di tf i m c t i o n sw e l la f t e rs e v e r a lm o n t h s t e s t i t h a v et e s ts o m ep i g m e n t s ，t h er e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h er e s u l t st e s t e di ng e r m a n y c o m p a r e d w i t ht h em a c h i n em a d ei ng e r m a n yo u rm a c h i n es h o w st h ea d v a n t a g eo f e a s yc o n t r o l ，l o w e rc o s t a n dw e i lm a n a g e m e n tf o rt h et e s t k e y w o r d s ：p i g m e n t s ，d i s p e r s i o n ，f i l t r a t em a c h i n e ，t e s ts y s t e m ，d e s i g n 河北工业大学顾十论文 第一章绪论 l l 引言 合成树脂、塑料为人们提供各种合成纤维、轻工业产品及特殊功能的材料，其着色剂不仅需求量逐 渐增加，而且依据不同的着色对象的特性、着色t 艺、加t 条件，对作为着色剂的有机颜料、颜料制各 物、溶剂染料及无机染料等，提出更新更高的要求。优良的耐热稳定性、耐迁移性、与树脂( 塑料) 良 好的相容性与易分散性能等着色荆的内在质量及结构特性将是直接影响树脂、塑料、合成纤维制品的外 观、应用性能( 如耐候性、强度等) 的重要因素之一。由此看来，颜料的性能对塑料、树脂制品的性能 有很大的关系。颜料的易分散性是指颜料和合成树脂、塑料的分散性能。它影响着合成树脂、塑料制品 的颜色均匀性和稳定性。根据德国d i n l 3 9 0 0 标准，用于不同塑料染色的颜料易分散性必须达到一定的 要求”“。这就要求颜料生产厂家在颜料出厂之前检验颜料的易分散性。但是以前这种检验设备在国内 并不存在，只是在德国等少数国家有，而且自动化程度不高。本次课题就是要研究设计出一套颜料易分 散性能的检验系统，并实现其试验过程的自动控制，来对颜料的易分散性进行检验。 l 一2 塑料制品的加工方法及控制方式 l 一2 1 引言 检验的目的是为了加工出来的产品具有更好的使用性，所以检验的过程必然和彩色制品的加工过程 是分不开的。因此在设计之前，我们对目前化工制品加工方法及化学加工机械进行了深入的研究。这里， 我主要研究的是塑料制品加工成型的有关内容。 中国塑料加工业是解放后发展起来的新兴产业。1 9 8 5 年国产聚氯乙烯树脂生产装置投产后，塑料 工业正式开始发展。在现代工业中，塑料工业是一个重要行业。随着科学技术的迅速发展，特别是高分 子材料技术的发展，塑料在人们的生产生活中的地位和作用将会越来越高。 从人类生产和生活使用的主要材料的发展的历史来看，人类已经经历了石器时代、木器时代和金属 时代。由此可以看出，随着科学的不断发展，人们生产生活所使用的材料也越来越高级和复杂。目前， 人类已经进入术材、钢铁和高分子三足鼎立的时代。而且，以塑料为代表的高分子材料所占的比例越来 越火。如在机器制造工业中，塑料被广泛的用来制造机器零件、部件。在电器工业中，电机，电器和电 讯产品等大量采用塑料。据统计，每年大约有2 5 的塑料用于机电工业各部门。随着国民经济的发展， 这种比例还将继续增长。在化工设备方面，如反应皿，管道，容器等都广泛采用塑料作为防腐材料，甚 至直接用塑料来制造管道、泵、阀门等各种动静密封环等。它解决了金属无法解决的腐蚀、磨损等问题。 第一章绪论 1 1 引言 合成树脂、塑料为人们提供笄种合成纤维、轻t 业产品及特殊功能的材料其着色剂不仅需求萤逐 渐增加，而日依据不同的着色对象的特性、着色t 艺、加t 条件对作为着色剂的有机颜料、颜料制备 物、溶剂染料及无机染料等，提出更新更高的要求。优良的耐热稳定性、耐迁移性、与树脂( 塑料) 良 好的柏弈性与易分散性能等着色剂的内在质量及结构特性将是直接影响树脂、塑料、台成纤维制品的外 观、虑用性能( 如耐候性、强度等) 的重要囚素之一。由此看来，颜料的性能对塑料、树脂制品的性能 有根大的关系。颜料的易分散性是指颜料和台成树脂、塑料的分散性能。它影响着合成树脂、塑料制品 的颜色均匀性和稳定性。根据德国d i n l 3 9 0 0 标准用于不同塑料染色的颜料易分散性必须达到一定的 要求【l “。这就要求颜料生产厂家在颜料出厂之前检验颜料的易分散性。但是以前这种检验设备在国内 井不存在，只是在德国等少数国家有而且自动化程度不高。本次课题就是要研究设计出一套颜料易分 散性能的检验系统，并实现其试验过程的自动控制，来对颜料的易分散性进行检验。 l 一2 塑料制品的加工方法及控制方式 1 - - 2 一l 引言 检验的目的是为了加工出来的产品具有更好的使用性，所以检验的过程必然和彩色制品的加工过程 是分不开的。因此在设计之前，我们对目前化工制品加工方法及化学加工机械进行了深入的研究。这里， 我主要研究的是塑料制品加工成型的有关内容。 中国塑料加工业是解放后发展起来的新兴产业。1 9 8 5 年国产聚氯乙烯树脂生产装置投产后，塑料 工业正式开始发展。在现代工业中，塑料工业是一个重要行业。随着科学技术的迅速发展，特别是高分 子利料技术的发展，塑料在人们的生产生活中的地位和作用将会越束越高。 从人类生产和生活使用的主要材料的发展的历史来看，人类已经经历了石器时代、木器时代和金属 时代。由此可咀看出，随着科学的不断发展，人们生产生活所使用的材料也越来越高级和复杂。目前， 人类已经进入木材、钢铁和高分子三足鼎立的时代。而且，以塑料为代表的高分子材料所占的比例越来 越大。如在机器制造上业中，塑料被广泛的用来制造机器零件、部件。在电器工业中，电机，电器和电 讯产品等大量采用塑料。据统计，每年大约有2 5 的塑料用干机电业各部门。随着国民经济的发展， 这种比例还将继续增长。在化工设备方面，如反应皿，管道，容器等部广泛采用塑料作为防腐材料，甚 至直接川塑料来制造管道、泵、阀门等各种动静密封环等。它解决了金属无法解决的腐蚀、磨损等问题。 至直接川塑料来制造管道、泵、阀门等各种动静密封环等。它解决了金属无法解决的腐蚀、磨损等问题。 颜科易分散性检验系统的研究与设计 它在国防，航天，航空事业上的使用更是举不胜举。总之，塑料在人们生产生活中的重要性是不言而喻 的。 l 一2 2 塑料挤出成型 塑料从加【：方法来分主要可分为挤山成型，注射成型，二次成型等。其中挤出成型是目前应用最 广的成犁方法。 塑料挤出成型是在挤出机中通过加热、加压而使塑料以熔融流动状态连续通过口模成型的方法。它 是塑料成型加工工业中最早的成型方法之一，也是最主要的成型方法之一。具有很快的发展速度。据统 计，在塑料制品成型加= 中，挤出成型制品的产品约占整个塑料制品产量的5 0 以上。大部分热塑性 塑料都能用此方法进行加工。具有连续生产、生产效率高，应用范围广泛等特点，能生产管材、棒材、 板材等。挤出成型产品广泛应用于各行各业。与人们的日常生活密切相关。塑料挤出成型设各组成主要 有挤出机、成型机及其控制系统。 但是一般的挤出机当螺杆转速有波动或添加料不均匀时，会引起挤出压力的不稳定。影响挤出质量。 国外高精密挤出设各中人多配备熔体齿轮泵。熔体齿轮泵一般是被安装在挤出机与成型机机头之间的串 联式稳压装置，有两个设计精密的齿轮相互啮合运转，把熔体由低压变成高压，送入机头。挤出机保持 低压而机头内保持高压。这样就可排除挤出过程中嫘杆转速及压力变化对产品质量及产量的影响。这车中 挤出系统可以加工不同粘度、不同特性的多种塑料和树脂。熔体泵有单独的驱动电机，理想情况下它是 一种正位移输送设备”，同时，还是一个“压力发生器”。即无论挤出机内的压力如何波动，只要熔体 泵入n 处的熔体能充分充满螺槽，它就能以稳定的压力和流量向机头输送物料，并保证机头无压力波动 的挤出。总体来讲，与挤出机串联使用后，熔体齿轮泵可以具有以下几方面的作用：( 1 ) 提高熔体压力的 稳定性从而有效的提高制品精度；( 2 ) 减小挤出机的磨损，延长机器寿命；( 3 ) 降低成型所需的熔体温度。 而其中最值得一提的就是，熔体齿轮泵以其显著的稳压效果为实现精密挤出成型提供了有力的技术保 障。 1 9 9 4 年，m s e l l i s o n 在h i l l s 公司的纺织生产线上进行了研究【2 】。在实验中采用熔体泵，并在两种 情况下对p p 进行挤丝加工。维持挤出压力不变，而调节挤出机的出口压力，得出在泵的高转速区，无 论挤出机压力怎么变化对泵的输出压力都没有大的影响，( 输出压力曲线趋于平坦) 。而出口压力变化的 标准偏差则与泵本身的大小和每转输出能力有关。对于大的熔体泵，随着输出量的增加，标准偏差几乎 不变，而对于小的熔体泵，则随着输出量的增加标准偏差也随之增加。所以在研究设计中也引入熔体泵 作为稳压、增压设备。 1 2 3 塑料挤出成型中的控制系统 挤出成型系统中的控制包括传动控制和温度控制。传动控制主要指挤出机的转速控制。在所有的挤 出系统中，挤出机运转的稳定对产品的质量起着至关重要的作用。当挤出机螺杆的转速相对稳定时，可 以轻微的调整齿轮泵的转速，以保持出口压力的设定值。但熔体泵绝对不可出现饥饿喂料的状态，当入 口压力传感器显示压力低于设定值时，挤出机螺轩转速应该会自动提高，当入口压力传感器指示显示压 力高于设定值时，挤出机螺杆转速又应该会自动下降，并最终在设定值上下做轻微的浮动。传统的挤出 系统控制一般采用仪表控制。在精密挤出系统中，控制核心采用p l c 及其相关功能模块实现开关量及模 2 河北工业火学烦上论文 拟量的输入输及与r s 2 3 2 串口的数据通信，能够对温度、压力、制品外释、挤山流量、主机转速、主 机转矩及辅机( 齿轮泵、牵引机、切粒机) 转速等各种t 艺参数实现p i d 控制及部分参数的闭环反馈控制。 温度也是挤山成型中的一个重要参数，直接影响着挤出成型的质量。采用先进的控制系统对渝度进 行闭环控制是十分必要的。在现代挤出成型技术中一般采用可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o gj c c o n t r o l l e rp l c ) 或工控机等现代控制手段。可编程控制器p l c 是一种进行数字运算的电子系统，是专 为在工业环境f 的应用而设计的工业控制器。以下就是一个p l c 控制系统的例子”j ，该控制系统以p l c 为中心，同时利州p l c 逻辑控制的优点，与输入、输出信号通过简单的编程实现连锁，可以对各种情况 及时做出反应，是控制更加稳定可靠。其硬件组成见图1 1 所示。 该系统是一个闭环反馈控制系统，温度传感器( 热电阻) 检测到的料筒和机头温度信号送给温度模 块，p l c 从温度模块中读取温度值t - 与设定温度t z 进行比较，得到偏差e ( t ) = t 。一t t 。如果存在差值， 就要对此偏著e ( t ) 按p i d 算法进行修正，求得相应的控制量u ，去控制固态继态器的通断时间，调节电 加热器的加热功率，从而实现对料筒和机头温度的控制。p i d 控制是过程控制中应崩最广泛、最基本的 一种控制方法。虽然控制理论和控制技术日趋完善和成熟，但目前大多数工业过程仍采用p i d 控制，其原 因是这种控制方法并不要求精确的受控对象的数学模型，简单易行、稳定性好、可靠性高，并能满足大多 数工业过程控制的要求。在p 1 d 控制中，控制器系数的整定和自适应问题，是提高工业过程控制品质的关 键。 |上位机l 1 ( w i n c c ) l il f l l 数字量输出模拟量输入c p u 单元电源模板 l ( s m 3 3 2 ) ( s m 3 3 1 )( 3 1 4 f m )( p s 3 0 7 ) l lf l 固态继电器 热点偶数字量输入出信号 图1 1p l c 控制系统硬件结构组成 f i g1 1 t h ec o m p o s i n go fp l cc o n t r o ls y s t e m 1 3 本课题研究的主要内容 本次设计任务来自克莱思颜料有限公司天津分公司。克莱思是中瑞合资的颜料公司，他们生产的颜 料一般用于塑料着色。他们经过多次的试验了解到 颜料对塑料的着色效果和颜料的易分散性有很大的 3 关系。而颜料的易分散性是通过过滤值来测定的，过滤值越低，易分散性就越好。如幽1 2 所示。根据 过滤值的计算公式： f v = ( p 。一p o ) g 式中，f ，一过滤值 p 。一出口压力( p a ) p 0 一进口压力( p a ) g 一颜料质量( k g ) 由上式可见，可以通过检测压力差的值来测定颜料的易分散性。本次设计就是为设计出一套颜料的 试验系统。在一定的温度r 通过对试验压力的检测来检验颜料的物理、化学性能，主要是颜料的分散性 能。整套系统包括检测系统的设计、控制电路板设计还有控制软件的制作。 图l ，2 过滤值和易分散性的关系 f i g1 2t h ec o n n e c t i o no f f i t e rv a l u ea n dt h ee a s eo f d i s p e r s i o n 整套设备包括挤出机、筛分机、减速机、控制电路板、工控机五大部分，还包括支架、联轴器等辅 助部分。各部分作用如下： 挤山机：将按一定比例配好的塑料、颜料的混合物( 以下称试验原料) 预热，熔融。当温度达到试 验温度后送入到筛分机； 筛分机：增压、稳压、过滤试验原料。同时，在保证试验温度的条件下检测压力数据： 减速机：通过联轴器带动筛分机中的熔体泵运转： 控制电路板：采集压力、温度信号并将其调理、转换后输送到工控机；同时，将工控机的控制信号 输送到变频器，控制挤出机和筛分机动作； 工控机：接收传感器检测到的温度、压力信号，并进行逻辑数字运算，摄后输出控制信号。 综上，试验原料在挤出机中预热、熔融，达到试验温度后由挤出机进入筛分机。筛分机内装有温度、 4 河北工业人学硕士论文 压力传感器实时检测筛分机内的温度、压力值。如果颜料的分散性能符合生产条件，并且在试验过程中 其物理、化学性能不发生变化，则筛分机进、出口的压力差是一个稳定的值。 温度信号一 压力信号 原料输入 图1 3 试验系统构成 f i g1 3t h ec o m p o s i n go f t e s ts y s t e m 图1 4 试验系统原理图 f i g1 4t h ep r i n c i p l eo f t h et e s ts y s t e m 本章小结 本次课题是要研究设计一套化工颜料性能检验设备。在本章中，通过对塑料加工过程的深入研究， 根据颜料本身易分散性和过滤值、压力的关系，确定试验方法和试验系统。试验系统构成图如图1 3 所示，试验原理图如图1 ，4 所示。 颜料易分散性检验系统的研究与没计 第二章挤出机的选用 2 1 挤出成型 2 - - 1 1 挤出成型理论基础 挤山成型是在挤出机中通过加热、加压而使化工原料以熔融流动状态连续通过口模成型的方法。挤 出过程是将色彩物质与塑料混和的过程。挤出制品都是连续的形体，在生产及应用上都具有很多方面的 优点。据统计，在化下制晶成型加工工业中，挤山成型制品的产量约占整个化t n 品产量的百分之五十 以上。所以，挤山成型在化工制品成型加工工业中占有很重要的地位。2 0 世纪7 0 年代，挤出机的发展 是以高速高效为特征的；2 0 世纪8 0 年代，挤出机则以采用先迸的控制技术、增强辅机性能、提高产品 质量及性能、提高机械自动化程度等多方面为特征发展：进入2 0 世纪9 0 年代，挤出成型以微电子技术 应用为突破口，拓宽了多个新技术领域”1 。 如图2 1 挤出成型过程通常是在控制条件下使彩色高分子颗粒熔融并将其压缩成所需形状。塑料 树脂在料筒内被加热熔化( 1 ) 。热的、塑化的聚合物被注入冷的模具中( 2 ) 。在保压和冷却周期，制品 获得与模具一致的尺寸与形状( 3 ) 。同时，螺杆旋转往复，为下一次挤出积累足够的物料，模具打开， 制品被顶出，成型周期结束( 4 ) 。 6 ( 1 ) 塑料树脂的熔融 ( 2 ) 熔融体射出+ ( 3 ) 在冷模具中冷却( 4 ) 顶出制品 图2 1挤出成型原理示意图 f i 9 2 1t h ep r i n c i p l eo f i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 河北工业大学硕士论义 2 一l 一2 挤出成型的特点 与其他成型方法比较，挤出成型方法具有如下的特点【8 j ： 1 挤出成型可以实现连续化、自动化生产。生产操作简单，工艺控制容易，生产效率高，产品质量 稳定。 2 可以根据产品的不同要求，改变产品的端面形状。其产品可以为管材、棒材、片材、板材、薄膜、 电缆、单丝、中空制品及异型材等。 3 生产的连续操作，特别适台于较长尺寸的制品。其生产率的提高比其他成型方法快。 4 应州范围“。只要改变螺杆及辅机，就能适用于多种原料及多种工艺过程。例如，可以加工大多 数热塑性塑料及部分热同性塑料，也能用挤出法进行共混改性、塑化、造粒、脱水和着色等。 5 设备成本低、投资少、见效快，占地面积小，生产环境清洁。 6 可以进行综合性生产。挤出机以压延机配合，可以压延薄膜，与压机配合，可以生产各种压制件。 可见，挤出成型在化工加工中占有相当重要的地位，并且伴随着化学工业的迅速发展，还将具有更 加，“泛的应用前景。 2 2挤出成型设备 2 2 一l 挤出机的组成 一套完摧的挤出成型设备包括主机、相应的辅机及其他控制系统组成。通常这些组成部分统称为挤 出机组。在本课题中研究的是检测设备，无需成型所以只用到成形设备的主机挤出机。挤出机主要 包括挤压系统、传动系统和加热冷却系统。 挤出系统：它由料斗、螺杆和机筒组成，是挤出机工作的核心部分。其作用是使原料化成均匀的熔 体，并在此过程中建立压力，再由螺杆连续、定压、定温、定量的挤出机头。在检验设备中，挤出机是 检验的预备部分。其作用是预热试验原料，把颜料和塑料加热成熔融状态并混和均匀，在此过程中并不 建立很大的压力。当试验原料温度达到试验温度后被连续的挤入筛分机。 传动系统：它由电机、调速装置及传动装置组成。其作用是驱动螺杆，并保证供给螺杆在工作过程 中所需的扭矩和转速。 加热冷却系统：它由温度控制设备组成。其作用是对机筒进行加热和冷却，保证挤出系统的成型在 工艺要求的温度范围内进行。 控制系统：它主要由电器、仪表和执行机构组成。其作用是调节控制螺杆转速、机筒温度等。 2 2 2 挤出机的分类 挤山成型的r 泛应用和不断发展使其类型日益更新，其分类方法也各有不同，主要有以下几种。 按安装位置分，可分为立式和卧式。 按用途分，可分为成型用挤出机、混炼用挤出机和供料用喂料挤出机等。 按螺杆数目和结构分，可分为无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机及多螺杆挤出机。 7 颜科易分散性检验系统的研究与设计 按是否排气分可分为排气式挤山机和非排气式挤出机。 按螺杆转速分，可分为普通挤出机、高速挤出机及超高速挤出机。 在本次设计中选用的是上海通冷挤山机有限公司的s j 一2 0 2 5 f b 型塑料挤出机，它是单螺杆供料 用喂料挤出机。将色彩物质与塑料混和。塑料粒子通过挤出机的加料斗进入加料段。旋转的螺杆将料向 前输送，塑料在此过程中被压缩，在剪切和加热的作用下，塑料被熔化。熔融的塑料通过丝网和多孔板 除掉杂质和没有熔化的聚合物。 2 3 s 卜2 0 x 2 5 f b 型塑料挤出机 2 3 1 用途 s j 2 0 2 5 f b 型塑料挤出机，应用不同形式的机头及其适合的螺杆和辅机设备即可将软、硬聚氯 乙烯、聚乙烯、聚丙烯、塑料挤制成管、棒、板、薄膜等。 2 3 2 技术范围 1 螺杆直径：2 0 m m ； 2 螺杆的上作长度：5 0 0 r a m ： 3 螺杆的长径比：2 5 ：l ： 4 。螺杆的转速：i o 9 0 r m i n ： 5 生产能力：4 k g h ： 6 中心高度：1 0 0 0 m m ： 7 变频电机功率：1 5 k w ： 8 变频器：富士f r e n i c 5 0 0 0 g i i s ： 9 摆线针轮减速器( b w l 2 ) 减速比：1 7 ：1 ； 1 0 电热部分：分四段加热区域分别控制 料简由“铸铝加热器”加热，三个自动定温点，每个功率0 5 k w ，共1 ，5 k w ； 机头由“电阻加热器”加热，一个自动定温点，功率视何种机头而定； 1 1 外型尺寸( 长宽高)1 1 6 0 7 0 0 x 1 3 7 0 m m ： 1 2 重量 ( 含电气) 4 0 0 k g 。 2 3 4 结构调整 1 结构特点 ( j ) 调速范围：n = 1 5 0 1 5 0 0 r m i n ( 2 ) 在结构上采用封闭力系，能承受较大的轴向力； ( 3 ) 采用结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、工作平稳的摆线针轮减速器； ( 4 ) 采用铸铜加热器，具有效率高、温度波动少、加热温度高、加热时间短、省电等特点； ( 5 ) 采用智慧型) f ) 【数显示调节仪，并带有p i d 调节来控制加热温度，使工艺温度波动小，并能自动加 8 温，使之能生产质量较好的塑料产品； ( 6 ) 主机调速采川富十变频器f r e n i c 5 0 0 0 0 1 i s 。 2 结构组成 挤出机土要由螺杆、机筒、加热部分、传动系统、机头、电器控制屏等零部件组成。 ( 】) 螺朴 螺杆是直接加l 一塑料，使其均匀塑化塑料的主要零件，囡此把它制成特别的结构模式。由于它的旋 转，使塑料移动，搅拌及压缩，从而达到成品质量上的组织紧密的要求。螺杆是由耐高温、耐腐蚀的特 定材料制成，经过氮化处理，因而螺杆有较高的耐高温、耐腐蚀等特点。 本机采_ l | j 不同型式的螺杆( 但长径比均为2 5 ：1 ) 可以加工不同的塑料。对某一种螺杆，可以加丁：几 神不同的塑料产品。 ( 2 ) 机筒 机筒是容塑料及螺杆的零件，它与螺杆及塑料摩擦。机筒由3 8 c r m o a l 制成，表面经氮化处理具有 较高的耐高温、耐腐蚀等特点。 ( 3 ) 加热冷却部分 为使塑料塑化良好，需要保持一定的温度，料筒加热分三部分控制，由铸铜加热器加热。机头加热， 单段控制，由电阻加热器加热，它们分别在o 6 0 0 c 范围内由温度指示调节仪表自动控制其温度。以 满足工艺要求。 “) 传动系统 传动系统是螺杆传动的桥梁。为了适应各种规格塑料制品的需要，螺杆应该具有不同的转速，本机 采用变频器调速，通过皮带传动至摆线针轮减速器，使螺秆的转速在l o 9 0 r m i n 之间平滑无级调速。 ( 5 ) 机头 机头是使塑料制品最后成型的零件，位于机筒的前端。它与机筒的连接用活络螺栓，装拆方便。在 机头内放置了过滤板，根据产品及工艺要求在过滤前可装置滤网，其作用是滤去杂质，及需要时增加其 挤出阻力。在机头外面还设置了电阻加热器，并能自动控制其温度，以满足工艺的要求。在本次研究设 计中，因为只是检验颜料的性能，无需成型。所以不使用机头，只是用机头的外置加热器加热试验原料， 同时在挤出机上对应个温度显示调节仪。 2 3 5 电气部分 电气控制部分也是本机的重要组成部分之一。它能正确的控制机械运转过程，所以该部分是影响制 品质量的个重要因素。 电气部分分主机传动和加热冷却两部分。 1 主机传动部分 电气调速采用f r e n i c 5 0 0 0 g l l s 变频器控制主电机，电机通过皮带传动带动挤出机螺杆转动。 2 加热冷却部分 ( 1 ) 加热部分：机筒上有均匀分布的三段铸铜加热器，他们分别用三个温度指示调节仪( 即1 k t 3 k t ) 指示温度，| 并自动的控制温度，加热电流由交流电流表1 a 3 a 指示。机头由电阻加热器加热，用 9 颜料易分散性榆验系统的研究与设计 一只温度指示调讧仪( 4 k t ) 指示温度并自动的控制温度，其加热电流由交流电流表4 a 指示。 ( 2 ) 温度指示：奉机共装有四个温度控制点，机筒三个、机头个、全部用智慧型烈数显示调节仪 ( i k t 4 k t ) 达到控制温度的月的。它们都装置在电气控制屏上，分别指示各段温度。其中四加热是结 构类似于加热板的环状加热器。 ( 3 ) 加热与冷却部分控制：需加热时将控制柜上控制按钮1 l k 4 l k 置于“通”的位置上，而后按1 ： 艺参数逐个没定，s p 为温度控制设定，a l 为超温报警设定。当1 l k 4 l k 置于“通”的位置上时在朱达 到设定温度时，1 j c 4 j c 响应闭合加温。当温度将至设定温度前，由于智慧型调节仪中p i d 产生作用， 接触器相应闭合，间断反复加温直至设定温度。当加温至设定温度时，此时接触器1 j c 6 j c 相应释放， 加温结束。 在试验中，挤出过程是将色彩物质与塑料混和的过程。塑料粒子通过挤出机的加料斗进入加料段。 旋转的螺杆将料向前输送，塑料在此过程中被压缩，在剪切力的作用下，塑料被熔融。熔融的塑料通过 丝网和多孔板除掉杂质和没有熔化的聚合物。 本章小结 在本章中，对挤出成型及挤出成型的加工系统做了详细的叙述。挤出成型是目前发展最快，应用最 广的塑料成型加工方法。挤出机是塑料挤出成型系统中重要的组成部分，在加工过程中根据不同的用途 有成型用挤山机、混炼用挤出机和供料用喂料挤出机等，按螺杆数目分有无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、 双螺杆挤出机及多螺杆挤出机。在颜料性能检验系统中，使用上海通冷挤出机有限公司的s j 2 0 2 5 f b 璎塑料挤出机，它是一种单螺杆挤出机，作用是预热熔融塑料和颜料，并将他们混和均匀，等温度达到 试验温度时，挤入筛分机。 1 0 洲北工业人学项上论文 第三章筛分机的设计 3 1 设计要求及基本原理 3 一l 一1 设计要求 筛分机的设计是整个试验设备设计的核心部分。试验原料在挤出机中预热后被送入筛分机，经过 筛分机中的熔体泵加压后，通过出口处的过滤网。如前边所述，要检测颜料的易分散性需要检测出两个 乐力的差值，所以筛分机要具备以下功能： 1 能够保证试验的温度条件，使试验原料在筛分机内处于熔融状态； 2 具有增压、稳压功能，保证在挤出机的转速发生变化或挤出机喂料多少发生变化时，筛分机进、 出口压力差不发生太大的变化； 3 能够实时的反馈试验的温度、压力数据。 图3 1 筛分机设计原理 f i g3 2t h ep r i n c i p l eo f t h ef i l t e rt e s tu n i t 2 0 v 颜料易分散性检验系统的研究与设计 图3 2 传感器在筛分机内的布置情况 f i g3 2t h es e n s o r si nt h ef i l t e rt e s tu n i t 筛分机的设计原理和传感器的布置情况如图3 1 、3 2 所示。 图3 2 中，、标志分别代表进、出口压力传感器的位置。、分别代表进口温度、腔内 温度、出口温度三个温度传感器的位置。 筛分机在一定的温度条件下检测试验原料的压力性能，试验的温度条件由加热棒、加热板保证，由 温度传感器检测；熔体泵作为一种增压、稳压设备保证压力的相对稳定。 3 1 2 基本设计原理 在前面绪论中已经介绍过塑料制品的加工过程，在目前主要是用挤出成型的方法。其设备包括挤出 机、熔体泵、机头及其驱动、控制系统。在本次设计中，就是参照挤出成型加工过程在试验设备中引入 熔体泵。但是筛分机毕竟是检验设备，在试验中不仅要对试验材料的性能进行检验，还要进行试验数据 的采集、处理。在本次设计中进行数据采集的压力传感器和温度传感器，进行数据处理、输送电路板的 设计将在第五章里详细介绍。 3 2 熔体泵介绍 3 2 1 熔体泵在挤出成型中的应用 自从上世纪3 0 年代第一次将单螺杆挤出机应用于高分子聚合物加工以来，挤出机就随着加工的需 要不断发展和完善，出现了各种各样的挤出机。但是，能否高效、稳定、优质的熔融，塑化，挤出仍然 受到许多客观条件的限制，使用单螺杆挤出机的挤出成型系统仍存在弊端，如：( ”当螺杆转速有波动 物料在螺杆内塑化不充分，在熔融段的物料软化点不稳定或固化床被破碎，电机负荷有波动时，都会引 起挤出物料的温度、压力、流量的波动，从而影响制品尺寸的精度和产品的质量。( 2 ) 由挤出机，螺扦 设计和螺杆均化段流量，功率计算理论公式可知，由于机头压力增大，逆流量和泄漏量也必然增加使 12 河北工业大学硕士论文 虽终流量f 降。而压力的增人，也必然使螺杆转动所耗费的能量加大。( 3 ) 在加入多种物料及填料对聚 合物进行改性时为了保证混和的均匀性将对螺杆进行改进设计，增加混炼混和元等。此外，添加剂 的加入，使物料的温度、粘度、压力等更难预测，必然使挤出过程更加不稳定。 目前，双螺杆挤出机发展很快，并在一定程度上克服了单螺杆的一些缺点，如混合均匀，正位移输 送物料停留时间短等优点，对于同内双螺杆还困其剪切柔和和混和性好而几乎可以用于所有的物料和添 加剂的混和。但是，这也会产生新的问题，如共混改性的添加剂大部分都含有挥发性成分，在挤出过程 中必须脱排出2 - ，否则就会影响制品的质量。而排气口的设置，必然使一根螺杆上有多组压缩段和计量 段，使得整个挤出过程更加复杂。 所以，一般的挤出机都存在挤出压力不足，挤出不稳定等问题。人们经过不断的研究探索，总结经 验，提出了如下几种解决方案：( 1 ) 多阶式挤出。它是将加料，输送，熔融等功能与排气、计量、均化分 离开来，由不同的螺杆来控制。( 2 ) 熔体泵方案。把熔体泵安装在挤出机和机头之间可以把挤出方向产生 的波动与机头及下游的设备隔离开来，使它们之间不发生相互影响。 由于熔体泵的优点比较多，在本世纪七十年代中末期，国外就广泛使用熔体泵。最初是在聚合物纤 维生产中，使用齿轮泵将溶液和聚合物熔体输送到成型模具。此外，有的还将齿轮泵安装在反应罐出口 处或熔体输送管路上，用来输送从反应罐出来的聚合物熔体。目前齿轮泵在挤山机组中也得到推广应用。 将齿轮泵直接安装在挤出机后边，作为增压、输送装置，把熔体由低压变成高压同时输送到成型机头。 挤山机内保持低压，成型机头内保持高压。这样就可排除挤出过程中螺杆转速及压力变化对产品产量和 质量的影响。 3 2 2 熔体泵的分类 用于挤山的熔体泵可以分为三种：测量熔体泵、混和熔体泵和增压计量熔体泵。 测量熔体泵通常用于试验挤出机上，用作挤出测量部件。这种熔体泵的典型特点是它的生产能力与 齿轮的转速成正比，而且能完全消除增压加料挤出机熔体的脉动性。 混和计量熔体泵主要用米计量向挤出机加料斗所加的液体组分，或通过机筒的相应的区段上的加料 斗，直接加向主要聚合物熔体流动的液体组分。这种小型的熔体泵能使加入的填充剂进一步混匀，而且 是以精确的体积计量加入到聚合熔体中。 增压计量熔体泵是安装在挤出机和机头之间的较大型装置，这种熔体泵的生产能力比较大。是由瑞 士的m a a gg r e a t w h e e l 公司及其在北美的子公司l u w ac o r po fc h a r l o t t e 和美、德、日等的一些公司 研制的 1 “。目前，在挤出机组中采用增压计量泵有一种新的趋势。作为增压元件的熔体泵能人大降低 挤出机背压和减少被加工物料的机械负荷和不带熔体泵的普通结构的挤出机相比，它能降低挤出温度 】5 3 06 c ，降低单位能耗1 0 2 0 ”。 3 - - 2 - - 3 熔体泵的工作原理及工作要求 熔体泵是一种容积泵，它依靠齿轮相互啮合过程中所引起的工作客积变化来输送液体。外啮合齿轮 泵工作容积由泵体、侧盖及齿轮的各齿阃槽构成，当一对齿轮相互啮合肘，齿轮和壳体内孔表面间隙很 小，齿轮端面和盖板间隙很小，因而把低压腔和高压腔隔开。当齿轮旋转时，啮合点一侧啮合着的齿逐 渐退出啮合，空间增大，形成局部真空，把液体不断的吸入低压腔；啮合点另- n 的齿逐渐开始进入啮 1 3 颜料易分散性检验系统的研究与设计 合，把齿间的液体挤压出来。其形式是当主动轮带动从动轮转动时，在吸入口聚合物熔体充满齿间，轮 齿的顶圆半径扫过一定的容积，聚合物熔体沿泵体内表面被带往高压腔。齿轮不断的吸入和排出，从而 达到输送聚合物熔体的目的【5 0 】。 在聚台物挤出系统中的熔体泵通常是三什组合式结构。它是由一对互相啮合的主动齿轮轴和被动齿 轮轴，中间泵体和两侧泵盖以及泵体外部加热装置组成的。齿轮泵内的主动齿轮_ 车| f 商接与驱动装置连接。 被动齿轮轴在主动齿轮轴的带动下，共同朝输送方向旋转，将粘度较高，流动性较差的聚合物熔体通过 流道输送剑机头。 熔体泵作为一个较高压力的容器，盛裟着各种不同的熔体。有的熔体腐蚀性较强。因此，要求泵体 由合金钢或不锈钢来制造