（机械电子工程专业论文）新型石膏砌块成型机设计及液压系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 石膏砌块是一种高性能、可循环利用的新型环保墙体材料。随着国家大力发展新型墙 体材料，石膏砌块将得到越来越广泛的应用，但是，目前我国石膏砌块的生产技术仍比较 落后，自动化水平较低。本文的研究就是致力于提高石膏砌块成型机的自动化水平和石膏 砌块生产线的生产效率。 首先，本文在中冶集团某建筑研究院s g 2 型石膏砌块成型机设备的基础上，对其进行 了改进和完善，设计了s g - a i 型全自动化石膏砌块生产设备。s g - a i 型成型机采用“立式 浇注，水平脱模 的新型成型方式，使石膏砌块成型机更容易实现流水线生产，有效提高 生产线的生产效率。根据现场生产状况，s g - a i 型成型机新增了自动扫浆装置以及余料自 动回收装置，使成型过程实现自动化控制。 其次，本文结合s g 2 型成型机液压系统，根据s g - a i 型结构特点，设计了新型号成型 机的液压系统。详细介绍了液压系统设计原理、元件组成以及各回路工作过程，并对比分 析了s g - 2 型成型机与s g - a i 型成型机的特点。结果表明：s g - a i 型成型机液压系统负载小， 响应快，控制精确，可靠性高并且可以适应连续性生产。本文对液压系统关键控制回路进 行仿真分析，利用s i m u l i n k 仿真功能，对液压系统中控制水平刮料运动的同步回路进行建 模，并利用常见的控制方法进行仿真，得出了系统开环状态以及闭环状态下的b o d e 图、阶 跃响应曲线。仿真结果表明，系统在本文设计参数下运行，系统状态稳定，控制精度比较 理想，满足实际生产的需要。 最后，本文对石膏砌块的整条生产线进行了研究设计，采用可编程控制器控制生产线 全自动化生产。控制系统采用模块式编程，当出现故障时，能够快速找出问题模块，加以 修护，保证生产正常连续进行，有效降低了维护成本和停产损失。利用可编程控制器的先 进控制功能及扩展性能，生产线结构能够根据生产规模做出快速调整。整条生产线采用可 编程控制器进行控制，实现了生产的全自动化，提高了生产线的可靠性以及控制的灵活性。 在实际应用中，成型机工作正常，液压系统工作稳定，生产线实现了全自动化。本文 的研究有利于提高成型机的自动化程度以及石膏砌块生产线的生产效率，对石膏砌块的更 大规模生产有实际参考价值，为开发石膏砌块生产线提供了新的方向。 关键词：石膏砌块；成型机；液压系统；可编程控制器；自动化生产线 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t g y p s u mb l o c ki sah i i g hp e r f o r m a n c e , c a n b er e c y c l e d u s i n g an e w t y p eo f e n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l yw a l lm a t e r i a l s w i t ht h es t r o n gd e v e l o p m e n to fn e ww a l lm a t e r i a l s ， g y p s u mb l o c kw i l lb em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ，h o w e v e r , c h i n ag y p s u mb l o c kp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yi ss t i l lr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，t h el o w e rl e v e lo fa u t o m a t i o n t h i ss t u d yi sc o m m i t t e dt o i m p r o v i n gt h eg y p s u mb l o c km a k i n gm a c h i n ea n dt h ea u t o m a t i o nl e v e lo ft h eg y p s u mb l o c k p r o d u c t i o nl i n ep r o d u c t i v i t y f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l ei nt h ec h i n am e t a l l u r g i c a lg r o u p ，ac o n s t r u c t i o n - b a s e di n s t i t u t eo f s g 一2e q u i p m e n t ，g y p s u mb l o c k m a k i n gm a c h i n e ，b a s e do ni t si m p r o v e da n dp e r f e c t e dt h ed e s i g n o ft h es g a1 - b a s e df u l l ya u t o m a t e dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，g y p s u mb l o c k s g - a 1 - t y p em o l d i n g m a c h i n eu s i n g ”v e r t i c a lc a s t i n g , t h el e v e lo fr e l e a s e ”m e a n saf l e wt y p eo fs h a p e ，s ot h a tg y p s u m b l o c km a k i n gm a c h i n ep r o d u c t i o nl i n ee a s i e rt h ea c h i e v e m e n to fe f f e c t i v ep r o d u c t i o nl i n e st o i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y p r o d u c t i o na c c o r d i n g t ot h es c e n e ，s g a1 一t y p em o l d i n gm a c h i n e n e wp l a s m ad e v i c ea u t o m a t i c a l l ys c a na n da u t o m a t i cr e c o v e r ym o r et h a ne x p e c t e d ，s ot h a t m o l d i n gp r o c e s sa u t o m a t i o nc o n t r 0 1 s e c o n d l y , t h i sp a p e rs g - 2 - t y p em o l d i n gm a c h i n eh y d r a u l i cs y s t e m ，a c c o r d i n g t o s g a 1 - t y p es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s i g no fan e wt y p eo fm o l d i n gm a c h i n eh y d r a u l i e s y s t e m d e t a i l so ft h eh y d r a u l i cs y s t e md e s i g np r i n c i p l e s ，c i r c u i tc o m p o n e n t s ，a sw e l la st h e w o r k i n gp r o c e s s ， a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es g 一2 - t y p em o l d i n gm a c h i n ew i t ht h e s g - a 1 - t y p em o l d i n gm a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：s g - a1 一t y p em o l d i n g m a c h i n eh y d r a u l i cs y s t e ml o a do fs m a l l ，f a s tr e s p o n s e ，p r e c i s ec o n t r o l ，r e l i a b i l i t yh i g h l ya n dc a n b ea d a p t e dt oc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ek e yc o n t r o lc i r c u i th y d r a u l i cs y s t e m s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h eu s eo fs i m u l i n ks i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e mt oc o n t r o lt h el e v e lo f s c r a p e rm o v e m e n ts y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i tm o d e l i n g a n dc o n t r o lt h eu s eo fc o m m o nm e t h o d so f s i m u l a t i o n ，o p e n - l o o ps y s t e mo b t a i n e ds t a t ea n dt h e s t a t ec l o s e d l o o pb o d ed i a g r a m ，s t 印 r e s p o n s ec u r v e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e md e s i g np a r a m e t e r si nt h i sr u n ，t h e s y s t e ms t a b l e ，am o r es a t i s f a c t o r yc o n t r o la c c u r a c yt om e e tt h en e e d so fa c t u a lp r o d u c t i o n f i n a l l y , t h ew h o l eo ft h eg y p s u mb l o c kp r o d u c t i o nl i n e sf o r t h es t u d yd e s i g n ，p r o g r a m m a b l e 1 0 9 i cc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h eu s eo ff u l l ya u t o m a t e dp r o d u c t i o nl i n e c o n t r o ls y s t e mu s e sa m o d u l a rp r o g r a m m i n g ，w h e nt h e r ei sf a i l u r e ，c a nq u i c k l yi d e n t i f yt h ep r o b l e mm o d u l e ，t or e p a i r , a n de n s u r ec o n t i n u o u sp r o d u c t i o no fn o r m a l ，a n de f f e c t i v e l yr e d u c et h em a i n t e n a n c ec o s t sa n d p r o d u c t i o nl o s s e s t h eu s eo fp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ea d v a n c e df e a t u r e sa n d e x t e n d e dp e r f o r m a n c e ，t h es t r u c t u r eo ft h ep r o d u c t i o nl i n ec a nm a k eaq u i c ka d j u s t m e n to ft h e s c a l eo fp r o d u c t i o n t h eu s i n go fp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rc o n t r o lt h ee n t i r ep r o d u c t i o n l i n e ，a c h i e v eaf u l l ya u t o m a t e dp r o d u c t i o na n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c t i o nl i n ea n d c o n t r o lf l e x i b i l i t y i np r a c t i c e ，t h en o r m a lw o r ko fm o l d i n gm a c h i n e ，h y d r a u l i cs y s t e ms t a b i l i t y , a n dp r o d u c t i o n l i n e st oa c h i e v eaf u l l ya u t o m a t e d t m ss t u d yw i l lh e l pi m p r o v et h ea u t o m a t i o no fm a c h i n ea n d p r o d u c t i o nl i n eg y p s u mb l o c kp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fg y p s u mb l o c kp r o d u c t i o no fm o r e l a r g e s c a l ep r a c t i c a lr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e v e l o p m e n to fg y p s u mb l o c kp r o d u c t i o nl i n e p r o v i d e san e wd i r e c t i o n k e y w o r d s ：g y p s u mb l o c k ；f o r m i n gm a c h i n e s ；h y d r a u l i cs y s t e m ；p l c ；a u t o m a t i cp r o d u c el i n e 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：骂燃一日期：型压! ：三1 2 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 姜篡；一 指导教师签名：芷教互垄 i t 期：丛掣 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 研究的背景 第一章综述 随着我国经济的快速发展，建筑业也得到了长足发展，目前我国既有建筑近4 0 0 亿平 方米，但是基中9 5 以上是高耗能建筑，单位建筑能耗比同等气候条件下先进国家高出 2 3 倍，而每立方米混凝土多耗水泥8 0 公斤，污水回用率仅为发达国家的2 5 。随着国家 和国民环保、节能意识的不断增强，国家开始对建筑用材有了更多更严的规定，温家宝总 理在政府工作报告中也提出，鼓励发展节能省地型住宅与公共建筑，实际上它的内涵是“四 节”：节能、节地、节水、节材。住宅建筑是建筑业的重要组成部分，也与人们的生活和工 作密切相关，同时人们越来越关注住宅建筑的隔音，防火等附加功能，所以为了实现住宅 建筑的可持续发展，必须大力发展新型墙体材料，墙体材料的革新是保护土地资源，节约 能源，资源综合利用，改善环境的重要措施，也是可持续发展战略的重要内容。 随着我国人口的增加，经济持续快速发展，资源和环境的压力越来越大，必须从根本 上改变传统墙体材料大量占用耕地，消耗能源，污染环境的状况，大力开发和推广应用高 性能、可再生循环利用的新型墙体材料，形成与可持续发展相适应的新兴产业。作为轻质 砌块品种之一的石膏砌块，是一种优质的建筑材料，其节能、利废效果及对环境无污染等 高效性能，是其他建材类产品无可比拟的。石膏砌块的配方中主要是石膏和水，废弃的石 膏砌块经破碎、煅烧后可作为生产石膏建材的原料。因此，石膏砌块是一种可回收循环再 利用的建材。且烧制过程中排放出来的“废气 即水蒸气，对环境不会产生影响。并且， 在生产和使用过程中都不排放废气、废渣、废水和对人体有害的物质，施工过程中无噪音， 无异昧不污染环境，符合国家对环保产品的各项性能要求。另外，脱硫石膏的p h 值与皮 肤相近，表面不易存水，可以抑制霉菌的滋生；作为一种无放射性的材质，用石膏制作的 材料还能抵御电器的辐射，这些功效也是其他材料无法相比的【l 】。上述情况表明，石膏砌 块不仅仅是一种性能非常好的建材，而且也是一种完全符合持续发展的新型建筑材料。 1 2 石膏砌块的性能优势 石膏砌块是以建筑石膏和水为主要原料，经搅拌、浇铸成型和干燥制成，四边均带有 企口和榫槽，施工方便，是一种非常优良的非承重内隔墙材料。石膏砌块的性能优势，可 概括为八个字：安全、舒适、快速、环保【2 】【3 1 。具体如下： ( 1 ) 、优良的防火性能 石膏空心砌块整体墙的防火性能优越，经国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验 中心( 天津) 试验，石膏砌块墙耐火试验四小时，耐火极限等级为a 级。导热性小，导热 系数为0 2 w i l l l ( ，隔热能力比混凝土高5 倍。因而是一种防火性能优良的新型墙体材料。 2 、良好的保温隔声特性 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 经测定：l e n a 厚的石膏的保温性能相当于3 c m 的砖瓦层的保温隔热性能；相当于4 c m 的沙浆抹面的保温隔热性能；相当于5 c m 的混凝土的保温隔热性能。1 0 0 m m 厚的石膏砌 块墙体，其建筑隔墙单层隔声可达4 6 d b ，是教室，宾馆，会议室隔墙首选材料；其他同类 型同厚度建材是难以达到的。 3 、石膏砌块重量轻强度大 砌块容重6 0 0 9 0 0 k g m 3 ，可减轻建筑负荷，降低建筑成本。2 2 0 m m 的双面抹灰加气粉 煤灰墙墙重为1 5 0 k g m 2 ，而1 0 0 m m 厚实一i a 、, 石膏砌块墙体约9 0 k g m 2 ，相当于加气粉煤灰 墙重量的2 5 ；1 0 0 m m 厚空心石膏砌块墙体约7 0 k g m 2 ，相当于加气粉煤灰墙重量的1 2 。 而且强度大，一般环境下不龟裂，不变形，断裂荷载可达3 0 0 0 n 以上。 4 、加工性好，干法施工，施工速度快 砌块用石膏黏结剂错位砌筑，适合我国砌砖工的操作习惯，施工中不需特殊工具或设 备。石膏砌块可钉、可锯、可刨、可修补，施工方便。在墙上埋设电线或其他管线也比较 简单，可先用电动工具在墙上开孔、开槽，安完管线或插座后，用石膏腻子封闭即可。 5 、石膏砌块内墙绿色环保、居住舒适 石膏砌块具有呼吸功能，其结构有独特的微孔系统，可将房间内过量湿气吸收；当湿 度减小能再放出湿气，而不影响墙体牢度；墙面在湿度较高时也无冷凝水，表面干燥，可 抑制霉菌滋生。其化学物质数据与人体皮肤相当( p h 值为6 8 ) ，居此环境倍感舒适。 6 、占地面积小 据估算，使用石膏砌块内墙，比其它材料如粉煤灰砌块等，减少墙1 2 ，能增加使用 面积的8 _ 1 0 。 因为石膏砌块有如此之多的优点，各国都在大力推广，因此也带动了石膏砌块生产设 备的发展。石膏砌块成型机，作为石膏砌块成型的主要设备，也就成了大家研究的主要设 备。 1 3 国内外砌块成型机发展现状 1 3 1 砌块成型机的发展现状 国外砌块成型机的发展历史较长，尤其二战以后得到迅速发展。生产厂商主要有美国 c o l u m b i a , b a s s e t 公司和欧洲h e s s ( 德) 、m a s a ( 德) 、r o s a c o m e t a ( 意) 公司等1 4 ji 引。其中美 国的c o l u m b i a ，b a s s e t 公司的成型机构为模振成型机，欧洲公司则以台振成型机为主它 们的共同特点是可靠性高、故障率低、自动化程度高，振动加速度一般达到1 0 1 5 9 左右， 个别甚至更高，生产的砌块抗压强度高制品质量稳定，生产率为1 0 8 0 3 2 4 0 块小时。我国 砌块成型机械始于2 0 世纪6 0 年代，当时采用一些简易自制的振动台，用手工生产实心 砌块，砌块的质量和产量均很低i 们。从7 0 年代起到8 0 年代初砌块的生产和应用得到了较 快的发展，为了提高砌块的生产率国内相继开发生产了多种砌块成型机，但绝大部分采用 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 简易杠杆式或简易移动式，这些设备劳动强度偏大、激振力偏小，生产的砌块强度低、质 量差，不能满足砌块建筑的发展要求1 7 1i s l 。8 0 年代我国墙体材料改革进入新的发展时期， 1 9 8 3 年以后陆续开发研制了以y x d 一5 一l 和g y b 5 为代表的移动式砌块成型机，1 9 8 5 年国内首套成套设备在昆明投产使用，1 9 8 7 年有关单位引进意大利r o s a c o m e t r a 公 司技术生产的h q c 5 和q t 5 2 0 型砌块生产线。这段时期国内先后从欧美引进了十几个 品种2 0 多套设备，国外成型机械先进技术的引进和消化大大促进了我国砌块成型机械及 其成套设备的发展。8 0 年代后期由中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院设计开发的 q t j 3 - - 3 5 型砌块成型机已小批量生产，至此国产砌块成型机械进入了新的发展时期。9 0 年代是我国砌块成型机械快速发展的阶段。为了适应砌块建筑的发展需要，国内有关科研 院所和生产企业共同努力，陆续开发生产了台振、模振等不同振动形式、多种型号规格的 砌块生产设备，如q t j 4 - 3 5 、q t 4 1 8 、q t 4 2 5 、q t j 3 2 5 、q m j 3 2 5 、q m j 5 2 2 、 h q c 3 型等，1 9 9 6 年初国家将新型砌块成型机械的研制开发项目列为国家“九五 重点科 技攻关项目，该项目由中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院负责、四川绵竹太极机械 有限公司等单位参加，经过3 年多的努力，在研究分析国外各公司先进机型的基础上，结 合中国国情成功开发了具有自主知识产权的q m 4 1 2 型砌块成型机，其技术水平达到国 际领先水平，完全能够满足国内各种砌块生产的需要i 引。经过3 0 多年的发展，国内砌块 成型机机械行业己经发展到了一定规模。在这些产品中，既有机械传动、常规电气控制的 中小型设备，又有机电液相结合、微机全自动控制的大型设备；既有模振成型机，又有台 振成型机，个别产品己经接近或达到国际同类产品的先进水平，并且将逐步取代进口产品， 有些己远销国外。迄今全国已有大小砌块机械生产厂家约1 0 0 家，年产量近3 0 0 0 台( 套) ， 具备相当生产规模，有较强的技术力量和制造经验，以砌块机械为主要产品的有l o 家左 右，大多数企业生产规模较小，有些企业年产中小型机型仅l o 余台( 套) 。然而，不少国 产成型机还存在可靠性不高、功能单一等问题，还缺少能生产高强承重砌块、生产率高的 现代化生产线。 1 3 2 石膏砌块成型机研究方向 对于生产石膏砌块而言，其成型机有它自身的特点。主要由配料系统，称量系统，搅 拌系统，浇注成型模具系统，搬运系统，机架等部分。由于石膏砌块生产工艺的特殊性， 导致现在国内对石膏砌块生产出现了两个方向。一方面，已有高校及公司尽力开发新型石 膏砌块成型机，其中1 9 8 6 年，中国新型建筑材料工业杭州设计研究院研制成功“立模成 型，液压顶升 ，经过改进，现在已经比较成熟，如北京力博特尔科技有限公司设计开发 的新型设备，拥有多项专利，技术先进，但均采用间歇式浇注生产模式；另一方面，由于 石膏易于成型、凝结硬化快，容易实现连续化生产，济南大学机械工程学院与山东某建材 公司合作进行了连续成型机的研究，并取得了一些成果1 1 们。从现在的市场表现来分析，第 一类石膏砌块成型机投资少、上马快，能迅速取得经济效益，但采用半机械化生产，工人 劳动强度大，生产效益低；第二类连续型石膏砌块成型机，根据旋绕的轴线位置不同可分 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 为立式和卧式两种，相对生产效率有所提高，但是生产设备投入大、生产工艺没有大的改 进，无法发挥连续成型的优势，而且出现故障时，整条生产线必须停产维修，影响生产， 所以目前没有相对成熟的产品面市。 1 4 本文研究目的及主要内容 为了大力推广石膏砌块，提高石膏砌块的产量，我国在2 0 世纪8 0 年代开始从国外 引进生产规格为5 0 0 m m x 6 0 0 m m x l 0 0 m m 石膏砌块成型机。虽然解决了石膏砌块的生产问 题，但是价格不菲，而国产的石膏砌块成型机多数存在结构工艺复杂，生产效率低等问题， 难以满足企业实际生产需要，进而制约了石膏砌块大面积推广的进程。为此，必须加大对 石膏砌块生产工艺以及成型机设备研究。 本文在现有s g 2 型石膏砌块成型机的技术基础上，改进设计出s g a 1 型石膏砌块成 型机。主要研究方向为： 1 、对现在主流石膏砌块成型机的部分结构进行改进和完善，提高技术含量，使其成型过 程完全实现自动化。 2 、对现行生产工艺过程进行研究，提出新型生产模式：单机采用“立式浇注，水平脱模 方式，配合自动运输线，实现生产过程全自动化。 3 、根据新型生产模式，设计石膏成型机液压系统。 4 、利用先进的p l c 控制技术，设计整条生产线生产过程的自动控制系统。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 1 概述 第二章s g a l 型石膏砌块成型机结构 石膏砌块成型机是一种将一定比例石膏、水泥原料和水混合搅拌成的料浆，浇注成型 机械设备。目前国已有几种类型的石膏砌块成型机，但主要采用半自动化生产，需要人工 打操作，工人劳动强度较大，生产能力和技术水平较低，与现代化的生产水平相差甚远， 而且，石膏砌块产量无法满足市场要求。因此，为降低劳动成本，实现自动化生产，提高 石膏砌块的产量，需设计一种新型的、技术含量较高的石膏砌块成型机。 由中冶集团某建筑研究院设计开发的s g - 2 型石膏砌块成型机投产使用。该机具有结 构简单，容易制造，动作协调，易操作、机体小巧、价格低廉等优点，生产的石膏砌块表 面光滑、断面齐整，质量较高。该机的技术水平和科技含量较以前的成型机械都有了很大 的提高。然而，该机仍然采用的是传统的“立式浇注，液压顶升 形式，是一种半自动化 生产线，而且该机的控制系统采用的是继电器控制系统，虽实现了部分过程的自动化，但 接线麻烦且容易出现故障，可靠性不高。而且，布线连接不易更新，功能不易扩展，只适 合于小规模生产，其机体结构也限制较大，不容易实现大规模生产【l l 】。 本文的设计是在s g - 2 型成型机的基础上，对其部分结构、液压系统和控制系统进行 了改进和完善。采用“立式浇注，水平脱模 的方式成型，根据新结构重新设计并优化液 压系统，控制系统采用先进的可编程控制器作为控制机。改进的成型机结构不仅可单机生 产，同时可纳入整条生产线，实现大规模自动化生产。 2 2 石膏砌块成型机总体结构设计 2 2 1s g _ 2 型石膏砌块成型机总体结构 s g 2 型石膏砌块成型机是由中冶集团设计制造并投入生产的成型机，该机采用传统的 “立模成型，液压顶升”的原理设计。其结构比较简单明晰，主要包括机架、立柱、底板， 模腔体，刮浆装置等组成。大体结构如图2 1 所示： 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 l i b l k 一f 。- r k ，l 1 - r 1 - _ 一r 、- r1 - r _ h h - 一r 一n - f h 一- 刊il 利。 、， t li l ， ll、 li ，、- l n 1 广1n门r 广1广1l 一九l ； 1i一3 li l _ j 、 - - - - 2 l i i l7i l l 。 illii 。 8 ：i 一 一l 、 图2 1s g - 2 型石膏砌块成型机总体结构 1 一机架；2 一立柱；3 一底板；4 一模腔；5 一刮料液压缸；6 一顶升液压缸 s g 2 型石膏砌块成型机在实际生产过程可以实现半自动化生产，s g 2 型成型机模腔 侧面四周固定，底模板作为顶升模板可以上下运动，底模板由程控开关精确定位，成型完 成后由顶升液压缸将石膏砌块顶出模腔。模腔顶部安装有一自动刮料装置，由两水平同步 液压缸驱动，用来成型产品上部的榫槽结构及刮除余料。s g 一2 型成型机采用间歇式生产， 每模成型1 1 块，成型时间7 分钟，计量、搅拌、浇注、顶升脱模、机械手搬运一气呵成。 2 2 2s g - 2 型成型机结构分析 s g 2 型石膏砌块成型机在实际生产过程有它自身的特点和优势，但是生产效率难以达 到要求，一条生产线的产量往往无法满足市场的需要，经济效益不高，主要原因是结构上 存在以下几个方面的问题： 1 、s g - 2 型成型机，没有设置自动扫浆装置，浇注时常出现浇注不均匀情况：在实际生产 的过程中，搅拌斗中搅拌充分的石膏注入模腔时，由于搅拌后的液体流动性有限，石膏浆 无法自动填满每一个单模腔，出现堆料的情况，在实际生产中，需人工进行平整。 2 、浇注完成之后，刮料装置开始工作，但是刮料结束后会出现部分余料，而s g 2 型成型 机的余料都堆放在模腔上方，通过人工将其铲回搅拌斗中，以便再次利用，结构上无法自 动回收，浪费比较多的时间，并且包括人工劳动，自动化程度不高。因此新型成型机，需 要在模腔上增加回收余料装置，在刮料完成之后，由控制系统控制自动回收余料，既提高 效率也降低了劳动成本，自动化程度也比较高。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 3 、s g - 2 型成型机采用“液压项升 方式脱模，成品项出模腔后，由机械手夹具搬运到成 型机侧面堆放成垛，但是机械手采用柔性控制，人工操作，定位困难，整个过程比较费时， 效率低。新型成型机将采用滚道的方式运输成品，自动化程度高，传送效率高，更有利于 流水线作业。 4 、s g - 2 型成型机底模板可以上下运动，而且配合芯轴，而石膏砌块成型过程中，石膏浆 具有一定的流动性，所以对接触面密封要求高。s g 2 型的模腔结构，使各个密封面都处在 竖直方向上，密封困难，因此使成型机的生产成本提高很多。 5 、由于采用液压顶升方式，顶升液压缸需要克服石膏砌块的自重以及摩擦力，但如果为 了提高产量而增多单模数量后，顶升力将大幅度增加，液压系统的设计也会有更高要求， 并且运动不平稳，安全性降低。 2 2 3s g - a 1 型成型机总体结构 针对s g - 2 型成型机在实际应用中出现的问题，本文采用“立式浇注，水平脱模 的 方式成型，设计了能够全自动化生产的s g - a 1 型成型机，如图2 2 所示。s g a i 型成型机 采用全新的“立式浇注，水平脱模的方式，既保留了s g - 2 型成型机搅拌和成型上的优 势，同时拥有了实现成品脱模和运输自动化的功能。“立式浇注充分利用了石膏浆的流 动性，当搅拌机搅拌完成之后，由顶升液压缸将石膏浆浇入模腔中，效率高且容易操作； “水平脱模 方式，将原型号的竖直方向的密封面换到了水平方向，降低了密封要求；同 时，采用水平方式脱模后，脱模液压缸水平作用，只需要克服石膏砌块与模腔的摩擦力， 相对于原型号减少了石膏砌块重力，极大程度的降低了脱模液压缸的负载，提高了脱模速 度。另外，s g - a 1 型石膏砌块成型机在原型号的基础上，增加了自动扫浆、余料自动回收 等装置，使新型号成型机可实现全自动化生产，提高了成型机工作效率。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 图2 2s g - a 1 型石膏砌块成型机总体结构 1 一机架；2 一立柱；3 一抽板液压缸；4 一模腔；5 一水平同步液压缸；6 一脱模液压缸；7 一支架 2 2 4 模腔结构 模腔是石膏砌块成型腔，对成品质量有直接影响，因此它是成型机最重要的一部分。 模腔是由底板，前模板，顶件器等共同组成的空腔。s g 。a 1 型成型机模腔的底板设计成固 定状态，充当石膏砌块的水平支撑部分；前模板设计成可以向下滑动的活模板，由液压缸 带动，两侧设置滑槽，成型时前模板上升形成模腔，脱模时下降出现脱模口；顶件器安装 在顶件座上，脱模时由脱模液压缸驱动。另外，为了使石膏砌块能够更快更好的实工，前 后上下都设有榫槽，中间设有两排芯轴。如图2 3 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 3 2 l ili j 母茸= 丰 * 1 i j 博茸爿 毡 j 博= 乖哥j * lij 衅茸 毡 l l j 博二o 荨j 1 ii j 博= 晕= 罩j 玷 、 li- j 十 嘻畸讣 l! i i 1 l l 嗣丢未、 i， 、 7 q _ * l l 、 l j q 呻i i 军j 玷 l、 iij 螂= 晕荨 寸i l1 i 睁鬈豁瓣燃泪 睁掣帮群蝴司 昏鬻搿黯燃泪 睁鬈搿群燃朝 睁鬻搿撵燃划 睁鬻帮剥粼捌 睁掣豁辫燃泪 睁鬻鬻辫撇司 睁鬻簿斟燃蚓 酋颦搿辫撇# 酋颦嬲瓣燃葚l。 图2 3 模腔结构 l 一模腔；2 一顶件器；3 一密封件 模腔结构是成型机最重要的部分，加工及密封要求都很高。因此，加工装配时，要保 证各型腔一致成方，外形各面平齐；顶料器中密封件与型腔需要滑合密封，间隙为0 1 5 r a m 。 为减少脱模摩擦力，模腔各件进行表面镀合金硬铬o 0 3 m m 并用机械抛光达到镜面状态， 然后总装验收。 2 2 5 顶件器结构 顶件器是连接顶料器与脱模底的部件，也是脱模动作中的主要传力部件，需要承受一 定强度；石膏砌块模腔装有芯轴，所以顶件器的结构需要配合芯轴设计。考虑到顶件器承 受的负载及芯轴的布置，本文设计的顶件器在上板和下板之间均匀布置若干支板，提高顶 件器的强度，并保证成型过程中，受力均匀，不易变形。如图2 4 所示。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 1 |il li ：i i，： l 一 。il。1 一 i ! ii liii 。：i 图2 4 顶件器结构 l 一下板；2 一支板；3 一上板 由于前与顶料器配合，后与底板及芯轴配合，因此必须保证项件器各孔尺寸，孔距与 顶料器协调一致制造。 2 2 6 顶料器结构 顶料器是组成模腔的一部分，设有榫槽，结构上要与其它模板一起配合形成模腔。由 于顶料器与芯轴配合，密封要求比较高，本文设计的顶料器，采用两部分组合而成。前一 部分是顶料器，后一部分为密封件( 如图2 5 所示) 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 l 舂一a 逆转9o 度 黝 缎 7 ，r 7荔 l 髟 ii i ii li ii 淤麟寒 i l、 l。) l、 |s ： l 图2 5 顶料器结构 1 一密封件；2 一顶料器 顶料器是成型机密封的关键部件，对于尺寸要求非常严格，公差要求达到h 8 9 7 ，与 侧板接触面间隙要求0 1 5 ：1 ：0 i m m ，密封垫与模腔按h 7 h 9 配合。 2 3 石膏砌块成型机工作原理 石膏砌块成型机采用的是间歇式生产，主要功能是混合好的原料搅拌后注入型模中成 型。由混料系统混好料后，输送到成型机组的计量系统，按照给定值计量，同时按原料比 例加入适量水，添加到搅拌斗中；经过搅拌系统的充分搅拌，形成达到要求的石膏浆，搅 拌一定要充分，石膏浆的质量会直接影响后续成型的产品质量；再由搅拌斗顶升液压缸将 石膏浆倾倒入模腔中：通过自动扫浆装置确保石膏浆充满每单个模腔，再由刮料装置刮料， 通过两水平同步液压缸驱动刮料器，刮出石膏砌块表面榫槽，并确保石膏砌块表面质量； 刮料装置刮下的余料由自动回收装置回收到搅拌斗中，作为下次成型原料使用；石膏砌块 在模腔中成型需要3 7 分钟的冷却凝固时间，时间要求比较严格，凝固时间短了，成型 后的质量不理想，凝固时间长了，难于脱模，在控制系统中设计过程中，需具备根据环境 变化而实现凝固时间自动调节的功能。成型完成之后，由水平脱模液压缸驱动顶料器将石 膏砌块顶出模腔，经过滚道运送到传送带上，然后入库保养。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 石膏砌块成型机搅拌系统 石膏砌块是将石膏混料通过水化反应搅拌成石膏浆，并掺加一定量的辅助原料加工制 成。在其生产过程中，搅拌时间的长短和均匀程度，是直接决定石膏砌块的生产效率和产 品质量的关键。石膏浆的流动时间约为1 分钟，其搅拌时间应该不超过1 5 秒，才能使石 膏成型等后序工作有足够的时间( 注：在不加其他添加剂的条件) ，从而不会影响整个石 膏制品的质量；如果搅拌时间过长，由于大量缓凝剂的加入致使石膏强度降低，同时，由 于搅拌不均匀，则容易使石膏砌块的强度不均，搅拌机底部的石膏浆凝固结块，对下次搅 拌的石膏浆起反作用，降低了石膏浆的流动性能还降低了石膏产品强度，同时对搅拌机还 需进行不断地清洗，否则，石膏会凝固在搅拌机内，影响工作效率甚至造成停产。为解决 上述问题，本文采用了一种新型高速搅拌机。 新型高速搅拌机具备以下特点： l 、搅拌机采用高速。高速搅拌的目的在于缩短石膏浆的搅拌时间( 十秒钟内搅拌均匀) 有助于充分利用石膏浆的流动性，这样可以不用添加缓凝剂。出料采用翻转出料，翻转出 料有利于加快出浆速度，石膏可在模具中充分流动。石膏砌块的外型尺寸精度高，从而确 保了产品质量和精度。 2 、打蛋器式搅拌棒，能使石膏浆在搅拌过程中随着搅拌棒的转动形成翻浪，提高了 石膏浆的标稠，可减少其用水量，增加石膏砌块的强度。 3 、搅拌罐底部采用球状设计，有效地减少了出料后石膏浆在搅拌机内的残留，防止 了剩余的石膏浆残留在搅拌机内，影响下次搅拌起到的负作用。 4 、搅拌罐上部采用立柱式设计，这样可防止石膏浆在搅拌过程中出现倒爬和外溢， 起到水流逆向作用，一方面可保证石膏浆体的均匀质量，另一方面也避免了生产原料的浪 费。 2 5 控制系统设计 s g a 1 型石膏砌块成型机控制系统包括液压系统和电气系统，液压系统主要用于成型 机刮料、抽板及顶出脱模等动作，在第三章将具体介绍；电气系统包括进料系统，搅拌系 统，液压系统等p l c 控制，在第五章将具体介绍。 2 6 本章小结 新型号s g a 1 型成型机采用“立式浇注，水平脱模 方式，将原型号中的底板上下运 动改为水平运动后，降低了对密封的要求，有效降低了芯轴及模腔的加工精度等级；根据 产量要求可以适当增加单模数量，而不会大幅度增加脱模时顶出液压缸的负载力，对液压 系统影响不大，提高单机生产能力；增加的自动扫浆及余料回收装置减少了人工劳动，提 高了生产效率；成品水平脱模后，采用滚道运输，配合传输带，实现流水线作业，既保证 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 了成品在运输过程中不会受损，也可以根据产量要求增加或减少成型机数量，保证了整条 生产线的灵活性。采用本型号成型机后，整条生产线实现全自动化生产，配合p l c 控制系 统全程监控，安全，高效。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章s g - a 1 型石膏砌块成型机液压系统研究 虽然石膏砌块生产工艺比较简单，且无需压制成型，负载小，但是为了提高石膏砌块 的生产效率和产品质量，必须设计出能满足石膏砌块生产工艺要求的液压系统。 通过对石膏砌块生产工艺的分析，对其液压系统设计要求如下： 1 、必须能连续稳定地完成各项工艺动作，并且可靠性要高，在保证生产效率的前提 下，故障率低，便于维护。 2 、各个动作速度，位移的控制精度要高，能满足工艺动作的需要。 3 、自动化程度要高，要能自动完成整个工艺过程，同时具有手动操作系统，并且各 个工艺动作之间必须有连锁保护控制。 4 、在系统压力控制方面，关键位置要设有压力开关，能动态实时显示动作时关键位 置的实际压力值，并能安全报警。 5 、在系统速度控制方面，液压缸的速度和位移值能通过传感器实时显示，以方便监 测和控制。 本液压系统主要完成石膏砌块生产工艺动作，要求各液压缸运动平稳、控制可靠方便、 响应迅速，因此主要控制元件选用比例阀，配合带内置速度和位移传感器的液压缸，通过 p l c 系统购成闭环控制系统，实现石膏砌块生产工艺动作要求【1 2 】【1 3 】【2 9 1 。 根据液压系统设计的要求，首先对