（机械电子工程专业论文）真空压力浸漆烘干系统的研究与设计.pdf

ji 一 恨 | i ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ia n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n dd e s i g no nv a c u u mp r e s s u r e l m p r e g n a t l o na n n t 一 d r y i ngs y s t e m b yj i a n gf u s h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uh o n g y i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 a u g u s t2 0 0 7 11fkr，一 ，、，i哮葛驴毋f rl ， 一“。7。0。0-l。l，咿”t玉y j一 一 ， 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：匹 思。 学位论文作者签名：拗 日 期：w 哆、9 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： jj 矿 r ，i-iilj 东北大学硕士学位论文 摘要 真空压力浸漆烘干系统的研究与设计 摘要 无论是电机、变频器还是变压器中的线圈，都要进行浸漆与烘干处理，来防 止线圈的氧化，从而提高线圈的强度、耐潮性、散热性和绝缘性能。本课题来源 于与某电磁阀有限责任公司的合作项目，即“线圈浸漆与烘干设备的改造，此 项目具有十分重要的现实意义。 本文从实际要求出发，在充分考虑成本、降低能源消耗的前提下，通过对真 空下的传热传质理论的研究，采用了真空压力浸漆烘干的方法，这种方法具有烘 干快速、质量高、成本低、节约能源等特点。 整个系统统一使用v b 6 o 进行控制界面的编辑，结合研华公司的p c l 8 1 8 l 采集卡的数据采集功能，通过调用该采集卡驱动提供的函数实现对i o 口的访问 和控制。插入在工控机中的p c l 8 1 8 l 采集卡，利用p c l d 8 1 1 5 端子板与各部 件进行连接。浸漆部分通过真空泵抽真空、利用采集卡的数字输出进行真空压力 浸漆的顺序控制；烘干部分采用晶闸管调功模块对红外线辐射器进行加热控制、 热电偶进行温度测量，通过采集卡的模拟输入端进行温度的采集，从而在工控机 的主界面进行温度曲线的显示。本文还设计了一个具有超声波传感器的全自动单 轨行车，将它用于线圈的起吊、转移，使其参与预烘、浸漆、滴漆、烘干的全过 程，共四个工位，提高了整个系统的自动化水平，并节约了劳动力资源。最后， 应用m a t l a b s i m u l i n k 与模糊逻辑工具箱( f u z z yl o g i ct o o l b o x ) ，对所采用的 模糊控制算法以及整个系统进行仿真，得到了较为满意的结果。 在真空传热传质理论的指导下，得出的这种真空压力浸漆烘干的方法，浸漆 效果佳、节约能源，而且缩短了浸漆烘干的时间，大大提高了线圈浸漆的质量， 满足了该企业的要求。 关键词：真空压力浸漆；烘干：传热传质理论；p c l 一818 l 采集卡；模糊控制 一 、；一 一 东北大学硕士学位论文 a b st r a c t r e s e a r c ha n d d e s i g no nv a c u u m p r e s s u r e l m p r e g n a t l o na n c i tj 1 d r y i n gs y s t e m a bs t r a c t n om a t t e ri ti st h el o o po fam o t o r ，at r a n s d u c e ro rat r a n s f o r m e r ，i ti si m m e r s e d i nt h e1 a c q u e ra n dd r i e ds ot h a tt h el o o ph a sb e t t e rp e r f 6 r n l a n c ei na n t i o x i d a t i o n i n t e n s i t y ，a n t i d a m p ，h e a td i s p e l l i n ga n di n s u l a t i o n m yp a p e rw a st h er e a ls u b j e c t f r o mt h ec o o p e r a t i o nw i t ha ne 1 e c t r o m a g n e t i s mv a l v ec o r p o r a t i o n ，t h er e b u 订do f i m p r e g n a t i o na n dd r y i n gs y s t e mf o rl o o p s ”，s oi ti sm e a n i n g f u l a c c o r d i n gt ot h es t u d yo nt h et h e o r yo fh e a ta n dm a t t e rp a s s i n gi nv a c u u m ， v p i d si sa d o p t e da f t e rt h ec o s ta n de n e r g yr e s o u r c ei sc o n s i d e r e d t h i sm e t h o dh a s n l a n ya d v a n t a g e ss u c ha s1 0 wc o s t ，1 0 we n e r g ya n dh i g hq u a l i t y t h ew h o l es y s t e mi n t e r f a c ei se d i t e dw i t hv b 6 o w i t ht h ef u n c t i o no f a d v a n t e c h sp c l 一8l8 ld a qc a r d ，w ec a nc a l li t si oa d d r e s sa n dc o n t r 0 1o t h e r e q u i p m e n t sb yt h i sc a r d w ei n s e r tt h i sd a qc a r di n t oa ni p ca n dl i n ko t h e r e q u i p m e n t sw i t hi t st e r m i n a lb o a r d ，p c l d 一81 l5 t h el a c q u e ri m m e r s e ds y s t e mi s c o n t r o l l e db yt h i sd a qc a r d t h ed r y i n gs y s t e mi sc o n s i s t e db ym a n yc o m p o n e n t s ， s u c ha si n f r a r e dr a d i a t i o ne q u i p m e n t s ，at h e r m o c o u p l e ，ac r y s t a lt h y r a t r o nc o n t r o l e q u i p m e n t ，av a c u u mp u n l p ia l s od e s i g na na u t o m a t i cs i n g l et r a c kt r a v e l l i n gc r a n e w i t hu l t r a s o n i cs e n s o r s i ti su s e di n l i f t i n ga n dt r a n s f e r r i n gi o o p s t h ee n t i r e s y s t e m sa u t o m a t i cl e v e li si m p r o v e da f t e ri ta p p e a r s f i n a l l y ，is t u d ys o m e t h i n g a b o u tf u z z yc o n t r o lt h e o r y ，a n ds i m u l a t et h i ss y s t e mw i t hm a t l a b s i m u l i n ka n di t s f u z z yl o g i ct o o l b o x t h i sm e t h o di se d u c e df r o mt h et h e o r yo fh e a ta n dm a t t e rp a s s i n gi nv a c u u m i t h a sb e t t e re f 托c t ，l o w e re n e r g y ，l e s st i m ea n dh i g h e rq u a l i t y t h ew h o l es y s t e mc a n m e e tt h er e q u e s t k e yw o r d s ：v p i ；d r y i n g ；t h et h e o r yo ft h eh e a ta n dm a t t e rp a s s i n g ；p c l - 8 18 ld a q ； f h z z yc o n t r o l o l l l 、 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题的背景1 1 2 课题的意义1 1 3 国内外的发展现状2 1 4 本论文主要研究内容3 第2 章系统的总体设计5 2 1 浸漆与干燥概述5 2 1 1 浸漆与干燥的作用5 2 1 2 浸漆与干燥的工艺流程5 2 2 浸渍油漆的选择8 2 2 1 有溶剂浸渍漆8 2 2 2 无溶剂浸渍漆一1 0 2 3 浸漆的研究与设计1 l 2 3 1 真空下扩散传质1 l 2 3 2 真空下浸漆的方法一1 2 2 4 烘干的研究与设计1 5 2 4 1 真空干燥概述1 5 2 4 2 真空干燥特性分析一1 5 2 4 3 真空干燥动力学分析1 6 2 4 4 干燥时间影响因素1 9 2 4 5 真空干燥的方法2 0 第3 章烘干系统的加热与控制2 2 3 1 系统的加热方式2 2 3 1 1 热辐射的应用一2 2 3 1 2 热分子压力效应分析2 5 3 1 3 烘干系统中的热流逸现象分析2 6 3 2 红外线加热的应用2 6 3 2 1 红外线加热的特点2 6 3 2 2 炉体有效尺寸的确定2 7 3 2 3 红外线辐射器的选择2 8 3 3 系统的温度控制方式2 9 东北大学硕士学位论文目录 第4 章系统的监控3 2 4 1 监控系统的硬件组成3 2 4 1 1 工控机3 2 4 1 2 采集卡的选择3 3 4 2 温度的检测3 5 4 2 1 测温原理3 6 4 2 2 热电偶的种类及基本构造3 7 4 2 3 温度补偿3 7 4 2 4 修正辐射传热误差3 8 4 3 系统的软件设计一3 8 4 3 1 系统i o 口的访问与控制3 8 4 3 2 系统控制界面的设计4 0 第5 章烘干系统模糊控制器的设计与仿真4 3 5 1 烘干系统的模糊控制4 3 5 2 模糊控制器的设计4 4 5 2 1 变量及论域选择4 4 5 2 2 隶属度函数的选择4 5 5 2 3 经验规则库的确定4 5 5 2 4 模糊量的判决方法4 7 5 2 5 量化因子和比例因子的选择4 7 5 3m a t l a b 仿真平台4 9 5 3 1m a t l a b ( s i m u l i n k ) 仿真的优点4 9 5 3 2 模糊逻辑控制工具箱应用5 0 5 4 烘干系统仿真5 0 5 4 1 定义输入输出变量5 0 5 4 2 定义语言变量隶属函数5 1 5 4 3 定义模糊控制规则5 3 5 4 4 输出预览5 4 5 4 5 烘干系统的模糊控制仿真5 6 5 4 6 仿真结论6 1 第6 章结论6 3 参考文献6 4 致谢6 7 攻读学位期间发表的论文“8 f ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景 本课题来源于与某电磁阀有限责任公司的合作项目，即“线圈浸漆与烘干设 备的改造 项目。该公司的产品主要包括各类电磁阀产品、气动阀门产品、电动 阀门产品、船用阀门产品、各类仪表附属单元等，其中包括各类防爆产品。为了 提高电磁阀类产品的绝缘性、强度、耐潮性和散热性，这些产品中的线圈都必须 经过浸漆与烘干的处理。本课题就是根据该公司对线圈的浸漆与烘干系统的要求 展开的，该公司要求：根据现有设备，在尽量降低成本的条件下，降低能源消耗， 减少污染，设计两套浸漆设备，分别在储漆罐中存放两种不同型号的油漆，以便 于同时对不同型号的线圈进行浸漆工作；对于烘干设备，要求能在十小时内对线 圈进行烘干处理，并能达到一定级别的要求，整套设备要具有一定的自动化水平。 根据在现场观察得知，该公司新引进的设备对线圈的浸漆效果很不好，线圈 间隙及材料微孔不能完全浸透，漆膜附着力低，而且浸漆时间很长，浸漆时间及 漆量随意性大，人为因素直接影响浸漆质量；该系统对线圈的烘干效果也很不好， 干燥时间很长，甚至三天三夜都难以达到预期的效果。经分析，主要是由于此浸 漆与烘干设备对线圈处理的工艺流程中存在很大的问题，这跟市场上现有的设备 大部分是用于电机绕组的浸漆与烘干有很大关系，由于设备适用于产品类型的不 同导致达不到理想的效果。 为了达到厂方要求，降低成本，需要从微观环节上对浸漆和烘干的本质进行 仔细的研究，才能改变浸漆效果不好、烘干不完全、不彻底的现状。通过对真空 下的传热传质理论的研究与利用，就能从本质上解决上述问题。 1 2 课题的意义 工厂中的电机、家用电器中的变压器以及电磁阀等很多产品中都有或大或小 的线圈。如果电机中的绕组性能很差，强度很低，不耐潮、不散热、绝缘性差， 那电机的使用寿命就受到限制，这是非常危险的，会给生产、生活带来许多不便， 也会产生重大的事故，必须加以重视。所以这些绕组、线圈都会在表面经过浸漆 与烘干处理，以达到提高工件的绝缘性能和强度的目的。而本课题中应用的真空 压力浸漆设备有以下优点： ( 1 ) 真空状态下，脱气、脱水容易并且彻底； 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 残水率低，产品绝缘性能好； ( 3 ) 防潮性能好，机械强度高； ( 4 ) 浸漆完全、彻底； ( 5 ) 浸渍剂低温保持，可重复利用，减轻环境污染； ( 6 ) 浸渍产品所需时间短，效果好，大大提高了生产率； ( 7 ) 采用工控机自动控制，操作方便，稳定性好。 线圈浸漆的过程就是让油漆覆盖线圈的表面，包括各个缝隙，相当于给线圈 镀上了一层保护膜，提高它的强度；而烘干过程就是让油漆的溶剂从刚浸过油漆 的线圈中挥发出去，然后在其表面形成一层致密膜，防止线圈氧化，从而提高线 圈的强度、耐潮性、散热性和绝缘性。通过这个课题的研究，使该公司的线圈浸 漆效果更好，线圈性能等级更高，从而提高了产品的可靠性和强度，而且深入研 究浸漆与烘干的本质，就是微观上的粒子运动，掌握微观分子的运动规律，然后 加以控制，就可以达到更好的浸漆与烘干效果。 1 3 国内外的发展现状 目前国内外流行的方法就是采用“热气流一真空一热气流 的干燥工艺，使线 圈在同一浸漆缸内连续完成，白坯预烘一真空低温除潮一真空( 压力) 浸渍一回漆； 滴漆一缸底清洗一低温干燥一真空辅助回收溶剂一高温固化等全过程，整个处理周期 为十几个小时。 这种方法的一个缺点是干燥的不是十分彻底。由于热气流不断在线圈表面高 速掠过，使表面一定程度的硬化，不利于内部漆溶剂的挥发，使线圈的干燥质量 受到了很大的影响，从而导致了线圈性能不高，使产品的性能大打折扣。 另一个缺点是耗能。能源的缺乏和资源的浪费必须引起我们的高度重视，而 目前市场上流行和流通的大部分烘干设备都是热风干燥，此方法是用热风对线圈 进行加热，然后直接将带有挥发出来的溶剂排除烘干设备，因为这不断排除的热 风温度也很高，带有很大的热量，源源不断的排除而没有再利用，这样就造成了 资源的浪费。 国外许多真空压力浸漆设备，具有国际先进水平，操作简便，自动化程度高。 自19 8 5 年以来，我国电力、电工行业先后引进国外公司的v p i 设备多套，如上 海电机厂和湘潭电机厂引进的瑞士m i c a f i l 公司3 2 m v p i 设备；上海宝钢电修 厂引进的日本真空株式会社1 5 m v p i 设备；兰州电机厂引进的德国h e d r i c h 公 司的3 2 m v p i 设备都具有一定的代表性。这些设备虽然极大地带动了我国电力、 。 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 电工行业采用v p i 浸漆新工艺的技术革命，但这些设备高昂的价格不符合我国 的国情，据对这些设备所进行的调研、分析表明，这些设备也存在着或多或少的 缺陷。如瑞士m i c a f i l 公司的v p i 设备，采用了滑阀泵+ 机械增压泵的真空系 统。这种配置用在v p i 设备中来抽除含有水份、易燃易爆的苯乙烯等可凝性气 体就不太合适，根据调查表明：该系统就存在着经常发生泵油乳化、苯乙烯在泵 油中富集胶凝而需要经常更换泵油的问题。在该真空系统中没有考虑苯乙烯气体 的捕集问题，将抽真空减压时产生的苯乙烯气体直接排入了大气，是达不到现在 的环保要求的。在制冷、加热系统方面，该设备采用了开式冷、热水槽，能耗大、 热效率较低。德国h e d r i c h 公司生产的3 2 m v p i 设备，其真空系统由水环泵+ 机械增压泵组成，因而不可能达到较高的真空度，并且对被浸渍物的充分脱气、 脱水有较大的影响。同时，该设备的真空系统也没有考虑苯乙烯气体的捕集问题， 将抽空减压时产生的苯乙烯气体直接排入了大气，造成了污染。另外，该设备采 用了磁翻转式液位计，长期使用后液位管内的漆液沉积、胶凝在管壁，使浮动磁 块不能在管内轻松自如地上下移动，导致了液位计指示不准和卡滞现象。 国内的真空行业虽然起步较晚，但是近年来也得到了很好的发展。根据对 v p i 设备中所采用的全部国产化配套设备的采购、加工制造及设备的实际运行情 况来看，我国目前在设备、仪器仪表、阀门、机械制造、电控设备等领域的生产 能力，完全可以使v p i 设备全部国产化，并且在设备的综合性能上决不逊色于 国外设备，且价格只是从国外引进设备的三分之一左右。从这些情况来看，设计 并制造符合我国国情的、并且能够大大提高线圈性能的浸漆与烘干设备是十分必 要的。 1 4 本论文主要研究内容 在充分考虑厂方要求、分析过厂方现有设备的前提下，决定通过以下步骤来 完成课题内容： ( 1 ) 将真空下传热传质的理论运用到线圈的浸漆与烘干系统中，提出浸漆与 烘干的方法与步骤。 ( 2 ) 应用热辐射理论，选取红外线辐射器，对烘干系统进行加热，并提出温 度控制的方法。 ( 3 ) 结合研华公司的p c l 8 1 8 l 采集卡的数据采集功能，通过调用该采集卡 驱动提供的函数，实现对i o 口的访问和对系统的控制，应用微软公司的v b 6 0 语言编写接口程序和用户界面。 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 4 ) 采用模糊控制的方法对烘干系统进行温度控制，并应用m a t l a b 对系统 进行仿真，使得系统能够达到精确控制。 4 。 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 第2 章系统的总体设计 2 1 浸漆与干燥概述 2 1 1 浸漆与干燥的作用 干燥处理在电机、变压器及电器线圈修理过程中始终是和浸漆联系在一起 的，可以这样认为，干燥是浸漆工艺过程中的一个非常重要的环节，其主要功能 是通过对工件进行一定时间的烘干，以达到提高工件的绝缘性能和强度的目的。 ( 1 ) 提高绕组的耐潮性 在浸漆过程中，绝缘漆将纤维材料的毛细管及缝隙填满，并在表面形成一层 光滑的漆膜，使水分和潮气不易进入，因而提高了线圈的耐潮性能。浸漆次数越 多，防潮性越好。 ( 2 ) 散热条件 线圈的使用寿命与其温升有关。经过浸漆处理的线圈，传导热量的能力比空 气大得多，热量能比较容易地散发出去，改善了线圈的散热条件。 ( 3 ) 提高线圈的电气绝缘强度 绝缘层内部空隙为绝缘漆所填满，干燥后有良好的耐电性能，提高了线圈的 电气性能。 2 1 2 浸漆与干燥的工艺流程 ( 1 ) 预烘 线圈浸漆前，必须进行预烘，以驱除线圈内部的潮气和挥发物，并使其获得 适当的温度，以利于绝缘漆的渗透和填充。预烘的主要工艺参数是温度和时间， 温度过低，驱除潮气和挥发物的时间长；温度过高，影响绝缘材料的使用寿命。 预烘温度依绝缘材料的耐热等级而定，常压下的预烘温度取耐热极限温度上下 1 0o c 左右，但最高不超过耐热极限温度2 0o c 。 预烘主要是蒸发潮气增加漆的流动性，从而使漆浸得更好。预烘时温度要逐 渐增加，以便于潮气散发。如果加热太快，内外层温差大，表面水分很快蒸发， 使潮气由外往内扩散，内部水分反而不易散出。一般升温速度不大于2 0 3 0 。c l l 。 并且在预烘初期要不断地收入冷风来换气，以换掉箱内水分较多的热空气，预烘 后期要少换气，以保持炉温。 5 东北大学硕士学位论文第2 章系统的，总体设计 预烘时间与绝缘漆中的水分含量、溶剂含量、绝缘结构尺寸与形状、烘炉情 况及预烘温度的高低有关【2 1 。一般来说，预烘时间为预烘开始至绝缘电阻基本稳 定的时间的1 1 1 2 倍，例如：小型电机为4 6 小时，中型低压电机约为5 8 小 时。 ( 2 ) 真空压力浸漆 浸漆方法、浸渍漆的种类及线圈的使用要求不同，浸渍处理的工艺规范和工 艺参数也不同【2 1 。 采用常压沉浸法浸渍时，浸渍质量取决于线圈的浸渍温度、漆的粘度、浸渍 时间和浸渍次数。浸渍次数是根据线圈的使用环境和选用的浸渍漆而定，对于一 般的线圈只需要一次即可。一般来说使用条件越苛刻，使用环境越恶劣，浸渍次 数也越多。漆的浸透能力取决于漆的粘度。漆的填充能力，主要取决于漆的固体 含量【3 1 。 采用真空压力浸渍时，常采用真空、加压和反复加压的一次性浸渍方式，其 工艺参数除应有合适的工件温度、漆的粘度、浸渍时间外，还应选择合适的真空 度和压力大小4 1 。 ( 3 ) 滴漆 将线圈提出浸漆设备，垂直放置，滴去多余的漆，滴漆时间不少于3 0 m i n 。 ( 4 ) 真空干燥 预烘的主要目的是驱除线圈中的潮气和挥发物，并使工件得到较适合的温 度，有利于绝缘漆的浸透与流动。而干燥过程的变化比预热要复杂一些，因为在 干燥过程中，不仅有物理过程( 溶剂的挥发) ，而且还有化学过程( 漆基中树脂 和干性油的氧化与聚合过程，使浸入绕组内部的漆固化，并使其表面形成光滑漆 膜) f 5 1 。 烘干过程分为两个过程进行：第一阶段主要是溶剂的挥发，这时温度应控制 在溶剂的挥发温度以上、沸点温度以下( 如苯的挥发温度为7 8 5o c ) ，使溶剂既 能顺利逸出，又不致在线圈表面形成微孔和气泡，同时又可避免漆的表面形成硬 膜，阻碍内部溶剂的挥发。在此过程中，不断用真空泵抽真空，以加速溶剂的挥 发和防止溶剂气体过浓而引起爆炸事故。第二阶段主要是漆基的聚合固化，并在 工件表面形成坚硬的漆膜。为此，干燥温度一般比预烘温度高loo c 左右。烘干 时间与工件的结构和加热方式有关，可根据试验确定。第一阶段的时间，视溶剂 的挥发情况而定，约为2 3 小时。第二阶段的时间应根据绝缘电阻的情况而定， 6 。 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 以绝缘电阻达到持续稳定( 约2 3 小时) 为止。若是多次浸渍时，前几次烘干时 间应短些，最后一次时间应长些，使前后几次形成的漆膜能很好的粘合在一起， 不至分层【6 1 。 目前工厂较为普遍的是采用手拉葫芦、电动葫芦、滑车和单轨行车来进行重 工件的起吊、移动工作，这种方法的优点就是造价低廉；缺点是必须专门为此岗 位安排一个工人进行操作工作，工作内容单一、重复性大，而且具有一定的危险 性。 为了进一步实现工业企业的自动化水平，克服上述工具所带来的缺点，结合 工厂的实际工况，本人设计了一款具有超声波传感器的全自动单轨行车( 如图 2 1 所示) 。这种全自动单轨行车车体上带有相互垂直的水平方向和竖直方向上的 两个超声波传感器，工作的时候，水平方向的传感器采集水平位置信号，竖直方 向的传感器采集竖直方向的信号，不断将采集到的两个方向的位置信号传入控制 器中，控制器根据已设定好的程序控制单轨行车进行水平方向移动、竖直方向起 吊的动作。 轨道 墙 体 浸漆区区 ， 一， 地面 工位一 工位二 工位三工位四 ， 图2 1 具有超声波传感器的全自动单轨行车 f i g 2 1t h ea u t o m a t i cc r a n ew i t hu l t r a s o n i cs e n s o r s 这种全自动单轨行车，可以根据已编入的程序，进行四个工位的水平移动和 竖直起降： 7 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总体设计 首先，全自动单轨行车将工位一( 未浸漆线圈存放区) 的线圈竖直提升至一 定高度；然后水平移动到工位二( 真空压力浸漆区) ，进行线圈的真空压力浸漆； 在结束浸漆以后，单轨行车将线圈提升起一定高度，进行滴漆；经过一段时间的 滴漆后，水平移动到工位三( 线圈烘干区) ，进行线圈的真空烘干；完成烘干工 作后，全自动单轨行车提升线圈并水平移动到工位四( 浸漆烘干完全的线圈存放 区) 上方，然后放下浸漆并烘干完全的线圈。 这样，整个过程无需工人，只需要事先编好程序即可，提高了工时，节约了 劳动力，并降低了操作过程可能对工人的危险性。 2 2 浸渍油漆的选择 绝缘漆分为有溶剂漆和无溶剂漆两大类。 有溶剂漆主要是由合成树脂或天然树脂与溶剂组成，渗透性好，存储时间长， 工艺简便，但浸烘周期长，固化慢，挥发量多，易造成浪费和环境污染。 无溶剂漆主要是由合成树脂、固化剂和活性稀释剂等组成，具有固化快，渗 透性好等优点，因其挥发量较少，漆基含量高，烘干时形成的针孔和气泡少，故 绝缘性好。 2 2 1 有溶剂浸渍漆 有溶剂浸渍漆的品种很多，常用的漆基有沥青、干性油及树脂类。其中醇酸 类漆和环氧类漆最普遍。溶剂有醇类、苯类、酚类、酮类、酰胺类和石油。 有溶剂浸渍漆具有良好的渗透性，储存期长，使用方便。但其浸渍和烘烤的 时间长，固化慢。溶剂挥发后可能形成气隙，并污染环境。 沥青类漆应用范围广泛，其成分中有沥青、干性油松脂酸盐，溶剂为芳香族 烃和石油。沥青类漆具有较高的介电性能和防潮能力，对弱酸和碱具有稳定性， 缺点是不耐油，故主要应用于浸渍不要求耐油的零件和线圈。 醇酸类漆的组成以植物油改性醇酸树脂和其他树脂为主，溶剂有二甲苯和石 油。这类漆防潮性、耐油性好，对金属和其他材料胶合力强，有较高的耐热性， 用于浸渍b 级绝缘和需要耐热的电极、电器的线圈。 环氧类漆以环氧树脂为主，可与其他树脂配置成各种漆，溶剂和稀释剂为二 甲苯。这类油漆热固性好，漆膜黏结力强，介电性能高，耐热、防潮、抗化学腐 蚀性好，用于浸渍在湿热地区使用的线圈。几种有溶剂浸渍漆主要性能见表2 1 。 溶剂和稀释剂的使用对漆膜质量影响很大，对溶剂的要求如下： 8 。 东北大学硕士学位论文笫2 章系统的总体设计 性能 沥青油改丁基三聚环氧聚脂有机硅聚酰胺 漆性醇酚醛氰胺 脂漆浸渍浸渍漆酰亚胺 1 0 1 0 酸漆 醇 醇 1 0 3 3 漆 1 0 5 3 浸渍漆 1 0 3 0 酸漆酸漆 1 0 5 5 p a l - 2 1 0 3 l1 0 3 2 ( 2 0 摹g 凶3 0 5 0 3 0 6 03 0 7 03 0 6 0 3 0 一7 03 。6 。3 0 6 55 。9 0 票釜拿姜 4 5 35 。3 5 。35 。35 。34 55 。3 。 干燥时间h 酸值m g 5 6 1 5 221 5 2l 21 31 5 2 4 04 0 5 54 0 。6 03 5 7 5 2 0 0 。c 1 8 0 。c 常用溶剂的物理参数及用途见表2 2 。不同的溶剂具有不同的物理性质和化 学性质，应用的范围也有所不同，所以一定要根据不同的情况选取相对应的温度 控制。本项目合作单位进行线圈浸漆所用的漆溶剂主要是二甲苯，它的分子量是 10 6 0 8 ，沸点是13 5 1 4 5 。c ，所以本项目主要根据它的物理性质进行温度方面的 控制。 9 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总体设计 表2 2 几种溶剂的性质 t a b l e2 2c h a r a c t e r i s t i c0 fs o m ei m p r e g n a n t 2 2 2 无溶剂浸渍漆 无溶剂浸渍漆由合成树脂，固化剂及活性稀释剂等组成。它具有黏度随温度 变化快、固化快、绝缘整体性好，固化过程挥发物少等特点。因此，应用无溶剂 浸渍漆可提高绝缘结构的导热性、耐潮性，以及改善工人劳动条件，缩短实际生 产周期。几种无溶剂浸渍漆的性能列于表2 3 中【7 1 。 表2 3 几种无溶剂漆的性能 t a b l e2 3c h a r a c t e r i s t i c0 fs o m el a c q u e rw i t h o u ti m p r e g n a n t 从表2 3 可以看出，e i u 漆黏度低、挥发物少、击穿强度高、储存稳定性好， 可沉浸f 级低压电极绕组；而环氧无溶剂漆( h 3 0 。5 ) 的黏度比较高，浸渍效果 好、固化快、绝缘整体性好、固化过程挥发物少【引。 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 2 3 浸漆的研究与设计 2 3 1 真空下扩散传质 分子传质又称为分子扩散，简称为扩散，它是由于分子的无规则运动而形成 的物质传递现象【9 1 。分子扩散可以因浓度梯度、温度梯度或压力梯度而产生，或 者是因对混合物施加一个有向的外加电势或其他势而产生。在没有浓度差的二元 体系( 即均匀混合物) 中，如果各处存在温度差和总压力差，也会产生扩散，前 者为热扩散，又称索瑞特效应，后者与浓度扩散相互平衡，建立一稳定状态。为 简化起见，在工程计算中当温度或总压力差不大的条件下，可不计热扩散和压力 扩散，只考虑均温和均压下的浓度扩散。 在两组分系统中，单位时间内通过单位面积由浓度产生的分子扩散传输质 量，正比于该组分的浓度梯度。斐克提出 = 一口，孕 。砌 ( 2 1 ) n i ：- d i | 粤 u n 上式称为斐克定律。 式中，、m 分别表示组分f 由分子扩散所产生的质量通量密度，k g ( m 2 s ) ， 和摩尔通量密度，l 锄o l ( m 2 s ) ； 4 ，组分f 向组分的质扩散系数，m 2 s ； 肛组分f 的质量浓度； c ；组分f 的摩尔浓度。 对两组分系统的气体质扩散系数，给出下列半经验计算式，即 5 5 斋褊 m 2 s( 2 2 ) 式中，丁绝对温度，k ； p 系统总压力，p a ； m ，、m ，气体组分f 、的分子量； 形、杉气体组分f 、在正常沸点下液态的摩尔容积，m 3 n 1 0 1 ，空气为2 9 9 ， c o ，为3 4 0 ，h ，o 为1 8 9 ，c o 为3 0 7 。 上式能方便地用于计算两组分系统的气体质扩散系数。但是对于一个具体的 系统，应尽量采用实际测量值。 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总体设计 由式( 2 2 ) 可以得出，在气体组分的分子量蝎、呜与摩尔体积k 、巧一定 的情况下，d f ，只与系统总压力p 和绝对温度r 有关：随着p 减少、丁增加，口，就 会增大，就会使得式( 2 1 ) 中的、f 增大，即增大了气体的扩散量。 对理想气体引用理想气体定律，还可用压力来表示摩尔浓度。若p 和仍分别 为气体总压力和组分f 的分压力，显然p = b ，有 c f = 台，c = 意 ( 2 3 ) r 丁 尺丁 、7 设浸漆炉中间处挥发的气体分子质量为，压强为届，浓度为角，气体常 数是蜀；排气出口处气体分子质量为脚：，压强为仍，浓度为仍，气体常数是恐。 真个炉中气体的流动速度为v ，温度为丁，压强为p = p 。+ 见，它们之间的质扩散 系数为d ，x 为以出口为原点，向中心方向的距离。那么对于中间处气体有 咄m 堋一嚣鲁+ v 嚣 ( 2 4 ) 设定出口处气体质量流量对静止坐标为零，所以有 所：氇+ 峨一番等+ v 台= o ( 2 5 ) 求解上式，由于总压力p = a + 仍= 常数，故有 v ：一旦拿( 2 6 ) 1 ，= 一一o i z 0 l p p 、瓣 将上式代入式( 2 4 ) ，得 啪卜嚣高等 亿7 ， 从式( 2 7 ) 可以看出，两处的压力差越大，将促使气体的流通，使从内部 向外部扩散的气体量加大。在浸漆方面，会加大气体向外排除，使得油漆迅速充 分的覆盖在线圈的各个表面与缝隙；在烘干方面，有利于挥发的溶剂气体和水气 迅速排出。 2 3 2 真空下浸漆的方法 过去人们一直采用沉浸、滚浸、浇浸等绝缘处理工艺，随着人们对产品质量 及环境保护方面的要求不断提高，其缺点日渐明显： ( 1 ) 漆液的保存质量不易保证，工件带入漆液中的异物不易清除，夏季温度 较高时加速漆的质变； 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 ( 2 ) 浸漆时间及漆量随意性大，人为因素直接影响浸漆质量； ( 3 ) 由于受到工作环境、烘烤温度、漆液粘度等影响，线圈间隙及材料微孔 不能完全浸透，漆膜附着力低，浸漆质量不能保证； ( 4 ) 在罐外浸、滴漆，漆液容易飞溅外泄，流失量大，造成环境污染及漆液 浪费； ( 5 ) 漆中稀释剂直接挥发到空气中，对人体造成伤害，容易产生爆炸及火灾； ( 6 ) 余漆收回桶中静止存放，造成漆液粘度上、下层不均匀，影响浸漆质量。 图2 2 浸漆系统流程图 f i g 2 2t h ef i o wc h a r to fl a c q u e ri m m e r s e ds y s t e m 为解决以上问题，提高产品质量，本课题设计了如图2 2 所示的一套集浸漆、 输漆、储漆于一体的真空压力浸漆设备。采用这种真空压力浸漆的方式，能够使 漆渗透到线圈的每一个缝隙，达到浸渍彻底、效果好的目的【l 引。 在储漆罐和浸漆罐的罐体上分别安装一个真空钢管，连接到一个两位三通的 换向电磁阀上，然后将它与冷凝器进行连接，这里冷凝器起的作用就是将油漆中 挥发出的溶剂气体冷凝回收，使其不污染环境【l 。 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总体设计 两位三通换向电磁阀用来控制抽真空的对象：当不给电状态时，换向阀使真 空泵与浸漆罐进行连接，此时通过真空泵的工作，将浸漆罐抽真空；当给电时， 换向阀换向，使得真空泵与储漆罐进行连接，这时，通过真空泵的作用，将储漆 罐中抽真空，以利于油漆回罐。 浸漆罐和储气罐的盖项处分别安装一个通气阀，用于和大气连接，利于油漆 的左右流动。 控制器是通过采集卡，对两个罐体上的通气阀、控制漆左右流通的电磁阀、 两位三通换向阀和真空泵进行控制，使得该浸漆系统完全实现自动化。系统的结 构示意图如图2 2 所示。 浸漆开始 土 预烘线圈 上 放置线圈 上 抽真空排空气 上 开阀浸漆 上 关阀漆罐抽真空 1 l 开阀回收漆 上 开盖取线圈滴漆 习 图2 3 浸漆流程图 f i g 2 3t h ef l o wc h a r to fl a c q u e ri m m e r s e d 线圈的浸漆过程分为以下四步： ( 1 ) 先将已经预烘到5 0 6 0 。c 的线圈放入浸漆罐中，用盖盖严，通过控制换 向阀，用真空泵将浸漆罐罐内抽真空，连续不问断抽10 m i n ，最后停止真空泵； ( 2 ) 将储漆罐的顶盖上的通气阀打开，以便与大气进行连通，然后通过控制 东北大学硕士学位论文第2 章系统的总体设计 器将浸漆罐与储漆罐中间的电磁阀打开，使油漆在大气压的作用下，向浸漆罐中 灌入，此过程持续2 0 m i n ，这样，可使油漆完全浸入到线圈的各个缝隙，达到更 好的浸漆效果； ( 3 ) 打开浸漆罐的上盖，将线圈吊起，先进行10 m i n 的罐内滴漆，然后移走， 进行罐外的滴漆； ( 4 ) 关闭控制漆流通的电磁阀和储漆罐的通气阀，改变换向阀的方向，用真 空泵将储漆罐抽真空，此过程持续2 0 m i n 。然后打开控制漆流通的电磁阀，在大 气压的作用下，将浸漆罐中的浸渍油漆压回储漆罐，以便于下次的进行线圈浸漆。 这样，就完成了整个线圈浸漆的流程。流程示意图如图2 3 所示。 2 4 烘干的研究与设计 2 4 1 真空千燥概述 任何干燥过程都离不开物料本身、物料与周围环境之间、环境本身的传热传 质特性。真空干燥与常压干燥一样，其基本原理都是传热传质理论。所不同的是 真空干燥过程中，被干燥物料的周围环境为密闭的低压空间。( 真空是指在给定 空间内，气体分子密度低于该地区