（机械电子工程专业论文）小流量连续式发泡机设计及关键技术研究.pdf

一 m v _ 。 at h e s ；ss u b m ；仕e di nf u ，丘，。m e m 。fm er e q u i r e 二笺缝辔辔瞥缪缈 f o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dd e s i g no fs m a l l f l u xc o n t i n u u mp o l y u r e t h a n ef o a m i n gm a c h i n e m a j o r ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：c h e nb i a o s u p e r v i s o r ：l i a o y i d e w u h a ni n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y ，2 0 0 7 v 嘲 卜 摘要 摘要 本文以小流量连续式聚氨酯发泡机为研究对象，研究了聚氨酯发泡机开发 的关键技术，主要包括二次搅拌、隔离发泡剂、温度场的模拟三个方面。本文 主要工作和成果可以概括为以下几个方面： 1 提出了小流量连续式聚氨酯发泡机的设计方案，根据聚氨酯泡沫门片生 产线的特定要求，对组成发泡机的六个部分：机架、储料罐、计量装置、清洗 装置、水浴加热系统、混合头分别进行了分析与设计。最后设计出了门片聚氨 酯发泡机整机。 2 对混合头堵塞问题进行了理论分析，采用二次搅拌，隔离两种发泡剂的 技术，解决了混合头搅拌不均匀以及容易堵塞的问题。 3 采用a n s y s 软件，对o 型圈与电机转轴接触面的温度场进行了模拟与 分析，并根据模拟结果得到了合适的压缩量。 4 针对聚氨酯发泡机在试验过程中出现的堵塞、发泡质量存在缺陷，不 起泡等问题，分别提出了相应的解决办法。 本文的研究具有较强的理论价值和工程实用价值，为聚氨酯发泡机的研制 提供了一定的理论依据和实践经验。 关键词：聚氨酯发泡机、混合头、温度场、二次搅拌 武汉工程大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g i e sa n dd e s i g no f s m a l l 一 -i 1 1 u xc o n t l n n n mp o l y u r e t h a n el o a m i n 2m a c h i n e a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u s e du p o nt h es m a l lf l u xc o n 血u u mp o l y u r e t h a n ef o a m i n g m a c h i n e 。t e c h n i q u e si n c l u d i n gm i x e r ，b l e n d e r ，c a l e f a c t i o ns y s t e m ，m e a s u r es y s t e m ， t h ef i e l do f t e m p e r a t u r es i m u l a t i o na n ds oo n t h e nr e s e a r c ht h ep r o b l e m sa n ds o l v e t h e ml a t e r t h e f o l l o w i n gw o r k h a sb e e nc o m p l e t e d ： 1 ad e s i g ns c h e m eo fs m a l lf l u xc o n 血u u mp o l y u r e t h a n ef o a m i n gm a c h i ni s p r e s e n t e dh e r e a c c o r d i n gt os p e c i a lr e q u e s to f p o l y u r e t h a n ef o a md o o re q u i p m e n t ， t h e r ea r es i xp a r t sh a v i n gb e e na n a l y s i z e da n dd e s i g n e d t h e ya r ea i r f r a m e 、m a t e r i a l t a n k 、m e a s u r es y s t e m 、c l e a n o u ts y s t e m 、w a t e rc a l e f a c t i o ns y s t e ma n dm i x e r a tl a s t , t h ep o l y u r e t h a n ef o a m i n gm a c h i n ei sc o m p l e t e d 2 s o l v et h ep r o b l e m so fb a dm i xr o u n d 、b l o c k - u pb yt e c h n i q u eo fs e c o n d a r y m i xa n d i n s u l a t i n gt w o k i n d so f v e s i c a n t 3 i nv i e wo f t h ep r o b l e mt h a tp o l y u r e t h a n ef o a m i n gm a c h i n eh a sb e e nm a d e d u r i n gt h et e s t , w h i c ha r eb l o c k - u p , t h ep o o rq u a l i t yo ff o a m i n g ，t h er e l e v a n ts o l u t i o n h a v eb e e np u tf o r w a r d 4 a n s y ss o i t w a r eh a sb e e na d o p t e d t h et e m p e m t t w ef i e l do fc o n t a c t s u r f a c eb e t w e e no - r i n ga n da x l eb o xh a sb e e ns i m u l a t e da n da n a l y s i z d a c c o r d i n gt o t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o n , t h ea m o u n th a sb e e nc o m p r e s s e dp r o p e r l y l ， 一 j 一、 广 目录 第l 章绪论1 1 1 论文研究的目的1 1 2 聚氨酯发泡机发展状况2 1 2 1 聚氨酯发泡机类型2 1 2 2 聚赛藤发泡机的发展状况6 1 3 聚氨酯发泡机混合头。7 1 3 1 混合头的类型7 1 4 论文研究的背景及意义1 5 1 4 1 小流量连续式低压发泡柳存在的主要问题1 5 1 4 2 研究的意义1 7 i 5 本文拟解决的主要问题和主要研究内容1 7 第2 章聚氯翳对勖蹴1 9 2 1 发泡原料以及发泡工艺简介1 9 2 2j l i ；! i l ；：i i e ：；黼；5 i 泡j 朗i 设计2 0 2 2 i 门片聚氨酯发泡机设计方案及装配简图2 0 2 2 2 发泡机整机设计2 3 2 3 小结3 1 第3 章聚氯躬蝴混合奖锚驸3 2 3 1 发泡机混合头设计方案3 2 3 1 1 混合头方案设计3 2 3 1 2 二次搅拌混合的提出3 4 3 1 3 隔离发泡剂技术的提出3 5 3 2 混合头主要组成部分的设计3 7 3 3 小结4 2 武汉工程大学硕士学位论文 第4 章聚氯夥辩动臃抬头密蝴蛹稿啵黼4 3 4 1 分析密封圈与转轴接触面温度场的原因4 3 鹞 钙 盯 盯 钙 磁 鼹 弱 h 弱 弱 鼹 钭 鸥 似 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的 第1 章绪论 门片聚氨酯发泡机主要完成对成型的门片进行浇注发泡。本论文的主要任 务是研究开发小流量连续式聚氨酯发泡机，对发泡机关键技术进行研究，以及 解决发泡机试验过程中存在的搅拌不均匀、混合头堵塞、发泡缺陷等问题。 聚氨酯泡沫门片采用辊压方式成型，并在空心型腔内填充聚氨酯泡沫，双 层强化结构，安全可靠，并兼具保温、隔音、节省能源等功能，被广泛用于车 库门、工、i i ，厂房门及民用窗、商用门窗等。 图1 - 1 门片样品 聚氨酯泡沫门片的生产过程包括板材成型，注射发泡，冲孔、加热定型以 及切断这五部分组成，在板材成型封闭前进行浇注发泡。 c l o n 8 o - t r d c c 加 图卜2 江苏华中冷弯公司设备图图1 - 3 任尉顸合设备厂设备图 目前国内聚氨酯发泡机的生产技术主要来自于国外，或者直接代理国外发 武汉工程大学颂士学位论文 泡机产品。这些发泡机设备主要用于间断式生产，在聚氨酯泡沫门片生产线中 时则不能很好的匹配使用，所以开发与生产线匹配的连续式小流量聚氨酯发泡 机具有一定的经济价值和理论意义。 本论文的研究内容为门片聚氨酯发泡机的设计及混合头密封| 生能的研究。 发泡机的设计包括机架、储料装置、计量装置、水浴加热装置、清洗装置、混 合头装置六个部分。其中混合头装置设计是发泡机设计的关键【i i 。 1 2 聚氨酯发泡机发展状况 1 2 1 聚氨酯发泡机类型 自从出现了反应注射成型新工艺以来，用于完成整个反应注射成型工艺的 设备_ 反应注射成型机也得到了迅速的发展。如从最初的低压搅拌式反应注射 成型机到高压碰撞式反应注射成型机，乃至旋转注射反应注射成型机，种类繁 多，各具特色。这些反应注射成型机( 简称r i 腑几) 目前虽然还很流行，但设计上 却存在着许多不合理之处，如低压搅拌式r i m 机的混合是通过高速旋转的转子对 两种或两种以上的液体物料进行机械搅拌来完成的【l l 。低压搅拌式r 工m 机的转子 转速通常高达1 0 0 0 0 - - - 2 0 0 0 0r m i n 。只有在如此高的转速作用下，物料才能受 到强烈的剪切，得到充分的混合。高速旋转需消耗很大的能量，而且还会引起 混合物料温度迅速匕升，从而产生过多的热量，使物料过早凝固，造成产品性 能下降。高压碰撞式r i m 机的混合，是通过两个液体组分在高压高速下互相碰 撞形成湍流来完成的。两物料的喷射流速1 5 0m s ，喷射压力高达1 5 2 5 泞a 。 因而高压碰撞式r i m 机消耗的能量也很大。当物料粘度较高时，难以形成湍流 混合。因此它无法进行高粘度物料的混合成型。英国皇家学院针对高、低压r i m 机存在的问题而提出的一种新技术旋转注射反应注射成型机( 简r i - r i m 耖l ) ， 该机的混合优势从理论和实践上均已得到论证【2 1 ，它为反应注射成型技术的发 展提供了理论依据和研究基础。但由于该机是初级研究阶段使用的实验设备， 第1 章绪论 只能进行间歇式混合，不能满足工业化连续生产的需要。 聚氨酯发泡机按计量泵和计量管线压力可分为两种：高压发泡机和低压发 泡机。高压发泡机的管线压力可达到1 0 2 0 咿a ，低压发泡机通常只有1 m p a 左右 的压力，最高可达至u 3 ，- - 4 m p a t 3 1 。在五十年代初，用于生产聚氨酯泡沫塑料的聚 酯多元醇为粘稠状液体，粘度为2 0 0 0m p a s ( 2 5 ) ，般使用慢速转动的齿 轮泵来计量。混合头内必须使用机械搅拌器，其计量压力最高可达到3 m p a 到 4 m p a ，这是低压发泡机。随着低粘度聚醚多元醇的出现，种新型的混合方式( 撞 击式混合法) 诞生了，几个组份的料液( 通常为两个组份) 在高速下注入容量很小 的混合室内，通过动能的转换达到混合均匀的目的，组份使用各种活塞泵进行 计量，可产生i o - - 一3 0 m p a 的压力，这就是高压发泡机。这两种发泡机根据其技术 特性的不同在用途e 各有千秋，在当前的国际市场上高压发泡机多于低压发泡 机，高压发泡机的优点在于计量准确，适合快速反应系统，加工过程中物科的 损失最小，且它最大优点是清洗时不用溶剂，起到保护环境的作用，当前高压 发泡机的适用范围不仅于低粘度物料( _ 般低- 于2 0 0 0 m p a s ，2 5 ) 。某些高粘 稠物料，经加热到1 0 0 以下，只要粘度能降氐到低2 0 0 0 m p a s 时，就可使用 高压发泡机的撞击式混合来进行生产【4 1 。高压发泡机缺点是价格昂贵，_ 次性 投资较高。低压发泡机的优点是价格低廉，原料的适用范围广：缺点是混合头 需要用溶剂和空气清洗，这样既污染了环境又增加了生产成本，选用哪种发 泡机需要考虑每天的生产量和每件制品的重量( 般制品小于1 5 9 的不宜使用高 压发泡机生产) 。在条件允许的隋况下应尽可能使用高压机【5 - 7 1 。另外，当使用 多组份计量，而每个组份需高精度计量时，可将高压技术和低压技术结台起来， 即用高压浇注计量泵将组份料液计量和注射入带搅拌器的混台头内，这种发泡 机用得不多。低压发泡机通常使用低压计量泵，如齿轮泵和环形活塞泵等，注 前组份物料由泵输送经混合头后返回贮糟，系统处于循环状态；浇注时通过定 时器打开分流阔。各组份物料进入混合室，物料在混合室中经搅拌器混合均匀 浇注。灌料后，立即用溶剂清洗混合室和搅拌器。 武汉工程大学硕士学位论文 项目高压发泡机低压劣茜包机 用柱塞泵控制的计量装置采用 特殊高压计量泵控制的液体计 采用低压计量方式或特殊的泵 量系统；混合头不使用机械搅计量；混合系统采用机械强烈 形式 拌，而是利用液压喷特瞳击式混搅；在搅拌的过程中产生的压力 合；有时压力可以达到4 0 0 大气为5 l 刚卜大气压 压高压机可间歇弱錾卖使用 采用2 或4 绢细分系统及多组分 系统，黜5 咖9 e r a 3 ，为 般采用2 8 组分系统( 多为 组分系统了达到与内蜊澎啊i 嘴相同的喷 2 3 组分系统) ；组分液体的循 射效果，可使用喷嘴喷射液体。环在混合头分流阀与储料罐之 混合头因带! 腱扩荡5 不同具有各间进行 自的恃点。 混合室的容积，随扩喇# 出量的混合头几乎都安装有i 柳柳封党降 混合头不而异，般为0 3 5 0 9 锄3 ，装置，并安装有开( o n ) 和关 为了达到与内燃机喷嘴相同的 ( a f f ) 喷懈，可伽喷嘴蝴阀门，按动0 n 时液体的循环在混 体，混合头因铝l 随厂家不同而各合头分流阀与储料罐之间进行。 有特点 混合头清洗灌料结束后，用活塞清洗发泡剂灌注后用清洗齐岈t 空气 清洗 通过调整高压柱塞泵行程或转物料i j c ：鹭可j 百过计量泵阀门的 计量 速，来调整物料流量启动时间或通过泵送液速度来 调整 4 第l 章绪论 组分液体粘度 通常小于1 5 0 0 肝a s ( 2 5 )以泵的流氍大小而异，_ i 羲l 也可 以大于1 5 0 0 m p a s ( 2 5 ) 维修由有经验的技术工人维修取决于机器的类型，但般比较 容易维修 经济性与低压发泡机相比，般的价格与高压发泡扪相比，般价格较 较贵，容易制得高质量产品便宜 1 2 2 发泡机发展状况 聚氨酯发泡机主要由满足化学反应过程中所需要的计量、混合装置和赋予 产品形状的成型、加工装置以及原料贮存、产品输送等辅助装置组成。即主要 由高压反应注射成型机( 高压发泡机) 、低压机及其各类发泡成型生产线组成。 如块状泡沫发泡生产线、箱式发泡生产线、层压式板材发泡生产线、模塑成型 发泡生产线( 转台、环形、直线司、保温管材生产线和各类成型模架以及二次 加工设备。2 0 世纪吣年代初，由于聚氨酯原料工业的发展，带动了聚氨酯泡沫 设备机械的市场需求，期间我国使用的聚氨酯泡沫设备机械主要以进口为主， 即主要进口德国b a s f 集团、k r a u s sm a f f e i 公司、d e s m a 公司、h e n n e k e 公司及意 大利康隆公司等国外机械设备。为了发展我国聚氨酯设备工业，尽陕结束我国 聚氨酯工业关键设备长期依赖进口的局面，国内一些企业引进了国外聚氨酯高 压发泡机主机技术，并自主创新开发了各类成套生产设备技术，生产制造出各 类聚氨酯泡沫塑料加工成套设备，从而结束了我国此类设备长期依靠进口的历 史，由此聚氨酯行业从简单的箱式发泡设备迅速发展到采用自动化生产线生产 各类软质泡沫、硬质泡沫、自结皮泡沫制品。据不完全统计，多 2 0 0 2 年底国内 现有聚氨酯各类泡沫设备和生产线达l 万多台( 套) ，特别是家电、交通、保温、 建材等行业全部采用了高压反应注射成型工艺及设备生产，从而代替了过去手 工低压发泡的落后工艺。 武汉工程大学硕士学位论文 1 0 年前，聚氨酯手工制品在我国就出现了。这种手工制作方式俗称“手泡 ， 即手工发泡。先把各种原料准确称量后，置于一个容器中，然后经人工搅拌后， 迅速倒入模具或者需要填充的空间中去，进行化学反应成形，这种手工发泡的 缺点是： 1 混合均匀度差，发泡出来的制品质量差： 2 原料浪费大，因在发泡桶上黏糊的残料较多； 3 工人劳动强度大； 4 生产效率极低； 近l o 年，我国的聚氨酯双组分液体反应成型设备的制造生产发展十分迅 速。以规格，品种不同区分，这类设备数目繁多，局部结构上的差别也很大。 这类设备的标准化系统化目前在我国还没有提到议事日程。不过，国内也有单 位在尝试这类设备的标准化、统一化，多功能性等，不过都处于试制工作阶段， 要想成熟并非易事。目前，聚氨酯发泡机设备整体设计以及一些结构设计上都 存在仁者见仁、智者见智的不同设计方案。比如，对高压发泡机与低压发泡机 而言，不少的聚氨酯制品的生产都使用这两种发泡机。高压发泡机的特点是双 组分原料以高压喷射方式进入到混合腔，进行撞击式混合，均匀度较高。而且， 混合腔采用机械清洗，无需清洗剂的清洗方式。但是，其造价明显偏高。两外， 高压发泡机目前对弹陛体浇注还存在一定困难。低压发泡机造价明显低，对弹 性体与硬泡浇注都不困难，但混合的均匀度相对高压机要差一些。也有人对混 合的均匀度问题，提出以低压喷射，高速搅拌的方式，来达到较高的均匀度要 求。对混合腔的清洗也有采用低压机械清洗( 无清洗剂) 的结构。从陆价比来 看，低压发泡机目前比较占优势。而在低压发泡机上，也存在结构配置上的差 别，比如，喷射混合头，有转阀式喷射混合头与拉动阀式混合头的区分。 最近，世界多数国家在开展淘汰氟利昂的行动，中国也加入了这一行列， 在软泡和硬泡设备方面已开始行动。二氧化碳发泡、环戊烷发泡、真空变压发 泡的设备也是如此。 双组分液体反应成型是聚氨酯制品成型的主要特点。在双组分液体原料进 第1 章绪论 入模具型腔，虽然双组分液体原料在混合腔中是以高压喷射，撞击混合和低压 喷射，高速搅拌两种不同的混合方式，但其实质都是使双组分液体原料及助剂 混合均匀度达到一定要求。 1 3 聚氨酯发泡机混合头 1 3 1 混合头类型 常用的混合头分为带搅拌器的混合头、撞击式混合头、空气混合头、摩擦 式混合头这四种【l 。混合头的结构不同，其混合原理也不同。下面将分别对每 种类型的混合器的特点进行分析。 1 带搅拌器的混合头 各组分原料被泵计量i 羞入混合室后，经高速转动的搅拌器混合均匀。这种 混合头由三个主要组成部分：混合室、搅拌器和节流器。 撵窗甲 图1 - 4 带搅抖锩混合头 这种混合头主要用于f 氐压发泡机，对于大规模连续生产的大型低压发泡机， 发泡中搅拌器以很高的速度持续转- z c j ，反应混合物从排料管持续均匀的排出， 在连续向前的u 型纸模匕完成发泡成型，直至生产过程终止。对于低压模塑机则 采用间歇式灌注，进料阀间歇的开关来控制灌料时间，然后再用空气吹尽。间 歇式混合头的搅拌器设计成不同的形状，常用的为长销钉式、销钉一叶桨式和 螺旋槽式销钉式属高速低剪切型，螺旋槽式属高剪切形。低剪切型搅拌器是将 轴柱置于混合筒中央，使筒中的自由体与发泡机的流量相等。高剪切形搅拌器 武汉工程大学硕士学位论文 只要用于软质泡沫成型机，转子或柱形或锥形，与混合筒之间有精密级缝隙。 转子与混合筒之间的间距取决于生产量和物料的粘度。通常设计要能保证物料 连续流过混合头，并使所有的反应混合物在任何时间内都均匀致。在这种混 合器的低压模塑机上常安装有转子转速的控制装置和改变出口管孔径的装置， 图1 _ 5 带搅拌器的间歇式浇注混合头 注：电机2 。蝴3 润黼4 密封5 分流6 懈7 。撇 以便控制泡孔的孔径大小。搅拌轴通常采用滑环密封垫密封。间歇式模塑机， 无论是两组分或多组分，在注料开始或结束时，经常发生湍振，即在瞬间不能 保持预定的计量比。主要原因是循环阀的定时错误或操作误差；进料管孔径不 正确，注射时管孔泄漏发生变化；管线膨胀或发生脉冲等。这时可通过调节组 分料液的压力和速度使之保持平衡，将湍振降低到最低程度，或通过调整循环 回路上的节流阀使压力平衡。进料压力和循环管线上的压力之间的平衡也可通 过循环回路上标定准确的计量泵来实现，或通过调节进入混合头物料管口径使 进料速度平衡，使每一个组分以相应的速度进入混合头。搅拌器的传动分为电 机单速传动和变速传动。变速传动既可采用直流电机频率控制，又可采用液压 变速系统控制。搅拌器的转速在1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 0 r m i n 范围，块状泡沫连续发泡机 的搅拌速度一般在3 5 0 0 - - - 6 0 0 0 r m i n 范围，在特殊需要的情况下也可达到 2 0 0 0 0 r m i n 。混合头的进料阀采用三通阀，安装于靠近混合室的地方，与空气 8 第1 章绪论 与空气或液压动力相连接，并在其作用控制下转换为进料位置，物料即可进入 混合室。浇注完毕又转回到循环位置，物料回流入储料罐。 节流器又称为抑流器，为可拆卸部件，其作用在于调节混合室压力以控制 泡沫制品质量。节流器可加工成不同口径的出料管，也可使用节流阀，安装在 出料管上。可改变出料口孔径大小。管口上装有层过滤网，搅拌器的叶片在 此将旋转的物料混合均匀。带搅拌器的混合器可使粘度高达4 0 0 0 0 m p a s 的粘稠 物料混合均匀，两组份的进料比侧可从1 0 0 ：l 至l ：l 。 2 撞击式混合头 组分物料以很高的速度进入混合室，通过物料动能转换( 即动量) 而达到混 合均匀的目的。一般高压发泡机的高压计量泵可产生高达3 0 0 b a r 的压力，这样 图l - 6 撞击式混合头 注：1 分流器2 注射器3 混合室龟节流阀5 芳黼酹铷 高的压力在喷嘴出口处可产蝴1 5 0 m s 的高速度。各组份以这样的高速度注 射入混合室，通过互相撞击的方式进行混合，即在混合室内产生湍流。混合头 的几何形状，包括喷嘴的位置和形状，物料撞击的角度，混合室大小及两组分 的动量比等也对混合效果产生影响。撞击式混合头用于高压发泡机。由于高压 发泡机分为直接式和循环式两种，因此撞击式混合头也分为直接式和循环式两 种。目前，多数高压发泡机的撞击式混合头采用循环式系统【1 2 一一钔。 ( 1 ) 直接式系统 早期的直接式系统的特点是喷嘴与混合头连接在一起。这是从柴油机的燃 料注射喷嘴引伸出来的，其结构如图卜7 所示。喷嘴带一个弹簧，弹簧推动针 栓就关闭了进入混合室的小孔。进入小孔的物料压力克服弹簧力，喷嘴就打开， 武汉工程大学硕士学位论文 - 他 图1 - 7 直接式撞击式混合头 注：1 弹簧顶着自q ；型i 寸琐嘴2 弹簧力调节螺母3 混合室屯空气清洗阀 将物料注射入混合室。物料压力( 即打开弹簧的压力) 可调整毛e 6 - - 1 5 0 b a r 之间。 这种混合头也能调整j 差入混合室的物料速度。 ( 2 ) 循环式系统 在7 0 年代，随着聚氨酯模塑制品需要量的增加，直接式系统的撞击混合头 越来越不能适应生产发展的需要，逐渐为循环式系统所取代，于是出现了各种 类型的循环式撞击混合头。 滑动活塞混合头这是第一种用于撞击式混合头的循环式系统。图1 - 8 为其结 构示意图，为德国h e n n e c k e 公司设计。其特点是组分物料可进行循环，远距离 开动混合头的分流器即可使物料同步进入混合室。用轭架连接的两个活塞在轭 图l _ 8 撞击式滑动活塞混合头 架的气动制动装置作用下，可在混合头简体内作轴向运动。物料在活塞中心孔 1 0 第1 章绪论 内流动，通过循环活塞的出料孔流出活塞，从混合头简体的通道与回流线相连， 返回贮料罐。当活塞作轴向运动时，出料孔随活塞起移动，并在混合室注射 孔处分批打开，物料进入混合室。转动活塞使出料孔多少作些关闭，这样就 可以控制混合头压力合物料的进入速度。注射完毕用空气清洗。采用空气清洗 的还有滑动阀的混合头。 专 l 图1 - 9 滑动阀混合头 注：1 注射孔( 完全开启) 2 注射孔( 翊抗懒减小孔的大小) 3 混合室4 空气清洗阀门 活塞清洗撞击式混台头 空气清洗混合头逐渐为活塞清洗混合头代替。目前使用的活塞清洗撞击式 混合器都带有遥控启动分流器装置。按其设计特点和功能( 分流和清洗方式) 可 分为a 、b 两类。 a 类：混合头带有分流器，分流器与清洗活塞相连接，这样就只需要个液 压系统。它按不同厂家的设计又可分为两类： a 。：分流和清洗只需要一个简单的控制活塞，见图1 - 1 0 矛d 图1 - 1 1 。 图1 - 1 0 循环控制活塞混合头 注：1 注2 控审怄靖洗活塞 3 循环槽4 混合室 a ，：分流和清洗采用不同的装置， 图卜l l 压力及活塞控制喷嘴混合头 注：1 注射口2 喷嘴体 3 控制及清洗活塞4 混合室 用机械连动进行启动 武汉工程大学硕士学位论文 b 类：分流和清洗各有自己的液压装置，按不同厂家的设计也可分为三类： b ，：分流采用机械启动；b ：分棚液压启动；b ，：分流采用回流截止 表1 - 2 高压式混合头的分类 a 类( 步) b 类( 两步) 控帛蛞塞a l 控带惦塞a 2柳械启动b l液压启动b 2分别启动b 3 e l a s t o g r a n a f r o s - c a n n o nh e n n e c k e k r a u s s - f f e is e c m e rb a t t e n f e l dc i n c i n n a t i - m i l n c r o o h e n n e c k em a r ti ns w e e t s u i k i n g d e s m 下面将简要介绍几种a 类混合头： e l a s t o g r a n ，k r a u s s - m a f f e i 公司的a 1 混合头 图1 - 1 2 为这种混合头的结构，当活塞推进时，物料处于循环状态，并由控 循环噼爱 图卜1 2 循环控制式活塞混合头 注：1 注2 撒i i 及清洗活塞3 删龟混合室 制活塞背面的槽流回储料罐。在注料状态时，物料流经牵引活塞的背面注射混 合室。当活塞再次推进时，注射中断，物料再次进入循环状态，并且随着活塞 的推进，混合室里的反应混合物被排出并进行清洗。 m a r ti ns w e e t s 公司的a ，混台头 这种混合头用清洗活塞关闭从喷嘴体到混台室的小孔，清洗活塞同时也有 控制杆的作用。由于喷嘴体的面积和压力之间的关系，它所受的作用力是不相 同的，此时喷嘴体向后移动，物料处于循环状态。当清洗括塞往回运动时，孔 第1 章绪论 口打开，喷嘴体向前推进，物料的回程被关闭而注射入混合室。注射完毕，清 洗活塞向前推进。再次关闭孔口，喷嘴向后移动，物料再次进入循环状态。清 洗活塞同时清洗混合头和排料管，如图卜1 3 所示。 审 审 图卜1 3 压力活塞控制喷嘴混合头图卜1 4 旋转阀门混合头 a f r o s - c a n n o n 公司的a ，混合头髻 这种混台头的特点是带有能转动的三位阀门( 图1 - 1 4 ) 。当阀门从低压循环 位置移向高压循环时，物料就进入注射位置。 s e c m e r 公司的a ，混合头 这是用转动杆控制的混合头( 图1 - 1 5 ) 。当物料处于循环状态时，转动杆同 锑箕? 靖桄 强台 图i 一1 5 转动杆控制的混合头 注：i 注射喷嘴2 控制僦活塞3 混合室 时关闭了两个注射喷嘴。转动杆同时也起控制作用，当活塞往回缩时，混合室 无料。在清洗活塞压力的作用下，转动杆产生转动，喷嘴被同时打开，物料注 武汉工程大学硕士学位论文 射入混合室。当清洗活塞向前推进时，喷嘴被关闭，物料又进入循环状态，混 合室同时被清洗。 u i k i n g 公司的a ，混合头( 图1 - 1 6 ) 在该混合头的循环位置，物料通过可进行控制的注射喷嘴，同时清洗活塞 关闭了进入混合室的小孔。通过混合头的扼流阀可以调整循环压力，用清洗活 塞上的一个扼架连接两个滑动阀，当液压装置移动到注射位置时，喷嘴打开，循 环回流的物料被切断。清洗时，活塞向前推进，物料再次处于回流状态。 打可，一击 图i 一1 6 双轭架控制混合头 注：i 注射喷嘴2 控制和清洗活塞3 切断回流的控韦啦舌塞4 循环压力控制器5 混合室 图卜1 7 空气式混合头 3 空气式混合头 这是利用注射入混合室的空气所产生的湍流而使组份达到混合的目的。这 种混合方式只适用于那些粘度低和容易混合的化学组分。例如硬质聚氨酷泡沫 喷涂机喷涂发泡时采用的空气喷沫即属于这种混合方式。 第1 章绪论 4 摩擦式混合头 这是一种带搅拌器的特殊混合头。它使用圆锥形混合头与一个高速螺杆( 速 度在1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n ) 之间产生的剪切力使组分物料混合均匀。它与一般带 搅拌器的混合头的区别在于摩擦式混合头是利用螺杆来输送物料，属于自清洗 型，不需要溶剂清洗。 1 4 论文研究的背景及意义 1 4 1 小流量连续式低压发泡机存在的主要问题 无论是间歇式发泡机还是连续式发泡机，在发泡的过程中，发泡机的发泡 效果都将受到混合头| 生能好坏的制约。目前国内使用的聚氨酯发泡机按照其工 作方式可分为间歇式和连续式发泡机。目前国内对于间歇式发泡机的设计，技 术已经比较成熟，间歇式发泡机因其方便、灵活、投资相对较少而受到中小型 企业的普遍欢迎，被大量的用于制冷设备，冷藏室，建筑材料、汽车等行业。 间歇式r i m 机的混合系统也是由转子、机简、料阀及电机等组成，不同的 是转子为空心结构，在空心转子上钻有许多小注射孔，每次混合前，先在转子 内腔和混合室内分别注满两种不同的物料。混合时，使转子低速旋转，转子内 腔的物料在离心力的压差作用下，从转子的众多小注射孔垂直射入混合室的另 一种物料中，通过转子旋转剪切，使两物料得到混合。混合完毕，打开阀门将 混合物注入模具后，才可进行下一次混合。由于这种混合系统为间歇式混合，因 而它不适合进行工业化生产【1 5 l 。 间歇式模塑机，无论是两组分或多组分，在注料开始或结束时，经常发生 湍振，在瞬间不能保持预定的计量比。主要原因是循环阀的定时错误或操作误 差；进料管孔径不正确，注射时管孔泄漏发生变化；管线膨胀或发生脉冲等f 1 6 】。 间歇式发泡机在工作过程中，因采取间歇式工作，每完成一个工作周期， 发泡机就清洗一次，所以堵塞问题不严重，即使堵塞对生产也没有多少影响。 武汉工程大学硕士学位论文 小流量连续式低压聚氨酯发泡机使用及开发在国内还处于起步阶段，由于 流量小，连续工作时间较长，在工作的过程中不能随意停机，所以通常小流量 连续式发泡机的混合头在工作过程中随着工作时间的延长而逐渐有异物附着在 浇注混合头的喷嘴、搅拌花鼓以及混合室内壁上面，最后导致堵塞现象发生。 小流量连续式聚氨酯发泡机每次使用后方可进行清洗，在生产线运行中途 停机将导致材料浪费、生产效率降低，甚至整条生产线无法正常运行，所以小 流量连续式聚氨酯发泡机的技术难度较间歇式发泡机要大得多。 近2 0 年国民经济的高速发展，我国聚氨酯工业包括从基本原料、制品和机 械设备的产量，已具有相当的规模，但是与欧洲发达国家德国相比仍有很大的 差距，主要是产量上的差距，且应用的普及程度不高，产品品种较少，产品性 能不稳定，工艺技术水平仍较低，某些关键设备和关键零部件仍需进口，这些 关键设备和部件的研发需要有高水平的基础工业作为保障手段，更需要强大的 资金作为后盾，才能进行更高层次的研发工作。有部分基础的零部件虽然能加 工成型，但是钢材本身的材质和热处理方面的加工手段、工艺水平较落后，个 别零件的单件产品能满足和达到技术要求，但批量投产后产品质量很难稳定， 产品的质量稳定性及可靠性很难得到保证，使用寿命大打折扣。国内企业自主 创新及研发能力较弱，没有国家级的集团研发能力，同时也几乎没有政府的投 入，设备设计开发人员普遍素质不太高、激励机制不太灵活、体制的约束等因 素影响了行业的整体发展。 目前国内的小流量连续式发泡机技术主要依赖进口。聚氨酯建材行业的发 展大大促进了聚氨酯发泡机技术的提高，目前国内从事聚氨酯发泡机的开发企 业越来越多，很多国产发泡机已经取代了进口发泡机设备，但是在小流量连续 式发泡机的设计方面，我国远远落后欧美国家，从事小流量连续式聚氨酯发泡 机开发的技术人员的人员以及用于开发的资金也远远不及发达国家。这些严重 制约了我国在聚氨酯行业的发展，导致发泡机的发泡质量以及通用性都受到很 大限制。总之，整体综合国力以及开发投入和开发手段，制约了我国聚氨酯泡 沫塑料加工设备的快速发展。 第1 章绪论 1 4 2 研究的意义 目前国内在制冷设备、汽车、工业门窗、建材、制鞋等行业迅速发展，对 于工! 1 2 化的连续生产要求越来越高，性能优良的发泡机设备需求量越来越大。 然而我国聚氨酯发泡机市场及技术长期以来直被德国、意大利等国家垄断。 研究小流量连续式发泡机对于打破国外在发泡机行业的技术垄断以及提升自主 研发能力具有一定的意义，具体体现为以下两个方面： 1 开发小流量连续式聚氨酯发泡机，从技术上来讲为提高我国聚氨酯泡沫 设备的自主研发起到一个铺垫作用。自主研发聚氨酯发泡机一方面降低了聚氨 酯泡沫加工设备的购买成本，另一方面也可以根据生产特定的要求，有针对陛 的开发匹配| 生能好，适应性强的聚氨酯泡沫加工设备。 2 打破进口设备技术垄断，节约了各个行业的开支。国外设备由于技术垄 断，发泡机设备的整体价格一直都比较高，尤其是高压发泡机，根据性能及用 途的不同，价格在3 0 , - 一5 0 万元左右。然而自主开发低压聚氨酯发泡机成本在1 3 万元，开发高压发泡机成本在8 1 5 万元左右。 3 自主研发小流量聚氨酯发泡机，对于以后其它开发人员研究这种类型的 产品起到一定的指导作用，本文的设计理论及试验经验可以为以后聚氨酯发泡 机的开发作一定参考。 1 5 本文拟解决的主要问题和主要研究内容 针对目前国内使用的小流量连续式发泡存在搅拌不均匀、混合头容易堵塞、 发泡质量存在不同程度缺陷以及混合头泄漏等问题。本文从解决这几个问题入 手，进行如下研究工作： 1 提出小流量连续式发泡机的设计方案，根据方案确定发泡机的各个部分。 2 结合目前混合头存在的问题，设计二次搅拌混合以及果用隔离两种发泡 剂技术，开发新类型的混合头，解决堵塞、搅拌不均匀以及发泡质量差的问题。 3 采用a n s y s 软件模拟0 型圈与转轴的温度场分布，来确定0 型圈合适的压 武汉工程大学硕士学位论文 缩量，解决混合头的密封问题。 1 8 ， 第2 章聚氨酯发泡机设计 2 1 发泡原料以及发泡工艺简介 聚氨酯泡沫产品主要可分为软泡、硬泡、弹i 生体三大类。聚氨酯泡沫门片 中的泡沫除了能起到隔热保温等效果外，另外还有一个要求就是门片的强度大， 不容易变形，所以选择泡沫为硬泡。 硬泡的发泡主要原料为多亚甲基多苯基多异氰酸酯( p a p i ) 和聚醚多元醇。 然后加入催化剂、阻燃剂、水等物质，用来改善泡沫的质量，满足产品要求。 多元醇与异氰酸酯的比例非常重要，一般异氰酸酯用量按羟基与异氰酸根等量， 同时考虑原料中水分所消耗异氰酸酯的量等因素，再另加约5 ，即异氰酸酯 指数是1 0 5 左右。配方中，多元醇偏多，则所得泡沫塑料制品较软，高温下尺 寸稳定性差；异氰酸酯指数过高，泡沫塑料硬而脆【1 7 】。 聚氨酯的合成方法大致可分两类：两步法和一步法。 ( 1 ) 两步发泡法该法首先由多元醇与多异氰酸脂反应，生成分于量为 15 0 0 0 - - 2 0 0 0 0 的预聚体。继而，向预聚体中加入扩链剂，使之形成高分子量化 合物。预聚体系很粘稠的液体或低软化点的固体，本身成膜后强度很低，甚至 没有强度。只有经扩链后才具实用价值，故直接加入扩链剂使之成为高聚物， 或作为中间体出售。在后种情况下，有时加入o 0 1 - - - - 0 1 的酰氯，以延 长其贮存期。 ( 2 ) 步发泡法 一步发泡法是目前普遍采用的制造工艺，主要是将聚醚多元醇、异氰酸酯、 水、催化剂、泡沫稳定齐l j 及其他添加剂等原料步加入，在高速搅拌下混合后 即进行发泡。由于使用锡催化剂等高效催化剂，反应速率较快，放热时韫度较 高，不需要在发泡后再行加热熟化，并采用有机硅泡沫稳定剂，因而就是在聚 武汉工程大学硕士学位论文 醚等物料粘度较低的隋况下也能得到泡孔较为均匀的泡沫制品。加上不需要预 聚体的反应装置，因而具有工艺简单，设备投资少，易于操作管理等优点。由 于物料粘度较小，对制造低密度和模塑成型制品尤为有利，因而目前绝大部分 生产己采用一步发泡工艺，其流程见图2 - 1 所示【l l 。 图2 - 1 步法发泡工艺示意图 连续式聚氨酯发泡机是聚氨酯泡沫门片生产线的关键设备之一，该设备主 要完成向门片型腔中浇注混合后的发泡剂，发泡剂在门片型腔中发泡，填充门 片型腔，以增加聚氨酯泡沫门片的强度，同时起到隔热保温的作用。 2 2 1 门片聚氮酯发泡机设计方案及装配简图 1 工作压力的选择 对于究竟是选择高压发泡机还是低压发泡机，本文根据生产线所需发泡的 压力要求以及成本等因素，选择门片聚氨酯发泡机的类型为低压发泡机。 根据聚氨酯泡沫