多功能聚脲噴涂填縫機(jī)的研究

李 濱，李大釗

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

噴涂彈性體(包括聚氨酯、聚氨酯/聚脲、聚脲)技術(shù)最早起源于20世紀(jì)70年代，它是在聚氨酯反應(yīng)注射成型(reaction injection molding，縮寫(xiě)RIM)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[1]。在綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)各時(shí)期的特性可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，即聚氨酯體系、聚氨酯/聚脲體系和最新的聚脲體系，見(jiàn)表1。

聚脲是由異氰酸酯組份(簡(jiǎn)稱A組份)與氨基化合物(簡(jiǎn)稱B組份)反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)[2]。聚脲彈性體材料具有優(yōu)異的防滲、抗磨損及防腐蝕性能，主要特性有：良好的綜合力學(xué)性能；抗?jié)窕院?，潮濕狀態(tài)下的摩擦系數(shù)不降低；良好的不透水性；在-30℃下對(duì)折不產(chǎn)生裂紋，低溫柔性好；具有良好的熱穩(wěn)定性；可加入各種顏料；反應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)快速固化，大大提高了施工效率；對(duì)環(huán)境友好，無(wú)毒性[3]。到目前為止，聚脲彈性體材料已經(jīng)應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，如高鐵、水壩、船舶、橋梁等大型設(shè)備以及住房、倉(cāng)庫(kù)等民用設(shè)施。但是，在應(yīng)用前景如此廣闊的形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)相關(guān)噴涂設(shè)備的研發(fā)顯得有些滯后。目前噴涂設(shè)備的主導(dǎo)品牌以Graco/Gusmer公司設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的為主，國(guó)內(nèi)比較好的有北京金科聚氨酯技術(shù)有限公司、北京京華派克聚合機(jī)械有限公司、河田防水科技(上海)有限公司[4]。Graco/GuSmer公司于2007推出Reactor H-XP3主機(jī)，2008年Graco/Gusmer公司推出具有全新設(shè)計(jì)理念的FusionCS噴槍，此類噴涂設(shè)備采用液壓驅(qū)動(dòng)，輸出量大(達(dá)10.8kg/min)，工作壓力高(達(dá)24.1MPa)，適用大型工程的噴涂施工。針對(duì)上述情況，Elastomer Specialties公司開(kāi)發(fā)了Condor低壓混合設(shè)備來(lái)施工聚脲彈性體材料，該設(shè)備省去了主機(jī)加熱管和管道加熱器，體積也大大減小，可在室溫下小面積噴涂。在國(guó)內(nèi)，北京京華派克聚合機(jī)械設(shè)備有限公司全新推出雙組份、高性能JHPK-H系列液壓驅(qū)動(dòng)噴涂系統(tǒng)，該設(shè)備使用于工廠內(nèi)和中型施工工程。其中JHPK-A9000噴涂專用設(shè)備，與其他相比，配置更先進(jìn)，加熱功率更大，重量更輕，移動(dòng)更靈活。新型的JHPK-A9000系統(tǒng)適用范圍非常廣泛，可以廣泛應(yīng)用在冷庫(kù)保溫、建筑外墻、屋頂防水、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館、汽車(chē)艦艇、空調(diào)絕熱、太陽(yáng)能熱水器等領(lǐng)域上，但總體造價(jià)較高。小型噴涂機(jī)是河田防水科技公司研發(fā)的，該機(jī)機(jī)身小巧，輕便結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，移動(dòng)靈活方便。

表1 噴涂聚氨酯/聚脲彈性體技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史

總體上來(lái)說(shuō)，聚脲設(shè)備的價(jià)格較高，并且適用于小規(guī)模作業(yè)的設(shè)備較少，而對(duì)于多功能?chē)娡?、填縫、噴水和自清洗一體機(jī)的研制也是市場(chǎng)上沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的，研發(fā)多功能的噴涂設(shè)備十分必要。鑒于此，在文獻(xiàn)[4]基礎(chǔ)上進(jìn)行謹(jǐn)慎科學(xué)的改進(jìn)與創(chuàng)新，豐富與優(yōu)化其功能[4]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)設(shè)定

1.1 結(jié)構(gòu)組成分析

與其他的噴涂設(shè)備一樣，聚脲彈性體技術(shù)的噴涂設(shè)備也是非常專業(yè)化的一套設(shè)備。其中包括平穩(wěn)的物料輸送系統(tǒng)、精確的物料計(jì)量系統(tǒng)、均勻的物料混合系統(tǒng)、良好的物料霧化系統(tǒng)及方便的清洗系統(tǒng)[5]。

1.1.1 物料輸送系統(tǒng)

從目前來(lái)看，抽料泵是物料輸送系統(tǒng)經(jīng)常選用的，目的是能夠持續(xù)地為噴涂設(shè)備供料，在使用抽料泵的同時(shí)，一般都會(huì)附加物料計(jì)量泵，這種使用方法事實(shí)上是不太經(jīng)濟(jì)的。往復(fù)泵也是現(xiàn)在比較流行的選擇，直接利用高壓往復(fù)泵進(jìn)行抽料，并對(duì)涂料進(jìn)行加壓，直接泵給噴槍設(shè)備。鑒于此，此套設(shè)備的物料輸送系統(tǒng)選用往復(fù)泵。

1.1.2 物料計(jì)量系統(tǒng)

物料計(jì)量系統(tǒng)的作用是對(duì)從抽料泵輸送過(guò)來(lái)的涂料進(jìn)行加熱、計(jì)量和加壓。最大物料加熱溫度一般在75～90℃，物料在低溫時(shí)年度比較大，會(huì)在輸送過(guò)程中產(chǎn)生很大的沿程損失，造成不必要的功率損失，粘度過(guò)大對(duì)混合的效果影響也是非常大的，最大加熱溫度越高，即加熱器的加熱能力越強(qiáng)，對(duì)物料的粘度要求也越寬，可以使粘度相對(duì)較大的物料也能達(dá)到很好的混合效果[5-6]，為了保證涂料噴射出呈現(xiàn)霧狀，必須將涂料進(jìn)行加壓，在噴槍混合后噴出，由于壓力的迅速降低，會(huì)使液體打碎變成霧狀。

1.1.3 物料混合、霧化系統(tǒng)

噴槍是撞擊混合噴涂技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一[7]，在聚脲彈性體噴涂設(shè)備領(lǐng)域，撞擊混合型的噴槍是最為常見(jiàn)的混合設(shè)備。聚脲涂料對(duì)噴槍的要求就是使物料能夠盡可能快地在混合室內(nèi)混合、噴出，無(wú)論是哪種類型的噴槍，物料在槍內(nèi)的流動(dòng)受到絕對(duì)的控制，不允許自由流動(dòng)，這樣才能保證壓力、配比的穩(wěn)定和噴槍的有效清潔。此套設(shè)備將要在不同的壓力條件下實(shí)現(xiàn)噴涂、填縫功能，為了保證壓力的最優(yōu)控制，將會(huì)在以后的研究中運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析。

1.1.4 清洗系統(tǒng)

清洗系統(tǒng)分為兩個(gè)，一個(gè)是噴槍的自清洗系統(tǒng)，另一個(gè)是噴涂表面的清洗系統(tǒng)。抽料泵和主機(jī)一般不需要清洗，只需清洗混合霧化系統(tǒng)即可。雙組份在噴槍內(nèi)進(jìn)行混合后才噴射出，然后在噴射過(guò)程中以及附著物上反應(yīng)發(fā)泡最后凝膠，當(dāng)停止工作時(shí)，少量殘留在噴槍內(nèi)的涂料應(yīng)及時(shí)清除，否則會(huì)發(fā)泡凝膠，并將噴槍堵塞，此時(shí)再進(jìn)行清理就非常的麻煩了，因此方便的物料清洗系統(tǒng)是必不可少的。此套設(shè)備運(yùn)用有機(jī)溶劑在適當(dāng)壓力下進(jìn)行噴槍內(nèi)部的清洗工作。對(duì)于噴涂表面的清洗系統(tǒng)，與一般的壓送式噴水清潔設(shè)備原理相同。

1.2 工藝路線圖及系統(tǒng)原理圖

多功能聚脲噴涂填縫機(jī)的工藝路線圖如圖1所示。

圖1 多功能聚脲噴涂填縫機(jī)的工藝路線圖

多功能聚脲噴涂填縫機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，噴涂聚脲彈性體材料雙組份涂料A、B組份分別裝載于兩個(gè)料桶，由兩個(gè)高壓泵直接從桶中將料抽出，并在泵內(nèi)完成加壓，達(dá)到所設(shè)定壓力后，泵出送至與噴槍的連接管，并在此保溫，如果噴槍進(jìn)行噴涂作業(yè)，則涂料可經(jīng)由噴槍噴涂到目標(biāo)表面完成作業(yè)，如果噴槍開(kāi)關(guān)暫時(shí)關(guān)閉，在還在連接管內(nèi)的涂料會(huì)被纏繞在保溫管外的伴熱導(dǎo)線進(jìn)行保溫。雙組份的升溫過(guò)程主要是在前期，安裝在A、B料桶內(nèi)的加熱絲對(duì)其進(jìn)行加熱，溫度控制則有數(shù)顯溫度控制儀進(jìn)行控制，調(diào)溫范圍事先設(shè)置好。若需噴涂的物體表面存在污垢要清洗，則打開(kāi)噴水開(kāi)關(guān)，使噴槍接通水箱，達(dá)到設(shè)定壓力后即可進(jìn)行噴涂表面的清洗工作。在每次噴涂聚脲彈性體材料工作結(jié)束后，需要對(duì)噴槍內(nèi)的混合室進(jìn)行清洗，此時(shí)接通自清洗開(kāi)關(guān)，使噴槍接通有機(jī)溶劑箱，對(duì)混合室進(jìn)行清洗。

1.電機(jī)；2.往復(fù)泵；3.水箱；4.有機(jī)溶劑箱；5.小帶輪；6.大帶輪；7.鏈輪；8.鏈輪；9.往復(fù)泵；10.調(diào)壓器；11.料筒；12.噴槍；13.輸料管；14.數(shù)顯溫度控制儀；15.加熱電阻絲；16.小車(chē)；17.吸料管

1.3 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)同類產(chǎn)品對(duì)整機(jī)的參數(shù)進(jìn)行確定，最大工作壓力22 MPa；普通高壓噴涂機(jī)的噴涂作業(yè)壓力為20 MPa左右，因此定義噴涂壓力為21 MPa，普通低壓填縫機(jī)填縫作業(yè)的壓力一般在5 MPa，確定低壓填縫時(shí)的壓力為5 MPa；標(biāo)準(zhǔn)原料混料比(A∶B)1∶1；最大輸出流量5.5 L/min；最大加熱溫度80℃；普通錐形噴嘴的射流清洗工作壓力范圍在15～30 MPa，確定清洗噴涂表面的壓力為20 MPa[8]。噴槍清洗時(shí)的壓力確定為5 MPa。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能聚脲噴涂填縫機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

1.電動(dòng)機(jī)M1；2.高壓泵(聚脲涂料)；3、13、17.球閥；4、14、18.過(guò)濾器；5、9.二位三通換向閥；6.低壓溢流閥；7.高壓溢流閥；8.二位二通換向閥；10.溢流閥(有機(jī)溶劑)；11.高壓泵(有機(jī)溶劑)；12.電動(dòng)機(jī)M2；15.電動(dòng)機(jī)M3；16.高壓泵(水)；19.溢流閥(水)

系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源為兩個(gè)高壓往復(fù)泵，泵本身是由電機(jī)帶動(dòng)，傳動(dòng)的介質(zhì)為雙組份A、B料；執(zhí)行裝置為噴槍，A、B組份被高壓往復(fù)泵經(jīng)由輸送管道泵送至噴槍混合室，在噴槍混合室撞擊混合后噴出，期間高壓噴霧時(shí)，是由21 MPa溢流閥作為系統(tǒng)穩(wěn)壓閥，保證液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力穩(wěn)定在21 MPa，當(dāng)需要低壓時(shí)，換向閥轉(zhuǎn)換至5 MPa溢流閥回路，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)壓閥為5 MPa溢流閥，保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定在5 MPa。清洗噴涂表面和清洗噴槍自身的液壓原理與之相似。

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能聚脲噴涂填縫機(jī)電氣系統(tǒng)原理圖如圖4所示，控制電路主要分為噴涂、填縫、噴水、清洗4個(gè)部分，現(xiàn)對(duì)其中的噴水和自清洗部分電路進(jìn)行分析。

圖4 多功能聚脲噴涂填縫機(jī)電氣系統(tǒng)原理圖

3.1 噴 水

從安全的角度考慮，系統(tǒng)的輔助按鈕均為36V安全電壓。進(jìn)行噴水工作時(shí)，接通外部電源，按下SB7按鈕，線圈KM3得電，主觸點(diǎn)KM3閉合，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)液壓系統(tǒng)接通20 MPa溢流閥，系統(tǒng)為噴水狀態(tài)，同時(shí)輔助觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)KM3線圈自鎖并且噴水指示燈L3亮；按下SB6按鈕，KM3線圈斷電，主觸點(diǎn)KM3斷開(kāi)，主電動(dòng)機(jī)停止工作，噴水指示燈L3滅。

3.2 自清洗

一次噴涂作業(yè)完成后，需進(jìn)行自清洗工作，此時(shí)按下SB8，KM4線圈得電，主觸電KM4閉合，自清洗指示燈L4亮，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)液壓系統(tǒng)接通5 MPa溢流閥，系統(tǒng)為自清洗狀態(tài)。噴涂和填縫控制電路與之相似，在此不做詳細(xì)敘述。

對(duì)于電氣系統(tǒng)和之前論述的液壓系統(tǒng)，在具體的設(shè)計(jì)中，都會(huì)從安全人機(jī)學(xué)的理論出發(fā)，盡可能做到人、機(jī)、環(huán)境的合理組合，達(dá)到安全人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的[9]。

4 噴槍出口流量推導(dǎo)(以噴水時(shí)為例)

圖5 噴槍噴水示意圖

噴槍噴水示意圖如圖5所示，不考慮熱交換，運(yùn)用流動(dòng)液體能量守恒形式-伯努利方程[10]推導(dǎo)出口流量表達(dá)式。在該流體系統(tǒng)中，水經(jīng)1-1口進(jìn)入，在2-2噴口噴出，根據(jù)伯努利方程，得：

(1)

由連續(xù)性方程可知，對(duì)不可壓縮流體有：

(2)

忽略勢(shì)能項(xiàng)，由(1)、(2)式，可得

(3)

由此可以求得通過(guò)噴槍出口的流量：

(4)

式中：P1為水進(jìn)入噴槍的壓力；P2為水由噴口噴出的壓力；ρ水為水的密度；d1為噴槍進(jìn)水口的管徑；d2為噴槍出水口的管徑。

同理能夠得出噴涂工作時(shí)噴槍出口流量的公式，噴槍噴涂示意圖如圖6所示。

圖6 噴槍噴涂示意圖

(5)

式中：P1為A組份進(jìn)入混合室的壓力；P3為混合涂料噴出的壓力；ρ1為A組份的密度；ρ2為B組份的密度；ρ3為混合涂料的密度；d3為混合涂料噴出時(shí)的管徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上研究分析和論述，設(shè)計(jì)出了一款集噴涂、填縫、清洗等功能于一體的多功能設(shè)備，原理上可行，加工制造也較為容易。此套設(shè)備不但能夠解決現(xiàn)階段噴涂與填縫設(shè)備相分離的問(wèn)題，并且可以實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)后的噴槍及時(shí)清洗，從根本上杜絕了涂料凝結(jié)堵塞槍口的可能。能夠?yàn)榫垭逋苛系膹V泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。對(duì)于此設(shè)備中各零部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、選用、仿真分析將會(huì)在后續(xù)的研究中完成。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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