多功能聚脲噴涂填縫機的研究

李 濱，李大釗

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

噴涂彈性體(包括聚氨酯、聚氨酯/聚脲、聚脲)技術最早起源于20世紀70年代，它是在聚氨酯反應注射成型(reaction injection molding，縮寫RIM)技術的基礎上發展起來的[1]。在綜合國內外相關研究的基礎上，總結各時期的特性可以發現其發展經歷了三個階段，即聚氨酯體系、聚氨酯/聚脲體系和最新的聚脲體系，見表1。

聚脲是由異氰酸酯組份(簡稱A組份)與氨基化合物(簡稱B組份)反應生成的一種彈性體物質[2]。聚脲彈性體材料具有優異的防滲、抗磨損及防腐蝕性能，主要特性有：良好的綜合力學性能；抗濕滑性好，潮濕狀態下的摩擦系數不降低；良好的不透水性；在-30℃下對折不產生裂紋，低溫柔性好；具有良好的熱穩定性；可加入各種顏料；反應速度快，能夠實現快速固化，大大提高了施工效率；對環境友好，無毒性[3]。到目前為止，聚脲彈性體材料已經應用到眾多領域，如高鐵、水壩、船舶、橋梁等大型設備以及住房、倉庫等民用設施。但是，在應用前景如此廣闊的形勢下，國內相關噴涂設備的研發顯得有些滯后。目前噴涂設備的主導品牌以Graco/Gusmer公司設計和開發的為主，國內比較好的有北京金科聚氨酯技術有限公司、北京京華派克聚合機械有限公司、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，2008年Graco/Gusmer公司推出具有全新設計理念的FusionCS噴槍，此類噴涂設備采用液壓驅動，輸出量大(達10.8kg/min)，工作壓力高(達24.1MPa)，適用大型工程的噴涂施工。針對上述情況，Elastomer Specialties公司開發了Condor低壓混合設備來施工聚脲彈性體材料，該設備省去了主機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。在國內，北京京華派克聚合機械設備有限公司全新推出雙組份、高性能JHPK-H系列液壓驅動噴涂系統，該設備使用于工廠內和中型施工工程。其中JHPK-A9000噴涂專用設備，與其他相比，配置更先進，加熱功率更大，重量更輕，移動更靈活。新型的JHPK-A9000系統適用范圍非常廣泛，可以廣泛應用在冷庫保溫、建筑外墻、屋頂防水、運動場館、汽車艦艇、空調絕熱、太陽能熱水器等領域上，但總體造價較高。小型噴涂機是河田防水科技公司研發的，該機機身小巧，輕便結構簡單，性能優越，移動靈活方便。

表1 噴涂聚氨酯/聚脲彈性體技術的發展簡史

總體上來說，聚脲設備的價格較高，并且適用于小規模作業的設備較少，而對于多功能噴涂、填縫、噴水和自清洗一體機的研制也是市場上沒有見到過的，研發多功能的噴涂設備十分必要。鑒于此，在文獻[4]基礎上進行謹慎科學的改進與創新，豐富與優化其功能[4]。

1 整機結構組成及參數設定

1.1 結構組成分析

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

1.1.1 物料輸送系統

從目前來看，抽料泵是物料輸送系統經常選用的，目的是能夠持續地為噴涂設備供料，在使用抽料泵的同時，一般都會附加物料計量泵，這種使用方法事實上是不太經濟的。往復泵也是現在比較流行的選擇，直接利用高壓往復泵進行抽料，并對涂料進行加壓，直接泵給噴槍設備。鑒于此，此套設備的物料輸送系統選用往復泵。

1.1.2 物料計量系統

物料計量系統的作用是對從抽料泵輸送過來的涂料進行加熱、計量和加壓。最大物料加熱溫度一般在75～90℃，物料在低溫時年度比較大，會在輸送過程中產生很大的沿程損失，造成不必要的功率損失，粘度過大對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，對物料的粘度要求也越寬，可以使粘度相對較大的物料也能達到很好的混合效果[5-6]，為了保證涂料噴射出呈現霧狀，必須將涂料進行加壓，在噴槍混合后噴出，由于壓力的迅速降低，會使液體打碎變成霧狀。

1.1.3 物料混合、霧化系統

噴槍是撞擊混合噴涂技術的關鍵設備之一[7]，在聚脲彈性體噴涂設備領域，撞擊混合型的噴槍是最為常見的混合設備。聚脲涂料對噴槍的要求就是使物料能夠盡可能快地在混合室內混合、噴出，無論是哪種類型的噴槍，物料在槍內的流動受到絕對的控制，不允許自由流動，這樣才能保證壓力、配比的穩定和噴槍的有效清潔。此套設備將要在不同的壓力條件下實現噴涂、填縫功能，為了保證壓力的最優控制，將會在以后的研究中運用Fluent軟件進行仿真分析。

1.1.4 清洗系統

清洗系統分為兩個，一個是噴槍的自清洗系統，另一個是噴涂表面的清洗系統。抽料泵和主機一般不需要清洗，只需清洗混合霧化系統即可。雙組份在噴槍內進行混合后才噴射出，然后在噴射過程中以及附著物上反應發泡最后凝膠，當停止工作時，少量殘留在噴槍內的涂料應及時清除，否則會發泡凝膠，并將噴槍堵塞，此時再進行清理就非常的麻煩了，因此方便的物料清洗系統是必不可少的。此套設備運用有機溶劑在適當壓力下進行噴槍內部的清洗工作。對于噴涂表面的清洗系統，與一般的壓送式噴水清潔設備原理相同。

1.2 工藝路線圖及系統原理圖

多功能聚脲噴涂填縫機的工藝路線圖如圖1所示。

圖1 多功能聚脲噴涂填縫機的工藝路線圖

多功能聚脲噴涂填縫機系統原理圖如圖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料桶，由兩個高壓泵直接從桶中將料抽出，并在泵內完成加壓，達到所設定壓力后，泵出送至與噴槍的連接管，并在此保溫，如果噴槍進行噴涂作業，則涂料可經由噴槍噴涂到目標表面完成作業，如果噴槍開關暫時關閉，在還在連接管內的涂料會被纏繞在保溫管外的伴熱導線進行保溫。雙組份的升溫過程主要是在前期，安裝在A、B料桶內的加熱絲對其進行加熱，溫度控制則有數顯溫度控制儀進行控制，調溫范圍事先設置好。若需噴涂的物體表面存在污垢要清洗，則打開噴水開關，使噴槍接通水箱，達到設定壓力后即可進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束后，需要對噴槍內的混合室進行清洗，此時接通自清洗開關，使噴槍接通有機溶劑箱，對混合室進行清洗。

1.電機；2.往復泵；3.水箱；4.有機溶劑箱；5.小帶輪；6.大帶輪；7.鏈輪；8.鏈輪；9.往復泵；10.調壓器；11.料筒；12.噴槍；13.輸料管；14.數顯溫度控制儀；15.加熱電阻絲；16.小車；17.吸料管

1.3 參數設定

根據同類產品對整機的參數進行確定，最大工作壓力22 MPa；普通高壓噴涂機的噴涂作業壓力為20 MPa左右，因此定義噴涂壓力為21 MPa，普通低壓填縫機填縫作業的壓力一般在5 MPa，確定低壓填縫時的壓力為5 MPa；標準原料混料比(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]。噴槍清洗時的壓力確定為5 MPa。

2 液壓系統設計

多功能聚脲噴涂填縫機液壓系統原理圖如圖3所示。

1.電動機M1；2.高壓泵(聚脲涂料)；3、13、17.球閥；4、14、18.過濾器；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(有機溶劑)；11.高壓泵(有機溶劑)；12.電動機M2；15.電動機M3；16.高壓泵(水)；19.溢流閥(水)

系統的動力來源為兩個高壓往復泵，泵本身是由電機帶動，傳動的介質為雙組份A、B料；執行裝置為噴槍，A、B組份被高壓往復泵經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，是由21 MPa溢流閥作為系統穩壓閥，保證液壓系統內的壓力穩定在21 MPa，當需要低壓時，換向閥轉換至5 MPa溢流閥回路，此時系統的穩壓閥為5 MPa溢流閥，保證系統的壓力穩定在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 電氣系統設計

多功能聚脲噴涂填縫機電氣系統原理圖如圖4所示，控制電路主要分為噴涂、填縫、噴水、清洗4個部分，現對其中的噴水和自清洗部分電路進行分析。

圖4 多功能聚脲噴涂填縫機電氣系統原理圖

3.1 噴 水

從安全的角度考慮，系統的輔助按鈕均為36V安全電壓。進行噴水工作時，接通外部電源，按下SB7按鈕，線圈KM3得電，主觸點KM3閉合，電動機起動運轉，此時液壓系統接通20 MPa溢流閥，系統為噴水狀態，同時輔助觸點閉合，實現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KM3斷開，主電動機停止工作，噴水指示燈L3滅。

3.2 自清洗

一次噴涂作業完成后，需進行自清洗工作，此時按下SB8，KM4線圈得電，主觸電KM4閉合，自清洗指示燈L4亮，電動機起動運轉，此時液壓系統接通5 MPa溢流閥，系統為自清洗狀態。噴涂和填縫控制電路與之相似，在此不做詳細敘述。

對于電氣系統和之前論述的液壓系統，在具體的設計中，都會從安全人機學的理論出發，盡可能做到人、機、環境的合理組合，達到安全人機系統設計目的[9]。

4 噴槍出口流量推導(以噴水時為例)

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，運用流動液體能量守恒形式-伯努利方程[10]推導出口流量表達式。在該流體系統中，水經1-1口進入，在2-2噴口噴出，根據伯努利方程，得：

(1)

由連續性方程可知，對不可壓縮流體有：

(2)

忽略勢能項，由(1)、(2)式，可得

(3)

由此可以求得通過噴槍出口的流量：

(4)

式中：P1為水進入噴槍的壓力；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為混合涂料噴出時的管徑。

5 結束語

通過以上研究分析和論述，設計出了一款集噴涂、填縫、清洗等功能于一體的多功能設備，原理上可行，加工制造也較為容易。此套設備不但能夠解決現階段噴涂與填縫設備相分離的問題，并且可以實現一次作業后的噴槍及時清洗，從根本上杜絕了涂料凝結堵塞槍口的可能。能夠為聚脲涂料的廣泛應用提供技術支撐。對于此設備中各零部件的設計、計算、選用、仿真分析將會在后續的研究中完成。

【參 考 文 獻】

[1] 王玉杰.高鐵專用噴涂聚脲彈性體防水材料研發及應用[D].廣州：華南理工大學，2011.

[2] Anonymous.New developments in aliphatic polyurea coatings[J].EN，2012，28(5)：72-74.

[3] 楊 潔.高拱壩壩踵噴涂聚脲防滲層的性能與應用研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[4] 李 濱，趙 健.一種聚氨酯噴涂填縫機[P].中國專利，ZL 201120307106.8，2012.

[5] 黃微波.噴涂聚脲彈性體技術-噴涂設備[J].上海涂料，2006，44(2)：38-41.

[6] 黃微波.噴涂聚脲彈性體技術在我國的發展和展望[J].聚氨酯工業，2002，17(3)：6-9.

[7] 杜樂清.聚氨酯噴涂設備的研制和應用[J].煤炭科學技術，1998，26(9)：42-46.

[8] 辛承梁，張齊莊.高壓水射流技術在清洗行業中的應用[J].化學清洗，1998，14(2)：21-24.

[9] 張 建，吳 超.安全人機系統原理理論研究[J].中國安全科學學報，2013，23(6)：14-19.

[10] 左建民.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2011.