多功能聚脲喷涂填缝机的研究

李 滨，李大钊

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

喷涂弹性体(包括聚氨酯、聚氨酯/聚脲、聚脲)技术最早起源于20世纪70年代，它是在聚氨酯反应注射成型(reaction injection molding，缩写RIM)技术的基础上发展起来的[1]。在综合国内外相关研究的基础上，总结各时期的特性可以发现其发展经历了三个阶段，即聚氨酯体系、聚氨酯/聚脲体系和最新的聚脲体系，见表1。

聚脲是由异氰酸酯组份(简称A组份)与氨基化合物(简称B组份)反应生成的一种弹性体物质[2]。聚脲弹性体材料具有优异的防渗、抗磨损及防腐蚀性能，主要特性有：良好的综合力学性能；抗湿滑性好，潮湿状态下的摩擦系数不降低；良好的不透水性；在-30℃下对折不产生裂纹，低温柔性好；具有良好的热稳定性；可加入各种颜料；反应速度快，能够实现快速固化，大大提高了施工效率；对环境友好，无毒性[3]。到目前为止，聚脲弹性体材料已经应用到众多领域，如高铁、水坝、船舶、桥梁等大型设备以及住房、仓库等民用设施。但是，在应用前景如此广阔的形势下，国内相关喷涂设备的研发显得有些滞后。目前喷涂设备的主导品牌以Graco/Gusmer公司设计和开发的为主，国内比较好的有北京金科聚氨酯技术有限公司、北京京华派克聚合机械有限公司、河田防水科技(上海)有限公司[4]。Graco/GuSmer公司于2007推出Reactor H-XP3主机，2008年Graco/Gusmer公司推出具有全新设计理念的FusionCS喷枪，此类喷涂设备采用液压驱动，输出量大(达10.8kg/min)，工作压力高(达24.1MPa)，适用大型工程的喷涂施工。针对上述情况，Elastomer Specialties公司开发了Condor低压混合设备来施工聚脲弹性体材料，该设备省去了主机加热管和管道加热器，体积也大大减小，可在室温下小面积喷涂。在国内，北京京华派克聚合机械设备有限公司全新推出双组份、高性能JHPK-H系列液压驱动喷涂系统，该设备使用于工厂内和中型施工工程。其中JHPK-A9000喷涂专用设备，与其他相比，配置更先进，加热功率更大，重量更轻，移动更灵活。新型的JHPK-A9000系统适用范围非常广泛，可以广泛应用在冷库保温、建筑外墙、屋顶防水、运动场馆、汽车舰艇、空调绝热、太阳能热水器等领域上，但总体造价较高。小型喷涂机是河田防水科技公司研发的，该机机身小巧，轻便结构简单，性能优越，移动灵活方便。

表1 喷涂聚氨酯/聚脲弹性体技术的发展简史

总体上来说，聚脲设备的价格较高，并且适用于小规模作业的设备较少，而对于多功能喷涂、填缝、喷水和自清洗一体机的研制也是市场上没有见到过的，研发多功能的喷涂设备十分必要。鉴于此，在文献[4]基础上进行谨慎科学的改进与创新，丰富与优化其功能[4]。

1 整机结构组成及参数设定

1.1 结构组成分析

与其他的喷涂设备一样，聚脲弹性体技术的喷涂设备也是非常专业化的一套设备。其中包括平稳的物料输送系统、精确的物料计量系统、均匀的物料混合系统、良好的物料雾化系统及方便的清洗系统[5]。

1.1.1 物料输送系统

从目前来看，抽料泵是物料输送系统经常选用的，目的是能够持续地为喷涂设备供料，在使用抽料泵的同时，一般都会附加物料计量泵，这种使用方法事实上是不太经济的。往复泵也是现在比较流行的选择，直接利用高压往复泵进行抽料，并对涂料进行加压，直接泵给喷枪设备。鉴于此，此套设备的物料输送系统选用往复泵。

1.1.2 物料计量系统

物料计量系统的作用是对从抽料泵输送过来的涂料进行加热、计量和加压。最大物料加热温度一般在75～90℃，物料在低温时年度比较大，会在输送过程中产生很大的沿程损失，造成不必要的功率损失，粘度过大对混合的效果影响也是非常大的，最大加热温度越高，即加热器的加热能力越强，对物料的粘度要求也越宽，可以使粘度相对较大的物料也能达到很好的混合效果[5-6]，为了保证涂料喷射出呈现雾状，必须将涂料进行加压，在喷枪混合后喷出，由于压力的迅速降低，会使液体打碎变成雾状。

1.1.3 物料混合、雾化系统

喷枪是撞击混合喷涂技术的关键设备之一[7]，在聚脲弹性体喷涂设备领域，撞击混合型的喷枪是最为常见的混合设备。聚脲涂料对喷枪的要求就是使物料能够尽可能快地在混合室内混合、喷出，无论是哪种类型的喷枪，物料在枪内的流动受到绝对的控制，不允许自由流动，这样才能保证压力、配比的稳定和喷枪的有效清洁。此套设备将要在不同的压力条件下实现喷涂、填缝功能，为了保证压力的最优控制，将会在以后的研究中运用Fluent软件进行仿真分析。

1.1.4 清洗系统

清洗系统分为两个，一个是喷枪的自清洗系统，另一个是喷涂表面的清洗系统。抽料泵和主机一般不需要清洗，只需清洗混合雾化系统即可。双组份在喷枪内进行混合后才喷射出，然后在喷射过程中以及附着物上反应发泡最后凝胶，当停止工作时，少量残留在喷枪内的涂料应及时清除，否则会发泡凝胶，并将喷枪堵塞，此时再进行清理就非常的麻烦了，因此方便的物料清洗系统是必不可少的。此套设备运用有机溶剂在适当压力下进行喷枪内部的清洗工作。对于喷涂表面的清洗系统，与一般的压送式喷水清洁设备原理相同。

1.2 工艺路线图及系统原理图

多功能聚脲喷涂填缝机的工艺路线图如图1所示。

图1 多功能聚脲喷涂填缝机的工艺路线图

多功能聚脲喷涂填缝机系统原理图如图2所示，喷涂聚脲弹性体材料双组份涂料A、B组份分别装载于两个料桶，由两个高压泵直接从桶中将料抽出，并在泵内完成加压，达到所设定压力后，泵出送至与喷枪的连接管，并在此保温，如果喷枪进行喷涂作业，则涂料可经由喷枪喷涂到目标表面完成作业，如果喷枪开关暂时关闭，在还在连接管内的涂料会被缠绕在保温管外的伴热导线进行保温。双组份的升温过程主要是在前期，安装在A、B料桶内的加热丝对其进行加热，温度控制则有数显温度控制仪进行控制，调温范围事先设置好。若需喷涂的物体表面存在污垢要清洗，则打开喷水开关，使喷枪接通水箱，达到设定压力后即可进行喷涂表面的清洗工作。在每次喷涂聚脲弹性体材料工作结束后，需要对喷枪内的混合室进行清洗，此时接通自清洗开关，使喷枪接通有机溶剂箱，对混合室进行清洗。

1.电机；2.往复泵；3.水箱；4.有机溶剂箱；5.小带轮；6.大带轮；7.链轮；8.链轮；9.往复泵；10.调压器；11.料筒；12.喷枪；13.输料管；14.数显温度控制仪；15.加热电阻丝；16.小车；17.吸料管

1.3 参数设定

根据同类产品对整机的参数进行确定，最大工作压力22 MPa；普通高压喷涂机的喷涂作业压力为20 MPa左右，因此定义喷涂压力为21 MPa，普通低压填缝机填缝作业的压力一般在5 MPa，确定低压填缝时的压力为5 MPa；标准原料混料比(A∶B)1∶1；最大输出流量5.5 L/min；最大加热温度80℃；普通锥形喷嘴的射流清洗工作压力范围在15～30 MPa，确定清洗喷涂表面的压力为20 MPa[8]。喷枪清洗时的压力确定为5 MPa。

2 液压系统设计

多功能聚脲喷涂填缝机液压系统原理图如图3所示。

1.电动机M1；2.高压泵(聚脲涂料)；3、13、17.球阀；4、14、18.过滤器；5、9.二位三通换向阀；6.低压溢流阀；7.高压溢流阀；8.二位二通换向阀；10.溢流阀(有机溶剂)；11.高压泵(有机溶剂)；12.电动机M2；15.电动机M3；16.高压泵(水)；19.溢流阀(水)

系统的动力来源为两个高压往复泵，泵本身是由电机带动，传动的介质为双组份A、B料；执行装置为喷枪，A、B组份被高压往复泵经由输送管道泵送至喷枪混合室，在喷枪混合室撞击混合后喷出，期间高压喷雾时，是由21 MPa溢流阀作为系统稳压阀，保证液压系统内的压力稳定在21 MPa，当需要低压时，换向阀转换至5 MPa溢流阀回路，此时系统的稳压阀为5 MPa溢流阀，保证系统的压力稳定在5 MPa。清洗喷涂表面和清洗喷枪自身的液压原理与之相似。

3 电气系统设计

多功能聚脲喷涂填缝机电气系统原理图如图4所示，控制电路主要分为喷涂、填缝、喷水、清洗4个部分，现对其中的喷水和自清洗部分电路进行分析。

图4 多功能聚脲喷涂填缝机电气系统原理图

3.1 喷 水

从安全的角度考虑，系统的辅助按钮均为36V安全电压。进行喷水工作时，接通外部电源，按下SB7按钮，线圈KM3得电，主触点KM3闭合，电动机起动运转，此时液压系统接通20 MPa溢流阀，系统为喷水状态，同时辅助触点闭合，实现KM3线圈自锁并且喷水指示灯L3亮；按下SB6按钮，KM3线圈断电，主触点KM3断开，主电动机停止工作，喷水指示灯L3灭。

3.2 自清洗

一次喷涂作业完成后，需进行自清洗工作，此时按下SB8，KM4线圈得电，主触电KM4闭合，自清洗指示灯L4亮，电动机起动运转，此时液压系统接通5 MPa溢流阀，系统为自清洗状态。喷涂和填缝控制电路与之相似，在此不做详细叙述。

对于电气系统和之前论述的液压系统，在具体的设计中，都会从安全人机学的理论出发，尽可能做到人、机、环境的合理组合，达到安全人机系统设计目的[9]。

4 喷枪出口流量推导(以喷水时为例)

图5 喷枪喷水示意图

喷枪喷水示意图如图5所示，不考虑热交换，运用流动液体能量守恒形式-伯努利方程[10]推导出口流量表达式。在该流体系统中，水经1-1口进入，在2-2喷口喷出，根据伯努利方程，得：

(1)

由连续性方程可知，对不可压缩流体有：

(2)

忽略势能项，由(1)、(2)式，可得

(3)

由此可以求得通过喷枪出口的流量：

(4)

式中：P1为水进入喷枪的压力；P2为水由喷口喷出的压力；ρ水为水的密度；d1为喷枪进水口的管径；d2为喷枪出水口的管径。

同理能够得出喷涂工作时喷枪出口流量的公式，喷枪喷涂示意图如图6所示。

图6 喷枪喷涂示意图

(5)

式中：P1为A组份进入混合室的压力；P3为混合涂料喷出的压力；ρ1为A组份的密度；ρ2为B组份的密度；ρ3为混合涂料的密度；d3为混合涂料喷出时的管径。

5 结束语

通过以上研究分析和论述，设计出了一款集喷涂、填缝、清洗等功能于一体的多功能设备，原理上可行，加工制造也较为容易。此套设备不但能够解决现阶段喷涂与填缝设备相分离的问题，并且可以实现一次作业后的喷枪及时清洗，从根本上杜绝了涂料凝结堵塞枪口的可能。能够为聚脲涂料的广泛应用提供技术支撑。对于此设备中各零部件的设计、计算、选用、仿真分析将会在后续的研究中完成。

【参 考 文 献】

[1] 王玉杰.高铁专用喷涂聚脲弹性体防水材料研发及应用[D].广州：华南理工大学，2011.

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

[3] 杨 洁.高拱坝坝踵喷涂聚脲防渗层的性能与应用研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[4] 李 滨，赵 健.一种聚氨酯喷涂填缝机[P].中国专利，ZL 201120307106.8，2012.

[5] 黄微波.喷涂聚脲弹性体技术-喷涂设备[J].上海涂料，2006，44(2)：38-41.

[6] 黄微波.喷涂聚脲弹性体技术在我国的发展和展望[J].聚氨酯工业，2002，17(3)：6-9.

[7] 杜乐清.聚氨酯喷涂设备的研制和应用[J].煤炭科学技术，1998，26(9)：42-46.

[8] 辛承梁，张齐庄.高压水射流技术在清洗行业中的应用[J].化学清洗，1998，14(2)：21-24.

[9] 张 建，吴 超.安全人机系统原理理论研究[J].中国安全科学学报，2013，23(6)：14-19.

[10] 左建民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2011.