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大生产分工—专业的优势—引导学生敬业和勤业
通识化教育时代:
科学技术素质培养——学科技术间的优劣势对比——尊重学生志趣启发学生选择
练习题
一、思考题
1.简述塑料原材料生产与塑料成型生产的基本方法及学科基础差异。
高聚物合成化工:
“三传一反”:
传质(体积质量输送),传热(诱发化学反应),能量传输(低压静力传输),反应釜(积聚化学反应)。
塑料制品成型“三传一模”:
传质(塑化,即体积致密流变)传热(改变物理凝聚态),能量传输(高压动力传输)模具(成型塑料制品)。
塑料原材料制备:
化学单体聚合反应+多组分物理混合。
塑料成型:
宏观几何变形流动(机械成型加工)+微观材料物理结构变化。
2.简述塑料成型机械的基本概念及其在塑料成型技术中的应用。
3.什么是CAD、CAM?
4.简述塑料成型机械的发展历史及其现状和趋势。
二、概念题
1.什么是塑料制品生产?
2.什么是塑料成型?
技术原理:
在外部能量作用下,利用塑料材料的三态物理变化以及塑料材料的可加工性(可挤压性、可模塑形、可延展性、可纺性),按照制品的制造信息,通过塑料材料的粘性流动、塑性变形和烧结扩散等物理力学作用,把塑料原材料转变成为具有一定的几何形态、一定的尺寸大小、一定的精度等级、一定的表面品质、一定的使用功能和使用性能的塑料制品。
3.什么是塑料成型机械?
从更广泛的意义上讲,所有为塑料成型生产服务的塑料成型物料制备机械和塑料成型生产过程中的辅助机械和装置等,也都属于塑料成型机械范畴,或者严格地把它们统称为塑料加工机械。
三、填空
1.塑料成型生产需要塑料成型机械对成型能量进行转换、输送、调节、控制。
2.塑料成型生产需要利用塑料材料的玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态之间的变化才能得以实现。
3.在塑料成型生产中,原材料的4种可加工性为可挤压性、可模塑性、可延展性、可纺性。
4.在塑料成型生产中,塑料成型机械需要把外部电能转换成热能和机械能后,经调节和控制后传递给塑料原材料。
5.在人的参与下,由计算机自动处理各种数据和图形信息,并自动完成工程设计任务的现代生产工程技术称为CAD;
在人的参与下由计算机自动处理各种数据和图形信息,并自动控制NC机床加工制造过程的现代生产工程技术称为CAM;
在人的参与下,由计算机自动处理各种数据和图形信息,并自动完成各种工程分析和工程计算任务的过程称为CAE。
四、用框图简略构画出塑料制品生产工程的示意图。
第2章液压传动基础
——教学内容及目标——
知识结构:
液压传动物理基础、液压传动基本理论、液压传动的主要技术参数、液压元件的类别、功能及结构、液压元件的应用、符号及液压回路
能力要求:
熟悉了解液压传动的物理基础和基本理论,并能求解液压传动基本问题;
熟悉了解各类液压元件的功能、结构、职能符号;
具有选用液压元件和读识液压回路的基本能力。
——教学重点——
帕斯卡定律、液压传动基本方程、泵阀的功能、结构、职能符号、液压回路的读识与分析。
1.基本理论
1.1液压传动的物理基础:
帕斯卡定律
力能放大:
在密闭的连通容器内施加于静止液体任一点的压力等值传递到液体中各点。
p1=p2=F1/A1=F2/A2F2=F1×
(A2/A1)
液压系统的工作压力取决于负载大小:
若A2/A1确定,则p2=F2×
(A2/A1)
1.2静压力的概念与压力计算
液压传动属于力学范围的静压传动,静压力是描述液压传动过程力能变化的基本参数。
“静压力”在物理上称为“压强”,工程上简称“压力”,法定计量单位记作Pa或MPa,工程单位记作at或bar,具体指密闭容器中静止液体单位表面积上作用的法向外力和重力,通常在工程上忽略重力部分。
绝对压力:
以没有气体的理想绝对真空为零基准测量的压力。
相对压力:
以大气压力为零基准测量的压力(以一个工程大气压为零基准计算的压力),也叫计算压力或表压力(正表压)。
真空度:
低于大气压力的相对压力,亦称为负表压。
绝对压力=大气压力+表压力
表压力=绝对压力-大气压力
真空度=大气压力-绝对压力
1.3稳流液体的连续性方程
——稳态液流质量守恒定律
假设液流具有理想液体和稳流性质,则液流在单位时间内经过管路任意过流截面的质量相等,即有稳流液体的连续性方程。
v1A1=v2A2=Q=常数
工程应用:
液流通过密闭管路中任意过流截面的速度与截面积呈正比,即过流面积大流速快,过流面积小流速慢。
反推:
欲要保证液流连续,即不因液流间断而发生液压冲击以及由于液压冲击引发的系统振动和噪声,液压系统设计和安装必须保证液体稳定流动。
1.4伯努利方程
——液流能量守恒定律
对理想稳态液流微分运动方程(欧拉运动方程)积分可得
理想伯努利方程
教材,式1-22
欧拉运动方程的微分模型
实际伯努利方程
——伯努利方程的物理意义——
——理想液体稳流的总能量由动能、压力能和重力位(势)能等三种形式共同构成,且它们的总和在液内各点相同。
——虽然液内各质点(或过流截面)总能量相同,但各质点(或每个过流截面)的动能、压力能和位能的构成比例不等,随液内质点(或过流截面)位置转移,三者可以相互转变。
说明1:
因位能、压力能和动能的量纲中均含长度单位,故在工程中习惯把它们称为位置(水)头、压力(水)头和速度(水)头,液流中任意位置的总水头相等。
说明2:
液压工程通常忽略位能和动能,只考虑压力能。
——实际伯努利方程较理想伯努利方程增加了液流摩擦损失的能量水头,其数值相当于克服摩擦损失的压力差可使单位重力的液体质点从其基准面上升的高度,通常称为“比能耗”,可以记作hw,即
1.5稳态液流的动量方程(教材无,见讲稿,略)
1.6基本理论应用
——帕斯卡定律应用举例—
图示两个连通液压缸水平放置,其中F为油缸Ⅰ有杆活塞腔压力确定的驱动力,Fw为负载阻力,油缸Ⅰ内径(活塞1直径)Ф20mm,油缸Ⅱ内径(活塞2直径)Ф50mm。
已知Fw=1962.5N,试按下述三种情况计算液体压力并分析两个活塞的运动情况。
(1)F=314N;
(2)F=157N;
(3)F>
314N
解:
(1)已知F=314N,因两缸连通,由帕斯卡定律可知两缸连通腔内的液体压力相等并有
再由帕斯卡定律FⅠ/AⅠ=FⅡ/A2;
FⅡ=FⅠ(A2/AⅠ)可知
根据题意和上述计算:
FⅡ=-Fw,故活塞1、2均作等速运动。
(2)已知F=157N,因两缸连通,由帕斯卡定律可知两缸连通腔内的液体压力相等并有
FⅡ<∣-Fww∣,故活塞1、2静止。
(3)根据解
(1)可知,若F>
314N,将有FⅡ>∣-Fww∣,故活塞1、2加速运动。
——伯努利方程应用举例——
1.图示油泵出油驱动油缸活塞克服负载Fw运动,设油缸中轴距油泵出油口的高度为h,试计算油泵出油口压力。
说明:
p1、p2分别代表吸油口压力和油缸压力,p2由设计规定。
解:
根据图示建立Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ分别代表油泵出油口截面和油缸截面,则由实际伯努利方程:
由坐标系和Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面可以推出边界条件
代入实际伯努利方程整理得
式中Δp为液流从油泵出油口到油缸进油口损失的压力。
2.图示油泵吸油口比油缸液面高h,试求油泵工作时其内部吸油腔的真空度。
p1=pa(大气压力);
p2代表吸油腔压力;
Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ分别代表油箱液面和油泵吸油口截面。
由实际伯努利方程和图示得
式中Δp为液流从油箱到油泵进油口损失的压力。
因油箱截面A1远远大于油泵吸油口截面A2,由连续性方程v1A1=v2A2推论v1<<v2,故可忽略不计。
于是,实际伯努利方程为
故吸油腔真空度=大气压力-绝对压力=pa-p2=ρgh+ρv22/2+Δp
——稳态液流质量守恒定律应用举例——
图示为液压千斤顶的工作原理,其中D=50×
10-3m,d=10×
10-3m,h1=400×
10-3m,h2=100×
10-3m,若举升负载为6.25×
104N(含活塞1自重),活塞2的速度ν2=50×
10-3m/s,不计摩擦阻力和活塞泄漏,试确定手摇作用力F和活塞1的速度ν1。
解
(1)根据杠杆原理,负载和作用力对固定铰链力矩相等,得
(2)由系统体积守恒(质量守恒)可知速度取决于流量,于是油缸1中大活塞1的运动速度v1和流量Q为
4.图示为液压千斤顶的工作原理,其中D=50×
——稳态液流动量方程应用举例——
1.图示液流以速度v1从环隙流入滑阀,以速度v2从环隙流出滑阀,流量为Q,试求滑阀在液流作用下所受的轴向力及方向。
(1)根据图a)求解滑阀右移时的情况。
由动量方程:
作用在控制体积之液体上的外力总和等于单位时间内液体的输出和输入动量之差,可得滑阀对液流的反作用力
F′=ρQ(v2cosθ2-v1cosθ1)=-ρQv1cosθ1(负号表示与作用动量相反)
式中θ1—输入阀口处液流与滑阀轴向的夹角,若滑阀与环隙配合间隙无泄露,其值约为69°
(1.204弧度)。
又因为液流动力F与F′反向,所以滑阀受轴向液压力为F=-F′=ρQv1cosθ1。
注意:
若进油口泄露,则F>F′,液流作用力具有使进油环隙关闭的趋势。
(2)根据图b)求解滑阀右移时的情况。
因为图a)和图b)方向相反,故由动量方程可得滑阀受轴向液压力为
F=ρQ(v2cosθ2-v1cosθ1)=ρQv2cosθ2
式中θ2—输出阀口处液流与滑阀轴向的夹角,若滑阀与环隙配合间隙无泄露,其值约为69°
又因为液流动力F与滑阀所受液压力F′反向,所以F′=-F=-ρQv2cosθ2(负号表示与作用动量相反。
2.已知喷嘴入口直径d1=50mm,出口直径d2=25mm,喷嘴前压力为196.2kPa,流量为(5×
10-3)m3/s,试求
(1)喷嘴接头处所受压力;
(2)若射流作用在垂直平面上分两支流动,求平面所受冲击力(不计压力损失)。
(1)根据作用力与反作用力原理,喷嘴接头处所受压力与受控体积的动力(喷嘴内液体体积具有的动能)等值反向,且由受力图可知,动力F1=pπd12/4,由动量方程可得
F1–F′=ρQ(v2-v1)
其中F1=pπd12/4=(196.2×
103)×
π/4×
(50×
10-3)2=385N
v1=Q/(πd12/4)=2.55m/sv2=Q/(πd22/4)=10.2m/s
于是F′=F1-ρQ(v2-v1)=385-5×
10-3×
(10.2-2.55)=346.8N
(2)由于射流在大气中运动,故各截面压力为零,所以在平板处,只有平面对油(水)的作用力Fs,因此由动量方程得
∑F=-Fs=ρQ(0-v2)=-51N即Fs=51N
(关于射流对固体平面的作用解题还可参见解题示例5)
2.液压泵与液压马达
2.1液压(容积)泵的吸排油原理
液压泵向其工作腔吸液和从工作腔的排液过程,是液压泵改变自身工作腔容积的几何动因带来的液体运动的力学响应,故液压泵属于容积泵技术性质。
容积增大吸油:
偏心轮0-180°
旋转,密封油腔容积增大,油箱大气压力高于油腔压力(真空)单向阀6开通吸油。
容积减小排油:
偏心轮180-360°
旋转,密封油腔容积减小,单向阀5开通排油
容积泵工作原理:
机械动力改变密闭泵腔容积变化实现油泵的输入和输出(吸油和排油
容积泵工作必要条件:
必须具备密封工作容积,密封容积应能周期重复变化(由小变大→由大变小→由小变大→由大变小,……);
必须具有配油装置,吸油过程中保持油箱与大气相通,容积减小时向系统排油。
2.2齿轮泵、叶片泵和柱塞泵的技术特点
齿轮泵:
利用齿轮周期性啮合运动改变密闭工作腔容积实现吸液(油)和排液(油)的液压泵。
叶片泵:
利用叶片周期性偏心旋转改变密闭工作腔容积实现吸液(油)和排液(油)的液压泵。
柱塞泵:
利用偏心旋转柱塞往复运动改变密闭工作腔容积实现吸液(油)和排液(油)的液压泵。
齿轮泵主要用于低压系统,柱塞泵和叶片泵可分别用于高压系统和中高压系统。
2.3液压马达
液压马达的功用:
液压马达是液压系统中的执行元件(液压泵是动力元件),负责将液压泵输出的平动液体的压力能转换为旋转形式的机械能以拖动工作机械作功(液压泵负责把电动机输出的旋转机械能转换为平动的液体压力能)
液压马达与液压泵的技术关系:
功用—相反
结构—相似
原理—互逆
3.液压缸
液压缸通常负责将平动液压油携带的压力能转化为有限长度的往复直线运动,但也有一些特殊的液压缸可以输出往复摆动旋转等特殊运动形式。
4.液压阀
4.1液压控制阀分类
按压力等级:
低压阀、中压阀、中高压阀、高压阀。
按联接方式:
管式(螺纹)联接(L)、板式联接(B)、法兰联接(F)、集成连接、叠加联接、插装联接,等。
按阀芯结构:
滑阀、锥阀、球阀、转阀、喷嘴挡板阀、射流管阀。
按控制方式:
比例阀、伺服阀、数字阀、智能阀。
按功能作用:
压力控制阀—控制和调节液流压力,满足执行元件对力或力矩、或其他有关压力的要求;
方向控制阀—控制液流流动方向,改变进入执行元件的液流方向,满足工作机械运动或锁紧要求;
流量控制阀—控制液流量,以控制执行元件运动速度。
4.2常用压力阀
(1)溢流阀
主要功能:
保持系统压力恒定(溢流定压),防止系统过载(安全保护)的液压阀。
变异功能:
安全卸荷、远程调压、背压设置。
(背压力:
液压传动中与流动液流方向相反的作用力。
)
主要类别:
直动式、先导式
(2)减压阀
主要功能:
在多油路(多执行元件)液压系统中,以泄油方式降低高压油路压力导通低压油路的液压阀。
变异功能:
消除输入输出压差,稳定系统压力(稳压阀)。
主要类别:
直动式、先导式。
(3)顺序阀
在多油路(多执行元件)液压系统中,以压力高低作为顺序控制信号导通或截止某一油路(停止某一执行元件)顺序工作的液压阀。
稳定系统压力、卸荷、压力(油)开关、远程调压。
4.3流量阀
节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流阀、分流集流阀
4.4方向阀
4.4.1类别
单向阀、电磁阀、液控阀、电液动阀(小流量先导电磁换向阀和大流量液动换向主阀),等等
4.4.2换向滑阀
(1)命名
操控型式+“位-通”数量
(2)常态
(3)机能
5.液压职能符号与液压回路
泵与马达
压力阀
流量阀
方向阀
液压回路分析
液压回路:
由多种液压元件、液压管道和一些必要的辅助装置组成的液压传动闭合管路,
不同卸荷回路技术特点对比
卸荷特点:
油液压力大于溢流阀工作压力,油泵空载带压卸荷,容易发热。
油液经H型换向阀回油箱,空载低压卸载,不容易发热。
油液经溢流阀遥控口通过电磁换向阀卸荷,卸荷不负载,不容易发热。
注射机液压系统“锁模缸-注射缸二级调压回路”
参阅教材图1-71(分析见讲稿)
注射机液压工作回路
教材图7-54(分析见讲稿)
(见已发液压传动学习辅导)
第3章预处理装置与混炼设备
高分子成型物料的预处理方法;
高分子成型物料的混合概念;
混合的技术物理意义;
混炼的技术物理意义;
常用混炼机械的、工作原理、技术特性和应用特点
混合的概念、分类、技术条件和技术效果;
混炼设备技术分类、技术特征及其工作原理
1.预处理
为了保证成型物料制备以及成型生产中对物料的技术要求,制备成型物料之前,使用一定的机械、物理装置或机械设备,对成型物料或其组分预先进行的研磨、筛析、干燥和预热等准备工作称为预处理。
经过预处理的成型物料,需要从几何形态、物理性能和温度条件等三个方面满足成型物料的配制要求。
1.为什么要对塑料原材料进行预处理?
为了使原材料组分或成型物料的物理性质、几何形态、温度条件符合塑料制备或塑料成型生产技术要求。
2.生产中常用哪些预处理方法?
3.为什么要对塑料原料(成型材料)进行预热?
4.预热和干燥有什么区别?
5.粘湿性塑料和吸湿性塑料的干燥方法是否完全相同?
二、判断题
1.对物料预热的同时必然会使物料干燥。
×
2.只有利用加热方法才能去除物料表面粘附的水分。
3.加热干燥吸湿性塑料时还必须控制空气露点。
4.真空干燥只能用于吸湿性塑料。
三、独立思考并参阅有关文献,总结成型加工前对物料预热的优缺点。
2.混炼设备
2.1混合的概念、分类、技术条件和技术效果
高分子材料的混合:
以聚合物为基体、添加多种填料和助剂的塑料(高分子材料)成型物料是一种多组分工业原材料,为了使各种组分材料在整个成型物料体系中均匀分布并具有密度和性能均匀的物理特性,对成型物料所进行的各种机械和物理均化处理过程统称为“混合”。
混合的类别:
分布混合—分散混合;
初混合—塑炼
物理分类
分布混合:
将两种或两种以上的组分原料,无规无序地均匀分布到一定空间的混合方法,即多组分物料在分布过程中,其各组分原料的微粒或细粒在物料体系内随机地进行无规无序的迁移运动。
分散混合:
把两种或两种以上的组分原料相互渗透,促使各组分原料相互结合、性能均一的混合方法。
技术分类
初混合:
以各组分之间的分布混合为主,不改变物理聚集状态,在不太大得剪切应力及其切变速率作用,对成型物料的各种固相组分进行混合与分散,或是对固、液两相不同组分进行的混合与浸渍。
塑炼:
以各组分之间的分散混合为主,通过改变物理聚集状态(即在粘流态下),使用较大的剪切应力和切变速率,对成型物料各组分进行的混合与分散,经过塑炼后的成型物料一般应能达到成型工艺所要求的“组分均匀、密度均匀、温度均匀、粘度均匀”之物理性质。
技术条件:
对成型物料进行混合时,物理上需要对物料提供热量,力学上需要赋予物料对流的动力,化学上需要避免物料发生化学反应。
技术效果:
初混合—固态下不改变物料几何形态的混合均化
塑炼—粘流态下改变物料几何形态的混合均化
小结
2.2常用混炼设备的应用特点
高速混合机高速旋转、分布混合,热历程短,特别适用于热敏性塑料。
。
捏合机两转子异向差速旋转产生分散剪切(渗透)混合,转子曲面轴向分力驱动物料对流分布混合。
开炼机辊隙是开炼混合工作空间,物料经开炼机辊隙时,在高温作用下受两个辊筒径向挤压和差速剪切作用,主要发生分散混合,组分材料之间相互渗透。
2.3混炼设备技术分类、技术特征及其工作原理
1.为什么要对塑料原材料进行混合?
2.简述混合所需要的力学,物理和化学条件。
3.简述简单混合(分布混合)与分散混合的基本概念并概括两者的差异。
4.简述初混与塑炼的基本概念并概括两者的差异。
5.初混设备为什么属于低能耗设备。
6.为什么反向双螺带混合机可以增强轴向混合作用?
7.总结概括捏合机工作原理,并解释为什么性能良好的捏合机可以用于塑炼?
8.为什么高速混合机特别适用于热敏性材料?
9.简述物料在开炼机双辊之间的剪切混合原理并用速度场进行描述。
10.为什么捏合机,开炼机,密炼机的转子或滚筒均为差速运动?
1.什么是简单混合(分布混合),什么是分散混合
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