热压模具温度场保温装置设计

题名：热压模具温度场保温装置设计

摘 要

摘要：热压机是目前企业中使用较普遍的生产设备之一，但由于加热配置的不足与设计的缺陷，导致生产过程中热量流失严重，致使在加工过程中模具表面温度变化大，直接影响到产品的质量和耗电量，造成生产成本上升。目前，现有的保温设备种类繁多，大多采用保温隔热效果良好的保温材料，结合需要保温的设备的结构和性能要求，具体设计出符合相应设备需求的保温装置。本设计要求对热压机模具实施保温，根据热压机的温度分布建立温度场数学模型，并以此作为设计基础，采用温度传感器、固态继电器和温控仪，改进温度控制形式，提高温度控制精度，从而在压合腔内建立更加均匀的温度分布场。结合热量散射的途径和形式，在热压机外围，尤其是压合腔四周，设计并安装由玻璃纤维、硅酸铝和支撑结构组成的双层保温、隔热装置；同时考虑到操作人员在操作过程中的安全问题，采用红外对管，对设备的操作设计防误操作安全装置。

关键词：热压机；温度场数学模型；保温装置；防误装置

I

The insulation device of hot-pressing mould

Abstract：Currently, hot-pressing machine is one of the universal equipments used in enterprises. However, the heat preservation and the deficiency of the design leads to serious heat loss in the process of production, which causes that the temperature of mould surface changes obviously, directly affecting the quality of the products and power consumption. Therefore, the cost of production increases.

At present, there are various types of heat preservation devices, mostly using insulation materials with good thermal insulation effects. The insulation devices are designed according to the structural and functional requirements of the equipment that needs heat preservation.

This design aims to preserve the heat of the hot-pressing machine mould. A mathematical model of temperature field is established in line with the temperature distribution of the hot-pressing machine. Using this as design basis, a more uniform temperature distribution field is built in the pressure chamber through adopting temperature sensor and solid state relay and temperature control meter, improving the temperature control form as well as increasing the temperature control precision.

Combined with the scattering ways and form of heat, the heat preservation and heat insulation device with double layers consists of glass fiber, aluminum silicate and supporting structure is designed and installed around the hot-pressing machine, especially the pressure chamber. Moreover, considering the operators’ security in the process of operation, the safety device with the infrared tube is designed.

Key words：Hot-pressing machine；Mathematical model of temperature field；Insulation device；Safety device

目 录

摘 要 ............................................................................................................................................. I 目 录 .......................................................................................................................................... III 1 引言 ........................................................................................................................................ 1

1.1 设计背景和意义 .......................................................................................................... 1 1.2 热压机工作流程 .......................................................................................................... 2 1.3 保温装置设计目标和技术要求 .................................................................................. 2 1.4 技术综述 ...................................................................................................................... 3 2 保温装置设计 ........................................................................................................................ 4

2.1 保温材料选取 .............................................................................................................. 4 2.2 保温装置结构 .............................................................................................................. 4

2.2.1 保温板 ................................................................................................................. 6 2.2.2 套环 ..................................................................................................................... 7 2.2.3 弯脖 ..................................................................................................................... 8 2.2.4 圆管 ..................................................................................................................... 8 2.2.5 挂钩和限位板 ..................................................................................................... 9 2.2.6 螺栓尺寸计算和强度校核 ................................................................................. 9

3 XLB300-Y型热压机温度控制系统 ................................................................................... 12

3.1 温度控制系统工作原理 ............................................................................................ 12 3.2 XLB300-Y型热压机温度控制系统介绍 ................................................................. 12 3.3 基于XLB300-Y型热压机温控系统的改进 ............................................................ 14

3.3.1 固态继电器 ....................................................................................................... 15 3.3.2 温度控制器 ....................................................................................................... 17

4 温度场分析 .......................................................................................................................... 18

4.1 温度场的概念和意义 ................................................................................................ 18

4.1.1 温度场概念 ....................................................................................................... 18 4.1.2 温度场建立的意义 ........................................................................................... 18 4.2 热传导计算 ............................................................................................................... 18 4.3 温度数据采集 ............................................................................................................ 20 4.4 温度数据分析 ............................................................................................................ 21 5 安全防误装置 ...................................................................................................................... 25

III

5.1 安全装置的意义 ...................................................................................................... 25 5.2 “红外幕帘”装置介绍 ............................................................................................ 25 总结 ............................................................................................................................................ 27 参考文献 .................................................................................................................................... 28 致谢 ............................................................................................................................................ 29 附录 ............................................................................................................................................ 30

1 引言

1.1 设计背景和意义

随着我国经济的发展，能源的损耗日趋严重。虽然我国煤炭资源相对其他资源来说比较丰富，但我国用来发电的主要资源是煤炭，因而消耗量巨大。研究报告显示，截至2002年底，我国探明可直接利用的煤炭储量为1866亿吨，我国现有煤炭经济中可开发的剩余采储量为1145亿吨，约占世界同类储量的13.3%。中国2010年消耗了17.2亿吨煤炭，约占世界总消耗的48.4%。然而这种消耗的增长趋势仍然十分强劲，预计到2020年煤炭消耗量将达到35亿吨以上。2010年我国发电总量为42277.71亿千瓦时，其中火力发电34166.28亿千瓦时，而其中的燃煤发电为32162.69亿千瓦时，占总发电量的80%[1]。

这些数据明显地说明了我国煤炭资源在发电中的比例，为了降低能源消耗，必须要开辟新型能源路线，做好能源转型这一发展要求；同时要做到提高能源的利用效率，减少能源的浪费。在此基础上，节约能源，降低消耗，就成为刻不容缓的任务。

同时，国家推出七大新兴产业，即国家战略性新兴产业规划及中央和地方的配套支持政策而确定的七个领域，“新七领域”为“节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料”，标志着新兴战略产业框架已成定局。战略性新兴产业规划颁发后，又陆续出台了各个领域的具体发展规划，以及中央和地方的配套支持政策。这一宏大规划，被业内人士看作继“四万亿”后中国政府启动的最大规模的产业计划。而这一计划，已决定了发展结构的根本转变。在七大领域中，每一个大的领域中又确定了具体的分项，其中在“节能环保”中，将重点突破高效节能、先进环保和循环利用三个技术难题[2]。

在这样的国内形势下，节能环保型朝阳产业兴起，植物纤维可降解系列产品随之崭露头角，并在市场中占据一席之地。本设计就是基于生产可降解植物纤维花盆系列产品的XLB300-Y型热压机的保温装置设计。

虽然热压机应用广泛且生产技术和工艺都渐趋成熟，但在可降解植物纤维花盆的生产过程中，其外型结构存在的不足导致热量散失严重，致使模具表面温度变化大，保压时间不准等问题。这就造成产品在加压、保温过程中，受温度影响而产生质量问题，造成生产次品率高，生产效率低下，成本增加等问题。于此同

1

热压模具温度场保温装置设计

时，加热系统是由加热管产生热量经加热板、模具垫板等介质传导热量使模具升温，而模具、模座和加热板裸露于外界空气中，尤其是冬天模温和室温温差较大，热量散失极其严重；其次是开模时空气对流，使上下模具散热严重，通过测量，模具表面温度跳变的降低幅度明显；合模之后的温度回升缓慢，需要较长时间的加热才能恢复到要求模温，造成耗电成本上升，温度的变化对产品质量影响很大。同时，由于上下模板之间没有隔离保护装置，工作人员在操作过程中，易因误操作而造成伤害。

综上所述，现状热压机，在生产中存在热量散失严重，产品质量不稳定并存在一定的安全问题。这对实际生产效率和能源消耗产生很大影响，尤其在当今电力资源紧张的现状下，减少生产过程中热量的散失，降低能源消耗，提高产品质量和生产效率，增加人员的安全性，就显得尤其重要。

1.2 热压机工作流程

热压机是目前企业中使用较普遍的生产设备之一，其主要功能是提供热压所需的压力和温度，其结构包括支撑成型零部件的动、静模座，动力系统绝大部分为液压传动，加热系统为通过介质传导热量。热压机又包括多种类型，本设计是基于柱式、单层结构热压机的保温装置设计。

就可降解植物纤维花盆的生产为例，将玉米棒、玉米秸、麦秸、稻秸、竹子、甘蔗渣等农业废料粉碎上筛，加入固化剂、颜料、胶料等按照一定配比形成备用原料，将备用原料加入到热压机模具内，如图1.1所示，经过初压→排气→保温、保压的流程，生产出具有一定强度、刚度和表面光洁度的产品。这一产品市场需求量大，生产前景广阔。

加入原料初压排气保温、保压取出产品

图1.1 热压机工作流程

1.3 保温装置设计目标和技术要求

保温装置设计目标为隔离热源与外界空气的热量对流，减少热量的散失，起到隔热、保温的作用，进而保持压合腔内温度的均匀分布，形成均匀的温度场，

维持模具表面温度基本恒定，保证产品质量，提高生产效率，降低生产成本。

保温装置技术要求包括：

（一）安装机构合理，与热压机结构相匹配，便于安装和拆卸，对模具的安装和拆卸以及正常的生产过程不产生干涉；

（二）选用保温性能良好的保温材料，价格相对便宜，质量相对不大； （三）采用多层混合保温结构，将两种或两种以上保温材料组合成保温装置，起到更好的保温、隔热效果。

1.4 技术综述

在目前的设备和生产中的保温、节能装置，大多采用了新型保温材料和结构形式，并在多个领域中得到广泛的应用。

例如在液化天然气行业，由于介质泄放时有燃烧和爆炸的危险性，需要良好的绝热效果和稳定的环境，因而采用高真空多层保温材料形式，设计出新结构、大尺寸的工业化保温装置，在低温液体的长期储存中得到广泛的应用[3]。

在啤酒生产行业中，采用硬质聚醚型聚氨酯泡沫塑料，由于其特定的材料特点，应用在啤酒生产设备上其保温、保冷及隔热的效果更加优良[4]。

在焦炭塔上的保温应用上，通过对焦炭塔原有保温装置进行更新改造，采用背带式保温结构，可以大大降低焦化装置的能耗和维修费用[5]。

还有在石油化工装置中采用新型保温材料WJZ—900型复合粉煤灰，增强了设备的保温和节能效果。

一种应用在等温模锻液压机上的新型模具保温装置，采用上、下罩构造，上、下罩分别由内、外两层壳体构成，内壳为耐高温合金板材料，外壳为耐蚀不锈钢板材料，内、外壳体之间空心，填充氧化硅纤维，并在下罩上开一个可开合的门，在下罩底部设置一个向保温罩的内部填充惰性气体的进气口[6]。该保温装置结构独特，氧化硅纤维的良好隔热作用使保温罩的内部温度恒定，同时向保温罩内部填充惰性气体，使隔热保温效果更佳，而且减少了毛坯在锻造过程中的氧化。

综上所述，在现今的生产过程中，良好的保温隔热装置所起到的作用不容忽视，并在实际生产中起到的作用越来越大。改进并设计新型保温装置，采用性能更优的保温材料，结合具体实际生产需要，借鉴优秀的保温装置成果，从而进一步减少能量的损失，提高产品的质量，已经成为当前设备改进的趋势之一。

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热压模具温度场保温装置设计

2 保温装置设计

2.1 保温材料选取

保温材料作为保温装置中的重要方面之一，在生产实践中应用广泛，并发挥着不可替代的作用。近几年，新型保温材料层出不穷，保温材料的种类不断增多，保温、防火、耐高温等等效果不断提升，对于设备保温的材料选取提供了很大方便。

本装置采用多层材料并行保温结构，材料选用玻璃纤维卷毡、硅酸铝毡和胶木板。

硅酸铝毡的特点为低导热率，耐高温，良好的绝热、吸音特性，并且具有优良的化学稳定性和热稳定性，同时，硅酸铝毡具有柔、轻、富有弹性等特点。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，其优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料。

胶木板使用品质优良的漂白木及棉绒纸作为补强物，并以高纯度、全合成的石化原料所反应制成的酚醛树脂作为树脂粘合剂制造而成。胶木板具有一定机械性能和电气绝缘性能，可以用于机械性能要求较高的电机、电器设备中和绝缘结构的零部件。

其中胶木板起到支撑作用，玻璃纤维卷毡和硅酸铝毡固定在胶木板上，起到双层保温效果。但由于玻璃纤维卷毡为细微丝状组合，易于飘散到空气中，吸入人体后无法排泄，对人体伤害严重，故将玻璃纤维卷毡夹固在胶木板和硅酸铝毯之间，不仅将岩棉与外界隔离，同时与岩棉双层隔热保温，效果更佳。

2.2 保温装置结构

如图2.1 热压机结构立体图所示，需要保温的压腔由上、下模座和四根导柱围成，若要将压腔内的模具与外界环境隔离，需要在压腔的四面安装隔离保温装置。这一隔离保温装置的形式可以有多种，本设计采用悬挂式板式保温结构，即在热压机的四侧安装保温板，这一设计的原因有：（1）保温板面积大，可以有效的减少开合模时压腔内部的空气对流；（2）采用悬挂式结构，悬挂于热压机的外围，在下模座上下运动时，不会产生干涉；（3）考虑到热压机压腔内残余料的清

理以及安装，拆卸模具的便捷性，采用悬挂式结构，可以随时方便地安装和拆卸。

图2.1 热压机结构立体图

1-支座 2-动模板 3-导柱 4-定模板 5-螺母 6-油缸

对于悬挂式保温结构，在保温板和热压机之间的悬挂和连接机构我们选用套环和挂钩的形式。如下图2.2所示保温结构图，其中为保证图示效果，正面的保温板和顶部的保温毡未在下图中表示。

图2.2 压机保温结构图

1-圆管杆 2-套环 3-弯脖 4-挂钩 5-保温板

套环可以与上模座上部的螺母外圆配合，套环外径上焊接一弯折的钢板条的

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热压模具温度场保温装置设计

上端，下端为“U”槽。这一设计的特点在于：避免在热压机上加工定位，保证了改进目标设备的固有特性，避免因对热压机本身的更改造成其性能和结构上刚度、强度的改变。

挂钩与限位板焊接，通过螺栓固定在保温板上，限位板为中间带槽孔的钢板条，与保温板之间可以通过螺栓紧固产生不同位置的定位，从而起到限位的作用。

在热压机的同一侧，可以在左右两个弯折板条的下端“U”型槽内安置一根长型圆筒管，定位紧固，这样将安装着限位板和挂钩的保温板通过挂钩悬挂在圆筒管上。这一连接为铰连接，具有不稳定，因而在保温板的下端需要另一支点以定位。

对于热压机的正面——工作人员操作的一侧，在开模时需要手动拿取产品，因而前侧保温板应该具备灵活性，要求在开模时打开，在合模时闭合。为了实现这一效果，可以在前侧采用上下两块保温板结构，上部固定在上模座上，结构如上所述，下部固定在下模座上，可以与下模座的开合模运动而上下运动。通过开模行程、最小合模距离等参数计算，确定上下保温板的尺寸，这一结构能较好地实现前侧的保温。 2.2.1

保温板

保温板是保温装置的主体部分，也是本设计的核心部分。保温板的作用是对层压腔进行保温、隔热，减少热压机开合模时，层压腔内的空气对流。因而在设计选择时要考虑保温板的材料和保温板的结构形式，即满足设计要求，同时对热压机的正常工作不产生干涉和影响。

一台热压机需要五块保温板，分别为左、右保温板，后保温板，正面上半部保温板和正面下半部保温板。五块保温板选用的材料相同，但为了和热压机的结构相匹配，其尺寸和结构有所差异。

保温板主要由胶木板、玻璃纤维卷毡和硅酸铝毡三大部分组成，如果以靠近热压机压合腔为内侧，那么可将三个组成部分从外向里以此并排如下：胶木板，玻璃纤维卷毡，硅酸铝毡，如下图2.3所示。

图2.3 保温板结构侧视图

1-胶木板 2-玻璃纤维卷毡 3-硅酸铝毡

其中1为胶木板，处于保温板的最外侧，主要是起到支撑和固定的作用，由于其具有良好的机械加工性能且具有一定的耐高温、绝热、质轻等性能，因而能够实现设计的要求。2为玻璃纤维卷毡，玻璃纤维卷毡具备良好的隔热保温性能，但由于其细微构成为针状玻璃纤维，粘到人体皮肤，对皮肤损害很大，因而在2的内侧另外加一层保温的硅酸铝毡3。这样做的目的有两个：其一为保护人体安全，其二双层保温毯隔热保温，能更好的达到设计的目的。

三大组成部分之间以压板和螺栓连接，压板材料为胶木板，其尺寸由每块保温板的具体尺寸和结构决定。 2.2.2

套环

套环是保温结构板与热压机之间的连接零件，材料为普通45#钢，采用车削加工形式成形，将其定位在热压机导柱上端的螺母外侧，与螺母间隙配合。

采用这一结构的原因是：方面安装和拆卸，对于经常更换模具，修整上模座位置的热压机来讲，这一结构更加方便；其次，这一结构没有破坏原有装备的结构和构造，对原有装备的刚度、强度和工作要求不产生影响。如下图2.4 所示为套环的结构立体图。

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热压模具温度场保温装置设计

图2.4 套环立体图

2.2.3

弯脖

弯脖是连接结构之一，由钢质板材弯曲成形，上端部分焊接在套环上，下端部分弯曲成“U”型，并在外侧加工螺纹孔。

弯脖的作用是连接套环和圆管，与套环焊接固定，安装时，将圆管放于热压机同一侧两端弯脖的“U”型槽内部，同时用螺栓通过“U”形槽外侧的螺纹孔固定弯脖。其侧视图形状如下图2.6 所示

图2.5 套环与弯脖焊接示意立体图

2.2.4

圆管

圆管是长形、中空的圆形钢管，尺寸在20mm左右，其尺寸和挂钩内径、弯脖“U”型槽的宽度相互参照选定。如图2.6 所示，圆管固定在弯脖的“U”型槽内，并有螺栓夹紧。

圆管的作用是连接弯脖与挂钩，挂钩固定在保温板上，通过挂钩，保温板可以方便的悬挂或拆卸于圆管上，遵循设计的方便性原则。

图2.6 弯脖、圆管和定位螺栓装配示意图

2.2.5

挂钩和限位板

挂钩是连接圆管与保温板的结构，其特点是便于安装与拆卸，为了与保温板连接固定，并能够在Z轴方向上调节保温板的保温范围和高度，将挂钩焊接于限位板的一端，限位板为普通钢板，长条形状，如下图2.7所示，

图2.7 限位板立体图

限位板与保温板之间的连接为螺栓连接，并以螺栓的预紧力定位。因为需要确定螺栓的直径，并校核强度计算。 2.2.6

螺栓尺寸计算和强度校核

强度计算是机械设计的重要方面，是设计合理性和可行性的重要决定因素。本设计的计算主要是与限位板连接螺栓的直径计算和强度校核计算。 1、尺寸计算

限位板与保温板之间的连接主要依靠两者之间的摩擦力和螺栓的预紧力。预

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热压模具温度场保温装置设计

紧的目的就在于增强连接的紧密性和可靠性，防止出现相对滑移[7]。其中螺栓受力图如2.8 所示，其中F0为预紧力，F为横向载荷，本设计F为保温板的重量，F约为150N。

图2.8 承受横向载荷的普通螺栓连接

依靠摩擦力抵抗工作载荷的螺栓连接，要使接合面不发生相对滑移，那么预紧力需要满足条件

F0?F （2.1） f由于接合面材料为钢板和夹布胶木，摩擦系数 f ≈ 0.2 则

F0>5F=750N

螺纹连接件的许用拉应力为

?????SS （2.2）

其中?S为螺栓的屈服极限，S为安全系数，S= 1.4, ?S=320MPa 有公式（2.2）求得螺栓的许用应力为

?????SS?320MPa?229MPa 1.4螺栓承受的总拉力F2

F2?F0?CbF （2.3）

Cb?Cm式（2.3）中Cb、Cm分别表示螺栓和被连接件的刚度，均为定值。 一般设计时，金属垫片的

Cb值取在0.2~0.3之间。

Cb?Cm

由式（2.3），将（2.1）式的结果代入得到

F2?F0?CbF?795N

Cb?Cm由于螺栓为塑性材料，因此可以根据第四强度理论，求出螺栓在预紧状态下的计算应力

?ca??2?3?2??2?3?0.5??2?1.3? （2.4）

又知螺栓危险截面的拉伸应力为

???F2d12 （2.5）

4结合公式(2.4)、(2.5)，知螺栓危险截面的拉伸强度条件为

?ca?即

1.3F2?44?1.3F2d12（2.6） ????

d1??????4?1.3?795N?2.4?10?3m?2.4mm

??229MPa为了保证安装的方便性和使用的强度，我们选定螺栓的直径为d1=8mm. 2、强度校核

我们选用M8的螺栓，在M8螺栓连接时，对接合面不发生相对滑移时所能承受的最大横向载荷进行计算。

已知许用应力为[?]=229MPa，螺栓直径d1=8mm， 由式（2.6）转换得到

F2??d124?1.3???????8?10?3?4?1.32?229?106N?8.8KN

由公式（2.3）求得

F?F28.8KN??1660N?150N 5.35.3因此，选用M8的螺栓连接，最大可以承受F=1.66KN的横向载荷，因而满足现有保温板的强度要求。

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热压模具温度场保温装置设计

3 XLB300-Y型热压机温度控制系统

3.1 温度控制系统工作原理

一般情况下，温度控制系统的基本构成如图3.1所示，它由主控系统、控制电器、加热器、温度传感器等几部分组成。

主控系统SV主控制器控制电器加热器-PVA/D模块温度传感器

图3.1 温度控制系统基本组成

温度控制实现的过程是:首先温度传感器将加热目标的温度转化为电压或电流信号，主控系统内部的 A/D 模块将温度传感器输送进来的电压或电流信号转化为主控系统可识别的数字量信号, 然后主控系统将系统给定的温度值与从温度传感器输入进来的温度值进行比较, 经过系统内部运算处理后，给控制电器的输入端一个控制信号，对控制电器的输出端的导通与否进行控制，从而使加热器开始加热或停止加热，即加热目标的温度控制得到实现。

其中主控系统为温度控制系统的核心部分，大部分控制系统为基于PLC 的控制，而许多PLC 控制器中都扩充了PID 控制功能和其它的功能模块，在实际应用时更为简约、方便，功能也更加齐全和强大。

3.2 XLB300-Y型热压机温度控制系统介绍

1、概述

XLB300-Y型热压机的温度控制系统是由基于PID 控制功能的温度控制仪，交流接触器，热电偶温度传感器和加热器组成。其中温度控制仪具有输入、输出的通信功能，如图3.2 所示。

其输入功能具体表现在：（1）热电偶温度传感器将温度信号转换为电信号（模

拟量信号），输送到温度控制仪的A/D (模数)转换模块，A/D模块将模拟量信号转换为数字量信号，然后传输到PID 控制模块中；（2）温度控制仪体现了人机界面功能，通过操作界面可以调节并设定温度值，并在操作界面上显示出来， 该温度值即为设定温度 (SV)。

温控系统的输出功能具体体现在：（1）经温度传感器、模数转换模块输入到PID控制模块中的数字量信号通过操作界面的“8”字显示器显示出实时温度，可以直观读出加热目标的温度，这一温度值即为实际测量温度（PV）；（2）测量的温度转换信号在PID控制模块中与设定温度比较后经运算处理，传给交流接触器的输入端一个信号，交流接触器在此信号的控制下，进而通过输出端控制加热器通电或断开，从而对加热目标进行温度控制。

SV温度设定PID控制器交流接触器温度显示器加热器-PVA/D模块温度传感器主控系统图3.2 XLB300-Y型热压机温度控制系统基本组成

XLB300-Y型热压机温度控制系统的电路图如下3.3 所示：

LSA3TC1TC2KA2

SA1SA2LTC1LTC2NBT200KM1NKM2N 图3.3 XLB300-Y型热压机温控系统电路图

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热压模具温度场保温装置设计

其中TC1、TC2分别为上、下模温度控制仪，SA1和SA2为加热旋钮开关，SA3为停止开关，KA2为自动预热的中间继电器，KM1为上模温度控制器（交流接触器），KM2为下模温度控制器（交流接触器），BT200为散热风扇。 2、缺陷分析

现有温度控制系统能够实现一定的温控功能，但由于采用交流接触器，考虑到耐用性和安全性等方面，存在一定的不足。

交流接触器动作有噪音，使用寿命有限，尤其是触点经常性跳动，对接触器的使用性能影响很大；其次，在工作过程中交流接触器会产生一定的电磁干扰，当大电流操作时可能会产生电弧，使得安全性降低。

交流接触器输入端的控制量为开关量（数字量），因而从PID控制模块输出的信号不需要经过数模转换就可以直接接到交流接触器的输入端上。

3.3 基于XLB300-Y型热压机温控系统的改进

由3.2节的介绍知道，XLB300-Y型热压机的温控系统组成为：温度控制仪，交流接触器，温度传感器和加热器。在此系统中，考虑到使用的寿命和使用安全性，在原温控系统的基础上进行改进，以提高系统的安全性和耐用性，同时提高温控的精确度和平稳性，改进系统基本组成和基本连接电路图如图3.4 和图3.5 所示。

SV温度设定PID控制器D/A模块固态继电器温度显示器加热器-PVA/D模块温度传感器主控系统图3.4 改进后温控系统基本组成

改进后的温度控制系统相比原温控系统，在主控系统中，从温度传感器输入的信号经PID控制器运算处理比较之后，通过数模转换模块（D/A模块）之后输入到固态继电器的控制端，因而需要对温控仪进行更换，由原来的开关量输出温

控仪更换为具有模拟量输出功能的温控仪。

QFABCNQFLSSR3P_+TC1N加热器 图3.5 改进温控系统电路图

其中QF为断路器，SSR3P为三相固态继电器，TC1为具有模拟量输出功能的温度控制仪，输出的模拟量信号直接输入到三相固态继电器的输入控制端，一般的固态继电器的控制端电压在5V~24V之间。 3.3.1

固态继电器

1、概述

固态继电器（简称为SSR）是一种没有触点的开关元件，它的内部全部由固态的电子元件组成。与机械型的继电器相比较，固态继电器内部不含有运动零部件，因而没有机械运动[9]。

固态继电器利用电子元器件的点，磁和光的特点，来隔离输入与输出电路，并且与单项可控硅，双向可控硅，大功率三极管，功率场效应管等器件的开关特性向结合，以达到无触点，无火花地接通和断开被控电路的效果[10]。

固态继电器包括单相固态继电器和三相固态继电器多种类型。

对于单相固态继电器，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，如图3.6 所示。

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热压模具温度场保温装置设计

输入控制端输入电路输出电路输出控制端

图3.6 固态继电器模块示意图

如下图3.7 所示为三相固态继电器连接电路简图，本设计即采用三相固态继电器，负载即为加热管，输入信号为温度控制仪输出的信号。

三相电源输入信号源+INPUT_~~SSR3P~~~~负载

图3.7 三相固态继电器应用电路简图

不管是单相还是三相固态继电器，其功能都是相同的，都是当输入端有控制信号时，输出端从断开状态变为导通状态；当控制信号撤消后，输出端从导通状态变为断开状态，从而实现自动控制的功能

[13]

。

虽然固态继电器也存在一定的缺陷，但相比交流接触器来讲，能够更好的提高对温度的控制精度和稳定性。

固态继电器的优点主要包括其控制灵敏度高，不含机械运动，寿命高，可靠性强等方面，下表3-1中指出了固态继电器优缺点。

将原三相交流接触器替换成三相交流固态继电器，考虑到固态继电器的功耗和发热量，同时安装散热风扇，避免固态继电器的温度过高而影响控制功能。

表3-1固态继电器优缺点

固态继电器的优点 固态继电器的缺点 不含有运动零部件，因而没有机械运动，导通之后的可控硅或双相可控硅、晶体寿命高，可靠性高 灵敏度高，控制功率小，与大多数逻辑集成电路兼容，电磁兼容性好 采用固体器件，切换速度在微秒、毫秒级别，切换占用时间短 内部没有线圈构造，不会出现触点燃弧和回跳，电磁干扰少 管的管压降比较大 断电之后半导体的器件仍然会有残余的漏电流存在，隔离效果下降 内部电子元器件耐热性能和电路抗干扰能力较差 固态继电器的功耗和发热量比较大，体积也比较大，成本高 3.3.2 温度控制器

温度控制器是专门实现温度控制功能的设备，大部分的温度控制器基于PID运算的控制，同时内部具有实现不同功能的模块，例如数模转换模块，模数转换模块，通信模块等等。

XLB300-Y热压机的温度控制仪，由于其控制器件为交流接触器，故输出量为开关量（数字量），而固态继电器的输入端控制信号为模拟量，因此对于原温度控制器来讲，无法实现对固态继电器的控制。

现在温度控制器领域，较好的实现功能和功能完备的各种温控仪产品已经基本趋于完善，能实现多种功能控制。因而，在更换固态继电器的同时，将原温度控制仪更换为具有模拟量输出模块，可直接输出模拟量信号的温度控制仪。

其本质就是在温控器内部添加的数模转换模块，因而温控仪的输出端可以直接输出模拟量，进而直接输入到固态继电器的输入端进行控制，对于一般的固态继电器，输入信号为5~24V的直流电压。

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热压模具温度场保温装置设计

4 温度场分析

4.1 温度场的概念和意义

4.1.1

温度场概念

温度场就是物体系统内部各个点位置上温度集合的总称。换句话说，当温度这一数量以空间坐标和时间为变量的函数时，就形成了某一个温度场。温度场一般可分为两种类型：非稳态温度场和稳态温度场。温度的分布情况随着时间改变而改变的温度场称为非稳态温度场，在此温度场中发生的导热为非稳态导热。处于稳态工作下，温度分布情况不随时间而变化的温度场称为稳态温度场，称为稳态导热[14]。 4.1.2

温度场建立的意义

在实际生产中，温度对加工过程、生产工艺、生产设备、产品等等的影响重大，很多设备的使用条件需要严格控制周围环境的温度、湿度。对于产品生产，温度的影响更加需要严格控制，不仅仅需要控制温度的具体数值，也需要控制在同一环境下，各个位置上温度分布情况，因而建立温度场，分析温度分布情况，对于生产过程中工艺的完善，产品质量的提高都有很大的帮助[15]。

本文研究基于XLB300-Y型热压机生产可降解植物纤维花盆的生产过程中发现，位于压合腔内的凸模和凹模，由于在生产过程中裸露于外界空气环境中，在模具开模时，受到外界空气流的影响，生产出的产品往往会在表面会出现白边、痕迹线等瑕疵，导致生产的产品不合格。对此，对压合腔内的温度进行测量，并以此分析建立压腔内部的温度场分布。

4.2 热传导计算

热传递主要包括三种形式：热传导，热对流和热辐射。本设计中需要解决的主要是热量流失问题，即热量从模具表面散发到空气中去，而热量的散发主要依靠两种途径：对流和辐射。

热压机的加热装置中，由位于上下加热板中的加热管提供热量，其中上下各有九根加热管，每根加热管的功率为1KW，经实际测量和观察，热压机由室温

（20℃）加热到要求温度（120℃）的加热时间为120分钟，这一加热过程由热传导传递热量，介质为钢材。

整个加热过程中的总产热量由产热公式

Q=PT (4.1)

求得 Q产=1KW*18*3600S=64800KJ 加热过程中，模具和模具垫板吸收的热量由公式

Q=CM△T (4.2)

求得 Q吸=460J/kg*200kg*100℃=9200KJ 由此计算热量传导效率为

?=Q吸/ Q产=15%

原热压机存在的热量流失主要为开合模动作时，压腔内空气对流引起。 对于对流散热来说,其基本公式如下:

P=h·A·△T （4.3）

其中P为单位时间内散去的热量，h为热对流系数，A为散热面积，△T为模具和加热板与周围空气之间的温度差。

经过实际的测量和检测，本设计涉及热压机的热对流面积为A= 4 m2， 空气的热对流系数为 h=8 W/（m2*℃），

压腔内的温度为80℃左右，外界空气室温环境为20℃左右，由式（4.3）可以计算在单位时间内由热对流而引起的热量流失为

P = 8 W/（m2*℃）*4 m2 *(80℃-20℃)

=1920 W

经简易保温之后，根据傅立叶定律，计算传热功率。保温板由三种保温材料组成，分别为胶木板，玻璃纤维卷毡和硅酸铝卷毡，其导热系数分别为

K1=0.2 W/（m2*℃），K2=0.04 W/（m2*℃），K3=0.04 W/（m2*℃） 其厚度分别为

d1=0.5cm，d2=1cm，d3=1cm

根据热传导热阻串联定律，对三种保温材料构成的保温板的导热热阻进行计算。

R1=d1/k1=0.005m/0.2 W/（m2*℃） R2=d2/k2=0.01m/0.04 W/（m2*℃） R3=d3/k3=0.01m/0.04 W/（m2*℃）

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热压模具温度场保温装置设计

故总导热热阻为

R=R1+R2+R3 (4.4)

总导热系数为

k=L/(A*R) (4.5)

求得传热功率为

P=k*A*△T=2.88W

4.3 温度数据采集

采用接触式温度传感器采集热压机层压腔内一点的温度，将传感器连接到计算机上，通过温度分析软件TEMPer V22.2，对采集的温度进行实时数据统计并显示瞬时和平均温度走势趋向图，并进行记录、保存。

TEMPer V22.2是专门的实时温度分析软件，通过设定采集点的时间间隔，能将温度传感器或外界输入的温度信号通过图表的形式实时显示出来，即为Current temperature line。 同时还包含平均温度走势图，即为Average temperature line。软件的操作界面如下图4.1 所示。

图4.1 TEMPer V22.2操作界面

TEMPer V22.2可以设定温度采集的时间间隔，采集的数据可以保存为CVS

或TXT格式，进而可以对数据做进一步的分析处理，如下图4.2 所示。

图4.2 TEMPer V22.2参数设定界面

在此基础上，可以采用多点同步测量的形式，采集到热压机压腔内多点位置在同一时间段内的温度变化。将多组温度数据整理分析，进而得到整个压腔内的温度场分布情况。本设计中采样热压机处于正常工作状态时，压腔内部模具对称分布，且四面环境条件相同，因而在采样时可以减少采样的位置点数，温度分布呈现对称状态。

4.4 温度数据分析

为了分析热压机在正常工作时压腔内部的温度变化情况，将从TEMPer V22.2记录的温度数据进行分析处理，并以图表的形式表现出来。为了更好的突出压强内温度的变化，以本设计思路为基本设想，制作简易保温装置，对热压机进行初步保温，并分别记录热压机在未保温和保温工作时的温度变化，将两组数据分析比较，进而说明问题。

如下图4.3 所示，热压机未经处理改进并且正常工作时的温度变化。图中显示了热压机两个工作周期的温度变化，其中横坐标是基于TEMPer V22.2每两秒记录一次温度的引用数据个数，纵坐标是温度，单位为摄氏度。

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热压模具温度场保温装置设计

图4.3 未保温热压机在正常工作时压腔内温度变化图

从引用数据55到引用数据170为热压机工作的一个周期，即为热压机的合模，初压，排气，保压，开模这一系列过程。可以明显的看出，温度的变化受工作流程改变的影响很大；同时，即便在同一环节，温度的起伏波动也很大。开始合模时的温度与开始开模时的温度相差10℃左右，并且合模之后的温度上升缓慢，与要求温度存在差异。

从图4.3 中我们以热压机的一个工作周期为例分析：从数据55点为热压机合模，合模之后，压腔内部的温度缓慢上升，一直到达数据100点，这一过程为热压机的初压时间；从数据100点到数据115点为排气时间，温度下降；从数据115点到135点为产品的保压和硫化时间，温度上升；从数据135点到数据170点为开始开模一直到加入原料再次合模的时间段。从上面的描述中也可以看出，热压机压腔内部的温度随工作流程的改变而变化的程度很大。

为了进一步说明外界环境对热压机的影响，我们对未保温处理的热压机在未工作时压腔内的温度进行测量并分析。如下图4.4 所示，温度变化范围在3℃左右，总的温度变化不大，但温度的波动很大，说明在热压机的压腔内部受外界环境的干扰很大，因而进行保温隔离处理，具有很大的意义。

图4.4 未保温热压机在未工作时压腔内温度变化

下图4.5 为安装简易保温装置之后，热压机在正常工作时压腔内的温度变化走势图。由图可以看出，压腔内部的温度变化走势缓和，瞬点的温度没有出现图4.4 所示的温度跳动，而且起伏变化情况与热压机工作流程改变的规律性不强，与图4.3 未加装简易保温装置的热压机在正常工作时压腔内温度变化情况形成鲜明的对比。

图4.5 简易保温之后热压机在正常工作时温度变化

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热压模具温度场保温装置设计

这一简易装置以本设计的设计思路为原理，以设想温度场变化问题所在为构思目标，虽然没有严格按照本设计的方案和数据所安装，仅仅是为了测量试验温度、寻找问题的方向，并与未经处理时工作状态下的温度相比较而安装，但已经很好的说明了保温隔热的效果所在，具有一定的引导性和方向性。

5 安全防误装置

5.1 安全装置的意义

在生产过程中，操作人员难免会因为多方面的因素而造成操作上的失误，轻则造成生产上的损失，重者产生安全问题，对人身安全造成威胁。因此，设计一套防误操作装置，在实际生产中必不可缺。

考虑到在热压机运作过程中，下模板与上模座将随生产过程而进行开、合模运动，固定在下模座上的保温板，将与下模座上下运动一致，由于保温板质量轻，对热压机生产运行不会产生影响，不仅起到一定的安全防护作用，还能起到保温隔热的效果；为了增强安全系数，可以采取双保险，在上下模座上加装红外感应“幕帘”的保险装置，当有人手臂或其他物件遮挡红外感应线时，热压机无法合模，从而提高了生产过程中的安全系数，保证了操作人员的安全。

5.2 “红外幕帘”装置介绍

“幕帘”是在安全、报警等领域的一项装置，广泛应用于室内、室外环境中发挥报警预报的功能。

本设计中幕帘装置的核心为红外对管，其中包括红外线发射管和红外线接收管两部分。红外线发射管是具有发射特定波长的红外线功能的一端；红外线接收管是用来专门接收和感应红外线光线的[16]。普通的一对红外收发对管，它的应用十分局限，因为它们所能收发的距离只有几厘米，为了增加接收控制距离，需要在红外对管的发射端和接收端，安装透镜聚光结构。

安装有透镜聚光的红外对管，红外线发射管发射红外线，红外线接收管将红外线光信号变成电信号，这一电信号为微信号，电流很小，经过放大电路，将信号放大，如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。

红外线发射管红外线接收管放大电路中间继电器 图5.1 红外对管控制热压机示意图

将多个红外对管并排安装在热压机前开合腔两侧，形成一道保护幕帘，当没

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热压模具温度场保温装置设计

有操作人员手臂或其他障碍物阻挡时，红外线接收管接收到信号，该信号经放大电路控制中间继电器，中间继电器输出端为常闭开关，此时开关闭合，将此常闭开关串联到控制电路主控线上，电路导通；当红外线接收管接收不到信号时，中间继电器因接收不到信号，此时常闭开关断开，电路被隔断，从而操作热压机无效。

总结

保温装置已经成为当下热加工生产中的重要工艺技术环节，在很多领域中得到应用，并逐步成为节能减排的重要措施之一。对于保温装置的设计，必须具体问题具体分析，通过实际的生产需要和条件入手，结合相应的设备情况，从而设计与之相匹配的保温装置。

通过本系统的设计，使我充分发挥了主观能动性，将大学四年所学的知识以毕业设计的形式应用到了实际当中。这其中，虽然我遇到了许多问题，但是通过查阅相关资料，请教老师和与同学讨论，将这些问题一一解决，从而使我对大学四年所学到知识又有了进一步的加深和拓展。在此过程中，我还了解了温度自动控制的相关原理和应用，是对自己知识的以此扩展，相信这一定会对以后走上工作岗位的我有很大的帮助。

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热压模具温度场保温装置设计

参考文献

[1] 佟阿思根．中国能源消费现状及能源需求预测．《内蒙古民族大学学报》，2008（3）．

[2] 宗何．战略性新兴产业进入七时代．《经营管理者》，2010（10）．

[3] 魏蔚．多层绝热被性能测试及在LNG罐箱中的应用．天然气工业．2007，27(6)：109-111．

[4] 聚氨酯泡沫塑料在啤酒行业中的应用．酿酒科技．1995，(3)：39-40． [5] 刘峰．背带式保温在焦炭塔上的应用．胜炼科技．2003，25(1)：22-25． [6] 李森．一种用于等温模锻液压机上的模具保温装置．2004．

[7] 濮良贵，纪名刚．机械设计[M]．８版．北京：高等教育出版社，2006：62-90. [8] James B. Goldsmith, John Douglas Tolmer．Thermal Insulation Energy Saver Device．2010：2-10. [9] 冯泽，周志敏．浅析继电器的选型与应用[J]．《电气开关》，2004(4)：2-10. [10] 邵宝军．电子政务中物理隔离网络信息交换技术的研究[D]．大连：大连理工大学，2004：25-26.

[11] 杨群译．机械压力机的操作与安全．电子工业出版社，1990．

[12] Aage Lang，Kolind，Denmark．Method for press vulcanizing of even moist

articles．1991：2-8．

[13] 伍会娟．LED非接触自动检测系统控制及信号处理[D]．重庆：重庆大学，

2009：10-12.

[14] 翟建兴.注塑模冷却阶段三维温度场的有限元模拟[D]．郑州：郑州大学，

2006：15-19.

[15] 刘岩，樊志新．TLJ400型连续挤压机腔体温度场的实验研究．锻压装备与

制造技术，2008，43(3)：87-89.

[16] 李飞飞．遥控式移动水质监测系统[D]．杭州：浙江大学，2011：24-25．

致谢

历时半年的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师，他对我进行了无私的指导和帮助，给我传授了受益终生的学习方法,不厌其烦的帮助我进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

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热压模具温度场保温装置设计

附录

1、保温装置设计装配图1张，A0图纸 2、零件图-套环1张，A3图纸 3、零件图-弯脖1张，A3图纸 4、零件图-保温板4张，A4图纸 5、零件图-限位板1张，A3图纸 6、热压机结构立体图（Solid Edge）

7、未保温热压机正常工作时压腔内温度采集数据 8、未保温热压机不工作时压腔内温度采集数据 9、简易保温后热压机正常工作时温度采集数据

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/epug.html