门窗密封技术（精选四篇）
门窗密封技术 篇1
1 基本概念
1.1 门窗能耗损失
门窗的能耗损失是指室内与室外的各种环境通过门窗进行交换传递, 导致室内能量大量损失。门窗能耗损失的方式主要有三种:热对流、热传导和热辐射。其中, 热对流主要是指室内与室外的空气通过门窗的缝隙进行冷热对流交换损失;热传导主要是热量指透过玻璃和门窗材料从一面传到另一面损失;热辐射主要是指玻璃辐射阳光的红外线进行热传递。门窗能耗损失的过程主要包括:玻璃传热损失、太阳辐射损失、门窗材料热损失、缝隙冷风渗透热损失和窗洞口热桥热损失等[1]。
1.2 节能门窗
影响门窗能耗大小的因素主要有门窗的传热系数、门窗的密封性和窗墙比系数与朝向。
其中传热系数是指单位时间、单位面积的传热量, 越大能量损失就越大, 其与门窗的材料、类型有关;门窗的密封性是指门窗关闭时, 其阻止空气渗透的能力, 等级越高热量损失就越少;窗墙比例是指外窗与外墙面积之比, 一般情况下, 外窗的传热阻远小于墙体的传热阻, 所以, 建筑物的能耗损失随外窗面积的增大而增大, 节能建筑讲究合理的窗墙比, 而且门窗的不同朝向所遭受的太阳辐射也不同。所以节能门窗节能的根本途径就是隔热保温, 主要方式有选用热传系数低的门窗材料;增加门窗的密封性;设计合理的窗墙比和门窗朝向等。通过这样一系列的方式, 提高现代建筑物的总体节能性。
1.3 门窗密封技术
门窗密封对门窗节能起关键性作用。门窗的密封结构应和框架等性能配套使用。因为门窗都有一个开启的功能, 当其关闭时, 如果密封技术处理不好, 室内与室外的空气会通过缝隙处进行冷热对流, 造成能量的严重损失。此外, 门窗的密封设计还能解决能量热传导损失的问题。而解决门窗密封问题的关键技术则是选择、设计最适宜的密封条。密封条的主要组成材料有塑胶、橡胶、化学纤维等;密封方法主要有挤压型、摩擦型;安装方法主要有自黏式、胶黏式、螺栓钉子固定式、镶嵌式等。根据建筑物特点及窗框、窗架材料选择最合适的密封技术, 可以有效减少透过门窗的对流能耗损失, 效提高建筑的节能性。
2 节能门窗和门窗密封技术
2.1 门窗节能技术
2.1.1 选择合适的节能窗型
窗型也是节能门窗节能的关键要素, 通过经验总结, 一般推拉窗的节能性要低于固定窗和平开窗的节能性。因为推拉窗要沿窗框轨道滑来滑去, 与窗框之间的间隙要大才能不影响滑动效果, 从而易形成能量对流损失, 而且无论选择何保温材料和密封技术, 都不能很好的解决这一损失。平开窗一般都会安装橡胶密封条, 当窗户关闭时, 窗扇和窗框会将密封条压紧到几乎没有缝隙, 所以很难形成热对流, 门窗能量的损失主要来源于热传导和热辐射, 选择优质的保温材料, 可以有效减少能量的损失。固定窗是将窗框镶嵌在墙体内, 玻璃与窗框之间通过密封条密封, 没有窗户开启与关闭之说, 窗扇与窗框之间的间隙更小, 几乎没有热对流损失, 再选择合适的节能材料则可以大大降低建筑物能量损失。从结构上讲, 固定窗是节能窗的最佳选型。在实际应用中, 应根据通风、采光的要求, 选择合适的窗型。
2.1.2 选择合适的节能材料
目前, 国内市场中门窗的主要材质有塑钢、铝合金、断桥铝合金、玻璃钢、铝木等。其中常用材料中铝合金的热传导系数较大, 通过门窗的热量损失较大, 不利于门窗的节能;而塑钢和断桥铝合金的节能性不相上下, 塑钢的热传导系数比断桥铝合金小, 但塑钢的加工精度低、耐老化变形能力差, 所以塑钢门窗和断桥铝合金门窗在节能方面各有优点, 选材时要注意衡量[2]。玻璃钢门窗和铝木门窗由于加工工艺复杂、价格昂贵等原因, 市场占有率较低, 没有典型的代表。在实际的门窗材料选择时, 还要注意材料本身的质量和加工精度, 一些不法厂商在材料中添加次料, 以次充好, 不仅严重影响了材料的节能性, 也使得门窗的热变形性、加工精确性很难达到标准, 在选材时要尤其注意这一点。
2.1.3 选择合适的窗墙比和朝向
一般情况下, 门窗的热传导系数要比同朝向、同面积墙面的大, 因此在满足室内采光、通风标准的前提下, 增加墙体面积, 减少门窗面积, 合理控制窗墙比, 可以有效减少建筑物能量的损失。此外, 建筑热量的损失还与门窗的朝向有关, 一般南北朝向的门窗所遭受的阳光辐射较大。相关法律法规对窗墙比和门窗朝向做了选择性的规定, 但在选择时还应根据实际情况具体调整。例如起居室在北向时, 为达到采光要求, 北向窗墙比可取0.3;一些塔式住宅, 东、西向的窗墙比可取0.35;南向有落地窗、凸窗的, 南向的窗墙比可取0.45[3]。通过这种选择虽然加大了南向外窗的面积, 但是可以充分利用太阳辐射降低室内取暖能耗, 还能保证室内采光质量, 达到合理利用自然资源的目的。
2.2 门窗密封性技术
正如前文所述, 门窗密封性对门窗的节能性影响很大, 而影响密封性的关键技术就是安装密封条。目前密封条的安装主要要注意以下这些事项。密封条可以在门窗生产时直接安在门窗上, 但是在门窗运输过程中, 要采取有效措施防止其脱落、松动、翘曲等变化;密封条规格的选择要与门窗对应规格匹配, 否则达不到密封的效果;密封条粘贴前, 应先将粘贴处清理干净, 保持无尘、干燥, 密封条才能粘得牢;平开门窗使用密封条时, 密封条应贴在门窗受压面而不是受剪面, 不然会缩短密封条的使用寿命;门窗的拐角处使用橡胶密封条时, 应避免拼接而成的, 要使用机械加工的直角;密封条固定的位置, 应该既把接缝处完全拼接, 也不影响门窗的正常开关;自粘性的密封条在粘贴时, 要注意用手依次、至少按压两遍, 保证粘贴牢固;胶粘式的密封条, 要根据胶液的不同种类, 适当涂抹, 并晾干几分钟, 待溶剂充分挥发, 再贴上密封条。粘贴密封条时注意这些事项, 可以增加门窗的密封性, 保证门窗达到节能的目的。
3 结语
新时代, 能源的缺少和大量浪费对建筑物的节能性提出了更高的要求。门窗, 是建筑物能耗的关键部位, 也是房屋保温的关键技术突破点。选择合适的门窗类型、合适的保温材料、合适的窗墙面积比, 再加正确地使用密封技术, 可以大大提高门窗的节能性, 降低损失, 实现节约资源, 善待资源的目的, 从而推动经济的可持续发展。
参考文献
[1]茅新波.浅析门窗的不同形式对节能效果的影响[J].商品混凝土, 2013 (7) :172, 174.
[2]张红彦.浅析门窗节能的控制要点[J].门窗, 2011 (10) :26-29.
门窗密封技术 篇2
密封胶条的主要材料是橡胶, 要求具有优异的耐阳光紫外线老化、耐臭氧老化、耐热氧老化的抗劣化性, 同时还要有低的压缩永久变形及蠕变性、耐高低温和防雨水等性能。在工艺加工上, 胶料还应具有易挤出、收缩变形小、柔韧性好等特点。密封胶条使用的EPDM橡胶, 采取高填充补强和多元物理化学防老体系, 现已成为首选的密封胶条用胶。热塑性弹性体 (TPE) 由于具有橡胶和塑料的双重性格, 即橡胶的物理机械性能和塑料的工艺加工特性, 近年来从节能和提效出发, 成为取代橡胶和塑料的理想材料, 用量在急剧扩大。在工艺上制造海绵体也有一定困难, 需要特殊的技术, 因而用途受到一定限制, 目前主要用于框扇及玻璃外侧等方面。TPV虽然更接近于橡胶, 但价格居高不下也成为影响推广的又一因素。当今, 密封胶条用的材料已经开始以橡胶为主, 呈现多元化发展的趋势。常视使用部位、用途和要求特性不同, 根据耐用年限和成本价格而合理选用不同材质。从长远看, 环保节能的TPV在密封胶条上的应用范围也将会不断扩大。
二、密封胶条基本特点介绍
1. 密封胶条为典型的橡胶挤出制品, 除了对材质的挤出流动特性有特殊要求之外, 因多装在外部裸露与大气接触, 必须要高度重视产品的耐老化性能, 达到同使用同寿命的目标, 一般至少在20年以上。
2. 密封胶条的形状复杂多样, 千奇百怪, 而且更新变化速度很快, 因此, 口型设计成为最关键的技术, 关系到挤出的精度和速度, 必须采用CAD/CAM作为技术手段, 保证产品的尺寸公差。
3. 密封胶条多为橡胶、塑料与金属、纤维的复合制品, 有实体、海绵、中空之别, 表面还经常要涂覆、喷涂、化学改性和静电植绒, 因此, 复合材料层之间的粘着是不可忽视的条件, 决定着密封胶条外观质量和使用耐久性。 (见图1)
4. 密封胶条除了有特殊性能要求以外, 材料成本价格对生产销售的影响最大, 占到了70%~80%, 已经成为企业盈利、市场竞争取胜的主要环节。而轻量化更是生产的指导思想和使用的期望要求。
5. 密封胶条要求多种配合和较高的硫化技术, 不仅有实心胶不同硬度的调节, 硬质胶的配合, 还有海绵发泡大小的掌握, 尤其是它们之间牢固的粘着。此外, 还有TPE、PVC等热塑性弹性体和塑料的配制方法。 (见图2)
6. 密封胶条既是密封材料又是减震、缓冲材料。对于外露密封胶条又是装饰材料, 大多兼具三种功能的作用, 不仅气密水封, 还要减噪隔音、舒适美观, 不准有任何异味和污染, 不能变色、喷霜、腐蚀和锈化。 (见图3)
7. 密封胶条要有环保性, 除了生产的节能之外, 还要有使用时的阻燃性。 (见图4)
8. 密封胶条既有传统产品, 又有高技术含量的产品, 高端产品与低档产品相差悬殊。密封胶条要满足精细的胶条尺寸精度, 还要有防止安装时伸长的缺陷, 有夹线胶条。 (见图5)
9. 密封胶条的专用性特别强, 几乎一种门窗一个规格, 与门窗紧密结合成一组组合件, 构成整窗密封的一部分, 相互之间完全配合一致, 要求与门窗系统同步设计、同步装配, 达到从型材、五金、密封胶条、玻璃、隔热条的协同, 到模拟生产和整窗效果的循环一体化。
10. 密封胶条还要易于安装和方便拆卸, 耐玻璃和金属划伤, 对相关接触件经多次拆装也不会产生变形和损坏。对活动性密封胶条还要活动自如, 轻便灵巧, 不易夹伤人指。
三、橡胶密封胶条性能要求
橡胶密封胶条的性能质量视产品用途而有所不同, 其中门窗密封胶条的要求最为严格。一般实芯胶条硬度以60度居多, 上下控制在5度范围之内。强伸度在7MPa和300%以上, 压缩永久变形 (70℃×22h和100h) 不得大于30%和50%。海绵条的发泡密度应在0.4~0.9g·cm-3之间, 吸水率小于2%。撕裂强度不应低于1N·m-1。此外, 对于复合密封胶条来说, 粘接和剥离强度也是最为重要的, 通常分别要在60N和30N以上。
橡胶密封胶条长期暴露在大气条件之下, 要求必须经过一系列模拟大气条件的使用试验。耐天候老化性能要通过日光曝晒仪300h, 耐臭氧老化性经过50ppm×38℃×30%伸长×70h, 耐屈挠性频率300cp×50万次, 耐寒性在-40℃×5h弯折180度, 均不得出现任何异常现象。另外, 经过多次拆装, 对金属板和玻璃板也不能有磨损的痕迹。对于上述的性能指标, 目前只有EPDM等少数橡胶可以完全满足要求。
与此同时, 对密封胶条表面处理的涂料, 同样也均有不同的质量要求。由于玻璃滑槽用的密封胶条表面涂料多系代替原来汽车门窗移动部位的植绒部分, 海绵条的表面涂料主要面对汽车门窗、天窗和行李箱处, 也都要经过耐久性、防冻性、密封性、隔音性和动摩擦系数等的考核, 并且用专门仪器试验规定了最低保证值。例如耐磨性要进行常态、耐湿后、耐天候后、耐热后、涂喷后的1万~2万次循环试验。摩擦系数不能大于0.3~0.4。
四、发展趋势
综观上述情况, 橡胶密封条已成为工业橡胶制品的大宗产品, 门窗密封的重要零部件。随着门窗工业的现代化发展, 密封胶条的前景十分广阔。一是橡胶密封胶条继续朝着美观化的方向发展, 提高装饰性。可视部分的彩色化、外覆织物、表面涂饰、外层光亮饰条等, 并与内饰件相互匹配, 将成为新的时尚。二是橡胶密封条的密封性、减震性在现有基础上还要再进一步提高, 同时功能性、智能性的密封胶条也会不断增多。三是环保型、节能型、阻燃型密封胶条将要成为发展重点, 以TPU、TPV为代表的热塑性弹性体密封胶条将不断扩大, 在相关部位甚至已成为主流。四是复合型密封胶条更要得到进一步普及, 从双复合走向三和四复合, 材料多样化、性能功能化。
橡胶密封条的高质量和低成本已成为密封胶条行业追求的主要目标, 从设计上、选材上和制造工艺上将会出现新的突破。密封胶条的生产将向集成化、模块化的方向前进。密封胶条生产企业将更加紧密地与设计部门结合, 走共同合作发展的道路。密封胶条与组合件生产供货的方式也会发展扩大。密封胶条企业的规模化程度、专业化水平还要进一步提高, 年产千万米以上的工厂日益增多, 甚至会在自动生产线的基础上出现自动化工厂。
预测未来, 密封胶条将继续以年均3%~5%的速度增长, 占到全球的27%以上, 成为世界橡胶密封胶条第一生产大国, 并开始向强国迈进。随着国外汽车密封胶条生产商在华的扩大发展, 国有、民营企业与外资企业之间的市场竞争将会日益激化, 打破三足鼎立的格局。有更多的企业走出去开始发展全球战略, 在国际市场占据一席之地。
橡胶密封胶条在我国可说方兴未艾, 房屋建筑面积年完成20亿m2以上。由于已普及推广使用铝合金、塑料钢窗门和各类安全门, 高层建筑的屏幕墙也在迅速增多, 原来用的低档密封胶条正在升级换代, 橡胶密封胶条的需求量增大。
总之, 橡胶密封胶条的市场前景极为广阔, 作为气密、防水、隔音、减震材料发展潜力很大, 产品的附加值也十分可观。今后在非轮胎橡胶制品领域里, 有可能同胶管、胶带一样, 成为橡胶工业的又一个极具发展前途的重要产品。
五、欧洲门窗产业现状与趋势
欧洲门窗产业受到严格的节能法规与行业标准的规范与监管, 从型材系统的设计与制造、窗型设计、门窗制作工艺直至五金及其他辅助配件的配置与安装, 从而确保将优质的成窗移交给用户。由于欧洲建筑市场趋于饱和, 对门窗的市场需求增长缓慢, 从而加剧了门窗企业之间的竞争。市场对门窗的需求趋于个性化, 门窗产品趋于多元化, 新的技术与产品持续不断地推向市场。在欧洲门窗市场, 各类材质的门窗, 如PVC, 实木、铝合金以及铝木复合门窗, 都在各自占优势的领域得到应用。
门窗订单主要来源于住宅修缮、新建住宅、非住宅建筑修缮和新建非住宅建筑。图1反映了在过去的十年间门窗市场结构的特征及发展趋势。在欧洲门窗市场, 来自住宅与非住宅建筑的门窗订单大致相当, 来自新建房屋以及现有房屋修缮的门窗订单也几乎同等重要。随着大规模建设高潮逐渐退却, 国内门窗企业有必要关注国内门窗市场在未来一段时间也会出现类似的市场格局。
长期的市场竞争造成了为数不多的主导品牌共存的局面, 这些知名品牌大都已经以各种方式进人中国市场。鉴于工业技术的标准化以及国际市场的融合, 品牌之间产品结构与设计理念出现趋同的现象。各门窗五金制造商都在致力于新产品的开发与市场拓展。
欧洲门窗五金制造商致力于通过下列途径提升其核心竞争力:品牌打造与渠道建设;技术创新与产品的差异化;环境友好的产品与流程;提高制造自动化程度以降低成本;适应门窗行业制造自动化的需求;营销创新与超值服务。
门窗系统的许多重要功能是通过五金配件来实现的, 欧洲门窗五金行业持续不断的技术创新, 有力推动了门窗系统的性能改进与功能创新。
基于统一技术标准的产品差异化, 构成了企业的核心竞争优势, 同时给市场更多更新的选择。创新与差异化一方面是针对门窗的最终用户, 侧重于产品的舒适度、人性化、安全性和智能化, 另一方面是针对门窗制造商, 侧重于安装的便利性、提高安装效率、降低采购与管理成本, 从而提升门窗企业的竞争力。
产品在市场上只要存在, 有销量, 说明它在某一个领域就能够发展。在建筑门窗这个领域, 系统门窗刚刚被引进到国内, 而且刚刚被人们所接受。系统门窗制造技术的门窗质量和性能是一般门窗所不能给予的, 它更完善、更好, 能够提高人们生活质量, 所以说系统门窗是国际建筑市场和中国建筑市场的一个发展趋势。既然是一个趋势, 它就是一个客观规律, 我们应该顺应这个规律向前发展, 既然有95%的市场等待开发, 说明系统门窗的潜力非常大, 是一扇刚刚打开的大门。既然门窗是建筑的窗户, 那么系统门窗在设计上必须要有好的气密, 水密, 隔音, 隔热, 抗风压性能。
六、结论
一步法门窗密封条生产线的研究 篇3
门窗密封条主要应用于塑钢门窗、铝合金门窗、木门窗等建筑装饰门窗, 主要作用为防尘、防虫、防水、隔音和密封等[1]。一般而言, 透过房屋门窗的能耗量通常约为建筑总能耗的4.5%~5%[2]。因此, 良好的密封性对门窗质量的影响很大。然而, 传统密封条生产工艺采用孤立的生产过程, 以劳动密集的形式生产, 具体分为前道工序、后道工序和夹胶工序。前道工序是用织机把纱线纺织在薄纱上;后道工序是通过加热法把聚氯乙烯颗粒熔化之后, 挤压成底板, 在底板快冷却之前把底板和纺好纱线的薄纱粘结在一起, 再分切为单个无胶片密封条;夹胶工序是利用超声波焊接把胶片和密封条焊接在一起。每个工序孤立运行, 生产效率较低, 各孤立生产过程链接需要非常严格的管理;每个工序都会产生较多的废料, 使生产成本上升;传统工艺生产中自动化程度较低, 需要大量人工来操作、配送和整理, 导致生产中的人工成本较高;采用热粘结技术, 生产过程中存在污染, 所产生的废气对工人身体健康影响较大。
所谓的“一步法”即整合了传统生产中各种孤立的生产工艺过程, 利用一条生产线便可生产出门窗密封条。与国内传统生产工艺相比, 不用孤立生产, 自动化程度高, 大大提高了生产效率;采用超声波焊接法, 比热粘结法操作简单;生产中产生的废料少。国外的门窗密封条已经基本实现了一步法生产, 并且已经申请了大量专利[3], 其中以美国的生产最为先进。可是由于外国公司的技术保密, 国内一直不能引进一步法门窗密封条生产线的技术, 并且也没有相关的机械设备来供应市场, 所以国内的门窗密封条生产企业几乎没有一步法门窗密封条生产线。
为了改变国内对于门窗密封条生产技术落后的现状, 笔者研究一步法门窗密封条生产中的工艺原理, 并且以复杂的机械设计模型为基础, 然后利用PLC、变频器加以自动化控制, 研究设计一步法门窗密封条生产线。首先, 研究一步法生产中的超声波焊接工艺和背条即密封条底板工艺;其次, 介绍一步法门窗密封条生产线的机械原理[4], 采用Pro/E和Auto CAD绘制出机械机构图纸;最后, 采用PLC、变频器来控制整条生产线的自动化流程, 利用变频器对电机的主从控制实现几个部分的有机结合, 减少生产过程中的误差, 向生产线上加入各种检测装置以及工业触摸屏, 提高生产效率。
1 密封条生产线工艺原理
1.1 超声波焊接工艺
将塑料制品有机结合在一起时, 研究者一般采用热粘结法和超声波焊接法。热粘结法采用电阻加热方法, 将塑料加热, 达到两者的熔点后, 两者相互熔化从而焊接在一起。超声波塑料焊接的原理[5]是:当超声波作用于热塑性的塑料接触面时, 会产生每秒几万次的高频振动, 通过超声波焊接头把超声波能量传送到焊件, 由于焊件交界面处的声阻大, 会产生局部高温, 且塑料导热性差, 不能及时散热, 导致两个塑料的接触面迅速熔化, 加上一定压力后, 使其结合成一体。
本研究采用超声波焊接方法。超声波焊接方法能短时间释放较大的焊接功率, 焊接效率高且环保。焊头的振幅、所加压力及焊接时间等因素决定超声波焊接效果的好坏。焊接时间和焊头压力是可以调节的, 振幅由超声波焊接功率决定。这3个量之间可以相互匹配, 压力超过匹配值时, 塑料的熔解量就大, 焊接物易变形;压力小, 则不易焊牢;所加压力的时间也应适中。
1.2 门窗密封条底板
传统工艺采用热粘结法结合密封条底板和纱线。首先, 本研究把纱线纺织在很薄的纱布上;其次, 熔化聚氯乙烯颗粒, 利用压轮挤压出快要冷却的聚氯乙烯, 形成密封条底板;最后, 将纱布和聚氯乙烯底板熔化在一起, 形成无胶片密封条。虽然, 热粘结法能结合背条和纱线, 但需要熔化聚氯乙烯颗粒, 耗电量大, 操作麻烦, 生产出的密封条底板较硬。当加入胶片时, 需要增加夹胶工序。
针对传统工艺结合纱线、胶片和底板的不足, 本研究利用生产好的背条, 采用超声波焊接法使三者一次性地结合在一起。根据超声波焊接的原理, 焊区接触面积越小, 能量越集中作用, 越容易焊接。所以, 笔者把纱线和胶片缠绕在钢带之上, 以缩小接触面积。但是, 背条的宽度决定了焊接纱线的厚度, 实际情况下不需要焊接太多的纱线, 为了便于纱线厚度和背条相匹配, 易于超声波焊接, 本研究在背条上犁出一个很窄的条, 称之为能量导航条。根据犁槽的深度和犁槽工艺的不同, 犁出一定宽度的能量导航条和一定高度侧翼的背条, 与需要焊接纱线的厚度相匹配。背条的宽度要求一般为6.8 mm, 所以能犁出很多种类的背条, 能量导航条宽为0.7 mm、槽宽为2.0 mm类型的背条如图1所示。
(能量导航条宽0.7 mm, 槽宽2.0 mm, 图中数值单位:mm)
犁槽之后的能量导航条两边有两个侧翼, 超声波焊接时侧翼受热熔化, 向中间靠拢, 与纱线结合在一起, 有助于提升背条和纱线焊接的牢固性。
超声波焊接时, 本研究把纱线、胶片缠绕在钢带之上, 以缩小胶片与背条焊接处的面积, 集中超声波能量, 提高焊接效果。超声波焊接的简化模型如图2所示。
图2中, 纱线和胶片缠绕在钢带上, 背条放在超声波焊接头和钢带之间。如果焊接的牢固性达到要求, 就要将钢带对准背条上的能量导航条, 这需要精确地定位。如果定位不准, 就导致纱线和胶片焊接不牢, 出现胶片脱落的情况。
2 密封条生产线机械部分设计
一步法门窗密封条生产线整合了传统生产中孤立的生产工艺过程, 利用一条生产线便可生产出密封条。一步法密封条生产线的机械部分主要包括钢带运转的钢带传输机构、纱线缠绕在钢带上的纱线卷绕机构、用于分切焊接之后密封条的分切机构和用于把分切好的密封条牵引出去的密封条拖拽机构。
2.1 钢带传输机构
钢带传输机构是利用驱动电机拖动两个传动轮, 钢带套在传动轮之上, 随传动轮一起转动。笔者在传动轮两边设计弹簧装置, 当钢带拉长时, 弹簧向外收缩, 使钢带一直处于绷直状态。钢带传输机构简图如图3所示。
驱动电机选用电压380 V、额定功率3 k W、经减速箱后减速值为13.6 r/min。变频器对电机的调速公式如下:
式中:f—转轮半径, i—减速值。
已知f0为50 Hz, 根据变频器参数调节电机频率f的值, 调节钢带运转的速度。
2.2 纱线卷绕机构设计
纱线卷绕机构是把纱线缠绕到钢带上, 采用的方案如图4所示。卷绕机构上安装12个纱线筒, 线筒的纱线通过绕线筒旋转缠绕在钢带上。绕线驱动电机带动驱动同步轮, 驱动整个绕线机构旋转, 钢带向前运行的同时, 把纱线缠绕在钢带上。研究者利用变频器主从控制原理[6], 使绕线筒旋转速度和钢带运行速度保持一定比例, 提高绕线均匀程度。本研究把钢带驱动电机设置为主动电机, 把绕线的驱动电机设置为从动1电机。
缠绕纱线筒的个数和钢带运行的速度决定了纱线的厚度以及绕线的均匀程度。缠绕纱线筒个数越多, 钢带上缠绕的纱线越厚;本研究通过绕线机构驱动电机和钢带驱动电机的主从关系, 调节合适的速度匹配, 缠绕在钢带上的纱线就会均匀。通过这两个方面的调节, 既能保证纱线的厚度, 又能保证缠绕的均匀程度, 提高绕线的质量, 便于超声波焊接。
2.3 密封条分切机构
在超声波焊接完成之后, 研究者需要分切缠绕在钢带上的纱线和胶片。由于分切的纱线和胶片紧紧包裹在钢带之上, 就为分切增加了难度。
本研究采用快速旋转的刀片和分毛刀相配合的方法把胶片和纱线分切开。首先, 笔者利用分毛刀铲起缠绕在钢带上的胶片和纱线;然后, 利用高速旋转的刀片分切开胶片和纱线。分毛刀的形状如图5所示。
分毛刀尖部的宽度和厚度都要适中。如果太宽太厚, 导致纱线和胶片拉伸变形, 分切的效果很差;如果太窄太薄, 刀尖容易断掉。所以, 需要在加工分毛刀时进行淬火, 提高分毛刀的机械性能。
分切机构简图如图6所示。
2.4 密封条拖拽机构
本研究设计密封条拖拽机构, 将分切为两根的密封条拖拽牵引入筐中, 以备打卷和包装。首先, 通过导向轮将分切后的密封条导入驱动轴上;然后, 利用气缸下压夹紧密封条, 随驱动轴转动向前拖动。
密封条拖拽和钢带传输需要进行速度匹配。在密封条拖拽时, 拖拽驱动电机的转速太快时容易使毛条变形;转速太慢, 则导致其缠绕到钢带轮上。所以, 本研究根据钢带转速和拖拽的速度, 计算出两者的速度匹配值。拖拽驱动电机在电气控制柜中设置为从动2电机, 拖拽机构如图7所示。
3 密封条生产线自动控制部分设计
主从控制[7], 就是使用变频器控制一个或一组负载, 负载之间通过刚性或柔性耦合, 外部只调节其中一个变频器, 其他的变频器跟随主机动作, 通过使用主从控制可以使负载均匀地分配到各传动单元。该设计在生产流程的自动控制时采用台达DVP-32ES200R型号PLC[8]和ABB ACS800[9,10]变频器进行主从控制。本研究设置钢带传输机构驱动电机为系统的主电机, 绕线机构驱动电机为从动1电机, 拖拽机构驱动电机为从动2电机, 分别用3个变频器控制, 主电路示意图如图8所示。
PLC控制量主要为3个变频器控制主从驱动电机、超声波焊接机开关、空气压缩机压力控制开关、分切电源、报警信号。本研究根据变频器的主从控制原理, 调节变频器的参数, 使绕线机构、钢带传输机构和拖拽机构以最优的方式运行。然后利用PLC编制程序, 控制整个生产线的运行流程。
控制柜中还需要加入一些提升一步法门窗密封条生产线性能的器件, 主要包括几个方面:
(1) 检测进料处胶片和背条的有无。密封条分为有胶片型和无胶片型, 当不需要加入胶片时就不用检测胶片的有无;所以, 需设计一个在不需要加入胶片时关闭胶片检测的控制开关。
(2) 检测纱线筒上纱线的有无和绕线时纱线是否断掉。纱线是在卷绕系统高速旋转下缠绕, 需要检测纱线是否断掉。高速旋转的情况下进行检测十分困难。
(3) 加入计数报警装置。密封条分切拖拽之后, 需要在生产了规定长度时进行报警, 便于打卷和包装。
(4) 加入生产线故障报警装置。当生产线不能正常运行时, 报警提示检修。
PLC的I/O点的分配如图9所示。
4 结束语
针对传统门窗密封条生产上的弊端, 笔者研究了一步法门窗密封条生产线。主要包括超声波焊接工艺、背条工艺、各个部分的机械设计原理和自动控制流程。
(1) 具体研究了一步法超声波焊接工艺和背条工艺。研究结果表明超声波焊接比热粘合法节能、环保、操作简单;如果背条能犁出能量导航条和侧翼, 那么焊接背条、纱线和胶片时更牢固。
(2) 利用Pro/E三维制图软件和Auto CAD软件设计了钢带传输机构、纱线卷绕机构、密封条分切机构和密封条拖拽机构, 为国内门窗密封条生产企业研制一步法门窗密封条生产线提供参考。
(3) 利用ABB ACS800变频器的主从控制功能和台达DVP32ES200R PLC实现了生产线的自动控制。根据变频器主从控制的原理, 设置钢带传输电机为主动电机, 绕线机构驱动电机为从动1电机, 密封条拖拽机构驱动电机为从动2电机, 设置合理的参数, 使整个流程运转合理。本研究利用PLC, 合理设置I/O分配, 控制自动化流程。同时笔者研究了加入提升一步法门窗密封条生产线性能的器件, 包括检测进料处背条和胶片的有无、检测纱线筒上纱线的有无和绕线时纱线是否断掉、加入计数报警装置、设计背条犁槽机、安装工业触摸屏等, 为一步法门窗密封条生产线的合理生产提供了理论指导。
参考文献
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门窗密封技术 篇4
密封胶条是建筑门窗的重要组成部分之一, 它通过本体结构中唇空腔凸缘等部位的弹性与接触面产生的接触压力使型材与玻璃之间、框与扇之间闭合, 有效防止内、外介质 (雨水、空气、沙尘等) 泄露或侵入, 防止机械的振动、冲击和损伤, 从而起到密封、隔音、绝热和绝缘等作用, 对节能建筑门窗获得优异的防水、保温、隔音、密封等性能起到重要的保障, 所以说密封胶条是节能门窗的关键。
一、高温硫化硅橡胶密封条的性能
作为节能门窗的关键材料, 密封条在门窗中起着水密、气密及节能的重要作用。而硅橡胶密封胶条作为革命性的密封产品, 为节能门窗提供完美的密封, 具有无以伦比的性能优势。
高温硫化硅橡胶具有卓越的性能, 主要为:
1. 优异的耐寒性及耐热性
硅橡胶可在-70OC~200OC的环境中长期使用, 硅橡胶良好的高低温性能在纬度范围较大的中国地区尤为主要, 在中国南方夏季向阳的门窗及墙面上, 温度在70OC是正常的, 而在冬季的北方地区气候在-40OC也不足为奇。巨大的温差使PVC、热塑性弹性体、三元乙丙橡胶的使用受到严重制约, 一般的塑料及橡胶或弹性体在-20OC时已脆化, 即使在0OC条件下也无法施工。而硅橡胶在-70OC~200OC时, 物性根本没有大的变化。
2. 优异的耐气候老化性
无论是塑料还是三元乙丙类的有机橡胶, 其材料基本为碳氧链和碳碳链构成。这些材料的C-O和C-C键能 (分别为336KJ/mol和356KJ/mol) , 都低于紫外线辐照能 (370 KJ/mol) 。在热老化环境中也容易发生断链现象, 从而导致材料的降解。表现为密封胶条不耐紫外老化和热老化。而硅橡胶其主链基本为硅氧键结构, Si-O-Si键能 (452KJ/mol) 高于紫外线辐照能, 因此硅橡胶具有优异的耐气候老化性能。在日晒雨淋、水和臭氧的作用下, 置室外经30年老化, 性能也无明显下降, 可与门窗的使用寿命同步, 是其他材料无法实现的。
3. 良好的弹性和回弹性
建筑门窗始终承受来自外界及自身的力学变化, 如:热胀冷缩, 瞬时荷载, 风荷载、地震效应, 长久荷载:自重、温差形变, 雪荷载等。硅橡胶优异的弹性, 良好的压缩变形, 其他橡胶及塑料无法比拟, 硅橡胶在邵氏30A-85A之间任意调整, 使其达到最佳密封性能。
4. 安全环保
1954年硅橡胶在与人体实验中证实:“无毒、无味、与人体组织及血液不粘连, 生物适应性好, 对外界极为敏感的热血动物组织与硅橡胶制品接触时, 其细胞组织未发现异常。”该结果的公布, 也显示了在环保与医疗界中作为弹性体材料, 只有硅橡胶最安全。美国FDA (美国食品药物管理局) 认证中, 至今为止作为新型环保材料中没有一种比硅橡胶更对人体无害, 在建筑中突出其优异环保性能, 无疑是具有特殊意义的。
5. 透气性好, 且具有选择性透气率
最新研究表明:硅橡胶的氧透过率是天然胶的25倍, 是丁基橡胶 (IIR) 的428.6倍, 这种性能可使居室保持新鲜的空气, 最适合人的生活。
6. 表面光洁, 颜色多样
具有良好的表面性能, 而且颜色可以做成彩色的, 可以与任意颜色的门窗型材搭配, 具有很好的装饰效果。优良的表面性能, 防粘、疏水。
二、不同种类密封胶条性能对比
密封胶条在各种老化环境下性能的变化, 对于门窗的密封性能有着非常重要的影响。在实际使用过程中, 建筑门窗工程中密封胶条质量问题主要表现是使用不久变硬变脆, 失去了弹性和密封功能;或受太阳光照射后, 发粘附着在窗体和玻璃上现象, 污染了门窗.影响了门窗的密封功能和美观;或短时间内收缩脱槽脱落, 失去作用。这些都是因为质量不好的胶条耐老化性差, 经太阳长期暴晒, 胶条老化后变硬, 失去弹性, 容易脱落。不仅密封性差, 而且造成玻璃松动产生安全隐患。密封胶条失效将会对窗户的性能带来十分不利的影响, 包括降低窗户的气密性、水密性和保温性能。密封条必须在窗户的整个寿命周期内都保持弹性, 并与窗户形成一个整体。
为此, 我们考察了密封胶条紫外老化性能、热老化性能、低温性能和材料间的相容性
1. 紫外老化性能对比
根据JC/T 485-2007《建筑窗用弹性密封胶》测试了三组硅橡胶密封条和三元乙丙胶条的紫外老化性能 (灯管功率300瓦, 灯管距试件250mm, 紫外线辐照强度2000~3000μW/cm2) , 实验时间为300h。实验结果如图所示。
硬度、拉伸强度和断裂伸长变化率。由图1可见, 经过紫外老化实验后, 三元乙丙的物理性能下降比较明显, 拉伸强度的变化率达到了20%, 而硅橡胶的性能变化比较小, 基本上都在5%以内, 表明在长期户外使用时, 硅橡胶比三元乙丙的耐紫外老化性更好, 能更长久在保持密封性能。 (见图1)
2. 热空气老化实验对比
根据GB/T 24498-2009《建筑门窗、幕墙用硅橡胶密封条》中的热空气老化试验方法, 设定温度为100℃, 老化168小时, 测试硅橡胶与三元乙丙橡胶的硬度、拉伸强度和断裂伸长的变化率。由图2可见, 无论是拉伸强度、拉断伸长率还是硬度, 三元乙丙性能变化率都远远高于硅橡胶。说明相同的环境中, 三元乙丙橡胶不耐老化, 硬度上升, 胶条脆性增加, 性能下降。而硅橡胶则依旧能保持原有的机械性能。同时发现, 小分子的挥发也是造成密封条收缩的原因之一。因此在热老化实验中, 我们也测量了两种胶条的热失重。从图2中可以看到, 三元乙丙橡胶会在热老化实验中约有2%左右的热失重。由于三元乙丙的增塑剂多为环烷烃, 这部分小分子会在长期使用过程中缓慢释放, 从而影响其性能。硅橡胶的热失重非常小, 在1%以下, 可见其本身的热稳定性非常好, 胶条的材料变化不大, 因此机械性能也非常稳定。
3. 低温老化性能对比
根据GB/T 24498-2009《建筑门窗、幕墙用硅橡胶密封条》, 测试两种材料的低温脆性与-60℃的低温老化实验。实验发现, 市售三元乙丙在-35OC时, 低温脆性冲击实验时会出现裂纹, 而到-40OC时, 裂纹较多, 到-50OC时, 会断裂;而硅橡胶在-60OC时, 依然保持弹性不会断裂, 说明硅橡胶在低温时的性能远远优于三元乙丙橡胶, 特别适宜于北方气候条件下的门窗密封。
而经过低温-60OC 7小时老化后, 其性能对比如表1所示。
由表1可见, 硅橡胶经低温-60OC 7小时老化后, 拉伸强度与断裂伸长率、硬度的变化率都比较小, 而三元乙丙经过这样较低温度的老化后, 性能变化显著, 特别是拉伸强度, 变化率达30%以上, 材料的物性发生明显变化。
4. 压缩永久变形与拉伸永久变形实验。
根据GB/T 24498-2009《建筑门窗、幕墙用硅橡胶密封条》, 测试两种材料制备的胶条的压缩永久变形与拉伸永久变形。
采用A型试样限制器测试实心圆柱体状胶料的压缩永久变形, 试样直径29±0.5mm, 高12.5±0.5mm, 试验条件为100OC7天。实验结果为硅橡胶7天老化后的压缩永久变形为24%, 三元乙丙的为56%。表明, 在门窗的长期开启、闭合使用过程中, 硅橡胶具有优异的保障密封的性能, 而三元乙丙老化后, 将逐渐失去其密封性能, 从而成为门窗节能的破坏者。
将同一口型的胶条从20cm长度拉伸至30.5cm, 固定在同一个模具上, 放在室内数天, 计算回弹性。实验结果如表2所示。可见, 硅橡胶在拉伸条件下依然表现出良好的永久变形性, 而三元乙丙的表现差强人意。 (见表2)
5. 材料间相容性对比
随着中空玻璃的普及, 密封胶条与硅酮密封胶、丁基胶的相容性也是不可忽视的问题。在实际应用过程中, 我们发现由于三元乙丙橡胶中小分子的挥发造成的中空玻璃流泪的现象。我们做了相关的污染性实验, 实验结果如下图3所示。
图3硅橡胶密封条与三元乙丙密封条的丁基胶相容性实验
a, b为同一块玻璃上打上丁基胶后放置两种胶条, 左边为硅胶条, 右边为三元乙丙胶条。c~f为相同口型的两种胶条的丁基胶相容性实验, c, e为硅橡胶, d, f为三元乙丙胶条。
从图中可以看出, 硅橡胶密封条与丁基胶无任何反应, 显示出较好的相容性。而三元乙丙胶条则会使得丁基胶变软, 甚至出现拉丝等粘连现象。这也是由于三元乙丙胶条中存在易挥发的环烷烃造成的。环烷烃会进入丁基胶中, 造成丁基胶性能的变化, 从而导致了中空玻璃密封失败, 表现为中空玻璃流泪的现象。
三、硅橡胶密封条在节能门窗上的应用
1. 门窗密封条分类
(1) 框扇间密封胶条口型形状见图4。
口型设计原则:在框扇间距允许的情况下, 尽量采用封闭式空心密封条 (俗称O型条) 。框扇间距<2.5mm时, 可采用半封闭密封胶条, 但相对密封效果稍差。配平开上下悬窗时, 尽量采用半封闭弧状密封胶条。
一般框扇间的标准距离为3.5mm在胶条口型壁厚为1mm的情况经过反复实验比较, 胶条突出型材安装平面5-6.5mm时密封效果较好并存在以下函数关系:
H:胶条突出型材高度A:框扇间距X:胶条口型壁厚
(2) 玻璃两侧密封胶条口型形 (俗称K型条) 见图5。
口型设计原则:a.有槽口的, 一般设计成一侧嵌入式或穿入式固定, 另一侧安装好玻璃后直接压入。
b.胶条在型材和玻璃的接触面具有一定的倾角, 既美观又方便雨水的泻流角度为好。对于单侧配胶条的压缩量0.5mm≤H≤1.5mm对于双侧配胶条的压缩量0.5mm≤H≤1.5mm具体压缩量大小与间隙及胶条的厚度有关。
(3) 等压胶条口型形状见下图6。
口型设计原则:
等压胶条是隔热断桥窗型密封好坏的关键。由于框扇密封胶条具有一定压缩量, 门窗闭合时就已经需要一定的闭合力, 若片面要求等压胶条的过盈配合量, 就会存在关窗费力的现象。因此等压胶条的配合在门窗扇闭合时, 部份达到稍有变形即可, 且在选用五金件时, 质量尺寸要有保障, 往往因为合页厚度或强度的变化, 导致等压胶条密封的密封失败或窗扇无法闭合。口型设计方法:底脚嵌入式紧配合设计a部份过盈配合量1-2mm。
(4) 转角处理:a.采用45度剪断并用密封胶固定对角处, 若是包边式的就不用断开, 也有的只切开一点点, 但外观还是完整的;b.直接做成L型角, 连接处用密封胶粘接;c.直接做成整框。
2. 密封胶条的固定方式:
密封胶条在型材中的固定方式可分为嵌入式、穿入式、粘合式:
(1) 嵌入式胶条的优点:方便安装和拆换, 可先组窗上墙后再装配胶条。缺点:在受到较大外力时容易脱落。穿入式胶条的优点:与型材配合较好, 不容易脱落, 但不易拆换, 必须在型材组窗之前穿入。
(2) 粘合式胶条是在胶条与型材接触部位粘有粘胶, 施工时撕掉粘胶保护膜就可将胶条直接粘在型材上, 多用于室内门窗、家具的防撞部位。
(3) 在一些特殊场合必须使用穿入式安装。如幕墙的外露防水胶条主要考虑安全性原因胶条与型材的配合。要充分考虑到型材因喷涂、电泳、木纹转印等原因, 造成的装配胶条的槽口的缩小。
