陶瓷载体催化剂定量涂覆专机

陶瓷载体催化剂定量涂覆专机设计第 1 章引言1.1 课题的来源汽车是一种流动的污染源,其排放的尾气主要成分为CO、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、SO2和颗粒物(包括铅化合物、碳黑颗粒和油雾等),严重污染了环境,造成对人体健康的损害。

据统计,截止2009年底,全国机动车保有量达到1.598亿辆,其中汽车保有量为近5700万辆,较 2006年增长了14.28%,且呈快速增长趋势。

城市汽车污染排放问题日益突出,已成为继城市煤烟污染之后的又一主要污染源,所引起的大气污染是一个不容忽视的问题。

汽车排放污染及净化问题,已经成为大气污染领域的的重要课题,受到全球范围内的重视。

控制汽车污染的方法有多种,如使用电动汽车、采用代用燃料、燃油添加剂、安装附加装置、改善发动机、机内净化及机外净化等,其中采用催化剂净化汽车尾气,是目前减少汽车排放污染的主要措施。

1.2 课题的科学依据1.2.1 课题的科学意义汽车排放污染及净化问题,已经成为大气污染领域的的重要课题,受到全球范围内的重视。

控制汽车污染的方法有多种,如使用电动汽车、采用代用燃料、燃油添加剂、安装附加装置、改善发动机、机内净化及机外净化等,其中采用催化剂净化汽车尾气,是目前减少汽车排放污染的主要措施。

随着电子控制燃油喷射发动机的开发,以及排放标准对大气中NOx限量的逐渐严格,从上世纪70年代末开始,国外深入开展了NOx的还原技术和三效催化剂的研究。

迄今为止,三效催化剂已经成为控制汽车尾气污染物的主要手段。

三元催化转化器是控制汽车排气污染的主要方法，催化剂的涂覆工艺是影响催化转化效果的重要因素，涂覆设备因工艺不同而不同，因而，需要专门开发。

先进的涂覆设备能控制催化剂的涂覆量、涂覆的梯度、涂覆的一致性，对提高产品的性能非常重要。

随着公众环境意识的增强,汽车尾气排放标准和法规的日益严格,在汽车工业和交通运输迅速发展的今天,人们对汽车尾气净化提出了新的要求,而采用高效的尾气催化净化器和催化剂的涂覆工艺,则是有效解决这一问题的技术发展方向。

1.2.2 课题的国内外研究概况与应用前景汽车尾气催化净化技术,是随着汽车排放标准的日益严格而逐步发展起来的。

1959年在美国加州,首次颁布了控制汽车排放污染物的立法,并于1975年率先将净化催化剂应用于汽车工业。

上世纪60年代到70年代中期,由于汽车排放法规中只要求控制CO和HC,出现了“两效”催化剂, 即氧化型催化剂,该催化剂的活性组分以贵金属铂或钯为主,将尾气中的HC和CO同时氧化,从而降低了HC和CO的污染物排放。

从上世纪80年代起,美国联邦政府提高了车辆NOx的排放标准,从而促进了新型催化剂的产生和发展,铂铑钯三效催化剂(ThreeWayCatalyst,TWC)应运而生。

随着汽车排放标准的逐步严格,到上世纪90年代,三效催化剂除通常工况下的催化功能外,还能解决汽车冷启动时的污染控制,以及克服富氧气氛下的NOx 还原问题。

三效净化催化剂是目前汽车尾气净化的主流技术。

车用催化剂载体的性能,关系到催化剂的转化率、使用寿命和整个催化转化器的装配要求,对整个催化转化系统的性能(如压力降、传热和传质特性、强度、催化剂起燃性能和稳态转化率)都有很大影响。

汽车尾气净化催化剂对其载体有如下要求:比表面积大、热稳定性高、热膨胀系数小、具有高的机械强度、热容量低、耐腐蚀性能好、气阻小。

整装催化剂载体克服了颗粒状载体的局限性,它整体装配、壁薄、质轻、开孔率高,通孔可以为直型的、弯曲的或像海绵结构那样扭曲型的。

根据载体材料的不同,目前整装式载体有陶瓷蜂窝载体和整装式金属载体两大类。

(1)陶瓷蜂窝载体陶瓷蜂窝载体是目前使用最广泛的汽车尾气净化催化剂载体,其中以堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)为主要成分的载体最常用。

它的优点为:众多约束气道,既为催化剂活性成分和废气提供了最大的接触面积,又可以使气流的压力降最小,仅为颗粒状载体的1/20,故特别适合于受控制的多相催化反应;且蜂窝结构体积密度低,热稳定性好,热膨胀系数低,有利于提高催化剂的起燃性能。

上世纪70年代,美国康宁玻璃公司以挤压法制得这种载体,并用于汽车尾气净化。

陶瓷蜂窝载体目前的发展趋势是,降低膨胀系数和提高单位面积的孔数。

单位面积孔数的提高,比表面积大大增加,尾气净化效率也相应提高。

但孔数太高,加大了制备的复杂程度,成本增加,故常用的陶瓷蜂窝载体仍集中在400～600目之间。

但陶瓷蜂窝载体也存在缺点,如陶瓷材料机械强度较差,热容量较大,在汽车冷启动时,载体不能快速升温达到催化反应所需温度,使废气催化转化效率低下,为了改善这些性能,又开发出了整装式金属载体。

(2)整装式金属载体金属载体具有很好的耐冲击性能和机械性能、导热性好、热容小,且载体与金属外壳之间的匹配性能好及抗震能力强等优点。

上世纪70年代末,德国奔驰公司率先在其高级轿车上安装了金属载体整装催化净化器。

因金属载体的特点,对降低汽车排气阻力十分有利,明显改善了其动力性能,提高了尾气的净化效率,同时延长了净化器的使用寿命。

截止目前,Ni-Cr、Fe-Cr-Al和Fe-Mo-W等三类合金可用作汽车尾气净化催化剂的金属载体材料,从加工性能和经济性等方面综合考虑,是最具前景的合金载体。

金属合金载体的结构主要也是蜂窝柱体,它比陶瓷载体有更高的比表面积和良好的热启动性。

但其制造工艺复杂,加之其表面涂敷工艺还不完善,载体的抗高温氧化性还有待提高,因此,尚未获得广泛的应用。

1.3 课题的研究内容本课题的主要内容是完成陶瓷载体催化剂定量涂覆专机的总体设计。

该设计中需完成能指导制造、装配、安装、调试和维修用的设计图纸、三维立体图及说明书等文件，主要分为机械系统、气压系统和控制系统三部分，详细内容如下：（1）查阅有关的文献资料并进行分析，确定设计的总体方案；（2）进行总体结构设计，绘制有关图纸；（3）设计上浆机构，进行有关的分析计算和结构设计，绘制有关图纸；（4）设计吹扫机构，进行有关的分析计算和结构设计，绘制有关图纸；（5）气动系统设计；（6）PLC电气控制程序的编制与调试；（7）编写说明书。

根据研究内容和技术要求，本课题的设计，需广泛搜集资料，在充分利用所学知识的基础上，将知识面拓宽，加深，增加新内容的学习和研究，本课题在传统设计的基础上增加了很多现代设计的内容。

模拟仿真是本设计的其一亮点。

催化剂涂覆过程，动力元件多，动作复杂，协调性好，衔接性好，具有同时多动作的特点，因而单评口述或者书面表达的方式，很难将涂覆催化剂的动作过程，在短时间内表达清晰明了，增加动态仿真后，不但能将整台设备清晰的展现给听众，还能将复杂的涂覆流程简化、明了。

虽然制作仿真的过程费时费力，但此过程能学到很多东西，仿真也是现在及将来的设计中一门很有用的技术，它可以将产品和研究在短时间内推销出去，是优于传统设计的一大优点。

PLC控制是该课题的又一亮点。

PLC控制可以使催化剂涂覆实现全自动化，而且具有自锁功能，安全可靠，在充分考虑涂覆催化剂流程具有重复性高的基础上，利用计数器进行编程，使高重复性的复杂动作大大简化，提高程序的运行效率、可靠性和安全性。

第 2 章总体方案的确定2.1采取的研究方法和技术路线该设计主要包括机械系统的设计、气动系统的设计和电气控制系统的设计三部分内容：机械系统的设计又分为二维设计和三维立体设计，该部分设计是整个设计的基础，比较简单，但它是中心环节，后面的所有设计都是基于此设计的基础上展开的，二维设计用AutoCAD软件，经过以前课程设计的锻炼，能熟练应用这门工具；三维设计用UG软件，通过以前对UG入门基础的学习和课程设计的运用，在该课题的设计中，三维绘图能顺利进行，唯有麻烦的是模拟仿真，在以前的学习中，并未接触UG模拟仿真这一版块的内容，而且关于仿真的资料甚少，学习应用的过程中遇到很多困难，但在老师、学长和同学的帮助下，能够克服困难，将工作很好的完成，在学习与实践的过程中，学到了不少东西，个人有了很大的提高与进步。

气动系统的设计主要包括动力元件、执行元件和辅助元件的设计与选择，以及气动原理图、气动流程图的绘制，在以前所学液压与气压传动的基础上，根据催化剂涂覆的工作内容，计算出推力大小，可选择气缸型号，进而选择空压机型号，然后绘出气动原理图，并根据机械系统设计中所做动画，确定气动流程，完成该部分内容的设计。

电气控制系统的设计主要靠PLC控制来实现，电气原理图的接线和PLC编程是该部分的主要内容，以前对电气部分内容均有接触，但都只是很浅的入门，不能与催化剂涂覆流程的控制程序相提并论，在指导老师的悉心辅导和带领下，通过系统的学习，得以使该部分内容顺利实现，使以气缸为动力的各零部件能协调动作，使催化剂涂覆专机的电气控制系统设计顺利完成。

2.2 研究方案的确定2.2.1 催化剂涂覆专机部件的确定上浆机构和吹扫机构是催化剂涂覆专机机械系统的主要部件，陶瓷载体将在这里完成上浆过程和吹扫过程，通过将局部空气迅速抽出以实现真空产生负压来实现上浆过程，通过将高压空气打入陶瓷载体来实现吹扫过程。

无论是上浆过程还是吹扫过程都需要一个密闭环境，一次在设计过程中要注意密闭性的实现。

首先，要满足效率高、动作快、定位准确的要求；其次，要注意密闭性的实现；再次，要满足强度和刚度的要求，提高设备的使用寿命，且避免事故的发生；最后，对催化剂的涂覆量要求精确。

2.2.2 气压系统方案的确定因载体质量轻，所需推力也很小，而要求动作迅速，所以，气压传动系统成为首选，气压传动系统主要包括以下组成部分：以气源装置为该系统的能源装置，即空压机；以气缸为执行元件；以电磁换向阀为控制元件；另外还包括气动三大件（分水滤气器，减压阀，油雾器）及消声器等。

2.2.3 机械附件的设计方案轴承甩干设备放置在生产第一线，外观只需美观大方即可。

同时为保证安全性要求，需为涂覆部件设计盖板和箱体，防止意外事故的发生，同时要合理设计盖板结构，以方便定期检查及事故处理。

另外，需要设置机架组，通过面板与机架组的连接，使整台甩干设备安全放置，减少振动。

2.3 总体配置方案根据对陶瓷载体催化剂定量涂覆专机所提出的设计要求，合理配置课题各部分的零部件，以实现陶瓷载体催化剂定量涂覆专机运转高效、定位准确、动作迅速、维修方便、全自动控制、安全可靠等技术要求。