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lncrna引物设计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,开幅机美国联 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,分集水器加
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400～6003d陶瓷打印目之间。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直埋蒸汽管道 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。
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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。
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