ФОРСУНКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ КЛЕЯ ИЛИ ИНОЙ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТЬ ОБЪЕКТА
NOZZLE TO APPLY GLUE OR FLUID ON WHATEVER SURFACE

Изобретение относится к технологическим процессам и устройствам для их осуществления (форсункам, поливочным гребням, распылительным головкам), конкретно к способам нанесения полиуретанового клея или иных жидкостей на поверхность объекта (изделия, материала), главным образом в полуавтоматических и автоматических конвейерных линиях по изготовлению модульных строительных «сэндвич-панелей» на основе, прежде всего, пенополистирола.
В технологических процессах с нанесением на поверхности изделия или материала [1] широко применяют распылители (форсунки, поливочные гребни), представляющие собой инжектор - механический распылитель жидкости с механизмом открывания-закрывания клапана различных типов: электромагнитным, пьезоэлектрическим, электрогидравлическим, пневматическим [2]. Согласно Словарю строителя, подача жидкости в форсунке осуществляется под давлением или при помощи сжатого воздуха [3]. Действительно, во многих установках механизм открывания-закрывания клапана работает от пневмопривода, для чего в комплект поставки входит компрессор. В конструкциях распылителей, работающих с использованием гидравлических и пневматических устройств под давлением, как и в других областях техники, и технологии, остро стоит проблема уплотнений, от которой напрямую зависят работоспособность целых технологических линий, срок службы распылителей, частота и трудоемкость работ по обслуживанию оборудования.
Примером решения «уплотнительной» проблемы может служить, например, техническое предложение «Способ герметизации соплового насадка», где между соплом и вкладышем насадка устанавливают уплотнитель из дисперсионно-твердеющего сплава [4]. Однако это применимо только к уплотнению взаимно-неподвижных деталей. В форсунках одноканального типа, в частности в некоторых топливных форсунках, герметизация обеспечивается очень высокой точностью и чистотой обработки сопряженных деталей, что ограничивает область реализации такого технического решения и обусловливает неоправданную, как в нашем случае, стоимость форсунки [5]. Другой крайностью является допустимость в одноканальных топливных форсунках существенных протечек (с организацией замены протечек на перетечки по каналу «обратки») - см. также источник [5].
Устройством, совпадающим с заявляемым устройством по назначению и по общим существенным признакам, является форсунка, содержащая клапан, включающий в себя корпус, сопло с жидкостной полостью и, по меньшей мере, одним распылительным отверстием, запорную иглу и регулируемое пневматическое устройство двухпозиционного возвратно-поступательного осевого перемещения иглы со штоковой частью в ее продолжение, включающее в себя пневмоцилиндр с «воздушным» запорным уплотнением и возвратной пружиной, штуцером подвода воздуха под давлением и стравливающим(и) отверстием(и) для выхода отработавшего воздуха из пневмоцилиндра, хвостовик, регулировочную пружину с винтом регулировки силы ее упругости, при этом в корпусе предусмотрены отделенные друг от друга жидкостная и пневматическая полости и штуцер подвода жидкости под давлением к жидкостной полости, кроме того, жидкостная полость изолирована от внешней атмосферы запорным уплотнением [6].
В устройстве уплотнение жидкостной (клеевой) полости изолирует ее от пневматической полости и выполнено в виде резиновой втулки, охватывающей штоковую часть иглы и охваченной шейкой корпуса клапана.
Однако описанное устройство будучи спроектированным и реализованным (как первый вариант) авторами в поточной линии по производству сэндвич-панелей на предприятии ООО «Фастформинг» (Санкт-Петербург) нашло документальное оформление лишь в чертежно-конструкторской документации (сборочный чертеж форсунки - УИП-01.021.000 СБ). Тем не менее, оно фактически стало базовым устройством при последующей модернизации и использования заявляемого изобретения в настоящее время.
При эксплуатации базовой форсунки вскрылся ее существенный недостаток: наличие протечек клея через указанное уплотнение в условиях возвратно-поступательного движения иглы с высоким ускорением на величину порядка 5-7 мм, что оказалось самым слабым звеном поточной линии, приводило к резкому сокращению срока службы форсунки и, соответственно, к экономическому ущербу.
Из числа обнаруженных общедоступных источников информации наиболее близким аналогом заявляемого устройства (и, следовательно, принятым за прототип), т.е. одновременно общедоступным и совпадающим с ним по назначению и по общим существенным признакам, является форсунка («поливочный гребень»), содержащая корпус, сопло с жидкостной полостью и распылительным отверстием, запорную иглу и регулируемое устройство двухпозиционного возвратно-поступательного осевого перемещения иглы со штоковой частью в ее продолжение, при этом жидкостная полость изолирована от внешней атмосферы запорным уплотнением [6].
В форсунке (гребне)-прототипе сопло соединено с корпусом, а запорное уплотнение выполнено в виде «специальных уплотнений, погруженных в слой масла», с возможностью заданного перемещения иглы.
Однако таким уплотнениям обычно свойственны повышенные габариты, они требуют повышенного внимания в обслуживании, а наличие уплотняющего масла вблизи рабочей жидкости (клея) и нагревательных высокотемпературных устройств (например, струнных резаков полистирольных плит) нежелательно с позиции пожаровзрывобезопасности. В принципе, не исключено и замещение масла рабочей жидкостью (клеем) с последующим вытеснением ее в воздушное пространство, с вытекающими отсюда явлениями химического взаимодействия этих сред, преждевременной полимеризации полиуретанового клея в форсунке, а также затруднения работы автоматики из-за непредсказуемо переменной вязкости жидкости (клея). Таким образом, можно говорить о непригодности устройства для решения формулируемой ниже задачи.
А задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в необходимости обеспечения (желательно более простыми, дешевыми и компактными средствами) более надежной изоляции жидкостной полости (клея) от внешней атмосферной среды (влажного воздуха), за счет чего возможно повысить надежность и стабильность функционирования, долговечность форсунки, а значит, способствовать бесперебойности работы поточной линии в целом, повышении качества изготовления продукции по данной технологии, эффективности автоматического и полуавтоматического управления.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в форсунке для нанесения клея или иной жидкости на поверхность объекта, содержащей корпус, сопло с жидкостной полостью и, по меньшей мере, одним распылительным отверстием, запорную иглу и регулируемое устройство двухпозиционного возвратно-поступательного осевого перемещения иглы со штоковой частью в ее продолжение, при этом жидкостная полость изолирована от внешней атмосферы запорным уплотнением, корпус выполнен из двух фланцево соединенных частей, одна из которых образует жидкостную полость, объединенную с жидкостной полостью сопла, а другая образует воздушную компенсационную полость переменного, вследствие движения штоковой части иглы, объема и имеет отверстие, соединяющее компенсационную полость с внешней атмосферой, а запорное уплотнение отделяет жидкостную полость от воздушной компенсационной полости и выполнено в виде эластичной мембраны с возможностью заданного перемещения иглы, при этом мембрана выполнена с центральным отверстием, посредством которого установлена на резьбовом участке штоковой части иглы, расположенном в жидкостной полости, поджата винтом через жесткую шайбу к торцу смежного участка штоковой части иглы, имеющего больший диаметр и расположенного в воздушной компенсационной полости, а периферийной своей частью зажата между частями указанного фланцевого соединения.
Решение поставленной задачи достигается также дополнительными существенными признаками (при сформулированной выше совокупности основных признаков):
- мембрана может быть выполнена неметаллической;
- при предыдущей совокупности признаков мембрана может быть выполнена двухслойной, при этом слой со стороны жидкостной полости должен быть выполнен из материала с химической устойчивостью и низкой адгезией по отношению к данной жидкости, например из фторопласта, а слой со стороны воздушной компенсационной полости - из материала, не пропускающего воздух, например из прорезиненной ткани;
- устройство двухпозиционного возвратно-поступательного осевого перемещения иглы может быть выполнено пневматическим и включать в себя закрепленный в корпусе пневмоцилиндр, шток которого конструктивно объединен с упомянутой иглой, со штуцером подвода сжатого воздуха, по меньшей мере, одно стравливающее отверстие для отработавшего воздуха, закрепленный на пневмоцилиндре хвостовик, ввинченный в хвостовик регулировочный винт и пружину растяжения, установленную в распор между регулировочным винтом и тыльным торцом штоковой части иглы.
Более подробно сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже примерах реализации и иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - устройство форсунки в сборе, в продольном разрезе;
фиг.2 - форсунка на этапе сборки (установка запорной мембраны), вид сбоку в разрезе).
Заявляемая форсунка содержит цилиндрический корпус, образованный фланцево соединенными друг с другом, посредством четырех винтов, нижней 1 и верхней 2 частями. На свободном торце части 1 корпуса закреплено, посредством накидной гайки 3, конусообразное сопло 4, по меньшей мере, с одним распылительным отверстием 5. В боковой стенке части 1 корпуса предусмотрен штуцер 6 подвода к форсунке жидкости (здесь и далее - преимущественно полиуретанового клея) под давлением выше атмосферного, а в боковой стенке части 2 корпуса выполнено сквозное отверстие 7, соединяющее ее полость с внешней атмосферой.
Форсунка содержит также запорную иглу 8, установленную с возможностью запирания-отпирания (открывания-закрывания) отверстия(ий) 5 при ее возвратно-поступательном перемещении, а также регулируемое устройство двухпозиционного возвратно-поступательного осевого перемещения иглы 8.
Последняя, как правило, конструктивно объединена (выполнена за одно целое) со штоком (сердечником) устройства ее поступательного перемещения. Соответственно, далее по тексту будет использовано понятие «штоковая часть иглы».
Устройство двухпозиционного возвратно-поступательного осевого перемещения иглы может быть любым: пневматическим (как в прототипе), электромагнитным, пьезоэлектрическим, электрогидравлическим и т.д.
В данном примере (реализованном авторами в производстве) оно выполнено пневматическим и включает в себя: закрепленный (посредством резьбового соединения) в корпусе (точнее - в его верхней части 2) пневмоцилиндр 9, шток которого конструктивно объединен с иглой 8; штуцер 10 подвода сжатого воздуха, ввинченный в него сбоку внизу; одно или несколько стравливающих отверстий сбоку выше (не показаны) для отработавшего воздуха; хвостовик 11, закрепленный посредством резьбового соединения на пневмоцилиндре 9; регулировочный винт 12, ввинченный в хвостовик 11; пружину растяжения 13, установленную в распор между регулировочным винтом 12 и тыльным торцом 14 штоковой части иглы 8.
Внутренние стенки нижней части 1 корпуса и сопла 4 в совокупности образуют (ограничивают) жидкостную (в частности, клеевую) полость 15, откуда жидкость (клей) под давлением имеет возможность при открытом иглой 8 отверстии 5 распыляться во внешней атмосфере.
В свою очередь, стенки верхней части 2 корпуса образуют (ограничивают) воздушную компенсационную полость 16 переменного объема (вследствие движения штоковой части иглы 8), куда может засасываться через отверстие 7 атмосферный воздух при движении штока (иглы 8) вверх и, наоборот, удаляться через то же отверстие во внешнюю атмосферу избыточный воздух при движении штока (иглы 8) вниз.
Полости 15 и 16 отделены друг от друга (изолированы) запорным уплотнением 17, которое выполнено в виде эластичной мембраны, с возможностью заданного перемещения иглы 8 в пределах 3-7 мм. При этом мембрана выполнена с центральным отверстием 18, посредством которого установлена на резьбовом участке 19 штоковой части иглы 8, расположенном в жидкостной полости 15, и поджата винтом 20 через жесткую (металлическую) шайбу 21 к торцу смежного участка 22 штоковой части 23 иглы 8, имеющего больший диаметр (в сравнении с диаметром резьбы) и расположенного в воздушной компенсационной полости. Периферийной же своей частью мембрана 17 зажата между фланцами частей 1 и 2 корпуса форсунки.
В преимущественном варианте исполнения мембрана 17 выполнена неметаллической, желательно двухслойной, при этом слой 24 со стороны жидкостной полости 15 выполнен из материала с химической устойчивостью и низкой адгезией по отношению к данной жидкости (полиуретановому клею), например из фторопласта, а слой 25 со стороны воздушной компенсационной полости 16 - из материала, не пропускающего воздух, например из прорезиненной ткани.
Устройство работает следующим образом.
Жидкость (клей) под давлением подается через штуцер 6 в жидкостную (клеевую) полость 15 и «дежурит» в ней при опущенной игле 8 (т.е. при закрытом распылительном отверстии 5).
При этом мембрана 17 и ее крепления (центральное и периферийные) надежно (как и подобает мембранам) изолирует полость 15 от окружающей среды, в том числе предотвращая не только прорыв жидкости (клея) в воздушную полость 16, но и его химическое взаимодействие (с преждевременной полимеризацией) с воздухом в полости 15.
При двухслойной мембране 17 нижний ее слой 24 не склонен к химическому взаимодействию с жидкостью (клеем) как агрессивной средой, а также к адгезии, которая затрудняла бы гидродинамические процессы, снижала эластичность мембраны, а значит, и подвижность иглы 8, приводила бы к частичному «забиванию») полости 15 вязкими и твердыми фрагментами полимеризующейся жидкости (клея).
Сжатый воздух при его подаче через штуцер 10 в пневматическую полость (внутри пневмоцилиндра 9 под поршнем, связанным со штоком) поднимает (смещает в осевом направлении от отверстия 5) иглу 8, преодолевая силу упругости возвратной пружины (внутри пневмоцилиндра 9 над его поршнем) и регулировочной пружины 13. Жидкость (клей) устремляется в отверстие (отверстия) 5, распыляясь над поверхностью объекта (изделия, материала).
При этом поднимающаяся игла 8 увлекает за собой за счет соединения элементов 20-22 центральную часть мембраны 17 в пределах допустимой ее деформации. Мембрана 17 и ее крепления (центральное и периферийные) опять-таки надежно изолирует полость 15 дополнительно и от прорыва воздуха в полость 6, что повлекло бы описанные выше химические процессы.
Частичное вакуумирование воздушной полости 16 (вследствие увеличения ее объема) вызывает автоматический компенсирующий приток атмосферного воздуха в камеру 16 через отверстие 7 (почему, собственно, полость и названа «компенсационной»). Это уменьшает прогиб (деформацию) мембраны 17 вверх.
При двухслойной мембране 17 верхний ее слой 25 надежно предотвращает диффузию воздуха в ее материал.
Отработавший сжатый воздух автоматически выходит в атмосферу через стравливающее(ие) отверстие(я).
При падении давления в пневматической полости игла 8 под действием пружины 20 возвращается в «запертое» положение. Увлекаемая ей мембрана 17 при этом также возвращается в исходное состояние.
Некоторое сопутствующее увеличение давления воздуха в полости 16 (вследствие уменьшения ее объема) вызывает автоматическое компенсирующее вытеснение воздуха из камеры 16 во внешнюю атмосферу через отверстие 7. Это уменьшает прогиб (деформацию) мембраны 17 вниз.
Не исключены другие варианты устройств в рамках заявляемых совокупностей существенных признаков.
Выбор конкретного варианта при использовании изобретения зависит от спектра технико-эксплуатационных и экономических требований и производится в каждом конкретном случае.
Таким образом, использование изобретения позволяет повысить надежность и стабильность функционирования и долговечность форсунки, а значит, и бесперебойность работы поточной линии в целом, повысить качество изготовления продукции по данной технологии, повысить эффективность автоматического и полуавтоматического управления, прежде всего, применительно к спроектированной авторами и введенной ими в эксплуатацию в рамках предприятия ООО «Фастформинг» (Санкт-Петербург) полуавтоматической конвейерной линии по изготовлению сэндвич-панелей и ко многому другому аналогичному оборудованию.
Эффективность заявляемого устройства подтверждена его практическим использованием.
Источники информации
1. Интернет-ресурс: Линия производства СИП. - http://www.profit-dom.ru/production_sip.php.
2. Интернет-ресурс: Энциклопедия «Википедия» (термин «Форсунка»). - http://terosteps-mtl.ru/prod termopanel monolit process.htm.
3. Интернет-ресурс: Словарь строителя (термин «Форсунка»). - http://terosteps-mtl.ru/prod_termopanel_monolit_process.htm.
4. RU 2171718 C2, B05B 1/02, 15.11.1999.
5. Интернет-ресурс: Мезерницкий Александр Юрьевич. - http://dizelist.ru/index.php?id=69.
6. Интернет-ресурс: Техническое описание установки SNK-4.1500w.04 (SNK-4.2000w.04), раздел «Модификация установки для нанесения клея». - http://budimpex.ru/ed.рvс..html#11 (прототип).