авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка процесса и оборудования для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей под гидростатическим давлением струи термопласта

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 621.002.5

Святский Владислав Михайлович

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАЗДУВОМ ИСТЕКАЮЩЕЙ ПОД ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ СТРУИ ТЕРМОПЛАСТА

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск - 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Б. А. Сентяков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

С. Н. Храмов

кандидат технических наук

А. Е. Причинин

Ведущая организация: Институт прикладной механики УрОРАН, г.Ижевск

Защита состоится «5» мая 2011 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направить на имя учёного секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069, г.Ижевск, ул. Студенческая, дом 7, к. 1.

Автореферат разослан « 5 » апреля 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Ю.В. Турыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технический прогресс в машиностроении определяется качеством машин и агрегатов, реализующих различные технологические процессы. Качество и себестоимость производства изделий машиностроения зависит от материалов, из которых они изготовлены.

В машиностроении используются волокнистые синтетические материалы для тепло- и звукоизоляции различных машин и агрегатов, например, транспортных средств и летательных аппаратов, в конструкциях фильтров для очистки газов и жидкостей от инородных частиц в металлорежущих станках. Они обладают высокой прочностью, стойкостью к агрессивным воздействиям, хорошим фильтрующим свойством, низким влагопоглощением. Исходным сырьем для их производства являются термопластичные пластмассы, например, полиэтилентерефталат.

Наибольший интерес среди известных технологических процессов получения волокнистых материалов из термопластов представляет процесс, суть которого заключается в раздуве истекающей из плавильного агрегата струи расплавленного термопласта потоком сжатого воздуха. Известен вариант исполнения плавильного агрегата в виде экструдера, недостатком которого являются сложность конструкции и большие металло- и энергоемкость. Наиболее простую конструкцию имеют плавильные агрегаты, в которых истечение струи расплавленного материала происходит под действием гидростатического давления. Предварительные исследования процесса получения волокнистых материалов с применением таких плавильных агрегатов подтвердили его положительные качества, в том числе уменьшение материальных и энергетических затрат на производство волокна по сравнению с традиционной технологией. Однако, такой процесс до сих пор не реализован в промышленных условиях.



С этой точки зрения разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых процессов и агрегатов, для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта и создание в результате этого промышленных агрегатов, позволяющих сократить затраты на производство волокнистых синтетических материалов, обеспечивая при этом получение качественного материала с высокой производительностью, в настоящее время является актуальным.

Цель работы — разработка процесса и оборудования для производства волокнистых материалов из термопластов за счет практической реализации результатов теоретического и экспериментального исследования физико-механического процесса вертикального раздува истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта потоком сжатого воздуха.

Задачи исследований:

1. Разработать метод расчета производительности плавильного агрегата для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

2. Исследовать закономерности процесса изменения температуры струи расплавленного полимера, при истечении ее из выходного отверстия плавильного агрегата определяющие качество получаемого материала.

3. Расчетными и экспериментальными методами определить рациональные параметры и режимы работы дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом для получения волокнистого материала вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта.

4. Разработать опытно-промышленную установку и технические средства для реализации физико-механического процесса получения волокнистых материалов способом вертикального раздува истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

5. Определить эксплуатационные свойства волокнистого материала, полученного вертикальным раздувом истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

Методы исследования. В работе реализованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретическое исследование процесса истечения струи расплавленного термопласта из плавильного агрегата под действием гидростатического давления выполнено на основе законов течения вязкой жидкости, в том числе, формулы Пуазейля и рекомендаций П.Ю.Апеля и С.Н.Дмитриева. Теоретическое исследование процесса охлаждения струи расплавленного термопласта выполнено на основе уравнения теплопроводности Фурье. Экспериментальное исследование дутьевой головки выполнено с применением теории планирования эксперимента, на специальных стендах с применением аттестованных приборов для измерения давления и расхода воздуха. При расчетах и обработке экспериментальных данных использовалась современная компьютерная техника.

На защиту выносятся:

1. Метод расчета производительности плавильного агрегата с истечением струи расплавленного материала под действием гидростатического давления при получении волокнистых материалов вертикальным раздувом такой струи потоком воздуха, основанный на использовании формулы Пуазейля для течения вязких жидкостей.

2. Закономерность изменения температуры струи расплавленного полимера, истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления, по ее длине.

3. Результаты расчета и экспериментальных исследований дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом для получения волокнистого материала способом вертикального раздува свободной струи расплавленного термопласта, позволяющие определить рациональные параметры ее проточной части.

4. Опытно-промышленная установка и технические средства для получения волокнистых материалов способом вертикального раздува истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного полиэтилентерефталата потоком воздуха, оснащенная плавильным агрегатом для плавления исходного сырья, автоматическим дозирующим устройством, дутьевой головкой с механизмом качания, вальцовым агрегатом и пневматическим устройство для измерения среднего диаметра элементарных волокон в процессе их производства.

5. Результаты определения эксплуатационных свойств волокнистого материала, полученного вертикальным раздувом истекающей под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработан новый метод расчета производительности плавильного агрегата для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта потоком воздуха с истечением струи из выходного отверстия плавильного агрегата под действием гидростатического давления, подтверждающий возможность использования различных модификаций формулы Пуазейля для определения расхода расплава при истечении его из плавильного агрегата;

- решена задача определения закономерности изменения температуры переменной по сечению струи расплавленного полимера, истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления;

- получены новые расчетные и экспериментальные данные, характеризующие эффективность работы дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом: рациональная величина кольцевого зазора В=0,50,6 мм при среднем диаметре кольцевой щели 10 мм, центральный угол диффузора – 12 градусов, а рациональное отношение его длины к диаметру кольцевой щели – 1,82,0, рациональное давление в кольцевой полости от 100 до 150 кПа при котором происходит деформирование струи расплавленного материала на элементарные струйки с последующим образованием штапельных волокон;

- разработан вальцовый агрегат, который защищен патентом РФ, дутьевая головка, оснащенная механизмом качания, пневматическое устройство для измерения среднего диаметра элементарных волокон, обеспечивающее погрешность измерения диаметра волокон в диапазоне от 10 до 100 мкм с погрешностью не более 9%;

- выявлены новые свойства волокнистого материала полученного способом вертикального раздува струи из расплавленного полиэтилентерефталата, которые позволяют расширить его область применения.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием при составлении математических моделей отдельных элементов физико-механического процесса получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта известных законов движения вязкой жидкости и классических уравнений тепломассообмена – при рассмотрении струи расплавленного материала, законов движения идеальной несжимаемой жидкости – при рассмотрении процесса работы дутьевой головки, а также удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с результатами экспериментов и натурных испытаний действующей установки для производства волокнистых материалов рассмотренным способом. Достоверность результатов подтверждается также успешным внедрением разработки в производство.

Практическая ценность работы. Полученные в ходе выполнения работы рекомендации по расчету и проектированию плавильного агрегата и дутьевой головки с кольцевым сходящимся соплом для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного термопласта использованы при проектировании и изготовлении опытно-промышленной установки, внедренной в производство в ООО «Маркет» (г.Воткинск). Конструкция вальцового агрегата для формирования из получаемого на действующей установке волокнистого материала холстов переменной плотности защищена патентом РФ на изобретение. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании аналогичного оборудования для получения волокнистых материалов из других типов сырья, например, стекла или базальта.

Личный вклад автора. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. Автор произвел составление математических моделей отдельных элементов физико-механического процесса получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта, а также разработал технические средства необходимые для реализации процесса получения волокнистых материалов предлагаемым способом и режимы их изготовления, анализировал их структуру и определял показатели свойств. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, из них 8 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, получен патент РФ.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались:

- на Международной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, май 2010г.);





- на Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, апрель 2010г);

- на IX выставке-сессии инновационных проектов (г.Ижевск, май 2010г);

- на IX Международной специализированной выставке «Комплексная безопасность - 2010» (г.Ижевск, 21 – 24 сентября 2010г);

- на IX Международной специализированной выставке «Нефть, Газ, Химия - 2010» (г. Ижевск, 19 – 22 октября 2010 г);

- на Научно-методических конференциях Воткинского филиала ИжГТУ (г.Воткинск, Воткинского филиала ИжГТУ, февраль 2009 и 2010 гг);

- на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения и приборостроения» (г. Воткинск, Воткинского филиала ИжГТУ в 2008-2010 гг).

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 78 наименований. Работа изложена на 145 листах машинописного текста, содержит 67 иллюстраций, 22 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, излагается научная новизна и практическая ценность проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса получения волокнистых материалов вертикальным раздувом струи расплавленного термопласта, истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления, формулируются основные положения, выносимые на защиту, приводится структура диссертации.

В первой главе диссертации приведен анализ известных процессов, технологий и оборудования для получения волокнистых материалов на основе термопластичных пластмасс.

Проведенный аналитический обзор позволил установить, что классическая технология получения синтетического волокнистого материала путем плавления термопластов, вытягивания бесконечных волокон толщиной в несколько микрометров через фильеры диаметром менее полумиллиметра с последующим образованием жгутов из таких волокон, их резкой на элементы одинаковой длины, перемешиванием, рассыпкой на транспортер и дальнейшим формированием холстов или нетканого материала сложна для реализации, требует применения дорогостоящего оборудования и малопроизводительна. Именно по такой технологии, на импортном оборудовании, производят в настоящее время известный волокнистый материал – синтепон.

Существенно проще является технология получения волокнистых материалов способом вертикального раздува струи расплавленного сырья потоком сжатого воздуха, реализованная на практике при получении волокнистых материалов из минеральных расплавов. Известный вклад в разработку и исследование процессов производства волокнистых материалов из минерального и синтетического сырья различными способами, в том числе и способом вертикального раздува воздухом внесли отечественные и зарубежные ученые: С. П. Папков, В. А. Груздев, И. П. Бакшеев, Г. Ф. Тобольский, А. Б. Пакшвер, Э. М. Айзенштейн, В. Э. Геллер, Х. Людвиг, и др. Опыты получения по такой технологии полиэтилентерефталатного волокна, проведенные в Воткинском филиале ИжГТУ, подтвердили целесообразность ее практической реализации.

Наиболее сложными и недостаточно изученными элементами технологии получения волокнистых материалов способом вертикального раздува струи расплавленного термопласта являются плавильный агрегат и дутьевая головка.

Используемые в качестве агрегатов для плавления пластмасс при решении аналогичных задач устройства экструдерного типа имеют сложную конструкцию и требуют больших затрат энергии, поэтому в настоящей работе поставлена задача подтвердить возможность использовании для получения струи расплавленного термопласта и дать рекомендации по расчету плавильного агрегата с истечением струи под действием гидростатического давления – без применения шнековых устройств. Рассмотрение теоретических основ расчета аналогичных агрегатов показало, что для решения этой задачи следует использовать известные уравнения движения вязкой жидкости и классические уравнения теплопроводности.

После анализа известных конструкций дутьевых головок для получения различных волокнистых материалов способом раздува, принято решение подробнее изучить и дать рекомендации по проектированию головок с кольцевым сходящимся соплом, которые обеспечивают лучшую концентрацию энергии потока воздуха при взаимодействии его со струей расплавленного материала в зоне волокнообразования. При их теоретическом исследовании возможно использование уравнений движения идеальной несжимаемой жидкости.

Анализ известных способов получения из синтетических волокнистых материалов готовых к практическому использованию в машиностроении материалов и изделий показал необходимость изучения процесса получения нетканых материалов путем прокатки бесформенного волокна с его подогревом и последующим образованием материала с переменной по сечению плотностью.

На основе выполненного обзора научной, технической и патентной литературы, изучения действующего оборудования для производства волокнистого материала из термопластических расплавов сформулирована цель работы и определены задачи исследования.

Во второй главе диссертации приводятся теоретические исследования плавильного агрегата и дутьевой головки для реализации процесса получения волокнистых материалов способом вертикального раздува струи расплавленного термопласта воздухом, позволяющие на стадии проектирования агрегатов для его реализации, определить основные геометрические параметры оборудования и выбрать рациональные режимы технологического процесса.

Агрегат для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей из плавильного агрегата под действием гидростатического давления струи расплавленного материала потоком сжатого воздуха содержит устройство для подачи исходного сырья, плавильный агрегат с внешним и внутренним электрическими нагревательными элементами, а также дутьевую головку с кольцевым сходящимся соплом (рис.1). Для определения производительности плавильного агрегата, применена методика расчета характеристик потока вязкой жидкости использованной П.Ю. Апелем и С.Н. Дмитриевым при расчете формы пор трековых мембран. При этом рассмотрено движение расплавленного материала с применением формулы Пуазейля и ее модификаций для вязкой жидкости в каждом из четырех геометрических элементов внутренней полости плавильного агрегата, соответственно: в основной плавильной камере, во втором коническом сужающемся элементе, в малой плавильной камере и в полусферическом элементе вблизи выходного отверстия:

P1 = 81L Q / (R-r1) 4, (1)

Р1+P2 =(82 l Q/3r4)(r/R+(r/R)2+(r/R)3), (2)

Р1+Р2+ P3 = 83 L1 Q / r4, (3)

Р1+Р2+ Р3+ P4 = 3 Q 4 / rф3. (4)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.