Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. постановка задач исследований
1.1. Существующие способы получения фрикционных накладок к дискам и муфтам сцепления и их применение в промышленности
1.1.1. Формованные фрикционные накладки сцепления
1.1.2. Фрикционные накладки намотанного типа
1.3. Обоснование выбранного направления и постановка задачи исследования
2. Разработка технологии получения комбинированных нитей для фрикционных накладок сцепления
2.1. Анализ процессов и конструкции устройств, осуществляющих получение комбинированных нитей
2.1.1. Особенности получения комбинированных нитей на прядильной машине
2.1.2. Особенности получения армированных и крученых комбинированных нитей
2.1.3. Особенности получения комбинированных нитей пневмомеханическим способом
2.1.4. Получение комбинированной нити на чесальном аппарате с крутильно-мотальной приставкой
2.1.5. Особенности получения комбинированной нити на прядильно-крутильных машинах
2.1.6. Особенности получения компактированных комбинированных нитей
2.2. Процесс получения комбинированной нити на прядильно-крутильной машине с аэродинамическим комп актирующим устройством
3. Обоснование конструктивных и технологических параметров работы аэродинамического устройства (ау) для производства многокомпонентых комбинированных нитей
3.1. Подготовка сырья к эксперименту
3.2. Выбор факторов влияющих на технологический процесс получения комбинированных нитей
3.2.1. Расчет весомости факторов
3.2.2. Расчет коэффициента конкордации
3.3. Построение регрессионной модели параметров оптимизации
3.4. Построение математической модели для комплексного критерия оптимизации
3.4.1. Определение весомости единичных параметров оптимизации
3.4.2. Расчет комплексного критерия оптимизации
3.4.3. Исследование регрессионной модели комплексного критерия оптимизации Выводы по третьей главе kt»
4. Разработка и исследование технологии получения комбинированной нити с различными волокнистыми компонентами
4.1. Аппаратура и методика испытаний комбинированной нити
4.2. Влияние вида волокнистого компонента и его процентного содержания на свойства комбинироваїпіой нити 92
4.2.1. Исследование зависимости разрывных характеристик комбинированной нити от вида волокнистого компонента и его процентного содержания в нити
4.2.2. Влияние вида волокнистого компонента на величину привеса нити
4.3. Влияние числа кручений прикручиваемого компонента на свойства комбинированных нитей
4.3.1. Влияние числа кручений прикручиваемого компонента на разрывные характеристики комбинированной нити
4.3.2. Влияние числа кручений прикручиваемого компонента на привес нити
4.4. Влияние способа получения комбинированной нити на ее физико-механические свойства
4.5. Выпуск опытной партии безасбестовых фрикционных накладок
5. Определение силы давления прикручиваемого компонента на сердечниковую составляющую комбинированной нити
Выводы к пятой главе
Общие выводы
Список литературы
- Обоснование выбранного направления и постановка задачи исследования
- Получение комбинированной нити на чесальном аппарате с крутильно-мотальной приставкой
- Выбор факторов влияющих на технологический процесс получения комбинированных нитей
- Влияние вида волокнистого компонента и его процентного содержания на свойства комбинироваїпіой нити
Введение к работе
Актуальность. Научно-технический прогресс связан с созданием материалов с заданными свойствами, к которым относятся композиционные материалы - композиты. Композитам отведена особая роль как материалам, обладающим неограниченными функциональными возможностями и обеспечивающим снижение массы изделия с одновременным повышением надежности, увеличением ресурса работы и эксплуатации изделия в экстремальных условиях.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили фрикционные композиционные материалы с армирующими волокнистыми наполнителями. Свойства таких композитов определяются как свойствами армирующей основы, так и взаимодействием волокнистых компонентов со связующим составом, которые обуславливают прочность композита, его жесткость, термостойкость и другие качества.
В настоящее время изыскиваются - новые волокнистые наполнители с высокими сорбционными свойствами, способные облегчить достаточное и равномерное распределение связующего по всему объему нити.
Применение волокнистых композиционных материалов, в которых наполнителями служат разнородные волокна и нити, а связующим является' среда, заполняющая пространство между волокнами и обеспечивающая взаимосвязь между этими волокнами и монолитность композиции в целом, открывает возможность создания изделий, удовлетворяющих качественно новым требованиям.
Актуальность работы заключается в том, что она направлена на создание новых волокнистых наполнителей для экологически чистых фрикционных изделий, обладающих повышенными сорбционными характеристиками с учетом отечественной сырьевой базы.
Работа проводилась по госбюджетной работе, выполняемой в рамках научно-технической программы «Перспективные материалы» (договор № 23-ПМ-98).
Шив*
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка структуры и технологии получения комбинированных нитей, обладающих повышенными сорбционными характеристиками, обеспечивающими улуч показателей фрикционных изделий на их оснбвё. библиот'ІІа
С. Петер' 09
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
обоснован сырьевой состав и структура комбинированных нитей с учетом тенденции развития отечественной сырьевой базы;
обоснован способ получения комбинированных нитей с повышенными сорбционными способностями;
разработана конструкция аэродинамического компактирующего устройства, обеспечивающего равномерное распределение волокнистых компонентов по всему объему комбинированной нити, что позволяет повысить ее технологические и эксплуатационные показатели;
осуществлена модернизация серийно выпускаемой прядильно-крутильной машины для производства комбинированных нитей с повышенной сорбционной способностью;
проведены сравнительные исследования по оценке влияния основных технологических факторов на сорбционные и физико-механические свойства комбинированных нитей;
обоснована возможность использования комбинированной нити с повышенными сорбционными способностями при изготовлении фрикционных накладок сцепления.
Методика исследования. При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. При теоретических исследованиях использовались методы дифференциального и интегрального исчисления, механики нити и математического анализа. При проведении экспериментальных исследований применялись методы математической статистики и планирования.
Эксперименты проводились на оригинальной
экспериментальной установке с использованием стандартных методик и серийных приборов.
Результаты экспериментов обрабатывались с использованием пакетов MatchCAD, Microsoft EXCEL.
Научная новизна заключается в следующем:
разработан и теоретически обоснован способ получения комбинированной нити для фрикционных накладок с использованием аэродинамического компактирующего устройства;
разработана математическая модель аэродинамического компактирующего устройства и определены основные оптимальные технологические и конструктивные параметры его работы: давление воздуха, подаваемого в пневмокамеру, число кручений
прикручиваемого компонента комбинированной нити и диаметр активной части пневмокамеры;
определены основные технологические параметры формирования комбинированной нити с повышенной сорбционной способностью;
- обоснован состав и структура комбинированной нити с учетом отечественных сырьевых ресурсов;
получены зависимости влияния технологических параметров на сорбционные и физико-механические свойства различных видов комбинированных нитей (льнохлопковых, хлопковых и химических).
Практическая значимость работы. Разработан способ и устройство для получения комбинированных нитей на базе машине ПК-100-МЗ, позволяющие получить нить с лучшими сорбционными и физико-механическими свойствами.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку: на заседаниях кафедры МТВМ КГТУ (1999-2005гг.); на общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов» КГТУ в 2005г.; на международной научно-технической конференции (Прогресс-98), г. Иваново, 1998 г., международной научно-технической конференции (Лен-98), Кострома, 1998г., международной научно-технической конференции (Поиск-2000), 2000г., международной научно-техническая конференции, «Актуальные проблемы лёгкой промышленности», Москва, 2000г, всероссийской НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002» Пермь, 2002г, международной научно-практическая конференции «Пути повышения конкурентоспособности продукции из льна», Вологда, 2004 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, из которых 6 статей и 6 материалов научно- технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 4ЫЗ страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы ( >/09наименований) и приложений. Работа содержит ЛО таблиц и с?? рисунков.
Обоснование выбранного направления и постановка задачи исследования
В работе приведены достаточно подробные обзоры работ, проводимых в области создания фрикционных материалов. Так же был проведен патентный поиск отечественных и зарубежных разработок в этой области за период 1965-2005г.г. На основании выше указанных обзоров, а так же проведенного патентного поиска можно сделать вывод: 1. Наиболее прогрессивным с технологической точки зрения являются фрикционные материалы намотанного типа, которые находят более широкое применение в автомобилестроении. 2. Основными направлениями создания фрикционных материалов намотанного типа можно назвать следующее: изыскание новых экологически чистых фрикционных материалов намотанного типа безвредных для здоровья человека; создание новых прогрессивных технологий получения пряжи разнообразных структур, обладающих специфическими свойствами. Они должны быть термостойкими, иметь высокий коэффициент трения и обеспечивать равномерный износ контропары, обеспечивать перераспределение тепла по всему объему изделия и высокую механическую прочность от действия центробежных сил: использование отечественного сырья для производства комбинированной нити. 3. Данным требованиям удовлетворяет многокомпонентные комбинированные нити: в качестве основного термостойкого армирующего материала используют термостойкие высокопрочные нити: арамидные, стеклянные, базальтовые и другие волокна; для снижения абразивного износа контропары, а также с целью повышения взаимосвязи комбинированной нити со связующим, вводят волокнистый материал - натуральные и химические волокна, обладающие повышенной адгезией к связующему и температурой разложения в пределах 240-400С; с целью улучшения теплоотвода и повышения коэффициента трения вводят металлическую нить, чаще медную или латунную. На основании выше изложенного необходимо: I.
Разработать комбинированную нить для безасбестовых фрикционных накладок намотанного типа, с повышенными сорбционными способностями с учетом тенденций развития данной отрасли и наличия отечественной сырьевой базы. 2. Обосновать способ и разработать технологию получения комбинированной нити с повышенной сорбционной способностью для фрикционных накладок намотанного типа. 3. Выбрать и, при необходимости, модернизировать оборудование для осуществления данной технологии. 4. Исследовать технологию получения комбинированной нити с повышенной сорбционной способностью для оптимизации технологических режимов получения нити. Как было отмечено в главе 1, наиболее перспективным являются накладки намотанного типа, изготовление которых предполагает наличие многокомпонентной комбинированной нити, С целью разработки технологии изготовления комбинированных нитей для фрикционных накладок были проанализированы известные в текстильной промышленности способы получения многокомпонентных нитей. Комбинированные нити составляют большой класс текстильных нитей. Число их разновидностей и способов получения становится все больше и больше, это связано с появлением новых видов комбинированных нитей и новых технологий. В таблице 2 приведена классификация способов производства комбинированных нитей [45]. Комбинированную нить можно получить на кольцепрядильной машине. Сердечниковая нить вводится под переднюю пару вытяжного прибора прядильной машины и на выходе из него покрывается мычкой из натуральных волокон, а затем скручивается, образуя комбинированную пряжу [46-50]. Процесс получения комбинированной нити на кольцепрядильной машине представлен на рисунке 1. Комплексная нить, сматываясь с бобины 2, огибает два направляющих прутка 1. Проходит через натяжное устройство 3, нитепроводник 4, связанной с водилкой 6 для ровницы 5, и соединяется с вытянутой ровницей в передней вытяжной паре. По выходе их вытяжного прибора комплексная нить и мычка из натуральных волокон скручивается и наматывается на паковку 8. В качестве комплексной нити можно использовать любую химическую нить. К достоинствам этого способа можно отнести достаточно высокую производительность, а так же незначительные конструктивные изменения на прядильной машине. Однако этот технологический процесс имеет существенный недостаток [51]. - полученная пряжа неравновесна, крутка сердечника близка к критической, что недопустимо при использовании в качестве сердечниковых нитей из стеклянных волокон, так как вызовет их разрушение;
Получение комбинированной нити на чесальном аппарате с крутильно-мотальной приставкой
Данный способ достаточно производителен, но полученная пряжа неравновесна. Кроме того, крутка сердечника близка к критической.
В Костромском технологическом институте разработан и исследован способ получения трёхкомпонентных токопроводящих комбинированных нитей на серийно выпускаемой прядильно-крутильной машине ПК-100 [68-72]. В результате конструктивных изменений на базе машины ПК-100 была создана прядильно-крутильная армирующая установка ПКА-100, для производства токопроводящих нитей к бытовым электрогрелкам.
Технологическая схема получения трехкомпонентной комбинированной нити представлена на рисунке 8.
Стержневая нить 2, сматываясь с паковки 1 проходит через канал вращающегося полого веретена 3, на котором установлена паковка 4 с прикручиваемой нитью 5. Выпускной парой 6 вытяжного прибора к стержневой нити подают волокнистую мычку 7, которой обкручивают стержневую нить на участке В. Поле сил трения создается с помощью ремешковой пары 8. На участке Б между ремешковой парой и сердечниковой нитью, имеющим длину, равную наибольшей штапельной длине волокон мычки, последнюю перемещают без контролирования волокон. Поле сил трения на этом участке практически отсутствует, так как оно здесь создается только за счет цепкости и непараллельного расположения волокон мычки. Переход волокон мычки на сердечниковую нить осуществляется с некоторым натяжением, вследствие того, что когда передние концы подаваемой мычки захватываются неровностями стержневой нити и обкручиваются вокруг последней, задние концы волокон мычки в этот момент находятся в зоне действия распределенного поля сил трения. Длину участка В обкручивания стержневой нити волокнистой мычкой измеряют по винтовой линии вдоль волокон и выбирают равной не менее штапельной длины волокон мычки. Постоянное натяжение сердечниковой нити, необходимое для получения равномерного слоя покрытия, достигается посредством торможения паковки 1 с сердечниковой нитью тормозной лентой с грузом 9. Кроме того, стерженвую нить перемещают со скоростью, превышающей скорость подачи мычки на ОД-2,0%. Внутри полого веретена происходит перераспределение крутки в результате того, что комбинированная нить раскручивается в противоположном направлении от первоначального (до входа в полое веретено). К достоинствам данного способа следует отнести: - высокую производительность; - наличие некрученого сердечника и волокнистой составляющей. Недостатком способа является плотное волокнистое покрытие. Указанный способ был усовершенствован [73-75]. Сущность нового способа заключается в том, что скорость выпуска мычки Vj выбирают из условия: ь где V/ - скорость мычки, выходящей из зажима выпускной пары вытяжного прибора, м/мин; V2 - скорость наматывания армированной нити на приемную паковку, м/мин; d - диаметр сердечниковой нити, мм; К} - коэффициент, учитывающий относительное сокращение длины сердечниковой нити от ложного кручения; К2 - число кручений мычки на единице длинны сердечниковой нити в зоне формирования наружного слоя, кр/м; Е - вытяжка мычки на участке от зажима вытяжного прибора до точки ее перехода на сердечник. При таком соотношении скоростей волокна мычки между витками обкручивающей нити образуют выпуклую поверхность, которая выполняет роль "якорного эффекта" и способствует большому уносу пропитывающего состава. Однако данный способ имеет недостаток, в том что стержневая нить попадает в зону формирования под натяжением. Это приводит к напряженному состоянию и вызывает значительную потерю упругих свойств стержневой нитью из стеклянных волокон, удлинение которых составляет 0,5-2%. Потеря упругих свойств стержневой нитью в комбинированных нитях для безасбестовых фрикционных материалов, может вызвать коробление готовых изделий - фрикционных накладок. В Костромском технологическом институте разработан способ получения нитей для безасбестовых фрикционных накладок, на который получено авторское свидетельство [74-79]. Схема получения комбинированной нити данным способом представлена на рисунке 9.
Выбор факторов влияющих на технологический процесс получения комбинированных нитей
Полученные нами три уравнения регрессии дают возможность оценить зависимость трех выбранных показателей оптимизации от трех независимых фактов. По каждому из них мы можем рассчитать оптимальное значение параметров оптимизации и то, при каких значениях факторов он возникает. Но с большей вероятностью можно сказать, что наивысший показатель оптимизации по всем трем регрессионным многофакторным моделям не может находиться в одной точке факторного пространства. А для оптимизации технологического процесса получения комбинированной нити с помощью АУ нам необходимо иметь такое сочетание факторов, при котором эти параметры были бы наилучшими. Поэтому для определения оптимальных заправочных параметров технологического процесса воспользуемся комплексным критерием оптимизации. Построение математической модели для комплексного критерия оптимизации включает: - выбор номенклатуры единичных показателей качества; - измерение единичных показателей; - определение весомости каждого из них; - построение выражения для комплексного критерия оптимизации. Первые два этапа рассмотрены в разделе 3.1 и 3.2. В случае использования комплексных критериев возникает необходимость определения весомости того или иного параметра оптимизации [92]. Обработка результатов проводилась согласно методике изложенном в п. 3.2.1.
Определение весомости единичных факторов показателей качества дает возможность перейти непосредственно к комплексному критерию оптимизации. Для его построения воспользуемся методом прямого сравнения. Данный способ наиболее широко применяется в текстильной промышленности для оптимизации технологических процессов [92]. Безразмерный показатель оценивает степень приближения к некоторому эталонному или базовому значению и определяется по формуле: где: у І max " У І mm - максимальное из сравниваемых (при необходимости максимизировать признак) или минимальное из сравниваемых (при необходимости минимизировать) значения і-го показателя. Для нашего случая с точки зрения повышения показателей готового изделия, оба параметра оптимизации должны быть максимальными, то есть 5=1. Результаты представлены в таблице 11. Рабочая матрица для комплексного критерия оптимизации представлена в таблице 11. Дисперсия воспроизводимости определялась по критерию Кочрена для случая, когда опыты повторяются в нулевой точке [90]. Табличное значения критерия GT[pa=0.95; N=20; f=3-l=2]=0,2705 GR= =0.259. Так как GR GT, то гипотеза об однородности опытов не отвергается. Уравнение регрессии для комплексного критерия оптимизации имеет следующий вид: Коэффициенты определялись по формулам [90]. Значимость коэффициентов определялась с помощью критерия Стьюдента при доверительной вероятности рд=0.95, ty= 2.776. Коэффициенты у которых tp tx являются незначимыми. Уравнение регрессии примет вид: Проверка уравнений проводилась по критерию Фишера 2.17= =FR FT:=4.68 [90] показала, что модель адекватна. Полученное уравнение регрессии представляет собой зависимость оптимальных свойств нити от изменения факторов. Определение значений факторов при которых параметр оптимизации стремится к экстремальному значению: проводили по методу Вознесенского [92]. Анализ полученной зависимости по методу Вознесенского показал, что на свойства полученной комбинированной нити оказывают влияние не только технологические, но и конструктивные параметры.
Влияние вида волокнистого компонента и его процентного содержания на свойства комбинироваїпіой нити
Важным показателем качества комбинированной нити для изготовления накладок сцепления является ее способность впитывать связующий состав. Количественно сорбционная способность определяется величиной привеса. От величины привеса зависят не только технологические качества нити (хорошая оформляемость брикета, отсутствие оголенных мест, где возможно передавливай ие нити при оформлении заготовок или прессовании), но и свойства готового изделия, а именно прочность на разнос от действия центробежных сил.
Целю данного эксперимента является определение влияния вида волокнистого компонента и его процентного содержания на величину привеса.
В качестве пропитывающего состава использовался водный раствор латекса СКН-30 МС, в качестве отвердителя смола МС-рЮО-С, время пропитки - 4,5 сек. На рис.20, изображена зависимость величины привеса П, % от вида волокнистого компонента и его процентного содержания. Данные аппроксимируются следующими уравнениями:
Как видно из рисунка 21 максимальный привес достигается при процентном содержании волокнистого компонента нити равной 15-17% для всех вариантов, за исключением варианта с химическими волокнами, где максимум достигается при 12,8%». Так у комбинированных нитей с компонентом из хлопковых волокон при изменении от 12,8 до 15,5% (лен 40%, хлопок 60%) произошло увеличение привеса на 46%. А для нитей с составляющей из смеси льнохлопковых волокон (лен 30%, хлопок 40 %) и чисто хлопковых волокон привес увеличился на 39%. Увеличение для нитей с химическими волокнами при их процентном изменении от 7 до 12,8% произошло на 3%. При дальнейшем увеличении процентного содержания волокон составляющей величина привеса нитей уменьшается (кривые идут вниз). Объясняется это тем, что по мере увеличение доли волокнистой составляющей возрастает рельефность комбинированной нити, повышается число воздушных прослоек между волокнами, что способствует хорошему впитыванию связующего состава. При дальнейшем увеличении содержания волокнистого компонента происходит переуплотнение структуры комбинированной нити и способность впитывать связующий состав становится меньше.
Как видно из данных таблицы 16 и рисунка 20 минимальную величину привеса имеет нить с волокнистым компонентом из химических волокон. Объясняется это плохой адгезией с гладкими химическими волокнами.
Кроме того, необходимо отметить, что абсолютная величина привеса у нити с льнохлопковым (льна 40% и хлопка 60%) компонентом выше, чем у нити с содержанием льна 30% и хлопока 70% на 16%. Можно предположить, что наличие большого количества льняного волокна, который как известно более гигроскопичен, чем хлопок и приводит к большей величине привеса.
Исходя из анализа механических свойств комбинированных нитей с различными волокнистыми компонентами, а так же их величины привеса, можно сделать следующие выводы. Комбинированные нити с волокнистым компонентом из смеси льняных и хлопковых волокон не уступают по своим физико-механическим свойствам нити с волокнистым компонентом хлопковых волокон.
Наилучшими результатами обладает нить с волокнистой составляющей из смеси льна — 40% и хлопка - 60%. Так величина относительной разрывной нагрузки больше на 30% по сравнению с нитями с хлопковыми волокнами, условная удельная работа выше на 15%, а величина привеса увеличилась на 46%.
Оптимальным вариантом с точки зрения увеличения привеса можно считать нить, содержащую 15-17% волокнистой составляющей.
Как было отмечено выше, в состав композиционных фрикционных материалов вводят металлическую проволоку, которая используется в
качестве оплетки (прикручиваемого компонента) и фиксирует композицию. Металлическую проволоку вводят для повышения коэффициента трения и его стабилизации, улучшения теплотовода, уменьшения износа готового изделия.
Цель данного эксперимента является определение числа кручений прикручиваемого компонента, так как оно оказывает существенное влияние на технологический процесс формирования нити (производительность, обрывность проволоки), на свойства комбинированной нити (разрывная нагрузка, разрывное удлинение, привес) и на свойства готового изделия.
Уровни варьирования числа кручений прикручиваемого компонента принимались в соответствии с ТУ «Нить армированная для безасбестовых фрикционных накладок» от 80до 260 кр/м с интервалом варьирования факторов 45.
Были наработаны пять вариантов опытных образцов комбинированных нитей. При определении необходимого числа испытаний исходили из требования, чтобы гарантийная ошибка среднего арифметического не превышала 5-8%.
