Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологии производства волокна из минеральных расплавов и методов параметров технологического процесса 12
1.1. Способы получения базальтового волокна 13
1.2. Обзор гипотез волокнообразования 19
1.3. Машины и агрегаты для производства базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом 26
1.4. Методы назначения параметров технологического процесса при получении волокна из минеральных расплавов 31
1.5. Цель и задачи исследования 35
Глава 2. Моделирование процесса получения базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом с использованием легкоплавких моделирующих материалов 37
2.1. Критерии подобия при моделировании процесса получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом 37
2.2. Концептуальная модель получения волокнистых материалов способом вертикального раздува воздухом 40
2.3. Параметры технологического процесса получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом 43
2.4. Определение режимов технологического процесса при расчете среднего диаметра штапельного волокна 45
Выводы 49
Глава 3. Исследование процесса получения штапельного базальтового волокна с использованием легкоплавких моделирующих материалов 50
3.1. Экспериментальная установка для моделирования процесса получения базальтового волокна с использованием легкоплавких моделирующих материалов 51
3.2. Методика экспериментального определения свойств расплавленного моделирующего материала 53
3.3. Исследование раздувочной головки для получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом 64
3.4. Определение силы, действующих на струю расплавленного материала...71
3.5. Исследование регулируемой раздувочной головки 79
3.6. Исследование раздувочной головки эжекционного типа 85
3.7. Моделирование процесса получения базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом с использованием расплавленного полиэтилентерефталата 91
3.7.1 Экспериментальная установка для получения штапельного волокна при плавлении полиэтилентерефталата в среде газообразного азота 91
3.7.2. Исследование раздувочной головки для раздува струи расплавленного полиэтилентерефталата 94
3.7.3. Проверка возможности использования в качестве моделирующего материала расплавленный полиэтилентерефталат 99
Выводы 109
Глава 4. Методика определения параметров процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов 110
4.1. Вывод условия возможности использования, результатов моделирования при работе реальных устройств 110
4.2. Использование результатов моделирования при назначении параметров технологического процесса 113
4.3. Устройство измерения диаметра струи расплавленного материала при производстве базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом 116
4.4. Проверка достоверности результатов исследования 122
Основные результаты и выводы 124
Список литературы 126
Приложение 134
- Машины и агрегаты для производства базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом
- Концептуальная модель получения волокнистых материалов способом вертикального раздува воздухом
- Методика экспериментального определения свойств расплавленного моделирующего материала
- Использование результатов моделирования при назначении параметров технологического процесса
Введение к работе
Современные темпы воздействия машиностроительного производства на природу и человека требуют активизации работ по созданию новых экологически чистых материалов для тепло — звукоизоляции в машиностроении. Наибольший интерес из таких материалов представляет базальтовое волокно, получаемое из природных минералов путем их расплава без использования химических добавок. Спрос на него в настоящее время превышает предложение. Конструктивные элементы машин и агрегатов, изготовленные из композиционных материалов на основе минерального базальтового волокна, выдерживающих высокую температуру, широко используются в качестве тепловой и акустической изоляции, в фильтрах и других изделиях технологического оборудования.
Однако машины и агрегаты для производства таких материалов и изделий из них далеки от совершенства. Анализ работы действующих предприятий, анализ патентной и технической литературы показал, что процессы получения материалов из базальта изучены слабо, производительность установок для их производства не соответствует энергетическим затратам, качество волокна часто не соответствует техническим условиям и, кроме того, такие установки сами по себе, производя экологически чистый продукт, являются источником загрязнения окружающей среды.
Наибольший интерес среди известных технологических процессов получения волокна из минеральных расплавов представляет процесс, суть которого заключается в получении вертикально падающей струи расплавленного материала с последующим ее раздувом потоком сжатого воздуха . Этот процесс не требует двойного плавления исходного сырья и может обеспечить получение качественного волокна с высокой производительностью. Внедрение процесса получения штапельных волокнистых материалов способом вертикального раздува воздухом
сдерживается отсутствием научно обоснованных методов определения рациональных режимов технологического процесса поэтому, работы в направлении создания таких методов актуальны.
Целью работы является разработка метода экспериментального определения основных геометрических и физических параметров процесса получения штапельного базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом.
Достижение поставленной цели обеспечено решением следующих задач:
разработкой экспериментальной установки для моделирования процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов способом вертикального раздува воздухом с применением легкоплавких моделирующих сред;
предложением концептуальной модели процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов способом вертикального раздува воздухом и выполнением ее экспериментальной проверки путем моделирования процесса с применением легкоплавких моделирующих сред;
разработкой методики и выполнением экспериментальных определений физических свойств расплавленного моделирующего материала, сил поверхностного трения и аэродинамических сил, действующих на струю расплавленного материала в процессе волокнообразования;
разработкой новых конструкций и определения основных характеристик раздувочных головок для моделирования процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов с применением элементов теории подобия и легкоплавких моделирующих сред;
- обоснованностью возможности практического использования результатов моделирования при назначении параметров процесса получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом;
На защиту выносятся методика моделирования процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов способом вертикального
раздува воздухом с применением легкоплавких моделирующих сред, результаты экспериментального исследования раздувочных головок для получения штапельного волокна из легкоплавких моделирующих материалов, методика определения основных параметров технологического процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов, основанная на результатах моделирования процесса с применением легкоплавких моделирующих материалов на основе теории подобия.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ходе выполнения теоретических и экспериментальных исследований лично автором:
получены экспериментальные данные, характеризующие основные параметры и критерии подобия процесса образования штапельного волокна из минеральных расплавов способом вертикального раздува воздухом с применением легкоплавких моделирующих материалов;
- получена расчетная зависимость для вычисления среднего диаметра
элементарных волокон при получении штапельного волокна из минеральных
расплавов способом вертикального раздува воздухом, учитывающая основные
геометрические и физические параметры процесса;
- разработана и подтверждена результатами промышленных испытаний новых
конструкций раздувочных головок методика экспериментально-расчетного
определения основных геометрических и физических параметров процесса
получения штапельного волокна из минеральных расплавов способом
вертикального раздува воздухом.
Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что разработан и апробирован научно-обоснованный метод экспериментального определения основных геометрических и физических параметров процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов способом вертикального раздува воздухом реализация которого, на стадии проектирования реального промышленного оборудования для производства волокна, позволяет сократить сроки и затраты на его внедрение. Разработаны
конструкции раздувочных головок для раздува струи расплавленного материала с образованием штапельного волокна, применение которых обеспечивает получение качественной продукции.
Результаты работы использованы в научно-производственной деятельности ООО «Маркет» (г.Воткинск, Удмуртской республики) и в учебном процессе Боткинского филиала ГОУ ВПО «Ижевского технического университета».
Основные положения диссертационной работы докладывались:
- на Международной научно-технической конференции «Информационные
технологии в инновационных проектах» (г.Ижевск 2003г);
- на Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в
машиностроении-2001» (г.Пенза, октябрь 2001 г);
на Региональной научно-технической конференции «Социально-экономические проблемы развития Уральского региона» (г.Чайковский, апрель 2001 г);
на Научно-методической конференции Боткинского филиала ИжГТУ (г.Ижевск, декабрь 2003 г);
на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения и приборостроения» Боткинского филиала ИжГТУ в 2001-2004 гг.
Результаты работы опубликованы в семи сборниках научных публикаций.
Работа состоит из четырех глав, в которых представлен анализ состояния вопроса, поставлены цели и задачи исследований, приведены результаты экспериментальных исследований, а также основные результаты внедрения. Объем работы - 133 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 6 таблиц, 72 наименований использованных источников литературы.
В первой главе диссертации приведен анализ наиболее перспективных
способов получения штапельного волокна из минеральных расплавов,
подтверждающие преимущества получения штапельного базальтового волокна
способом вертикального раздува воздухом. Представлена методика
определения параметров технологического процесса их производства и основные гипотезы волокнообразования. Рассмотрены существующие методы назначения параметров технологического процесса при получении волокна из минеральных расплавов, в результате которых установлено, что все известные методы определения параметров технологического процесса требуют проведения предварительных испытаний уже изготовленного оборудования и назначения таких параметров опытным путем, со значительными затратами по освоению технологии. Поэтому, на основании вышеизложенного автор считает, что наиболее целесообразным и с меньшими затратным может явиться способ определения рациональных параметров технологического процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов, который основан на моделировании процесса с применением легкоплавких моделирующих сред в лабораторных условиях. На основе выполненного обзора научной, технической и патентной литературы, изучения действующего оборудования для производства штапельного волокна из минеральных расплавов сформулирована цель работы и определены задачи исследования.
Во второй главе диссертации представлена концептуальная модель процесса получения волокнистых материалов способом вертикального раздува воздухом из струи расплавленного минерального материала, рассмотрены методы моделирования при определении рациональных параметров технологического процесса. Представлены критерии подобия, которые необходимо учитывать при моделировании процесса взаимодействия струи расплавленного материала с потоком воздуха, дана характеристика основных параметров технологического процесса, необходимых для моделирования процесса с применением легкоплавких моделирующих материалов.
В третьей главе диссертации представлены результаты моделирования процесса получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом. Представлено описание экспериментальной установки для моделирования процесса получения базальтового волокна
11 способом вертикального раздува воздухом с применением легкоплавких моделирующих материалов. Даны результаты исследований раздувочных головок, представлена методика определения сил поверхностного трения действующих на струю расплавленного материала и силу аэродинамического сопротивления, действующую на сфероподобные утолщения, образование которых подтверждению экспериментально. Приведены результаты моделирования процесса получения базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом с использованием в качестве моделирующего материала расплавленный полиэтилентерефталат.
В четвертой главе диссертации приведена методика определения параметров процесса получения штапельного волокна из минеральных расплавов способом вертикального раздува воздухом, основанная на результатах моделирования процесса с применением легкоплавких моделирующих материалов. Даны рекомендации по расчету и проектированию раздувочных головок для раздува струи расплавленного материала в штапельное в волокно.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы, представляющие научную и практическую ценность.
Машины и агрегаты для производства базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом
В настоящее время для производства базальтового волокна распространен дуплекс процесс [36,39,56,63,64], в котором для получения первичной базальтовой нити используется платинородиевая фильера (98% платины). Базальтовая крошка плавится в газовой печи. Расплав сливается через отверстие раскаленной до белого сечения платинородиевой фильеры, образуя нити, подаваемые валками, на вторичный разогрев газовым потоком, расщепляющим их на элементарные волокна, осаждаемые на сетчатый барабан. Масса платинородиевой фильеры около 2,8 кг, а съем с такой фильеры не превышает 50 т волокна в год при непрерывном производстве. Ее стойкость невысока - не более трех месяцев, после чего требуется ремонт с дополнительным расходов драгметаллов. Известный процесс является достаточно энергоемким, что определяет высокую цену волокна. В настоящее время широкое применение находит способ, основанный на индукционной плавке в холодных тиглях базальтовой крошки в сочетании с вертикальным раздувом воздухом струи базальтового расплава [56]. Схема процесса получения базальтового волокна данным методом приведена на рис.5. На каждом из этих рисунков в центральной части показана последовательность технологического процесса, слева указаны источники энергии, необходимые для реализации отдельных переходов технологического процесса, а справа указаны режимы технологического процесса, которые необходимо поддерживать для получения качественного волокна. При производстве волокна таким методом необходимы электрическая энергия для плавления исходного сырья — базальтовой крошки, сжатый воздух — для раздува расплавленной струи в штапельное волокно и технологическая вода для охлаждения отдельных узлов оборудования.
Схема установки по производству волокна способом вертикального раздува воздухом представлена на рис.6. Она построена по модульно-блочному принципу, позволяющему обслуживать отдельные модули без остановки производства в течении нескольких месяцев. Первый модуль включает в себя индукционную печь для получения базальтового расплава. Второй модуль включает в себя узел раздува струи расплава в штапельное волокно. Третий модуль - формирующий узел — состоит из диффузора, перфорированного барабана и приемно-накопительного барабана. Измельченная базальтовая крошка с размером зерен 3-15 мм с помощью дозатора и устройства распределения равномерно подается на все зеркало расплава водоохлаждаемого тигля. Крошка базальта, попавшая в плавильную часть, индукционной печи (поз.1), под действием токов высокой частоты, плавится при температуре 1230 - 1420С, превращаясь в расплав. Такое же количество расплава вытесняется поступившей базальтовой крошкой и сливается из .тигля. Струя расплавленного материала, диаметром 5-8 мм, поступает в раздувочную головку (поз.2), где под действием высокоскоростного потока воздуха, скорость которого достигает 200-300 м/с, расщепляется в штапельное волокно толщиной 3 — 8 мкм., длинной 200-600 мм . Пряжа из штапельного волокна, за счет разряжения, создаваемого дымоотсосом, попадает по диффузору (поз.7) на сетку конвейера. На сетке конвейера, образуется холст из перемешанных между собой штапельных волокон. Холст наматывается и по мере накопления до определенной толщины разрезается и удаляется. Холст в виде рулона взвешивается, маркируется, оборачивается в оберточную бумагу и складывается в штабеля высотой не более 2,5-3,0 метра. Существенными отличиями процесса, основанного на непрерывной индукционной плавке базальтовой крошки в холодных тиглях с последующим вертикальным раздувом струи расплавленного материала в штапельное волокно, является следующие. Индукционная плавка позволяет получить большую температуру расплава по сравнению с ванными газовыми печами, которые используются при дуплексном процессе получения базальтового волокна, что обеспечивает его более низкую вязкость при раздуве в штапельное волокно. Этот факт является определяющим в изготовлении штапельного волокна в одну стадию - непосредственно из струи расплавленного материала, минуя процесс изготовления первичных нитей, что позволяет снизить потребление энергии и, в конечном итоге приводит к резкому снижению стоимости продукта. Следует особо отметить, что выход из рабочего режима может проводиться многократно без нанесения ущерба оборудованию, так как в нем отсутствуют компоненты, плохо переносящие термоциклические воздействия.
Задача обеспечения требуемого качества штапельного волокна из минеральных расплавов может быть решена только при условии правильного назначения параметров технологического процесса его производства. Опыт производства холстов из супертонкого базальтового волокна дуплексным способом, полученный на опытно-промышленной установке в г.Воткинске [39,67] показал, что незначительное, на З...6%, изменение температуры расплавленного базальта в плавильной печи приводит к существенному изменению его вязкости. В результате этого изменяются условия образования достаточно прочных и тонких первичных нитей, что приводит или к обрыву нитей, или к существенному увеличению концентрации неволокнистых включений. Такое же существенное влияние оказывают и изменение уровня расплава в печи, температура и скорость газового потока, истекающего из сопла раздува и другие параметры процесса.
Концептуальная модель получения волокнистых материалов способом вертикального раздува воздухом
Задача обеспечения требуемого качества штапельного волокна из минеральных расплавов может быть решена только при условии правильного назначения параметров технологического процесса его производства. Опыт производства холстов из супертонкого базальтового волокна дуплексным способом, полученный на опытно-промышленной установке в г.Воткинске [39,67] показал, что незначительное, на З...6%, изменение температуры расплавленного базальта в плавильной печи приводит к существенному изменению его вязкости. В результате этого изменяются условия образования достаточно прочных и тонких первичных нитей, что приводит или к обрыву нитей, или к существенному увеличению концентрации неволокнистых включений. Такое же существенное влияние оказывают и изменение уровня расплава в печи, температура и скорость газового потока, истекающего из сопла раздува и другие параметры процесса.
Решение этой задачи может быть получено либо на основе строгой стройной теории, либо экспериментально, либо параметры процесса должны быть определены опытным путем, непосредственно в процессе производства. Экспериментальные исследования могут быть реализованы либо на физических моделях (экспериментальные установки, производственные установки), либо на математических моделях. Эксперименты на физических моделях требуют дополнительных затрат, а эксперименты в производственных условиях нарушают отлаженный производственный цикл.
Построение математических моделей, адекватно описывающих данную технологию, позволяет развивать информационную и методическую базу, на основе которой в дальнейшем можно вести теоретические разработки. Познавательным значением таких моделей является понимание инженерным персоналом сущности явлений, сопровождающих процесс производства. Прагматическим значением моделей может быть их использование в управлении процессом производства.
Первый метод определения параметров технологического процесса получения волокна по дуплексной технологии, основанный на подробном рассмотрении математической модели волокнообразования аналитическими методами, показан в работах Тимофеева Л.В. [58,36,86,72]. Он декомпозировал технологический процесс на отдельные, связанные между собой стадии (плавление базальтовой крошки, формирование устойчивых капель, получение первичных нитей, формирование потока горячих газов, плавление первичных нитей, раздув волокон, транспортирование волокон в зону осаждения, формирование холста и т.д.).
Процесс формирования затравочной капли на фильере можно описать дифференциальными уравнениями движения расплава, протекающим в два этапа. Первый этап - ускоренное движение жидкости под действием гидростатических сил и сил поверхностного натяжения по фильере . Второй этап — замедление движения и его прекращение под действием сил поверхностного натяжения при смачивании среза фильеры . В работе [58] приведены уравнения, которые описывают эти процессы.
Процесс формирования первичных нитей по аналогии с каплеобразованием тоже описан дифференциальными уравнениями. Однако в связи с тем, что вытягивание первичной нити на начальном этапе производится оператором, определение силы инерции присоединенной массы проблематично. В установившемся режиме из условия неразрывности потока расплава в фильере и на выходе из нее справедливо уравнение: где Уф = dy / d t. Задача охлаждения при вытягивании и нагревания перед раздувом первичной нити сводится к классической изотермической задаче теплообмена бесконечно длинном цилиндре с окружающей средой с известной температурой. Определив длину расплавленной части нити Тимофеев Л.В. получил уравнение теплового баланса, анализ которого представлен в работе [58].
Если воспользоватья рекомендациями [58], то аналогично можно рассмотреть и процесс получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом струи расплавленного материала, истекающего из сопла в атмосферу и получить систему уравнений: - уравнение теплового баланса струи расплавленного материала; - уравнение длины нити, при плавлении которой образуется капля, силы поверхностного натяжения которой у основания превосходят аэродинамические силы; - уравнение динамического равновесия жидкой капли на первичной нити ; - критериальное уравнение теплоотдачи для омывания потоком поперечных тонких проволочек (нитей). При этом получим математическую модель квазистационарного процесса аэродинамического и теплового взаимодействия потока воздуха, истекающего из сопла, окружающего струю расплавленного материала с этой струей. Такая модель позволит связать все основные параметры процесса и получить в результате методику назначения параметров процесса, о которой идет речь. Однако, для создания такой методики потребуется не менее трех лет напряженной научной работы. Но даже, если такая методика будет создана, то для ее практической проверки потребуется изготовить действующую установку.
Методика экспериментального определения свойств расплавленного моделирующего материала
Качество базальтового волокна, получаемого по рассматриваемой схеме, зависит от качества исходного сырья, температуры расплавленного материала, от которой зависят вязкость и поверхностное натяжение расплавленного материала, от размеров фильерного питателя, через который происходит вытягивание струи расплавленного материала и от параметров потока воздуха, истекающего из раздувочной головки [51,29,27,22,20]. Определение рациональных параметров технологического процесса с меньшими затратами возможно, после его моделирования с использованием легкоплавких моделирующих материалов. Изучение процесса производства минеральной ваты на легкоплавких моделирующих материалов облегчает постановку экспериментов и позволяет, пользуясь принципом подобия, изучить основные закономерности рассматриваемого процесса. Поэтому моделирование процесса получения штапельного волокна способом вертикального раздува воздухом изучалось на расплавленных сахаре и полиэтилентерефталате, с последующей проверкой основных выводов на расплавленном базальте. Физические характеристики расплавленного сахара (его плотность, вязкость и поверхностное натяжение) были определены экспериментально, результаты и методика экспериментов представлена в следующих параграфах. материалов Для экспериментального исследования процесса получения базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом, с использованием легкоплавких материалов, была разработана и изготовлена экспериментальная установка, показанная на рис. 3.1 [41]. Установка включает в себя стальной сосуд (поз.1) объемом 250 мл, вокруг наружной цилиндрической поверхности которого, размещен электрический нагревательный элемент (поз.2) мощностью 1,5 кВт, установленные в корпусе с крышкой. В нижней части сосуда имеется конический осевой канал - фильера диаметром 6 мм, через который поступает из сосуда расплавленный материал. Расход расплавленного материала через фильеру, регулируется штоком (поз.З), расположенным в центральной части сосуда. Температура расплавленного материала контролируется с помощью термопары (поз.4), которая соединена с релейным регулятором температуры. Релейный регулятор температуры представляет из себя прибор, на котором устанавливается рабочая температура расплавленного материала и блок управления, который соединен с нагревательным элементом. Таким образом, температура расплавленного материала в сосуде, контролируется в автоматическом режиме, при этом максимальный диапазон температуры составляет до 500С. В верхней части сосуда предусмотрен клапан для подачи сжатого воздуха или азота в сосуд с расплавленным материалом, давление которого контролируется образцовым манометром. В нижней части сосуда установлена раздувочная головка (поз.5) для раздува струи расплавленного материала. Габаритные размеры экспериментальной установки составляют 600X200X200. Кроме этого экспериментальная установка содержит блок подготовки воздуха - состоящего из компрессора, ресивера, фильтра -влагомаслоотделителя (на схеме не показаны), пневматического регулятора давления, манометра с пределом измерения 0,4 МПа класса точности 0,6.
При моделировании процесса получения базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом в качестве моделирующего материала, использовался расплавленный сахар. Его физические характеристики (плотность, вязкость и поверхностное натяжение) были определены экспериментально. При определении плотности расплавленного сахара использовались гидростатические весы [35,48]. Для этого необходимо знать:
Для измерения можно использовать любое твердое тело, не плавающее на поверхности одной из жидкостей. Знать его объем и плотность не обязательно. Для измерения массы тела в жидкости, используем гидростатические весы на которые закрепляется грузик. При погружении грузика в жидкость, он изменяет свою массу следовательно, пружина деформируется. По деформации пружины определяется на сколько изменилась масса. Результаты тарировки пружины приведены в таблице 3.1. Схема опытной установки для определения плотности сахара представлена на рис.3.2.
Важнейшими свойствами расплавленного материала, влияющими на процесс волокнообразования, во всех гипотезах считаются вязкость, поверхностное натяжение и характер нарастания вязкости при изменении температуры [1,2,3,8,10,54].
Существует три основных метода определения динамической вязкости жидкости - метод Стокса, метод Пуазейля и метод Энглера [35,48]. Определение вязкости жидкости методом Стокса заключается в следующем: на движущийся в жидкости шарик действует сила внутреннего трения, тормозящая его движение. По закону Стокса эта сила равна: Для определения вязкости методом Стокса требуется прибор Стокса, стальные шарики, микрометр, масштабная линейка, секундомер, вискозиметр ВЗ-1. Определение вязкости расплавленного сахара данным методом затруднительно, из-за непрозрачности сахара и невозможности точно определить время движения шарика в жидкости.
Определение вязкости методом Энглера заключается в следующем. Для измерения кинематической вязкости рабочих жидкостей используется цилиндрический резервуар, переходящий в полый конус с соплом. Суть метода заключается в том, что время истечения жидкости из резервуара через фильеру будет зависеть от вязкости жидкости. Умножая время истечения жидкости на поправочный коэффициент вискозиметра (для каждого вискозиметра он свой), найдем условную вязкость данного материала. А если поправочный коэффициент выразить через постоянную вискозиметра, можно найти динамическую вязкость исследуемой жидкости.
Использование результатов моделирования при назначении параметров технологического процесса
При постоянном питающем давлении расход воздуха через систему будет зависеть от диаметра измеряемой струи, проходящей через измерительные сопла 10 устройства измерения, т.к. изменение диаметра струи приводит к изменению площади проходного сечения измерительных сопел. Расход воздуха контролировался преобразователем расхода, имеющим вихревую камеру 2 с тангенциальными питающими соплами 3 и помещенный в нее чувствительный элемент 4 в виде тела вращения. Главной отличительной особенностью такого преобразователя является чувствительный элемент, выполненный в виде ролика 5 с диском 6. Чувствительный элемент свободно размещен относительно полуограниченной вихревой камеры так, что ролик помещен внутрь камеры, а диск перекрывает ее при любом положении чувствительного элемента. Относительные размеры чувствительного элемента таковы, что диаметр ролика составляет от 75 до 95% диаметра вихревой камеры, а сумма радиусов ролика и диска больше диаметра вихревой камеры. Такое конструктивное решение позволяет чувствительному элементу совершать планетарные движения по периферийной внутренней цилиндрической поверхности вихревой камеры без реактивных сил трения скольжения, что несомненно повысит точность и надежность этого устройства. Планетарный преобразователь расхода работает следующим образом. При наличии потока измеряемой среды через тангенциальные каналы вихревой камеры в последней образуется его закрученное течение, которое выходя из вихревой камеры образует воздушную подушку между верхним срезом 7 вихревой камеры и диском чувствительного элемента. Таким образом, контакт чувствительного элемента с вихревой камерой осуществляется лишь по линии соприкосновения их цилиндрических поверхностей. Это приводит к тому, что под воздействием закрученного потока в вихревой камере на ролик чувствительного элемента последний совершает планетарные движения в камере без трения скольжения. Такие схемы обычно называют безопорными. При планетарном движении чувствительного элемента в вихревой камере возникают два вида его относительных движений. Во-первых, это непосредственно обкат чувствительного элемента, при котором его ось симметрии движется вокруг оси вихревой камеры в направлении соответствующем направлению закрутки потока. А также вращение чувствительного элемента вокруг своей оси в направлении противоположном направлению потока. Соотношение частоты обкатов и частоты вращения чувствительного элемента вокруг своей оси зависит от соотношения диаметров вихревой камеры и ролика. В крышкусверху вмонтирована оптическая пара 8 - источник и приемник инфракрасного излучения — таким образом, что их оси ориентированы вертикально и параллельно друг другу. Верхняя плоская поверхность фланца чувствительного элемента является поглощающей для излучения источника оптопары. Отражающей является металлическая поверхность 7 среза вихревой камеры. Таким образом, при движении чувствительного элемента под оптической парой отражающая поверхность сменялась поглощающей с частотой равной частоте его обкатов. Оптическая пара работала в данном случае "на отражение" и была включена в электронную схему 9 - формирователь импульсов - на выходе которой возникал дискретный периодический сигнал с амплитудой 5 вольт и частотой равной частоте обкатов чувствительного элемента. Этот сигнал может обрабатываться любым частотомерным устройством или через параллельный портЬРТІ персональным компьютером.
В самом устройстве измерения струи расплавленного материала также установлена оптопара 11, которая предназначена для контроля наличия струи в датчике и предотвращения аварийной ситуации.
С целью исследования основных характеристик измерительного устройства был проведен эксперимент. Экспериментально определялась статическая характеристика — зависимость расхода Q воздуха от диаметра d нити (0.2-0.5 мм) давление составляло Рп = 0,05 МПа. Результаты эксперимента представлены на рис.4.6. Статическая характеристика имеет основной линейный участок в диапазоне от 25% диаметра измерительных сопел 11 с достаточно высоким показателем линейности (квадрат коэффициента корелляции экспериментальных данных и линейной аппросимации R2 = 0,9999). Именно этот диапазон можно рекомендовать при проектировании таких устройств. Параллельно производилось определение зависимости напряжения U на фотоприемнике оптопары от диаметра d нити. К фотоприемнику был подключен операционный усилитель 12 с которого с помощью цифрового вольтметра 13 снималось выходное напряжение.
Результаты, которые были получены в процессе данного эксперимента представлены на рис.4.7. Данная характеристика линейна на всем диапазоне измерения, но имеет большую погрешность по сравнению с предыдущей.
Преобразование диаметра струи расплавленного материала в электрический сигнал таким способом (по интенсивности излучения) является неприемлемым, т.к. оптопара в данном случае работает в инфракрасном диапазоне, а сама базальтовая струя имеет достаточно высокую температуру, что вызовет большую погрешность измерения (эксперимент проводился с холодной нитью). Вместе с тем этот способ может быть применен для подобных случаев, но с холодными объектами с постоянным коэффициентом поглощения.
Случайная погрешность при экспериментальном определении зависимости Q(d) составила в середине диапазона измерения 5Q = 0,47%, что соответствует доверительному интервалу 0,373-10"6 м3/с при вероятности 0,95. Погрешность эксперимента U (d) составила 8ц = 0,77% от среднего значения, при доверительном интервале 0,01 в и той же вероятности.
