Введение к работе
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.
Похожие диссертации на Разработка процесса и оборудования для получения волокнистых материалов вертикальным раздувом истекающей под гидростатическим давлением струи термопласта
