На правах рукописи
ПАНИН МИХАИЛ ИВАНОВИЧ
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА БАЗЕ МОТАЛЬНЫХ ПАКОВОК СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре ткачества Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Николаев Сергей Дмитриевич
Официальные оппоненты: Скуланова Нина Сергеевна
доктор технических наук, профессор
кафедры прядения федерального
государственного бюджетного
образовательного учреждения
высшего профессионального
образования Московский
государственный текстильный
университет имени А.Н. Косыгина
Лабок Владимир Георгиевич
Кандидат технических наук, генеральный
Директор ОАО ЦНИИМашдетель
Ведущая организация: ООО НПК ЦНИИШерсть
Защита состоится л29 ноября 2012 г. В 15 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.139.02 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина, расположенного по адресу: 119071, г. Москва, ул Малая Калужская, д.1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина.
Автореферат разослан л 2012 г.
Ученый секретарь Диссертационного Совета
доктор технических наук, профессор Ю.С. Шустов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Разработка технологии выработки и исследование свойств армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения является актуальной задачей, решение которой позволит:
Создать однопроцессный способ формирования как цельных композитов, так и отдельных элементов конструкций на основе разверток намоток;
Разработка и применение специального мотального оборудования позволяет формировать мотальные паковки специального назначения требуемых структур, заданных типоразмеров и формы.
Все существующие до настоящего времени технологии формирования армирующих компонентов композитов многостадийны, и требуют своего развития.
Цель исследования
Целью данной диссертационной работы является разработка однопроцессного способа формирования армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения, обладающих заданными качественными показателями и свойствами.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- проводится сравнительный анализ способов изготовления армирующих компонентов композиционных материалов с использованием текстильных технологий;
- разработан способ формирования плоских армирующих компонентов композитов с использованием разверток намоток мотальных паковок;
- разработан способ формирования армирующих компонентов требуемой структуры и типоразмеров на базе мотальных паковок специального назначения;
- разработаны теоретические основы формирования армирующих компонентов композитов на базе мотальных паковок заданной формы намотки;
- разработана конструкция мотального оборудования, обеспечивающего формирование мотальных паковок заданной формы и типоразмеров;
- проведены экспериментальные исследования процесса формирования армирующих компонентов плоской формы и цельных изделий произвольной формы на базе мотальных паковок специального назначения;
- проведен теоретический расчет прочностных характеристик композиционных материалов, формируемых намоткой;
- разработана программа автоматизированного расчета прочностных характеристик композиционных материалов, формируемых намоткой;
- проведен расчет экономической эффективности и анализ затрат на производство армирующих компонентов композитов ткачеством и намоткой для внедрения в реальное производство.
Методы и средства исследования
В работе методической и научной основой проводимых исследований являлись труды ведущих российских и зарубежных ученых текстильщиков, посвященные процессу перематывания нитей. Теоретические исследования основаны на современных научных теориях по созданию композиционных материалов, при использовании ПЭВМ и новейших средств исследования.
Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях ОАО Ковротекс г. Димитровград и ЗАО Институт углеродных материалов и технологий г. Москва.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ процесса формирования мотальных паковок специального назначения, а также получения на их базе плоских (листовых) и объемных (цельных) армирующих компонентов композиционных материалов заданных типоразмеров, формы и структуры намотки.
В диссертации:
- разработан способ формирования плоских (листовых) армирующих компонетов композиционных материалов на базе разверток намотки мотальных паковок специального назначения;
- определены структура намотки мотальных паковок, обеспечивающая максимально возможный для текстильных материалов коэффициент заполнения композита армирующим компонентом kз=0,785.
- разработаны теоретические основы конструкций мотального оборудования, обеспечивающих формирование мотальных паковок специального назначения заданной формы намотки и структуры;
- созданы теоретические основы процесса формирования намоткой армирующих компонентов композиционных материалов заданной структуры, размеров и формы намотки с максимально возможным коэффициентом заполнения композита;
- разработаны теоретические основы расчета прочностных характеристик композиционных материалов формируемых намоткой с использованием ПЭВМ;
- разработанные промышленные образцы мотального оборудования для формирования намоткой плоских и объемных армирующих компонентов композитов заданных типоразмеров, структуры и формы намотки;
- получены опытные образцы листовых композиционных материалов сформированные намоткой, а также объемные композитные изделия заданной структуры намотки углеродных нитей на оправки.
Практическая значимость
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработаны способы формирования плоских (листовых) и цельных (объемных) армирующих элементов композиционных материалов однопроцессным способом (намоткой), что резко снижает истирающие воздействия на нити, сохраняя их высокие прочностные характеристики и снижает себестоимость выпускаемых изделий;
- разработаны и созданы новые конструкции мотального оборудования для формирования армирующих компонентов композиционных материалов намоткой нитей на оправки заданной формы и типоразмеров;
- разработаны методы автоматизированного расчета величины передаточного отношения от нитеводителя к паковке, необходимого для формирования требуемых структур композиционных материалов, а также расчета их прочностных характеристик.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
- V Всероссийская научно-практическая конференция Инновационные технологии в обучении и производстве, Камышинский технологический институт 2008 г.
- Всероссийская научно-техническая конференция Текстиль XXI века 2007 г.
- Научно-техническая конференция Техтекстиль 2007, г. Димитровград
- Международная научно-техническая конференция Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2010), МГТУ имени А.Н. Косыгина, г. Москва
Работа удостоена Золотой медали ВВЦ.
Достоверность результатов работы
Достоверность и обоснованность основных положений работы и выводов подтверждаются согласованностью результатов, теоретических и экспериментальных исследований и базируются на современных методах матанализа технологических процессов перематывания нитей. Экспериментальные исследования позволили сформировать намоткой как листовые (плоские), так и объемные композиты из углеродных нитей. Результаты работы внедрены на ОАО Ковротекс г. Димитровграда.
Публикации
Основные результаты работы отражены в 22 работах, из них 4 патента, 13 статьи, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК, 5 тезисов докладов научно - технических конференций.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста и состоит из пяти глав, общих выводов по работе 12, 3 приложений, списка использованной литературы, включающего 65 наименование источников, включает 12 таблиц и 39 иллюстраций.
Содержание работы
Во введении приведено обоснование выбора темы исследования, её актуальность, отражена научная новизна и практическая значимость работы, сформулирована цель и задачи исследований.
Глава I диссертационной работы посвящена анализу технологических процессов изготовления композитов с использованием текстильных материалов и технологий.
Критический анализ технологических процессов создания армирующих компонентов для композиционных материалов на базе текстиля показал, что большинство существующих технологий многостадийны, энерго- и трудозатраты, снижают прочностные характеристики исходного сырья (углеродных нитей) вследствие многократного истирания их о направляющие органы технологического оборудования, а главное они не позволяют формировать структуры композитов с максимальным коэффициентом заполнения их объема текстильным армирующим компонентом.
Оптимальным, для формирования армирующих компонентов композитов, следует считать однопроцессный способ формирования мотальных паковок специального назначения, позволяющий не только снизить вредное воздействие на нити и сократить отходы производства, но и снизить себестоимость изготовления конечного продукта.
Определено направление исследований по созданию новых способов формирования плоских и объемных армирующих компонентов заданной формы с помощью намоток.
Во второй главе приведены исследования структур намоток мотальных паковок и возможности их использования в качестве армирующих элементов композиционных материалов.
Анализ существующих структур намотки мотальных паковок показал, что наиболее широкое применение в создании композиционных материалов должна иметь сомкнутая намотка, как максимально плотноемкая и устойчивая к механическим воздействиям.
Для формирования мотальных паковок заданной структуры намотки необходимо обеспечить расчетное значение величины передаточного отношения от нитеводителя к веретену, которое выражается иррациональным числом и с помощью алгоритма Евклида может быть выражено, через подходящие цепные дроби. Расчет величины передаточного отношения может быть выполнен, с помощью специальной программы, составленной для ПЭВМ, на языке Турбо Паскаль, в зависимости от требуемых исходных параметров:
d - диаметр нити условный, мм
р - степень замыкания намотки;
k - число оборотов кулачка нитераскладчика за цикл движения нити;
z - кратность замыкания намотки;
Н - высота паковки.
Теоретические и экспериментальные исследования процесса формирования мотальных паковок сомкнутой, р-замкнутых и спиралевидных намоток показали, что изменяя структуру намотки можно управлять и коэффициентом заполнения объема композитов армирующим компонентом, что особенно важно при создании максимально легких материалов для авиа и космического машиностроения.
Так, при формировании сомкнутых намоток на цилиндрических паковках число витков в объемном слое:
(1)
где k - число оборотов пазового кулачка за цикл движения нити;
- общее передаточное отношение от нитераскладчика к паковке при сомкнутой намотке;
2b - большая ось эллипса (поперечник) нити;
х - минимальное расстояние между витками одного слоя намотки. Суммарная длина витков нити в объемном слое:
(2)
где D - диаметр намотки объемного слоя;
Н - высота намотки паковки;
- угол скрещивания витков.
Масса объемного слоя намотки:
(3)
Где N - номер наматываемой нити.
Решая задачу по определению удельной плотности сомкнутой намотки, используя выражения 1, 2 и 3, находим, что независимо от волокнистого состава нити, коэффициент заполнения объема намотки волокнистым армирующим компонентом будет равен:
(4)
И он является максимально возможным для всех текстильных структур, включая ткани, трикотаж, нетканые материалы и т.д., формируемые на текстильном оборудовании.
Во второй главе также проведено исследование структур намотки мотальных паковок с помощью разверток, которые позволяют рассмотреть взаимное расположение нитей в слоях намотки, совмещенных с плоскостью.
Развертывающимися могут быть не все поверхности, а только те, которые могут быть совмещены с плоскостью без складок и заломов.
В качестве армирующих компонентов композиционных материалов могут использоваться и сами развертки, которые могут формироваться как на неподвижных оправках, так и на паковках, перемещающихся в осевом направлении, что расширяет технологию их изготовления.
В завершении второй главы приведены теоретические исследования прочностных характеристик композиционных материалов различных структур с помощью ПЭВМ, которые позволяют выбрать требуемую структуру в зависимости от материала, типоразмеров и формы намотки нитей на оправку.
В третьей главе представлены исследования процесса формирования армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок заданной формы намотки.
Определена закономерность движения нитеводителя при наматывании паковок произвольной формы.
Сделан также вывод о том, что для сохранения структуры намотки (её удельной плотности и требуемого коэффициента заполнения композита армирующим компонентом), необходимо выполнение условия:
, (5)
где соответственно:
- приращение толщины намотки на различных участках паковки;
- удельная плотность намотки на соответствующих участках паковки;
- скорость движения нитеводителя на соответствующих участках намотки.
Выражение (5) позволяет сделать вывод о том, что на участках паковки произвольной формы с большей толщиной намотки скорость движения нитеводителя должна быть меньше.
Однако в любом случае, при формировании паковок произвольной формы большой кривизны сухим способом (без спецпропиток клеевым составом нитей), необходимо выполнение условия формы профессора А.П. Минакова.
В данной главе представлен метод определения величины угла поворота мотальной паковки при образовании на ней заданной формы намотки, что позволяет формировать армирующие компоненты композитов заданной формы и структуры.
Для этого, введено понятие эквивалентного полого цилиндра, объем которого равен объему тела намотки произвольной формы с одинаковыми коэффициентами заполнения армирующим компонентом.
Радиус намотки эквивалентного цилиндра:
(6)
где R - текущий радиус намотки паковки произвольной формы;
S - перемещение нитеводителя вдоль образующей паковки.
Доказано, что формирование мотальных паковок произвольной формы намотки, ограниченные поверхностями положительной кривизны, могут быть сформированы на машинах с механизмом сокращения хода нитеводителя.
Четвертая глава отражает результаты экспериментальных исследований по формированию намоткой армирующих компонентов композитов заданной формы.
Поскольку для формирования мотальных паковок со стабильной структурой необходимо величину передаточного отношения от нитеводителя к веретену сохранять постоянной в течении всего процесса намотки, то при наматывании паковки произвольной формы частота вращения кулачка нитеводителя nк - будет уменьшаться, ввиду уменьшения частоты вращения веретена - nв (для сохранения постоянства максимальной окружности скорости наматывания). А так как , то будет уменьшаться скорость перемещения глазка нитеводителя на любом участке намотки.
В связи с этим, формулу для определения приращения толщины намотки паковки при повороте её на угол следует записать в виде:
(7)
где Т - линейная плотность наматываемой нити (текс);
- радиус намотки паковки произвольной формы на i-том участке;
- радиус патрона (оправки);
- шаг канавки кулачка нитеводителя на i-том участке раскладки.
Тангенс угла наклона витков - также будет уменьшаться по мере наматывания паковки, поэтому необходимо, чтобы на участках с наибольшим радиусом в конце формирования паковки угол скрещивания витков был не менее 10-12 для выполнения условия формы профессора А.П. Минакова (), (8)
где - угол геодезического отклонения;
- коэффициент трения нити о намотку.
В ходе экспериментальных исследований разработана и сконструирована мотальная машина специального назначения, позволяющая формировать паковки произвольной формы намотки. На рис. 1 показан объемный композитный элемент - Черная ракета, сформированная однопроцессным способом - намоткой углеродных и арамидных нитей на оправку.
Пятая глава посвящена расчету экономической эффективности внедрения технологии формирования армирующих компонентов композитных материалов намоткой в сравнением с ткачеством.
Сравнительный анализ затрат на производство однотипной продукции - препрегов плоской формы намоткой (на базе разверток) и ткачеством (в виде тканых лент), показал, что резкое снижение трудозатрат и отходов дорогостоящего сырья при использовании намоточной технологии. Переход от ткачества к намотке при производстве плоских листовых припрегов позволит повысить рентабельность их производства на 15%, а годовой экономический эффект составит, в условиях ОАО Ковротекс (г. Димиторвград) более одного миллиона семисот тысяч рублей.
Общие выводы по работе:
- Анализ литературных источников показал, что намотка, как технологический процесс формирования армирующих компонентов композиционных материалов использовался недостаточно эффективно.
- Развитие теории наматывания позволило разработать новые структуры намотки мотальных паковок, обладающих специфическими свойствами, необходимыми для формирования композитов, а также разработать необходимое для этого мотальное оборудование, которого ни в России, ни за рубежом пока нет.
- При многообразии технологий, применяемых для изготовления армирующих компонентов композитов с использованием текстильных материалов, главным критерием оценки их качества является долевое содержание армирующего компонента в объеме композитного материала, характеризуемый коэффициентом заполнения.
- Оптимизация технологических процессов изготовления армирующих компонентов с заданными свойствами заключается в изыскании коротких технологий, снижающих вредное воздействие на используемый материал.
- Существующие технологии формирования армирующих компонентов композитов намоткой не отвечают задачам производства и требуют своего совершенствования на базе последних достижений текстильной науки, в плане разнообразия используемых структур намотки и создания специального мотального оборудования.
- Исследование структур намотки мотальных паковок и возможности их использования в качестве армирующих элементов композиционных материалов показал, что на их прочность существенное влияние оказывает угол скрещивания витков, кроме намоток сомкнутой структуры.
- Исследование структур намотки мотальных паковок с помощью разверток позволяет проектировать и вырабатывать армирующие компоненты композитов плоской (листовой) формы заданных типоразмеров однопроцессным способом - намоткой нитей на оправки.
- Использование разверток намоток позволяет не только изучать структуру паковок, но и определять их прочностные характеристики по геометрическим параметрам расположения нитей.
- Мотальные паковки заданной формы намотки могут использоваться в качестве армирующих компонентов композиционных материалов при формировании их на оправках, имеющих ось вращения.
- Формирование мотальных паковок с криволинейной образующей возможно только на специальном презионном мотальном оборудовании, оснащенном механизмами изменения частоты вращения паковки, сокращения хода нитеводителя и вариатором между нитераскладчиком и паковкой.
- Разработанная методика проектирования мотальных паковок заданной формы и механизмов для их формирования позволяет расчетным путем определять угол поворота паковки при достижении заданной формы намотки через эквивалентный радиус намотки полого цилиндра с равной площадью поперечного сечения паковки произвольной формы.
- Использование намотки в качестве технологического процесса формирования композитов позволяет повысить рентабельность производства на 15%, а также получить возможность создания самых легких композитных материалов (с максимальным коэффициентом заполнения объема армирующим компонентом) с минимальными отходами.
Основное содержание диссертационной работы отражено в публикациях:
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:
- Панин М.И. Построение разверток намоток, формируемых на паковках с осевым перемещением / С.Д. Николаев, И.Н. Панин // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2011. - N 1 (330). - С. 49 - 52.
- Панин М.И. Исследование прочностных характеристик мотальных паковок специального назначения с помощью разверток / С.Д. Николаев , И.Н. Панин // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010. - N 8 (329). - С. 40 - 44.
- Панин М.И. Дефекты намотки мотальных паковок и причины их возникновения / Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. - N 6 (321). - С. 48 - 53.
- Панин М.И. О влиянии структуры диспергаторов на скорость технологического процесса очистки попутного нефтяного газа от сероводорода / Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2011. - N 4 (333). - С. 56 - 61.
Остальные публикации:
- Панин М.И. О равновесности витков на поверхности намотки уточных шпуль / С.Л. Иванова // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 2 (20). - Димитровград: ДИТУД УГТУ, 2004. - 73 с.
- Панин М.И. Движение тела с переменной массой. / Л.Н. Георгиевская, И.А. Костикова, Е.А. Косачевская, С.Л. Шульга // Тезисы докладов пятой Всероссийской научной студенческой конференции Текстиль XXI века,2006 г. - М.: МГТУ им. АН. Косыгина, 2006. - 137 с. - С.79.
- Панин М.И. Об объемной плотности намотки нитей из натуральных волокон. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2006) - М.: МГТУ им. АН. Косыгина, 2006. - 325 с. - С. 27 - 28.
- Панин М.И. Исследование прецизионной мотальной машины FOSTER. // Тезисы докладов шестой Всероссийской научной студенческой конференции Текстиль XXI века,2007 г. - М.: МГТУ им. АН. Косыгина, 2007. - 144 с. - С. 46 - 47.
- Панин М.И. Исследование возможностей формирования бобин сомкнутой структуры на машинах фрикционного типа. / А.В. Поликарпов, С.С. Юхин // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 1 (31). - Димитровград: ДИТУД УГТУ, 2007. - 73 с. - С. 4 - 7.
- Панин М.И. К вопросу расчета схем транспортных грузопотоков ткацких фабрик в современных условиях. / А.С. Юхин // Поиск решений актуальных проблем производства молодыми учеными и студентами: Сборник материалов межвузовской научно-технической конференции студентов. (7-12 апреля 2008 года). - Димитровград: ДИТУД, 2008. - 320 с. - С. 183 - 184.
- Панин М.И. Анализ работ мотальных механизмов, применяемых при формировании паковок специального назначения. / С.В. Снежков, И.В. Синячкина // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 4 (38). - Димитровград: ДИТУД УГТУ, 2008. - 63 с. - С. 18 - 21.
- Панин М.И. Исследование структур мотальных паковок, обеспечивающих оптимальный процесс сматывания нити / И.В. Синячкина, С.Л. Иванова // Инновационные технологии в обучении и производстве: Материалы V Всероссийской научно-практической конференции, 4-6 декабря 2008 г.: В 3т. - Волгоград, 2008. - 284 с. - С. 275 - 276.
- Панин М.И. К вопросу расчета и выбора бёрд ткацких станков. / С.В. Снежков, А.С. Розанов // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 2 (40). - Димитровград ДИТУД УГТУ, 2009. - 89 с. - С. 21 - 24.
- Панин М.И. Классификация структур намотки мотальных паковок. / А.В. Поликарпов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2009) - М.: МГТУ им. АН. Косыгина, 2009. - 371 с. - С. 94.
- Панин М.И. Разработка композиционных материалов на базе мотальных паковок. // Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (ТЕКСТИЛЬ 2010): сборник материалов всероссийской научно-технической конференции с международным участием (21-22 января 2010 г.). - Димитровград: ДИТУД, 2010. - 414 с. - С. 48.
- Панин М.И. Намотка - как инновационная технология текстильного производства. / И.Н. Панин, А.И. Панин // Сборник научных трудов по ткачеству, посвященный 100-летию со Дня рождения Павла Васильевича Власова. М., 2011-29 с. - С. 184 - 190.
- Панин М.И. Место текстильных паковок специального назначения в решении экологических задач. / А.А. Калмыков, А.Н. Пайметов // Теоретические и практические аспекты развития современной науки и образования: Сборник научных статей. - Димитровград: ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2011. - 274 с. - С. 118 - 122.
- Панин М.И. Место и роль текстильных паковок специального назначения в решении экологических задач. / А.Е. Цимбалюк, А.Н. Пайметов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2010) - М.: МГТУ им. АН. Косыгина, 2010. - 371 с.
- Панин М.И. Модуль воздухоочистительный. / С.Д. Николаев, И.Н. Панин, Е.П. Цимбалюк, С.В. Снежков. // Патент на полезную модель №104477. Заявка №2010149282.
- Панин М.И. Фильтровальный элемент. / С.Д. Николаев, И.Н. Панин, С.С. Юхин, В.С. Лапшенкова. // Патент на полезную модель Заявка №2010149283
- Панин М.И. Фильтр ячейковый воздухоочистительный. / С.Д. Николаев, И.Н. Панин, В.С. Лапшенкова. // Патент на полезную модель №106721. Заявка №2010149284.
- Панин М.И. Аппарат для проведения физико-химических процессов в вихревом газовом потоке. / А.Е. Цимбалюк, А.И. Панин, Е.П. Цимбалюк. // Патент на изобретение. Регистрационный №2011126225