автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Материал, технология и дизайн формообразования искрозащитных экранов для каминов

На правах рукописи

КУЛИНИЧ Полина Батыровна

МАТЕРИАЛ, ТЕХНОЛОГИЯ И ДИЗАЙН ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИСКРОЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ ДЛЯ КАМИНОВ

05.23.05 - Строительные материалы 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 4 оп т

ч ид

Ростов-на-Дону

2013

005535799

Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» (РГСУ)

Научный руководитель:

Научный консультант:

Соколова Марина Леонидовна,

доктор технических наук, профессор кафедры «Компьютерный дизайн», ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет информатики и приборостроения»

Языева Светлана Борисовна,

кандидат технических наук, догмат кафедры «Интерьер» ФБГОУ ВПО ААИ «Южный Федеральный университет»

Официальные оппоненты:

Курочка Павел Никитович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ИПС ФБГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сооби/ения» (05.23.05)

Черных Михаил Михайлович,

доктор технических наук, профессор декан факультета «Реклама и дизайн» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (17.00.06)

Ведущая ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный

организация: университет» им. Х.М. Бербекова

Защита диссертации состоится «15» ноября 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 1125, тел/факс 8 (863) 201-91-01; 201-91-03; e-mail: dis sovet rgsLi@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru.

Автореферат разослан «14» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент "" д. В. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Издревле очаг был неотъемлемой частью жилища человека. На нём готовили пищу, им отапливали помещение. Открытый огонь часто становился причиной пожаров. Необходимость защитить пространство от вылета искр привела к созданию ограждающей конструкции между очагом и помещением. Первоначально эта конструкция выполняла сугубо функцию защитного экрана от вылета искр. Тяга человека к красоте и эстетическому обустройству жилища привела к различным формам декорирования искрозащитного экрана.

Эмпирически материалом для изготовления искрозащитных экранов стал металл. К этому времени человечество приобрело достаточно опыта работы с этим материалом. Главным фактором, определяющим выбор металла в качестве материала для искрозащитных экранов, являются его свойства.

Весь интерьер помещения обустраивался вокруг источника обогрева, которым в Средневековье стал камин. Искрозащитный экран как неотъемлемая гармоничная составляющая одного из основных конструктивных элементов стены - камина, создавался в образе господствующего исторического стиля. На форму, геометрию и эстетику образа искрозащитного экрана оказывают непосредственное влияние свойства материала, технология изготовления и стилевая направленность интерьера.

В научных трудах современных ученых, таких как Куманин В.И., Кухта М.С., Черных М.М., Жукова Л.Т., Соколова M.JI. освещены темы художественного материаловедения. В частности работа Сукманова A.A. посвящена дизайну порталов каминов, их функциональным и эстетическим характеристикам.

Учитывая, что в настоящее время искрозащитный экран стал современным продуктом дизайнерской работы и обе функции искрозащитного экрана - защита от вылета искр и эстетический образ - сравнялись по приоритетам, то дизайн искрозащитного экрана стал объектом исследования в данной работе.

Актуальностью направления данного исследования является систематизация искрозащитных экранов по факторам, на которые непосредственное влияние оказывает свойства материала и технология изготовления, а также степени влияния этих факторов на дизайн искрозащитных экранов.

Таким образом, цель работы: анализ искрозащитных экранов для каминов по функциональным и эстетическим характеристикам для разработки рекомендаций по созданию искрозащитных экранов различного дизайна и установление факторов, которые оказывают непосредственное влияние па дизайн искрозащитных экранов.

Поставленная цель работы определила необходимость решения основных задач исследования:

• провести исторический анализ искрозащитных экранов для каминов, их функциональных и эстетических характеристик;

• классифицировать искрозащитные экраны по стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу изготовления, по технологии изготовления, по технологии декорирования;

• создать базу данных по пунктам классификации с использованием продукта в Microsoft Visual Studio 2012 Express на языке программирования С#;

• предложить разработанную методику по применению материала и оборудования в технологическом процессе вакуумно-пленочного литья;

• провести анализ материалов, используемых для декорирования искрозащитных экранов для каминов и технологий их применения;

• на основе статистического анализа проведенного эксперимента по процессу горения с вылетом искр создать математическую модель с использованием аппарата теории вероятности.

Для решения поставленных задач применены следующие методы исследований:

• моделирования и оптимизации;

• аналитические, численные;

• эксперименты.

Объект исследования: искрозащитные экраны для каминов. Предмет исследования: влияние свойств материала и технологии изготовления на дизайн искрозащитных экранов для каминов. Научная новизна

• на основании анализа влияния свойств материала и технологии изготовления на дизайн искрозащитных экранов для каминов предложены классификации искрозащитных экранов по стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу изготовления, по технологии изготовления, по технологии декорирования;

• создан электронный каталог по пунктам классификации искрозащитных экранов для каминов с использованием продукта в Microsoft Visual Studio 2012 Express на языке программирования С#.

• на основании экспериментальных исследований предложены и зарегистрированы патентом РФ оптимизация выбора материала и оборудования, используемого в технологическом процессе вакуумно-пленочного литья;

• на основании разработанной математической модели с использованием аппарата математической статистики предложено оптимальное расстояние от внешнего контура портала камина до плоскости искрозащитного экрана;

• на основе статистического анализа проведенного эксперимента создана математическая модель с использованием аппарата теории вероятности по процессу горения с вылетом искр топлива различного качества.

Достоверность полученных результатов и обоснованность полученных в результате работы выводов подтверждены сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными путем испытаний с последующим внедрением разработанных методов и средств в исследовательскую практику и производство. Алгоритм действий, предложенные в работе, хорошо согласованы с современными научными представлениями и данными, полученными из отечественных и зарубежных информационных фондов, а также подтверждаются собственными оригинальными исследованиями и их обсуждением на научных конференциях.

Практическая значимость, внедрение результатов работы заключается в предложенной методике, которая позволяет оптимизировать выбор материала и оборудования для технологического процесса вакуумно-пленочного литья искрозащит-ных экранов. Созданный электронный каталог по пунктам классификации искроза-щитных экранов для каминов позволяет осуществлять поиск информации по заданным параметрам. Предложено оптимальное расстояние от внешнего контура портала камина до плоскости искрозащитного экрана. Изготовленное изделие - искрозащит-ный экран «Жар-Птица» - подтверждает практическую значимость диссертационного исследования.

Результаты работы нашли отражение в двух практических справочниках -Справочнике современного дизайнера (Ростов н/Д, Феникс, 2013. - 431 е.), Справочнике дизайнера декоративно-прикладного искусства (Ростов н/Д,Феникс,2013-221 е.).

Апробация результатов работы. Результаты исследования доложены на: международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, РГСУ, 2012, 2013гг.), VIII международной научно-практической конференции "Новые полимерные композиционные материалы" (Нальчик, КБГУ им. Х.М. Бербе-кова, 2013г.), научном семинаре кафедры «Компьютерный дизайн» Московского государственного университета приборостроения и информатики (Москва, МГУПИ, 2013 г.).

Результаты исследований внедрены в лекционном и практическом курсе, в дипломном проектировании, в научно-исследовательских работах студентов, магистров и аспирантов кафедры «Строительные материалы» Ростовского государственного строительного университета.

Публикации. Результаты исследования изложены в 18 публикациях: в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии, 3 патентах РФ и 6 в статьях других изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений, изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 50 рисунков, 28 таблицы, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулированы цели и основные положения, которые выносятся на защиту, проведен исторический анализ искрозащитных экранов в соответствии с принятым выделением исторических стилей, а также рассмотрены их функциональные и эстетические характеристики.

В первой главе дан краткий обзор существующих работ по теме диссертации, история возникновения и развитие формообразования искрозащитных экранов. В разделе 1.2. приведена классификация искрозащитных экранов по стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу и технологии изготовления искрозащитных экранов (рис.1).

Обращаясь к истории возникновения искрозащитных экранов для каминов, в разделе 1.2.1. проведен ретроспективный обзор последовательно развивающихся ин-терьерных стилевых направлений и образа искрозащитного экрана.

В таблицы сформированы особенности дизайна искрозащитных экранов для камина по историческим интерьерным стилевым направлениям, а именно: Романский, Готический, Барокко, Классицизм, Модерн и Хай-тек. На стильных примерах искрозащитных экранов разложены принципы формообразования изделия по принадлежности к стилю, по особенностям линии и формы, по цвету, фактурности поверхности и представлены декоративные модульные элементы.

В разделе 1.2.2. приведена классификация искрозащитных экранов по геометрии формы. Главным критерием при выборе формы по геометрии искрозащитного экрана становится - функциональность. А именно, обеспечение безопасного использования очага в помещении. Руководствуясь параметрами камина, определяем размеры и геометрию искрозащитного экрана.

В разделе 1.2.3. искрозащитный экран классифицируется по орнаменту декоративной сетки, которая формируется из модульных элементов различного дизайна. По стилю модульного элемента называется пункт классификации.

Рис.1 Классификация искрозащитных экранов

Искрозащитные экраны в виде декоративной сетки используют в интерьерах с неопределенным стилевым направлением, когда искрозащитный экран не являются доминантным элементом интерьера, и в интерьерах эконом варианта, т.к. стоимость штампованных сеток искрозащитных экранов более чем демократична.

По материалу изготовления искрозащитного экрана классификация представлена в разделе 1.2.4. Классифицированы искрозащитные экраны по материалу следующим образом:

• Искрозащитные экраны из металла и металлических сплавов;

• Искрозащитные экраны из термоустойчивого стекла;

• Искрозащитные экраны в виде комбинирования материалов (металл, сплав, термоустойчивое стекло).

Выбор материала производится по нескольким критериям:

• Специфика технологического процесса;

• Экономические показатели;

• Требования, предъявляемые к свойствам изделия;

• Возможность декорирования, т.е. придания эстетических характеристик.

В завершающем разделе 1.2.5. приведена классификация искрозащитных экранов по технологии изготовления. В разделе коротко описаны основные технологические процессы, используемые при изготовлении искрозащитных экранов, всего перечислено 12 технологий. Отмечена специфичность некоторых из них и универсальность технологии вакуумно-пленочного литья.

В завершении главы 1 в разделе 1.3. представлен электронный каталог классификации искрозащитных экранов на основе программного продукта в Microsoft Visual Studio 2012 Express на языке программирования С#. Фрагмент Screenshots классификации искрозащитных экранов по виду используемого материала «Решетка» представлен на (рис.2).

1М11йа1'шшшМа

олифово-масляный обжиг воронен»«

шлифовка оксидирование патинирование химическое воздействие по виду используемого материала

♦ металлы

♦ сплавы

♦ комбинирование

ЕСТ

по технологу изготовления

литье В песчэмо-глинистые ФОрМЫ питье в металлические Формы ЛИ1ЫЯ оболочковые ФСрМЬ' питье под давлением центробежное литье

точное питье под выплавляемым изделием закуумно -пленочное литье в песчано-гл^истые координатно-пробивной пресс лазерная резка материала гидроабрэзивная резка металлов штамповка листовых изделий художественная аргонная сварка по геометрии Формы по историческим стилям романсхий стиле готический стиль барокко классицизм модерн хай-тек

КПП

цДиркулис

Лалииаиб

ЯМЯОг чЗ

Орнамент из переплетающихся колеи Он прост, но в то же время насышен. Правильные геометрические формы элементов придают ему уравно-вешенность и завершенность

(Маджестюс

Май

Символичный готический орнамент Античные и византийские мотивы преобразованные и проработанные е ковую тему для узора Орнамент смотрится богато и стильно Есть намек на респектабельность, богатство с налетом шика и интеллекта.

Рис. 2. Скриншот классификации искрозащитных экранов по виду используемого материала Вторая глава посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям технологии вакуумно-пленочного литья.

В разделе 2.1. представлен технологический процесс вакуумно-пленочного литья в песчано-глинистые формы на примере тематического искрозащитного экрана из латуни «Жар-птица». Процесс состоит из 8 этапов. Схемы этапов иллюстрированы на (Рис.3):

1 этап: Нагрев пленки

2 этап: Форма, накрытая пленкой

3 этап: Накрываниеопокой 4 этап: Трамбовка формовочного песка

5 этап: Накрывание синтетической 6 этап: Извлечение готовой формы

пленкой опоки с песком

7 этап: Готовая форма к заливке 8 этап: Извлечение готового изделия

Рис.3. Схемы этапов технологического процесса вакуумно-пленочного литья

Необходимо отметить важные моменты процесса: перепад показателей внешнего и внутреннего давления на форме обеспечивает необходимую прочность формы заливаемого изделия и точное повторение рельефа поверхности формы изделия, что соответственно влечет значительное уменьшение последующей обработки изделия.

В третьей главе приводится теоретическое исследование методов обработки искрозащитных экранов изготовленных из металла или металлического сплава.

В технологии изготовления искрозащитных экранов для каминов используют различные металлы и сплавы. В зависимости от желаемого результата выбирают изначально материал по физическим свойствам, по его составу, цвету, фактуре после затвердевания металла в форме, по податливости при обработке, шлифовке, воздействию с химическими реагентами. Металлические сплавы латунь или бронза выделены отдельным параграфом, т.к. изделия из них наиболее востребованы в связи с тем, что легко поддаются обработке и химическому воздействию. После декоративной обработки изделия из этих сплавов искрозащитные экраны приобретают уникальный дизайн с заданными цветовыми оттенками и фактурностью поверхности.

Разнообразие предлагаемых дизайнерских решений формообразования искро-защитных экранов определяется широким набором и возможностями технологий изготовления и огромным ассортиментом доступных вариантов финишной декоративной обработки поверхностей искрозащитных экранов для каминов.

Таблица № 1 - методы обработки латуни и меди

Образец

НнИШН!

Технология покрытия и обработки

Матовая патинированная латунь без шлифовки

Матовая латунь с легкой шлифовкой патины

Глянцевая латунь со шлифовкой патины

Глянцевая латунь с хаотичным патинированием

Матовая латунь с хаотичным патинированием

Технология покрытия и обработки Образец

Матовая медь

со шлифовкой патины иии

Глянцевая медь т

Матовая медь шш

Технологии декорирования используемые для финишной декоративной обработки поверхностей искрозащитных экранов для каминов это: шлифование, покрытие огнеупорными эмалями, искусственное состаривание, патинирование и оксидирование, воронение, олифово-масляный обжиг, химическое воздействие.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию процесса горения древесины и сопровождающего его вылету искр.

В первом параграфе главы рассматривается взаимосвязь процесса горения от вида топлива. Предложена классификация вида древесины для топки каминов в зависимости от породы дерева.

Во втором параграфе проведен сравнительный анализ различных видов топлива на базе экспериментальных исследований процесса горения во времени. Испытания проводились при помощи специального оборудования прибора ОТМ (Рис.4). Для опытов были подготовлены пробы березовых (лиственная порода дерева), сосновых (хвойная порода дерева) щепок и древесных брикетов (из опилок соответственно лиственных и хвойных пород деревьев) с относительной влажностью 12 % , взятых в лесопильном цехе и спрессованных специальным бесклеевым способом. Отобранный материал помещали в мешочки из стеклоткани массой 4,1 г, скрепленные металлическими скрепками, масса испы-

Рис. 4. Прибор ОТМ.

1 - горелка; 2 - реакционная камера; 3 - механизм ввода образца; 4 - образец; 5, 6 -держатели образца. 7 - зеркало; 8 - термоэлектрический преобразователь; 9 - зонт.

тываемых образцов по 50 г.

Для регистрации температуры использовали прибор КСП-4 с диапазоном от 0 до 600°С, а для отсчета времени - секундомер. Отсчеты проводили через каждые 50°С при росте температуры от 200 °С до максимального значения, далее при снижении температуры до 200°С. Образец выдерживали в камере до полного остывания 20°С, извлекали и взвешивали, определяя зольный остаток. Результаты измерений занесли в таблицу и подвергали статистической обработке в программной среде CurveExpert для получения устойчивых закономерностей.

Сжигание образца с березовыми щепками представлено на рис. 5, остатки - рис.

6.

s- uiiMHi.m г - 0.*4.1,1К252

125.1 IK7.0

24И.Ч .1111,7

'2.6 1.4 1-1,2

1X7,0 27Ч.Н

Рис. 5. Изменение температуры горения бере- Рис. 6. Остатки моделирования данных зовых щепок: 8- сумма квадратов отклоне- температуры горения березовых щепок ний; г- коэффициент корреляции

Масса образовавшейся золы составляет 0,2 г или 0,44 % первоначальной массы. Идентификацией устойчивых законов выявили модель динамики температуры горения березовых щепок во времени с использованием устойчивого закона вида

Т = 49,15881:0'55728ехр(—0,0004611 Б)!:1,40507 (1)

где Т - температура отходящих газообразных продуктов горения материала, °С; I - время горения, сек.

Сжигание образца с сосновыми щепками представлено на рис.7, остатки - рис.8.

Составили модель динамики температуры горения сосновых щепок во времени с использованием устойчивого закона

Т = 6,048221°'98736ехр(-0,00034273)11'48099 (2)

Масса образовавшейся золы составляет 0,45 г или 0,98 % первоначальной массы образца.

N 11ШІ97ІМЛ Г* П.7К9970І4 Я0.7І '

І1»«.? 4.Щ.1 561.5

692,4 Н24..1 955.7 1-4

Рис. 7. Остатки моделирования данных температуры горения сосновых щепок

Рис. 8. Остатки моделирования данных температуры горения сосновых щепок

Сжигание образца с древесными брикетами №1 представлено на рис. 9, остатки

• рис. 10.

Ч -- 4П.І9Л516Ч5 г ' 0.96646X0.!

.1011.11 220.0 140.0 60.0

712.1 К5.1.6

Рис. 9. Изменение температуры горения древесных брикетов №1

Рис.10. Остатки моделирования данных температуры горения древесных брикетов №1

Модель динамики температуры горения древесных брикетов №1 во времени с использованием устойчивого закона имеет вид

Т = 254,84033 ехр(-1,57499) 11'64785 + (3)

+ 9,552281:16'98817ехр(—0,0076768)1:1,30188

Масса образовавшейся золы составляет 0,3 г или 0,65 % первоначальной массы образца.

Сжигание образца с древесными брикетами №2 представлено на рис. 11, остатки - рис. 12.

Модель динамики температуры горения с древесными брикетами №2 во времени с использованием устойчивого закона имеет вид

Т = 162,19912 ехр(—0,001160 91:1,000003) + (4)

+ 0,1830711'61242ехр(-0,0056954С1'42414)

Процесс горения древесных брикетов в 1,3 — 1,4 раза дольше по времени, чем горение щепок. Это связано с большими размерами с древесных брикет и высокой удельной плотностью 1300 — 1400 кг/м3, по сравнению с плотностью сосновых (500 кг/м3) и березовых (630 кг/м3) щепок.

2" I- И «

1

Рис. 11. Изменение температуры горения древесных брикетов №2

Рис. 12. Остатки моделирования данных температуры горения древесных брикетов №2

На рис. 4.9 представлены графики, которые показывают динамику температуры горения всех испытываемых образцов.

Тетерам |13. С

551) -500 -450 ■ 40(1 ■ .150 -.100 -250 ■ 200 ■ 150 ■ 100

Таким образом, процесс горения зависит от различных характеристик топлива, в основном: от состава топлива, влажности, содержания летучих компонентов, плотности, пористости, размеров частиц и площади активной поверхности.

Для обеспечения оптимального процесса горения с мини-

Рис. 13. Изменение температуры горения щепок и мальными выбросами от неполного

древесных брикет -

г сгорания топлива необходимо

обеспечить поддержание высокой температуры горения, достаточно длительного времени пребывания и оптимального смешения топливных газов с воздухом.

Особенностью процесса горения дровяного топлива в камине является вылет искр. Формированию искр способствуют выбросы горячих газов из расколов или растрескиваний горящей древесины.

В разделе 4.1. описана зависимость формирования искр от породы древесины. Горящие искры могут разлетаться на значительное расстояние от камина.

50 100 150 200 250 .100 .150 400 450 500 береза ♦ сосна ж брикета №1 ■ брикеты №2

Третий параграф четвертой главы посвящен исследованию закономерностей распределения дискретных случайных величин (числа вылетевших искр). В связи с поставленной проблемой были определены следующие задачи, в частности, по составлению вероятностной закономерности распределения числа вылетевших искр в зависимости от вида топлива, оптимизации расстояния установки искрозащитного экрана от границы топки камина и вычисления геометрической вероятности попадания количества искр на площадь искрозащитного экрана из общего числа вылетевших искр.

Рис. 14. Горение деревянных поленьев

Рис.15. Горение деревянных брикетов

Рассмотрим вылет искр из первого камина, где используется топливо в виде поленьев и из второго камина, где используется топливо в виде брикетов.

Из двух каминов фиксируется вылет искр в сторону искрозащитника до первого попадания искры одним из множества искр вылетевших из соответствующего камина. Опуская подробное описание определения искомого закона распределения случайных величин, приведем результаты поставленной задачи.

Искомый закон распределения дискретной случайной величины Х-числа искр, вылетавших из первого камина:

X 1 2 3 к

р 0,79 0,79 ■ 0,21 0,79 • 0,212 0,79 ■ 0,21к-г

Контроль:

^р, = 0,79/(1 - 0,21) = 0,79/0,79 = 1

Искомый закон распределения дискретной случайной величины У - числа искр, вылетевших из второго камина

У 1 2 3 к

Р 0,3 0,553 0,553-0,21 0,553 • 0,21к_1

Контроль:

^Г Рі = 0,3 + (0,553/1 - 0,21) = 0,3 + (0,553/0,79) = 0,3 + 0,7 = 1

После наблюдения за вылетающими искрами в течение одного часа с момента розжига камина, было получено следующее статистическое распределение:

(мин) 1 5 15 30 60

П; (КОЛ-ВО ИСКр) 25 20 15 10 5

Объем выборки л=75.

Далее составляется распределение относительных частот. Для этого необходимо найти относительную частоту Щ для соответствующего значения х,:

п, 25

rte 5 Ws = — = —г « 0.0667 . n 75

Контроль: ЛЩ — 1

Итак,

25 20 15 10 _5_ _ 75 + 75 + 75 + 75 + 75 ~ 1 Таким образом, получается распределение относительных частот:

Xi (мин) 1 5 15 30 60

Wi (относительные частоты) 0,3333 0,2667 0,0667 одззз 0,0667

Для наглядности строится полигон относительных частот. Полигон относительных частот образуется ломаной линией, соединяющей точки, соответствующие значениям выборки и относительным частотам этих значений. Значения выборки откладываются по оси х, а относительные частоты - по оси у.

Полигон относительных частот - это один из способов графического представления плотности вероятности случайной величины:

0,3500

0,3000 0,2500 0,2000 0,1500 0,1000 0,0500 0,0000

1 5 15 30 60

Рис. 16. Полигон относительных частот.

Как видно из графика, наиболее опасными являются первые 5 минут.

Вероятность того, что искра попадет на плоскость поверхности искрозащитно-го экрана или на плоскость толщины стенки отверстия (событие А) вычисляется как геометрическая вероятность:

/>04) Л

где 5 = 1,3 см - толщина стенки отверстия искрозащитного экрана, I = 16,3 см - расстояние от очага до внутренней плоскости поверхности искрозащитного экрана.

Итак, получаем, что

РШ = = 0,08

16,3

Сколько бы искр ни вылетело из очага камина, для любой одной искры эта вероятность одинакова. Тогда вероятность того, что к искр из п вылетевших из очага камина попадет на плоскость искрозащитного экрана или на плоскость толщины стенки отверстия, можно вычислить, применяя локальную теорему Лапласа:

Если вероятность р появления события А в каждом испытании постоянна и отлична от нуля и единицы, то вероятность Рп(к) того, что событие А появится в п испытаниях ровно к раз, приближенно равна значению функции:

Рп(к) ~ ~^=<р(х) л/пР<?

для которой функция <р(х) находится из таблицы, зная

к — птр

Рис. 17. Общий вид искрозащитного экрана «Жар-птица»перед горящей топкой камина

Необходимо найти вероятность того, что 8 искр из 10 вылетевших из очага попадет на решетку, п = 10, к = 8

р = Р(А) = 0,08 - вероятность появления события А в одном испытании

q = 1 — р = 0,92 - вероятность не появления события А в одном испытании.

Тогда

8 - 10 * 0,08 7,2 х = = = « 2,67

V10 * 0,08 * 0,92 2,7

Используя полученное значение для х, находится значение функции <р(х) из соответствующей таблицы. В итоге <р(х) « 0,0113. Далее вычисляется сама вероятность:

Р10(8) = , 1 *пппч « 0,00419

10 V10 * 0,08 * 0,92

Как можно заметить, вероятность настолько мала, что можно полагать, что если поставить решетку на расстоянии 30 см от очага, ни одна искра не вылетит за ее пределы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведённого анализа влияния свойств материала и технологии изготовления на дизайн искрозащитных экранов для каминов предложены классификации искрозащитных экранов по художественным стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу изготовления, по технологии изготовления, по технологии декорирования.

2. В соответствии с классификацией искрозащитных экранов создан электронный каталог по пунктам классификации искрозащитных экранов для каминов с использованием продукта в Microsoft Visual Studio 2012 Express на языке программирования С#.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена оптимизация выбора материала и оборудования, используемого в технологическом процессе вакуум-но-пленочного литья.

4. На основании разработанной математической модели с использованием аппарата математической статистики предложено оптимальное расстояние от внешнего контура портала камина до плоскости искрозащитного экрана;

5. Создана математическая модель с использованием аппарата теории вероятности по процессу горения с вылетом искр топлива различного качества.

6. Установлено влияние различных компонентов на основе статистического анализа проведенного эксперимента на дизайн искрозащитного экрана.

Основные положения диссертации отражены в 18-ти публикациях

- в 7-ми изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кулинич П.Б.,С.Б. Языева, В.А. Свистунова Технология изготовления форм из двухкомпонентных силиконовых компаундов // Инженерный Вестник Дона: электронный журнал. №1.2012. URL:http://i vdon.ru/magazine/archi ve/n 1 v2012

2. Кулинич П.Б.,С.Б. Языева, В.А. Свистунова Причины брака в технологии точного литья и методы их устранения // Инженерный Вестник Дона: электронный журнал. №1. 2012. URL:htto://ivdon.ru/magazine/archive/nlv2012

3. Языева С.Б., Кулинич П.Б Влияние режима наслоения пленки на свойства композиционного материала в реставрации бумаги // Инженерный Вестник Дона: электронный журнал. №3, 2012. http://www.ivdon.ru/maga2ine/archive/n4p2v2012/1323

4. Языева С.Б., Кулинич П.Б., Гончарова Ю.В. Технологическая схема модернизированной листодоливочной машины для реставрации бумажных документов // Инженерный Вестник Дона: электронный журнал. №4(2), 2012. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2v2012/1323

5. Языева С.Б., Кулинич П.Б., Гончарова Ю.В. Влияние дизайн поверхности на изделие пленки внутреннего контура при вакуумно-пленом литье. // Дизайн.Материалы.Технология: Научный журнал. №4, 2013. http://sutd.ru/publish/ma gazine.html

6. Ю.В. Гончарова, М.Л. Соколова, П.Б. Кулинич. Влияние различной колористической шеллачной политуры на дизайн мебели при реставрации// Дизайн.Материалы.Технология: Научный журнал. №4, 2013. http://sutd.ru/publish/magazine.html

7. Языева С.Б., Кулинич П.Б., Гончарова Ю.В. Технология волочения и новые конструкционные приемы в дизайне плетения проволоки. Дизайн.Материалы.Технология: Научный журнал. №4, 2013. http://sutd.ru/publish/ma gazine.html

- в 3 патентах

8. Устройство для изготовления форм для отливки искрозащитных экранов для каминов из латуни Патент 109031 Россия. //Опубл. 26.04.2011.-3.№2011116581

9. Машина для реставрации документов Патент 131381 Россия.// Опубл. 20.08.13-3.№2012151669/05.

10. Восковой пистолет Заявка.

- в 2-х справочниках:

11. Справочник современного дизайнера (под общ. ред. Маиляна JI.P.). Ростов-н/Д: Феникс, 2013.-431 с.

12. Справочник дизайнера декоративно-прикладного искусства (под общ. ред. Маиляна JI.P.). Ростов-н/Д: Феникс, 2013. - 221 с.

- в 6-х других изданиях:

13. Кулинич П.Б., Языева С.Б., Серебрянная И.А. Влияние дизайна на конкурентоспособность изделий из цветных металлов // Материалы научно-практической конференции «Строительство-2011». - Ростов н./Д: РГСУ, 2011 С. 105-106.

14 Кулинич П.Б., Языева С.Б., Свистунова В.А., Веремеенко A.A. Техника и технология вакуумно-плёночного литья из цветных металлов // Материалы научно-практической конференции «Строительство-2011». - Ростов н./Д: РГСУ, 2011 С. 115-116.

15. Кулинич П.Б., Свистунова В.А. Кинетическая скульптура как шаг в будущее в развитии художественной скульптуры // Материалы научно-практической конференции «Строительство-2011». - Ростов н./Д: РГСУ, 2011 С. 121-122.

16. Кулинич П.Б., Языева С.Б., Свистунова В.А. Дизайн изделий из металла и виды брака в технологии их производства

17. Кулинич П.Б., Языева С.Б., Свистунова В.А. Экодизайн как часть мировой экосистемы // Материалы научно-практической конференции «Строительство-2012». - Ростов н./Д: РГСУ, 2012 С. 96-97.

18. Кулинич П.Б., Гончарова Ю.В. Еще одна из приоритетных задач современного дизайна Материалы VIII международной научно-практической конференции. «Новые полимерные композиционные материалы». - Нальчик: КБГУ 2012., с. 34-35.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3150. Тираж 150 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201364325 На правах рукописи

КУЛИНИЧ ПОЛИНА БАТЫРОВНА

МАТЕРИАЛ, ТЕХНОЛОГИЯ И ДИЗАЙН ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИСКРОЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ

ДЛЯ КАМИНОВ.

05.23.05 - Строительные материалы и изделия 17.00.06 - Техническая эстетика дизайн

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

М.Л. Соколова

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

С.Б. Языева

Ростов-на-Дону 2013

Введение..........................................................................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования........................11

1.1. История возникновения и развития искрозащитных экранов..............11

1.2. Классификация искрозащитных экранов..................................................................13

1.2.1. Классификация искрозащитных экранов для каминов по стилям....................................................................................................................................14

1.2.2. Классификация искрозащитных экранов по геометрии формы....................................................................................................................................22

1.2.3. Классификация искрозащитных экранов по орнаменту декоративной сетки....................................................................................................24

1.2.4. Классификация искрозащитных экранов по материалу изготовления....................................................................................................................27

1.2.5. Классификация дизайна искрозащитных экранов для каминов по технологии изготовления......................................................37

1.3. Электронный каталог по пунктам классификации искрозащитных экранов для каминов....................................................................................................................41

1.4. Выводы по главе 1........................................................................................................................43

Глава 2. Экспериментально-теоретические исследования

технологии вакуумно-пленочного литья............................................................................44

2.1. Технологический процесс вакуумно-пленочного литья в песчано-глинистые формы на примере классического искрозащитного

экрана из латуни..............................................................................................................................44

2.1.1. Выбор формовочного песка..............................................................................51

2.2. Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям..................................................................................................................................................53

2.2.1. Изготовление пластилиновой модели......................................................54

2.2.2. Изготовление виксинтовой и гипсовых форм....................................56

2.3. Используемые материалы......................................................................................................59

2.4. Выбор сплава для изготовления отливки..................................................................61

2.5. Изготовление легкоплавких моделей..........................................................................62

2.5.1. Расчет шихты........................................................................................................................65

2.6. Материалы для изготовления форм..............................................................................67

2.6.1. Формовочные пески..................................................................................................67

2.6.2. Противопригарные покрытия..........................................................................67

2.6.3. Синтетические пленки............................................................................................69

2.7. Технический процесс..................................................................................................................71

2.7.1. Модельно-опочная оснастка. Подмодельные плиты..................74

2.8. Обработка изделия............................................................................................................................76

2.8.1. Шлифование............................................................................................................................76

2.8.2. Полирование, кварцевание..................................................................................77

2.8.3. Декорирование изделия..........................................................................................78

2.9. Выводы по главе 2................................................................................................................................79

Глава 3. Технология декоративной отделки искрозащитных 80

экранов для каминов...............................................................

3.1. Методы обработки изготовленного искрозащитного экрана из металла или металлического сплава..............................................................................80

3.1.1. Декоративная отделка металла..........................................................................83

3.1.2. Шлифование............................................................................................................................84

3.1.3. Полирование......................................................................................................................85

3.2. Патинирование и оксидирование......................................................................................91

3.2.1. Патинирование латуни....................................................92

3.2.2. Патинирование меди................................................................................................94

3.3. Декорирование стали..................................................................................................................95

3.4. Воронение............................................................................................................................................................95

3.5. Олифово-масляный обжиг......................................................................................................97

3.6. Декорирование алюминия......................................................................................................98

3.7. Окраска цинка..............................................................................................................................................99

3.8. Окраска свинца и патинирование соком растений..........................................100

3.9. Выводы по главе 3................................................................................................................................101

Глава 4. Особенности процесса горения древесины и математическая модель исследования вылета искр. Вероятностные

методы в исследовании вылета искр во времени......................................................Ю2

4.1. Виды топлива для дровяных каминов и их классификация....................102

4.2. Изучение особенностей горения дров и древесных брикетов..............107

4.3. Исследование закономерностей распределения дискретных случайных величин (числа вылетевших искр)..................................................115

4.3.1. Вероятностная закономерность распределения числа вылетевших искр в зависимости от вида топлива..........................116

4.3.2. Оптимизация расстояния установки искрозащитного

экрана от границы топки камина..................................................................119

4.3.3. Вычисление геометрической вероятности попадания количества искр на площадь искрозащитного экрана из общего числа вылетевших искр......................................................................121

4.4. Выводы по главе 4..........................................................................................................................123

Выводы..............................................................................................................................................124

Библиографический список........................................................................................125

Приложения................................................................................................................................133

Введение

Актуальность темы. Издревле очаг был неотъемлемой частью жилища человека. На нём готовили пищу, им отапливали помещение. Открытый огонь часто становился причиной пожаров. Необходимость защитить пространство от вылета искр привела к созданию ограждающей конструкции между очагом и помещением. Первоначально эта конструкция выполняла сугубо функцию защитного экрана от вылета искр. Тяга человека к красоте и эстетическому обустройству жилища привела к различным формам декорирования искрозащитного экрана.

Эмпирически материалом для изготовления искрозащитных экранов стал металл. К этому времени человечество приобрело достаточно опыта работы с этим материалом. Главным фактором, определяющим выбор металла в качестве материала для искрозащитных экранов, являются его свойства.

Весь интерьер помещения обустраивался вокруг источника обогрева, которым в Средневековье стал камин. Искрозащитный экран как неотъемлемая гармоничная составляющая одного из основных конструктивных элементов стены - камина, создавался в образе господствующего исторического художественного стиля. На форму, геометрию и эстетику образа искрозащитного экрана оказывают непосредственное влияние свойства материала, технология изготовления и стилевая направленность интерьера.

Актуальностью данного направления исследования является систематизация искрозащитных экранов по факторам, на которые непосредственное влияние оказывает свойства материала и технология изготовления, а также степени влияния этих факторов на дизайн искрозащитных экранов.

Учитывая, что в настоящее время искрозащитный экран стал современным продуктом дизайнерской работы и обе функции искрозащитного экрана - защита от вылета искр и эстетический образ -

сравнялись по приоритетам, то дизайн искрозащитного экрана стал объектом исследования в данной работе.

Таким образом, цель работы: анализ искрозащитных экранов для каминов по функциональным и эстетическим характеристикам для разработки рекомендаций по созданию искрозащитных экранов различного дизайна и установление факторов, которые оказывают непосредственное влияние на дизайн искрозащитных экранов.

Поставленная цель работы определила необходимость решения основных задач исследования:

• Провести исторический анализ искрозащитных экранов для каминов, их функциональных и эстетических характеристик;

• Классифицировать искрозащитные экраны по стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу изготовления, по технологии изготовления, по технологии декорирования;

• Создать базу данных по пунктам классификации с использованием продукта в Microsoft Visual Studio 2012 Express на языке программирования С#;

• Предложить разработанную методику по применению материала и оборудования в технологическом процессе вакуумно-пленочного литья;

• Провести анализ материалов, используемых для декорирования искрозащитных экранов для каминов и технологий их применения;

• На основе статистического анализа проведенного эксперимента по процессу горения с вылетом искр создать математическую модель с использованием аппарата теории вероятности.

Для решения поставленных задач применены следующие методы исследований:

• Моделирования и оптимизации;

• Аналитические, численные;

• Эксперименты.

Объект исследования: искрозащитные экраны для каминов. Предмет исследования: влияние свойств материала и технологии изготовления на дизайн искрозащитных экранов для каминов. Научная новизна

• На основании анализа влияния свойств материала и технологии изготовления на дизайн искрозащитных экранов для каминов предложены классификации искрозащитных экранов по стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу изготовления, по технологии изготовления, по технологии декорирования;

• Создан электронный каталог по пунктам классификации искрозащитных экранов для каминов с использованием продукта в Microsoft Visual Studio 2012 Express на языке программирования С#.

• На основании экспериментальных исследований предложены и зарегистрированы патентом РФ оптимизация выбора материала и оборудования, используемого в технологическом процессе вакуумно-пленочного литья;

• На основании разработанной математической модели с использованием аппарата математической статистики предложено оптимальное расстояние от внешнего контура портала камина до плоскости искрозащитного экрана;

• На основе статистического анализа проведенного эксперимента создана математическая модель с использованием аппарата теории вероятности по процессу горения с вылетом искр топлива различного качества.

Достоверность полученных результатов и обоснованность

полученных в результате работы выводов подтверждены сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными,

полученными путем испытаний с последующим внедрением разработанных методов и средств в исследовательскую практику и производство. Алгоритм действий, предложенные в работе, хорошо согласованы с современными научными представлениями и данными, полученными из отечественных и зарубежных информационных фондов, а также подтверждаются собственными оригинальными исследованиями и их обсуждением на научных конференциях.

Практическая значимость, внедрение результатов работы заключается в предложенной методике, которая позволяет оптимизировать выбор материала и оборудования для технологического процесса вакуумно-пленочного литья искрозащитных экранов. Созданный электронный каталог по пунктам классификации искрозащитных экранов для каминов позволяет осуществлять поиск информации по заданным параметрам. Предложено оптимальное расстояние от внешнего контура портала камина до плоскости искрозащитного экрана. Изготовленное изделие - искрозащитный экран «Жар-Птица» - подтверждает практическую значимость диссертационного исследования.

Результаты работы нашли отражение в двух практических справочниках - Справочнике современного дизайнера (Ростов н/Д, Феникс, 2013. - 431 е.), Справочнике дизайнера декоративно-прикладного искусства (Ростов н/Д, Феникс,2013-221 е.).

Апробация результатов работы. Результаты исследования доложены на: международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, РГСУ, 2012, 2013гг.), VIII международной научно-практической конференции "Новые полимерные композиционные материалы" (Нальчик, КБГУ им. Х.М. Бербекова, 2013г.), научном семинаре кафедры «Компьютерный дизайн» Московского государственного университета приборостроения и информатики (Москва, МГУПИ, 2013 г.).

Результаты исследований внедрены в лекционном и практическом курсе, в дипломном проектировании, в научно-исследовательских работах

студентов, магистров и аспирантов кафедры «Строительные материалы» Ростовского государственного строительного университета.

Публикации. Результаты исследования изложены в 18 публикациях: в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии, 3 патентах РФ и 6 в статьях других изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений, изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 50 рисунков, 28 таблицы, 2 приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулированы цели и основные положения, которые выносятся на защиту, проведен исторический анализ искрозащитных экранов в соответствии с принятым выделением исторических стилей, а также рассмотрены их функциональные и эстетические характеристики.

В первой главе дан краткий обзор существующих работ по теме диссертации, история возникновения и развитие формообразования искрозащитных экранов. В разделе 1.2., приведена классификация искрозащитных экранов по стилям, по геометрии формы, по орнаменту декоративной сетки, по материалу и технологии изготовления искрозащитных экранов.

Обращаясь к истории возникновения искрозащитных экранов для каминов, в разделе 1.2.1., проведен ретроспективный обзор последовательно развивающихся интерьерных стилевых направлений и образа искрозащитного экрана.

В таблицы сформированы особенности дизайна искрозащитных экранов для камина по историческим интерьерным стилевым направлениям, а именно: Романский, Готический, Барокко, Классицизм, Модерн и Хай-тек. На стильных примерах искрозащитных экранов разложены принципы

формообразования изделия по принадлежности к стилю, по особенностям линии и формы, по цвету, фактурности поверхности и представлены декоративные модульные элементы.

В разделе 1.2.2., приведена классификация искрозащитных экранов по геометрии формы. Главным критерием при выборе формы по геометрии искрозащитного экрана становится - функциональность. А именно, обеспечение безопасного использования очага в помещении. Руководствуясь параметрами камина, определяем размеры и геометрию искрозащитного экрана.

В разделе 1.2.З., искрозащитный экран классифицируется по орнаменту декоративной сетки, которая формируется из модульных элементов различного дизайна. По стилю модульного элемента называется пункт классификации.

По материалу изготовления искрозащитного экрана классификация представлена в разделе 1.2.4. Классифицированы искрозащитные экраны по материалу следующим образом:

• Искрозащитные экраны из металла и металлических сплавов;

• Искрозащитные экраны из термоустойчивого стекла;

• Искрозащитные экраны в виде комбинирования материалов (металл,

сплав, термоустойчивое стекло).

Выбор материала производится по нескольким критериям:

• Специфика технологического процесса;

• Экономические показатели;

• Требования, предъявляемые к свойствам изделия;

• Возможность декорирования, т.е. придания эстетических

характеристик.

В завершающем разделе 1.2.5., приведена классификация искрозащитных экранов по технологии изготовления. В разделе коротко описаны основные технологические процессы, используемые при

изготовлении искрозащитных экранов, всего перечислено 12 технологий. Отмечена специфичность некоторых из них и универсальность технологии вакуумно-пленочного литья.

�