автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения



! У!'

и 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

1 5 НОЯ 2012

Москва 2012

005054785

005054785

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 «29» ноября2012 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 « » ) О 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 одно-процессного 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 компонентомк3=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;

S 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:

S разработаны способы формирования плоских (листовых) и цельных (объемных) армирующих элементов композиционных материалов одно-процессным способом (намоткой), что резко снижает истирающие воздействия на нити, сохраняя их высокие прочностные характеристики и снижает себестоимость выпускаемых изделий;

■S разработаны и созданы новые конструкции мотального оборудования для формирования армирующих компонентов композиционных материалов намоткой нитей на оправки заданной формы и типоразмеров;

•S 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:

1. V Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные технологии в обучении и производстве», Камышинский технологический институт 2008 г.

2. Всероссийская научно-техническая конференция «Текстиль XXI века» 2007 г.

3. Научно-техническая конференция «Техтекстиль 2007», г. Димит-ровград

4. 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

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.

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:

<1 — диаметр нити условный, мм р - степень замыкания намотки;

к - число оборотов кулачка нитераскладчика за цикл движения нити; т. - 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 к - число оборотов пазового кулачка за цикл движения нити; ¿о - общее передаточное отношение от нитераскладчика к паковке при сомкнутой намотке;

2Ь - большая ось эллипса (поперечник) нити;

х — минимальное расстояние между витками одного слоя намотки. Суммарная длина витков нити в объемном слое:

. , ... 7ГД пБН ...

= ' ■ Кс = — = ~г< (2)

где Б - диаметр намотки объемного слоя; Н - высота намотки паковки; В - угол скрещивания витков. Масса объемного слоя намотки:

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:

к3 = 2 = 0,785 (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:

ДхУ^н, = Л2У2Ч = - = А пуп19Нп, (5)

где соответственно:

Л1, А2 ... Дп - приращение толщины намотки на различных участках паковки;

71» 7г — 7п - удельная плотность намотки на соответствующих участках паковки;

— 19Нп-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:

<б)

где Я - текущий радиус намотки паковки произвольной формы;

Б — перемещениенитеводителя 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 нитеводителяпк - будет уменьшаться, ввиду уменьшения частоты вращения веретена - пв (для сохранения постоянства максимальной окружности скорости наматывания). А так как = кк • пк, то будет уменьшаться скорость перемещения глазка нитеводителя ¡5Н. на любом участке намотки.

В связи с этим, формулу для определения приращения толщины намотки паковки при повороте её на угол <р следует записать в виде: д _ о _ г _ г-тур-ю-5 _ г-ую-5

где Т - линейная плотность наматываемой нити (текс);

Л; - радиус намотки паковки произвольной формы на ¡-том участке;

г0 - радиус патрона (оправки);

Ьк. - шаг канавки кулачка нитеводителя на ¡-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. Ми-накова (1дв < [тах), (8)

где в — угол геодезического отклонения;

/тах — 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 однопроцесс-ным 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. Дими-торвград) более одного миллиона семисот тысяч рублей.

Общие выводы по работе:

1. Анализ литературных источников показал, что намотка, как технологический процесс формирования армирующих компонентов композиционных материалов использовался недостаточно эффективно.

2. 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.

3. 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.

4. Оптимизация технологических процессов изготовления армирующих компонентов с заданными свойствами заключается в изыскании «коротких технологий», снижающих вредное воздействие на используемый материал.

5. 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.

6. 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.

7. Исследование структур намотки мотальных паковок с помощью разверток позволяет проектировать и вырабатывать армирующие компоненты композитов плоской (листовой) формы заданных типоразмеров од-нопроцессным способом — намоткой нитей на оправки.

8. Использование разверток намоток позволяет не только изучать структуру паковок, но и определять их прочностные характеристики по геометрическим параметрам расположения нитей.

9. Мотальные паковки заданной формы намотки могут использоваться в качестве армирующих компонентов композиционных материалов при формировании их на оправках, имеющих ось вращения.

10. 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.

11. 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.

12. 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:

1. Панин М.И. Построение разверток намоток, формируемых на паковках с осевым перемещением / С.Д. Николаев, И.Н. Панин //Известия вузов. Технология текстильной промышленности. -2011.-К 1 (ЗЗО).-С. 49-52.

2. 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.

3. Панин М.И.Дефекты намотки мотальных паковок и причины их возникновения/ Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. - N 6 (321). - С. 48 - 53.

4. 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:

5. Панин М.И. О равновесности витков на поверхности намотки уточных шпуль / C.JI. Иванова // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 2 (20). - Димитровград: ДИТУД УлГТУ, 2004. - 73 с.

6. Панин М.И. Движение тела с переменной массой. / JI.H. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Панин М.И. Исследование возможностей формирования бобин сомкнутой структуры на машинах фрикционного типа. / A.B. Поликарпов, С.С. Юхин // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 1 (31). - Димитровград: ДИТУД УлГТУ, 2007. - 73 с. - С. 4 - 7.

Ю.Панин М.И. К вопросу расчета схем транспортных грузопотоков ткацких фабрик в современных условиях. / A.C. 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.

11 .Панин М.И. Анализ работ мотальных механизмов, применяемых при формировании паковок специального назначения. / C.B. Снежков, И.В. Синячкина // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Ди-митровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета. - Вып. 4 (38). - Димитровград: ДИТУД УлГТУ, 2008. - 63 с. - С. 18 - 21.

12.Панин М.И. Исследование структур мотальных паковок, обеспечивающих оптимальный процесс сматывания нити / И.В. Синячкина,C.JI. Иванова // Инновационные технологии в обучении и производстве: Материалы V Всероссийской научно-практической конференции, 4-6 декабря 2008 г.: В Зт. - Волгоград, 2008. - 284 с.

- С. 275 - 276.

13.Панин М.И. К вопросу расчета и выбора бёрд ткацких станков. / C.B. Снежков, A.C. Розанов // Вестник ДИТУД: науч.-произв. журн. / Димитровградский институт технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета.

- Вып. 2 (40). - Димитровград ДИТУД УлГТУ, 2009. - 89 с. - С. 21 -24.

14.Панин М.И. Классификация структур намотки мотальных паковок. / A.B. 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.

15.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 (2122 января 2010 г.). - Димитровград: ДИТУД, 2010. - 414 с. - С. 48.

16. 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.

17. Панин М.И. Место текстильных паковок специального назначения в решении экологических задач. / A.A. Калмыков, А.Н. Пайметов // Теоретические и практические аспекты развития современной науки и образования: Сборник научных статей. - Димитровград: ДИ-ТИНИЯУМИФИ, 2011.-274 с.-С. 118-122.

18.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.

19.Панин М.И. Модуль воздухоочистительный. / С.Д. Николаев, И.Н. Панин, Е.П. Цимбалюк, C.B. Снежков. // Патент на полезную модель №104477. Заявка №2010149282.

20. Панин М.И.Фильтровальный элемент. / С.Д. Николаев, И.Н. Панин, С.С. Юхин,В.С. Лапшенкова. // Патент на полезную модель Заявка №2010149283

21. Панин М.И. Фильтр ячейковый воздухоочистительный. / С.Д. Николаев,И.Н. Панин,В.С. Лапшенкова. // Патент на полезную модель №106721. Заявка №2010149284.

22. 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

Подписано в печать 24.10.12 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 0,9 Заказ 273 Тираж 80 ФГБОУ ВПО «МГТУ имени А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

Введение.

Глава 1: Анализ процессов изготовления композитов с использованием текстильных материалов и технологий.

1.1 Виды текстильных материалов и технологий применяемых при изготовлении композитов.

1.2 Способы изготовления композитов с использованием текстильных волокон.

1.3 Нетканые полотна как композиционный материал.

1.4 Нити, как композиты и наполнители композиционных материалов.

1.5 Ткани в структуре композитных материалов.

1.6 Формирование композиционных материалов намоткой.

Выводы к главе 1.

Глава 2: Исследование структур намоток мотальных паковок и возможность использования их в качестве армирующих элементов композиционных материалов.

2.1 Анализ существующих структур намоток мотальных паковок и основные критерии их прочностных характеристик.

2.2 Исследование процесса образования мотальных паковок заданной структуры.

2.3 Расчет коэффициента заполнения структур композиционных материалов текстильным армирующим компонентом.

2.4 Построение разверток намоток формируемых с осевым перемещением.

2.5 Исследование прочностных характеристик мотальных паковок специального назначения с помощью разверток.

2.6 Расчет прочностных характеристик композиционных материалов, формируемых намоткой методом автоматизированного проектирования.69 Выводы по главе 2.

Глава 3: Исследование процесса формирования армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок заданной формы намотки.

3.1 О рациональной технологии формирования текстильных армирующих компонентов композиционных материалов заданной формы.

3.2 Исследование закономерности движения нитеводителя при наматывании паковок произвольной формы намотки.

3.3 Определение величины угла поворота мотальной паковки при образовании на ней заданной формы намотки.

Выводы по главе 3.

Глава 4: Экспериментальные исследования по формированию намоткой армирующих компонентов композитов заданной формы.

4.1 Разработка методов проектирования мотальных механизмов для создания паковок заданной формы.

4.2 Разработка способа формирования мотальных паковок заданной формы намотки, механизмами сокращения хода нитеводителя.

Выводы по главе 4.

Глава 5: Расчет экономической эффективности и сравнительный анализ затрат на производство армирующих компонентов композиционного материала ткачеством и намоткой нити на оправку.

Выводы по главе 5.

Инновационное развитие промышленности страны требует разработки новых видов композиционных материалов и совершенствования технологических процессов их изготовления. Разработка технологии создания композиционных материалов с использованием текстиля, способных по свойствам и качественным показателям заменить металлы, является актуальной задачей для специалистов технического текстиля.

Композиционные материалы формируемые на базе текстильных технологий, позволяют создавать не только отдельные элементы конструкции, но и цельные изделия с наперед заданными свойствами, требуемой формы и типоразмеров. Использование композиционных материалов в космической, авиационной, судостроительной и других отраслях давно уже стало приоритетной задачей, успешное решение которой обеспечивает национальную безопасность страны. Создание новых видов летательных аппаратов, морских судов наводного и подводного флота, разработка отдельных узлов и элементов машин на базе текстильных композиционных материалов, позволяет придать им новые свойства, повысить прочность и надежность в эксплуатации по сравнению с традиционно применяемыми конструкциями. А разработка новых технологий изготовления текстильных композитов обеспечит снижение их себестоимости. Именно по пути создания новых технологий производства композитов идут и специалисты текстильщики и машиностроители за рубежом. Создание рациональных структур композитов с применением для их формирования минимального парка технологического оборудования является также актуальной задачей, не только сточки зрения сокращения технологического цикла производства, но и с точки зрения ресурсосбережения (экономия дорогостоящего сырья, снижение энерго и трудозатрат), а в целом снижение себестоимости единицы продукции.

Поэтому, разработка композиционных материалов однопроцессным способом, на базе мотальных паковок специального назначения, является актуальной и требующей безотлагательного решения задачей.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Разработка технологии выработки и исследование свойств армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения является актуальной проблемой, решение которой позволит:

• создать однопроцессный способ формирования как цельных композитов, так и отдельных элементов их конструкций на основе разверток намоток;

• разработка и применении специального мотального оборудования обеспечит формирование на базе мотальных паковок специального назначения композиционных материалов требуемой структуры и заданных типоразмеров и формы.

Развитие теории процесса формирования мотальных паковок специального назначения из нитей нитевидного материала с требуемыми свойствами (прочностными характеристиками, термическими и токопроводящими свойствами), позволяет существенно расширить ассортиментные возможности существующего и вновь создаваемого оборудования, обеспечит открытие новых способов формирования композиционных материалов различного назначения.

Выбор темы обусловлен требованиями научно - технического прогресса в области создания новых материалов с заданными качественными показателями (повышенными физико - механическими свойствами, требуемых форм, структур и типоразмеров) при снижении трудо и энергозатрат на их изготовление, а также себестоимости продукции.

Особенностью данной работы является комплексное проведение теоретических и экспериментальных исследований в области разработки мотальных паковок новых структур специального назначения, которые могут использоваться в качестве цельных композитов, а также разработка технологии их производства на базе разверток намоток.

Целью работы является разработка однопроцессного способа формирования армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения и исследование их свойств.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• проводится сравнительный анализ способов изготовления армирующих компонентов композиционных материалов с использованием текстильных технологий;

• разработка способа получения армирующих компонентов композиционных материалов требуемой структуры и типоразмеров на базе мотальных паковок специального назначения;

• разработка способа формирования плоских армирующих компонентов композиционных материалов на базе разверток намотки мотальных паковок;

• создание теоретических основ создания армирующих компонентов композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения;

• разработка конструкции мотального оборудования обеспечивающего формирование мотальных паковок заданной формы и типоразмеров;

• исследование процесса площения углеродных нитей для изгтовления препрегов и цельных композиционных материалов;

• исследование структур намотки мотальных паковок специального назначения, применяемых в качестве композиционных материалов;

• наработка опытных образцов композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения.

Научная новизна заключается в разработке теоретических основ процесса формирования мотальных паковок слоисто - каркасной структуры, требуемых типоразмеров и форм, а также исследование их свойств. В диссертации:

• разработан способ формирования композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения;

• разработан способ создания плоских текстильных полотен заданной структуры, используемые в качестве композитов на базе разверток мотальных паковок специального назначения;

• разработаны теоретические основы конструкций мотального оборудования обеспечивающих формирование мотальных паковок специального назначения заданной формы намотки;

• разработаны конструкции мотального оборудования для формирования паковок специального назначения;

• созданы устройства используемые в новом мотальном оборудовании при формировании композиционных материалов с помощью намотки, а также сами композиты различного назначения, новизна которых подтверждена полученными патентами (№104477 , 106721).

Практическая ценность результатов работы заключается в:

• разработке новых способов создания, на базе мотальных паковок специального назначения, как цельных композитов, так и отдельных элементов композиционных материалов, которые внедрены в производство систем экологической безопасности человека;

• разработке и создания новых конструкции мотального оборудования для формирования композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения;

• разработке автоматизированного метода расчета величины передаточного отношения от нитераскладчика к паковке, необходимого для формирования требуемых структур намотки, а также форм и типоразмеров.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации, сформированных в диссертации подтверждается соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований современными методамиих решения, применением известных положений фундаментальных наук в области создания композиционных материалов с использованием текстильных технологий.

Автор защищает:

• однопроцессный способ формирования композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения

• теоретические положения по формированию мотальных паковок заданной структуры, требуемой формы и типоразмеров из нитей и нитевидных материалов со специальными свойствами

• способ создания плоских текстильных полотен заданной структуры, используемые в качестве элементов композитов на базе мотальных паковок специального назначения

• теоретические положения о форме намотки паковок используемых в качестве цельных композитов

• конструкции мотальных механизмов, обеспечивающие формирование паковок слоисто - каркасной структуры, требуемой формы и заданных типоразмеров

• автоматизированный метод расчета величины передаточного отношения от нитераскладчика к паковке, необходимого для формирования прецизионных (точных) структур намотки мотальных паковок специального назначения

• конструкцию нового нитенатяжителя, обеспечивающего автоматическое выравнивание натяжения нити (нитевидного материала) при формировании мотальных паковок специального назначения

• результаты расчета экономической эффективности создания композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения

• выводы и рекомендации по способу создания композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения

Апробации и реализация результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 13 публикациях из них 4 в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией (ВАК РФ), получено 4 патента на изобретение и полезную модель.

По результатам работы сделано 3 доклада на научно - технических конференциях Всероссийского, Международного и регионального уровня, где получили положительную оценку.

Результаты работы внедрены в производство, при создании систем экологической безопасности человека, а именно на:

• ОАО «Ковротекс» г. Димитровград;

• ООО «Пантекс» г. Димитровград;

Общие выводы:

1. Анализ литературных источников показал, что намотка, как технологический процесс формирования армирующих компонентов композиционных материалов использовался недостаточно эффективно.

2. 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.

3. 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.

4. Оптимизация технологических процессов изготовления армирующих компонентов с заданными свойствами заключается в изыскании «коротких технологий», снижающих вредное воздействие на используемый материал.

5. Существующие технологии формирования армирующих компо-нентов 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.

6. 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.

7. 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.

8. Использование разверток намоток позволяет не только изучать структуру паковок, но и определять их прочностные характеристики по геометрическим параметрам расположения нитей.

9. Мотальные паковки заданной формы намотки могут использо-ваться в качестве армирующих компонентов композиционных материалов при формировании их на оправках, имеющих ось вращения.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

1. Уайт Д. М. Боги и люди Древнего Египта / Пер. с английского Калашниковой J1.A. - М.,ЗАО Центрполиграф. 2007., 189с.

2. Максименко В.Н. Теоритические основы методов расчета прочности , 2006., 240с.

3. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов -М. Машиностроение. 1988. 272с.

4. Любин Д. Справочник по композиционным материалам, перевод с английского книга 1, М, 1988.

5. Катц Н.В. Металлизация тканей, М. Ростехиздат 1962, 271с.

6. Morden J. F. С. Metallic Fibers," Metal Industry". 1960.

7. Конкин A.A., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М. 1974.

8. Малкина А.Я. Справочник руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения, М., 2009.

9. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы м,: Стройиздат, 1986.

10. Русаков A.B. Базальтовые волокна и композиционные материалы на их основе. Материалы конференции Узб. ВОИС, семинар НАТО.

11. Андреев A.A. Возможности практического применения нетканых полотен Viledon для изготовления композиционных материалов. // Нетканые материалы, № 3, 2008.

12. Сергеенков А.П., Ватил А. Перспективные методы производства волокон для нетканых материалов. // Полимерные материалы №2, 2006 с. 31 -35.

13. Матвеева Т.А. производство нетканых материалов в России в период 2001 2003гг. // Текстильная промышленность №3(5). 2003.

14. Горчакова В.М. , Сергеенков А.П. , Волощик Т.Е. Оборудование для производства нетканых материалов в 2 х томах. - М. МГТУ им. А.Н. Косыгина, ООО «Совьяж - Бево». 2006.

15. Морозенко Т.Ф., Шигапова Ж.С. Новые фильтровальные материалы. — Волгоград. Сб. научных трудов. 2001., 213с.

16. Бершев E.H., Курицин В.В., Куриленко А.И., Смирнов Г.П. Технология производства нетканых материалов. М. Легкая и пищевая промышленность, 1982, 352с.

17. Белицин М.Н. О структуре и механических свойствах полиамидных комплексных нитей. В книге Научно - исследовательские труды ВНИИПХВ, 1966. 4.1. M «Легкая индустрия» 1969. С 26 - 38.

18. Белицин М.Н. Оптимизация механических свойств синтетических филаментных нитей //, Химические волокна №3. 1970. С. 38 - 40.

19. Батаева A.A. Композитные материалы: строение, получение, применение. Учебник. Изд. НГТУ г. Новосибирск, 2002. 384с.

20. Белицин М.Н. Синтетические нити. М. «Легкая индустрия» 1970. 192с.

21. Белицин М.Н. Физическая модификация химических нитей. Препринты международного симпозиума по химическим волокнам в Калинике, НИИТЭХИМ. 1974. С 74 - 77.

22. Белицин М.Н. , Садкова H.A. , Селезнева Н.И. и др. Шелкоподобная полиамидная нить. 11 Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Нефтехимия «Наука», м. 1974. 231 232с.

23. Белицин М.Н. , Никитина К.П., Садкова H.A. и др. Модифицированная полиамидная нить шелон, подобная натуральному шелку. «Химические волокна №5», 1975., 43 - 44с.

24. Смирнов Л.С. , Шавлюк В.Н. Текстурированные нити. М. «Легкая индустрия» 1979., 230с.

25. Подкуйко И.Н. Получение текстурированных нитей в процессе формирования и вытягивания. М. НИИТЭХИМ. Сб. научных трудов., 1974.

26. Welge W.E. Chemiefasern. 1970. №2. S 113.

27. Karlheinz Gitel, Heino Martin. Deutsche Akademia. Institute fur Technologie der Fasern.

28. Wierdner H.P. Spejiell Melliand Textilber., 1968, 49 S.

29. Панин М.И. , Панин И.Н. , Омегова Т.А. Разработка и исследование методов снижения обрывности нитей основы при выработке технических сукон. Тезисы доклада НТ Конференции МГТУ им. А.Н. Косыгина М. 2007.

30. Панин М.И. , Цимбалюк Е.П. , Николаев С.Д. Комплексные нити, как основа создания текстильных композиционных материалов. Тезисы доклада НТ Конференции МГТУ им. А.Н. Косыгина М. 2008.

31. Саввиатов П. Описание старинных русских утварей, одежд, оружия, ратных доспехов и конского прибора в азбучном порядке расположенное. С Петербург, Академия наук 1896.

32. Летопись по Иппатову списку, 1871, 401с.

33. Металлизация текстильных изделий и металлическая пряжа. Серия «Зарубежная техническая информация». Выпуск 13. Изд. Бюро технической информации легкой промышленности 1958.

34. Brenner S.S. "Schentific American", 203 (July 1960), Metal "Whiskers".

35. Базаева E.M. , Еремкин Д.И. , Литвинов В.Б., Токсанбаев M.C. Разработка преформы цельнотканного трехмерного каркаса вентиляторной лопатки. // Авиационная промышленность. №1 , 2008., с 42-44.

36. Глубиш П.А. Расширение выпуска текстильных материалов со специальными видами отделки. Сборник: перспективы развития ткацкого, нетканого и трикотажного способов производства. М. 1975 с. 63.

37. Антошин Е.В. Технология металлизации распылением, М. Машгиз, 1944.

38. Черняева O.E. Совершенствование технологии изготовления технических тканей специального назначения из арамидных нитей на ткацких станках фирмы DORNIER. Дисс. к.т.н. МГТУ имени А.Н. Косыгина, м. 2010.

39. Гречихина O.E. Рапирный станок DORNIER преимущества и недостатки, при формировании тканей из арамидных нитей. //

40. Совершенствование процессов текстильного производства: Юбилейный выпуск сб. научных трудов Иваново: ИГТА, 2006, с. 38 - 46.

41. Riding G. Filament Migration in single Jams. Journal of the Textile Institute (transactions), 1964, 55, 1, 9.

42. Панин И.Н. , Панин М.И. Исследование возможностей формирования бобин сомкнутой структуры на машинах фрикционного типа // Вестник ДИТУД, г. Димитровград 2007.

43. Севостьянов А.Г. «Методы и средства исследования технологических процессов текстильной промышленности». Легкая индустрия. 1980.

44. Сокерин Н.М. , Бобков Е.А. «К вопросу о стабилизации натяжения утка на уточномотальных автоматах». В ж. Технология текстильной промышленности. Изв. Вузов №1. 1971.

45. Морозов И.В. «Влияние условий формирования трубчатых початков на слетообразование льняного утка в ткачестве». В ж. Технология текстильной промышленности. Изв. Вузов №5, 1982г.

46. Матюшев И.И. «О переходных кривых кулачков нитераскладчиков на участке реверса». В ж. Технология текстильной промышленности. Изв. Вузов №3, 1982.

47. Моисеев Г. К. «Изменение угла геодезического отклонения при наматывании конических паковок». В ж. Технология текстильной промышленности. Изв. Вузов №3, 1976

48. Моисеев Г.К. «Влияние конструктивных и кинематических параметров наматывающих механизмов на характер расположения нитей на паковках». В ж. Химические волокна. №2, 1973.

49. Ефремов Е.Д. «уравнение наматывания нити на поверхность вращения». В ж. Технология текстильной промышленности. Изв. Вузов №2,1965.

50. Вайнер И.И. , Плотникова Л.А. «К вопросу наматывания бобин заданной плотности». В ж. Технология текстильной промышленности. Изв. Вузов №6, 1981.

51. Коломиец А .Я. «Исследование структуры намотки трубчатых текстильных фильтров». Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Ленинград. 1975.

52. Алешин П.А. «Исследование технологических факторов, определяющих процесс перемотки пряжи на уточномотальных автоматах». Диссертация. МТИ. 1950.

53. Андреев А.А. Возможности практического применения нетканых полотен УПеёоп для изготовления композиционных материалов // Нетканые материалы, продукция , оборудование технологии март 2008. С.П.

54. Николаев С.Д. и др. Методы и средства исследования технологических процессов в ткачестве. // МГТУ им. А.Н. Косыгина 2003.

55. Гордеев В.А. Ткацкие переплетения и анализ тканей. // Легкая индустрия 1969.

56. Панин И.Н. Совершенствование процесса формирования структуры и процесса сматывания мотальных паковок сомкнутой структуры намотки, дисс. к.т.н. г. Ленинград ЛИТАП им. С.М. Кирова 1983.

57. Гордеев В.А., Зайцев В.П., Панин И.Н. О бобинах сотовой намотки формируемых на машине «Бандомат».// Известия вузов, технология текстильной промышленности №3. 1984. с.45.

58. Лепетов В.А. Резиновые технические изделия. Изд. М. «Химия». 1965.

59. С.Д. Николаев, М.И. Панин, И.Н. Панин. Исследование прочностныххарактеристик мотальных паковок специального назначения с помощью развёрток // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности №8 (329) 2010 г. 40 с.

60. В.Г. Зайцев, И.Н. Панин. Исследование процесса формирования бобин сотовой намотки на машине «Бандомат» // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности №3 1982 г.

61. Аюшев Т.В. Геометрические вопросы адаптивной технологии изготовления конструкций намоткой из волокнистых композиционных материалов. Изд. БНЦСО РАН г. Улан Уде, 2005.

62. Панин И.Н. , Панин А.И. , Панин М.И. Намотка как новая инновационная технология текстильного производства. Альманах к ЮОлетию А.Г. Севостьянова, МГТУ им. А.Н. Косыгина г. Москва 2011.

63. Мартынов И.А., Прошков А.Ф., Яскин А.П., Машиностроение. Энциклопедия. В 40 томах. Раздел IV. Расчет и конструирование машин. Том IV-13: Машины и агрегаты текстильной и легкой промышленности.

64. Елыпаев В.Н. «Исследование привода бобин и процесса раскладки нити мотальным барабанчиком». Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Москва 1966. Остр.

65. Жарковская Е. П., Бродский Б. Е., Бродский И. Б.Антикризисное управление. Учебник. . Андросова Л. А.Экономика труда: учебное пособие.