Разработка композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, кандидат технических наук Панин, Михаил Иванович

• Панин, Михаил Иванович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Панин, Михаил Иванович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка композиционных материалов на базе мотальных паковок специального назначения»

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;

Заключение диссертации по теме «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья», Панин, Михаил Иванович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Панин, Михаил Иванович, 2012 год

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.