* по машиностроению

А.И. Шиляев, аспирант, Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета.

A.I. Shilyaev,the post-graduate student of a full-time couse of study, Votkinsk branch of Izhevsk State Technological Universiti. Russia.

К.П. Широбоков, канд. техн. наук, доцент, Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета.

K.P. Shirobokov, candidate of technological science, vice professor. Votkinsk branch of Izehevsk State Technological University. Russia.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ КОРОТКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И КАПЛЕОБРАЗНЫХ НЕВОЛОКНИСТЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ СУПЕРТОНКОГО БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА.

DEFINITION OF EDUCATION IN PROCESSES OF FORMATION NOT FIBROUS WITH SHOT CYLINDER AND DROPLET-LIKE INCLUSIONS IN PRODUCTION A SUPERTHIN BASALT FIBRE.

УДК 621.002.5

Работа посвящена определению условий при которых не образовывается разрушающих явлений под действием изгибающих напряжений создаваемых потоком газа на первичную нить в технологическом процессе получения базальтового волокна по дуплексной технологии на установках производящих минеральное (базальтовое) волокно дуплекс способом, позволяющее уменьшить появление коротких цилиндрических неволокнистых включений (корольков), которые ухудшают качественные и физические показателей материалов из базальтового сырья.

Ключевые слова: параметры технологического процесса, неволокнистые включения, корольки, качество минерального (базальтового) волокна.

Keywords: parametres of technological process, not fibrous inclusions, quality of mineral raw materials.

Одной из причин образования неволокнистых включений в базальтовом волокне при производстве его методом раздува первичных нитей расплава базальта является нарушение условия прочности нитей при их изгибе под действием газового потока, истекающего из сопла раздува. Схема образования неволокнистых включений по этой причине показана на рис.1. При этом образуются неволокнистые включения двух видов. Первые имеют неправильную геометрическую форму, которая образована с одной стороны фрагментом первичной нити длиной 1…3 мм, а с другой стороны – каплеобразным элементом. Они появляются в тех случаях, когда при недостаточно высокой температуре потока вторичная капля расплава на конце нити образуется при слишком глубоком внедрении нити в поток. Вторые включения имеют правильную геометрическую форму в виде фрагментов первичных нитей длиной от 2 до 8 мм. Они появляются при малом диаметре первичной нити или при низкой температуре газового потока, когда нить продолжая двигаться в направлении своей оси не успевает прогреться до температуры плавления и, как и в первом случае, разрушается под действием изгибающих напряжений, действующих со стороны газового потока.

Условие разрушения нити под действием изгибающих напряжений имеет вид: σ_и › [σ_и] (1)

где [σ_и] = 50…90 Мпа – допустимое напряжение изгиба нити, σ_и – напряжение изгиба нити, определяемое по формуле :

σ_и = М_и/W_и (2)

где W_и =πd_н ³/32 – момент сопротивления на изгиб нити d_н.

В процессе раздува первичных нитей расплава базальта газовым потоком возможна ситуация, когда при больших скоростях вытягивания нитей энергии газового потока, истекающего из щелевого сопла, недостаточно для образования на конце нити капли вторичного расплава. В этом случае возможно разрушение нити под действием изгибающего момента и образование неволокнистого включения в виде цилиндрического элемента правильной геометрической формы.

Если предположить, что газовый поток создает на выступающей в него части нити равномерно распределенную нагрузку q, как показано на рис.1, то максимальный изгибающий момент :

М_и = qX²/2 (3)

Распределенная нагрузка на поверхности нити определиться :

q = С_x d_н ρ_г V_ср² cosβ /2, (4)

где С_x – коэффициент лобового сопротивления нити, ρ_г – плотность газового потока, V_ср – средняя скорость газового потока, β – угол между направлением подачи нити и перпендикуляром к направлению потока газа.

Из выражений (1,2,3,4) критический вылет первичной нити :

X_к= (πd_н ²[σ_и]/8 С_x ρ_г V_ср² cosβ)^0,5 (5)

Подставив в выражение (5) значения входящих в него параметров

d_н = 0,15…0,3 мм, V_ср=400…600 м/с, β = 10 град., ρ_г =0,124 нс²/м⁴ , С_x(сф) =0,05, С_х(цил)=1, [σ_и]=50…90 МПа;

Вычислено, что критический вылет нити, при котором возможно ее разрушение находится в пределах от 2,1 до 6,8 мм.

С учетом силового действия потока на каплю критический вылет первичной нити определяется из выражения:

M_иq + М_иР = πd_н ³[σ_и]/32 (6)

где M_иq - изгибающий момент под действием распределенной нагрузки на цилиндрическую часть нити, находящейся в потоке, а М_иР – изгибающий момент, вызванный действием аэродинамической силы на вторичную каплю расплава.

Подставив в (6) значения моментов, получено:

X_к ² d_н С_x ρ_г V_ср² cosβ/2 + X_к π d_к² С_{x к} ρ_г V_ср² cosβ/8 = πd_н ³[σ_и]/32 (7)

Обозначив a = d_н С_x ρ_г V_ср² cosβ/2, b = π d_к² С_{x к} ρ_г V_ср² cosβ/8,

c = πd_н ³[σ_и]/32 и решив полученное квадратное уравнение, получено:

X_к = (- b ⁺_- (b² + 4ac)^0,5)/2а (8)

Подставив в формулу (8) предельные значения известных параметров, получено что максимальный и минимальный вылет нити, при котором возможно разрушение нити под действием изгибающего момента, действующего со стороны потока газа составляет, соответственно, 2,8 и 8,7 мм, что подтверждает возможность образования неволокнистых включений по этой причине.

Варьируя параметрами скорости V_г и углом b, можно наблюдать зависимость критической величины Х_к от этих параметров . Полученные зависимости представлены на графиках на рис.2. и рис.3. Они позволяют судить о степени влияния скорости потока и угла ввода первичной нити в поток на величину критического вылета, что является важным при проектировании установки для производства базальтового волокна и при назначении режимов технологического процесса.

Литература:

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. – М.: Наука, 1969.-675 с.

2. Колпащиков В.Л.,Ланин Ю.И.,Мартыненко О.Г.,Шнип А.И.

О возможности расширения области устойчивости процесса вытяжки волокон. ИФЖ,1990,т.59,№1,c.26-33.

3. Асланова М.С. Стеклянные волокна.-М.: Металлургия. 1983.-296 с., ил.

4. Кухлинг Х.Справочник по физике: Пер с нем.-М.: Мир, 1982.-520 с., ил.

5. Карахинди Н.Г. Исследование влияния технологисеских факторов на процесс формования и свойств микроволокна. – Автореферат канд. Дисс.-М.: МХТИ, 1973.

The literature list:

1. Abramovich G.N. Applied Gas Dynamics. –M.: Science, 1969.-675 p.

2. Kolpaschikov V.L.,Lanin U.I.,Martinenko O.G.,Shnip A.I. On the possibility of expanding the field of sustainability of the drawing of fibers. IFSH, 1990,T59,№1,р.26-33.

3. Aslanova M.S. Glass fiber. – M.: Metallurgy. 1983. -296 p.,pic.

4. Kuhling H. Guide to Physics: translate from German. – M.: Mir, 1982.-520 p. pic.

5. Karahindi N.G. Investigation of influence factors on tehnologiseskih molding process and the properties of microfiber. - Abstract of Ph.D. Theses Investigation of influence factors on tehnologiseskih molding process and the properties of microfiber. - Abstract of Ph.D. Theses –M.:MHTI,1973.