ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения конструкторской разработки.

Сущность устройства ультразвуковой пропитки заключается в том, что в известном устройстве ультразвуковой пропитки наполнителя связующим, включающем в себя ванну со связующим, прижимные ролики для перемещения наполнителя вдоль дна ванны, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, размещенную над поверхностью ванны со связующим таким образом, что рабочий инструмент погружается в связующее. Рабочий инструмент колебательной системы выполнен в виде пластины со скругленными краями, имеющей криволинейную излучающую рабочую поверхность. Поперечный размер рабочего инструмента устанавливают из условия обеспечения однослойного размещения наполнителя по ширине инструмента в процессе пропитки. Продольный размер пластины выбирается из условия обеспечения требуемой степени пропитки при заданной скорости протягивания наполнителя через ванну со связующим. Ультразвуковую колебательную систему размещают над ванной со связующим таким образом, что акустическая ось колебательной системы располагается под углом к поверхности связующего в ванне. Часть рабочего инструмента располагается над поверхностью связующего, а прижимные ролики располагают таким образом, чтобы в процессе протягивания наполнителя вдоль поверхности рабочего инструмента обеспечивался механический контакт наполнителя с излучающей поверхностью ультразвуковой колебательной системы. Нижнюю стенку ванны в месте размещения над ней рабочего инструмента колебательной системы выполняют под углом к поверхности связующего в ванне, перпендикулярным акустической оси колебательной системы. Расстояние от поверхности рабочего инструмента до дна устанавливают равным половине длины волны ультразвуковых колебаний в связующем на рабочей частоте колебательной системы.

Предлагаемое устройство поясняется фиг.2.

На фиг.2 схематично показано устройство ультразвуковой пропитки, состоящее из ванны 2 с наполнителем 3, выходного отжимающего устройства 4 и ультразвуковой колебательной системы 5, заканчивающейся рабочим инструментом 6.

Устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим работает следующим образом. Армирующий волокнистый наполнитель, состоящий из множества непрерывных волокон 1, формируется в пучок и с помощью прижимных роликов поступает и протягивается через ванну 2 со связующим 3 до выходного устройства 4, обеспечивающего удаление излишков связующего. Устройство обеспечивает обработку наполнителя в связующем ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, создаваемыми пьезоэлектрическим преобразователем колебательной системы 5, усиливаемыми концентратором и через рабочий инструмент 6 вводимыми в наполнитель и связующее. Ультразвуковая обработка наполнителя осуществляется при прохождении наполнителя между стенкой ванны и рабочим инструментом 6.

Рабочий инструмент колебательной системы выполняют в виде пластины со скругленными краями, имеющей криволинейную излучающую рабочую поверхность (например, выпуклую, сферическую). Прижимные ролики расположены таким образом, что обеспечивают протягивание наполнителя вдоль всей криволинейной поверхности рабочего инструмента с натяжением.

Натяжение устанавливается достаточным для обеспечения постоянного механического контакта наполнителя с излучающей поверхностью рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы. Выбор излучающей поверхности рабочего инструмента криволинейной исключает механическое повреждение волокон в процессе пропитки.

Поперечный размер рабочего инструмента устанавливают из условия обеспечения однослойного размещения наполнителя по ширине инструмента в процессе пропитки. Это позволяет обеспечить равномерность УЗ обработки всех протягиваемых волокон. При этом перед излучающей поверхностью рабочего инструмента в процессе пропитки размещается меньше наполнителя, затухание УЗ колебаний (определяемое, в основном, затуханием в наполнителе) уменьшится, и обработке будет подвергаться весь объем связующего под излучающей поверхностью рабочего инструмента.

Размер пластины вдоль направления движения наполнителя увеличивают по сравнению с размером излучающей поверхности в прототипе. Это необходимо для увеличения времени УЗ воздействия в процессе пропитки, обеспечения одновременной ультразвуковой обработки связующего в ванне, наполнителя в процессе протягивания и допропитки наполнителя после выхода из связующего. Для этого ультразвуковую колебательную систему размещают над ванной со связующим таким образом, что акустическая ось колебательной системы располагается под углом к поверхности связующего в ванне. Часть рабочего инструмента располагается над поверхностью связующего. Она обеспечивает обработку вне связующего. Часть излучающей поверхности, контактирующая с наполнителем, обеспечивает его пропитку и обработку связующего (дегазацию и модификацию). В рассматриваемом устройстве обработка связующего обеспечивается также за счет излучения УЗ колебаний поверхностью рабочего инструмента, противоположной рабочей поверхности инструмента (контактирующей с наполнителем).

Нижнюю стенку ванны в месте размещения над ним рабочего инструмента колебательной системы выполняют под углом к поверхности связующего в ванне, перпендикулярным акустической оси колебательной системы. Расстояние от поверхности рабочего инструмент до дна устанавливают равным половине длины волны ультразвуковых колебаний в связующем на рабочей частоте колебательной системы. Исключение необходимости обрабатывать толстый жгут волокон и, соответственно, уменьшение затухания УЗ колебаний позволяет эффективно обрабатывать связующее под излучающей рабочей поверхностью. Выполнение стенки ванны в зоне обработки параллельной рабочей поверхности и обеспечение резонансного усиления УЗ колебаний за счет выбора расстояния между излучающей поверхностью и стенкой, равной половине длины волны, позволяет обеспечить повышение амплитуды колебаний в зоне обработки и у стенки ванны. Увеличение амплитуды колебаний у стенки ванны позволяет эффективно обрабатывать связующее (насыщенное воздухом), возвращаемое после отжима в ванну (на фиг.2 схематично показано капельками на дне ванны). Расположение колебательной системы и рабочего инструмента позволяет исключить попадание выделяющихся в процессе обработки газов в обрабатываемый наполнитель. Пузырьки воздуха всплывают перед не погруженной в связующее частью рабочего инструмента.

Для практической реализации предложенного устройства колебательная система состоит из пьезоэлектрического преобразователя, выполненного совместно с концентратором механических колебаний, оканчивающимся излучающей поверхностью рабочего инструмента. Колебательная система выполнена в виде волновой конструкции и реализована по ступенчато-экспоненциальной схеме, что обеспечивает максимально возможный коэффициент усиления, при близком к наилучшему согласованию электрического сопротивления пьезопреобразователя с акустическим сопротивлением технологической среды. Вследствие этого достигнуты оптимальные условия воздействия ультразвуковых колебаний на обрабатываемую технологическую среду: КПД преобразования энергии электрической промышленной сети в энергию ультразвуковых механических колебаний превышает 50%; созданы наилучшие условия для работы генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что для получения необходимого и достаточного качества пропитки стекловолоконного ровинга рабочий инструмент должен иметь излучающую площадь размерами не менее 160 50 мм. Для обеспечения ультразвукового воздействия в процессе пропитки интенсивность излучения должна составлять 2...3 Вт/см ² [10]. Это необходимые и достаточные условия для возникновения развитой кавитации в связующем. Так как максимальный размер выпускаемых промышленностью пьезокерамических элементов не превышает 50 мм, то были использованы три пакета параллельно подключенных пьезоэлектрических элементов при единых отражающей и рабочей концентрирующей накладках.

Поскольку связующее представляет собой жидкость с большим коэффициентом вязкости, то для обеспечения кавитационного режима ультразвукового воздействия необходимо обеспечить амплитуду колебаний на излучающей поверхности не менее 50 мкм. С учетом вышесказанного разработанная ультразвуковая колебательная система спроектирована таким образом, что ее собственная резонансная частота выбрана равной 18 кГц. При этом потребляемая мощность генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты, необходимая для поддержания режима оптимальной пропитки, не превышает 250 Вт.

Предложенное и практически реализованное устройство ультразвуковой пропитки позволило организовать в промышленных условиях ультразвуковую пропитку изделий из ПКМ, представляющих собой цельные стеклопластиковые стержни, диаметром от 2 до 10 мм. Температура связующего в ванне составляла 45-50 градусов Цельсия за счет поглощения ультразвуковой энергии в эпоксидной смоле. Содержание связующего в стержнях достигало 23,7...24,2%, причем в течение смены отклонения составляли не более 0,5% при различных значениях влияющих внешних факторов.

Применение устройства ультразвуковой пропитки позволило увеличить содержание связующего на 3-4%, а также повысить прочность конечного продукта на 20% и химическую стойкость на 17%.

Таким образом, наиболее важное звено технологического процесса - пропитка стекловолоконного ровинга эпоксидным связующим было реализовано с достижением максимальных показателей качества продукции - оптимальное содержание эпоксидной смолы в цельном стеклопластиковом стержне, отсутствие газовых включений, повышение прочности и химической стойкости.

В настоящее время в Бийском технологическом институте ведется изготовление опытной партии устройств ультразвуковой пропитки и ведется подготовка с серийному производству.