Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Филиппова Е.Г. 1 Шевцов А.А. 1

---

1 Уральский университет путей сообщения УрГУПС

В повседневной жизни или на предприятии человек всегда испытывал необходимость в перемещении (транспортировке) различных жидких веществ, различной вязкости, плотности и химического состава. В соответствии с ГОСТ 17389 – 72 классификация всех существующих устройств для перекачивания жидкости или газообразных веществ, т.е. насосов подразделена на виды и разновидности по различным признакам, которые могут включать в себя геометрические и физические параметры, принципы действия и области применения. В данной статье будет рассмотрен лопастной центробежный насос компании Wilo модели PSV – 1512D, в качестве прототипа для конструирования нового, с учетом применения композиционных материалов. Согласно исследованиям в области материаловедения, самыми перспективными и эффективными материалами, как и в экологическом плане, так и в экономическом, являются именно полимерные композиционные материалы, которые в последнее время приобрели наибольшее распространение благодаря своей привлекательности.

Статья в формате PDF

333 KB

объектно-ориентированное проектирование

композиционные материалы

метод конечных элементов

математическая модель

1. Готлиб Б. М. Введение в мехатронику: Учебное пособие в двух томах. Т. 2. Проектирование и применение мехатронных модулей и систем. – Екатеринбург: УрГУПС, 2008. – 302 с.

2. Таугер В. М. Основы конструирования мехатронных модулей и систем: Учебное пособие. – Екатеринбург: УрГУПС, 2004. – 140 с.

3. Фокин В. Г. Метод конечных элементов в механике деформируемого твёрдого тела: Учеб. пособие / В.Г. Фокин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 131 с.: ил. ISBN 978-5-7964-1390-6

4. «О взаимосвязи и особенностях композиционных материалов». Авт. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Журнал «Композитный мир» №2, 2009 г., стр. 34-37. Из-во ООО «Издательский дом « Мир Композитов», г. С-Петербург.

5. «Применение композиционных материалов в вентиляторах и насосах». Авт. Миняев Ю.Н., Холодников Ю.В., Князев А.Е. «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности». Сб. трудов VI Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р.Кубачека. 2008 г. Екатеринбург, УГГУ.

6. Антикоррозионная защита оборудования химстойкими композитами [Электронный ресурс].ООО СКБ «Мысль» [сайт]. URL: http://www.sdo-mysl.ru/?m=notes&p=8 (дата обращения: 22.07.2017)

7. Сравнительная характеристика свойств стеклопластика, стали и алюминиевых сплавов [Электронный ресурс].

URL: https://plsfera.ru/images/brochures/technical_characteristics_of_fiberglass.pdf (дата обращения: 22.07.2017)

8. Material Comparison [Электронный ресурс].

URL: http://www.rolfinc.com/Material%20Comparison.pdf (дата обращения: 22.07.2017)

9. Total Materia [Электронный ресурс].

URL: http://www.totalmateria.com/TM_material_details.aspx?LN=EN&id1=1330565 (дата обращения: 22.07.2017)

Упрощенный алгоритм производства автомобилей компанией ОАО «АгромашХолдинг» состоит из 5 основных пунктов производства: после прибытия соответствующих комплектующих автомобиля происходит сварка основных частей кузова в цехе сварки с помощью роботизированных комплексов. Затем кузов автомобиля транспортируют в лакокрасочный цех, где он проходит очистку и нанесение первого слоя грунтовки с последующей сушкой и проверкой в досмотровочной камере. Далее на кузов наносят краску и лак, после подготавливают к транспортировке в цех мелко-узловой сборки, где после необходимых сборочных процессов, собранный автомобиль выезжает своим ходом.

На этапе хранения соответствующих комплектующих на складе и после осуществления процесса сварки основных узлов, на кузове автомобиля остаются множество различных веществ, таких как: транспортировочное масло, шлаки, частицы, химические вещества после сварки, пыль и т.д. Данные вещества и частицы, согласно алгоритму производства автомобилей должны быть полностью удалены, т.к. они негативно влияют на процессы активации, фосфатирования и последующего грунтования кузова автомобиля, и могут привести к затрате времени и эксплуатационных средств на дополнительную обработку и исправлению различных дефектов.

Автоматизированный процесс очистки, обезжиривания и грунтования кузова автомобиля состоит из 13-ти этапов [1-2], каждый из которых сопоставляется номеру ванны (№1-13), алгоритм организации данного процесса следующий:

Этапы 1, 2, 3, 4 осуществляют промывку погружением и распылением с помощью форсунок для удаления различного рода загрязнений: частиц пыли, транспортировочных масел, сварочных шлаков, верхнего химического слоя на поверхности кузова. Обезжиривающая жидкость на данных процессах состоит преимущественно из щелочи. Концентрация щелочи в данных производственных этапах варьируется от 9 – 15 pH, что соответствует сильной щелочной среде. Давление жидкости на форсунках, которые участвуют в процессах №1 и №3 должно составлять 0.2 – 0.3 кг/см3, данное давление обеспечивается путем использования насосного оборудования. В ваннах под номерами №2 и №4 насосное оборудование осуществляет циркуляцию жидкости по малому кругу, т.е. создает поток жидкости внутри ванных для дополнительной промывки кузова и распределению температуры жидкости, которая должна составлять 50-60º С, капот кузова в данных процессах должен быть направлен против движения потока жидкости.

Этап 5 – активация с погружением. После обезжиривания и очистки, на кузов автомобиля необходимо нанести слой фосфата–цинка. Соответствующие комплектующие кузова автомобиля состоят из специальной стали с нанесенным на нее слоем цинка (оцинкованная сталь). Слой цинка составляет 6 – 7 микрон. В 5–ой ванне применяется активатор, который разрушает верхний химический слой цинка, с последующим образованием особой кристаллической решётки для взращивания (образования) кристаллов фосфата – цинка.

Этап 6 – фосфатирование погружением. После образования кристаллической решетки следует осуществить наращивание кристаллов фосфата – цинка на кузове автомобиля.

Этап 7 – промывка распылением. Главной целью данного процесса является осуществление ликвидации (удаление) не нужных кристаллов фосфата-цинка.

Этапы № 8 и 9 – являются этапами промывки погружением, где применяется специальная деионизированная вода с нейтральной щелочно-кислотной средой pH. Индикатор щелочно-кислотного баланса определяется показателем, как нейтральная щелочно-кислотная среда, т.е. соответствует позиции 0.

Этап 10 – катафорез, нанесение первичного слоя грунтовки. Жидкость ванны № 10 состоит из токопроводящей смеси, которая называется пигмент – связующая и жидкой грунтовки (раствор – эмульсия). Сам пигмент заряжен положительно, а кузов автомобиля отрицательно. В ванне присутствуют 56 анодов (ячеек), из которых 8 расположены на дне ванны, остальные расположены непосредственно на стенах ванны. Аноды – это специальные токопроводящие стержни, на которые подаётся положительное напряжение (подводиться кабель «+»). На кузов автомобиля подаётся отрицательное напряжение (подводиться кабель « – » ). Рабочее напряжение, которое осуществляет процесс нанесения грунта на кузов составляет 380 вольт, с очень большой силой тока (1<<I).

Этапы №11, 12, 13 – осуществляют промывку погружением и распылением ультрафильтратом. В ваннах №11 и № 12 применяется малый контур циркуляции жидкости, для того, чтобы при помощи направленного потока очистить от оставшихся химикатов кузов автомобиля.

Объем каждой ванны, которые применяются в автоматизированном процессе очистки, обезжиривания и грунтования кузова автомобиля составляет 65м3. И во всех этапах приведенного алгоритма очистки, обезжиривания и грунтования кузова автомобиля применяется насосное оборудование, для поддержания заданных давлений в форсунках или для осуществления циркуляции жидкостей в ванных и, тем самым осуществляется перераспределение температуры жидкости. В таблице 1 указаны жидкости, в которых путем соблюдения определенных пропорций составляются смеси, участвующие в процессах очистки, обезжиривания, а также веществ составляющих основу для пегмент-связующего, активации и фосфотирования. Данные жидкости из таблицы 1 и их последующее описание были предоставлены предприятием ОАО «АгромашХолдинг». Также автоматизированный процесс обезжиривания, очистки и грунтования кузова автомобилей был исследован и представлен в данной статье на практическом основании, путем наблюдения и участия автора статьи лично в изучении данного процесса.

Жидкости, из которых создают специальные растворы для различных целей применения, показаны в таблице 1.

Таблица 1

Химических элементы, используемые для создания растворов, с последующей эксплуатацией в этапах №1-13

Во время исследования автоматизированного процесса обезжиривания, очистки и грунтования кузова автомобилей обнаружили патогенное воздействие данных веществ на насосное оборудование предприятия, данное патогенное воздействие выявляется в виде разрушения определенного типа, т.е. возникновение коррозий, трещин, повышение усталости металла.

Пример образования различного рода разрушений иллюстрируют рисунки 1 и 2.

Рис.1 Рабочее колесо (крыльчатка) насоса, покрытая коррозией.

Рис.2 Корпус (улитка) насоса, покрытая коррозией.

На рисунках 1, 2 и 3 изображены рабочее колесо, корпус и патрубок насоса PSV – 1512D, материал из которого изготовлены данные детали обозначается, как GC200 [8–9] (серый чугун). После эксплуатационного периода (3 - 4 года) детали узла изнашиваются, далее «старые» детали демонтируют, заменяя на «новые», с таким же материалом.

Рис.3 Патрубок насоса, покрытый коррозией

Таким образом, для повышение безопасности обслуживающего персонала, и уменьшение затрат на покупку нового насосного оборудования, необходимо изменить в конструкции насосного оборудования материал на более стойкий к агрессивной химической среде.

Согласно исследованиям в области материаловедения, самыми перспективными и эффективными материалами, как в экологическом плане, так и в экономическом, являются именно полимерные композиционные материалы, которые в последнее время приобрели наибольшее распространение благодаря своей привлекательности [6]. Иллюстрация данного факта представлена на рисунке 4.

Рис. 4 Диаграмма методов защиты от коррозии

После проведения анализа использующихся веществ в процессе обезжиривания, очистки и грунтования был сделан вывод о том, что лучше всего, для модификации рабочего колеса [5], использовать стеклопластик, а для решения вопроса с коррозией и разрушением патрубка и корпуса насоса целесообразно использовать фторопласт [5], для нанесения химически стойкого покрытия, по следующим причинам:

1) особые физико-механические свойства (низкий коэффициент трения)

2) высокая степень химической стойкости к агрессивным средам, как показано в табл. 2

3) относительная дешевизна

4) широкий температурный диапазон эксплуатации [5].

Таблица 2

Параметры химической стойкости фторопласта и стеклопластика [7]

Для осуществления расчета на прочность модифицированного рабочего колеса, была применена объектно-ориентированная программа, созданная специально для проектирования, с последующим тестированием различных деталей узлов машин и механизмов, а именно − SolidWorks.

Решение осуществлялось с помощью математического метода конечных элементов.[3] Результат математического моделирования представлен рисунками 5 и 6.

Рис. 4 Деформация, возникающая при эксплуатации детали

Предел текучести 2,397е + 008

Рис. 5 Напряжения, возникающие при эксплуатации

Согласно моделированию напряжений, максимально возможные напряжения во время эксплуатации находятся (согласно шкале, на рисунке обозначаются зеленым цветом) в пределах нормы, т.е. при поднятии жидкости на высоту 7 м над уровнем детали, можно сделать вывод о том, что максимальные напряжения составят всего 123 Мпа, а предел текучести данной детали составляет 2.39е+008. Деформация составляет 0,016 мм, что согласно ГОСТ 16504-81 является допустимой нормой во время проведения испытаний и тестирования.

Благодаря применению композиционных материалов в элементах насоса Wilo модели PSV – 1512D в автоматизированном процессе обезжиривания, очистки и грунтования кузова автомобиля удалось существенно уменьшить вероятность возникновения простоя в работе предприятия, повысить экономию электроэнергии до 15-20%, улучшить ряд эксплуатационных показателей.

Библиографическая ссылка