Исследование процесса безвоздушного распыления двухкомпонентных высоковязких антикоррозионных составов пневмоприводным синхродозировочным агрегатом

Для увеличения срока службы нефтеи газопроводов, трубопроводов систем водоснабжения и энергетики широко применяются различные антикоррозионные материалы. Наиболее эффективные из них представляют собой высоковязкие двухкомпонентные составы, способные после их смешивания и нанесения тонким слоем на поверхность изделий образовывать пленочное высокопрочное покрытие, удерживаемое силами адгезии.

Как показывает мировой опыт, практическая реализация и автоматизация процесса нанесения указанных антикоррозионных материалов наиболее рационально обеспечивается применением двухкомпонентных насосных установок объемного типа, одновременно перекачивающих, дозирующих и смешивающих в заданных соотношениях исходные жидкие компоненты и подающих полученный состав под давлением 160 — 250 бар посредством трубопровода на распылительную форсунку, обрабатывающую поверхность изделий [17].

При этом для качественного нанесения покрытия в полевых условиях необходимо совокупное выполнение следующего комплекса критериев:

1. Обеспечение бескавитационных условий всасывания высоковязких компонентов как при максимально низком расположении баков с этими компонентами относительно уровня земли для снижения центра тяжести, так и при повышенной частоте рабочих циклов (для снижения веса установки);

2. Обеспечение стабильности процесса дозирования при работе установки при переменной частоте рабочих циклов;

3. Обеспечение заданной точности пропорций первичных компонентов в течение протекания рабочего цикла во всем диапазоне рабочих частот;

4. Обеспечение принудительного непрерывного смешивания высоковязких компонентов в рабочем цикле установки до подвода смеси к соплу распылительного пистолета без использования дополнительных приводных смесителей;

5. Обеспечение высокой равномерности по расходу и давлению подводимого к соплу-распылителю потока антикоррозионного покрытия.

Анализ современного уровня техники по двухкомпонентному дозированию показал, что на сегодняшний день нет универсального решения устройства, одновременно удовлетворяющего всему комплексу вышеперечисленных критериев. Эти обстоятельства определяют актуальность поиска, отвечающего указанным критериям эксплуатационной пригодности технического решения агрегата пропорционального дозирования и приготовления бинарного смесевого высоковязкого композитного покрывного состава, и проведения комплекса исследований, необходимых для осуществления его рабочего проектирования.

Цель работы — создание оптимизированного по критериям работоспособности технического решения установки для получения и равномерного безвоздушного распыления высоковязкого композитного состава с учетом требований к качеству покрытий.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

• разработка структуры установки в целом, удовлетворяющей вышеперечисленным критериям работоспособности;

• разработка модели расчета кинематического коэффициента вязкости исследуемого высоковязкого материала (компонентов, А и Б);

• обеспечение всасывания высоковязких компонентов в рабочие камеры дозировочного агрегата при полном исключении попадания в них воздуха;

• обеспечение точности дозирования компонентов с заданным соотношением;

• обеспечение синхронизации насосных секций с целью получения подобия мгновенных расходов компонентов в рабочем цикле установки;

• обеспечение смешивания компонентов до однородного состава бинарной смеси в процессе рабочего периодического цикла дозировочного агрегата;

• минимизация пульсаций расхода на выходе из сопла пистолета в заданном диапазоне рабочих расходов композитного состава и давлений, обеспечивающих высокоэффективное распыление высоковязкой бинарной смеси.

Предметом исследования является пневмоприводной синхродозировочный агрегат для двухкомпонентного равномерного распыления получаемых средствами агрегата бинарных антикоррозионных композитных составов.

Научная новизна. Новыми являются:

• обоснование структуры и технического решения пневмоприводного синхродозировочного агрегата для нанесения высоковязких двухкомпонентных антикоррозионных покрытий в полевых условиях;

• расчетная модель кинематического коэффициента вязкости компонентов рабочей жидкости;

• математическая модель шарового клапана прямого действия для оценки перетечки жидкости (погрешности дозирования) в рабочем цикле установки при условии обеспечения бескавитационного режима всасывания;

• методика гидрокинематического расчета демпфирующего «колпака» с учетом динамических характеристик пневмоприводного агрегата в целом.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

• анализ известных структур дозировочных насосных агрегатов высокого давления для двухкомпонентного дозирования;

• обоснование и разработка новой концепции двухкомпонентного дозировочного агрегата способного в процессе периодического рабочего цикла подготавливать, равномерно подавать и распылять высоковязкий композитный состав в режиме ручного управления соплом пистолета;

• новое техническое решение установки для одновременного перекачивания, дозирования, смешивания и безвоздушного высоконапорного распыления двухкомпонентных высоковязких составов, способной обеспечить заданные условия (критерии) работоспособности;

• расчетная модель обработки данных эксперимента, позволяющая определить кинематический коэффициент вязкости особо вязких рабочих компонентов;

• разработанное математическое описание работы клапанной системы дозировочного агрегата, обеспечивающей осуществление его рабочего цикла;

• методика гидрокинематического расчета демпфирующего «колпака» с учетом динамических процессов агрегата.

Диссертация состоит из четырех глав, в которых приводится решение поставленных задач.

В первой главе проведен анализ проблемы дозирования, смешивания и безвоздушного распыления высоковязких двухкомпонентных составов на поверхность изделий. Рассматриваются возможные пути построения высокоточного синхродозировочного агрегата, отвечающего комплексу заданных критериев. Сформулированы некоторые общие рекомендации, выполнение которых позволило подойти к решению поставленной задачи. На основании сформулированных рекомендаций предложена для разработки новая принципиальная схема пневмоприводного агрегата для приготовления и распыления высоковязких композитных составов.

Во второй главе проведены исследования рабочих процессов в разработанных конструкциях дозировочных гидроблоков. Приводится математическое описание работы шарового клапана с целью определения площади дросселирующей щели с учетом высокой вязкости жидкости, а также процессов всасывания и нагнетания для оценки всасывающей способности и точности дозирования. Проведен анализ факторов, влияющих на точность дозирования.

Также в главе на основании проведенного анализа разработаны практические рекомендации по обеспечению равномерного усилия на привод (противодавления) независимо от его направления движения. Предложена принципиально новая конструкция статического щелевого смесителя, перемешивающего высоковязкие компоненты в условиях ламинарного движения жидкости перед подачей бинарного состава в напорную магистраль.

Разработано уточненное базовое техническое решение пневмоприводного дозировочного агрегата для безвоздушного высоконапорного распыления двухкомпонентных высоковязких составов.

В третьей главе разработана методика гидрокинематического расчета демпфирующего «колпака» с учетом исследований Г. Берга, JI.C. Лейбензона, Л. Н. Бритвина, разработана математическая модель дозировочного агрегата.

На основании полученных графиков переходных процессов дана качественная и количественная оценка объемных «провалов» в подаче дозировочного агрегата (при реверсировании привода) с целью определения величины размаха демпфирующего элемента и его минимизации.

Дана оценка устойчивости работы системы при использовании демпфирующего элемента.

Показано, что в результате подбора рукава высокого давления с требуемой геометрией и упругими свойствами материала, роль демпфирующего «колпака» выполняет сам напорный трубопровод, что, в свою очередь, значительно упрощает конструкцию.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования компонентов состава АП-1 (ТУ 2257−173−5 786 904−2003) по определению кинематического коэффициента вязкости жидкости и проведена обработка полученных экспериментальных данных.

Поскольку для обеспечения оптимальных условий всасывания и исключения попадания пузырьков воздуха в дозировочные гидроблоки необходимо иметь оценку разрывной прочности жидкости, то с этой целью в главе проведены исследования основного компонента АП-1 на устойчивость к растягивающим напряжениям.

В этой же главе для сравнения полученных данных в результате гидрокинематического расчета демпфирующего «колпака» в предыдущей главе проведен анализ объемной деформации рабочей среды и стенок напорного рукава.

Проведено экспериментальное исследование работоспособности дозировочного агрегата и равномерности подачи на выходе из сопла пистолета с помощью прибора МИКРОЛАБ и программного обеспечения сбора и обработки измерительной информации от приборов. Проведен анализ соответствия математической модели установки, описанной в третьей главе, проведенному эксперименту.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обуславливаются применением современных численных и аналитических исследованийэкспериментальным подтверждением созданных математических моделей, а также использованием современного оборудования и приборов.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Они представляют непосредственный интерес в области проектирования пневмоили гидроприводных многокомпонентных синхродозировочных агрегатов.

Результаты работы использованы на предприятиях ООО «НПФ ТГМ», ОАО «ММЗ «Рассвет», ООО «Рассвет-Авиа», ОАО «НПО Стеклопластик».

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение на:

• научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) 2005 — 2009 г. г.;

• заседании кафедры ГП и ГПА МАДИ (ГТУ);

• VIII Международной научно-практической конференции ЮНЕСКО «Молодые ученые — промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения», Москва 2009 г.

Материалы диссертации отражены в 5 печатных работах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 161 странице машинописного текста, содержит 56 рисунков и 9 таблиц, список литературы из 66 наименований и приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований обосновано и затем разработано базовое техническое решение пневмоприводной установки периодического действия для приготовления и равномерного распыления высоковязких двухкомпонентных антикоррозионных покрытий, отвечающей всему комплексу заданных критериев, необходимых и достаточных для успешной работы установки в полевых условиях.

2. Разработана математическая модель работы шарового клапана прямого действия, позволяющая определить величину площади дросселирующей щели с целью прогнозирования перетечки рабочей жидкости, достаточной как для определения (задания) относительной погрешности дозирования, так и обеспечения бескавитационного заполнения рабочих камер дозатора высоковязкими рабочими компонентами, практически давшего возможность высокоточного пропорционального дозирования при работе установки в полевых условиях.

3. Проведен анализ полученных экспериментальных данных по определению кинематического коэффициента вязкости рабочей жидкости, позволяющий посредством расчетов спроектировать работоспособный насосный агрегат пропорционального и равномерного дозирования особо вязких жидкостей.

4. В структуру установки включен принципиально новый тип статического щелевого смесителя, обеспечивающего требуемые параметры качества смеси в процессе осуществления периодического рабочего цикла установки и ламинарном движении потока высоковязких жидкостей.

5. На основании оценки гидравлических сопротивлений в рабочих каналах дифференциальных гидроблоков и приведенных масс подвижных в рабочем цикле элементов установки даны практические рекомендации по выравниванию приведенной нагрузки на пневмопривод независимо от направления движения его рабочего органа с целью обеспечения равномерного по времени пропорционального дозирования при периодическом возвратно-поступательном движении рабочих органов.

6. По результатам математического (гидростатического и динамического) моделирования, подтвержденного экспериментальными данными, а также на основании гидрокинематического расчета «колпака», получены величины размаха и объема демпфирующего элемента, необходимые и достаточные для получения качественного покрытия посредством безвоздушного распыления бинарного высоковязкого компонента.

7. Показано, что в результате подбора рукава высокого давления с требуемой геометрией и упругими свойствами материала, роль демпфирующего «колпака» может выполнять сам напорный трубопровод, что, в свою очередь, значительно упрощает конструкцию и условия эксплуатации в полевых условиях.

8. Доказано, что при выбранных рабочих параметрах установки удается обеспечить работу насосной установки на двухкомпонентной жидкости АП-1(ТУ 2257−173−5 786 904−2003) при собственных частотах колебаний жидкости в гидравлических трактах насоса, существенно меньших основной возмущающей частоты, пропорциональной частоте реверсирования насосного агрегата z = ~ = 0,626, с" 1, на всех эксплуатационных режимах его.

2п работы.