УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА В ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ Российский патент 2001 года по МПК D02J1/22 D02J13/00 D01F9/12 

Изобретение относится к производству химических волокон, а именно к установкам для графитизации углеродных волокнистых материалов, сформированных в виде нитей.

Термомеханическая обработка углеродных волокнистых материалов заключается в изменении микроструктуры волокон путем придания им пластичного состояния с помощью высокой температуры в среде инертного газа и механического растяжения - вытяжки их в этом состоянии.

Известна установка для непрерывной термической обработки - графитизации углеродных длинномерных материалов, содержащая высокотемпературную печь с графитовым нагревателем, с системами транспортировки материала через печь и подачей в печь рабочего газа (RU 2039854 C1, 20.07.1995).

Недостатком данной установки является отсутствие механизма вытяжки нити и повышенный расход рабочего газа из-за негерметичности печи в местах входа и выхода обрабатываемого материала.

Известна установка для обработки углеродных волокнистых материалов в газовой атмосфере, где весь процесс обработки материала происходит в герметизированном объеме. Известная установка содержит узел размотки, печь и накопительный узел. Все перечисленные элементы выполнены в герметичных корпусах и герметично соединены между собой, благодаря чему устраняется потеря рабочего газа. Узел размотки установки включает бобинодержатели и подающие ролики. В состав накопительного узла входят тянущие ролики, раскладчик для перекрестной укладки обрабатываемой нити, бобинодержатели и привод перечисленных механизмов. Для обеспечения крутящего момента, передаваемого на бобины, устанавливаемые на бобинодержатели, и осуществления натяжения нитей, бобинодержатели снабжены фрикционными тормозными устройствами, которые регулируются с помощью пружин (RU 2085628 C1, 27.07.1997).

В данной установке фрикционные тормозные устройства не обеспечивают стабильного натяжения обрабатываемой нити из-за непостоянства коэффициента трения, зависящего от многих факторов, в том числе температуры, среды и т.д.

Кроме этого, в известной установке отсутствует механизм нагружения нити для ее вытяжки. Указанное не позволяет использовать известную установку для термомеханической обработки углеродных волокнистых материалов.

Наиболее близким аналогом является известная установка для термомеханической обработки углеродного волокнистого материала в газовой атмосфере, содержащая узел размотки, имеющий бобинодержатель с тормозным устройством и подающие ролики, высокотемпературную печь и узел накопления нити, имеющий привод, тянущие ролики и бобинодержатель (DE 1719544 B2, 27.01.1977).

Прочностные параметры нити, подвергнутой термомеханической обработке, определяются величиной вытяжки - удлинением ее в пластичном состоянии, которое достигается при высокой температуре нагрева нити, так как оно зависит от многих факторов и, прежде всего, от структурного строения нити, которое непостоянно по всей ее длине.

Нить состоит из множества очень хрупких и неоднородных по внутреннему строению микроволокон. В процессе термо- и термомеханической обработки нить проходит через систему роликов, относительно которых она изгибается и трется. При этом происходит непредсказуемое разрушение волокон нити. На каком-то участке длины нити разрушится больше волокон, на каком-то - меньше. В результате меняется сечение нити, влияющее на ее прочность, а следовательно, и на величину вытяжки для данного участка. На величину вытяжки также влияет однородность внутреннего строения нити.

Задачей изобретения является создание установки для термомеханической обработки углеродного волокнистого материала в газовой атмосфере, позволяющей получить технический результат, состоящий в обеспечении постоянства прочностных параметров углеродного волокнистого материала по всей его длине при его термомеханической обработке.

Этот технический результат в установке для термомеханической обработки углеродного волокнистого материала в газовой атмосфере, содержащей узел размотки, имеющий бобинодержатель с тормозным устройством и подающие ролики, высокотемпературную печь и узел накопления нити, имеющий привод, тянущие ролики и бобинодержатель, достигается тем, что подающие ролики узла размотки снабжены тормозным устройством, выполненным регулируемым в виде электродвигателя, установленного с возможностью электрического торможения.

Тормозное устройство бобинодержателя узла размотки выполнено регулируемым в виде электродвигателя, установленного с возможностью электрического торможения.

Подающие ролики и бобинодержатель узла размотки связаны с электродвигателями посредством понижающих зубчатых редукторов.

Узлы размотки и накопления нити смонтированы в герметичных корпусах.

На чертеже представлена общая схема установки, выполненная для наглядности в аксонометрии.

Установка содержит узел размотки 1, высокотемпературную печь 2 с трубчатым графитовым нагревателем 3 и узел накопления 4. Указанные узлы и печь смонтированы в герметичных корпусах, которые снабжены люками 5 для размещения в установке и выемки из нее обрабатываемого материала. Корпуса узлов и печь располагаются вертикально в показанной на схеме последовательности.

В состав узла размотки 1 входят подающие ролики 6, один из которых связан с тормозным устройством 7, и бобинодержатель 8 с тормозным устройством 9. На бобинодержатель устанавливается бобина 10 с намотанной на нее нитью 11 из углеродного волокнистого материала, предназначенного для термомеханической обработки. Нить 11 с бобины 10 подается на подающие ролики 6 через направляющие ролики 12. С подающих роликов 6 нить 11 поступает в печь 2, где проходит внутри трубчатого нагревателя 3 в узел накопления 4. Узел накопления 4 содержит тянущие ролики 13, которые кинематически связаны с двигателем 14 и раскладчиком 15 для перекрестной укладки обработанной нити на бобину 16. Бобина 16 устанавливается на бобинодержатель 17, приводимый во вращение электродвигателем 18 со встроенным зубчатым редуктором (на чертеже редуктор не показан).

Нить 11 с тянущих роликов 13 подается на бобину 16 через направляющие ролики 19. Подающие ролики 6 и тянущие ролики 13 выполнены сдвоенными, при этом один из роликов каждой пары имеет кольцевые канавки на наружной поверхности (на чертеже не показаны). Наличие канавок позволяет выдерживать определенный шаг между витками нити, уложенной на ролики 6 и 13 по несколько витков, что предохраняет ее волокна от трения между собой и, следовательно, от повреждений.

Тормозные устройства 7 и 9 имеют одинаковую конструкцию и представляют собой асинхронные электродвигатели со встроенными зубчатыми редукторами (на чертеже не показан). Редукторы служат для уменьшения крутящего момента, передаваемого на вал ротора двигателя тормозного устройства от подающего ролика 6 и бобинодержателя 8, так как в этом случае редукторы работают в сторону повышения передаточного отношения, а следовательно - снижения крутящего момента. Такое конструктивное решение позволяет использовать в тормозных устройствах маломощные двигатели. Для откачки из установки воздуха и напуска рабочего газа она снабжена вентилями 20. Поддержание рабочих параметров установки осуществляется датчиками контроля процента и усилия вытяжки, температуры нагревателя, давления рабочего газа (на чертеже датчики не показаны).

Работает установка следующим образом.

Обрабатываемая нить 11 заправляется в установку через люки 5, как показано на чертеже. Для исключения проскальзывания нити на роликах 6 и 13 она наматывается по несколько витков на каждую пару этих роликов. После заправки обрабатываемой нити плотно закрываются люки 5, через вентили 20 из установки откачивается воздух и напускается рабочая атмосфера - инертный газ агрон. На нагреватель 3 подается напряжение, и печь 2 выводится на рабочий режим, соответствующий температуре нагревателя 3, равной 3000 - 3200^oC. Запускается двигатель 14, приводящий в движение тянущие ролики 13 и раскладчик 15. Одновременно с двигателем 14 включаются двигатели тормозных устройств 7 и 9, а также двигатель 18 бобинодержателя 17. Нить 11 получает возможность перемещаться с помощью тянущих роликов 13. Она сматывается с бобины 10, проходит через подающие ролики 6, нагреватель 3 печи 2, поступает на тянущие ролики 13 и с помощью раскладчика 15 наматывается на бобину 16. При прохождении нити через ролики 6 последние начинают вращаться под действием сил трения между витками нити и поверхностью роликов. Направление перемещения нити и элементов установки показаны на чертеже стрелками.

При прохождении нити 11 через нагреватель 3 печи 2 нить приобретает свойство пластичности. В этом состоянии нить нагружается усилием растяжения, которое является результатом разницы окружных скоростей подающих роликов 6 и тянущих роликов 13. Разница скоростей достигается с помощью тормозного устройства 7, двигатель которого тормозится электрически одним из известных в электротехнике способов, например, противотоком - переключением двигателя на обратное вращение ротора или динамически путем подключения обмотки статора к источнику постоянного тока. Торможение происходит от взаимодействия ротора с магнитным полем статора двигателя. При торможении двигателя тормозного устройства 7 подающие ролики 6 продолжают вращаться от тягового усилия, развиваемого нитью 11 под действием тянущих роликов 13. Наличие момента сопротивления со стороны тормозного устройства 7 замедляет скорость вращения подающих роликов 6, создается разница окружных скоростей между ними и тянущими роликами 13. Полученная таким образом разность окружных скоростей тянущих 13 и подающих 6 роликов позволяет осуществить вытяжку нити в состоянии пластичности. Тормозное устройство имеет возможность изменять тормозной момент в зависимости от подаваемого на статор напряжения.

Чтобы обеспечить необходимое усилие трения между витками нити 11 и поверхностью подающих роликов 6, поступающая с бобины 10 нить подается на подающие ролики 6 с некоторым натягом, который обеспечивается тормозным устройством 9, соединенным с бобинодержателем 8. Принцип действия тормозного устройства 9 аналогичен принципу действия тормозного устройства 7.

С другой стороны, чтобы обеспечить достаточное сцепление витков нити 11 с тянущими роликами 13, нить должна сходить с указанных роликов также с натягом, равным натягу на входе подающих роликов 6. Этот натяг достигается с помощью двигателя 18, связанного с бобинодержателем 17, на котором установлена бобина 16 для намотки на нее обработанной нити. Натяжение нити 11 происходит из-за разницы частот вращения бобинодержателя 17 и тянущих роликов 13. Частота вращения бобинодержателя 17 задается заведомо большей частоты вращения роликов 13, в результате бобинодержатель 17 стремится вращаться с опережением относительно тянущих роликов 13, создавая необходимый натяг сходящей с роликов 13 нити. Разница частот вращения тянущих роликов 13 и бобинодержателя 17, связанного с ротором двигателя 18, компенсируется притормаживанием ротора относительно магнитного поля статора двигателя нитью 11, которая сходит с тянущих роликов 13 со скоростью, соответствующей их скорости вращения. Величина натяжения нити регулируется изменением напряжения, подаваемого на двигатель 18.

Данная установка позволяет получать углеродные волокнистые материалы, отличающиеся повышенным модулем упругости - до 450-480 ГН/м². Наличие в установке регулируемых тормозных устройств, а также регулируемого двигателя бобинодержателя для приемной бобины и системы контролирующих датчиков обеспечивает возможность регулировать и поддерживать с высокой точностью усилие вытяжки в заданном режиме, что, в свою очередь, обеспечивает постоянство прочностных параметров обрабатываемой нити на всей ее длине.

Установка может быть использована в производстве химических волокон, а именно, для графитизации в газовой среде углеродных волокнистых материалов, сформированных в виде нитей, и позволяет обеспечить постоянство прочностных параметров углеродного волокнистого материала по всей его длине при его термомеханической обработке. Установка содержит узел размотки, имеющий бобинодержатель с тормозным устройством и подающие ролики, высокотемпературную печь и узел накопления нити, имеющий привод, тянущие ролики и бобинодержатель. Подающие ролики узла размотки снабжены тормозным устройством, с которым связан один из подающих роликов. Тормозные устройства подающих роликов и бобинодержателя узла размотки выполнены регулируемыми в виде электродвигателей, установленных с возможностью электрического торможения. Подающие ролики и бобинодержатель узла размотки связаны с электродвигателями с помощью понижающих зубчатых редукторов. Узлы размотки и накопления смонтированы в герметичных корпусах. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для термомеханической обработки углеродного волокнистого материала в газовой атмосфере, содержащая узел размотки, имеющий бобинодержатель с тормозным устройством и подающие ролики, высокотемпературную печь и узел накопления нити, имеющий привод, тянущие ролики и бобинодержатель, отличающаяся тем, что подающие ролики узла размотки снабжены тормозным устройством, выполненным регулируемым в виде электродвигателя, установленного с возможностью электрического торможения. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что тормозное устройство бобинодержателя узла размотки выполнено регулируемым в виде электродвигателя, установленного с возможностью электрического торможения. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что подающие ролики и бобинодержатель узла размотки связаны с электродвигателями посредством понижающих зубчатых редукторов. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что узлы размотки и накопления нити смонтированы в герметичных корпусах.