Устройство для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов Российский патент 2025 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для определения пылепроницаемости и пылеемкости образцов текстильных материалов для шахтерских костюмов.

Известна установка ППТ для определения пылепроницаемости и пылеемкости текстильных материалов для шахтерских костюмов, содержащая корпус с размещенной в нем крыльчаткой, на концах которой закрепляются пробы из исследуемого материала и упоры (ГОСТ 17804 - 2020). Процесс исследования заключается в раскручивании образцов, после чего они ударяются об упор. С помощью счетчика фиксируют количество ударов, требуемых для проведения испытаний.

При анализе конструкции установки выявлен ряд недостатков:

1) Образец текстильного материала представлен пробой, сшитой в мешочек. В то же время, на большинстве участках шахтерского костюма текстильный материал принято представлять в виде прямоугольника.

2) При эксплуатации шахтерских костюмов, через текстильные материал проходит воздух с концентрацией пыли от 0,05 моль/м³ до 1,4 моль/м³. В рассмотренном устройстве пыль непосредственно засыпается в пробу (мешочек). Такое содержимое нельзя рассматривать в качестве запыленного воздуха.

Известно устройство для определения пылеемкости текстильных материалов (RU 12861 U1 МПК G01N 15/08), содержащее аэродинамическую камеру, выполненную в виде вертикально установленного полого цилиндра, средство для поддерживания постоянного атмосферного давления и средство для подачи пыли, в верхней части которой закреплены вертикальные спицы с зажимами для крепления пробы, причем спицы смонтированы с возможностью изменения их длины, средство для подачи пыли содержит загрузочную сетку и два вентилятора, размещенные в нижней части камеры, а средство для поддерживания постоянного атмосферного давления выполнено в виде воронки и закреплено на крышке камеры.

Устройство для определения пылеемкости текстильных материалов может использоваться при оценке текстильных материалов изделий специального назначения: палаток, тентов, чехлов. Также известно, что это устройство используется при испытании текстильных материалов для шахтерских костюмов.

При проведении испытания за счет одного, или сразу двух вентиляторов формируется воздушный поток, который проходит через загрузочную сетку и захватывает размещенную на ней пыль. Поднимаясь вверх по цилиндру, запыленный воздушный поток проходит через образец текстильного материала. Пыль частично задерживается в образце и частично проходит сквозь него в среду вместе с воздушным потоком.

Рассмотренное устройство для определения пылеемкости текстильных материалов имеет ряд недостатков:

1) В реальных условиях эксплуатации пыль вносится в текстильный материал горизонтальным воздушным потоком, который движется под действием разности давлений воздуха под одеждой и в окружающем пространстве. В рассмотренном устройстве поток запыленного воздуха движется вертикально, что не соответствует реально наблюдаемым условиям.

2) В реальных условиях шахты разность давлений воздуха между окружающей средой и пододежным пространством составляет от 50 Па до 250 Па. Рассмотренное устройство для определения пылеемкости текстильных материалов моделирует только два режима движения воздушного потока, что существенно ограничивает число рассматриваемых условий.

3) В процессе определения пылеемкости образцов текстильных материалов необходимо поддерживать постоянную концентрацию пыли в потоке воздуха. В рассмотренном устройстве пыль помещают на загрузочную сетку перед испытанием. По мере ее выноса воздушным потоком в процессе эксперимента, концентрация пыли и ее фракционный состав в потоке будут изменяться.

4) В процессе испытания не обеспечивается равномерная нагрузка запыленного воздуха на образец текстильного материала. При движении потока воздуха по цилиндру, его скорость в центре будет выше, а на периферических участках, за счет трения о стенки - ниже. Таким образом, через центральную часть образца будет проходить больше запыленного воздуха, а через участки, расположенные ближе к краям - меньше.

Известно устройство для определения пылеемкости текстильных материалов (SU 1 205 014 A1 G01N 33/36), содержащее камеру обработки материалов, средства для подвода и отвода пыли в камере и индикатор пылеемкости, снабженное приводом протяжки и датчиком скорости протяжки материала, установленными на входе и выходе камеры обработки, схемой сравнения, блоком задержки времени и усилителем.

Устройство обладает следующими недостатками:

1) При проведении испытания поток запыленного воздуха движется в вертикальном направлении, что не соответствует реально наблюдаемым условиям прохождения запыленного воздуха через текстильный материал в составе шахтерского костюма.

2) Пыль насыпается на поверхность образца за счет средства подвода пыли. При движении образца через камеру часть частиц пыли просеивается сквозь него и удаляется средством отвода пыли. Слой пыли, образованный таким образом на поверхности образца нельзя рассматривать в качестве запыленного воздуха.

3) Пыль проходит сквозь исследуемый образец текстильного материала за счет силы тяжести и вибрации, создаваемой роликами при движении образца текстильного материала через камеру для обработки материалов. Эти механизмы прохождения пыли через структуру текстильного материала не соответствуют наблюдаемым в реальных эксплуатационных условиях.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для испытания пылепроницаемости текстильных материалов шахтерского костюма, содержащее аэродинамическую камеру, разделенную на две зоны: пылевую, оснащенную центробежным вентилятором, фильтродержателем, узлом подачи пыли и чистую, оснащенную фильтродержателем, разделенные перегородкой с закрепленным образцом текстильного материала (Устройство для испытания пылепроницаемости текстильных материалов спецодежды шахтера / Абрамов А.В., Кургузов В.В., Родичева М.В. // Сборник научных трудов по материалам 3-го Круглого стола с международным участием «Теория и практика экспертизы, технического регулирования и подтверждения соответствия продукции». - ФГБУ ВО «Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)». - 2023. - с. 115-118.).

Недостатками устройства является:

1) Из описания устройства не ясна конструкция узла подачи пыли. В связи с этим не понятно каким образом будет поддерживаться постоянная концентрация пыли в пылевой зоне аэродинамической камеры на протяжении всего времени эксперимента.

2) Пыль подается в пылевую зону аэродинамической камеры в ее верхней части и вовлекается в горизонтальный воздушный поток, создаваемый центробежным вентилятором. Однако самые большие и тяжелые частицы пыли не будут подхватываться этим потоком и осядут на дно аэродинамической камеры. Таким образом, фракционные составы пыли, подаваемой в пылевую зону и пыли в воздушном потоке в зоне взаимодействия с образцом, будут различаться.

3) Площадь образца сопоставима с площадью сечения камеры и имеет квадратную форму. В этих условиях невозможно с помощью одного вентилятора обеспечить равномерный расход воздуха через образец на его различных участках, что снижает точность испытания.

4) В конструкции устройства не предусмотрена возможность измерения разности давлений между пылевой и чистой зонами. В связи с этим не понятно, каким образом можно задавать режим прохождения запыленного воздуха через образец в процессе испытания.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов, например для шахтерского костюма.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства, за счет обеспечения прохождения через образец текстильного материалов, в частности шахтерского костюма, рабочего воздушного потока под действием постоянной разности давлений воздуха, заданной в диапазоне от 50 Па до 250 Па и постоянной концентрацией угольной пыли, заданной в диапазоне от 0,5 г/м³ до 20 г/м³.

Указанная задача и технический результат достигаются за счет того, что устройство для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов шахтерского костюма, содержит аэродинамическую камеру, разделенную на две зоны: пылевую, оснащенную центробежным вентилятором, фильтродержателем, узлом подачи пыли и чистую, оснащенную фильтродержателем перегородкой с закрепленным образцом текстильного материала, отличающееся тем, что пылевая зона дополнительно оснащена поддерживающим центробежным вентилятором; чистая зона дополнительно оснащена воздухозаборником с основанием квадратного сечения площадью, равной площади образца, воздуховодом квадратного сечения, между пылевой и чистой зонами дополнительно предусмотрен дифференциальный манометр, узел подачи пыли состоит из источника пыли цилиндрической формы с сетчатым дном, крепящегося к крышке над отверстием для подачи пыли пружинами, электродвигателя с кулачком каплеобразной формы, при вращении вызывающий колебания источника угольной пыли, корпуса с открывающейся крышкой.

На фиг. 1 представлена схема устройства для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов.

Устройство для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов шахтерского костюма содержит аэродинамическую камеру, разделенную на две зоны: пылевую 1, оснащенную центробежным вентилятором 2 с регулятором мощности 3, поддерживающим центробежным вентилятором 4 с регулятором мощности 5, фильтродержателем 6, узлом подачи пыли 7, состоящим из источника пыли 8 цилиндрической формы с сетчатым дном 9, крепящегося к крышке 10 над отверстием для подачи пыли 11 пружинами 12, электродвигателя 13 с регулятором мощности 14 и кулачком 15 каплеобразной формы, при вращении вызывающий колебания источника пыли, корпуса 16 с открывающейся крышкой и чистую 17, оснащенную фильтродержателем 18, воздухозаборником 19 с основанием квадратного сечения площадью, равной площади образца, воздуховодом 20 квадратного сечения, разделенные перегородкой 21 с закрепленным образцом 22 текстильного материала, между которыми дополнительно предусмотрен дифференциальный манометр 23.

За счет центробежного 2 вентилятора, интенсивность вращения которого задается регулятором мощности 3, между пылевой 1 и чистой 17 зонами аэродинамической камеры формируется и поддерживается на постоянном уровне разность давлений воздуха из диапазона от 50 Па до 250 Па, выбранная исходя из задач исследования. Для этого центробежный вентилятор 2 генерирует горизонтальный воздушный поток с постоянной скоростью из диапазона от 5 м/с до 12 м/с.Текущее значение разности давлений воздуха между пылевой 1 и чистой 7 зонами аэродинамической камеры измеряется дифференциальным манометром 23.

Регулируемая подача угольной пыли в пылевую 1 зону аэродинамической камеры осуществляется узлом подачи пыли 7, для чего регулятором мощности 14 задают частоту вращения электродвигателя 13 из диапазона от 2 Гц до 40 Гц. За счет вращения кулачка 15 каплеобразной формы создаются колебания источника пыли 8 с той же частотой. Пружины 12 поддерживают заданную частоту колебаний источника пыли 8.

За счет этих колебаний угольная пыль просеивается через сетчатое дно 9 источника пыли 8, проходит через отверстие для подачи пыли 11 в пылевую зону 1 аэродинамической камеры устройства для определения пылеемкости и пылепроницаемости текстильных материалов.

Поддерживающий центробежный вентилятор 4 создает вертикальный восходящий воздушный поток со скоростью в три раза ниже скорости горизонтального воздушного потока, который не позволяет угольной пыли, подаваемой через отверстие 18 для подачи пыли оседать на дно пылевой зоны 1 аэродинамической камеры.

При одновременной работе центробежного 2 и центробежного поддерживающего 4 вентиляторов в пылевой зоне 1 аэродинамической камеры, горизонтальный и вертикальный восходящий воздушные потоки перемешиваются. В результате формируется поток запыленного воздуха с постоянной концентрацией угольной пыли из диапазона 0,05 моль/м³ до 1,4 моль/м³, (фиг. 1), движущийся в направлении образца 12 текстильного материала, шахтерского костюма. При этом площадь сечения потока запыленного воздуха совпадает с площадью образца текстильного материала для шахтерского костюма и составляла 0,04 м² (200×200 мм). В результате обеспечивается равномерный расход запыленного воздуха по всей площади образца 12 текстильного материала.

Для контроля концентрации угольной пыли в потоке запыленного воздуха в пылевой зоне 1 аэродинамической камеры предусмотрен фильтродержатель 6 с размещенным в нем воздушным фильтром.

Запыленный воздушный поток под действием постоянной разности давлений воздуха проходит через образец 22 текстильного материала шахтерского костюма, и далее выходит в воздухозаборник 19 чистой зоны 7 аэродинамической камеры.

При прохождении запыленного воздушного потока через образец 22 текстильного материала угольная пыль задерживается в его структуре. За счет этого концентрация угольной пыли в воздушном потоке, выходящем из образца текстильного материала в воздухозаборник 8 чистой зоны 7 аэродинамической камеры, будет ниже, чем в запыленном воздушном потоке пылевой 1 зоны аэродинамической камеры. Концентрация угольной пыли измеряется в воздушном потоке, выходящем из образца 22 текстильного материала. Для обеспечения возможности измерения в чистой зоне 17 аэродинамической камеры предусмотрен фильтродержатель 18.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом испытания выбирают исследуемый текстильный материал, например ткань саржевого переплетения толщиной 0,48 мм и поверхностной плотностью 260 г/м² из хлопчатобумажных волокон с огнестойкой пропиткой «Proban».

Исходя из задачи исследования выбирают разность давлений воздуха между пылевой 1 и чистой 7 зонами аэродинамической камеры (Δр, Па) и время эксперимента (τ, с) и моделируемую в испытании концентрацию угольной пыли в воздухе (с_пт, г/м³). Например: 50 Па; 300 с; 0,5 г/м³ (таблица 1).

Вырезают из выбранного текстильного материла образец размером 25×25 см взвешивают с точностью 0,001 г, получая значение m_o1, г (для рассмотренной ткани - в таблице 1).

Вырезанный образец 22 текстильного материала закрепляют в перегородке 21 таким образом, чтобы его свободная площадь, через которую проходит поток запыленного воздуха составляла S_CB=400 см² (20×20 см). Перегородку 21 по направляющим вводят в аэродинамическую камеру.

Два воздушных фильтра взвешивают с точностью 0,001 г, получают значения m_ф1-1, г; m_ф2-1 (например - таблица 1) и размещают в фильтродержателях 6 и 10. Фильтродержатели 6 и 10 подключают к отдельным каналам аспиратора воздуха.

Открывают крышку 17 узла подачи пыли 7 и засыпают угольную пыль в количестве m_п, г, обеспечивающем концентрацию угольной пыли в запыленном воздушном потоке на протяжении всего времени испытания, на сетчатое дно 9 источника подачи пыли 8. Например, для поддержания величины с_ПТ - 0,5 г/м³ значение m=5,0 г (таблица 1). Закрывают крышку 17 узла подачи пыли 7. Выставляют регулятор мощности 14 в положение, обеспечивающее вращение электродвигателя 13, при котором кулачек 15 каплеобразной формы создает колебания источника пыли 8 с заданной частотой, которые поддерживается пружинами 12. Например, для поддержания концентрации угольной пыли с_ПТ=0,5 г/м³ в запыленном воздушном потоке на протяжении времени эксперимента τ,=300 с, эта величина составляла 4 Гц. В результате этих колебаний в пылевую зону 1 аэродинамической камеры через отверстие для подачи пыли 18 подается угольная пыль с интенсивностью j, г/с, величина которой, например, составляет 4⋅10 ^-3 г/с.

Включают центробежный вентилятор 2, регулятором мощности 3 плавно настраивают его обороты таким образом, чтобы скорость горизонтального воздушного потока в пылевой зоне 1 аэродинамической камеры приняла значение из диапазона от 5 м/с до 12 м/с.За счет этого разность давлений воздуха по обе стороны образца 22 текстильного материала между пылевой зоной 1 и чистой зоной 7 аэродинамической камеры принимает значение из диапазона от 50 Па до 250 Па для моделирования одного из режимов прохождения запыленного воздуха через текстильный материал шахтерского костюма. Величину разности давлений воздуха между пылевой зоной 1 и чистой зоной 7 аэродинамической камеры контролируют дифференциальным манометром 23. В результате формируется поток запыленного воздуха через исследуемый образец 22 текстильного материала.

В примере при заданной мощности Р=9,8 Вт, обеспечивается частота вращения центробежного вентилятора 2 равная 850 Гц. Согласно показаниям дифференциального манометра 23 созданный в результате этого воздушный поток обеспечил разность давления воздуха по обе стороны образца между пылевой 1 и чистой 7 зонами аэродинамической камеры Δр=52 Па.

Включают поддерживающий центробежный вентилятор 4, регулятором мощности 5 регулируют обороты вентилятора для генерации вертикального восходящего воздушного потока со скоростью в три раза ниже скорости горизонтального воздушного потока, который не позволяет угольной пыли, подаваемой через отверстие 18 для подачи пыли оседать на дно пылевой зоны 1 аэродинамической камеры. В результате обеспечивается равномерная концентрация угольной пыли в потоке запыленного воздуха, площадь сечения которого совпадает с площадью сечения образца 12 текстильного материала.

В примере мощность поддерживающего центробежного вентилятора 4 задана на уровне Р=3,0 Вт, что обеспечило частоту его вращения 260 Гц. В результате визуального контроля подтверждено соответствие площади сечения запыленного воздушного потока, проходящего через образец 22 текстильного материала площади этого образца, как показано на фиг. 1.

В процессе проведения испытания через каждый из воздушных фильтров, установленных в фильтродержателях 6, 18 посредством пробоотборников прокачано V=0,2 м³ воздуха, соответственно из запыленного воздушного потока до контакта с образцом 22 текстильного материала и воздушного потока, вышедшего из образца текстильного материала 22 в воздухозаборник 8 чистой зоны 7 аэродинамической камеры.

Выключают центробежный вентилятор 2 и поддерживающий центробежный вентилятор 4. Перегородку 21 извлекают из аэродинамической камеры устройства для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов, после чего из нее извлекают образец 22 текстильного материала и взвешивают его повторно с точностью 0,001 г, получая значение m_o2, г. Результаты испытания пылепроницаемости и пылеемкости хлопчатобумажной ткани саржевого переплетения приведены в таблице 1.

Воздушные фильтры извлекают из фильтродержателей 6, 18 и взвешивают повторно с точностью 0,001 г, получая величины m_ф1-2 и m_ф2-2 (таблица 1).

По величинам m_ф1-1, г; m_ф1-2, г; m_ф2-1 г; m_ф2-2, г вычисляют концентрацию угольной пыли:

- в потоке запыленного воздуха (с_пз, г/м³): как отношение разности масс Δm₁=m_ф1-2-m_ф1-1 к объему V воздуха, прокачанного через воздушный фильтр в фильтродержателе 6;

- в воздушном потоке, вышедшем из образца текстильного материала 22 в воздухозаборник 8 чистой зоны 7 аэродинамической камеры (с_чз, г/м³): как отношение разности масс Δm₁=m_ф2-1 m_ф2-2 к объему V воздуха, прокачанного через воздушный фильтр в фильтродержателе 18.

Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Сравнивают экспериментально определенное значение концентрации угольной пыли в потоке запыленного воздуха (с_пз, г/м³), например 0,52 г/м³, с концентрацией угольной пыли в моделируемых условиях, например, 0,5 г/м³. Если разница между ними не превышает 5% от с_пт, г/м³, модельные условия считают соответствующими моделируемым. Различия между моделируемой концентрацией угольной пыли и концентрацией, зафиксированной в потоке запыленного воздуха, составила 4,0%.

По величине масс образца текстильного материала в начале (m_o1, г) и в конце (m_o2, г) испытания вычисляют разницу между ними: Δm=m_o2-m_o1.С учетом площади образца, взаимодействующей с потоком запыленного воздуха S_CB вычисляют пылеемкость (П_е, г/м²) за время испытания т как отношение прироста массы образца к его площади: П=Δm / S_CB. Результаты расчетов концентрации угольной пыли в воздухе, величин пылеемкости и пылепроницаемости хлопчатобумажной ткани саржевого переплетения приведены в таблице 2.

Вычисляют пылепроницаемость образца (П_п, г/(м²-с)), для чего концентрацию угольной пыли в воздушном потоке, вышедшем из образца текстильного материала 22 в воздухозаборник 8 чистой зоны 7 аэродинамической камеры (с_чз, г/м³) умножают на толщину образца (h, м) и делят на время эксперимента: П_п=с_чз⋅h / τ.(результаты заносят в таблицу 2.)

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для определения пылепроницаемости и пылеемкости образцов текстильных материалов для шахтерских костюмов. Устройство для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов шахтерского костюма содержит аэродинамическую камеру, разделенную на две зоны: пылевую, оснащенную центробежным вентилятором, фильтродержателем, узлом подачи пыли, и чистую, оснащенную фильтродержателем, перегородкой с закрепленным образцом текстильного материала. Пылевая зона дополнительно оснащена поддерживающим центробежным вентилятором. Чистая зона дополнительно оснащена воздухозаборником с основанием квадратного сечения площадью, равной площади образца, воздуховодом квадратного сечения. Между пылевой и чистой зонами дополнительно предусмотрен дифференциальный манометр. Узел подачи пыли состоит из источника пыли цилиндрической формы с сетчатым дном, крепящегося к крышке над отверстием для подачи пыли пружинами, электродвигателя с кулачком каплеобразной формы, при вращении вызывающим колебания источника пыли, корпуса с открывающейся крышкой. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения прохождения через образец текстильного материала, в частности шахтерского костюма, рабочего воздушного потока под действием постоянной разности давлений воздуха, заданной в диапазоне от 50 до 250 Па, с постоянной концентрацией угольной пыли, заданной в диапазоне от 0,5 до 20 г/м³. 1 ил., 2 табл.

Устройство для определения пылеемкости и пылепроницаемости образцов текстильных материалов шахтерского костюма, содержащее аэродинамическую камеру, разделенную на две зоны: пылевую, оснащенную центробежным вентилятором, фильтродержателем, узлом подачи пыли, и чистую, оснащенную фильтродержателем, перегородкой с закрепленным образцом текстильного материала, отличающееся тем, что пылевая зона дополнительно оснащена поддерживающим центробежным вентилятором; чистая зона дополнительно оснащена воздухозаборником с основанием квадратного сечения площадью, равной площади образца, воздуховодом квадратного сечения, между пылевой и чистой зонами дополнительно предусмотрен дифференциальный манометр, узел подачи пыли состоит из источника пыли цилиндрической формы с сетчатым дном, крепящегося к крышке над отверстием для подачи пыли пружинами, электродвигателя с кулачком каплеобразной формы, при вращении вызывающим колебания источника пыли, корпуса с открывающейся крышкой.