Устройство для газопламенного напыления проволочных материалов

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПРОВОЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белоцерковский Марат Артемович Чекулаев Андрей Васильевич Прядко Александр Сергеевич Изоитко Владимир Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для газопламенного напыления проволочных материалов, включающее корпус, механизм подачи напыляемого материала, систему подвода рабочих газов для образования горючей смеси, камеру сгорания, содержащую центральный канал для подачи напыляемого материала, огнеупорный перфорированный элемент, устройство поджига горючей смеси и выходное сопло, отличающееся тем, что со стороны наружного торца выходного сопла соосно ему установлен цилиндрический патрубок, внутренний диаметр которого равен диаметру наибольшего сечения выходного сопла, а длина патрубка определяется из выраженияпл 0 29962006.08.30- коэффициент, зависящий от состава полимера, с-1 Тпл - температура плавления материала, К 0 - начальная температура материала, К а - коэффициент температуропроводности материала, м 2/с- плотность теплового потока (факела), Вт/м 2.(56) 1. Витязь П.А., Ивашко , Ильющенко А.Ф. и др. Теория и практика нанесения защитных покрытий. - Мн. Беларуская навука. 1998. - С. 463-471. 2. Патент на изобретение РБ 4365, МПК В 05 В 7/20. - Опубл. 30.03.2002. Полезная модель относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для нанесения покрытий газопламенным распылением проволок, изготовленных преимущественно из термопластичных полимеров и других легкоплавких материалов. Может быть использована для нанесения коррозионно-стойких защитных покрытий на детали машин и элементы конструкций, а также для формирования антифрикционных покрытий на элементах трибосопряжений. Известно устройство для газопламенного напыления проволочных материалов 1, содержащее корпус, камеру сгорания, сопловую часть, средства подачи напыляемого материала и средства воспламенения горючей смеси. Недостатком известной конструкции и подобных ей является низкий коэффициент использования материала (не более 20 ) при распылении проволок, изготовленных из термопластичных полимеров. Так как низкая теплопроводность и низкая температура разложения полимеров препятствует расплавлению полимерной проволоки в пламени, она у поверхности разлагается прежде, чем ее внутренняя зона нагреется до температуры плавления. В качестве ближайшего аналога служит устройство для высокоскоростного напыления покрытий 2. Данное устройство включает механизм подачи напыляемого материала,систему поджига горючей смеси, выходное сопло и камеру сгорания, в которой перпендикулярно ее оси установлен огнеупорный перфорированный элемент. Недостатком данного устройства является низкая производительность при использовании материалов с низкой теплопроводностью. Максимальная скорость подачи распыляемого материала при этом не превышает 0,5 м/мин. При больших скоростях происходит отрыв кусков нерасплавленной полимерной проволоки. Нерасплавленная проволока отклоняется относительно оси факела, что приводит к непредсказуемой траектории движения образующихся частиц. Периодически образуются крупные частицы размером более 1 мм. Отрыв нерасплавленной проволоки прежде всего обусловлен тем, что полимеры обладают небольшой теплопроводностью (0,10,4 Вт/м град), т.е. во время воздействия факела на полимерную проволоку успевает происходить аккумулирование тепловой энергии только на ее поверхности. Задачей полезной модели является увеличение производительности процесса напыления покрытий при газопламенном распылении полимерных проволок. Поставленная задача решена в устройстве для газопламенного напыления полимерных проволок, включающем корпус, механизм подачи напыляемого материала, систему подвода рабочих газов для образования горючей смеси, камеру сгорания, содержащую центральный канал для подачи напыляемого материала, огнеупорный перфорированный элемент, устройство поджига горючей смеси и выходное сопло, к которому, согласно техническому решению, со стороны наружного торца соосно установлен цилиндрический патрубок, внутренний диаметр которого равен диаметру наибольшего сечения выходного сопла, а длина патрубка определяется из выражения 2 где- длина цилиндрического патрубка, м- коэффициент теплопроводности материала, Вт/мград- диаметр напыляемой проволоки, м- коэффициент, зависящий от состава полимера, с-1 Тпл - температура плавления материал, К 0 - начальная температура материала, К а - коэффициент температуропроводности материала, м 2/с- плотность теплового потока (факела), Вт/м 2. Величина коэффициентанаходится в пределах от 3,0 до 5,8 с-1 и зависит от химического состава полимера. Коэффициентхарактеризует процесс теплообмена между материалом и источником тепла в единицу времени. В таблице приведены значения коэффициентадля различных широко применяемых термопластов. 2 Полимер Полиэтилен высокой плотности (ГОСТ 16338-85) Полиэтилен низкой плотности (ГОСТ 16337-77) Полипропилен (ГОСТ 26996-86) Полистирол (ГОСТ 20282-86) Полиамид ПА-6 (ТУ 6-05-4-88) Полиэтилентерефталат (ТУ 6-05-1984-85) Предложенная конструкция обеспечивает качественное напыление полимерной проволоки со скоростью подачи 12 м/мин за счет проплавления всего объема нерасплавленного материала в термораспылителе. Устранение вылета (часть нерасплавленной проволоки, находящейся за термораспылителем) нерасплавленного материала достигается за счет обеспечения необходимого времени нахождения проволоки в потоке продуктов сгорания с требуемыми теплофизическими и динамическими параметрами. В результате теплового воздействия высокотемпературной струи, образованной при сжигании газовоздушной смеси, в сечении проволоки образуются слои (термические зоны), отличающиеся температурой и фазовым состоянием. На поверхности формируется слой расплавленного полимера, удерживающийся до тех пор, пока силы поверхностного натяжения больше напора струи факела. В процессе последовательного уноса расплавленных слоев материала происходит плавление всего сечения проволоки и она приобретает форму удлиненного конуса. Длина цилиндрического патрубкасоответствует длине зоны плавления проволоки. Длина патрубкаопределяется временем образования и толщиной формирующегося на поверхности проволоки расплавленного слоя. Толщина расплавленного слоя, исключающая деструкцию полимера,составляет 300500 мкм и в основном зависит от процесса теплообмена между материалом и источником тепла. Время образования расплавленного слоя в основном зависит от плотности теплового потокаи теплофизических свойств распыляемого материала (, Тпл). Используя известные формулы теории теплопроводности и учитывая теплофизические свойства распыляемого материала получили выражение, позволяющее найти необходимое время контакта проволоки с факелом. После чего получили формулу для определения длины патрубка. Для осуществления процесса напыления с коэффициентом использования материала более 90 патрубок должен быть выполнен с внутренним диаметром, равным диаметру наибольшего сечения выходного сопла, обеспечивающим в камере сгорания высокое дав 3 29962006.08.30 ление до 0,4 МПа. Что позволяет формировать на выходе из термораспылителя сверхзвуковое истечение продуктов сгорания, тем самым уменьшается время пребывания расплавленных частиц в высокотемпературной зоне, частицы не перегреваются до температуры деструкции. На чертеже представлена принципиальная схема предложенного устройства для газопламенного напыления. Устройство состоит из корпуса 1, выходного сопла 2, цилиндрического патрубка 3,огнеупорного перфорированного элемента 4, установленного в камере сгорания перпендикулярно ее оси и разделяющего объем камеры на полость 5 смешения и полость 6 сжигания рабочей смеси, механизма подачи напыляемого материала (не показано) с мундштуком 7, помещенным в отверстие перфорированного элемента 4, выполненного по его оси, устройства 8 поджига рабочей смеси, электроды (не показано) которого установлены в полости 6 сжигания в непосредственной близости к огневой поверхности 9 перфорированного элемента 4, топливного 10 и воздушного 11 жиклеров, открывающихся непосредственно в полость 5 смешения рабочей смеси. Устройство работает следующим образом. Окислитель и топливо поступают через воздушный и топливный жиклеры 10 и 11 соответственно в полость 5 смешения, где образуется горючая смесь. Из полости 5 смешения через каналы, выполненные в огнеупорном перфорированном элементе 4, горючая смесь, продолжая интенсивно перемешиваться, поступает в полость 6 сжигания рабочей смеси и воспламеняется посредством устройства 8 поджига рабочей смеси, электроды которого установлены в непосредственной близости к огневой поверхности 9, перфорированного элемента 4. В процессе работы, по мере того как нагреваются детали и элементы устройства высокоскоростного напыления, скорость горения рабочей смеси увеличивается и на участкеформируется динамический напор продуктов сгорания, превышающий силы поверхностного натяжения расплавленных слоев проволоки. Нагретые слои уносятся факелом, образуя на проволоке определенный объем расплавленного материала. Проволока принимает форму конуса. Далее под воздействием высокоскоростной струи расплавленный материал диспергируется и образованные частицы разгоняются до высоких скоростей, формируя сплошное полимерное покрытие. Устройство для газопламенного напыления полимерных проволок обеспечивает качественное напыление полимерной проволоки со скоростью подачи экструдата 12 м/мин за счет устранения вылета нерасплавленной проволоки из термораспылителя. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4