научная статья по теме ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ПО ПРИНЦИПУ ЛЕНТОЧНОГО ПОДШИПНИКА Физика

Текст научной статьи на тему «ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ПО ПРИНЦИПУ ЛЕНТОЧНОГО ПОДШИПНИКА»

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 1 • 2013

УДК 532.516:621.89

© 2013 г. А. И. БЕСПОРТОЧНЫЙ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ПО ПРИНЦИПУ ЛЕНТОЧНОГО ПОДШИПНИКА

Рассмотрен процесс гидродинамического нанесения покрытий по принципу ленточного подшипника, когда наносимая на ленту жидкость находится в узком зазоре между неподвижной поверхностью и движущейся лентой. Нестабильность угла схода ленты (подложки) и другие факторы вызывают возмущения выходного расхода жидкости и неоднородность толщины наносимого покрытия. Получена замкнутая система уравнений, проведен численный расчет стационарного и нестационарного течений, а также проведен качественный анализ подавления возмущений с помощью дополнительного устройства — свободно поворачивающейся пластинки на выходной кромке неподвижной поверхности.

Ключевые слова: гидродинамическое нанесение покрытий, ленточный подшипник, толщина смазочной пленки.

Гидродинамическое нанесение покрытий (желатиносодержащих и др.) на гибкую подложку (ленту) по принципу ленточного подшипника является эффективным и производительным решением в технологии полива. Рассмотрим перспективную схему нанесения покрытий, когда жидкий материал под давлением подается через узкую щель в распределительном устройстве (поливочной головке) и заполняет зазор между лентой и рабочей поверхностью устройства, смазывая ленту (фиг. 1). Подложка плотно прижимается к поверхности устройства и протягивается вдоль нее. Под действием сил вязкого трения жидкость увлекается движущейся лентой, оставаясь на ней после выхода ленты из зоны контактирования с поверхностью поливочной головки. При установившемся течении толщина наносимого покрытия определяется интенсивностью подачи материала покрытия и скоростью движения ленты.

Теория ленточных подшипников [1—3] позволяет детально проанализировать процесс нанесения покрытий рассматриваемым способом. Проведенные ранее экспериментальные исследования показали, что нестабильность технологических факторов приводит к заметной неоднородности толщины наносимого покрытия и тем самым ухудшает его качество. В частности, высокочастотные колебания угла схода ленты вызывают пульсации объема выходной зоны, что приводит к возмущению выходного расхода жидкости и, следовательно, к короткопериодической неоднородности толщины наносимого покрытия.

В экспериментах также показано, что небольшое усовершенствование устройства для нанесения покрытий позволяет практически полностью устранить указанную неоднородность. Таким усовершенствованием является свободно поворачивающаяся пластинка, прикрепленная к выходной кромке устройства (фиг. 2), которая как бы прилипает к ленте, практически полностью отслеживает колебания угла схода ленты и разглаживает жидкую пленку, наносимую на ленту. На практике вместо пластинки часто используется гибкая полоска.

В настоящей работе проведено теоретическое обоснование метода уменьшения пульсации выходного расхода. Для приближенного описания гидродинамического процесса в рабочей части устройства физико-математическая модель [1—3] дополнена

3 Механика жидкости и газа, № 1

Фиг. 1. Устройство для нанесения покрытий по принципу ленточного подшипника

Фиг. 2. Усовершенствованное устройство

соотношениями, учитывающими конструктивные особенности поливочной головки (фиг. 1). Проведен приближенный анализ стационарного течения в рабочей зоне и исследован процесс распространения малых возмущений. Качественно и численно исследовано течение жидкости между лентой и пластиной при колебаниях угла схода ленты.

1. Постановка задачи. Рассмотрим сначала процесс нанесения покрытия на абсолютно гибкую, нерастяжимую, невесомую и гладкую ленту бесконечной ширины в отсутствие свободно поворачивающейся пластинки (фиг. 1). Рабочая поверхность устройства для нанесения покрытий жесткая, гладкая и состоит из двух цилиндрических секторов одинакового радиуса Я, смещенных по вертикали на величину Нв месте подачи жидкости, фиг. 1. Ленту и поверхность устройства разделяет тонкий слой жидкости (смазочная пленка) О = {(5, z) : 0 < z < ?), < 5 < 5+}, где 5 — криволинейная координата, отсчитываемая от места подачи жидкости вдоль поверхности распределительного устройства в направлении движения ленты; и 5+ — соответственно, входная и выходная границы области гидродинамического контакта ленты и поверхности

устройства; г — координата, отсчитываемая по нормали к поверхности устройства; ¿(5, ?) — толщина смазочной пленки (величина зазора), ? — время.

Предполагается, что ширина щели, через которую подается жидкость, и толщина пленки много меньше любого другого линейного размера распределительного устройства. Производная толщины пленки |Зй/&| 1. Жидкость однородная, несжимаемая и ньютоновская. Силы инерции и гравитации, действующие на жидкий материал покрытия, полагаются пренебрежимо малыми по сравнению с силами вязкого трения.

В соответствии с принятыми допущениями в области О имеет место обобщенное течение Куэтта при наличии градиента давления. Для такого течения объемный расход жидкости д(5, приходящийся на единицу ширины ленты, равен (см., например, [4])

д = 1 иН - (1.1)

2 12 ы дs

где и = 2q/h0 — скорость движения ленты; к0 — расходное значение толщины пленки, соответствующее нулевому градиенту давления; р(5, ?) — давление в смазочной пленке, отсчитываемое от атмосферного (поперек пленки давление не изменяется); ц — динамическая вязкость жидкости.

Уравнение неразрывности жидкости имеет вид [4]

¿я + дН = 0 (1.2)

дs д?

Из условия равновесия абсолютно гибкой невесомой ленты при малых дh/дs следует [2, 3]

1 - (1.3)

* д-2) )

д_т = -т = ыЕ + н_р (14)

дs Н 2 дs

где Г(5, ?) — натяжение, приходящееся на единицу ширины ленты; т(5, ?) — касательное напряжение, действующее на ленту со стороны жидкости.

Пусть q0 — расход жидкости, подаваемый из распределительного устройства. Часть этой жидкости попадает в подобласть 5 > 0 области течения О, другая часть — в подобласть 5 < 0 (возвратное течение). Справедливо следующее равенство

д|, = +0 = д|,=-о + до (1.5)

В точке 5 = 0 подачи жидкости должны выполняться также условия непрерывности давления и натяжения ленты

= -о = = ^ = -о = Т\, = +0 (1.6)

скачкообразного изменения толщины смазочной пленки на высоту Н ступеньки и отсутствия излома ленты

Н = -о = Н = +0 + Н, дН-

д,

д,

(1.7)

+0

Отметим, что излом ленты определяется сосредоточенной силой в точке 5 = 0.

о

,

,

Перед ступенькой образуется запирающий участок с возвратным течением, который направляет подаваемую жидкость вниз по движению ленты. Вверх по движению ленты перед входной границей 5 = 5— области течения G жидкость отсутствует (имеется только воздух) и в некоторой точке левее 5 = 5— лента достигает распределительного устройства, касаясь его поверхности. Это условие имеет вид

дИ

д s

2Л|, _.

(1.8)

Если q Ф 0 при 5 = 5_, то положение входной границы меняется согласно приближенному равенству

«I. _, _ _$ <>■'>

На входе в область G справедливы также следующие граничные условия . _ р _ р—, Т _ Т— (1.10)

где Т— — входное натяжение ленты, а рс < 0 — входное капиллярное давление. На выходе из области G получим граничные условия

. _ .+ : Р _ Р+, ^ _ в (1.11)

£75

где р+ < 0 — выходное капиллярное давление; в — угол схода ленты, отсчитываемый от касательной к поверхности распределительного устройства в точке схода 5 = 5+. Угол в положителен, если лента отходит от поверхности поливочной головки (фиг. 1).

Система уравнений (1.1)—(1.4) вместе с условиями сшивки (1.5)—(1.7), входными (1.8)—(1.10) и выходными (1.11) граничными условиями представляет собой математическую модель течения жидкости в области & Неизвестными функциями координаты 5 и времени / в рамках данной модели являются расход q жидкости, толщина к смазочной пленки, давлениер в ней и натяжение Тленты. Неизвестно и положение 5— входной границы области & Выходная граница 5 = 5+ области G расположена на выходной острой кромке распределительного устройства 5 = Ь (фиг. 1), если угол в схода ленты не превышает некоторого своего критического значения вс. Это заведомо выполняется при отрицательном градиенте давления вблизи выходной границы. При в > вс выходная граница отходит от выходной кромки и становится неизвестной, а для ее определения требуются дополнительные условия.

Входное Р- и выходное р+ капиллярные давления, вообще говоря, также неизвестны и должны определяться из анализа течения жидкости со свободной поверхностью соответственно вблизи входной и выходной границ области G в приближении Койна и Элрода [5, 6], например. Однако в данной модели они считаются заданными. Скорость движения ленты Щ = Щ(/), подаваемый расход жидкости q0 = q0(t), входное натяжение ленты Т— = Т—(/), и угол схода ленты в = в(0 считаются известными функциями времени.

Важная характеристика рассматриваемого процесса — выходной расход q+(t) = «|. _. ,

именно он определяет толщину наносимого покрытия кш(/), которое остается на ленте после ее выхода из области & При неподвижной выходной границе

Фиг. 3. Характерные зоны течения: I — входная зона, II — центральная зона, III — выходная зона; 1 — толщина пленки, 2 — распределение давления

Н„ (?) - ^ (1.12)

Если расход жидкости д|, _, на выходной границе 5+ не равен уносимому лентой расходу то положение выходной границы будет меняться (ср. с (1.9))

Н|, , ^ = д , - иН" - Г - ин -

1? ЧЬ-,+ " V 2 12ы дэ)

- иН"

В стационарном случае выходной расход q+ в точности равен подаваемому расходу q0. Отсюда согласно (1.12) получаем расчетную формулу для определения толщины наносимого покрытия = q0/U.

В дальнейшем предполагается, что угол схода ленты не превышает своего критического значения, и, следовательно, выходная граница заведомо располагается на выходной острой кромке устройства 5+ = Ь.

2. Асимптотический анализ. Сравнивая порядки слагаемых в правой части (1.1) и учитывая (1.2), находим характерную гидродинамическую длину 5>1 = ¿(6ци/Т)-1/3. Этот масштаб определяет расстояние, отсчитываемое в пределах области О от места подачи жидкости либо от выходной границы, на котором течение жидкости под действием градиента да

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком