РАЗРАБОТКА ПОЛИМЕРНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМИ БАРЬЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ
|
Введение 4
1. Анализ предметной области 8
1.1. Анализ условий эксплуатации полимерных топливных баков 8
1.2. Анализ материалов с высокими барьерными свойствами 10
1.3. Обзор современных конструкций полимерных топливных баков 14
1.3.1. Пластиковые топливные баки компании «Pentas» 14
1.3.2. Топливные баки компании «Plastic Omnium» 16
1.3.3. Топливные баки компании «Rototech» 17
1.4. Анализ методов изготовления полимерных топливных баков 19
1.4.1. Оборудование для экструзионно-выдувного формования 19
1.4.2. Оборудование для ротационного формования 24
1.5. Патентный поиск 27
1.5.1. Пластиковый топливный бак с улучшенным сопротивлением
ползучести и способ его изготовления 27
1.5.2. Способ изготовления пластикового топливного бака 34
Выводы по главе 1 38
2. Материалы и методы исследований 39
2.1. Исследуемые материалы 39
2.2. Методы исследований 52
2.2.1. Дифференциальная сканирующая калориметрия 52
2.2.2. Огнестойкость 54
2.2.3. Испытание на удар 58
2.2.4. Испытание на прострел 59
2.2.5. Испытание на механическую прочность 59
2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных 59
Выводы по главе 2 63
3. Выбор и обоснование материала с высокими барьерными свойствами для
полимерного топливного бака 64
3.1. Выбор методов анализа и исследования полимерных материалов 64
3.2. Выбор и обоснование полимерного материала для топливного бака 67
3.2.1. Барьерные свойства топливных баков 69
3.2.2. Барьерные технологии 71
3.2.3. Сульфирование 72
3.2.4. Многослойные топливные баки 72
3.3. Исследование эксплуатационных свойств полимерного топливного
бака 75
Выводы по главе 3 79
4. Выбор и обоснование конструкции топливного бака 81
4.1. Разработка технических требований к топливному баку, изготовленному
из композиционных материалов 81
4.2. Разработка конструкции топливного бака 83
4.2.1. Требования к элементам конструкций деталей из пластмасс 83
4.2.2. Проектирование 3-Д модели пластикового топливного бака 92
4.2.3. Разработка 2-Д чертежей пластикового топливного бака 94
4.3. Прочностной расчёт полимерного топливного бака 98
Выводы по главе 4 103
5. Технико-экономическое обоснование применения полимерного
топливного бака 104
5.1. Анализ мировых производителей термопластичных пластмасс 104
5.2. Сравнительная оценка стоимости линейного полиэтилена отечественного
и импортного производства 109
5.3. Сравнительный стоимостной анализ топливных баков 111
Выводы по главе 5 113
Заключение 114
Список использованных источников 117
1. Анализ предметной области 8
1.1. Анализ условий эксплуатации полимерных топливных баков 8
1.2. Анализ материалов с высокими барьерными свойствами 10
1.3. Обзор современных конструкций полимерных топливных баков 14
1.3.1. Пластиковые топливные баки компании «Pentas» 14
1.3.2. Топливные баки компании «Plastic Omnium» 16
1.3.3. Топливные баки компании «Rototech» 17
1.4. Анализ методов изготовления полимерных топливных баков 19
1.4.1. Оборудование для экструзионно-выдувного формования 19
1.4.2. Оборудование для ротационного формования 24
1.5. Патентный поиск 27
1.5.1. Пластиковый топливный бак с улучшенным сопротивлением
ползучести и способ его изготовления 27
1.5.2. Способ изготовления пластикового топливного бака 34
Выводы по главе 1 38
2. Материалы и методы исследований 39
2.1. Исследуемые материалы 39
2.2. Методы исследований 52
2.2.1. Дифференциальная сканирующая калориметрия 52
2.2.2. Огнестойкость 54
2.2.3. Испытание на удар 58
2.2.4. Испытание на прострел 59
2.2.5. Испытание на механическую прочность 59
2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных 59
Выводы по главе 2 63
3. Выбор и обоснование материала с высокими барьерными свойствами для
полимерного топливного бака 64
3.1. Выбор методов анализа и исследования полимерных материалов 64
3.2. Выбор и обоснование полимерного материала для топливного бака 67
3.2.1. Барьерные свойства топливных баков 69
3.2.2. Барьерные технологии 71
3.2.3. Сульфирование 72
3.2.4. Многослойные топливные баки 72
3.3. Исследование эксплуатационных свойств полимерного топливного
бака 75
Выводы по главе 3 79
4. Выбор и обоснование конструкции топливного бака 81
4.1. Разработка технических требований к топливному баку, изготовленному
из композиционных материалов 81
4.2. Разработка конструкции топливного бака 83
4.2.1. Требования к элементам конструкций деталей из пластмасс 83
4.2.2. Проектирование 3-Д модели пластикового топливного бака 92
4.2.3. Разработка 2-Д чертежей пластикового топливного бака 94
4.3. Прочностной расчёт полимерного топливного бака 98
Выводы по главе 4 103
5. Технико-экономическое обоснование применения полимерного
топливного бака 104
5.1. Анализ мировых производителей термопластичных пластмасс 104
5.2. Сравнительная оценка стоимости линейного полиэтилена отечественного
и импортного производства 109
5.3. Сравнительный стоимостной анализ топливных баков 111
Выводы по главе 5 113
Заключение 114
Список использованных источников 117
Автомобильный топливный бак является важным конструктивным элементом топливной системы двигателя внутреннего сгорания. Основным назначением бака является хранение автомобильного топлива - бензин, дизтопливо, газ.
Современные топливные баки могут изготавливаться из различных современных материалов: сплавы железа и алюминия, пластмассы.
Стальные варианты топливных баков изготавливают путем штамповки металлических листов с последующей сваркой верхней и нижней части. При производстве стальных топливных баков используют сталь с высокой степенью вязкости и сопротивлению разрыву [13]. При внешних воздействиях на топливный бак, благодаря «тягучести» стали происходит его деформация, при этом емкость остается герметичной. Основным недостатком конструкций стального топливного бака является сильная подверженность коррозийным влияниям. Вероятность попадания влаги вовнутрь топливного резервуара очень велика, так как она может проникнуть туда в виде конденсата или вместе с топливом, оседая в нижней части емкости.
При изготовлении алюминиевых топливных баков применяются штамповка и сварка. По сравнению со стальными топливными баками, алюминиевые баки не подвержены коррозийным влияниям и имеют меньший вес. Недостатками алюминиевого бака по сравнению со стальным являются: возможные утечки топлива из-за разрушения сварного шва в процессе эксплуатации; низкая деформационная способность материала; возникновение концентраторов напряжений в материале при кратковременном деформационном воздействии, превышающем прочность материала; высокая стоимость.
В настоящее время ведущие мировые производители ведут работы по переходу на топливные баки из полимерных материалов, обладающих комплексом характеристик, которые при умелом их использовании обеспечива-
ют эффективные эксплуатационные свойства изделий и рентабельность их производства. К основным достоинствам пластмасс относятся:
- высокая технологичность, позволяющая практически полностью исключить из производственного цикла трудоемкие и дорогостоящие операции механической обработки изделий;
- минимальная энергоемкость, определяемая тем, что температуры переработки этих материалов составляют, как правило, 150-250 °С, что существенно ниже, чем у металлов;
- возможность получения за один цикл штучного формования сразу нескольких изделий, в том числе сложной конфигурации;
Вследствие перечисленных особенностей полимерные материалы получили исключительно широкое распространение и эффективно используются в машиностроительной отрасли.
В этой связи целью работы является разработка полимерного топливного бака на основе полимерных материалов с высокими барьерными свойствами.
Задачи исследования:
- анализ условий эксплуатации полимерных топливных баков;
- анализ материалов с высокими барьерными свойствами;
- обзор современных конструкций полимерных топливных баков;
- анализ методов изготовления полимерных топливных баков;
- выбор и обоснование материала с высокими барьерными свойствами для полимерного топливного бака;
- выбор и обоснование конструкции топливного бака;
- технико-экономическое обоснование применения полимерного топливного бака.
Апробация работы:
Работа выполнялась в рамках хоздоговора № 89 от 16.03.2018 г. по теме плана НИОКиТР «Разработка полимерного топливного бака на основе однослойного материала с высокими барьерными свойствами».
- основные результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях:
а) международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2017» (Казань, 2017).
б) международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2018» (Казань, 2018).
По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ:
1. Сотников А.М., Мухаматдинова А.А., Шафигуллин Л.И., Шафигул- лина Г.Р., Мухаметзянова Г.Ф. // Применение полимерных топливных баков в автомобилестроении // Материалы международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2017» (МНТК «ИМТОМ-2017»), Ч. 1. Секция 1 «Высокоэффективные материалы, технологии и оборудование в машиностроении» - Казань. - 2017. - с. 105 - 108.
2. Sotnikov А.М., Muhametzjanova G.F., Muhamatdinova А. А., Shafugullina G.R. Shafugullin L.N. // Usage of polymeric fuel tanks in the automotive industry // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 412, Issue 1, 2018, Article number 012071, DOI: 10.1088/1757- 899X/412/1/012071.
3. Сотников A.M., Шафигуллин Л. И., Романова И. В., Шабаева Е. С., Саримов Д. Р. // Разработка полимерного топливного бака с высокими барьерными свойствами // Материалы IX Международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2018» (МНТК «ИМТОМ-2018»), Ч. 1. - Казань, 2018. - с.191-194.
4. Сотников А.М., Саримов Д.Р., Шафигуллин Л. Н. // Методы производства пластиковых топливных баков грузовых автомобилей // «X Камские чтения»: всероссийская научно-практическая конференция. (2018; Набережные Челны). Всерос. научи.-практ. конф. «X Камские чтения», 23 ноября 2018 г. [Текст]: сб-к док. / под ред. д-ра техн. наук Л.А. Симоновой. - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института КФУ, 2018. - 1014 с.
5. Сотников А.М., Саримов Д.Р., Шафигуллин Л. Н. // Факторы, влияющие на качество изделий из полимерных материалов // «X Камские чтения»: всероссийская научно-практическая конференция. (2018; Набережные Челны). Всерос. научи.-практ. конф. «X Камские чтения», 23 ноября 2018 г. [Текст]: сб-к док. / под ред. д-ра техн. наук Л.А. Симоновой. - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института КФУ, 2018. - 1014 с.
Современные топливные баки могут изготавливаться из различных современных материалов: сплавы железа и алюминия, пластмассы.
Стальные варианты топливных баков изготавливают путем штамповки металлических листов с последующей сваркой верхней и нижней части. При производстве стальных топливных баков используют сталь с высокой степенью вязкости и сопротивлению разрыву [13]. При внешних воздействиях на топливный бак, благодаря «тягучести» стали происходит его деформация, при этом емкость остается герметичной. Основным недостатком конструкций стального топливного бака является сильная подверженность коррозийным влияниям. Вероятность попадания влаги вовнутрь топливного резервуара очень велика, так как она может проникнуть туда в виде конденсата или вместе с топливом, оседая в нижней части емкости.
При изготовлении алюминиевых топливных баков применяются штамповка и сварка. По сравнению со стальными топливными баками, алюминиевые баки не подвержены коррозийным влияниям и имеют меньший вес. Недостатками алюминиевого бака по сравнению со стальным являются: возможные утечки топлива из-за разрушения сварного шва в процессе эксплуатации; низкая деформационная способность материала; возникновение концентраторов напряжений в материале при кратковременном деформационном воздействии, превышающем прочность материала; высокая стоимость.
В настоящее время ведущие мировые производители ведут работы по переходу на топливные баки из полимерных материалов, обладающих комплексом характеристик, которые при умелом их использовании обеспечива-
ют эффективные эксплуатационные свойства изделий и рентабельность их производства. К основным достоинствам пластмасс относятся:
- высокая технологичность, позволяющая практически полностью исключить из производственного цикла трудоемкие и дорогостоящие операции механической обработки изделий;
- минимальная энергоемкость, определяемая тем, что температуры переработки этих материалов составляют, как правило, 150-250 °С, что существенно ниже, чем у металлов;
- возможность получения за один цикл штучного формования сразу нескольких изделий, в том числе сложной конфигурации;
Вследствие перечисленных особенностей полимерные материалы получили исключительно широкое распространение и эффективно используются в машиностроительной отрасли.
В этой связи целью работы является разработка полимерного топливного бака на основе полимерных материалов с высокими барьерными свойствами.
Задачи исследования:
- анализ условий эксплуатации полимерных топливных баков;
- анализ материалов с высокими барьерными свойствами;
- обзор современных конструкций полимерных топливных баков;
- анализ методов изготовления полимерных топливных баков;
- выбор и обоснование материала с высокими барьерными свойствами для полимерного топливного бака;
- выбор и обоснование конструкции топливного бака;
- технико-экономическое обоснование применения полимерного топливного бака.
Апробация работы:
Работа выполнялась в рамках хоздоговора № 89 от 16.03.2018 г. по теме плана НИОКиТР «Разработка полимерного топливного бака на основе однослойного материала с высокими барьерными свойствами».
- основные результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях:
а) международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2017» (Казань, 2017).
б) международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2018» (Казань, 2018).
По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ:
1. Сотников А.М., Мухаматдинова А.А., Шафигуллин Л.И., Шафигул- лина Г.Р., Мухаметзянова Г.Ф. // Применение полимерных топливных баков в автомобилестроении // Материалы международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2017» (МНТК «ИМТОМ-2017»), Ч. 1. Секция 1 «Высокоэффективные материалы, технологии и оборудование в машиностроении» - Казань. - 2017. - с. 105 - 108.
2. Sotnikov А.М., Muhametzjanova G.F., Muhamatdinova А. А., Shafugullina G.R. Shafugullin L.N. // Usage of polymeric fuel tanks in the automotive industry // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 412, Issue 1, 2018, Article number 012071, DOI: 10.1088/1757- 899X/412/1/012071.
3. Сотников A.M., Шафигуллин Л. И., Романова И. В., Шабаева Е. С., Саримов Д. Р. // Разработка полимерного топливного бака с высокими барьерными свойствами // Материалы IX Международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2018» (МНТК «ИМТОМ-2018»), Ч. 1. - Казань, 2018. - с.191-194.
4. Сотников А.М., Саримов Д.Р., Шафигуллин Л. Н. // Методы производства пластиковых топливных баков грузовых автомобилей // «X Камские чтения»: всероссийская научно-практическая конференция. (2018; Набережные Челны). Всерос. научи.-практ. конф. «X Камские чтения», 23 ноября 2018 г. [Текст]: сб-к док. / под ред. д-ра техн. наук Л.А. Симоновой. - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института КФУ, 2018. - 1014 с.
5. Сотников А.М., Саримов Д.Р., Шафигуллин Л. Н. // Факторы, влияющие на качество изделий из полимерных материалов // «X Камские чтения»: всероссийская научно-практическая конференция. (2018; Набережные Челны). Всерос. научи.-практ. конф. «X Камские чтения», 23 ноября 2018 г. [Текст]: сб-к док. / под ред. д-ра техн. наук Л.А. Симоновой. - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Набережночелнинского института КФУ, 2018. - 1014 с.
1. Проанализировали условия эксплуатации топливных баков из полимерных материалов и изучили требования, предъявляемые к топливным бакам. Пластиковые топливные баки в основном изготавливают из полиэтилена или сополимеров этилена с пропиленом. Полиэтилен получают полимеризацией мономера этилена. Общая структурная формула полиэтилена (-СН2- СН2-)И. Он является типичным термопластом и перерабатывается в изделия всеми известными способами.
2. Ознакомились с современными конструкциями полимерных топливных баков с применением мирового опыта. Рассмотрели полимерные топливные баки, производимые компанией «Pentas» и «Rototech», применяющие метод ротационного формования. А также полимерные топливные баки компании «Plastic Omnium», которая использует экструзионно - выдувной метод.
3. Провели обзор оборудования для экструзионно-выдувного и ротационного формования. На основе патентного поиска были рассмотрены современные способы изготовления пластикового топливного бака.
4. Исследовали материалы для производства полимерного топливного бака. Основной материал выбран полиэтилен - это термопластичный прозрачный полимер с высокой химической стойкостью. Существует четыре основных вида полиэтилена: полиэтилен низкой плотности, полиэтилен средней плотности, полиэтилен высокой плотности, линейный полиэтилен низкой плотности.
5. Провели сравнительную характеристику марок отечественного и импортного производства. Среди отечественного производства были выбраны марки полиэтилена РЕ 6432R (32604), РЕ 6433R (32604), РЕ 6438R, РЕ 6438S, предприятия Нижнекамскнефтехим. Импортного производства были выбраны марки полиэтилена Borealis Borecene Compact RM8406 и ROTOPOL UR 644.
6. В качестве физико-химического метода выбрана дифференциальная сканирующая калориметрия, которая используется для изучения состава полиэтилена. Рассмотрен метод испытания на удар, прострел, механическую прочность и огнестойкость. Произведена статистическая обработка экспериментальных данных.
7. Проведён выбор методов анализа и исследования полимерных материалов. В качестве метода анализа была выбрана дифференциальная сканирующая калориметрия. Получены ДСК - кривые порошка исходного сырья, теплофизические параметры образцов.
8. Проведён выбор полимерного материала для топливного бака. Рассмотрены барьерные свойства топливных баков, барьерные технологии, сульфирование и многослойные топливные баки.
9. Исследовались эксплуатационные свойства полимерного топливного бака. Были проведены сравнительные испытания на удар, прострел и огнестойкость стального и полимерного топливных баков.
10. Разработаны технические требования для топливного бака, изготовленного из композиционных материалов. В частности, требования к размеру, внешнему виду, материалу, маркировки, безопасности, предъявляемые к полимерному топливному баку.
11. Разработаны 3-Д модели и чертежи конструкции полимерного топливного бака объёмом в 110, 150 и 350 литров, для применения на грузовых автомобилях.
12. Проведён прочностной расчёт полимерного топливного бака. В качестве материала был выбран полиэтилен средней плотности. Показаны приложенные равномерные, максимальные напряжения на конструкцию полимерного топливного бака, а также напряжения при полной деформации топливного бака.
13. Был произведен анализ основных мировых производителей линейного полиэтилена, импортирующих материал в Россию. Составлены котировки цен на основании опроса конечных потребителей линейного полиэтилена. Рассмотрены цены на линейный полиэтилен ближневосточных производителей для рынков СНГ, а также производства Нижнекамскнефтехим.
14. Представлены стоимостные характеристики линейного полиэтилена отечественного и импортного производства. Рассчитаны затраты на сырье пластикового топливного бака объемом в 300 литров. При использовании европейского материала затраты составили 3323 руб., а при использовании российского - 3511 руб.
15. Сравнивалась себестоимость стального, алюминиевого и пластикового топливных баков. Цена одного топливного бака объемом 300 литров сделанного из стали составила 5500 рублей, алюминия - 21000 рублей, полиэтилена- 15000 рублей.
2. Ознакомились с современными конструкциями полимерных топливных баков с применением мирового опыта. Рассмотрели полимерные топливные баки, производимые компанией «Pentas» и «Rototech», применяющие метод ротационного формования. А также полимерные топливные баки компании «Plastic Omnium», которая использует экструзионно - выдувной метод.
3. Провели обзор оборудования для экструзионно-выдувного и ротационного формования. На основе патентного поиска были рассмотрены современные способы изготовления пластикового топливного бака.
4. Исследовали материалы для производства полимерного топливного бака. Основной материал выбран полиэтилен - это термопластичный прозрачный полимер с высокой химической стойкостью. Существует четыре основных вида полиэтилена: полиэтилен низкой плотности, полиэтилен средней плотности, полиэтилен высокой плотности, линейный полиэтилен низкой плотности.
5. Провели сравнительную характеристику марок отечественного и импортного производства. Среди отечественного производства были выбраны марки полиэтилена РЕ 6432R (32604), РЕ 6433R (32604), РЕ 6438R, РЕ 6438S, предприятия Нижнекамскнефтехим. Импортного производства были выбраны марки полиэтилена Borealis Borecene Compact RM8406 и ROTOPOL UR 644.
6. В качестве физико-химического метода выбрана дифференциальная сканирующая калориметрия, которая используется для изучения состава полиэтилена. Рассмотрен метод испытания на удар, прострел, механическую прочность и огнестойкость. Произведена статистическая обработка экспериментальных данных.
7. Проведён выбор методов анализа и исследования полимерных материалов. В качестве метода анализа была выбрана дифференциальная сканирующая калориметрия. Получены ДСК - кривые порошка исходного сырья, теплофизические параметры образцов.
8. Проведён выбор полимерного материала для топливного бака. Рассмотрены барьерные свойства топливных баков, барьерные технологии, сульфирование и многослойные топливные баки.
9. Исследовались эксплуатационные свойства полимерного топливного бака. Были проведены сравнительные испытания на удар, прострел и огнестойкость стального и полимерного топливных баков.
10. Разработаны технические требования для топливного бака, изготовленного из композиционных материалов. В частности, требования к размеру, внешнему виду, материалу, маркировки, безопасности, предъявляемые к полимерному топливному баку.
11. Разработаны 3-Д модели и чертежи конструкции полимерного топливного бака объёмом в 110, 150 и 350 литров, для применения на грузовых автомобилях.
12. Проведён прочностной расчёт полимерного топливного бака. В качестве материала был выбран полиэтилен средней плотности. Показаны приложенные равномерные, максимальные напряжения на конструкцию полимерного топливного бака, а также напряжения при полной деформации топливного бака.
13. Был произведен анализ основных мировых производителей линейного полиэтилена, импортирующих материал в Россию. Составлены котировки цен на основании опроса конечных потребителей линейного полиэтилена. Рассмотрены цены на линейный полиэтилен ближневосточных производителей для рынков СНГ, а также производства Нижнекамскнефтехим.
14. Представлены стоимостные характеристики линейного полиэтилена отечественного и импортного производства. Рассчитаны затраты на сырье пластикового топливного бака объемом в 300 литров. При использовании европейского материала затраты составили 3323 руб., а при использовании российского - 3511 руб.
15. Сравнивалась себестоимость стального, алюминиевого и пластикового топливных баков. Цена одного топливного бака объемом 300 литров сделанного из стали составила 5500 рублей, алюминия - 21000 рублей, полиэтилена- 15000 рублей.
Подобные работы
- РАЗРАБОТКА ПОЛИМЕРНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМИ БАРЬЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Магистерская диссертация, технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019