Разработка центробежно-лопаточного способа приготовления формовочных и стержневых смесей Афанасьев Алексей Гавриилович

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ рабочих процессов приготовления формовочных и стержневых смесей 9

1.1 Условия формирования формовочных и стержневых смесей 10

1.2 Основные критерии оценки качества смесей 21

1.3 Принципы работы смесеприготовительного оборудования ... 23

1.4 Классификация смесителей 33

1.5 Задачи исследования 37

2 Исследование процесса перемешивания в центробежном лопаточном смесителе (ЦЛС) 39

2.1 Конструкция экспериментальной установки и лабораторного ЦЛС , 39

2.2 Результаты наблюдения за процессом смесеприготовления в ЦЛС 44

2.2.1 Влияние скорости вращения рабочей емкости 44

2.2.2 Влияние угла резания 54

2.2.3 Влияние коэффициента загрузки рабочей емкости 60

2.3 Выводы . 62

3 Разработка и анализ физической модели рабочего процесса ЦЛС 64

3.1 Движение смеси на этапе разгона 64

3.1.1 Движение смеси на этапе разгона для ЦЛС с горизонтальной осью вращения 65

3.1.2 Движение смеси на этапе разгона для ЦЛС с вертикальной ось вращения.. 76

3.2 Движениесмеси совместно с рабочей емкостью ЦЛС 79

3.2.1 Движение смеси совместно с рабочей емкостью для ЦЛС с горизонтальной осью вращения 79

3.2.2 Движение смеси совместно с рабочей емкостью для ЦЛС с вертикальной осью вращения 81

3.3 Взаимодействие неподвижной лопатки с потоком смеси 86

3.4 Свободный полетсмеси 94

3.4.1 Свободный полет смеси в ЦЛС с горизонтальной осью вращения 94

3.4.2 Свободный полет смеси в ЦЛС с вертикальной осью вращения 97

3.5 Выводы 100

4 Экспериментальные исследования режимов приготовления песчано-глинистых (ПГС) смесей в ЦЛС 102

4.1 Влияние скорости вращения рабочей емкости на качество ПГС и силу, действующую на лопатку 102

4.2 Исследование влияния величины загрузки на приготовление ПГС 109

4.3 Исследование влияния времени обработки на свойства ПГС. 114

4.4 Влияние рецептуры ПГС на процесс смесеприготовления и свойства смеси 118

4.5 Выводы 126

5 Основные элементы методики проектирования ЦЛС 128

5.1 Определение габаритных размеров и частоты вращения рабочей емкости смесителя 128

5.2 Расчет мощности привода ЦЛС 135

5.3 Выводы... 149

6 Результаты опытно-промышленного применения и проектирования ЦЛС 151

6.1 Приготовление в ЦЛС формовочных и стержневых смесей промышленных рецептур 151

6 1 1 Приготовление смесей в АО «Рыбинские моторы» 151

6 1 .2 Приготовление формовочных и стержневых смесей на АО ВМЗ 157

6.2 Испытание ЦЛС на других видах промышленных смесей 160

6.3 Применение результатов исследований при разработке и проектировании ЦЛС 163

6.3 Л ЦЛС с закрепленной на фланце привода рабочей емкостью 164

6.3.2 ЦЛС со съемной рабочей емкостью 169

6.3.3 ЦЛС с поворотной рабочей емкостью 171

6.3.4 ЦЛС с двух опорной фиксацией положения оси вращения рабочей емкости 173

6.4 Выводы 174

Заключение 176

Список использованных источников 181

Приложение

• Принципы работы смесеприготовительного оборудования
• Влияние коэффициента загрузки рабочей емкости
• Движение смеси совместно с рабочей емкостью для ЦЛС с вертикальной осью вращения
• Влияние рецептуры ПГС на процесс смесеприготовления и свойства смеси

Введение к работе

Основными видами машин, используемых в промышленности для получения формовочных и стержневых смесей, являются бегуны, маятниковые смесители (бегуны с вертикальной осью вращения катков), барабанно-валковые смесители и, в последнее время, роторные и центробежно-планетарные. Анализ принципов работы традиционного и современного сме-сеприготовительного оборудования позволяет выявить общие тенденции его развития. Совершенствование смесителей идёт по двум направлениям: модернизация традиционных смесителей путем увеличения скорости движения рабочих органов, например, в маятниковых смесителях и повышения уровня напряжений в смеси, а также создание новых скоростных смесителей с высоким уровнем динамического воздействия на смесь. Следует отметить, что в большинстве случаев эффект от повышения качества форм и стержней, выражающийся в снижении брака и повышении качества отливок, является определяющим при выборе смесеприготовительного оборудования. Трудоемкость операций выбивки форм и стержней, очистка отливок определяются составом и свойствами формовочных и стержневых смесей и, как правило, снижается при сокращении расхода связующих. Повышение эффективности использования связующих и их расхода за счет совершенствования техники и технологии смесеприготовления, разработка новых принципов работы и конструкций смесеприготовительного оборудования, позволяющего получать смеси высокого качества, является актуальным направлением развития литейного оборудования.

Анализ литературы показывает, что интенсификация процесса формирования структуры смеси и, в частности, пленки связующего на поверхности зерна существенно зависит от уровня нормальных напряжений и сдвиговых деформаций, возникающих при перемешивании смеси. Равномерное распределение связующего по поверхности зерен наполнителя возможно лишь при

многократном повторении цикла «разрушение - восстановление» контактов между зернами.

В работе представлена классификация смесеприготовительных машин, которая позволила разработать новый принцип работы смесителя - центро-бежно-лопаточный, обеспечивающий высокий уровень напряжений в смеси и большое количество циклов обработки.

Настоящая работа посвящена разработке основ теории, технологии и машин центробежно-лопаточного смешивания (ЦЛС). Практическая эксплуатация ЦЛС способствует получению ряда технических эффектов: повышению адгезии связующего, сокращению его расхода, интенсификации процесса смешивания, получению однородных смесей стабильного качества, снижению расходов на изготовление и эксплуатацию смесителей.

Актуальность работы подтверждается выполнением её по программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники в 2003-2004 годах».

Целью работы является создание общих принципов и методик проектирования конструкций центробежно-лопаточных смесителей, изучение особенностей их работы и технологии приготовления литейных смесей для повышения их качества, а также определение эффективности практического применения ЦЛС в межотраслевых технологиях.

Достижение данной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

- разработать конструкцию и изготовить лабораторный центробежно-
лопаточный смеситель (ЦЛС);

-разработать методику исследования процессов смешивания в ЦЛС;

- разработать физическую и математическую модель, описывающую
состояние смеси в рабочей емкости, охватывающую основные этапы движения
смеси в ЦЛС;

провести экспериментальные исследования влияния режимов работы смесителя на качество получаемых смесей;

разработать методику расчета основных технических и конструктивных параметров смесителя;

оценить эффективность и технологические особенности приготовления в ЦЛС основных видов формовочных и стержневых смесей.

В работе получены следующие новые научные положения:

классификация смесеприготовительного оборудования по способу силового воздействия на смесь и сочетанию активных конструктивных элементов смесителя;

новый принцип работы смесителя - центробежно-лопаточный;

физическо-математическая модель всех основных состояний смеси в рабочей емкости;

основные теоретические положения методики проектирования ЦЛС;

- технологические режимы приготовления песчано-глинистых, жидко-
стекольных, смоляных смесей холодного и горячего твердения, а также режи
мы приготовления смесей для абразивных, строительных и резиновых изделий.

К основным практическим результатам работы относятся: новые аналитические и экспериментальные данные, составляющие основы теории цен-тробежно-лопаточного смесеприготовления; разработка экспериментальной установки и методики исследований ЦЛС; определение технологических режимов приготовления в ЦЛС высокопрочных песчано-глинистых смесей, а также формовочных и стержневых смесей производственных рецептур; методика проектирования и основные конструктивные схемы ЦЛС,

На основе полученных научных результатов и методики проектирования разработана гамма ЦЛС серии АС, включающая в себя смесители с вертикальным и горизонтальным расположением оси вращения рабочей емкости, работающие в периодическом и непрерывном режиме. Основные варианты конструктивных решений смесителей изготовлены и опробованы в промышленных

условиях на формовочных, стержневых и других видах смесей. Разработанные ЦЛС имеют простую конструкцию, надежны в эксплуатации, снабжены системами безопасности, удобны в обслуживании, наладке и работе.

Производственное опробование ЦЛС проводилось на ряде промышленных предприятий - АО «Рыбинские моторы», АО «Волжский машиностроительный завод», ООО АКТ АН, ОАО «Резиноасбопроект», ОАО «Ярославрези-нотехника». Полученные результаты по качеству смесей подтверждены совместными испытаниями с ведущими специалистами предприятий. Лабораторные варианты смесителей эксплуатируются в РГАТА и используются в учебном процессе. Способ центробежно-лопаточного смесеприготовления и смесители серии АС в 2005 году награждены бронзовой медалью Всероссийского Выставочного Центра.

Материалы работы доложены на III Съезде литейщиков России, на всероссийских научно-технических конференциях в 1994, 1996, 1999 г.г. в Москве, Ярославле, Рыбинске, выставлялись на городских, областных и международной выставках.

Основные положения опубликованы в 14 работах, из них 5 заявок на изобретения и патенты.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников и 6-ти приложений. Изложена на 203 страницах, содержит 77 рисунков, 10 таблиц.

1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ

Формовочные и стержневые смеси, используемые в современном литейном производстве для изготовления литейных форм, представляют собой сложные синтетические коллоидно-дисперсные системы трехфазного типа с твердой, жидкой и газообразной фазами [1]. В процессе упрочнения эта система переходит в двухфазную - с твердой и газообразной фазами. Относительно небольшое содержание жидкой фазы в формовочных и стержневых смесях обусловливает их скелетное строение, при котором частицы твердой дисперсной фазы взаимодействуют между собой через ограниченное число контактов как непосредственно, так и через пленку жидкой фазы. В качестве твердой фазы в смесях применяют зерна минералов, например, кварцевый песок, а в качестве жидкой фазы - связующее (суспензии глин, жидкое стекло, смолы и т. д.). Существенное отличие механической прочности наполнителя и связующего, позволяет считать, что свойства смесей, как скелетного тела, в основном определяются свойствами связующего.

Широчайшая номенклатура составов формовочных и стержневых смесей [2] и типов связующего позволяет с достаточной надежностью получать смеси и литейные формы с необходимыми свойствами. Таких свойств насчитывается около двадцати. Это связано с тем, что на разных этапах технологического процесса к смесям и литейным формам предъявляются разные требования, обусловленные назначением этапа. При изготовлении формы смесь должна быть текучей, формуемой, уплотняемой и обладать высокой живучестью и достаточной механической прочностью. Во время сборки и заливки формы важное значение имеют такие свойства как прочность, горячая прочность, газопроницаемость, термостойкость, трещиностойкость, влажность, гигроскопичность, твердость, податливость, теплоаккумулирующая способность, температуропроводность, теплопроводность. После затвердевания отливки и при разборке формы основным свойством является остаточная прочность.

Степень готовности смеси можно оценивать по ходу приготовления прямым измерением формуемости [1], уплотняемости [7], по статистическим оценкам состава образцов [8] или состава проб смеси [9], а также по энергетическим затратам на процесс [10]. Но эти измерения дают косвенную оценку многообразия характеристик готовой смеси.

Поэтому анализ влияния свойств наполнителя и связующего на процесс формирования при смесеприготовлении формовочных и стержневых смесей проведен с точки зрения их влияния, прежде всего, на механическую прочность и газопроницаемость.

1.1 Условия формирования формовочных и стержневых смесей

Приготовление формовочных смесей представляет собой процесс формирования скелетной структуры коагуляционного типа. Прочность такой структуры определяется характером и количеством контактов между зернами наполнителя, покрытыми связующим. Наиболее экономичной, в смысле расхода связующего на единицу объема, следовало бы считать смесь, в которой связующее сосредоточено в зонах контакта зерен. Но, вероятностный характер ориентации зерен требует для обеспечения высокой надежности образования контактов покрывать зерна наполнителя равномерной распределенной по их поверхности пленкой связующего. Таким образом, перемешивание в процессе смесеприготовления сочетает в себе две функции, во-первых, равномерного распределения ингредиентов смеси по объему замеса и, во-вторых, формирования («намазывания») на поверхности зерен пленки связующего, а в некоторых случаях, например, для песчано-глинистых смесей, и приготовлении вяжущих суспензий (глинистой пасты).

Условия образования пленки связующего на поверхности зерен наполнителя, адгезионных и когезионных связей определяются природой связующего и физическими свойствами поверхности зерен. Формирование пленки связующего возможно лишь при условии существования более прочных, чем когези-

онные, адгезионных связей, так как процесс перемешивания сопровождается непрерывным разрушением и восстановлением контактов между зернами. Разрушение контактов в формовочных смесях носит преимущественно когезион-ный характер [3, 4]. В пограничном слое связующего, взаимодействующего с поверхностью зерна выделяют несколько слоев [5]: ориентированный, переходный, основной и на поверхности зерна слой загрязнения. Д. Бенешем [6] выделен дополнительный слой разрушения, имеющего когезионный характер. В исходном состоянии минеральный наполнитель представляет собой песок определенного гранулометрического состава. Прочность формовочной смеси зависит от физических свойств поверхности наполнителя, его гранулометрического состава, а также формы зерен.

На физические свойства поверхности зерен и её способность к адгезии со связующим оказывают влияние химическая природа минерала, наличие загрязнений поверхности и микротрещин, шероховатость поверхности зерен, наличие специальной механической [11] или ультразвуковой, магнитной и электрической [12] активации поверхности, а также химической обработки зерен [13]. В общем случае процесс смесеприготовления может изменять в ту или иную сторону значение указанных факторов, кроме химических, на образование адгезионного комплекса. Наличие на поверхности песка минеральных примесей или загрязнений органическими продуктами приводит к снижению прочности многих видов смесей [3], так как связующее взаимодействует не с поверхностью зерна, а со слоем загрязнения.

В работе И. Длезека [14] исследована зависимость свойств смесей от состояния поверхности кварцевых песков. На поверхности зерен могут наблюдаться дефекты в виде микротрещин, которые разделяют микрозерна кварца и полевых шпатов и их сростков, покрывающих поверхность зерна, между собой. Для оценки микрорельефа поверхности зерен был введен критерий М гладкости песка, как отношение количества гладких зерен к количеству зерен с микротрещинами, а также критерий степени поражения зерна микротрещина-

ми. Данные И. Длезека приведены на рисунке 1. Из рисунков 1 и 2 видно, что удельная поверхность песков и их прочность снижаются при увеличении критерия гладкости. Следовательно, повышение гладкости песков приводит к уменьшению удельной поверхности и повышению прочности при постоянстве содержания связующего на единицу поверхности.

Эффективность механической активации зерен песка, на взгляд автора, в основном связана с уменьшением в процессе активации загрязнения поверхности зерен и уменьшением их шероховатости. Кроме этого, при «выглаживании» поверхности песков в процессе активации путем скола сростков и микрокристаллов образуются свежие (ювенильные) участки поверхности, обладающие повышенными химическими и энергетическими свойствами.

В работах П. П. Берга [15], С. С. Жуковского [1] большое внимание уделено исследованию влияния гранулометрического состава песков на характеристики формовочных и стержневых смесей. Показано, что уменьшение величины зерна, вследствие увеличения удельной поверхности, при достаточном количестве связующего повышает механическую прочность смеси. При постоянном количестве связующего наблюдается максимум для определенного значения среднего диаметра зерна, как показано на рисунке 3 [15].

Зависимость прочности от среднего диаметра d_cp зерна имеет сложный характер [1], так как при изменении d_cp одновременно изменяется плотность упаковки зерен, количество контактов, приходящихся на единицу объема N_n и размеры манжет. При неизменной средней толщине пленки связующего формально прочность должна быть пропорциональна 1/ d^_p, но на практике рост

прочности оказывается меньшим. Например, уменьшение d_cpB 2 раза даёт рост прочности на 20 - 30 % [16].

Уменьшение среднего диаметра зерна приводит также к увеличению плотности смеси и уменьшению её пористости П, которая для монофракционной модели описывается уравнением [17].

М *

Рисунок 1 - Влияние критерия М на удельную поверхность песков

0 12 3 4 5
М ^

Рисунок 2 - Влияние критерия М на прочность смесей

3,5 МПа

2,5

1,5

0,84 0,42 0,21 0,105 мм 0

*ср

Рисунок 3 - Влияние среднего диаметра зерна на прочность смеси на сжатие

П= 1,07-0,12 К+ 0,004 К², (1)

где К - координационное число.

Рост координационного числа с уменьшением размера зерен и плотности смеси приводит к росту числа контактов на единицу объема N_v. Для скелетного строения смеси количество контактов при неизменной толщине пленки связующего оказывает существенное влияние на прочность.

Изменение плотности упаковки зерен приводит к изменению геометрии манжет, размеры которых уменьшаются с уменьшением размера зерен. Вследствие этого прочность единичного контакта снижается, но увеличение концентрации контактов, например, в единице объема N_Vt обеспечивает рост прочности смеси. Влияние плотности на прочность ХТС показано на рисунке 4 [1] , а на песчано-глинистые смеси на рисунке 5 [1] .

Помимо среднего диаметра на плотность, а, следовательно, и на прочность смеси оказывают влияние многофракционность [1] и наличие в песках, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей, зерен неправильной формы (угловатых) [15].

1,2 1,3 1,4 1,5 г/м³ 1,7

Рисунок 4 - Зависимость прочности ХТС с 1 мас.ч. ОФ-1 от плотности

Наиболее важное значение в формировании прочности смеси принадлежит связующему. Природа связующего, его содержание в смеси, распределе-

ниє связующего по объему замеса и по поверхности зерен наполнителя, условия упрочнения определяют большинство характеристик смеси на всех этапах технологического процесса.

0,3

МПа " 0,2

0,1

1,2 1,3 1,4 1,5 г/м³ 1,7
у

Рисунок 5 — Зависимость прочности от плотности песчано-глинистой смеси с бентонитом

На этапе приготовления смесей связующее представляет собой молеку-лярно-коллоидный раствор полимеров или суспензию. Суспензии, в особенности глинистые, часто формируются по технологическим причинам в процессе смесеприготовления.

Реологические свойства связующих вне смеси могут быть представлены моделями ньютоновской жидкости и вязкопластичной жидкости [1]. Для ньютоновской жидкости реологическое уравнение течения записывается в виде

т = тг/^п (2)

где т - напряжение сдвига;

у—- - скорость деформации сдвига.

Для вязкопластичной жидкости это уравнение имеет вид

т = т_т + ЛУ" (3)

где Т - предел текучести.

В зависимости от параметра п реологические кривые течения жидкостей имеют форму кривых, приведенных на рисунках 6 и 7 [1].

Реологические характеристики связующего играют важную роль в процессе смесеприготовления. От них зависят потребляемая мощность и продолжительность обработки смесей для получения требуемых технологических свойств, а также технические характеристики и тип используемого оборудования.

К связующим с реологическими характеристиками ньютоновских жидкостей относятся в основном молекулярно-коллоидные растворы полимеров, например, смолы и двухкомпонентные жидко-твердые связующие с высокой объемной концентрацией жидкой фазы, например, жидкое стекло-цемент. К вязкопластическим связующим относятся суспензии с высоким содержанием твердой фазы и, в частности, глинистые суспензии. В глиноводных суспензиях вязко пластические свойства проявляются уже при 25 % концентрации глины в воде [1].

Предел текучести вязкопластичных суспензий существенно зависит от концентрации твердой фазы. Например, для суспензии пятихатской глины с

влажностью 68 % %_т = 0,0005 МПа, а для 50 % влажность Т_г « 0,0006 МПа

[18]. Но в процессе приготовления смеси влажность снижается до 4 - 6 % и соответственно возрастает предел текучести до 0,0023 - 0,0008 МПа [1].

Для однотипных связующих механическая прочность смеси зависит от содержания связующего в смеси, однородности его распределения по объему смеси, непрерывности распределения по поверхности зерен и толщины пленки связующего. Толщина пленки связующего на поверхности зерна исследовалась в работах [3, 19, 20]. Показано, что для связующих с малой вязкостью их толщина составляет 6—15 мкм, а для высоковязких связующих их толщина может достигать 100 мкм. Толщина пленки связующего также зависит от содержания

связующего в смеси и равномерности его распределения по поверхности зерна. При оптимальном содержании связующего определяющее значение на толщину пленки имеет равномерность его распределения, которая зависит как от вязкости связующего, так и от способа перемешивания.

Рисунок 6 - Реологические кривые течения ньютоновских жидкостей

Рисунок 7 - Реологические кривые течения вязкопластических жидкостей

В смесях с маловязкими связующими перемешивание в основном служит для распределения связующего по объему замеса, а образование пленки в основном происходит за счет смачивания поверхности и капиллярных явлений. В тоже время при ухудшении смачиваемости за счет наличия на поверхности зерен гидрофобных загрязнений роль интенсивности перемешивания может возрастать, вследствие возможной активации поверхности зерен.

В смесях, где связующим являются суспензии, перемешивание имеет и дополнительное назначение. Прежде всего, при перемешивании образуются глинистые суспензии или пасты, обладающие высокой структурной прочностью и пластической вязкостью, а во-вторых, реализуется процесс «намазывания» пасты на зерна смеси. Этот процесс является высокоэнергоёмким, так как энергия расходуется на насыщение связующего жидкостью, формирование пленки, образование и разрушение стыковых манжет, деформирование и разрушение крупных агрегатов связующего. По сравнению с приготовлением смесей с маловязкими связующими, энергозатраты увеличиваются на 1 - 2 порядка.

Возможность образования пленки высоковязких суспензий, например глинистой пасты, основана на её тиксотропных свойствах, на способности к многократному разрушению и восстановлению коагуляционной структуры. В работе Ивакина Р. И. [21] рабочий процесс смешивания определяется как серия циклов уплотнения - разрыхления смеси. При каждом цикле деформации разрушение песчано-глинистой смеси происходит только с преодолением сил ко-гезии манжет, а адгезионная связь между пленкой и зерном не разрушается [22].

Многократное повторение процессов образования пятен контакта между зерном и связующим приводит к постепенному образованию сплошной пленки связующего на поверхности зерна и более равномерному её распределению.

Число циклов образования и разрушения контактов определяют эффективность перемешивания таких смесей. Необходимое количество контактов

для образования непрерывной пленки связующего на поверхности зерна может быть получено из соотношения площади поверхности зерна к площади единичного контакта, обеспечивающего адгезионную связь. Поэтому вывод о необходимом количестве циклов уплотнения более 500 вызывает сомнения.

В работе Серебрякова С. П. [23] для оценки готовности смеси используется критерий 5ц, который характеризует кратность обработки материала в смесителе. Этот критерий зависит от содержания связующего, величины замеса, длительности цикла, конструктивных характеристик смесителя и скорости рабочих органов. Для готовой смеси его величина должна быть больше 1. Например, для бегунов S_u = 1,6 — 2,6, а для центробежно-планетарного смесителя в 570 раз больше.

Площадь пятна контакта смеси в критерии S_u рассчитана из условия действия статических нормальных напряжений, перпендикулярных плоскости манжеты, обеспечивающих контакт поверхностей зерен. При этом основным движением зерен при перемешивании считается перекатывание. В то же время, в зависимости от конструкции смесителя зерна могут скользить друг относительно друга или испытывать только сжимающие напряжения. Исходя из этого, эффективная площадь контакта, на которой уровень напряжений обеспечивает адгезионную связь между наполнителем и связующим, может существенно изменяться. Например, при качении и скольжении в пятне контакта возникают не только сжимающие, но и растягивающие и касательные напряжения сдвига. Особенно важно, на наш взгляд, учитывать влияние сдвиговых деформаций на формирование пленки связующего при высоких относительных скоростях движения слоев смеси. В этом случае налипание связующего на поверхность зерна возможно вследствие действия нормальных напряжений, возникающих за счет появления эффекта «гидравлического клипа» между зернами наполнителя. Уровень эффективных сжимающих нормальных напряжений, обеспечивающих адгезию связующего с зерном, в работе [23] для смесей с содержанием глины 5 - 20 % определяется в диапазоне 0,016 - 0,07 МПа.

Использование реологических моделей, как это делается при описании процессов уплотнения смесей [24, 25, 26], при описании процессов смесепри-готовления затруднено в связи с изменением реологических характеристик связующего при формировании смеси, а также наличием различных видов деформаций, одновременно присутствующих в зоне обработки. Поэтому уровень эффективных напряжений сжатия, обеспечивающих надежный адгезионный контакт и получение однородной пленки связующего, допустимо оценивать по характеристикам готовой смеси.

Равномерность распределения пленки связующего по поверхности зерна при оптимальном содержании и влажности связующего позволяет увеличить прочность смеси и снизить расход связующего [15]. Но на характеристики смеси оказывает влияние также и структура самой пленки. В смесях с маловязкими связующими обычно формируются пленки однородные по плотности на всей поверхности зерна. При использовании вязкопластичных связующих возможно образование рыхлой структуры пленки, которая может разрушаться при замешивании и уплотнении. Такие пленки образуются при приготовлении смеси в бескатковых роторных смесителях [27]. При домешивании таких смесей в бегунах наблюдается оттирка глинистых пленок с зерен песка, уменьшение прочности на сжатие на 30 %, снижение газопроницаемости на 50 %.

Анализ условий формирования формовочных и стержневых смесей показывает, что на качество готовых смесей оказывают влияние не только состав и свойства наполнителя и связующего, но и способ перемешивания. Смесепри-готовительное оборудование должно обеспечивать равномерность распределения связующего по объему замеса, достаточный уровень напряжений для образования адгезионных связей и равномерной по плотности пленки связующего, реализацию необходимого для равномерного распределения связующего по поверхности зерна количества циклов сжатия - разрушения, обеспечивать механическую активацию связующего и наполнителя. Формально процесс смесе-приготовления может быть представлен как процесс формирования гранул, со-

держащих минеральное зерно и равномерно распределенную, сцепленную с его поверхностью, оболочку связующего оптимальной толщины и структуры.

1.2 Основные критерии оценки качества смесей

Качество формовочных и стержневых смесей может контролироваться как в процессе её приготовления, так и после выпуска готовой смеси из смесителя. Из многообразия приведенных выше качественных характеристик выделим те, которые в наибольшей степени зависят от качества перемешивания. К таким характеристикам могут быть отнесены: прочность, уплотняемость, текучесть, газопроницаемость [2, 15, 28].

Прочностью формовочной и стержневой смеси называют предел прочности при разрушении стандартного образца при выбранном виде нагружения. Она зависит, как отмечалось выше, от многих факторов, но определяется прочностью когезионной связи между зернами и количеством контактов в «скелете» смеси. Количество контактов зависит от формы и размеров гранул смеси. Уменьшение размеров гранул и равномерность распределения связующего по поверхности зерен увеличивают прочность смеси, а отсутствие пленки связующего на зерне - снижает. Наиболее часто для определения прочности сырых песчано-глинистых смесей и холодно-твердеющих смесей (ХТС), от-верждаемых тепловой сушкой, определяется прочность на сжатие стандартного образца. Для песчано-глинистых смесей при массовом производстве а_сж = 0,06 ... 0,2 МПа, а для наполнительных ХТС о_еж= 0,05 ... 0,8 МПа.

Уплотняемость характеризует способность смеси увеличивать объемную массу при заданной работе уплотнения. Уплотняемость определяют по формуле

Н-Н

у= ^L 100% , (4)

^J Н

где Н - начальная высота смеси в гильзе;

Hi - высота смеси после уплотнения 3 ударами копра.

Уплотнение смеси происходит за счет уменьшения пористости, которое зависит от изменения толщины пленки в зоне контакта.

Текучесть характеризует сопротивление сдвигу в направлении, перпендикулярном приложенной нагрузке. Она зависит от свойств связующего и наполнителя, а также от толщины и структуры пленки. Текучесть можно определить по формуле

Н¹
Т=-*Ч (5)

где Нр - изменение высоты образца смеси в гильзе с вырезами в нижней её

части по контуру при заданном давлении прессования;

Н_р- изменение высоты образца смеси в гильзе без вырезов;

Но - высота свободной насыпки смеси. Газопроницаемость - это способность уплотненной смеси пропускать через себя воздух. Газопроницаемость, как и прочность, зависит как от свойств наполнителя и связующего, так и качества приготовления смеси. Определение газопроницаемости проводится преимущественно для смесей, содержащих глину, и смесей специального назначения по формуле

К=-^-, (6)

FApt

где Q - объем воздуха, проходящий через исследуемый образец смеси, м³;

h - высота образца, м;

F - площадь поперечного сечения образца, м²;

Др - перепад давления воздуха, Па;

t - время прохождения объема воздуха Q через образец, с.

При равномерном распределении глинистой пасты по поверхности зерна увеличивается средний размер гранулы, а, следовательно, повышается газопроницаемость. При неравномерном распределении часть глинистого материала оказывается расположенной между зернами песка, что снижает пористость и газопроницаемость. Сопротивление течению воздуха через смесь может уве-

личиться вследствие непромесов и угловатости форм гранул, обусловленных формой зерна и неравномерностью распределения связующего. В процессе приготовления готовность смеси оценивают по измерениям формуемости [1], уплотняемое [29], а также по энергетическим затратам на процесс [30, 31]. Прямые измерения в ходе приготовления в целом адекватно отражают состояние смеси, но являются достаточно трудоемкими. Оценка готовности по энергозатратам может использоваться на однотипном оборудовании и однотипных смесях, так как изменение состава смеси и режимов обработки приводит к существенному изменению энергетических показателей.

Кроме этого, при наличии достаточного количества опытных данных готовность смеси можно оценивать по времени перемешивания [32].

Адекватным методом оценки готовности смеси в ходе приготовления может стать прямое измерение в процессе приготовления механических характеристик смеси, легко поддающееся автоматизации. Стабилизация механических характеристик может служить основным признаком готовности песчано-глинистых смесей, нарастание прочности которых происходит до полного формирования оболочки гранул.

1.3 Принципы работы смесеприготовительного оборудования

Исходя из условий формирования формовочных и стержневых смесей все виды смесителей должны обеспечивать выполнение следующих операций:

перемещение элементов объема замеса друг относительно друга для обеспечения равномерности распределения связующего по объему замеса;

создание в объеме смеси зон, где уровень нормальных и касательных напряжений достаточен для возникновения адгезионной связи между связующим и наполнителем;

обеспечение последовательного возникновения в смеси циклов сжатия-разрушения, в количестве, достаточном для равномерного распределения пленки вязко-пластического связующего по поверхности зерна наполнителя.

Помимо процессов перемешивания смесители должны обеспечивать:

дозированную загрузку ингредиентов смеси в порционном или непрерывном режиме;

непрерывную или периодическую выгрузку готовой смеси;

высокую производительность при оптимальном уровне энергопотребления;

надежность, долговечность, ремонтопригодность и простоту обслуживания;

возможность автоматизации контроля качества смеси в процессе перемешивания.

Потребности промышленности в получении высококачественных смесей для снижения брака и улучшения параметров качества отливок привели к созданию большого количества разнообразных по конструкции и способу перемешивания смесителей. Это связано с тем, что возрастающие требования к качеству смесей не полностью удовлетворяются существующим оборудованием.

Смесители, используемые для приготовления формовочных и стержневых смесей, можно условно разделить на 2 большие группы. К первой группе отнесем смесители, предназначенные в основном для получения смесей с ма-ловязкими связующими. К ним относятся гравитационные барабанные смесители, турбулентные смесители, одновальные шнековые (лопастные) смесители и другие [29, 33]. Наибольший интерес с точки зрения получения песчано-глинистых смесей с сырой прочностью до 0,3 МПа представляют смесители второй группы, предназначенные как для получения сыпучих смесей, так и для получения смесей на основе вязкопластических связующих. К таким смесителям можно отнести бегуны с вертикальной и горизонтальной осью вращения катков, лотковые смесители, барабанно-валковые смесители, центробежные и центробежно-планетарные смесители, роторные и вихревые смесители [22, 29, 32].

Основными видами машин, используемых в промышленности для получения высокопрочных смесей являются бегуны, маятниковые смесители (бегуны с вертикальной осью вращения катков), барабанно-валковые смесители и, в последнее время, роторные и центробежно-планетарные.

Конструкция бегунов или Катковых смесителей с горизонтальной осью вращения катков представлена на рисунке 8. Смеситель состоит из неподвижной чаши 1, в которую подаются ингредиенты смеси. На вращающемся со скоростью 25-50 мин'¹ валу расположена траверса 2 с подвижными в вертикальном направлении и вращающимися катками 3. Для разрыхления смеси и её подачи под катки служат плужки 4 [22,29, 32].

Равномерность распределения связующего по объему замеса обеспечивается плужками 4. Под действием веса катков в смеси создаются сжимающие напряжения. При их перекатывании смесь уплотняется и одновременно происходит сдвиг слоев смеси. Разрыхление смеси происходит при её перемешивании плужками. В результате процессов уплотнения, сдвига и разрыхления происходит формирование пленки связующего. Величина сжимающих напряжений в смеси под действием катков составляет 0,1 - 0,5 МПа. Необходимое количество циклов сжатия-разрушения обеспечивается продолжительностью обработки, которая составляет 100 - 600 с [32].

Эти смесители универсальны и применяются для приготовления любых формовочных и стержневых смесей. К недостаткам следует отнести повышенную плотность готовой смеси на выходе из смесителя, для разрыхления которой проводят специальные мероприятия, например, установку цепей на выходе, и подвод сжатого воздуха к плужкам для аэрации смеси [34], вводят дополнительные разрыхляющие органы: пальцевые, роторные, лопаточные.

Совершенствуется также и конструкция катков. Для повышения трения катка о смесь и увеличения сдвиговых деформаций в слоях смеси применяют обрезиненные катки [35, 36] или резиновые колеса, нагруженные пружиной [32].

Конструкция маятникового смесителя или бегунов с вертикальной осью вращения катков представлена на рисунке 9. Смеситель состоит из неподвижной чаши 1, в которой на траверсе ротора 2 установлены на кривошипах вращающиеся катки 3 и закреплены плужки 4. Катки вращаются в горизонтальной плоскости и установлены на высоте на разных уровнях.

Перемещение смеси в чаше осуществляется плужками, которые при вращении отбрасывают смесь на стенки чаши, покрытые слоем резины для увеличения трения смеси о стенки. Катки и плужки установлены так, чтобы в процессе работы плужки отбрасывали смесь на стенку перед набегающим катком, который, перекатываясь по слою смеси, уплотняет её. Главная роль в создании сдвиговых и нормальных напряжений, необходимых для формирования пленки связующего, приходится на процесс торможения струи смеси о стенки чаши [22]. Следовательно, плужки обеспечивают как процесс уплотнения и сдвига смеси, так и разрыхления. В связи с тем, что линейные скорости плужков составляют до 7 м/с необходимое количество циклов образования - разрушения когезионных контактов зерен смеси реализуется быстрее чем в бегунах с вертикальными катками. Цикл приготовления смеси составляет 60 — 120 с [32].

Совершенствование конструкции бегунов с вертикальной осью вращения катков и режимов их работы подробно описано в работе Маркова В. А. [37]. В ней рекомендуется для повышения эффективности работы катков создавать на катках дополнительный крутящий момент, то есть выполнять их ведущими, а оптимальную скорость вращения ротора п принимать в интервале от 265 до 275 об/мин.

При этом режиме обеспечивается высокая аэрация смеси и снижение энергозатрат.

Принципиальная схема барабанно-валковых смесителей показана на рисунке 10. Смеситель состоит из вращающегося барабана 1, приводных роликов 2, и валка 3, установленного с зазором с внутренней стороной барабана. Отде-

ление смеси от стенок барабана осуществляется или за счет действия гравитационных сил или скребкам 4.

Рисунок 8 - Бегуны с горизонтальной осью вращения катков

Рисунок 9 - Бегуны с вертикальной осью вращения катков

Движение смеси в плоскости вращения осуществляется за счет вращения барабана, действия гравитационных сил и с помощью скребков [22]. Движение

в сторону выгрузки может осуществляться как за счет направления смеси скребками, так и за счет обеспечения наклона оси барабана. Так как величина гравитационных сил недостаточна для обеспечения необходимых напряжений в смеси, её деформирование реализуется катками или плужками. Длительность цикла обработки обеспечивается длиной барабана и величиной скорости осевого движения потока смеси. Среднее время нахождения смеси в смесителе составляет для промышленных установок 150 с при осевой скорости движения потока смеси 0,02 - 0,03 м/с [37]. Удельная мощность приготовления смесей составляет 2 — 5 Вт/кг.

Основные технические решения по совершенствованию барабанно-валковых смесителей направлены на устранение застойных зон и непромешивания, а также на совершенствование конструкции валков и скребков [38, 39].

Приготовление в барабанно-валковых смесителях песчано-глинистых смесей высокой прочности затруднено в виду низкого уровня напряжений, развиваемых в смеси, поэтому требуется использование конструкций крепления катков, обеспечивающих перемешивание и разрушение комков смеси. Для повышения однородности смесей в полость барабана дополнительно устанавливают лопатки и роторные активаторы с внешним приводом вращения. В этом случае удается получать смеси удовлетворительного качества.

В промышленности барабанно-валковые смесители используются в основном для приготовления сыпучих смесей. Их основным достоинством является простота конструкции, надежность в эксплуатации, удобство обслуживания и относительно невысокое энергопотребление.

Роторные смесители являются относительно новыми типами смесителей. Они начали выпускаться в Швейцарии и Германии в середине 70-х годов, а активно применяться и исследоваться в 80-х годах [40]. Их конструкция представлена на рисунке 11.

Чаша смесителя 1 установлена на подшипники 2 и имеет привод вращения. Внутри чаши установлен многолопастной ротор 3 с независимым приво-

дом вращения. Он вращается с частотой до 1000 мин"¹. На валу 5, также имеющем независимый привод вращения установлены мешалки 7 и скребки 6 (частота вращения до 50 мин '*).

Вариантами роторного смесителя являются смесители с неподвижной чашей и подвижным дном, или неподвижной чашей и планетарным движением ротора 3 и мешалки 7. Перемещение смеси в объеме чаши осуществляется вращением самой чаши и перемещением смеси лопатками ротора, а также мешалками и скребками. Интенсивность перераспределения смеси обеспечивает её высокую однородность по объему замеса. Основные сдвиговые деформации обеспечиваются лопатками ротора, при этом относительное движение слоев происходит со скоростью до 8 м/с. Мешалка и скребки осуществляют разрыхление смеси. Высокая частота вращения ротора позволяет получать в единицу времени большое количество циклов сжатия - разрушения смеси. Поэтому время приготовления смеси в роторных смесителях составляет 30 - 120 с.

Высокий уровень динамических воздействий на смесь в роторном смесителе позволяет формировать рыхлые глинистые пленки [27], поэтому готовые смеси обладают малой насыпной плотностью 0,85 - 1,0 г/см³ и хорошей фор-муемостью. Смеси отличаются однородным составом и высокой прочностью в сыром состоянии - до 0,3 МПа. Образование рыхлой структуры пленки имеет и свои недостатки. Как отмечалось выше, возможно ухудшение параметров смеси за счет оттирки глинистых оболочек зерен при домешивании смеси и формовании. Кроме этого, рыхлая структура оболочек приводит к повышению расхода связующего на 10 — 20 % [41].

Центробежно-планетарные смесители пока ещё не нашли широкого применения в промышленности. Однако эти смесители удовлетворяют по своим характеристикам всем требованиям к смесителям, сформулированным выше. Разнообразные конструкции центробежно-планетарных смесителей и их теоретическое и технологическое исследование приведены в работе Серебрякова С. П. [23].

Схема порционного центробежно-планетарного смесителя приведена на рисунке 12. На оснований 1 и в корпусе 2 размешен планетарный привод водила 3 и рабочих ємкостей 4. Рабочие емкости заполняются ингредиентами смеси на 30-60 % от их объема, для обеспечения свободного пространства в рабочей емкости для движения потока смеси, и закрываются крышками 5.

і і

Рисунок 10. Барабанно-валковый смеситель

Рисунок 11. Роторный смеситель

Вращение водила прижимает смесь к поверхности рабочей емкости, а вращение рабочих емкостей перемещает смесь относительно центра вращения водила. В зависимости от соотношения угловых скоростей водила и рабочей емкости порция смеси в сечении может иметь форму неправильного кольца или сегмента. Как показано в работе, перемешивание происходит тогда, когда смесь может двигаться по свободной поверхности сегмента.

В режиме перекатывания происходит распределение связующего по объему замеса, и одновременно формируются пленки связующего на зернах. Этот процесс определяется относительным движением слоев смеси при высоком уровне сжимающих напряжений, так как величина сил инерции в 10-50 раз превосходит гравитационные силы. Высокая частота вращения водила до 600 мин *' и рабочей емкости обеспечивают большие значения критерия краткости обработки S = 150.

К достоинствам этого смесителя следует отнести отсутствие рабочих органов в емкости, а к недостаткам сложность конструкции и высокий уровень энергозатрат до 0,4 кВт/кг.

Центробежно-планетарные смесители отличаются высоким качеством приготовления смесей. Песчано-глинистые смеси имеют равномерно распределенную по поверхности зерна глинистую оболочку. В порах смеси отсутствует свободная глина и пыль. Для песчано-смоляных смесей горячего твердения процесс плакирования реализуется непосредственно в центробежно-планетарном смесителе в ходе приготовления смеси, без использования дополнительных технологических операций. Всё это позволяет эффективнее использовать связующее и снижать его расход на 20 - 60 % [23], Равномерность распределения пленки связующего на поверхности зерна увеличивает газопроницаемость на 30 -300 %.

Анализ принципов работы традиционного и современного смесепригото-вительного оборудования позволяет выявить общие тенденции его развития. Совершенствование смесителей идет по двум направлениям: модернизация

традиционных смесителей путем увеличения скорости движения рабочих органов, например, в маятниковых смесителях [37] и повышение уровня напряжений в смеси [32, 37], а также создание новых скоростных смесителей с высоким уровнем динамического воздействия на смесь [23, 27].

Рисунок 12 - Схема порционного центробежно-планетарного смесителя

Повышение динамического воздействия на смесь позволяет получать смеси с высокой механической прочностью до 0,3 МПа, газопроницаемостью и уплотняемостью. Определяющую роль в этом играет получаемая в таких смесителях рыхлая структура наружной части оболочки зерна [27] и его гранульная структура [23]. Скоростной процесс обработки сокращает время рабочего цикла приготовления смеси в 3 - 5 раз, но относительные энергозатраты при этом увеличиваются в 10 — 100 раз по сравнению с традиционными тихоходными смесителями. Поэтому применение скоростных смесителей должно быть обосновано экономически, технологически и с точки зрения получения требуемых качественных характеристик смеси. Следует отметить, что в большинстве случаев эффект от повышения качества форм и стержней, выражающийся в снижении брака и повышении качества отливок, является определяющим при выборе смесеприготовительного оборудования.

1.4 Классификация смесителей

Как показал проведенный анализ принципов работы смесеприготовительного оборудования, перемешивание ингредиентов смеси и формирование пленки связующего реализуется путем приложения к смеси 3-х основных силовых воздействий: гравитационного, центробежного, или инерционного, и принудительного, то есть силового воздействия, создаваемого специальными рабочими органами смесителя (катками, валками, лопатками, шнеками). В большинстве рассмотренных смесителей приготовление смеси обусловлено одновременно несколькими силовыми факторами, но среди них почти всегда можно выделить силовое воздействие, имеющее ведущую роль в процессе формирования смеси.

Существующая классификация [22, 29] частично отражает в названиях смесителей основное силовое воздействие и главные конструктивные особенности рабочих органов. Такая конструктивно-силовая классификация не по-

зволяет прогнозировать и проектировать новые смесители на основе комбинации её элементов.

Кинематическая классификация смесительных машин предложена Мартыновым В. Д. [33]. По этой классификации смесители разделяются на 8 классов, характеризуемых типом, характером и классом движения частиц. Например, лопастной смеситель относится к 4 классу, так как при смесеприготовле-нии реализуется совмещенное движение частиц по трем координатам за счет вращательного движения вала с лопатками. Кинематические особенности движения смеси важны для обеспечения равномерного распределения связующего по объему замеса, но, как уже отмечалось выше, именно интенсивность и характер силового воздействия на смесь определяют формирование на поверхности зерна оболочки связующего.

Автором совместно с Серебряковым С. П. [42] предложено разделить все типы смесителей на три группы в соответствии с определяющими силовыми факторами: гравитационные, центробежные и внешние, принудительного действия. Разделение основных типов смесителей показано на рисунке 13. Внутри каждой группы встречаются смесители, в которых выделение основного силового фактора затруднено в связи с близким уровнем воздействий других силовых факторов. Например, в гравитационных валково-лопастных смесителях уровень гравитационных воздействий сопоставим с величиной давления, принудительно создаваемого валками. В этом случае отношение смесителя к той или иной группе определяется основным силовым фактором, обеспечивающим распределение связующего по объему. Например, в центробежных бегунах действие лопатки на смесь сопоставимо с центробежными силами, возникающими на стенке чаши, но перемещение смеси реализуется за счет инерции потока.

К конструктивным элементам, входящим в смесительную машину, относятся: рабочая ёмкость, катки или валки, плужки, лопатки или шнеки. Каждый из этих элементов в конкретных смесителях движется или находится в состоя-

ний покоя. Для каждого типа смесителя может быть составлена таблица, отображающая состояние каждого конструктивного элемента и его воздействие на смесь.

Силы воздействия на смесь

Гравитационные

Гравитационные барабаны

Гравитационные

валково-

лопастные

Гравитационно-вибрационные

Центробежные

Центробежно-планетарные

Центробежные бегуны

Центробежно-вихревые

Центробежно-роторные

Рисунок 13 - Группы и типы смесителей

При этом следует учитывать, что движение конструктивных элементов из-за необходимости обеспечения цикличности обработки смеси и простоты реализации имеет вращательный характер. Возвратно-поступательное движение конструктивных элементов также может обеспечивать цикличность обработки, но оно конструктивно сложнее для реализации.

В таблице 1 на примере центробежно-роторного смесителя приведена форма заполнения таблицы. Сопоставление таблиц для различных смесителей позволяет выявить новые возможные комбинации состояния конструктивных элементов и их воздействия на смесь.

Таблица 1. Состояние конструктивных элементов и их воздействие на смесь в центробежно-роторном смесителе

Анализ таблицы показывает, что модернизация типовых смесителей идет в основном за счет введения новых конструктивных элементов и усиления влияния основных силовых факторов. Создание новых смесителей реализуется в основном за счет нового соотношения конструктивных элементов и за счет резкого увеличения их силовых факторов.

Приведенная классификация позволила автору совместно с Серебряковым С. П. разработать принцип работы и конструкцию центробежно-лопаточного смесителя (ЦЛС). В этом смесителе подвижная рабочая емкость создает высокий уровень центробежных сил, в 20 - 120 раз превышающих гра-

витационные силы, а перемещение смеси и осуществление в ней сдвиговых деформаций разрушения обеспечивается неподвижной лопаткой [43]. Описание конструкции и принципа его работы приведены в главе 2.

1.5 Задачи исследований

Процесс приготовления формовочных и стержневых смесей носит сложный характер, охватывающий взаимодействие компонентов смеси как на уровне всего объема смеси, так и на уровне зерна и пленки связующего. При одинаковой рецептуре и свойствах наполнителя и связующего, определяющим в формировании качественной смеси становится вид и уровень физико-механического воздействия рабочих органов смесеприготовительного оборудования на смесь.

Анализ литературы показывает, что интенсификация процесса формирования структуры смеси и, в частности, пленки связующего на поверхности зерна, существенно зависти от уровня нормальных напряжений и сдвиговых деформаций, возникающих при перемешивании смеси. Равномерное распределение связующего по поверхности зерен наполнителя возможно лишь при многократном повторении цикла «разрушение - восстановление» контактов между зернами.

Возможности существующего смесеприготовительного оборудования не всегда удовлетворяют этим требованиям, что снижает качество готовой смеси и увеличивает расход связующего. Применение скоростных смесителей с высоким уровнем динамического воздействия на смесь, к которым относится центробежно-лопаточный смеситель, для изготовления прочных и качественных смесей позволяет снизить уровень брака отливок и повысить их качество.

При центробежно-лопаточном способе смесеприготовления обработка смеси проводится во вращающейся рабочей емкости. Рабочую емкость вращают со скоростью, при которой центробежные силы обеспечивают давление, достаточное для образования когезионных и адгезионных сзязей между зерна-

ми основы и связующим. Для песчано-глинистых формовочных смесей величина создаваемого в смеси давления должна превышать предел текучести глинистой пасты, при этом скорость вращения рабочей емкости обеспечивает на ее поверхности величину гравитационного коэффициента К > 20. От стенок рабочей емкости смесь отделяется неподвижной лопаткой, режущая кромка которой параллельна образующей поверхности рабочей емкости. Срезание смеси лопаткой обеспечивает равномерное распределение связующего по объему замеса и одинаковой толщины пленки на каждом зерне. Высокая скорость движения смеси, наличие сдвиговых деформаций в условиях напряженного состояния в зоне резания и при движении смеси по лопатке позволяют реализо-вывать большое количество циклов интенсивного «разрушения-восстановления» когезионных контактов. По способу приготовления смеси и уровню действующих на смесь силовых факторов в этом смесителе возможно получение качественных формовочных и стержневых смесей.

В связи с этим поставлены следующие задачи исследований:

разработать конструкцию и изготовить лабораторный центробеж-но-лопаточный смеситель (ЦЛС);

разработать методику исследования процессов смешивания в ЦЛС;

разработать физическую и математическую модель, описывающую состояние смеси в рабочей емкости, охватывающую основные этапы движения смеси в ЦЛС;

провести экспериментальные исследования влияния режимов работы смесителя на качество получаемых смесей;

разработать методику расчета основных технических и конструктивных параметров смесителя;

оценить эффективность и технологические особенности приготовления в ЦЛС основных видов формовочных и стержневых смесей.

39 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ В

ЦЕНТРОБЕЖНО-ЛОПАТОЧНОМ СМЕСИТЕЛЕ (ЦЛС)

2.1 Конструкция экспериментальной установки и лабораторного ЦЛС

На основании способа центробежно-лопаточного смесеприготовления [43] совместно с Серебряковым С. П. был разработан и изготовлен лабораторный центробежно-лопаточныи смеситель (ЦЛС) периодического действия, показанный на рисунках 14, 15, 16. Центробежный лопаточный смеситель (ЦЛС) включает в себя (рисунок 16) рабочую емкость 1, выполненную в виде полого цилиндра высотой 120 мм и внутренним диаметром 230 мм, с фланцами. На одном из фланцев крепится прозрачная или металлическая крышка 2, а другим фланцем рабочая емкость крепится к барабану 3, на наружной поверхности которого закреплен шкив клиноременной передачи. Барабан 3 подвижно с помощью подшипников установлен на полой оси 4, которая закреплена на плите 5 рамы 6. Внутри оси 4 на подшипниках скольжения с возможностью вращения установлен полый вал 7. На выступающем над плитой 5 конце вала 7 неподвижно закреплено кольцо 8, имеющее радиальный паз на наружной поверхности. На другом конце вала 7 закреплен быстросъемный кронштейн 9, имеющий проградуированные риски и паз в виде сектора для перемещения и установки лопатки 10, На кронштейне лопатки 10 выполнено отверстие для проведения тарировки тензобалки 11. Т-образная тензобалка 11 рабочим сечением 10 х 20 мм снабжена тензодатчиками 12, закреплена на плите 5 и установлена таким образом, что ее конец входит в паз 8. Передача крутящего момента от электродвигателя 13, установленного на натяжном устройстве 15, осуществляется через клиноременную передачу 14 и барабан 3.

Загрузка ингредиентов в рабочую емкость смесителя может осуществляться двумя способами. В первом случае ингредиенты через отверстие полого вала 7, а во втором случае непосредственно в рабочую емкость 1, предварительно снимая ее с барабана 3. Для этой цели рабочая емкость крепится на барабане с помощью быстросъемных байонетных фиксаторов (на рисунке 16 не показаны).

Рисунок 14 - Центробежный лопаточный смеситель

Рисунок 15 - Общий вид экспериментальной установки

СОССИИСКАЯ

"ОСУДАРСТВЕНИЛЯ

"-ЧВЛИОТЕКА

16 ' ^v 9 ^ч 10 ^ч 15

Рисунок 16 - Схема экспериментальной установки

Принцип работы ЦЛС заключается в том, что ингредиенты смеси, попадая во вращающуюся рабочую емкость, разгоняются силами трения и прижимаются центробежными силами к ее цилиндрической поверхности. Разогнавшаяся смесь уплотняется в процессе движения, а затем попадает на неподвижную лопатку 10. Для уменьшения трения по задней поверхности лопатки и обеспечения перемешивания всего объема смеси режущая кромка лопатки, параллельная оси вращения, устанавливается с зазором меньшим, чем размер зерна песка смеси. Лопатка 10 отделяет смесь от поверхности и направляет в другие зоны рабочей емкости. Это обеспечивает взаимодействие зерен песка со связующим и перемешивание слоев смеси.

42 Экспериментальная установка предназначена для исследований лабораторного ЦЛС при вертикальной и горизонтальной оси вращения рабочей емкости. С этой целью рама смесителя 6 установлена на оси 16 опорной рамы 17 с возможностью поворота на 90. Общий вид экспериментальной установки в положении, когда ось вращения ЦЛС расположена горизонтально, показан на рисунке 14. Для изменения частоты вращения использовался электродвигатель 13 постоянного тока П22 мощностью 2,2 кВт с максимальной частотой вращения до 3000 об/мин, соединенный с источником питания ИП (рисунок 16), оснащенным амперметром А и вольтметром V. Частота вращения электродвигателя измерялась с помощью тахогенератора ТГ типа ТМГ-30. Визуальное наблюдение и регистрация процесса перемешивания осуществлялась с помощью фотоаппарата ФА марки «Зенит TTL» и фотовспышек марки ФИЛ-1 через прозрачное дно рабочей емкости, выполненное из стекла. Угол наклона лопатки у устанавливался в пределах 15 - 75 по градуированному кронштейну 9. /Для выполнения тарировки тензобалки 11 на раме смесителя установлен кронштейн с блоком 18, а на кронштейне лопатки выполнено отверстие на расстоянии 100 мм от оси вращения для крепления тросика. При тарировке тросик закрепляли в отверстии, пропускали через блок 18 и устанавливали на прикрепленной к нему чаше грузы. Прогиб тензобалки фиксировался визуально по показаниям индикатора часового типа ИЧ с ценой деления 0,01 мм и тензодатчи-ков с базой 15 мм и сопротивлением 100 Ом, Сигнал с 4-х тензодатчиков 12, соединенных по мостовой схеме, подавался на тензоусилитель ТУ марки ТОПАЗ 4.01, питаемый от стабилизированного блока питания БП марки Б 5-47. Сигнал с тензоусилителя фиксировался на шлейфовом осциллографе марки К 121. Тарировка тензобалки 11 проведена грузами массой от 8 до 60 кг с шагом через 2 кг. Доверительная оценка результатов тарировки при малом числе опытов (п < 30) [44, 45], в данном случае n = 5, осуществляется с применением распределения Стьюдента. За центр группирования принимали математическое ожидание:

43
х = -х,. (7)

П ы

Среднее квадратичное отклонение определяли по формуле

_{S^P-r-tk-xT. (8)}

V п -1 -і

Тогда все значения х для данной точки с вероятностью р = 1 - а будут

находиться в доверительном интервале

_ S _ S

х—7=^,,., r-t,_₁, (9)

л/П л/П

где t_n.i - значения критерия Стьюдента для вероятности р и числа степеней свободы п—1.

Отметим, что здесь и в дальнейшем доверительный интервал измеряемого параметра определялся для вероятности 95 %, для которой при 5-ти опытах критерий Стьюдента равен 2,776.

Построенный по значениям математического ожидания график представляет собой практически прямую линию, которая для удобства пользования графиком была аппроксимирована прямой вида

у = А-х. (10)

Коэффициент А линии регрессии определялся по методу наименьших квадратов [3], откуда:

А = ^—. (11)

Если в качестве у принять силу F, действующую на лопатку, а за х - показания индикатора ИЧ Д, то уравнение тарированной прямой запишется в виде:

F = 3,48A. (12)

Полученная прямая находится внутри доверительного интервала для каждой точки тарированного графика. Максимальное отклонение математического ожидания от теоретической прямой по формуле (12) составило 3,1 %,

44 которое принято за погрешность измерения силы с помощью тензобалки.

2.2 Результаты наблюдения за процессом смешивания в ЦЛС

Прямое наблюдение процесса смешивания формовочных и стержневых смесей существенно затруднено ввиду того, что зерна песка царапают стекло, делая его матовым, а связующее загрязняет стекло, делая его непрозрачным. Поэтому в качестве материала для перемешивания при визуальном наблюдении и фотографировании использовались: гранульный полиэтилен (0 3-5 мм), рубленая резина (0 0,5 - 3 мм) и кварцевый песок 1К02 влажностью 3 %. Мягкие материалы (порошок резины и полиэтилен) не царапают стекло, позволяют наблюдать и оценивать процесс перемешивания материалов соответственно с высоким и низким коэффициентами трения. Наблюдение за поведением смеси осуществлялось для случаев горизонтального и вертикального расположения оси вращения рабочей емкости ЦЛС. При проведении исследований варьировались три основные параметра, характеризующие процесс перемешивания в ЦЛС: частота вращения, угол установки лопатки и коэффициент загрузки рабочей емкости к₃,

2.2.1 Влияние скорости вращения рабочей емкости

Число оборотов рабочей емкости изменялось напряжением источника питания, подаваемым на двигатель постоянного тока в пределах от 0 до 1500 об/мин. Плавное изменение скорости вращения электродвигателя позволило наблюдать особенности характера движения смеси в рабочей емкости, а также определить критическую скорость вращения, после прохождения которой не происходит существенных качественных изменений процесса. Визуально эта скорость определялась по условию разгона всех слоев смеси до угловой скорости рабочей емкости. Для рубленой резины она составила 80 ± 10 об/мин, гранулированного полиэтилена -180+10 об/мин, песка -110+10 об/мин при коэффициенте загрузки k₃ = 0,2.

На рисунке 17 отображено движение рубленой резины, гранул полиэтилена и кварцевого песка для горизонтальной (рисунок 17 а, в, д) и вертикаль-

45 ной (рисунок 17 б, г, е) осей вращения рабочей емкости ЦЛС при скоростях

вращения меньше критической. На фотографиях видно, что при горизонтальной оси вращения и верхнем положении лопатки характер движения частиц вещества изменяется в зависимости от коэффициента загрузки. Например, при коэффициенте загрузки k₃ = 0,7 (рисунок 17 а) частицы резины образуют подвижный ком с малоподвижной центральной частью.

При уменьшении коэффициента загрузки до 0,2 (рисунок 17 д) частицы вещества, достигнув определенного угла подъема, отрываются от стенок рабочей емкости и падают вниз непрерывным потоком. Следует отметить, что часть зерен песка не разгоняется до скорости вращения рабочей емкости, а перекатывается по свободной поверхности потока, ограниченной цилиндрической поверхностью. При нижнем положении лопатки, как на рисунок 17 в, в районе лопатки наблюдается «бурление» частиц вещества около лопатки и их проскальзывание относительно поверхности рабочей емкости. Доза вещества представляет собой сегмент, ось которого отклонена от вертикали. В случае вертикальной оси вращения рабочей емкости общий характер поведения дозы материала не зависит от типа материала, коэффициента загрузки и положения лопатки (рисунок 17 б, г, е). Во всех приведенных случаях основная масса материала лежит на дне рабочей емкости, а при взаимодействии с лопаткой огибает ее, немного поднимаясь вверх у режущей кромки и опускаясь на конце. Это, по-видимому, происходит за счет повышения давления в придонной части дозы материала, вблизи режущей кромки неподвижной лопатки, которое уменьшается по направлению к центру и вдоль поверхности лопатки. С увеличением скорости вращения рабочей емкости до числа оборотов выше критического значения (п > п_кр) характер движения частиц материала стабилизируется. При больших скоростях вращения вид траектории потока материала практически не зависит от расположения осей вращения

a)

v*

б)

в)

г)

Д)

а), б) - рубленая резина, к₃ = 0,7; в), г) - гранулы полиэтилена, к₃ = 0,4;

д), е) - кварцевый песок 1К02, k₃ = 0,2

Рисунок 17 - Движение смеси в рабочей емкости ЦЛС при скорости

вращения меньше критической.

47 Фотография на рисунке 18 показывает движение потока зерен песка при

п = 600 об/мин, а на рисунке 19 - рубленой резины в рабочей емкости с вертикальной осью вращения при n = 300 об/мин. На этих фотографиях можно наблюдать, что частицы материала в обоих случаях последовательно проходят через 5 этапов движения потока, на которые можно условно разделить всю конфигуацию дозы.

Принципы работы смесеприготовительного оборудования

Исходя из условий формирования формовочных и стержневых смесей все виды смесителей должны обеспечивать выполнение следующих операций: перемещение элементов объема замеса друг относительно друга для обеспечения равномерности распределения связующего по объему замеса; создание в объеме смеси зон, где уровень нормальных и касательных напряжений достаточен для возникновения адгезионной связи между связующим и наполнителем; обеспечение последовательного возникновения в смеси циклов сжатия-разрушения, в количестве, достаточном для равномерного распределения пленки вязко-пластического связующего по поверхности зерна наполнителя.

Помимо процессов перемешивания смесители должны обеспечивать: дозированную загрузку ингредиентов смеси в порционном или непрерывном режиме; непрерывную или периодическую выгрузку готовой смеси; высокую производительность при оптимальном уровне энергопотребления; надежность, долговечность, ремонтопригодность и простоту обслуживания; возможность автоматизации контроля качества смеси в процессе перемешивания.

Потребности промышленности в получении высококачественных смесей для снижения брака и улучшения параметров качества отливок привели к созданию большого количества разнообразных по конструкции и способу перемешивания смесителей. Это связано с тем, что возрастающие требования к качеству смесей не полностью удовлетворяются существующим оборудованием.

Смесители, используемые для приготовления формовочных и стержневых смесей, можно условно разделить на 2 большие группы. К первой группе отнесем смесители, предназначенные в основном для получения смесей с ма-ловязкими связующими. К ним относятся гравитационные барабанные смесители, турбулентные смесители, одновальные шнековые (лопастные) смесители и другие [29, 33]. Наибольший интерес с точки зрения получения песчано-глинистых смесей с сырой прочностью до 0,3 МПа представляют смесители второй группы, предназначенные как для получения сыпучих смесей, так и для получения смесей на основе вязкопластических связующих. К таким смесителям можно отнести бегуны с вертикальной и горизонтальной осью вращения катков, лотковые смесители, барабанно-валковые смесители, центробежные и центробежно-планетарные смесители, роторные и вихревые смесители [22, 29, 32].

Основными видами машин, используемых в промышленности для получения высокопрочных смесей являются бегуны, маятниковые смесители (бегуны с вертикальной осью вращения катков), барабанно-валковые смесители и, в последнее время, роторные и центробежно-планетарные.

Конструкция бегунов или Катковых смесителей с горизонтальной осью вращения катков представлена на рисунке 8. Смеситель состоит из неподвижной чаши 1, в которую подаются ингредиенты смеси. На вращающемся со скоростью 25-50 мин 1 валу расположена траверса 2 с подвижными в вертикальном направлении и вращающимися катками 3. Для разрыхления смеси и её подачи под катки служат плужки 4 [22,29, 32].

Равномерность распределения связующего по объему замеса обеспечивается плужками 4. Под действием веса катков в смеси создаются сжимающие напряжения. При их перекатывании смесь уплотняется и одновременно происходит сдвиг слоев смеси. Разрыхление смеси происходит при её перемешивании плужками. В результате процессов уплотнения, сдвига и разрыхления происходит формирование пленки связующего. Величина сжимающих напряжений в смеси под действием катков составляет 0,1 - 0,5 МПа. Необходимое количество циклов сжатия-разрушения обеспечивается продолжительностью обработки, которая составляет 100 - 600 с [32].

Эти смесители универсальны и применяются для приготовления любых формовочных и стержневых смесей. К недостаткам следует отнести повышенную плотность готовой смеси на выходе из смесителя, для разрыхления которой проводят специальные мероприятия, например, установку цепей на выходе, и подвод сжатого воздуха к плужкам для аэрации смеси [34], вводят дополнительные разрыхляющие органы: пальцевые, роторные, лопаточные.

Совершенствуется также и конструкция катков. Для повышения трения катка о смесь и увеличения сдвиговых деформаций в слоях смеси применяют обрезиненные катки [35, 36] или резиновые колеса, нагруженные пружиной [32].

Конструкция маятникового смесителя или бегунов с вертикальной осью вращения катков представлена на рисунке 9. Смеситель состоит из неподвижной чаши 1, в которой на траверсе ротора 2 установлены на кривошипах вращающиеся катки 3 и закреплены плужки 4. Катки вращаются в горизонтальной плоскости и установлены на высоте на разных уровнях.

Перемещение смеси в чаше осуществляется плужками, которые при вращении отбрасывают смесь на стенки чаши, покрытые слоем резины для увеличения трения смеси о стенки. Катки и плужки установлены так, чтобы в процессе работы плужки отбрасывали смесь на стенку перед набегающим катком, который, перекатываясь по слою смеси, уплотняет её. Главная роль в создании сдвиговых и нормальных напряжений, необходимых для формирования пленки связующего, приходится на процесс торможения струи смеси о стенки чаши [22]. Следовательно, плужки обеспечивают как процесс уплотнения и сдвига смеси, так и разрыхления. В связи с тем, что линейные скорости плужков составляют до 7 м/с необходимое количество циклов образования - разрушения когезионных контактов зерен смеси реализуется быстрее чем в бегунах с вертикальными катками. Цикл приготовления смеси составляет 60 — 120 с [32].

Совершенствование конструкции бегунов с вертикальной осью вращения катков и режимов их работы подробно описано в работе Маркова В. А. [37]. В ней рекомендуется для повышения эффективности работы катков создавать на катках дополнительный крутящий момент, то есть выполнять их ведущими, а оптимальную скорость вращения ротора п принимать в интервале от 265 до 275 об/мин.

Влияние коэффициента загрузки рабочей емкости

Выше отмечалось, что в зависимости от скорости вращения и коэффициента загрузки к3 рабочей емкости в обрабатываемой дозе материала могут возникать слои, которые не разгоняются рабочей емкостью до скорости ее вращения (рисунок 18), а перекатываются по свободной поверхности потока или осыпаются с него, не доходя до зоны резания (рисунок 20). С увеличением коэффициента загрузки, особенно для несвязных материалов, например, сухого песка, эти явления возрастают (рисунок 29). Наличие слоев материала, не проходящих всех этапов процесса смесеприготовления в ЦЛС, может привести к ухудшению качества получаемой смеси и увеличению времени обработки.

При достаточно высоких для данного материала скоростях вращения рабочей емкости осыпание и перекатывание материала исчезают даже для больших коэффициентов загрузки (рисунок 30), В этом случае материал проходит через все пять этапов движения, но интенсивность процессов, происходящих в каждом слое потока, существенно изменяется по его толщине, при коэффициенте загрузки k3 = 0,8 (рисунок 30) радиус внутреннего слоя потока в 2,5 раза меньше радиуса рабочей емкости, следовательно, у стенок рабочей емкости и вблизи внутреннего слоя потока условия обработки материала значительно различаются по скорости движения, напряженному состоянию и величине деформаций. Различия в условиях формирования смеси в слоях потока, когда перемешивание затруднено, могут привести к ситуации, когда основная часть смеси, расположенная вблизи поверхности рабочей емкости, готова, а расположенная во внутренних областях - нет. Тогда для завершения процесса приготовления необходимо дополнительное время, которое увеличивает общее время приготовления смеси и приводит к неэффективным энергозатратам на переработку готовой смеси. Кроме того, высокий уровень давлений при больших коэффициентах загрузки может привести к разрушению в зоне резания зерновой основы смеси.

Использование ЦЛС с малыми коэффициентами загрузки невыгодно по экономическим соображениям, а также потому, что необходимо увеличивать скорость вращения рабочей емкости для создания необходимого уровня напряженного состояния в обрабатываемом материале, достаточном для получения качественной смеси.

Исходя из вышеизложенного, оптимальным для заданной скорости вращения рабочей емкости следует считать коэффициент загрузки, при котором, во-первых, отсутствует осыпание и перекатывание материала, а, во-вторых, наблюдается интенсивное перемешивание слоев в зоне разгона и на участке падения потока материала. Проведенные эксперименты показали, что приведенные условия выполняются при коэффициентах загрузки от 0,3 до 0,6. Для этих значений коэффициента загрузки при достаточных скоростях вращения отсутствует осыпание (рисунки 18, 22) и ярко выражен процесс перемешивания на участке падения потока материала. 1 Для исследования нового способа центробежно-лопаточного приготовления смесей разработан и изготовлен центробежно-лопаточный смеситель (ЦЛС). 2 На базе ЦЛС разработана и изготовлена экспериментальная установка для визуального и инструментального наблюдения процесса перемешивания. 3 Экспериментально установлено существование критической скорости вращения рабочей емкости, до достижения которой процесс обработки материала можно разделить на два этапа: этап разгона и этап свободного полета. При скоростях вращения рабочей емкости выше критической выявлено, что ход процесса перемешивания существенно изменяется, и выделено пять последовательных основных этапов: разгона, совместного движения с рабочей емкостью, резания, движения материала вдоль лопатки и свободного полета - отли чающихся друг от друга по комбинации и интенсивности физических воздействий на материал. 4 Установлено, что основное формирование свойств смеси происходит на закритических режимах ее обработки, для которых характерны высокий уровень нормальных напряжений на этапе совместного движения смеси с рабочей емкостью и интенсивные сдвиговые деформации в условиях напряженного состояния на этапе резания. 5 Зафиксировано явление самоторможения частиц смеси в зоне резания и определено условие его отсутствия. 6 Экспериментальным исследованием установлено, что сила, действующая на лопатку, минимальна в диапазоне углов резания от 25 до 30. 7 Определено, что оптимальный угол резания уменьшается при увеличении коэффициента трения. 8 В результате анализа экспериментальных наблюдений рекомендовано принимать коэффициент загрузки от 0,3 до 0,6 в качестве оптимального для процесса смесеприготовления в ЦЛС.

Движение смеси совместно с рабочей емкостью для ЦЛС с вертикальной осью вращения

При вращении потока смеси вокруг горизонтальной оси вращения на частицы смеси действуют центробежная сила, сила тяжести и сила трения, удерживающая частицы на свободной поверхности. Выше отмечалось, что на этапе разгона при вертикальной оси вращения смесь может взаимодействовать с дном и вертикальной поверхностью рабочей емкости. Для определения формы свободной поверхности потока смеси на этапе совместного движения с поверхностью рабочей емкости рассмотрим схему, приведенную на рисунке 40. Для упрощения выводов в первом приближении принимаем, что смесь представляет собой идеальное сыпучее твердое тело, обладающее внутренним трением с коэффициентом f и не имеющее связности. На рисунке 40 Fu - центробежная сила частицы смеси, находящейся на свободной поверхности, Q - сила тяжести, FTP — сила трения, N - нормальная реакция свободной поверхности, а F — тангенциальная составляющая центробежной силы на направление касательной к данной точке свободной поверхности. Величину нормальной реакции N определим по уравнению где a - угол наклона касательной к оси Ох; где ув, хв - координаты верхней точки свободной поверхности смеси в рабочей емкости; Ун, хн — координаты нижней точки свободной поверхности смеси в рабочей емкости.

Для приближенных расчетов толщину слоя смеси по высоте рабочей емкости можно принять постоянной или учитывать изменение толщины по формуле (71), более удобной для практических расчетов, чем формула (70).

Основной отличительной особенностью состояния потока смеси при совместном вращении с рабочей емкостью относительно вертикальной оси по сравнению с горизонтальной осью вращения является появление силы F, которая обеспечивает движение частиц смеси вдоль свободной поверхности потока. Качение частиц смеси по свободной поверхности в условиях действия центробежных сил способствует образованию и равномерному распределению пленки связующего по поверхности зерен. Интенсивность этого процесса достаточно высока, так как при больших значениях радиуса рабочей емкости R значительная часть потока смеси после свободного полета падает на дно емкости. Кроме того, вертикальное движение смеси дополнительно обеспечивает равномерность распределения ингредиентов. 3.3Взаимодействие неподвижной лопатки с потоком смеси

Характер взаимодействия неподвижной лопатки ЦЛС с набегающим потоком смеси установлен в результате экспериментальных исследований. Наблюдаемые явления, например, такие как сдвиговая деформация потока смеси в зоне взаимодействия лопатки со смесью, отделение стружки, аналогичны явлениям, возникающим при резании грунта, которые подробно описаны в работах И. Я. Аизенштока, Н. Г. Домбровского, А. Н. Зеленика, Ю, А. Ветрова, В. И. Баловнева, Д. И. Федорова и др. [59, 60,46, 61, 63,47, 66].

Классическая модель резания грунта приведена на рисунке 42. В общем случае при взаимодействии рабочих органов с грунтом происходит деформация сжатия, сдвига и растяжения грунта, сопровождаемая отрывом грунта от массива, под действием сил отпора грунта Q0, давления со стороны поверхности кома Qp, внешней нагрузки Рв от веса вышележащих слоев грунта и сил сопротивления движению стружки Рс. При перемещении грунта по поверхности ножа возникают силы трения. Имеет место также трение рабочего органа о грунт FH и внутреннее трение грунта о грунт по площадке сдвига, расположенной под углом vj/. Величина нормальных напряжений изменяется вдоль линии сдвига стп0 и вдоль направления движения грунта по ножу о н.

Процесс резания грунта в ЦЛС отличается от обобщенной классической схемы по следующим параметрам. 1. Отсутствие силы трения между лопаткой и грунтом, если величина зазора между лопаткой и поверхностью рабочей емкости меньше размера частиц смеси. 2. Сила внешней нагрузки в основном зависит не от веса смеси, а от величины центробежных сил. 3. Вес смеси также можно не учитывать при оценке сил сопротивления движению стружки, так как при горизонтальной оси вращения ЦЛС и верхнем расположении лопатки сила веса способствует движению стружки, а при вертикальной оси вращения направление силы веса не совпадает с направлением движения стружки. При движении стружки смеси по неподвижной лопатке за счет давления распора возникает трение о дно рабочей емкости.

Влияние рецептуры ПГС на процесс смесеприготовления и свойства смеси

Направление равнодействующей F совпадает с направлением силы F\. Проекция векторного уравнения (139) на направление F\ после преобразований приводит к следующему выражению для равнодействующей центробежных сил кольца смеси: где р - средняя плотность смеси по толщине кольца; Н- высота рабочей емкости; ф - угол сектора кольца смеси. Подставляя в уравнение (144) выражения (96) или (105) для внутреннего радиуса кольца смеси получаем зависимость силы F от веса замеса Q, находящегося в рабочей емкости:

В практике проектирования дополнительные потери на трение определяются экспериментально или по рекомендациям, разработанным для конкретного типа конструкций смесителей [74].

На этапе разгона энергия привода смесителя расходуется на придание смеси кинетической энергии и частичное уплотнение смеси под давлением струи смеси подлетающей к поверхности рабочей емкости: где NK - мощность, затрачиваемая на придание смеси кинетической энергии; Ny - мощность уплотняющего воздействия на смесь. К поверхности рабочей емкости смесь попадает в результате засыпки ингредиентов смеси в рабочую емкость и после этапа свободного полета потока, сходящего с лопатки, которые резко отличаются друг от друга уровнем исходной кинетической энергии. Если при засыпке кинетическая энергия практически равна 0, то у летящего потока смеси она мало отличается от кинетической энергии смеси на других этапах движения. В формуле для расчета мощности NK, привода, затрачиваемой на придание смеси кинетической энергии, целесообразно выделить две составляющие, это мощность на разгон засыпаемой смеси NK3 И мощность, расходуемая на компенсацию потерь кинетической энергии потока летящей смеси при взаимодействии с поверхностью рабочей емкости NKn, тогда:

При периодическом режиме работы смесителя вся масса замеса разгоняется один раз во время запуска смесителя в работу, включая случаи, когда рабочая емкость при периодической загрузке - выгрузке не останавливается. Тогда NK в этом режиме имеет характер временных перегрузок и при расчете мощности привода в установившемся режиме может не учитываться.

При непрерывном («проходном») режиме работы смесителя разгон засыпаемых ингредиентов осуществляется постоянно, следовательно, мощность, затрачиваемая на это, входит в энергетический баланс привода при установившемся движении.

Кинетическая энергия полого сплошного однородного цилиндра при его разгоне от 0 до со равна работе Акз привода.

Скорректируем момент инерции совмещенного кольца смеси к, определяемую по формулам (97) и (106) в зависимости от положения оси вращения рабочей емкости. Разделим работу АКз на время разгона смеси до скорости рабочей емкости и, выразив массу через вес замеса Q из уравнения (122), получим мощность, затрачиваемую на разгон всего замеса при периодическом режиме работы: где tp - время разгона всего замеса.

Расход смеси при непрерывном режиме работы за один оборот рабочей емкости: где to - время обработки смеси в смесителе.

Приняв время разгона подаваемой смеси равным времени одного цикла движения смеси в рабочей емкости из уравнения (98) или (107), подставим его значение и выражение (150) в уравнение (149). Тогда мощность при непрерывной загрузке - выгрузке.

Мощность N"3 ПО уравнению (149), учитывается при расчете пусковых моментов или кратковременных перегрузок в работе смесителей периодического действия при известном tP.

Потеря кинетической энергии летящего потока смеси связана с тем, что направление вектора скорости струи не совпадает с направлением касательной к окружности в точке падения. Считая, что растекание струи по поверхности при неупругом соударении не происходит, определим работу на разгон потока, формирующего после соударения кольцо с массой динамически сосредоточенной на радиусе инерции: где V - скорость слоя на радиусе R; VT - тангенциальная составляющая скорости падения в т. В на радиусе R. При вертикальной оси вращения рабочей емкости (рисунок 74) составляющие скорости потока смеси будут равны

Похожие диссертации на Разработка центробежно-лопаточного способа приготовления формовочных и стержневых смесей

Разработка технологических процессов приготовления связующего жидкостекольных смесей из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов для производства стальных отливокЮрасов, Владимир Владимирович

Развитие представлений о механизме приготовления песчано-глинистых смесей в аппаратах роторно-плужкового типа и разработка рекомендаций по их совершенствованиюТрещалин Александр Викторович

Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, технологических параметров и конструкций смесителейЕршов Михаил Юрьевич

Исследование механизма формирования прочности жидкостекольных смесей и разработка состава жидкостекольной смеси улучшенной выбиваемости Алиев Денис Олегович

Разработка холоднотвердеющих экзотермических смесей (ХТЭС) на основе неорганических и органических связующих материалов для отливок из черных сплавовАникеев Виктор Владимирович

Разработка составов металлофосфатных смесей и методов их применения для теплоизоляции прибылейСтрельников Игорь Анатольевич

Разработка металлофосфатных теплоизоляционных смесей для повышения качества и выхода годного металла отливокЖуравлёв, Андрей Фёдорович

Разработка и исследование стержневой смеси с противопригарной добавкой ультрадисперсного пироуглерода для изготовления отливок из чугунаМамаев Константин Васильевич

Разработка малотоксичных связующих материалов и ресурсосберегающих смесей на их основе для усовершенствования технологий изготовления литейных стержней и форм при производстве отливокЕвстифеев Евгений Николаевич

Разработка технологии получения легковыбиваемых жидкостекольных стержневых смесейТютина Елена Анатольевна