Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы производства стеновых изделий механизированными комплексами. цель и задачи исследования 15
1.1. Производство стеновых изделий на кирпичных заводах и пути его совершенствования (на примере Кыргызской Республики) 15
1.2. Механизированные комплексы малой мощности для изготовления строительных изделий 23
1.3. Конструктивные схемы формовочных машин, применяемые в механизированных комплексах 29
1.4. Системы гидропривода и диагностического обеспечения формовочных машин 43
1.5. Особенности технологии прессования стеновых изделий полусухим способом 49
1.6. Цель и задачи исследования 55
Выводы 58
2. Теоретические предпосылки к выбору параметров гидравлических формовочных машин (ГФМ) 61
2.1. Системная модель и исходные предпосылки к выбору параметров формовочной машины 63
2.1.1. Характеристики сырьевых материалов, используемых в производстве стеновых изделий 67
2.1.2. Влияние глиносодержащей полусухой смеси на рабочие параметры формовочных машин 77
2.2. Математическая модель функционирования ГФМ 87
2.2.1. Формование изделий в пресс - форме увеличенной длины 103
2.2.2. Виброформование изделий на ГФМ 105
2.2.3. Рабочий процесе формовочной машины с рычажным механизмом 108
2.3. Обоснование метода контроля за режимом работы и работоспособностью ГФМ 116
Выводы 124
3. Экспериментальные установки и условия проведения исследований 127
3.1. Установки и аппаратура для экспериментальных исследований... 127
3.2. Условия проведения экспериментальных исследований 134
3.3. Стенд для диагностирования гидроагрегатов 137
Выводы 142
4. Результаты исследования и методика расчета параметров формовочных машин 144
4.1. Исследование рабочих процессов ГФМ
одностороннего действия 144
4.2. Исследование привода формовочной машины 160
4.3. Формовочная машина с рычажным механизмом 172
4.4. Определение параметров загрузочного механизма 175
4.5. Исследование характеристик стеновых изделий из смесей подобранных составов 179
4.6. Методика инженерного расчета параметров ГФМ 189
Выводы 201
5. Исследование метода эксплуатационного контроля гидроприводов формовочных машин 205
5.1. Основные положения методики создания системы диагностирования гидравлических приводов 205
5.2. Исследование метода технического диагностирования гидроприводов с насосами регулируемой подачи 212
5.3. Способы оценки технического состояния типового гидропривода формовочных машин 221
5.4. Обоснование допустимого значения диагностического параметра..228
5.5. Алгоритм поиска неисправностей в системе гидропривода 232
Выводы 235
6. Результаты создания и внедрения гидравлических формовочных машин 237
6.1. Особенности конструктивных схем и основные параметры ГФМ...237
6.1.1. Гидравлический пресс с горизонтальным рабочим органом 239
4 6.1.2. Пресс с рычажным механизмом 244
6.1.3. Пресс с вибропрессующим рабочим органом 251
6.2. Результаты производственных испытаний ГФМ 258
6.3. Опыт применения и технико-экономическая эффективность механизированных комплексов 262
Выводы 273
Заключение 275
Список литературы
- Механизированные комплексы малой мощности для изготовления строительных изделий
- Характеристики сырьевых материалов, используемых в производстве стеновых изделий
- Условия проведения экспериментальных исследований
- Формовочная машина с рычажным механизмом
Введение к работе
Важную роль в решении жилищной проблемы, повышении эффективности экономики Кыргызстана призвано сыграть капитальное строительство, основу материально-технической базы которого составляют промышленность строительных материалов и строительная индустрия.
Несмотря на широкое применение железобетонных изделий при сооружении промышленных и гражданских зданий, основным стеновым материалом является кирпич. В 80-е годы (пик строительства) из него было возведено около 47 % всех жилых домов, более 60 % общеобразовательных школ, больниц, поликлиник и других объектов. Общий его выпуск составил около 600 млн шт. в год [1].
В настоящее время почти половина строящихся объектов возводится из кирпича. За рубежом, в США и Европе, и по сей день кирпичная кладка продолжает считаться наивысшей оценкой класса качества здания [2]. Широко применяют кирпич в сельской местности нашей республики, в небольших городах. Жилые дома малой и средней этажности, а также другие объекты возводят в основном из кирпича, в отдаленных районах - из грунтоматериалов.
Вместе с тем следует отметить, что удельный вес строительных материалов, особенно стеновых, на душу населения в республике недостаточен и значительно отстает от уровня других стран СНГ. Еще не полностью удовлетворяются потребности строительного комплекса не только по объему выпуска (не говоря уже о качестве), но и по ассортименту строительных материалов и изделий. Одного только кирпича по статистическим данным ежегодно не хватает около 300 млн шт., что составляет более половины того объема, который выпускается в настоящий момент. В этих условиях основными задачами промышленности стеновых материалов на ближайшие годы остаются: увеличение объема продукции при одновременном снижении материало-трудозатрат и энергоемкости производства; повышение ее качества и расширение ассортимента; максимальное использование местного сырья и отходов промышленности.
Успешное решение этих задач должно быть обеспечено инвестиционно-количественным и качественным обновлением производства, созданием новых мощностей с применением высокоэффективной техники и технологических процессов, разработанных на основе передового отечественного и зарубежного опыта. Для обновления производства стеновых изделий при минимуме затрат на топливно-энергетические и материальные ресурсы назрело необходимость создать на местах сеть малых предприятий, оснащенных новыми технологическими комплексами.
Унифицированные комплексы оборудования выпускаемые заводами России, предназначенные для использования на стационарных заводах большой мощности (10-75 млн шт. кирпича в год) не дают быстрого и желаемого эффекта при минимальных капитальных вложениях [3-5]. Поэтому в современных условиях предпочтение получают мини-комплексы, производительность которых не превышает 5-7 млн шт. кирпича в год [6-15]. В них все больше используют технологию производства кирпича полусухим способом, которая до настоящего времени имела ограниченное применение. Комплексы для производства кирпича полусухим способом имеют отличительные особенности по сравнению с оборудованием для пластического формования, заключающиеся в применении сравнительно больших усилий, воздействующих на смесь, а также полном совмещении процессов уплотнения, упрочнения сырца и придания ему окончательной формы.
Рост цен на традиционный керамический и силикатный кирпич, искусственные камни из легкого бетона, дороговизна транспортных расходов и энергоносителей также стимулируют производство более дешевого кирпича по новой технологии из местного сырья (глин) с добавлением минеральных вяжущих веществ. Эти изделия не рассматривались в качестве реального строительного материала. Для Киргизии безобжиговый кирпич - вновь осваиваемый материал, хотя за рубежом эти изделия применяют при строительстве малоэтажных зданий и их применение имеет определенную перспективу [14-16].
Технология изготовления такого кирпича исключает одну из самых трудоемких операций - тепловую обработку отформованных изделий. При формовании полусухой массы сводятся до минимума технологические переделы в производстве кирпича. В этом смысле технология производства безобжигового кирпича и технология производства искусственных камней из легкого бетона имеют много общего: использование местного сырья и отходов промышленности; приготовление требуемой массы, формование штучных изделий; пакетирование и др.
В мини-комплексах одной из наиболее ответственных операций является формование, на долю которого приходится более половины общего времени цикла работы агрегата. Именно низкой эффективностью процесса формования в значительной мере объясняется низкое качество изделий и малая производительность всего комплекса.
В связи со спецификой поведения глинистой полусухой смеси в производстве кирпича применяют формовочные машины статического действия и в большей части - с механическим приводом. Эти мощности в мировой практике обозначают термином "прессы". Поиск более совершенных путей их развития привел к созданию в 60-х годах нового научно-технического направления, основанного на применении прессов с гидрообъемным приводом [14, 20]. Уже первоначальные результаты этих работ показали, что применение гидравлического привода позволяет создать формовочные машины, обладающие большими функциональными возможностями для регулирования режима прессования в зависимости от свойств исходного сырья, малыми массо-габаритными размерами, более высоким по сравнению с механическими прессами КПД и улучшенными эргономическими характеристиками. Вместе с тем они требуют тщательного ухода за техническим состоянием гидропривода, применения современных методов диагностики.
Развитие этого направления за рубежом привело к созданию в последние годы портативных машин, которые постепенно дополняют и вытесняют механические прессы с громоздкой и сложной трансмиссией. Эти машины в сочетании с другим технологическим оборудованием, скомпонованным из отдельных модулей, имеющих транспортные габариты, встроенные системы контроля, приобретают новое качество как механизированный комплекс в мобильном исполнении, способный быстро перебазироваться и эксплуатироваться в местах потребности [17, 20-24]. Опыт применения таких комплексов показывает возможность их использования как на кирпичных заводах, так и автономно, в сочетании с технологией производства безобжиговых изделий.
При их использовании в условиях кирпичного производства сокращается число единиц оборудования в технологических переделах, исключается операция искусственной сушки, уменьшается число работающих, а при технологии производства безобжигового кирпича значительно снижается себестоимость продукции [16,24-29].
Однако из существующей научно-технической информации нельзя получить сколько-нибудь полные сведения о параметрах машин для изготовления строительных изделий, степени их обоснованности, рекомендациях по применению, выбору параметров в зависимости от свойств исходной смеси, предъявляемых требований к прочности изделий основным показателям и производительности машин.
Следует отметить, что данная область применения формовочных машин в отличие от других областей техники, в которых используются аналогичные технологические процессы, имеет существенные отклонения, и использование их рекомендаций не представляется возможным в силу значительных различий исходных условий, рабочего процесса и требований к конечной продукции. Получение различных изделий из глиносодержащих смесей подобранных составов связано с необходимостью изменения не только формы, но и структуры и физико-механических свойств исходного материала.
Отсутствие формовочных машин, отвечающих перечисленным требованиям, недостаточная изученность технологии прессования изделий полусухим способом, на наш взгляд, являются основной причиной их не востребованности производством.
Отмеченные обстоятельства выдвигают актуальную проблему разработки научно обоснованной теории построения и проектирования формовочных машин с контролепригодным гидроприводом для изготовления стеновых изделий с применением энергосберегающей технологии полусухого прессования. В решении рассматриваемой проблемы имеются определенные сдвиги, тем не менее, потребность в развитии теоретических и прикладных основ создания машин для формования изделий полусухим способом возрастает.
В связи с изложенным цель работы состоит в разработке основ теории проектирования формовочных машин с гидрообъемным приводом для изготовления строительных изделий полусухим способом и в разработке метода контроля за режимом работы и работоспособностью гидропривода.
В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи: создание основ теории проектирования формовочных машин на основе системного рассмотрения характеристик глиносодержащих композиций и физико-механических свойств изделия, механизмов прессования и привода;
- разработка методики расчета основных параметров проектируемых машин, системы управления и контроля за ними в условиях эксплуатации;
- проведение экспериментов на предмет установления закономерностей изменения кинематических, силовых и энергетических параметров в зависимости от физико-механических свойств прессующего материала, геометрии и формы изделия, граничных условий и режима работы гидропривода;
создание лабораторных и натурных установок, оснащенных измерительными средствами, и методики проведения на них различных экспериментов;
- разработка и создание перспективных конструкций гидравлических формовочных машин, мини-комплексов на их базе и внедрение их в производство.
Для решения поставленных задач использовались аналитические и экпериментальные методы механики машин и физические законы деформации полусухих глиносодержащих композиций.
Методы исследования включают: основные методологические положения теории прессующих машин, гидропривода и технической диагностики. В экспериментальных исследованиях использованы стандартные методы испытания образцов материалов, физико-технический метод исследования натурных образцов формовочных машин и испытания серийных гидромаишн с последующей обработкой опытных данных на основе положений математической статистики.
Основная идея работы заключается в том, что выделение гидравлических формовочных машин (ГФМ) как разновидности прессов для приготовления изделий полусухим способом дает возможность установить основные закономерности их рабочих процессов, разработать основы теории проектирования таких машин, создать прессующие системы на единой типовой гидросхеме, реализующей требуемые силовые воздействия и повысить эффективность технологии приготовления стеновых изделий, а также в том, что предлагаемая гидросхема, приобретая свойство контролепригодности, позволяет по-новому решить вопросы эксплуатационного контроля на основе способов и средств технического диагностирования.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- теоретические решения и математические модели по обоснованию параметров ГФМ для приготовления стеновых изделий полусухим способом прессования;
- установленные закономерности изменения кинематических и силовых параметров перемещения рабочего органа (РО) ГФМ, главной из которых является совместное рассмотрение упругих свойств гидропривода и сопротивления полусухой глиносодержащей смеси, к сжатию рациональной ее влажности, что позволяет выявить минимальные прогнозные пределы силового воздействия на прессуемую среду;
- предлагаемый метод управления за режимом работы гидропривода формовочной машин, построенный на использовании гидрокинематической связи секций сдвоенного насоса регулируемой подачи, который обеспечивает требуемую структуру привода при проектировании ГФМ;
- разработанный способ оценки выходных показателей и технического состояния элементов привода формовочных машин, использующий изменение давления в напорной магистрали насосов для определения расхода жидкости в ветвях гидропривода, что обеспечивает выбор рациональных скоростных и силовых параметров по критерию эффективности воздействия РО на прессуемую смесь;
- результаты экспериментальных исследований по проверке созданных • математических моделей и отработке технологических режимов приготовления изделий из наиболее эффективных составов сырья; - результаты опытных исследований по обоснованию нетрадиционного метода эксплуатационного контроля гидроприводов машин, созданных на их основе способов и средств технического диагностирования гидроприводов, выполненных на уровне изобретений (А.с. 909303, 1423825, 1571304, 1663250, 1537893,1488613);
• - результаты испытания и внедрения на производстве принципиально новых конструкций гидравлических формовочных машин и оборудоваїшя для приго товления стеновых изделий полусухим способом, созданных на основе теорети ческих разработок, подтвержденных патентами и авторскими свидетельствами (А.с. 1794668,1174272, 1738664,1759628, а также предпатенты КР 70 и 71).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается основными теоретическими результатами, • полученными на основе положений прикладной теории прессующих машин, теории технической диагностики сложных систем с использованием апробированных методик и методов анализа с применением ЭВМ, а также путем сопоставления теоретических и эксперимепталывых исследований (сходимость 5-15 %); объемом экспериментальных данных, полученных в результате исследований разработанных образцов машин в лабораторных и производственных условиях; внедрением опытно-экспериментальных образцов формовочных машин, для изготовления стеновых изделий из рекомендуемых составов исходного сырья, созданных на основе результатов системных исследований, с положительными результатами их эксплуатации. Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны теоретические основы и математические модели для обоснования параметров формовочных машин с гидрообъемным приводом, необходимых для приготовления стеновых изделий полусухим способом;
- созданы классификации технологии и техники, позволившие уточшггь структурную схему построения гидравлических формовочных машин и
• выявить характерные признаки рабочего процесса приготовления изделий из полусухих смесей подобранных составов;
- установлены закономерности изменения кинематических и силовых параметров перемещения РО ГФМ с учетом совместного рассмотрения упругих свойств гидропривода и сопротивления полусухой глиносодержащей смеси к сжатию, рациональной ее влажности, что позволило выявить прогнозные пределы силового воздействия на прессуемую среду;
• - предложен метод управления режимом работы гидропривода формовочной машины, построенный на использовании гидрокинематической - связи секций сдвоенного насоса регулируемой подачи, который обеспечивает требуемую структуру гидропривода проектируемых машин; - разработан способ оценки выходных показателей и технического состояния элементов привода формовочных машин, использующий изменение давления в напорной магистрали насосов для определения расхода жидкости в
• ветвях гидропривода, что обеспечивает выбор рациональных скоростных и силовых параметров воздействия рабочего органа на прессуемую смесь;
- выявлены физико-механические свойства образцов изделий из подобранных составов и описаны закономерности формования изделий, позволяющие установить технологические режимы приготовления стеновых изделий с учетом компонентного содержания исходной смеси, ее влажности и других факторов;
предложен способ рационального построения привода формовочных машин на базе типового многосекционного насосного агрегата с гидрокинематической связью между отдельными насосами регулируемой подачи;
- установлены закономерности изменения подачи нагружаемой секции многонасосного агрегата от режима включения и диапазона работы регулятора мощности, а также взаимосвязь подачи с давлением в напорной гидролинии другого аналогичного насоса, связанного с нагружаемым гидрокинематической связью, разработаны алгоритм и методика выбора предельного значения диагностического параметра с учетом средств измерения.
Практическая значимость работы заключается:
- в обосновании и разработке принципиально новых схем ГФМ для изготовления стеновых изделий полусухим способом прессования;
- разработке и внедрении в практику методов расчета основных параметров рабочего органа и системы гидропривода ГФМ;
- создании средств и способов технического диагностирования новых гидроприводов;
- внедрении и испытании в производственных условиях новых механизированных комплексов по выпуску стеновых изделий, разработанных на основе новых конструкций ГФМ;
- разработке нормативно-технической документации для производственного использования при выпуске стеновых изделий га местного сырья и отходов промышленности Кыргызской Республики (КР).
Конструкции прессов с горизонтально прессующим, рычажным, вибропрессующим и плунжерным рабочими органами и диагностических устройств прошли апробацию на строительных предприятиях Кыргызской Республики. По разработанной под руководством и при личном участии автора документации освоено производство опытной партии двух типов
гидравлических прессов. Производство этих прессов и другого оборудования освоено в АО "Дастан", заводами "Монолит", по ремонту дорожностроительных машин и Аламединским механическим заводом (г. Бишкек). Технологические регламенты оформлены в виде нормативного документа РСТ -967-92. Отдельные результаты работы использованы автором при создании учебно-лабораторного оборудования, в курсовом и дипломном проектированиях, в учебно-методических пособиях для студентов вузов.
Данная работа является итогом обобщения научных результатов, полученных в процессе исследования производства стеновых изделий полусухим способом, создания перспективных конструкций машин с гидрообъемным приводом и системой их диагностики. Она начата автором на кафедре строительных и дорожных машин Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры и продолжена в Кыргызском горно-металлургическом институте и является составной частью госбюджетной научно-исследовательской работы «Разработка предложений по совершенствованию системы ТО и ремонта машин в подразделениях мехаїшзации Госстроя Кирг. ССР» (1986 - 1990), программы «Стеновой материал» Инженерной академии Кыргызской Республики. При написании настоящей работы автор пользовался консультацией академика НАН КР д.т.н. проф. А.В. Фролова, которому приносит свою искреннюю признательность и благодарность. Автор также приносит благодарность сотрудникам КГУСТА проф. С.Г. Караханиди, кандидатам наук И.О. Фролову, А.И. Джылкычиеву, Ю.Д. Суродину, инженерам В.В. Костину, Р.Б. Шабанову, А.Р. Бекбоеву, М.К. Кыдыралиеву, Р.ГШайдуллаеву и др., принимавшим участие в создании и внедрении новых машин, оборудования и технологии изготовления стеновых изделий.
Механизированные комплексы малой мощности для изготовления строительных изделий
В последние годы в связи с развитием кооперативного и фермерского движения и расширением малоэтажного строительства в местах, удаленных от промышленных центров, для выпуска стеновых изделий из местного сырья начали использовать механизированные мини-комплексы.
Для организации производства небольшого количества кирпича (объемом до 3 ... 5 млн шт. в год) в короткий срок на новом месте удобны передвижные агрегаты на колесном ходу, которые после изготовления в одном месте нужного количества кирпича можно перевезти на новое место. Передвижной агрегат (рис. 1.2), спроектированный Кемеровским заводом "Строймашина", предназначен для пластического формования кирпича [17]. Благодаря тому, что все необходимые механизмы, входящие в состав агрегата, смонтированы на автоприцепе в необходимой технологической последовательности и комплектно, агрегат может быть введен в действие в суточный срок по прибытии на место работы. В качестве силового источника используются как электроэнергия, так и привод от базовой машины. Мощность установки 55 кВт, часовая производительность 3000 шт. кирпича.
Аналогичный агрегат (рис. 1.3) предлагает фирма "Cerik" (Франция) [21]. Мобильный агрегат включает в себя коробчатый питатель, корытообразный конвейер, дифференциальную мельницу, ленточный пресс, режущий стол, подвижную платформу и дизельный агрегат мощностью 100 кВт. Производительность установки достигает 1,5 млн шт. кирпича в год.
Появились первые отечественные образцы и импортная техника [7, 11, 12, 34], использующие технологию изготовления кирпича полусухим способом.
Развитию этого направления способствует также совершенствование технологии изготовления безобжигового кирпича (грунтоблоков) из стабилизированного грунта и побочных продуктов промышленности. Эта технология исключает тепловую обработку изготовляемых изделий, сводит до минимума число технологических переделов. В этом смысле данная технология и производство искусственных камней из легкого бетона имеют много общего: операции по приготовлению требуемой смеси, формование штучных изделий на прессах, сушка, пакетирование и др. [11, 26,52].
Механизированные комплексы в сочетании с мини-установками для изготовления искусственных камней из легкого бетона хотя и не могут в полной мере претендовать на замену кирпичных стационарных заводов в обычных условиях, но благодаря минимальной себестоимости выпускаемой продукции, снижению транспортных затрат на доставку этой продукции к потребителю, возможности выпуска широкой номенклатуры изделий становятся конкурентоспособными по отношению к известным заводам стационарного типа.
Однако недостаточная изучешюсть технологического процесса несколько затормозила внедрение этого метода, а в послевоенные годы ориентир на массовое применение кирпича пластического формования послужил основанием для прекращения работ в этом направлении.
Выпускаемое в настоящий момент прессовое оборудование предназначено в основном для производства изделий тонкой керамики и огнеупоров.
Опыт по производству изделий полусухого прессования ограничивался главным образом эксплуатацией кирпичеделательных установок на базе серийных колено рычажных прессов [18,33,55,57]. Известны агрегаты, созданные на базе пресса СМ-457 в стационарном и мобильном исполнениях.
В последние годы на базе пресса СМК-491 создан комплекс формовочного оборудования СМК-490 для полусухого прессования глиняного кирпича. Этот комплекс предназначен для изготовления одинарного и утолщенного кирпича методом полусухого прессования из обычных керамических смесей, а также с добавками отходов угледобычи. Комплекс включает в себя пресс, конвейер уборки просыпи и смеситель [46].
Интерес представляет проект передвижной установки ПКА-3 (рис. 1.4) для полусухого прессования кирпича с прессом типа АО-1 производства Азовского завода кузнечно-прессового оборудования, разработанный Ростовским-на-Дону институтом "Гипростройдормаш". Он предназначен для производства кирпича в полевых условиях, на месте его потребления. Основное оборудование, входящее в комплект агрегата: пресс полусухого прессования АО-1, ленточный конвейер, питатель, вальцы грубого помола, вибрационное сито и наклонный конвейер. Механизмы смонтированы на раме с колесным ходом [17]. В табл. 1.1 приведена характеристика отдельных кирпичеделательных агрегатов.
Из характеристик агрегатов следует, что степень соответствия производительности, мощности, массы и габаритных размеров данных комплексов не обеспечивает высоких технико-экономических показателей.
Отсюда следует вывод, что в производстве кирпича существующая техника и оборудование требуют координальной модернизации. Это свидетельствует о необходимости разработки и создания технологического оборудования новых типов.
Характеристики сырьевых материалов, используемых в производстве стеновых изделий
По вещественному и зерновому составу порошкообразные массы Р.Я.Попильский [50] разделяет на пять групп: 1 - глинистые; 2 - на основе грубозернистых материалов и глинистой связки; 3 - грубозернистые из непластичных материалов: 4 - тонкокерамические глинистые; 5 - безглинистые высокодисперсные порошки. По этой классификации керамическая масса, применяемая для производства стеновых изделий в массовом производстве, относится к 1-й и 2-й группам.
Существенные особенности порошков этих групп обусловливаются различиями в минералогическом составе глинистых пород, их природной дисперсности, пластичности, задаваемой влажности и степени измельчения при помоле. Рассмотрим эти особенности сырья для понимания взаимодействия РО ГФМ с прессуемой смесью.
Технологические свойства глинистого сырья определяются в основном его вещественным, минералогическим, гранулометрическим и химическим составами. По вещественному составу глинистые породы подразделяются на следующие группы: супеси, суглинки, глины, лессовидные глины, сланцы, аргеллиты и угленосные породы.
По минералогическому составу глинистые породы являются механической смесью различных глинообразующих минералов и сопутствующих примесей. Именно минералы придают глинам те или иные основные свойства. Среди месторождений глин выделено по минералогическому составу несколько разновидностей: гидрослюдистые, каолинитовые, монтмориллонитовые, диаспаровые, полиминеральные и др.
Пластичность глины является ее основным отличительным свойством, предопределяющим технологию производства кирпича, а также состав шихты. С повышением содержания тонкодисперсных частиц пластичность сырья одного и того же минералогического состава повышается. Увеличение содержания песков и грубодисперсных частиц обусловливает снижение пластичности. Использование глин высокой пластичности может привести к расслаиванию при прессовании сырца, связанному с запрессовкой воздуха, имеющегося в пластичных глинах в большом количестве вследствие большой удельной поверхности смеси. В этом случае при полусухом прессовании смеси следует весьма тщательно соблюдать гранулометрический состав прессуемого порошка, не допуская повышенного количества тонкоизмельченных частиц, либо вводить в состав шихты отощающие добавки типа шамота, дегидратированной глины, шлаков и др. В то же время значительное снижение пластичности глины, особенно при полусухом прессовании, приводит к низкой прочности и морозостойкости изделий.
Различают глины по числу пластичности: высокопластичные - число пластичности более 15; среднепластичные - от 15 до 7; малопластичные -менее 7.
Наиболее благоприятным сырьем для изготовления кирпича полусухим способом прессования, согласно исследованиям [26, 59], являются глины с числом пластичности 10...20, которые в большинстве случаев без введения добавки обеспечивают удовлетворительное качество сырца. При недостаточной влажности смеси в момент уплотнения не все коллоидные частицы, присутствующие в сырье, имеют возможность проявить свои клеющие свойства. Из-за повышения трения между частицами зернистые частицы сближаются не полностью, что приводит к снижению прочности образца. Избыток влаги в порах и капиллярах смеси, наоборот, при уплотнении разрушает связи частиц, а после испарения оставляет поры и полости, что также приводит к снижению прочности изделия. Отсюда можно заключить, что существует оптимальная влажность, при которой грунт находится на границе перехода из твердого состояния в пластическое. Правильное ее определение очень важно. Поэтому, исходя из позиции обоснования требуемых параметров прессующего механизма, нами рассмотрено влияние влажности смеси, ее гранулометрического состава и давления прессования на плотность и прочность кирпича-сырца.
С влажностью отформованного изделия связаны такие его свойства, как усадка и набухание. Минимальная усадка или набухание в изделии достигается при влажности 4 %, при снижении влажности ниже этого значения заметной усадки или набухания не наблюдается. Чем выше формовочная влажность образцов, тем больше их усадка. Поэтому при увеличении влажности более 14 % рекомендуется обязательное введение в состав грунта песка или зернистых добавок.
Условия проведения экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования на лабораторных установках и натурных моделях созданных машин ставят основной целью проверку правильности предпосылок, принятых в теоретических исследованиях, оценку достоверности результатов, полученных при установлении параметров, и выходных показателей формовочных машин. Особенностью исследований является использование полноразмерных формовочных машин трех типов (горизонтальный, вертикальный, вибропрессующий) и подобранных составов смесей для получения стеновых изделий и искусственных камней.
Основными задачами экспериментальных исследований являются: - проведение инструментальных измерений основных параметров рабочего процесса формования изделий из полусухих смесей для оценки достоверности качественных и количественных закономерностей, полученных при теоретических исследованиях; - оценка влияния параметров прессования на характеристики изделий, формуемых из смесей различного состава; - установление связей силовых и кинематических параметров с режимами работы гидропривода; - определение выходных показателей ГФМ в зависимости от параметров привода, характеристик исходной смеси и формуемого изделия; - опытное определение коэффициентов, входящих в расчетные формулы. В процессе экспериментов производилось измерение; - давления жидкости в поршневом и штоковой камерах гидроцилиндра пресса (от 0 до 30 МПа) - Рп, Рш; - давления жидкости в напорной магистрали на выходе из насосной станции (диапазон от 0 до 30 МПа) - Р; - перемещения пуансона при рабочем ходе пресса (от 0 до 30 мм) - Хр; - скорости пуансона при рабочем ходе пресса (от 0 до 5 см/с) - Vp; - мощности, потребляемой приводным электродвигателем.
При экспериментальных исследованиях ГФМ используется традиционная методика, основанная на построении и анализе их силовых и расходных характеристик путем непосредственного измерения и осциллографирования.
Подбор состава смесей проводили по существующим методикам.
Перед подбором соответствующей шихты сырьевые материалы сушили при температуре 100... 110 С, затем измельчали до требуемой фракции в шаровой мельнице в течение 10...20 мин и подбирали требуемые составы. Из подобранных сырьевых смесей изготавливали серию образцов-кубиков размером (50x50x50) мм, а также стандартный кирпич (250x120x65) мм, соответствующий известным ГОСТам. Образцы-кубики изготавливали на лабораторном прессе, а кирпич на разработанных полноразмерных моделях прессующих механизмов. Дозировку материалов проводили массовым методом с точностью до 0,1 кг. Модели прессовали из смеси влажностью 6... 14 % при фиксированных значениях давления до 50 МПа. После прессования и распалубки изделия хранили на воздухе в течение фиксированного времени.
Для оценки размеров и форм структурных составляющих - исходных смеси, пор и включений - проведен микроскопический анализ пористости образцов. Такая информация является как необходимым элементом оценки исследуемых образцов, так и, в ряде случаев, средством контроля качествам продукции.
Микроскопические методы, как весьма доступные и информативные, получили широкое распространение. Оптическая микроскопия обеспечивает измерение объектов размером обычно от 500 мкм до 1 мкм и дает прямую информацию о форме частиц, включений и пор. Для проведения анализа обычно используют увеличение до 100 [149]. Для количественной оценки пористости используют следующие методы [150] точечный (метод Глаголева), линейный и метод площадей.
В данном исследовании использовали метод площадей. Метод площадей используется при анализе структурных составляющих, объемная доля которых в спрессованном материале невелика (крупные изолированные поры, неметаллические включения, нерастворившиеся частицы и т.д.). Данный метод сводится к измерению площади шлифа. Суммируя площади всех измеренных микрочастиц, их относят к исследуемой площади шлифа, и тогда объемное содержание определяется как AVn =S, /S-100%, где AVn - объемное содержание, полученное методом площадей; Si - суммарная площадь, занятая порами; S - суммарная, исследуемая площадь.
Формовочная машина с рычажным механизмом
Была проведена серия экспериментов для подбора составов из глиносодержащих композиций, в пределах выбранных параметров РО ГФМ и установлены достигаемые при этом свойства изделия (см. рис.2.3).
Наиболее приемлемой для получения кирпича полусухого прессования из рассматриваемого глинистого сырья по числу пластичности является глина Кызыл-Суу (13,2-23,2). Однако она обладает высокой степенью набухания (28 %), что объясняется минералогическим и гранулометрическим составом сырья (табл. 2.2; 2.3).
Поэтому при использовании рассматриваемого глинистого сырья для производства кирпича полусухого прессования необходимым условием является введение добавок в состав сырьевой шихты.
В связи с этим на основе глины Кызыл-Суу были разработаны составы (12, 13 табл. 4.3), в которых в качестве отощающей добавки предлагается использование песка.
Безобжиговый кирпич, полученный на основе предлагаемых составов с содержанием портландцемента 10-20 % обладает достаточно высокими прочностными характеристиками 12,5... 12,9 МПа.
Рассматриваемые составы (9,12,14 табл. 4.3) заведомо отличаются друг от друга как количественным, так и качественным составом компонентов.
Состав 9 представлен суглинками, (40 %), глинистыми сланцами (40 %) и портландцементом (20 %). Структурообразование данного состава можно рассматривать как твердение мелкозернистого грунтобетона, где прочность затвердевшей массы определяется в основном силами адгезии твердеющего цементного теста к поверхности глинистых сланцев. Состав 12 представлен пластичной глиной (45 %); песком (45 %); цементом (10 %). Введение песка в состав сырьевой смеси обеспечивает образование каркаса в твердеющей массе, где также действуют адгезионные силы сцепления цементного теста к поверхности составляющей. Однако, ввиду достаточно повышенного содержания глинистых минералов в глине Кызыл-Суу в сравнении с суглинками Башкара-Суу (п.3.1), процесс протекания ионно-обменных реакций в системе глина-вода протекает более интенсивно, в результате чего на активных центрах глинистых минералов происходит образование дополнительного количества нерастворимых гидросиликатов кальция, упрочняющих систему в целом. Состав 14 отличается от предыдущего состава дополнительным содержанием золы, продукта термообработки, определенного фазового состава (п.3.1), который в условиях структурообразования рассматриваемой системы является активным компонентом и участвует в процессе гидратации смеси. Рассматриваемые смеси благодаря качественному и количественному соотношению компонентов отличаются способом твердения, однако обладают приблизительно одинаковой прочностью 11,9; 12,5; 11,4 МПА. Было изучено влияние уплотнения на конечную прочность отформованного сырца (рис. 4.21). Однако несмотря на отличительные особенности структурообразования, согласно рис. 4.21, конечная прочность сырца растет пропорционально величине давления прессования. 4.1)
На основе системных исследований была подобрана серия сырьевых смесей с применением местных материалов, представленная в работах [51, 52]. Физико-механические свойства безобжигового кирпича приведены в табл. 4.3. Данные этой таблицы показывают, что безобжиговый кирпич после воздушно-влажностного твердения через 28 суток имел следующие характеристики: прочность на сжатие 8,50...12,4 МПа; плотность 1850... 1960 кг/м3; водостойкость 0,75-0,95; морозостойкость 10... 15 циклов.
Полученное изделие соответствовало марке 75-100 по ГОСТ 530-95. Согласно опытным данным (см. табл 4.3), прочностные свойства отформованных безобжиговых изделий 14 подобранных составов после 28 суток достаточно высоки, за исключением состава VI, в пределах от 11 до 16 МПа. Состав VI включает в себя в качестве вяжущего элемента гашеную известь, этим объясняется его относительная низкая прочность. Однако предел достигнутой им прочности (6,2 МПа) соответствует марке кирпича 50, и он может быть использован для малоэтажных застроек.
Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы: безообжиговый кирпич методом полусухого прессования можно получить на основе глинистого сырья различного химико-минералогического и гранулометрического состава при условии использования корректирующих добавок; в процессе структурообразования безобжигового кирпича при полусухом прессовании наряду с физико-химическими процессами, обуславливающими набор прочности изделий, характер кинетики роста прочности зависит от величины давления прессования.
