Обладнання для пластичного формування мас

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обладнання для пластичного формування мас

1. Конструктивні особливості і принцип дії пресових агрегатів

Для формування виробів із грубої кераміки головною машиною є прес, призначення якого складається в наданні виробам необхідної форми, розміру і щільності. Найбільш поширеним способом виготовлення виробів з грубої кераміки є пластичне формування.

Преси, що застосовуються для пластичного формування відповідно до конструкції устрою, який пресує, підрозділяються на шнекові, поршневі і преси штампувальної дії.

Серед машин, що використовуються при пластичному формуванні, велике поширення одержали шнекові преси, які застосовуються в промисловості протягом більш ста років.

Стрічкові шнекові преси призначені для формування виробів грубої кераміки з мас вологістю 14…25%, при цьому вони підрозділяються по технологічних ознаках на преси з вакуумуванням і преси без вакуумування глиняної маси. По конструктивному оформленню - на преси з переривними гвинтовими лопастями і на преси з циліндричними, конічними або ступінчастими корпусами.

По напрямку виходу формування бруса і по конструкції преси підрозділяються на горизонтальні і вертикальні.

Найбільше поширення одержали горизонтальні вакуумні преси у виробництві будівельної цегли, порожньотілих керамічних блоків, стрічкової черепиці, дренажних і безрозтрубних каналізаційних труб, тонкої технічної кераміки, а також заготівок («валюшок») у виробництві деяких вогнетривких виробів.

Вертикальні вакуум-преси застосовуються у виробництві розтрубних керамічних труб і тому подібних фасонних виробів.

Шнековий агрегатний стрічковий прес

У загальному випадку шнековий прес складається з двох розташованих один за одним вузлів - шнек (гвинт), встановлений всередині порожнього циліндра, і голівка, що формує, з мундштуком, яка прикріплена до фланця порожнього циліндра.

Шнек являє собою різновид класичної деталі різноманітних машин - гвинта, що перетворює обертовий рух в поступальне переміщення гайки (глиняної маси). Голівка формує прямокутний перетин глиняного бруса з круглого, який потім за допомогою різального автомата розрізається на цеглу-сирець.

І шнек (гвинт), і голівки, що формують, (насадки) вже тривалий час використовуються в різноманітних галузях промисловості. Дослідженню їхніх конструктивних параметрів присвячено багато наукових і практичних робіт.

Проте, переробка глиномаси за допомогою шнека і голівки з мундштуком має ряд істотних особливостей, які змушують вчених, дослідників і виробників періодично вертатися до проблем удосконалювання конструкції шнекових пресів, а також до конструкцій шнека і голівки окремо.

Будова шнекового преса

Конструктивно-кінематична схема шнекового преса (на прикладі СМ-443) приведена на рис. 2.1.

Шнековий прес сучасної конструкції в агрегатному виконанні складається з змішувача 1, вакуумної камери 2, власне преса 3, приводу преса 4, 5, 6, приводу змішувача 7, 8, 9, муфти 10 і рами, на яку монтуються всі вузли.

В корпусі змішувача 1 встановлений вал (у деяких конструкцій пресів встановлено два паралельних вали і змішувач є тоді двовальним), в якого по довжині L₁ закріплені лопаті для перемішування глиномаси, а на довжині L₂ шнек для продавлювання глиномаси через конус 11 до обертового з валом ножа 12.

Вакуумна камера 2 з'єднує конструктивно і технологічно змішувач 1 і прес 3; в бічній стінці камери є вікно 13 для відкачування повітря і створення в ній розрідження.

Під вакуумною камерою в циліндрі 14 преса розташований шнек 15, який складається з 3…4 витків. На довжині L₃ витки складають забірну в транспортуючу частину. На довжині L₅ розташована випірна двозахідна лопать, що видавлює глиномасу в голівку, мундштук і далі з преса.

Між транспортуючою частиною шнека і його віпорною лопаттю часто передбачаються розриви гвинтової поверхні на довжині L₄ = 100…80 мм для руйнації структури глиномаси, отриманій в шнеці, і для усунення деяких недоліків шнекового пресування.

Головні техніко-економічні параметри преса визначаються або диктуються розмірами зовнішнього діаметра випірної лопаті. В вітчизняній і закордонній практиці експлуатуються шнекові преси з діаметрами випірних лопатей, близьких або рівних таким значенням 355±5, 450, 500, 550, 600 мм.

В забірній частині, діаметр шнека часто виготовляється трохи більших розмірів, чим випірна лопать. Наприклад, 550/450 означає, що діаметр шнека в забірній частині складає 550 мм, а випірної лопаті - 450 мм.

До фланця циліндра преса за допомогою шарніра або болтових з'єднань кріпиться корпус формуючої (пресової) голівки. Всередині корпуса пресової голівки жорстко, на зварюванні, кріпиться (встановлюється) перехідна вставка 16. Перехідна вставка 16 утворена поверхнею, близької до конічної з круглим вхідним і прямокутним вихідним отвором. Прямокутний вихідний отвір має округлені кути і декілька опуклі сторони, що наближає його форму до овального. Довжина першої вставки, рівна довжині корпуса пресової голівки, складає 200…250 мм.

До фланця пресової голівки з боку вихідного отвору кріпляться на болтах підмундштучна плита 17, товщиною L₇ = 40…50 мм з отвором, який копіює вихідний отвір перехідної вставки і вхідний отвір мундштука 18.

Довжина L₈ мундштука в залежності від властивостей глиномаси коливається в межах 150…300 мм. Стінки мундштука мають ухил 7…14 мм. Розміри прямокутного вихідного отвору перевищують розміри стандартної цегли 250х120 мм на величину повітряної і вогневої усадки глиномаси і можуть досягати 260х126 мм. Внутрішня поверхня мундштука, як правило, набирається пластинами з легованої сталі у виді «риб'ячої луски», а в простір між ними під тиском подається вода (рідше олія) для зниження витрати енергії на продавлювання глини, зниження коефіцієнта зовнішнього тертя і для поліпшення якості поверхні бруса.

Декількома деталями: перехідною вставкою 16, підмундштучною плитою 17 і мундштуком 18 у декілька переходів круглий поперечний перетин глиномаси в випірній лопаті формується в прямокутний перетин на виході з мундштука.

Шнекові преси можуть мати не одну, а декілька частот обертання змішувального вала і шнека. Це досягається шляхом комплектування преса змінними шківами 5 і 8.

В цьому випадку в технічній характеристиці преса вказується частота обертання в такий спосіб: 19, 21, 23 об/хв.

Для того щоб глиномаса, що виходить із змішувача, не залипала у вакуумній камері на стінках і не зависала над забірними лопатями шнека, у вакуумній камері паралельно шнеку змонтований один або два живлячих валки 19, які обертаються від зубчастої пари 20 назустріч шнеку.

Робота шнекового преса

Робота шнекового преса визначається узгодженою роботою трьох розташованих один за одним вузлів: змішувача, вакуумної камери, власне преса.

Підготовлена на машинах попередньої переробки глиномаса надходить в приймальний отвір змішувача і потрапляє під дію лопатей вала, що обертається. В зоні дії лопатей змішувача глиномаса остаточно перемішується, диспергується, дозволожується, проходить, при необхідності теплову обробку. Іноді дозволоження і теплова обробка об'єднані в теплозволожувальну обробку парою.

Підготовлена в такий спосіб глиномаса просувається лопатями вздовж корпуса в зону дії шнекового нагнітача. В шнековому нагнітачі глиномаса ущільнюється і продавлюється через конус. Ущільнена глиномаса, яка виходить з конуса, у виді каблучки у вакуумній камері потрапляє під дію ножа, встановленого на валу змішувача, що розрізає її на тонкі стрічки.

Іншою, не менш поширеною конструкцією перехідної ділянки зі змішувача у вакуумну камеру є перфорована решітка з отворами діаметром 15…20 мм.

І в тому, і в іншому випадку конусом і перфорованою решіткою створюється щільний, достатній прошарок глиномаси, що виключає прорив повітря у вакуумну камеру при робочому розрідженні з боку змішувача.

Оброблена в змішувачі й у вакуумній камері глиномаса живлячими валками, подається в міжвитковий простір забірної частини (L₃, рис. 2.1) шнека. Під дією нових порцій глиномаси, що надходять, і сил тертя між корпусом преса і глиномасою остання, поряд з круговим обертанням разом зі шнеком, одержує осьове переміщення вздовж корпуса і шнека і входить по міжвитковому просторі в корпус циліндра 19, в зону транспортуючих витків шнека (L₃ - L₅).

Розпушена і розділена на окремі джгути в змішувачі глиномаса постійно ущільнюється спочатку в міжвитковому просторі шнека забірної частини, а потім у зоні циліндра. З ростом щільності глиномаси росте і тиск її на стінки циліндра (корпуса) преса.

Взаємодія шнека, глиномаси і корпуса преса близько до взаємодії системи гвинт, гайка і стопор (рука), що утримує гайку від провертання її разом із гвинтом.

Відмінною рисою системи шнек, глиномаса і корпус: є те, що «гайка» - глиномаса є не жорсткою, а її характеристики щільність, пружність, пластичність, в'язкість, міцність і інші змушені змінюватися від перетину до перетину в міру просування до виходу з преса у виді неперервної стрічки, в якій і наступає стабілізація перерахованих фізико-механічних властивостей.

«Гайка» - глиномаса має, проте, властивість провертатися разом з шнеком, що викликає просування глиномаси за один оберт шнека не на довжину кроку гвинта, а на розмір, менший кроку гвинта на 10…40%. Величину просування глиномаси за один оберт шнека прийнято оцінювати коефіцієнтом подачі шнека.

Кількісна оцінка коефіцієнта подачі шнека в достатній ступені вивчена і дана в роботах [34…36]. Крім цього, існує ряд ідей [37, 38], спрямованих на стопоріння «гайки» - глиномаси на шнеці за допомогою штифтів, розривів гвинтової поверхні шнека, зміни діаметра транспортуючих витків шнека в порівнянні з забірними тай ін. одна з таких ідей частково реалізована в конструкції преса СМК-325, який оснащений механізмом регулювання зазору між крайкою лопаті шнека і сорочкою циліндра.

Транспортуючі витки шнека служать для технічних цілей шнекового пресування, а саме для розвитку і підтримки достатнього тиску глиномасою на продавлювання порцій, що надходили раніше в прес, через канал голівки, що формує, і мундштук.

З зони транспортуючих витків глиномаса надходить у зону кінцевика шнека з двозахідної випірною лопаттю L₅. Перед випірною лопатою гвинтова поверхня має розрив L₄ для руйнації структури придбаної в транспортуючих витках шнека.

В площині закінчення випірної лопаті глиномаса розвиває найбільший тиск на стінки корпуса й в осьовому напрямку, завдяки якому глиномаса круглого перетину на вході в голівку, що формує, проштовхується в ній L₆, проходить через отвір у підмундштучну плиту L₇ і набуває остаточної прямокутної форми в мундштуці (I В пресовій голівці і мундштуці виникає протитиск, що стає причиною виникнення потоку відпливу глиномаси в сторону обернену головному потокові в зазори між гребенями витків шнека і сорочкою корпуса, а також оберненого потоку [30], уздовж витків шнека.

Навколо всіх цих явищ у пресі, що знижують його продуктивність збільшують витрату потужності приводу преса, а також знижують якість напівфабрикатів і розвертаються протягом останніх десятиліть наукові дослідження, пошуки нових конструкційних вирішень.

2. Розрахунок конструктивно-технологічних і энергосилових параметрів пресових агрегатів

Розрахунок шнекового преса

Незважаючи на багаторічний досвід експлуатації шнекових пресів і аналітичних досліджень їхньої роботи, методики розрахунку головних параметрів, які б повною мірою описували процеси, що відбуваються при формуванні глиняної маси, у даний час не існує. Тому значна кількість пресових агрегатів на підприємствах галузі працюють у режимах, що не відповідають оптимальним умовам експлуатації. Спроби експериментальних рішень поліпшення роботи шнекових пресів не завжди призводять до позитивних результатів.

Вирішення проблеми повинно складатися в комплексному дослідженні залежності параметрів процесу від геометричних і кінематичних параметрів шнека в поєднанні з геометричними характеристиками елементів, що формують - голівки і мундштука - і з урахуванням фізико-механічних властивостей глиномас. Такий комплексний підхід до проблеми розрахунку шнекових пресів розроблений кафедрою механічного устаткування МГСУ ім. В.В. Куйбишева [35, 36, 30]. Сутність цієї методики полягає в наступному:

1. Визначається характеристика елементів преса, що формують, тобто залежність тиску від продуктивності і властивостей маси.

2. Визначається оптимальна геометрія шнека і його характеристики, тобто розраховується продуктивність при різних потрібних для процесу пресування тисках, обумовлених елементами, що формують, і властивостями мас.

3. Визначаються потужність приводу і навантаження на робочі органи преса.

Визначення характеристик елементів, що формують

Картина руху глиномаси в голівці і мундштуці (див. рис. 2.8) має свої особливості. Випірна лопать шнека створює на вході в голівку різні швидкості руху глиномаси: максимальну - у стінок голівки і мінімальну - у її осі. При просуванні глини до мундштука картина плину змінюється на обернену. Швидкість стає максимальною на осі і мінімальною біля стінок голівки. Профіль швидкостей часток у поздовжньому перетині голівки стає параболічним, а загальна картина руху глини відбиває картину прямування в'язких рідин. Плин відбувається за рахунок зсуву тонких прошарків один по одному [30].

Визначення характеристик формуючих елементів преса рекомендується знаходити в такій послідовності [35]:

1. Формуючі елементи преса розбиваються на ділянки з таким розрахунком, щоб одержати канали простої геометричної форми (конус, клин, циліндр і т. п.).

2. Для кожної ділянки визначаються коефіцієнти геометричної форми і градієнти швидкостей по формулах, наведених в табл. 2.1.

3. Для цих ділянок знаходяться значення ефективної в'язкості по логічній кривій плину глини (рис. 2.).

4. Визначається падіння тиску на кожній ділянці по формулі

,

де m - ефективне значення в'язкості, Нс/м²; Q - продуктивність, см³/с; k - константа геометричної форми каналу, м.

5. Підсумовується загальне падіння тиску в каналі.

Розрахунок геометричних параметрів шнека

Розміри і співвідношення зовнішнього діаметра шнека D, діаметра ступиці d, кроку t і кутів підйому гвинтової лінії лопатей шнека суттєво впливають на продуктивність і нагнітальну спроможність преса є оптимальні співвідношення між цими параметрами, і вихід з цих меж може призвести до значних погіршень характеристики шнека тобто він може виявитися замкненим звуженням самого каналу або навпаки не буде спроможний стискати масу. Докладний аналіз впливу геометричних параметрів шнека на його характеристику наведений в [35]. На основі цього аналізу рекомендуються такі співвідношення параметрів шнека.

Зовнішній діаметр кінцевої ланки шнека визначається з її співвідношення

, м

де Q - продуктивність преса, м³/с.

Діаметр ступиці

d = (0,32 - 0,38) D, м

Крок гвинта

t = (0,65…0,78) - D.

Середній діаметр шнека

, м

Кути підйому гвинтової лінії

; ;

; ;

; .

Глибина каналу шнека

.

Ширина каналу шнека

;

;

.

Довжина гвинтової лінії по зовнішньому діаметрі

.

Визначення характеристик шнека

Головною характеристикою шнека є його продуктивність в залежності від тиску на виході.

В гвинтовому каналі шнека матеріал рухається під дією бічних стінок. Швидкість прошарків матеріалу в міру віддалення від ступиці зростає, досягаючи максимуму на зовнішньому діаметрі шнека. В зазорі, між внутрішньою поверхнею і лінією гребенів шнека, швидкість падає від максимального значення до мінімуму на стінках циліндра. В залежності від тиску на виході шнека буде виникати потік «відпливу» і «обернений» потік різноманітної інтенсивності (див. рис. 2.).

Якщо на вихідному отворі циліндра преса встановлена голівка з дуже великим опором (або вихідний отвір цілком перекритий), то вся маса, яка подається, піде оберненим потоком і буде циркулювати в гвинтовому каналі. Якщо зняти формуючі елементи, то прес буде працювати як транспортуюча машина, не створюючи тиску.

Якщо припустити, що за один оберт гвинта маса, як «тверда гайка», що утримується від обертання, просувається їм уздовж корпуса на один крок, то теоретична продуктивність шнека може бути виражена формулою:

, м³/год.

де D - зовнішній діаметр шнека, м; d - діаметр ступиці шнека, м; t - крок гвинтової лінії на зовнішньому діаметрі, м; n - частота обертання вала шнека, с^-1; - товщина лопаті шнека, м.

Для того, щоб глина рухалася по каналу шнека, вона повинна одночасно і пригальмовувати від обертання, і в той же час мати деяку свободу переміщення вздовж вісі преса. Пригальмовування пробки здійснюється силами тертя глини об стінки циліндра, тому за один оберт шнека пробка ніколи не буде перенесена вздовж вісі преса на крок t. Внаслідок провертання маси зі шнеком, вона просувається за один оберт з точки С не в точку А, а в точку В (рис. 2.). Становище точки В визначається кутом між напрямком руху глини і площиною, перпендикулярної осі шнека. Проекція гвинтової лінії шнека

Рис. 1. Схема руху в каналах шнека

,

звідки

.

Відношення

,

називається коефіцієнтом подачі шнека. Встановлено, що коефіцієнт подачі залежить від властивостей глини, геометрії шнека і протитиску в голівці преса.

Величина кута ( може бути визначена за формулою

;

де D_ср - середній діаметр шнека, м; f_s - коефіцієнт тертя глини по металу; _ср, _D, _d - кути підйому гвинтової лінії відповідно на середньому, зовнішньому і внутрішньому діаметрі шнека; H - глибина каналу шнека, W_ср, W_D, W_d - ширина каналу шнека на середньому, зовнішньому і внутрішньому діаметрі шнека, м; Z_D - довжина гвинтової лінії ділянки шнека, що розглядається, по зовнішньому діаметрі, м.

Тоді продуктивність преса

,

де К_у - коефіцієнт, що враховує «відплив» маси по зазорах.

Розмір К_у залежить від розміру зазору між гребенями шнека і циліндра, тиску і фізико-механічних властивостіей глиномаси. Для розрахунків його розміру можна приймати К =0,12…0,23.

Визначення тиску і навантажень робочих органів шнекового преса

Для розрахунку тисків в каналах шнекового преса розглянемо рівновагу елементарного об'єму глини під впливом зовнішніх сил (рис. 2.).

Рис. 2. Схема розрахунку тисків в каналах шнека

Всі сили є функцією тиску, геометричних параметрів шнека і коефіцієнтів тертя. При проектуванні сил на вісь Х отримаємо

Q₁ sin + (Q₆ - Q₂) sin_ср + 2Q₃ sin_ср + f_s sin_ср + Q* cos_ср = 0.

Рівняння крутних моментів відносно осі X:

де Q₁ = fPW_DdZ_d - сила тертя з боку циліндра; Q₇ = Q₈ = PHdZ_ср - сила тиску лопатей шнека; О₃ = Q₄ = f_sPHdZ_ср - сила тертя лопатей шнека; Q₅ = f_sPWdZ_d - сила тертя об ступицю; Q₆ = Q₂ = PW_срН - сила від різниці тиску; fs* - реакція з боку шнека на силу Q₁; f_sQ - сила тертя від сили Q. Вирішуючи приведені вище рівняння щодо тиску Р маємо

Р₁ = P₂ еqZ_D,

де Р₁ - тиск на початку ділянки, що розглядається; Р₂ - тиск в кінці ділянки, що розглядається; е - стала натурального логарифма; Z_D - довжина гвинтової лінії шнека по зовнішньому діаметрі; q - показник ступеня, залежить від геометричних параметрів шнека і коефіцієнтів тертя:

пресований шнеку технологічний

Крутний момент на валу шнека може бути визначений із рівняння (2.). Шнековий вал може розвити тільки такий момент, який спроможний сприймати циліндр преса, що є гальмівною ланкою системи. Елементарний момент від сил тертя на стінках циліндра

.

Підставивши значення Q₁ і проинтегрувавши вираз елементарного моменту в межах аналізованої ділянки, що розглядається, отримаємо

, Нм

де Р_о - початковий тиск на ділянці.

Тоді потужність на валу шнека

N = M , Вт

Осьове навантаження на шнек

де R_еф - зовнішній радіус шнека, м;

,

де r - радіус ступиці, м; _ср = arctg; причому tg чисельно дорівнює f_s.

Приведені розрахункові залежності визначаються при постійних коефіцієнтах тертя. Для одержання більш точних результатів необхідно: зробити розрахунки тиску поетапно, у межах кожного кроку шнека, постійно коректуючи значення коефіцієнтів тертя в залежності від тиску в каналах шнека.

Размещено на Allbest.ru