Влияние давления внутрипорового воздуха на внешнее трение при импульсном уплотнении

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.74.04

Карагандинский государственный технический университет, кафедра ММиН

Влияние давления внутрипорового воздуха на внешнее трение при импульсном уплотнении

А.З. ИСАГУЛОВ

М.Ж. ТОЛЫМБЕКОВ

Замечено, что внутрипоровый воздух при больших скоростях нагружения весьма существенно влияет на процесс уплотнения [1]. Для установления закономерностей влияния внутрипорового воздуха на внешнее трение были внесены изменения в методику экспериментов.

При экспериментах изменяли зазор между сердечником 6 и крышкой 7 от 0,1 мм до 1,5 мм. Это давало возможность изменять давление воздуха в оболочке камеры во времени в широком диапазоне. Давление внутрипорового воздуха и давление воздуха в камере (вне оболочки) регистрировались на раздельных образцовых манометрах.

На рисунке 1 приведены экспериментальные кривые изменения касательных напряжений на границе «смесь-стальной сердечник» при различных значениях скорости изменения среднего нормального давления уср.

При низких скоростях (уср = 0,18 кгс/с см2 - кривая 1 и уср = 0,8 кгс/с см2 - кривая 2) имеет место ступенчатый рост касательных напряжений до своего максимального значения, а при скорости уср = 1,6 кгс/с см2 - кривая 3, т.е. почти при мгновенном впуске, его величина быстро возрастает до максимального значения плавно, без характерных ступенек, а затем несколько падает и стабилизируется. Ступенчатый рост кривых ф(t) объясняется тем, что при медленном росте шаровой нагрузки происходит периодическое «схватывание» сердечника смесью и проскальзывание. Каждая ступенька характеризуется определенной контактной поверхностью («числом контактов трения»), и чем выше ступенька, тем контактная поверхность трения больше. На каждой ступеньке происходит равновесие между силой сцепления (силой трения) и шаровой нагрузкой. Так как уср постепенно увеличивается, то это равновесие нарушается и образуется провал, т.е. еще большая контактная поверхность и большая сила трения и т.д. Дискретность в образовании контактной поверхности, а следовательно и в нарастании сил внешнего трения связана с упруговязкой природой формовочной смеси. Влияние фильтрационных потоков внутрипорового воздуха здесь отсутствует, так как его давление ничтожно мало, или отсутствует вследствие малой скорости изменения напряженного состояния смеси.

Наличие на кривой 3 (см. рисунок 1) только одной ступеньки объясняется тем, что вследствие очень большой скорости шаровой нагрузки (уср = 1,6 кгс/см2с) такое равновесие установилось только один раз на каком-то промежуточном значении, где ф1max. ф2max - максимальные значения касательных напряжений (кривые 1, 2), имеющих относительно низкие скорости.

Вторая ступенька на кривой 3 уже не успела образоваться, начался некоторый спад и стабилизация кривой ф (t). В этот момент давление внутрипорового воздуха достигло некоторого предельного значения, которое затем начало падать, образуя фильтрационные потоки воздуха, движущегося в зазоре между стенкой крышки и сердечником. Движущийся воздух, подобно смазке, снизил внешнее трение (горизонтальный участок кривой 3 на рисунке 1) почти в два раза по сравнению с кривой 1. Снижение внешнего трения зависит от многих факторов, и в первую очередь от давления и скорости фильтрационных потоков, от их направления по отношению к стенкам модели, от свойства самой смеси и т.д.

Описанная кинетика развития напряжений сдвига при больших скоростях изменения шаровой нагрузки характерна для любых его значений. Это наглядно видно на рисунке 2, где представлены зависимости изменения напряжения сдвига по времени, полученные на стальном сердечнике при различных значениях уср, но при одинаковой скорости уср.

Для исследования влияния внутрипорового воздуха на процесс уплотнения проведена серия экспериментов с высокопрочной смесью того же состава и свойств, что и в вышеописанных экспериментах.

Рисунок 1 - Кинетика развития касательных напряжений на границе стального сердечника при различных скоростях изменения шаровой нагрузки уср

Методика экспериментов заключалась в следующем. Навеска смеси засыпалась в стандартную гильзу и уплотнялась тремя ударами лабораторного копра. После уплотнения по стандартной методике определялись прочность на сжатие и твердость уплотненного образца. Затем в аналогичной по размеру гильзе, но с прорезями Д = 0,2 мм засыпалась такая же смесь и также уплотнялась тремя ударами копра и аналогично определялись прочность и твердость полученного образца. Затем копер, гильза с прорезями и навеской смеси помещались в герметичную камеру, в которой создавался вакуум ступенями до 600 мм. рт. ст. и в условиях вакуума навеска уплотнялась тремя ударами копра и образец испытывался на прочность и твердость. На рисунках 3 и 4 короткие горизонтальные линии и точки со штрихом соответствуют твердости и прочности образцов смеси с различной влажностью, уплотненных в стандартной гильзе без щелей и при нормальных условиях. На этих же рисунках показаны кривые, полученные в условиях разряжения, изменяющегося ступенями. Из рисунков видно, что при уплотнении смеси в стандартной гильзе со щелями при нормальных условиях имеет место повышение прочности и твердости, но не существенное (крайние правые точки, лежащие выше коротких линий).

Рисунок 2 - Кинетика развития касательных напряжений на границе стального сердечника при различных значениях уср и одинаковой скорости нарастания шаровой нагрузки

Рисунок 3 - Изменение поверхностной твердости смеси, уплотненной в вакуум-камере при различных разрежениях

Рисунок 4 - Изменение сырой прочности смеси, уплотненных в вакуум-камере при различных разрежениях

С увеличением вакуума до 600 мм и выше непрерывно повышаются прочность и твердость смеси. Интенсивность повышения этих параметров возрастает с увеличением влажности смеси.

Следующая серия экспериментов заключалась в том, что навеску смеси засыпали поочередно в гильзу со щелями и без щелей. Затем копёр с гильзой помещали в камеру и создавали разрежение. По достижении некоторого разрежения по образцу наносился удар, и так повторялось до некоторого максимального разрежения (рисунок 5). Было замечено, что после каждого удара давление в камере несколько повышалось, но в основном при первых ударах. касательный напряжение давление уплотнение

Рисунок 5 - Кинетика изменения структурных составляющих смеси в результате ударного уплотнения в вакуум-камере: кривая 1 - гильза со щелями; кривая 2 - гильза без щелей

Анализ результатов экспериментов показывает, что при уплотнении внутри смеси создаются закрытые поры, давление которых выше давления окружающей образец атмосферы. При нанесении последующего удара происходит изменение структуры, некоторые первоначально закрытые поры частично разрушаются, а вместо них создаются новые и т.д.

В целях дальнейшего изучения влияния давления внутрипорового воздуха на процесс уплотнения эксперименты проводились в двух разъемных гильзах диаметром 100 мм и Н=500 мм, причем одна из них имела венты. Вначале уплотнялась гильза без вент, путем падения ее с высоты 500 мм (3 раза) и определялись плотность и поверхностная твердость. Аналогичный эксперимент проводился с гильзой, имеющей венты, и с применением вакуума. Результаты эксперимента представлены на рисунке 6, на котором: кривая 1 - распределение поверхностной твердости; 2 - распределение плотности по высоте формы в обычной гильзе без вакуумирования; кривые 1' и 2' - плотность и твердость по высоте гильзы с вентами и разрежение до 450 мм. рт. ст.

Анализ кривых (см. рисунок 6) показывает, что и в этом случае, так же как и в предыдущих экспериментах, при уплотнении динамическими нагрузками повышается давление внутрипорового воздуха, в результате чего эффективность процесса снижается - снижается плотность и поверхностная твердость формы.

Рисунок 6 - Влияние внутрипорового давления на плотность и поверхностную твердость образца при уплотнении

Как показали экспериментальные исследования, формовочную смесь следует рассматривать как капиллярно-пористую двухфазную систему: твердая фаза и «сжимаемая жидкость» (свободная влага, пленки связующего, пузырьки воздуха, пары воды и связующего).

В процессе смесеприготовления пузырьки воздуха адсорбируются на поверхности сухих частиц и при уплотнении смеси самостоятельно они не в состоянии разорвать оболочку связующего и покинуть смесь. Адсорбированный и «мелкодисперсный» воздух, по-видимому, может быть удален из смеси только при некотором вакууме. Свободный воздух и пары, находящиеся в порах смеси, при уплотнении уходят в атмосферу самостоятельно, однако, фильтруясь, они оказывают в той или иной мере противодействие сближению твердых частиц.

Механизм повышения прочности смеси при удалении адсорбированного и «мелкодисперсного» воздуха при вакуумировании должен рассматриваться с точки зрения повышения гидрофильности твердой фазы (лучшая смачиваемость пленкой связующего). Отдельные участки поверхности твердых частиц, лишаясь газовой оболочки, становятся ненасыщенными и, обладая свободным силовым полем, связывают дополнительное количество воды, молекулы которой ориентируются по отношению к частице в виде сольватного слоя.

При снижении давления внутрипоровой фазы происходит увеличение количества адсорбированно-связной влаги за счет свободной капиллярной, происходит процесс частичной сушки смеси, в результате чего появляются дополнительные капиллярные силы, действующие на поверхности раздела воздух-пленка связующего. Их действие направлено в сторону уплотнения (сжатия) смеси. С другой стороны, в результате увеличения поверхности сольватной оболочки и дополнительного сближения микрочастиц в большей степени проявляются силы когезии, что дополнительно повышает прочность смеси.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что внутрипоровый воздух при уплотнении в целом снижает плотность, твердость и прочность формы. Вместе с тем создание условий для направленного движения потоков воздуха из смеси в атмосферу повышает равномерность распределения этих параметров, особенно в областях формы, прилегающих к вентам [2].

Снижение давления внутрипоровой фазы путем ее вакуумирования через трудноуплотняемые зоны формы является эффективным направлением в решении проблемы повышения качества уплотнения песчано-глинистых форм.

Список литературы

1. Иванов Е.И., Матвеенко И.В. Влияние воздуха на плотность и прочность формовочных смесей // Литейное производство. 1976. № 2.

2. Матвеенко И.В., Исагулов А.З., Дайкер А.А. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм. Алматы: ?ылым, 1998. 345 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru