CC BY
15УДК 621.926.4
ПОВЫШЕНИЕ ОДНОРОДНОЙ ПЛОТНОСТИ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ В ШНЕКОВОМ ПРЕССЕ С РАЗДЕЛЬНЫМИ СМЕЩЕННЫМИ ВИТКАМИ И РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ФОРМУЮЩЕЙ ГОЛОВКИ ПРЕССА
Бурова И.В., Гармаш М.А., Корохов В.Г.
Академия строительства и архитектуры ФГАОУ ВО «Крымский Федеральный университет имени В.И. Вернадского»,
г. Симферополь, ул. Киевская 181.
Аннотация. Приведена конструкция шнекового механизма пресса для повышения в нем однородной плотности и свойств вязко-пластичной керамической массы, прессуемой и профилируемой в формующей головке пресса при изготовлении погонажных изделий для кирпича, труб, плиток. Получена зависимость для проектного и проверочного расчетов размеров легкосменных формующих головок, примыкающих к шнеку.
Ключевые слова: прессование, шнек, давление осевое, радиальное, плотность, свойства, коэффициент трения, влажность, формообразование, погонаж, кирпич, масса.
Керамический кирпич, плитка, трубы относятся к наиболее традиционным строительным материалам, их изготовление широко распространено в Российской Федерации [1]. Показатель мощности производств керамического кирпича, рекомендуемый Постановлением Правительства РФ от 28.09.2015 года, №1029, составляет около 150 тыс. тонн в год.
Введение
Поскольку отрасль производства долгое время была зависимой от поставок основного технологического оборудования и запчастей из Европы, то в настоящее время необходимость эффективного импорт замещения обусловливает потребность в разработке и выпуске современного оборудования. Это, прежде всего, прессовое оборудование шнекового типа для поточных линий производства керамического кирпича, плиток, труб.
Анализ публикаций
Первой стадией производства керамических изделий является формообразование профильного погонажа на шнековом прессе. Получаемый на прессе профильный погонаж типа бруса, ленты или полого кругляка, разрезают в транспортном потоке линии на изделия в виде кирпича, плитки, трубы, которые затем термообрабатывают [2]. Геометрическая форма и размеры поперечного сечения получаемого погонажного изделия определяются геометрией формообразующей головки с мундштуком, через которую шнеком непрерывно продавливается уплотненная масса. Использование легкосменных формующих головок различного поперечного сечения, примыкающих к шнековому механизму, позволяет изготавливать на одном и том же прессе изделия различной конфигурации. Легкая сменяемость головок обеспечивает несложную переналадку пресса на выпуск даже небольших партий изделий.
Цель и постановка задачи
Целью настоящей работы является решение вопроса о способе увеличения однородной
плотности керамической массы, подлежащей формообразованию в шнековом прессе, а также, вывод зависимости для определения проектных размеров формующей головки, обеспечивающей создание требуемого давления прессования массы.
Методика исследования
Методика исследований состояла в измерениях тензометрическими датчиками радиального давления вдоль образующей цилиндра при уплотнении шнеком модельной массы и в последующем анализе построенных эпюр распределения давления вдоль цилиндра и в поперечном сечении канала шнека.
Результаты и их анализ
Важным технологическим показателем процесса прессования является необходимость придания погонажному изделию требуемой геометрической формы, чтобы изделие не теряло первоначальную форму, а сохраняло ее в готовом виде при последующей термообработке. В тоже время, получаемое из погонажа строительное изделие (кирпич, плитка, труба) должно обладать достаточно высокой прочностью и долговечностью, это зависит от многих факторов:
- от физико-химических свойств и влажности глин;
- от коэффициента трения скольжения прессуемой массы о металлическую поверхность шнека и цилиндра[3];
- от однородной структуры массы, поступающей в пресс, которую предварительно необходимо формировать, а это достаточно трудоемкий процесс;
Вместе с тем, требуемые прочностные свойства и долговечность готового керамического изделия, являясь сложной функцией от указанных факторов, существенно зависят и от однородной плотности всего объема прессуемой массы, которая обрабатывается в шнековом механизме. Применение в прессе шнекового механизма новой конструкции по авт. свид. № 1794689 [4], обеспечивает получение однородной плотности и предопределяет
однородность механических свойств керамического материала всего изделия.
На рис.1 показана схема пресса, формующего трубу:
1 - корпус, в который поступает предварительно подготовленная к прессованию масса, 2 - прессующий вращающийся шнек, размещенный в цилиндре - 3, с радиальным зазором 2.. .3 мм, к которому примыкает формующая головка - 4, ее продолжение в виде мундштука может быть цилиндрической или прямоугольной конфигурации для профилирования погонажного изделия требуемого поперечного сечения и заданных размеров. Пустотообразователь - 5 размещен в формующей головке - 4. В данном случае, он цилиндрической конфигурации и выполнен в виде продолжения вала шнека.
Режимные параметры работы шнекового механизма определяются величиной создаваемого им давления прессования и частотой вращения. Давление на прессуемую массу создается вследствие действия сил трения скольжения, оказывающих сопротивление перемещению этой массы витками шнека - 2 внутри цилиндра - 3 и силами трения массы (противодавления) в формующей головке - 4 [3]. Для создания требуемого противодавления, формующая головка должна быть изготовлена с соблюдением определенных размеров, расчет которых приводится ниже.
Экспериментальными исследованиями шнекового механизма (пара «шнек - цилиндр») со стандартной конфигурацией шнека, имеющего непрерывно расположенные на валу спиральные витки, при прессовании модельной вязко-пластичной массы, нами измерялось радиальное давление на стенку цилиндра с помощью тензометрических датчиков, закрепленных вдоль образующей цилиндра. Измерениями установлено, что у рабочей «передней» - движущей поверхности витка шнека, давление имеет наибольшее значение, которое убывает в поперечном сечении канала шнека - в направлении движения массы, т. е. в направлении к тыльной стороне соседнего витка канала, причем, разница давлений существенна. Вместе с тем, максимумы давлений перед каждым последующим витком шнека в направлении движения массы - возрастают. Наибольшее давление масса испытывает со стороны шнека на участке выхода из шнекового канала в формующую головку. При разном давлении спрессовывания разных слоев массы, выходящей из шнекового канала в формующую головку, эта масса приобретает и неодинаковую плотность, следоватедьно, и неодинаковые механические свойства. Такая неоднородная масса под давлением послойно по спирали заполняет формующую головку, из мундштука которой непрерывно выдавливается погонаж нужной конфигурации, но с периодичной повторяемостью неоднородных
механический свойств материала. Это снижает несущую способность и долговечность изделий, изготовляемых из такого погонажа.
Для исправления указанного недостатка, путем формирования однородной плотности и однородных свойств прессуемого материала, нами предложена и испытана новая конструкция шнекового механизма [4], показанного на рис.1. В нем шнек имеет раздельные, смещенные в осевом направлении спиральные витки, при этом, начало каждого последующего витка в направлении перемещения массы, смещено в осевом направлении назад от конца предыдущего витка, и участки этих соседних витков частично взаимно перекрываются. Такое устройство шнека обеспечивает отделение именно слабо отпрессованного слоя массы, ранее примыкавшего к тыльной стороне переднего витка, и осуществляет максимальное прессование этого недопрессованного слоя. Таким образом, последовательно разрезая массу на слои и воздействуя толкающими поверхностями каждого последующего витка, врезающегося в менее отпрессованные слои, достигается равномерное последовательное прессование всей массы. Так осуществляется однородное уплотнение массы, заполняющей формующую головку. В этом случае из мундштука головки непрерывно выдавливается погонаж уже с однородными прочностными свойствами во всех поперечных сечениях.
Для обеспечения стабильной работы проектируемого пресса и создания в нем требуемого давления прессования, необходимо чтобы размеры формующей головки были вычислены с учетом физико-механических свойств сырья, прежде всего -коэффициента трения о металлическую поверхность формующей головки с мундштуком и коэффициента бокового давления массы.
Для расчета длины I цилиндрической формующей головки, обеспечивающей требуемое давление прессования, выделим кольцевой элемент находящейся в равновесии массы толщиной
<Лх Ось ОХ прямоугольной системы координат расположим вдоль оси пресса за начало координат примем точку О на конце цилиндрической камеры .Силами веса и инерции частиц пренебрегаем ввиду их малости.
На выделенный элемент сырья, находящийся в формующей головке, действует со
стороны шнека осевое давление Яо , ас
противоположной стороны - давление Яо _ 0 ,
где о - это потеря давления на трение о стенки
камеры. Обозначим площадь кольца, на которую
действует осевое давление витка шнека, через Р . Сила этого давления равна произведению площади
кольца на указанное осевое давление, т. е . .
Из условия равновесия действующих сил, сила
давления уравновешивается приращением силы трения- йМтр . Спроектировав эти силы на ось ОХ получаем
^0 = тр (1)
Приравнивая правые части уравнений (2) и (4), заменив обозначения йх на ¿1 получаем
п[р2 - й2 )
4
= д0г/п{р + й) й1
(5)
откуда
йх = =
тг{р2 - й2)йдс
4/л(р + й) 40
После преобразования получим
(6)
й1 =
Р2
й2)
йЯ0
Рис. 1. Шнековый пресс с цилиндрической формирующей головкой.
Формирование трубы.
Левая сторона этой зависимости
Гйд0
= 7т(р2 - й2 ) й
40
4
(2)
Где Р и й -соответственно наружный и внутренний диаметры шнека. Правая составляющая равенства (1) определяется произведением
радиального давления коэффициента трения
/ сырья о стенки канала и площади соприкосновения выделенного элемента о стенки этого кольцевого канала, т.е. наружным диаметром
Р и внутренним й
и внутренним
йМтр = 4г * /+ й)
(3)
Радиальное давление 4 г составляет часть
осевого давления Я0 ,т.е. Цг = 408 .
Коэффициент бокового давления сырья 8 определяют в лабораторных условиях на стабилометре. Для разнообразных прессуемых материалов его значение находится в широких пределах-от 0,7 до 0,95. Исходя из указанного можно записать
йМтр = 40 /+ й)йх
(4)
488 р + й) 40
где L, й, р -размеры в м.
(7)
I =
р 2 - й 2 )
4/р + й)
40 нач
I
40 кон
40
(8)
После интегрирования получаем расчетное уравнение для определения длины формующей головки пресса, позволяющей вести процесс при заданном давлении прессования.
= р 2 - й 2 ) ^ 1п 40нач
I
4 88 (р + й) 40 кон
(9)
Для конкретных условий прессования
одного из материалов с 8 = °.93 влажностью 78% при начальном и конечном заданных давлениях прессования соответственно
2
40 = 0.02Мн / ж2
0 кон
и
40 нач = 0,25 Мн / м в цилиндрической
формующей головке преобразовав зависимость (9),получим расчетное уравнение
^2
7 0,6з(р2 - й2)
I =-)-^ м
8/ (р + й)
(10)
Для практических расчетов цилиндрической формующей головки, предназначенной для материалов с известными физико-механическими свойствами, целесообразно воспользоваться уравнением (9) в этом же виде или преобразовав его
относительно 40 нач .При известном значении I
это позволяет определить, какое начальное осевое
давление создаст прессующая головка известной длины и будет ли это давление соответствовать требуемому значению технологического процесса.
Для расчета длины цилиндрической формующей головки без пустотообразователя в
условиях (2-9) следует принимать ( — 0 .
Расчет формующих головок
прямоугольного поперечного сечения может выполняться по аналогичной методике, учитывающей площадь прямоугольных
поверхностей трения, коэффициенты трения и бокового давления материала.
Вывод
Уравнение (9) позволяет выполнить проектный и проверочный расчеты длины формующей головки прессов для кирпича, труб и других изделий, получаемых непрерывным формованием и прессованием сырья при известных его физико-механических свойствах и заданном технологическом проверенном давлении прессования. Использование этих зависимостей на
стадии проектирования машины позволит отказаться от подбора длины формующей головки экспериментальным путем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скупов Б.Н. Стройка просит кирпича//Технологии строительства,2016, №5, с.26-30.
2. Сапожников М.Я. Дроздов Н.Е. Справочник по оборудованию заводов строительных материалов. М.: Издательство литературы по строительству, 1970.210 с.
3. Ковецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1991. 370с.
4. Корохов В.Г. и др. Шнековый пресс-стекатель // Авторское свидетельство СССР, №1794689 от 27.05.1993г., Бюл .№6
5. Борщевский А.А., Ильин А.С. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа. 1987. 280с.
Burova I. V., Garmash, M. A., Korohov V. G.,
The increased homogeneous density of the ceramic mass in a screw press with a separate offset coils, and calculating the size of the forming head press
Annotation. The design of the screw mechanism of the press is shown to increase the homogeneous density and properties of the viscous-plastic ceramic mass, pressed and profiled in the molding head of the press in the manufacture of molded products for bricks, pipes, tiles. A dependence was obtained for the design and verification calculations of the dimensions of the easily changeable forming heads adjacent to the screw.
Keywords: pressing, screw, axial, radial pressure, density, properties, coefficient of friction, humidity, shaping, molding, brick, mass.
