CC BY
47
УДК 666.3.032.62
Р. Р. Кабиров, Г. Р. Фасеева, Ю. А. Захаров
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИЛЬЕРЫ ДЛЯ ЭКСТРУЗИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ
Ключевые слова:керамический кирпич, черепица, экструзия, фильера, ультразвук.
Рассчитаны условия снижения трения керамической шихты для кирпича, плитки, черепицы о фильеру экстру-дера под действием ультразвуковых 20-30 кГц колебаний стенокстальной фильеры. Варьировали скорость экструзии, направление ультразвуковых колебаний, толщину стенки фильеры. Результаты указывают на перспективность разработки и реальность изготовления таких ультразвуковых фильер для лабораторных и промышленных экструдеров.
Keywords: ceramic brick, tile, extrusion, die, ultrasound.
Conditions for decrease offriction between ceramic mixture for a brick, tile, roof tile and the extruder die under the influence of ultrasonic 20-30 kHz oscillation of steel die walls are calculated. The extrusion speed, the direction of ultrasonic oscillations and wall thickness are varied. Results specify prospects of development and reality of such ultrasonic dies creation for laboratory and industrial extruders.
Введение
Технология производства кирпича многостадийна. Она состоит из составления шихты, ее вальцевания, формовкикирпича-сырца с последующими сушкой и обжигом. Формовка является одной из ключевых стадий. Для производства морозостойких марок применяют экструзионное формование с предварительным вакууммированием шихты. Спрессованная при давлениях ~ 40 атм. в головке экструдера шихта в виде бруса непрерывно выходит из фильеры и затем нарезается на отдельные кирпичи-сырцы. Сложность этой стадии заключается, во-первых, в быстром съедании стальных стенок и рамки фильеры абразивным брусом, что приводит к нежелательному увеличению габаритов кирпича. Во-вторых, в наличии внутренних механических напряжений в сырце, которые вызывают трещино-образование и снижение прочности кирпича. Причина трудностей очевидна - это трение. Поэтому перспективным направлением совершенствования технологии экструзии керамического кирпича является снижение силы трения бруса о стенки фильеры и внутренних напряжений в нем, а также улучшение компактирования частиц шихты.
Известно, что такое комплексное воздействие на шихту оказывает мощный ультразвук при сухом прессовании изделий технической керамики в закрытых пресс-формах [1]. Что касается ультразвуковой экструзии, то она широко применяется для формования полимерных изделий [2-6], чего нельзя сказать о керамических изделиях [7,8]. Имеются сведения об эффективной работе лабораторных ультразвуковых экструдеров для шликерной керамики [9]. Достаточно давно патентовались устройства для ультразвуковой формовки керамических трубок, стержней [10-12] и даже кирпичного бруса [13]. Однако серийно выпускаемые лабораторные и промышленные экструдеры для кирпича, плитки и черепицы в настоящее время не комплектуются ультразвуковыми фильерами, и публикации на эту тему отсутствуют. Видимо, это обусловлено трудностями практической реализации таких фильер.
Целью данной работы является расчет параметров работы стальной фильеры экструдера строительной керамики (кирпича, плитки, черепицы) под действием вынужденных ультразвуковых колебаний ее стенок для определения возможностей снижения силы трения.
Результаты и их обсуждение
Известно, что снижение трения между твердыми упругими телами под действием ультразвуковых колебаний зависит от взаимного направления колебаний, вектора силы трения и ориентации контактной поверхности.
Так, при включении ультразвукового колебания, направленного параллельно силе трения и поверхности контакта, сила сухого трения с FT падает до FУ, и согласно [14] снижение трения характеризуется коэффициентом
Ft - Fy 2 ( V ï
nF = —-— = — arccos I-I,
F Ft ж У 2ЖУА )
(1)
где V - частота ультразвука, А - амплитуда ультразвукового колебания поверхности фильеры, V - скорость поступательного движения брусавдоль поверхности фильеры (скорость экструзии). В нашем лабораторном экструдере скорость выхода глиняного бруса V задавалась частотой вращения шнека и варьировалась в пределах 5 - 25 мм/с. Диапазон подстройки частоты ультразвукового генератора составлял 20 - 30 кГц. Амплитуда колебания ультразвуковой фильеры зависит от подаваемой на нее мощности ультразвука и от ее резонансных свойств в данном интервале частот генератора. Задача состоит в том, чтобы рассчитать, как уменьшится сила трения в зависимости от потенциально реализующейся частоты и амплитуды колебания фильеры.
Результаты расчетов по формуле (1) при доступных в нашем эксперименте параметрах экструзии показывают, что при минимальной скорости экструзии 5 мм/с в диапазоне амплитуд колебаний фильеры 0,15 - 1 мкм прогнозируется возможность снижения силы трения на 83 - 98 %. Однако при увели-
чении скорости экструзии коэффициент пр падает. Особенно резко егопадение происходит при амплитудах менее 1 мкм и при понижении частоты ультразвука. Таким образом, чтобы обеспечивать существенное ослабление силы трения совпадающим с ней по направлению ультразвуковым колебанием фильера должна иметь резонансную моду колебания в интервале 20 - 30 кГц и развивать амплитуду как минимум0,15 мкм, желательно 1 мкм и более.
Когда колебательное смещение ориентировано перпендикулярно к плоскости соприкосновения трущихся тел, то по мере увеличения амплитуды А ультразвуковых колебаний возрастает амплитуда колебательного ускорения 4п V А и амплитуда N колебательной силы. Если превосходит силу прижима Р, то возникает периодический отрыв соприкасающихся тел друг от друга. Сила трения при этом действует не все время, а только в те доли периода колебаний, когда тела соприкасаются. Значит, при включении ультразвука вместо действует некая эффективная сила трения ру. Если МА>>Р, то эффективная сила трения стремится к нулю [15].
Более подробный теоретический анализ действия ультразвукового колебания дается в [14] на основе рассмотрения взаимодействия двух упругих стержней, изготовленных из различных материалов и прижатых силой Р, когда в одном из них возбуждается продольная ультразвуковая волна. Применим этот подход к взаимодействию стальной поверхности фильеры и глиняного бруса. При относительном сдвиге контактных поверхностей со скоростью V сила трения без ультразвука равна:
Рт = Рц, (2)
где ^ - коэффициент сухого трения. Сила изменяется от нуля в момент начала ультразвукового удара фильеры по брусу до максимума, когда расстояние, на которое произошел сдвиг их поверхностей друг относительно друга, станет равным предварительному смещению ас за счет отрыва поверхностей друг от друга [16.17]. Если сдвиг за время удара (контакта) tк равен ас, то средняя за период колебаний сила РУ будет в два раза меньше, чем Рт [14]: 1
Ру = -¿РЦ (3)
При сдвиге меньшем, чем ас, средняя за период колебаний Руравна:
Ру = 2рц~э
(4)
где время контакта ^ может быть определено из выражения:
tк = Т <¡1 - 1arccos
i л
РлС1(Е1 + Е2) VE1E2
-1
■ (5)
Здесьс1 - скорость звука в фильере, Е1 и Е2 - модули нормальной упругости материала фильеры и бруса. Если Vtк>ac, то
= ^рА + Рм(-^,
2 I
К
(6)
'к 'к
где и=а^ - время, в течение которого происходит сдвиг, равный ас.
Степень снижения силы трения при Vtк<ac будет:
п, = 1 -р 2 ас
а при Vtk>ac::
11
пр =—-■
2 и
(8)
Численно оценим tк по формуле (5) для нашего лабораторного экструдера состальной фильерой. Согласно справочным данным для стали плотность р=7800 кг/м3, Е1=200 ГПа и с1= 5940 м/с [18]. Для влажной глины, имеющей в зависимости от сорта разброс модуля упругости в интервале 10 - 60 МПа [19], после вакуумного прессования в экструдере разумно взять Е2=30 МПа. Площадь внутренней поверхности фильеры 5 (при максимально допустимой длине фильеры 150 мм и среднем диаметре ее полости 50 мм) возьмем равной 470см2. Соответственно, сила прижима глины к стенкам фильеры при давлении в ней р будет Р=рБ.
Результаты расчета даны на рис. 1 для разных скоростей глиняного бруса и давлений вфильере в диапазоне 2,5-3,5 МПа при частотах ультразвука 20 (а) и 30 (б) кГц. Они показывают, что длительность непосредственного контакта глины с поверхностью фильеры составляет 2,37 -6,4 % от периода ультразвукового колебания. Остальное время периода глина находится вполете над поверхностью фильеры до следующего ударного соприкосновения с ней. Нетрудно вычислить возможные значения Vtк при этом. Они лежат в интервале 16,0 - 19,75 нм. То есть, уже при этих значениях ас коэффициент п, будет равен 0,5.
Поведение п,в широком диапазоне значений ас, рассчитанное по формулам (7) и (8), показано на рис. 2 двумя кривыми, соответствующими предельным параметрам экструзии по V, р и V. Они очерчивают коридор для всех промежуточных параметров экструзии. Видно, что для достижения значений пр>0,8 требуется отрыв глины от стенки фильеры, как минимум, на 40 - 50 нм. Очевидно, для этого стенки фильеры должны колебаться с соответствующей интенсивностью. Численно оценим амплитуду ультразвуковых колебаний стальной фильеры, необходимую для начала отрыва глины, используя уравнение:
ЫА = рЭЬ4л2у2А = рБ,
(9)
где Л - толщина стенки фильеры. Отсюда выразим А:
Р
А =
2 2
рЛ4л V
(10)
Зависимость А фильеры от толщины ее стенки показаны на рис. 3 при предельных параметрах экструзии V и р. Видно, что чем толще и, следовательно, массивнее фильера, тем меньше амплитуда ее колебаний необходима для отрыва глины. Поскольку фильера должна обладать достаточно прочностью для работы при высоких давлениях экструзии, то Л должна быть не менее 10 мм. С другой стороны, массивная фильера требует более мощного источника ультразвука. Поэтому разумный для изготовления фильеры диапазон Л составляет 10 - 20 мм.
(к, МКС
а
\
ЧчЧ Ч х 45
5 15 V. мм/с
¿к, МКС
6
1 1__
5 15 мм/с
Рис. 1 - Зависимость времени контакта глины со стенкой стальной фильеры за период ультразвукового колебания Т от скорости экструзии при частоте ультразвука 20 кГц (а) и 30 кГц (б) и давлении в фильере 1 - 2,5 МПа, 2 - 3 МПа, 3 -3,5 МПа
* ■ ¿Г
»
/
20 60 ас=. нм
Рис. 2 - Зависимость расчетного коэффициента снижения силы трения глины о стенки стальной фильеры от предварительного смещения ас при поперечном ультразвуковом воздействии и предельных параметрах экструзии (V, р, V): 1 - 20 кГц, 3,5 МПа, 5 мм/с; 2 - 30 кГц, 2,5 МПа, 25 мм/с. S=470 см2
Как видно, для него А находится в пределах 0,5 -3 мкм. Напомним, что выпускаемый ультразвуковой инструмент для обработки твердых поверхностей с давлением нормально работает при амплитудах ~10 мкм [15]. Поэтому наши расчеты позволяют наде-
яться на успешную практическую реализацию ультразвуковой фильеры.
1 МКМ
1 \ \\ *ЧЧ1
Ч Ч Г-' р ^ „
1 0 2 } Ь, мм
Рис. 3 - Зависимость амплитуды ультразвукового колебания стальной фильеры от толщины ее стенки при следующих параметрах экструзии (V, р): 1 - 30 кГц, 2,5 МПа; 2 - 30 кГц, 3,5 МПа; 3 -20 кГц, 2,5 МПа; 4 - 20 кГц, 3,5 МПа
Приведенные расчеты верны для идеализированной, абсолютно сухой глиняной массы. В реальности шихта представляет собой густую суспензию, в зонах сжатия которой происходит выделение жидкости и наиболее мелких фракций твердых частиц. То есть на границе фильеры и глины даже при обычной экструзии возникает гелеподобный смазывающий слой [20]. Приложение ультразвука, несомненно, интенсифицирует этот процесс и дополнительно уменьшает коэффициент трения ¡. Поэтому графики на рис. 2 должны идти более круто и линейно. Более того, из-за адиабатического ультразвукового сжатия-растяжения среды вблизи поверхности фильеры должен происходить интенсивный нагрев глины и испарение ее влаги. Не исключено образование прослойки из водяного пара, более кардинально снижающей ¡ . Таким образом, по расчетам ожидается существенное ослабление силы трения бруса о стенки фильеры при умеренных амплитудах ультразвуковых колебаний до 10 мкм, не угрожающих разрушением фильере.
Заключение
Расчеты показывают, что ультразвуковые колебания с частотой 20-30 кГц, возбуждаемые в стенках стальной фильеры толщиной 10 - 20 мм экструдера для производства керамического кирпича, плитки и черепицы, способны снизить силу трения глиняного бруса о фильеру на 83 - 98% при амплитудах сона-правленных с движением бруса колебаний 0,15 - 1 мкм или при амплитудах поперечных движению бруса колебаний более 0,5 мкм. Результаты указывают на перспективность разработки и реальность изготовления таких ультразвуковых фильер для лабораторных и промышленных экструдеров. Однако, учитывая достаточно сложную форму и массивность фильер для строительной керамики, требуется экспериментально решить нетривиальные вопросы относительно способов их достаточно мощного «уль-
тразвукового озвучивания» и влияния такого формования на свойства керамических изделий.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Субсидии по постановлению ПравительстваРФ №218 (договор № 02.G25.31.0121, 2014 г.).
Литература
1. О.Л. Хасанов, Э.С. Двилис, З.Г. Бикбаева, Методы ком-пактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий. Учебник. Издательство Томского политехнического университета, Томск, 2008. 212 с.
2. Т.В. Шулаева. Стерлитамакский филиал Уфимского нефтяного института, Уфа, 1993.202 с.
3. О.Ф. Киселева. Дисс. канд. техн. наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, 2001. 178 с.
4. Д.Е.Кобзев. Дисс. канд. техн. наук, Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, 2012. 173 с. ^
5. C.A. Ávila-Orta, Z.V. Quiñones-Jurado, M.A. Waldo-Mendoza, E.A. Rivera-Paz, V.J. Cruz-Delgado, J.M. Mata-Padilla, P. González-Moronesand R.F. Ziolo, Materials, 8, 7900-7912 (2015)
6. M. Muniesa, Á. Fernández, I. Clavería, C. Javierre, J. A. Sarasua, M. Blanco, Polimery, 60, 209-216 (2015)
7. F. Handle (ed.), Extrusion in Ceramics, Engineering Materials and Processes, 2009.346р.
8. Juan A. Gallego-Juarez& Karl F. Graff, (Editors), Power Ultrasonics. Applications of High-Intensity Ultrasound, Woodhead Publishing, 2014. 1166 p.
9. С.А. Шахов, Конструкции из композиционных материалов, 2, 3-12 (2009)
10. Авт.свид.СССР 908598 (1982)
11. Авт. свид. СССР(1974)
12. Авт. свид. СССР 111327 (1957)
13. Авт. свид. СССР 1757891 (1989)
14. В.П.Северденко, В.В.Клубович, А.В.Степаненко, Ультразвук и пластичность. Наука и техника, Минск, 1976. 448 с.
15. И. П. Голямина (Гл. ред.). Ультразвук: Маленькая энциклопедия. Советская энциклопедия, Москва, 1979. с. 346.
16. Н. М. Михин, Трение в условиях пластического контакта. Наука, Москва, 1968. 221 c.
17. И. В. Крагельский, Трение и износ. Машиностроение, Москва, 1968. 480 с.
18. Б. Радж, В. Раджендран, П. Паланичами,Применения ультразвука. Техносфера, Москва, 2006. 579 с.
19. Soil elastic Young's modulus. Geotechdata.info - Updat-ed17.09.2013 http://www.geotechdata.info/parameter /soil-young's-modulus.html0.
20. В.Я.Толкачев, Технология качественной экструзии изделий из глин. Компьютерные технологии, Красноярск, 2009. 220 с.
© Р. Р. Кабиров - ген. директор ОАО «Алексеевская керамика», Г. Р. Фасеева - ст. препод. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, galiya_@mail.ru, Ю. А. Захаров - к.ф.-м.н., доцент Института физики КФУ.
© R. R. Kabirov-CEO of JSC «Alekseevskayakeramika», G. R. Faseeva- the senior teacher of Dept. of technology of inorganic substances and materials of KNITU, galiya_@mail.ru, Yu. A. Zakharov- Ph.D., associated professor of Institute of Physics of KFU.
