CC BY
104
------------------------------------------ © Л.И. Гендлина, С.Я Левенсон,
Ю.И. Еременко, В.В. Виданов,
2011
УДК 624.138.22
Л.И. Гендлина, С.Я. Левенсон, Ю.И. Еременко, В.В. Виданов
РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВИБРАЦИОННЫМ СПОСОБОМ
Рассмотрен новый способ нагружения дисперсного материала, дающий принципиальную возможность в течение одного захода оборудования получить упаковку высокой плотности, величина которой в основном зависит от амплитудно-частотной характеристики вибрационного воздействия.
Ключевые слова: эксперимент, сыпучих материалов, геоматериалы, вибрация, вибро-реологические характеристики материалов.
Уплотнение мелкодисперсных и порошкообразных материалов является важным этапом многих технологических процессов, широко используемых в настоящее время в машиностроении, металлургии, химической и строительной отраслях промышленности. Но, несмотря на существование различных методов и технических средств, предназначенных для уплотнения сыпучих материалов, получить максимально возможную плотность компакта при сравнительно невысоких энергетических затратах не удается.
Сущность процесса уплотнения сыпучей среды — разрушение ее структуры с целью удаления защемленного воздуха и обеспечение плотной укладки зерен путем статического или динамического воздействия на материал. Более прочные контакты между частицами имеют структуры с непосредственными точечными взаимодействиями, которые образуются в мелкодисперсных средах, что является одной из причин проблем, возникающих при их уплотнении.
Гранулометрический состав и физико-механические свойства уплотняемых материалов чрезвычайно разнообразны, неодинаковы и требования к уплотнению. Этим частично объясняется появ-
ление большого количества типов, разновидностей и размеров машин для уплотнения сыпучих материалов [1—3]. Но, несмотря на многообразие, по характеру сил, действующих со стороны рабочего органа на уплотняемую массу, их можно разделить на: машины статического действия (прессующие, укатывающие), динамического действия (безударные вибрационные, ударновибрационные и ударные) и машины, которые обеспечивают совокупное статическое и динамическое нагружение. Наиболее распространенными устройствами среди уплотняющих машин являются катки, технологическая эффективность которых определяется конструкцией и характером движения вальца, перекатываемого по уплотняемой поверхности. Однако, несмотря на совершенствование конструктивных схем катков и усложнение режимов их воздействия на уплотняемый материал, преодолеть присущие им недостатки не удается. Катки не обеспечивают высокую степень уплотнения; им свойственна многопро-ходность, а попытки создать однопроходный каток не дали хорошего результата.
В работах некоторых исследователей [3, 4], посвященных рассматриваемой
теме, подчеркивается, что развитие катков достигло своего предела, машины разных фирм выполнены по одним конструктивным схемам, имеют близкие параметры. Трудно не согласиться с утверждением, что невозможно преодолеть присущие классической укатке недостатки, не изменив сам метод.
Исследованиями многих авторов показано, что вибрация позволяет создать прогрессивные технологии уплотнения сыпучих сред. Так вибрационные катки при одинаковой массе со статическими катками имеют в 2—2,5 раза большую производительность. Воздействие вибрации приводит к изменению поведения уплотняемого материала, вызванному проявлением реологических эффектов, уменьшающих силы трения и сцепления между частицами материала и в целом снижающих сопротивление его деформированию. Эксперименты показывают, что виброреологические характеристики материалов существенно зависят от параметров вибрации.
Вибрационный метод уплотнения является достаточно эффективным и сравнительно легко осуществимым, но его развитие требует более глубоких исследований деформирования геоматериалов внешними вибрационными нагрузками. Такие исследования проводятся в Институте горного дела СО РАН. Их целью является установление закономерностей процесса уплотнения дисперсных материалов при вибрационном воздействии и создание на этой основе технических средств для получения высокоплотных компактов.
Эксперименты проводились в лабораторных условиях, для этого была создана установка (рис. 1), позволяющая
обеспечить деформирование сыпучих сред статическим нагружением с наложением вибрационных нагрузок различного спектрального состава и интенсивности [5]. Статическое нагружение осуществляется катками 1, масса и скорость перемещения которых могут изменяться. Динамические нагрузки создаются виброблоком 2, характер его колебаний и амплитудно-частотная характеристика задаются вибровозбудителем 3 с направленной вынуждающей силой, которая действует по нормали к поверхности уплотняемой среды. Устройство устанавливалось в емкости 4 прямоугольного сечения, заполненной сыпучим материалом, высота заполнения, то есть толщина уплотняемого слоя, в экспериментах изменялась. Процесс уплотнения осуществляется через пластину 5 из жесткой резины, уменьшающей выдавливание материала из-под катка и снижающей запыленность воздуха при работе устройства.
При запуске устройство перемещается вдоль емкости с сыпучей массой (рис. 2). При этом возможно или только статическое воздействие на материал, если виброблок отключен, или совместное действие статических и динамических нагрузок. Статическое уплотнение особого интереса не представляет, так как ничем не отличается от обычной укатки.
Во втором случае в фиксированный момент времени часть предварительно уплотненного материала 1, находящегося между виброблоком 2 и катком 3 (на рис. 2 границы отмечены буквами А и Б), оказывается
Рис. 1. Экспериментальная установка для уплотнения дисперсных материалов:
1 — каток; 2 — виброблок; 3 — вибровозбудитель; 4 — емкость с уплотняемым материалом; 5 — пластина из жесткой резины
Рис. 2. Схема процесса уплотнения дисперсного материала статическим и динамическим нагружением: 3 — каток; 2 — виброблок; 4 — емкость с уплотняемым материалом; 5 — пластина из жесткой резины
замкнутой в ограниченном объеме. Его перемещению (выдавливанию) препятствуют с одной стороны уже уплотненный материал, с другой — давление, создаваемое катком, сверху — пластина 4 из жесткой резины. Непосредственно под виброблоком возникает волна сжатия, деформирующая материал, при этом некоторая его часть выжимается в замкнутую область, оказывая давление на находящуюся там сыпучую массу. Кроме того, в этой области под действием вибрации и связанных с ней реологических эффектов происходит взаимное перемещение частиц мате-
риала, которые стремятся образовать более плотную структуру, а также вытеснение влаги и воздуха, то есть осуществляется предварительное динамическое уплотнение. Процесс деформации материала заканчивается после непосредственного воздействия на него сжимающих нагрузок, создаваемых виброблоком.
Результаты экспериментальных исследований в виде графиков представлены на рис. 3. Они относятся к используемой в алюминиевой промышленности смеси дисперсных материалов, основными составляющими которой яв-
5
_____________________________________________________________________________________ Р, кН
1 2 3 4 5 6 7
-------1--------------------1-------------------1------------------1-----------------1 я. м/с2
20 40 60 80 100
5 10 15 20 25
Рис. 3. Зависимость плотности р сыпучего материала от следующих параметров: 1 — величины вибрационного ускорения а; 2 — силы Р вибрационного воздействия с частотой: 2,а — 32 Гц; 2,б — 50 Гц; 3 — времени t вибрационного воздействия: 3,а — Р = 3 кН, f = 50 Гц; 3,б — Р = 6 кН, f = 50 Гц
1800 40
0
ляются оксид кремния — 57...65 % и оксид алюминия — 30.35 %, содержание влаги в смеси не более 2 %. Степень уплотнения дисперсной среды оценивалась с помощью измерителя плотности грунта НМР LFG.
Эксперимент показал, что при таком способе нагружения высокая плотность упаковки мелкодисперсного материала достигается в течение одного захода оборудования, причем, режимы вибрационного воздействия характеризуются пороговым временем, то есть таким временем действия нагрузки, дальнейшее увеличение которого не приводит к изменению плотности (рис. 3, кривые а, б).
Установлено также, что на плотность дисперсного материала основное влияние оказывает ускорение колебаний (рис. 3, кривая 1), передаваемых сыпучей среде, причем, доминирующее значение имеет частота. Эффективность действия вибрации резко па-
дает при частотах ниже 30.35 Гц, и, как следует из графика 2, а, соответствующего частоте колебаний 32 Гц, при таком частотном режиме рост силы воздействия не вызывает повышения плотности упаковки. Увеличение частоты вибрационного воздействия до 50 Гц (рис. 3, кривая 2, б) позволило при прочих равных условиях повысить плотность на 5.10 %. Следует подчеркнуть, что количественная информация относится только к обозначенному выше дисперсному материалу, однако качественные зависимости сохраняются и для других подобных сыпучих сред.
Таким образом, рассмотренный способ нагружения дисперсного материала, новизна которого подтверждена патентом на изобретение [5], дает принципиальную возможность, как показывают результаты экспериментов, в течение одного захода оборудования получить упаковку высокой плотности, величина
которой в основном зависит от ампли- ционного воздействия. тудно-частотной характеристики вибра-
1. Бауман В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве [Текст] / В.А. Бауман, И.И. Быховский // — М.: Высшая школа — 1977 — 255 с.
2. Хархута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов [Текст] / Н.Я. Хархута / / — Л.: Машиностроение — 1973 — 176 с.
3. Захаренко А.В. Теоретические и экспериментальные исследования процессов уплотнения катками грунтов и асфальтобетонных смесей: Дисс. докт. техн. наук: 05.05.04/ А.В. Захаренко; Сибирская государственная авто-мобильно-доржная академия. — Омск, 2005. — 320 с.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Зубкин В.Е. Способ нагнетающей укатки и классические дорожные катки [Текст] / В.Е. Зубкин, В.М. Коновалов, Н.Е. Королев / / Строительные и дорожные машины — 2001 — №3 — С. 12—15.
5. Патент на изобретение 2296819. МПК8 С 25 С 3/06, С 25 С 3/08 Способ формирования бесшовных футеровочных слоев в алюминеевых электролизерах и устройство для его осуществления/ А.В. Прошкин, В.В. Пингин, В.С. Тимофеев, С.Я. Левенсон., Л.И. Гендлина, Ю.И. Еременко, В.А. Голдобин. № 20051266100/02; заявл. 17.08.2005; — опубл. 10.04.2007, Бюл.№ 10. — 8
С. Н5И=1
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------
Гендлина Л.И. — кандидат технический наук, старший научный сотрудник; Левенсон С.Я.— кандидат технический наук, заведующий лабораторией; Еременко Ю.И. — старший научный сотрудник;
Виданов В.В. — аспирант.
Институт горного дела СО РАН (ИГД СО РАН), Новосибирск, yge@ngs.ru
й
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ Г.В. ПЛЕХАНОВА
ГОЛОВАЧЕВ Николай Владимирович Обоснование технического обслуживания и ремонта оборудования для повышения эффективности эксплуатации системы гидротранспорта на горных предприятиях 05.05.06 к.т.н.
