CC BY
29
УДК 66.013.5
Т. П. Евсеева, А. В. Станкевич, И. Ю. Суркова, В. Я. Базотов
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАВНОМЕРНОГО ЗАПОЛНЕНИЯ КАНАЛА ПРЕСС-ИНСТРУМЕНТА
Ключевые слова: дозирование, комбинированный заряд, дисперсный, сыпучий материал, технологические свойства порошков,
структурно-механическое состояние.
Интенсифицировать и оптимизировать технологии приготовления многокомпонентных составов из ЭНМ, обеспечить качество прессованных комбинированных изделий из них, а также создать новые конструкции аппаратов дозирования возможно лишь при детальном изучении процессов ее составляющих. В статье дан краткий анализ существующих дозаторов и описан предложенный авторами аппарат дозирования дисперсных материалов для заполнения канала пресс-инструмента, позволяющий изначально формировать заданную конфигурацию изделия.
Keywords: dosing, the combined charge, dispersed, granular material, technological properties of powder Cove, structural and mechanical condition.
To intensify and optimize the technology of preparation of multicomponent compositions of the ENM, to ensure the quality of extruded composite products from them, and create new designs of machines dispensing only possible with a detailed study of the processes of its components. A brief analysis of existing dispensers and described proposed hydrated authors an apparatus for dispensing particulate materials to fill the channel of the press tool initially to form a given product configuration.
В физике взрыва главной проблемой была и остаётся задача, связанная с реализацией энергии взрывчатого вещества (ВВ) в полезные формы работы. В работах [1,2] исследованы особенности структуры детонационного фронта в комбинированных разрывных зарядах и показана возможность управления энерговыделением, показана возможность изготовления комбинированных коаксиально-слоистых зарядов (КЗ) промышленного назначения методом прессования в одну стадию. Изготовление КЗ требует использования дисперсных ВВ (или ВС), размещенных слоями относительно друг друга в зависимости от конструкции, соответственно и назначения, заряда.
Во многих периодических технологических процессах химической промышленности, например, пиротехнических производствах, целесообразно использовать непрерывное дозирование дисперсных материалов. При этом повышение качества дозирования обеспечивает:
- экономию исходных материалов, в том числе, дефицитных;
- сокращение количества отходов и соответственно уменьшение загрязнения окружающей среды;
- повышение качества получаемой продукции за счет роста ее однородности;
- упрощение технологического оборудования, использующего отдозированный материал, и улучшение его массы и габаритных размеров, соответствие конструкции.
Таким образом, рациональный выбор способа дозирования предопределяет получение существенного технико-экономического эффекта.
Основным направлением развития дозировочного оборудования является обеспечение высокой точности и надежности дозирования путем стабилизации свойств дисперсного материала в выпускных устройствах. Анализ существующих способов объемного дозирования и аппаратов для дозиро-
вания дисперсных материалов позволил выявить следующий круг вопросов [3].
Довольно часто выбор дозировочного оборудования осуществляется на основе опыта проектировщиков или результатов сравнительных испытаний моделей на заданных продуктах. При этом в первом случае возможны грубые ошибки, приводящие к ухудшению качества продукции, во втором случае испытания моделей весьма трудоемки и могут быть проведены только в специализированных лабораториях.
При выборе дозаторов дисперсных материалов химической промышленности необходимо учитывать:
- комплексные показатели, отражающие влияние физико-механических характеристик сыпучих материалов на процесс дозирования;
- технологические требования к дозированию;
- условия эксплуатации оборудования и технико-экономические показатели.
Исполнение дозатора зависит от условий эксплуатации и особых свойств дисперсного материала:
- для токсичных порошков и для дозирования их в аппарат с давлением, отличным от атмосферного, - герметичное;
- для взрывоопасных материалов и способных накапливать статическое электричество - взры-возащищенное и т.д.
Основными показателями, определяющими эффективность использования дозаторов, являются производительность, диапазон ее регулирования, погрешность дозирования и равномерность подачи. Так, например, ленточные дозаторы обеспечивают дозирование несвязных дисперсных материалов с погрешностью 3-5% и средней равномерностью подачи.
Шлюзовые дозаторы могут применяться при допустимости низкой равномерности подачи и с
погрешностью 3-5% для дозирования зернистых или связно-текучих материалов при наличии перепада давления.
При дозировании зернистых и связно-текучих дисперсных материалов могут применяться винтовые дозаторы также со средней равномерностью подачи и высокой погрешностью.
Тарельчатые дозаторы обеспечивают высокую равномерность подачи.
Вибрационные с активатором дозаторы рекомендуются для равномерной подачи связных дисперсных материалов при невысоких требованиях к точности дозирования. Наиболее универсальны винтовые вибрационные дозаторы, в частности ротор-но-вихревой дозатор. Они обеспечивают точность дозирования различных по связности материалов на уровне 2%. При этом соблюдается достаточно высокая равномерность подачи при герметизации по пыли и возможности взрывоопасного исполнения.
Для того, что бы определить конструкцию основных узлов питающего устройства для прессования КЗ необходимо знать технологические характеристики исследуемых составов.
К ним относятся: текучесть, сыпучесть, коэффициент внутреннего трения и угол естественного откоса.
Текучесть порошка характеризует его способность с определенной скоростью вытекать из отверстия. Эта технологическая характеристика очень важна для рациональной организации процесса автоматического прессования изделий из порошкообразных (дисперсных) материалов, хорошая текучесть нужна для быстрого и равномерного наполнения засыпной полости матрицы пресс-инструмента при объемном дозировании порошка. Текучесть порошка обычно уменьшается при увеличении удельной поверхности и дисперсности частиц, а также усложнении их формы, так как при этом затрудняется относительное перемещение частиц. Значительно понижает текучесть порошка его влажность.
Величина угла естественного откоса используется при определении наклона желобов, стенок воронок, при определении вместимости транспортных средств и хранилищ.
Основные технологические характеристики некоторых ВС для КЗ приведены в работе [2].
Поставленная задача создания первичного контура прессуемого изделия решена за счёт применения питателя-дозатора, устройства для равномерного заполнения сыпучим материалом вертикальных каналов [4]. Исходный вариант, которого представлен на рисунке 1.
Устройство содержит центральный приёмный бункер 1, вертикальный вал 2, установленный по оси центрального приёмного бункера. Вал кинематически связан с приводом его вращения 3, выполненным с возможностью регулирования скорости вращения.
Вдоль вала коаксиально расположены тарелки 4, которые размещены с интервалами между ними по высоте и выполнены с внешними диаметрами и диаметрами их центральных отверстий, увеличи-
вающимися в направлении от нижней тарелки к верхней. Причём нижняя тарелка прикреплена к вышестоящей с помощью опорных стержней 5, выполненных с возможностью фиксируемого изменения их высоты. А сами тарелки закреплены на спицах 6, которые с помощью ступиц 7 закреплены на валу 2, обеспечивая изменение величины интервала между кольцевыми тарелками, при этом верхняя сторона каждой из тарелок снабжена радиальными лопатками 8. Устройство имеет коаксиально установленный с центральным бункером 1 дополнительный приёмный бункер 9. Дополнительный бункер жёстко связан с центральным. Приёмные бункеры 1 и 9 в нижней части снабжены запорно-фиксирующими механизмами 10, на которые закреплены съёмные насадки 11, преимущественно круглого поперечного сечения, выполненные в виде воронок, переходящих в трубку, а тарелки 4 установлены внутри центрального бункера 1 и выполнены в форме усечённых конусов, расширяющихся вверх с углом раствора от 120° до 160° в направлении от верхней тарелки до нижней кольцевой тарелки.
12 1
Рис. 1 - Внешний вид дозатора
Благодаря тому, что пресс-инструмент установлен на вращающуюся платформу создаётся внешний и внутренний контур изделия, при вращении платформы с некоторой скоростью, зависящей от свойств материала, возникает движение частиц порошкообразного материала в канале пресс-инструмента, вследствии чего происходит первичное уплотнение и одновременное разделение частиц разных по природе порошков. Важным моментом является тот факт, что все процессы происходят в момент засыпки, что лишь
незначительно увеличивает время технологической операции и длительность цикла получения готового прессованного изделия.
Данный вариант устройства применим в лабораторных условиях, при единичном производстве и в научных исследованиях.
Понимание процесса истечения порошкообразного материала важно для обеспечения равномерного заполнения канала пресс-инструмента, поскольку равномерность заполнения и образование границ позволит изготовить изделия требуемой конфигурации.
Исследования процесса заполнения канала пресс-инструмента порошкообразными ВВ с помощью структурно-механической модели показали, что при определенных условиях сыпучий груз может находиться в трех структурно-механических состояниях: твердого тела, пластичного и свободно-дисперсного [5, 6]. При этом, если сыпучий груз находится в твердом состоянии, то его частицы связаны между собой, их взаимное перемещение отсутствует и для внутренних напряжений справедлив закон Гука, это состояние можно описать уравнениями теории упругости. Если насыпной груз находится в пластичном состоянии (медленное движение), то для внутренних напряжений справедливый закон Кулона, описывается уравнениями движения сыпучей среды, находящейся в предельном состоянии. При свободнодисперсном состоянии (быстрое движение) частицы насыпного груза не связаны между собой, находятся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействуют между собой в результате столкновений (ударов). Свободнодисперс-ное состояние насыпного груза описывается уравнением Навье-Стокса для вязкой жидкости. При этом вместо коэффициента молекулярной вязкости вводится коэффициент макровязкости, который характеризует перенесение количества движения в результате случайного столкновения частиц насыпного груза [6]. Исходя из последнего, имеем:
т = -ркгс12 3 '
¿4
ду
'-¡«"nf
где рс - средняя плотность насыпного груза; к - кинетический коэффициент характеризующий потерю механической энергии потока сыпучего груза в результате столкновения частиц (к = 10-13); к' - безразмерный коэффициент характеризующий потерю механической энергии частиц сыпучего груза в результате ударов частиц между собой (к' = 0,3-0,4); ё
- средний диаметр частицы сыпучего груза; ус -средняя скорость потока сыпучего груза в данной точке.
Следовательно, сыпучий груз, с точки зрения реологии дисперсных сред, представляет собой пластическое (твердообразное) дилатантное тело [6].
Для понимания процесса истечения порошкообразного ВВ из каналов разработанного устройства на основании анализа структурно-механического состояния сыпучего груза получены математические модели его истечения из бункеров с кольцевой и округлой формой выпускного отверстия. При этом рассматривался бункер, форма которого приведена на рисунке 1.
Исходя из чего, доказано образование структурно-механического барьера между составными частями КЗ при истечении их из дозирующего устройства, позволяющего изначально формировать заданную конфигурацию изделия.
Изучив основные физико-механические и технологические характеристики порошкообразных ВВ, получены качественные образцы КЗ [5,7], представляющие неопровержимое доказательство образования структурно-механического барьера на границах между разными материалами.
Литература
1. Физика взрыва / Под ред. Л. П. Орленко. — Изд. 3-е, испр. — В 2 т. Т. 1. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 832 с.
2. . А.В.Станкевич, Т.П. Евсеева, И.Ю. Суркова, В.Я. Ба-зотов. Вестник Казан. технсп. ун-та: №11, с.215-221, 2010. (1998).
3. Н.М. Вареных, А.Н. Веригин, В.Г. Джангирян, М.В. Емельянов. Химико-технологические агрегаты смешивания дисперсных материалов. Изд-во С.-Петербургского ун-та, СПб, 2000. 340с.
4. Пат. РФ 2520580 (2014) Устройство для равномерного заполнения сыпучим материалом вертикальных емкостей / А.В. Станкевич, Т.П. Евсеева, И.Ю. Суркова, В.Я. Базотов.
5. А.В.Станкевич, Т.П. Евсеева, И.Ю. Суркова, В.Я. Базотов. Международная конференция «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» - XV Харитоновские тематические научные чтения: сборник материалов международной конференции 18 мар-та-22 марта 2013г. - Саров: изд-во РФЯЦ ВНИИЭФ, 2013. с. 199
6. Р. Л. Зенков Механика насыпных грузов. - М.: Машиностроение, 1964. -251 с.
7. А.В.Станкевич, Т.П. Евсеева, И.Ю. Суркова, В.Я. Базотов. Вестник Казан. технсп. ун-та, № 12, с. 228-230, 2012 (1998)
© Т. П. Евсеева - канд. техн. наук, доц. каф. технологии твердых химических веществ КНИТУ, evseewatanya@ yandex. ru; А. В. Станкевич - аспирант той же кафедры, sanek.stan@mail.ru; И. Ю. Суркова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, ttxb@ kstu. ru; В. Я. Базотов - д.т.н., профессор, зав. каф. технологии твердых химических веществ КНИТУ.
© T. P. Evseeva - kand. tehn. sciences, doc. department technologies hard chemical material KNRTU, evseewatanya@ yandex. ru; A. C. Stankevich - post-graduate student in the same department, sanek.stan@mail.ru; I. Y. Surkova - kand. tehn. sciences, associate Professor in the same department, ttxb@ kstu,ru, V. Y. Bazotov - D. T. N., Professor, head. kaf. Technology of solid chemicals, KNRTU.
