Определение параметров фильтрационных процессов при уплотнении смеси воздушным потоком

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ УПЛОТНЕНИИ СМЕСИ ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ

А.З. ИСАГУЛОВ, д.т.н., профессор, проректор по ИиУМР,

В.Ю. КУЛИКОВ, к.т.н., доцент, зав. кафедрой,

Д.А. ИСАГУЛОВА, докторант, преподаватель,

Е.П. ЩЕРБАКОВА, преподаватель,

Т.В. ЧУДНОВЕЦ, ассистент,

Карагандинский государственный технический университет, кафедра ММиН

Ключевые слова: форма, смесь, метод, качество, моделирование, управление, импульс, газ.

литье форма фильтрация газ

Литье является одним из наиболее распространенных способов производства заготовок для деталей машин. Примерно около 70% заготовок (по массе) получают литьем, а в некоторых отраслях машиностроения, например в станкостроении, 90-95%. Широкое распространение литейного производства объясняется большими его преимуществами по сравнению с другими способами производства заготовок (ковкой, штамповкой). Литьем можно получить заготовки практически любой сложности с минимальными припусками на обработку. Это очень важное преимущество, так как сокращение затрат на обработку резанием снижает себестоимость изделий и уменьшает расход металла. Кроме того, производство литых заготовок значительно дешевле, чем, например, производство поковок.

Качество отливки зависит в наибольшей степени от качества формы. Эта известная аксиома в значительной степени относится к песчано-глинистым формам, которые сегодня занимают главенствующее положение, благодаря своей универсальности и низкой стоимости.

В процессе перехода экономики на рыночные отношения остро встает вопрос об интенсификации народного хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса. Ключевую роль в материализации новейших достижений науки и техники играет машиностроение. Поэтому ныне первостепенное значение придается укреплению материальной и научно-технической базы машиностроительного производства - основы научно-технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства. Одним из основных факторов повышения эффективности машиностроения является совершенствование его заготовительной базы.

Фирма «Генрих Вагнер Синто» (Германия) предложила заменить существующие встряхивающие с допрессовкой формовочные машины на формовочные машины HSPI, HSP2, HPS3 со съемом на штифтах или рольгангом, работающие методом воздушного потока с прессованием под высоким давлением (процесс Seiatsu).

Сущность метода формообразования следующая. Модельно-опочная оснастка, наполнительная рамка со смесью прижимается к рабочему органу машины (ресиверу). Таким образом, весь объем форм герметично закрывается. Затем кратковременно открывается клапан Seiatsu. Сжатый воздух проходит через формовочную смесь от ее верха до модельной плиты и выходит через венты. Поток воздуха уплотняет каждую частицу смеси давлением, направленным вниз, и перемещает столб смеси. Смесь течет вместе с потоком воздуха в более глубокие промежутки модели. Полости формы равномерно заполняются частицами смеси. Осуществляется чистое прилегание смеси к контурам моделей с четким очертанием. Прочность и плотность формовочной смеси повышается в сторону модельной плиты. Поэтому наибольшее уплотнение достигается вблизи модели. Окончательную прочность получает форма при последовательном прессовании плоской прессовой плитой или прессовым устройством с водяной подушкой. Высоту прессового хода, давление и продолжительность потока сжатого воздуха можно регулировать. Этим можно достигать оптимальную твердость формы для каждого случая применения [1].

Процесс Seiatsu позволяет увеличить соотношение высоты выступающих частей к их диаметру до 2:1. Это означает, что на многих участках стержни оказываются ненужными. При использовании встряхивающей формовочной машины с допрессовкой необходимо иметь угол наклона модели 1,5...2°, тогда как при Seiatsu - процессе уменьшается угол наклона до 0,5° и менее. При этом методе достаточная прочность смеси достигается и в том случае, если расстояние между стенками опоки и моделью или между двумя моделями будет меньше, чем при обычных методах. Благодаря этому в одной форме можно разместить большее число отливок или отливок более крупных размеров (рисунок 1).

Рисунок 1 - Твердость смеси в зависимости от размера кармана формы

Формы имеют равномерную плотность и высокую прочность [2]. Отклонение размеров отливки по сравнению с моделью очень невелико, так что имеется возможность изготовлять более легкие отливки с более тонкими стенками.

Для расчета фильтрации газа через литейную форму можно применять те же зависимости, которые используются в механике жидкостей и газов для описания фильтрации в пористой среде.

Наиболее известным уравнением для изотермической фильтрации газа в пористом слое является уравнение Лейбензона [3].

(1)

где - плотность потока воздуха, кг/м³;

k_г - коэффициент газопроницаемости слоя, ед;

m - пористость среды, ед ;

р - давление воздуха, Па;

х - координата слоя в направлении фильтрации;

t - текущее время, с.

При незначительных перепадах давления по толщине пористого слоя уравнение (1) имеет решение в виде формулы:

(2)

где p₁, p₂ - давление газа на входе и выходе из слоя соответственно, Па;

Н₀ - толщина уплотняемого слоя смеси, м.

Расход газа Q для данного случая (S - площадь поперечного сечения слоя, м²) определяется по формуле:

(3)

С повышением перепада давлений (0,5-0,6 МПа) по толщине слоя смеси необходимо учитывать сжимаемость газа. Тогда решение уравнения (1) для этих условий имеет вид:

(4)

а расход фильтрующегося через слой газа описывается уравнением

(5)

где - коэффициент газопроницаемости (для воздуха К_г = 210^-6 [м⁴/нс]);

- динамическая вязкость: (для воздуха = 0,0182 МПаЧс);

d - средний размер частиц твердой фазы, м.

Скорость воздуха при фильтрации, при которой наступает турбулентный режим, определяется из зависимости [4]:

(6)

где v - кинематическая вязкость (при t = 20°C;

v = 2,210^-5 м/с);

d_e - эквивалентный аэродинамический диаметр, м, определяемый по формуле [4].

(7)

Для наполнительной смеси из кварцевого песка К020 и пористости m = 0,5, D_e = 0,7510^-3.

При подстановке в формулу (7) численных значений получим значение скорости, выше которой имеет место турбулентный режим - _кр > 14,6 м/с.

Определим скорость фильтрации по формуле

м/с, (8)

где Н₀ - высота уплотняемого столба смеси (опока с наполнительной рамкой), м. Максимальная скорость фильтрации при значениях К_г=210⁶[МПаЧс], P₁=610⁵ Па; р₂=110⁵ Па; Н₀=0,4 м; m=0,5 составляет _ф=17,5 м/с. Формула (8) показывает, что скорость фильтрации изменяется по параболическому закону.

Сила межфазного трения может быть найдена из следующих зависимостей:

(9)

Максимальная сила межфазного трения получена из выражения (9) и равна F=4,3Ч10⁶ Н/м³. Из выражений (4) и (8) видно, что давление сжатого воздуха р и скорость по высоте опоки изменяются по параболическому закону, что подтверждается экспериментально.

По ладу формы, как и следовало ожидать, имеет место наибольшая потеря давления, а значит, большая часть энергии ушла на уплотнение, о чем свидетельствует наибольшее значение напряжения и, как следствие, плотности при любых значениях исходного давления. Окончательное уплотнение формы определяется давлением допрессовки.

Предложенные зависимости и опытные данные позволяют определить необходимые конструктивно-технологические параметры процесса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Максимов Е.В., Исагулов А.З., Куликов В.Ю. Механизм уплотнения слоя дисперсных частиц и особенности взаимодействия теплоносителя с ними // Материалы Международной научно-практической конференции, посвящ. 80-летию Е.А. Букетова (23-24 марта 2005). Караганда, 2005. С. 422-429.

3. Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А., Кузин А.В. Формовочные процессы. Л.: Машиностроение, 1987. 264 с.

4. Серебро В. С., Цвиткис Э. Ш., Лысенко Т. В., Давыдова Е. А., Соловьёва В. С. Повышение эффективности технологии литья в оболочковые формы // Литейное производство. 1991. № 9. С. 17-19.

Размещено на Allbest.ru