автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Гидравлическое моделирование и разработка методики расчета литниковых систем для чугунных отливок, изготовляемых в безопочных формах с вертикальной плоскостью разъема

р —' 1 / " - ^ 1 1;:; . ; ■

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

УДК 621.74

На правах рукописи

МЕШКОВ Валентин Павлович

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК. ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ В БЕЗОПОЧНЫХ ФОРМАХ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЬЮ РАЗЪЕМА

Специальность 05.16.04,- Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

- г -

Работа выполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства" Московского государственного технического университета "МАМИ".

Научный руководитель: лауреат Государственной премии СССР,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук,

I I

профессор, ¡Рабинович Б.В.1

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, В. С. Шуляк

кандидат технических наук, А.А.Минаев

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт технологии автомобильной промышленности (НИИГАвтопром)

Защита диссертации состоится " 24 " декабря 1998 г. в 14 часов на заседании Специализированного Совета К 063.49.02 при Московском государственном техническом университете "МАМИ" в ауд. Б-301 (105839, г. Москва, Б.Семеновская ул., 38).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан " 23 " ноября 1998 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета,

кандидат технических наук, профессор ^ ^ЯЗ. М. Зуев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматические формовочные линии для изготовления литейных безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема получили в настоящее время наибольшее распространение. При этом получение качественной отливки без спаев и недоливов, газовых и усадочных раковин, раздутия и неметаллических включений во многом зависит, как показывает производственный опыт, от правильности выбора и расчета конструкции литниковой системы.

Отечественными и зарубежными литейщиками методом гидравлического моделирования и в натурных условиях был поставлен ряд экспериментов, которые позволили сформулировать основные принципы построения рациональных литниковых систем. Однако, из-за большого многообразия конструкций литниковых систем, применяемых при получении отливок в безопочных формах с вертикальной плоскостью разъема, площади поперечных сечений их элементов при расчете по различным методикам колеблются в очень больших пределах, что приводит к повышенному браку и большим потерям времени и средств на отладку уже изготовленной литниковой системы непосредственно на производстве. Связано это с трудностями установления величин коэффициентов расхода в коротких и сложных по конфигурации каналах с путевым расходом потока на разных уровнях, а теоретически точных решений этих вопросов современная гидродинамика не дает. Поэтому установление зависимостей коэффициентов расхода от различных конструктивных и технологических параметров отдельных элементов литниковой системы по ходу движения потока в них и разработка инженерных методов расчета литниковой системы имеет актуальное значение и представляет практическую ценность.

Целью работы является повышение качества отливок путем рационального конструирования и расчета площадей сечений элементов литниковой системы безопочной формы с вертикальной плоскостью разъема с использованием результатов гидравлического моделирования поведения расплава в них.

Для достижения цели были поставлены и решены основные задачи исследования, в которые входили:

1. Определение теоретических и экспериментальных предпосылок учета транзитного расхода движения расплава в элементах

литниковой системы по высоте стояка с путевым расходом.

2. Установление экспериментальных зависимостей параметров движения расплава в многоэтажной литниковой системе, применяемой для форм с вертикальным разъемом при производстве чугунного литья, от конструктивных особенностей этой литниковой системы.

3. Исследование гидравлических сопротивлений элементов литниковых систем и определение величин коэффициентов расхода потока через питатели литниковых систем формы с вертикальной плоскостью разъема.

4. Определение соотношений площадей сечений элементов литниковых систем, обеспечивающих технологические режимы движения расплава в них.

5. Разработка методики расчета литниковой системы сырой лесчано-глинистой безопочной формы с вертикальной плоскостью разъема.

Научная новизна и результаты работы состоят в следующем:

- развиты теоретические представления о течении расплава в коротких, сложных по конфигурации каналах, с путевым расходом потока по высоте стояка, обеспечивающих одновременное заполнение полостей на разных уровнях, расчет которых следует производить с учетом транзитного потока;

- установлено, что коэффициент расхода потока из рассчитываемого питателя уменьшается с увеличением количества выше- и нижерасположенных питателей, что связано с увеличением потерь напора ответвление;

- выявлено, что в литниковых системах, имеющих боковой отвод из чаши и последующий стояк, при расчете площади сечения питателя необходимо учитывать потерю напора на поворот потока из горизонтального канала в стояк, который зависит от радиуса поворота №) и гидравлического диаметра стояка Шг.ст.). Установлена степенная зависимость коэффициента расхода из питателя от соотношения И/Юг. ст.;

- установлено, что коэффициент расхода из питателя увеличивается с увеличением соотношения площадей сечений стояка и питателя (Рст./Тп.), что связано с уменьшением скорости потока в стояке и уменьшением потерь напора. Визуальные наблюдения'за характером поведения потока в процессе гидравлического моделирования показали, что в литниковых системах, представляющих со-

бой короткие каналы со сложной конфигурацией, для устранения инжекции воздуха по высоте стояка должно соблюдаться неравенство: Гст. /¥п. > 1,2;

- установлено, что конусность стояка в литниковых системах для безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема в пределах от 0 до 2° практически не влияет на расход из питателей по высоте стояка и выполняется с целью устранения инжекции воздуха и газов из форш в верхнем его сечении в процессе заливки, а также экономии металла за счет снижения массы стояка;

- установлено, что при расчете литниковой системы необходимо учитывать влияние коэффициента сопротивления при входе потока в стояк из чаши, который составляет величину 0,2-0,3 при соотношениях И/Бг. ст. от 1,4 до 0,4;

- новизна технических решений подтверждена авторским свидетельством на изобретение.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета площадей сечений элементов литниковых систем безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема, которые позволяют обеспечить заполнение полостей формы в заданное время и с требуемым распределением расходов по питателям, и выданы рекомендации, которые позволяют повысить качество литых деталей, снизить брак литья и уменьшить цикл пусконаладочных работ при запуске новой номенклатуры отливок.

Реализация результатов работы. На основании выполненных исследований разработана программа расчета на ЭВМ литниковых систем для безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема. Результаты работы были опробованы на ЗИЛе на отливках "Гильза блока цилиндров", "Картер сцепления" и "Крышка подшипника дифференциала" и выданы рекомендации по проектированию литниковой системы. Инженерная методика расчета литниковой системы формы с вертикальной плоскостью разъема используется в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливки и в учебном процессе кафедры "Машины и технология литейного производства" Московского государственного технического университета "МАМИ".

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры "Машины и технология литейного производства" Московского государственного технического университета "МАМИ", технических совещаниях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Общий объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы, включающего 76 наименований, и приложения. Основная часть содержит 210 страницы машинописного текста, в которых 70 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе проведен аналитический обзор конструкций литниковых систем, применяемых для сырых безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема, и методик их расчета.

Конструкции литниковых систем для форм с вертикальным разъемом отличаются от традиционных литниковых систем, применяемых для форм с горизонтальным разъемом, а их многообразие создает дополнительные трудности по выбору оптимальной конструкции и расчету литниковой системы для конкретной отливки.

Анализ более чем 200 комплектов модельных плит для форм с вертикальной плоскостью разъема, применяемых на отечестве; г;;«х заводах, а также литниковых систем, рекомендованных к применению фирмой "ОКА", выявил типовые схемы расположения моделей на плите и конструкции литниковых систем, которые представлены на рис. 1.

Из всего многообразия конструкций литниковых систем можно выделить системы трех типов.

Первый тип литниковой системы осуществляет подвод металла в полости формы на одном уровне (рис.1,а-в). Метод расчета таких литниковых систем не отличается от принятого расчета для форм с горизонтальным разъемом и рассчитывается по известным методикам.

Второй тип литниковой системы осуществляет заливку полостей формы одновременно на всех уровнях (рис. 1,г-ж). Условием правильного функционирования таких систем является одновременный и одинаковый расход металла из всех питателей. Если нижние питатели подают металл в полость формы, а верхние не работают, это значит, что на данном уровне в стояке имеется разрежение и поток металла будет инжектировать газ из формы. Положительное давление в стояке и равномерный расход металла через отдельные питатели достигаются соответствующим уменьшением площадей сече-

Л

я»: Р1 ф.

«м ш- (П-

■»II (ТЬ' н» т-

т гч

ш ШР щз зэ-

Рис.1. Типовые схемы расположения моделей на плите.

ний стояка Тст." и питателей Тп." по мере увеличения их расстояния "ИГ' от зеркала металла в воронке (рис.1.г).

Третий тип литниковой системы обеспечивает последовательную подачу металла по этажам, начиная с нижнего (рис. 1,з-к), что возможно только в случае создания в стояке свободного уровня, образующегося:

а) восходящим потоком в обратных прямых стояках (рис. 1,з,и), уровень металла в которых зависит от высоты центрального сужающегося стояка и соотношения площадей сечений питателей и предыдущего "узкого" сечения - дросселя:

б) падающей струей в расширенном прямом стояке (рис.1,к). когда струя формируется насадком (в основании воронки), а уровень металла в стояке определяется высотой воронки с насадком и соотношением площадей сечений насадка и питателей.

Таким образом, анализ существующих конструкций литниковых систем, применяемых для получения чугунных отливок на автоматических формовочных линиях безопочной формовки с вертикальной плоскостью разъема, выявил тип литниковых систем с одновремен-

ным заполнением полостей на разных уровнях, расчет которых следует производить с учетом транзитного потока в стояке.

Анализ существующих методик расчета литниковых систем для безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема показал, что применяемые в технологии литейного производства методы определения площадей сечений элементов литниковых систем базируются на известном уравнении (1), выведенном из условия неразрывности потока:

т

-____; (1)

р*1;*д* (2йНр )0 ' 5

где: Гт j п - площадь минимального сечения,см2 т - масса отливки, г р - плотность расплава, г/см3 Ь - продолжительность заливки формы, с Нр - расчетный напор, см ц - коэффициент расхода системы, ё - ускорение свободного падения, см/с2.

Различные таблицы и номограммы, построенные на основе уравнения (1), и использующие практические данные аналогичных литниковых систем при назначении величин коэффициентов расхода через питатель рассчитываемой системы, хотя и не точный, отличается своей простотой и пригоден, как первое приближение при расчете площадей сечений элементов литниковой системы.

Более точный расчет площади сечения питателя в литниковой системе для формы с вертикальной плоскостью разъема по уравнению (1), выведенном на основе законов гидродинамики для неразрывного потока, представляет затруднения во-первых, из-за отсутствия данных о величинах коэффициентов местных сопротивлений (а следовательно, и коэффициентов расхода), которые могут быть получены только из опыта для каждого конкретного случая, и во-вторых, литниковая система формы с вертикальной плоскостью разъема очень часто обеспечивает равномерную раздачу потока по высоте стояка и в такой системе неразрывность потока нарушается, а следовательно, и применение уравнения (1) без учета разрывности потока неправомерно.

Таким образом, надежность и точность расчета проходных сечений элементов литниковой системы по существующим методикам зависит от правильного установления величин коэффициентов расхода, которые назначаются либо на основании данных гидравлических справочников, либо по соответствующим таблицам и номограммам, и не учитывают взаимного влияния потока в отдельных элементах литниковой системы друг на друга.

Во второй главе диссертации рассматриваются вопросы течения расплава в элементах литниковых систем с путевым распределением потока вдоль короткого канала по его высоте и выбора конструкции с заданным законом распределения.

Показано, что использование уравнения Бернулли теоретически представляется не вполне оправданным, так как интеграл Бернулли имеет смысл закона сохранения энергии и строго справедлив только для изолированных систем, не обменивающихся массой с другими системами и, следовательно, не учитывает энергетических эффектов, возникающих при отделении массы от иитика. В ряде случаев, как, например, при равномерном распределении потока по высоте стояка, это приводит к ошибкам в расчетах площадей сечений питателей.

Для учета энергетических эффектов, возникающих при отделении одного потока от другого, целесообразно исходить из уравнения сохранения энергии. Энергетический подход в определенной мере позволяет более правильно оценить взаимное воздействие отделившейся массы и основного потока. Рассмотрим вертикальный канал (рис.2.), по которому движется жидкость с расходом Qt, и от которого ответвляется поток с расходом Q3. Ниже ответвления расход жидкости составляет Q2.

Очевидно, что:

Q] = Q2 + Q3 (2)

Наличие сил трения в жидкости обуславливает:

а) неравномерное распределение скоростей в сечениях А-А. B-B, С-С;

б) передачу энергии жидкости от потока первого (Q)) к третьему (Q3);

в) диссипацию энергии, а следовательно, уменьшение полной энергии потока жидкости вдоль течения.

А . |qi _ А

----► Q3

В

! .с

* Q2

Рис.2. Расчетная схема.

Если допустить, что диссипация энергии мала, и ею можно пренебречь (будем учитывать обстоятельства только отмеченные выше в пп."а" и "б"), и считать, что энергия потока, в связи с потерями напора на ответвление, уменьшается по течению основного канала, согласно закону сохранения энергии можно написать:

Q;*He, = Qs*He2 + Q3*He3 (3)

где: Q - массовый расход,

Не1,г,з~ полный напор в сечениях А-А, B-B, С-С;

С учетом уравнения (2) для реального потока жидкости уравнение баланса энергии для сечений А-А и В-В запишем в виде:

Hej = Не2 + (He3-He2)*(Q3/Q1.) + Di (4)

Первое слагаемое в правой части уравнения (4) выражает ту часть работы, производимой вязкими силами, которая расходуется на формирование профиля скорости в нестабилизированном потоке жидкости.

Второе слагаемое в правой части уравнения выражает потерю энергии на ответвление, а третье - работу сил трения, отнесенную к единице массы жидкости, протекающей через сечение А-А. Величина "Dl" для квадратичной области сопротивления турбулентного движения должна зависеть от геометрической формы узкого канала, заключенного между сечениями А-А, В-В, С-С, а также от соотношения расходов Qj и Q3.

В том случае, когда расход "Q3" мал по сравнению с расходом "üj", вторым слагаемым в правой части уравнения (4) можно пре-

небречь. При этом мы получаем обычное уравнение Вернулли. В реальных литниковых системах расходы "0]" и "03" соизмеримы и поэтому применение уравнения Бернулли для их расчета не совсем оправдано.

В дифференциальной форме уравнение (4) примет вид:

а/с1х[г1 +Р, /Г+«1 V21 + (с№отв. /с1х)*(0С)ТВ /йдо отв.) + + сЗ!-^ т = 0 (5)

где: zi - энергия положения (потенциальная энергия), PiИ - энергия давления (потенциальная энергия), а, V2 í/2g - кинетическая энергия,

^отв. *(0отв/С1до от в) -энергия потерянная при ответвлении, Ь - механическая энергия, израсходованная на преодоление сопротивлений на пути от начального до конечного сечения,

й - коэффициент кинетической энергии (коэффициент Корио-лиса), представляющий собой корректив при исчислении удельной кинетической энергии по средней скорости в сечении. На практике обычно принимают для турбулентного потока с небольшими погрешностями й = 1,0. х - путь, пройденный потоком жидкости.

Решение этого уравнения выполнено для двух литниковых систем, показанных на рис. 3. и отличающихся друг от друга наличием транзитного потока по высоте стояка (рис. 3,6).

а) 1-

21?>

1 б)Ь«.

Н2

Нз

ш

— о

Рис. 3. Схема литниковой системы.

Площадь сечения питателя для литниковой системы с неразрывным потоком (рис.3,а) определится по уравнению:

и

Рп ------------ + а (6)

Ь * р * Ч.г

Для литниковой системы, изображенной на рис.3,б, площадь сечения питателя, с учетом ответвления потока, определится по уравнению:

ш Н - У32/28 рПг =----------„ {----------------------} + а (?)

г * р * у2 н3 + у22/2е - ч3г/2ё

Напор, потерянный при ответвлении [выражение в фигурных скобках в уравнении (7)], а также потери напора на преодоление сопротивлений на пути от начального до конечного сечения (ЕЮ, зависят от соответствующих коэффициентов местных потерь и скоростей потока.

Уравнение Бернулли, составленное относительно двух сечений: уровня в чаше и уровня верхнего сечения стояка (рис. 3,а). позволило определить условие предотвращения инжекции воздуха по высоте стояка. Решенное относительно (Рст. /Гл.), после преобразования, оно принимает вид:

Рот/Р„ > ШН/НЧ)*(1 Квх) -Свх - Х*(НСТ/0Г ст)]/[1 + Спов + Соуж+ Х*(1п/Ог.п)]}0-5 (8)

где: Н,НЧ,НСТ - расстояние от уровня в чаше до питателя, высота чаши и стояка; х • о в • Со у ж. X - коэффициенты местных потерь потока при входе в стояк, сужении и повороте в питателе и по длине стояка; ^г с т • Е>г п " гидравлический диаметр стояка и питателя; 1„ - длина питателя.

Расчет площадей сечений элементов литниковых систем с вер-

тикальным разъемом по уравнениям (6),(7),(8) является весьма затруднительным, так как литниковая система представляет собой сочетание сложных, коротких каналов с турбулентным течением расплавленного металла, потери напора в отдельных элементах которого оказывают взаимное влияние друг на друга, что, в конечном итоге, делает невозможным точное определение потерь при ответвлении, местных потерь и потерь по длине. Решить эту проблему позволяет метод гидравлического моделирования, который основывается на общности физической природы движения вязких несжимаемых жидкостей.

Третья глава посвящена разработке методики проведения экспериментальных исследований методом гидравлического моделирования с использованием установки гидромоделирования, разработанной на кафедре "Машины и технология литейного производства" Московского государственного технического университета "МАМИ". Установка обеспечивает постоянство расхода заполнения литниковой системы за счет использования принципа сосуда Мариотта.

В комплекс исследований литниковых систем входили следующие параметры: определение геометрических размеров, массового расхода. линейных скоростей течения жидкости, коэффициента расхода потока и давления в контрольных сечениях элементов литниковых систем, а также визуальное наблюдение за характером движения потока в элементах литниковой системы.

В качестве объектов исследования применяли модели из алюминия и бронзы, органического стекла и дерева, гипса и эпоксидной смолы со вставками из парафина. Прозрачные стенки моделей, выполненные из оргстекла или прозрачной рентгеновской пленки, позволяли визуально наблюдать за характером течения жидкости во всех элементах смоделированной литниковой системы.

С целью изучения влияния конструктивных параметров литниковой системы на расход из питателя была изготовлена из оргстекла универсальная модель литниковой системы, которая позволяла изменять уровень металла в чаше в пределах от 0 до 200 мм. площадь верхнего и нижнего сечения стояка в пределах от 0 до 8 см2 и его конусность за счет уменьшения площади нижнего сечения стояка, количество' питателей - от 1 до 10, площадь сечения питателей в пределах от 0 до 6 см2, место расположения питателей на стояке, который имел высоту 500 мм, и фиксировать давление

жидкости по высоте стояка в процессе экспериментов в семи точках с помощью батарейного пьезометра.

Прозрачные стенки модели позволяли визуально наблюдать за характером движения жидкости в элементах литниковой системы.

В основу экспериментальных исследований по отработке рациональных конструкций и соотношений площадей сечений элементов литниковых систем были положены основные требования, предъявляемые к последним и, в частности, во всех элементах литниковых систем при течении металла должно устанавливаться положительное давление во всех сечениях, во избежание инжекции воздуха и газов.

Четвертая глава посвящена исследованию литниковых систем методом гидравлического моделирования,

В первой части исследования производили проверку рекомендованных к применению фирмой 'ТОБА" литниковых систем для форм с вертикальным разъемом. Была изготовлена из органического стекла модель литниковой системы, рекомендованной для получения отливки "распределительного валика" и работа ее смоделирована на установке. Результаты экспериментов показали, что литниковая система, состоящая из чаши с боковым отводом от нее, стояка и пятью питателями по его высоте для заполнения пяти полостей, работает последовательно, с образованием свободного уровня в стояке: сначала идет интенсивное заполнение двух нижних полостей формы, затем, по мере заполнения нижних, начинают заполняться выше расположенные полости формы и в последнюю очередь заполняется самая верхняя полость. Такая заливка при данной конструкции литниковой системы ведет к повышенному браку литья, что связано с интенсивным замешиванием воздуха в металл за счет инжекции его в верхней части стояка. Этому же способствует возникновение воздушных "карманов" в литниковой системе сразу же после "колена" между горизонтальным каналом и стояком. Кроме того, воздух интенсивно замешивается в металл в свободном уровне в стояке, куда струя попадает раздробленной.

На Московском автозаводе им.И.А.Лихачева по действующим модельным плитам линии безопочной формовки с вертикальной плоскостью разъема для изготовления отливок "крышка подшипника дифференциала", "картер сцепления" и "гильза блока цилиндров" были изготовлены гипсовые отпечатки их и работа литниковой системы

также смоделирована на установке. Эксперименты выявили целый ряд существенных недостатков в работе литниковой системы (интенсивное замешивание воздуха в каналах и размыв формы) и эти недостатки хорошо объяснили те виды брака, который выявил предварительный анализ, а именно: повышенный брак по газовым раковинам и наличие засора.

Таким образом, описанные выше эксперименты показали необходимость изучения влияния конструктивных особенностей элементов литниковой системы на распределение потока в формах с вертикальным разъемом.

Исследование влияния размеров и конфигурации чаши на расход из питателя проводили в соответствии со схемой, представленной на рис.4. В процессе экспериментов высоту чаши изменяли, другие параметры литниковой системы оставляли неизменными. Эксперименты показали, что в литниковой системе, состоящей из чаши и стояка с питателями расположенными по его высоте, расход из питателя не зависит от высоты чаши или стояка в отдельности, а зависит от общей величины металпостатического напора (при условии положительного давления по высоте стояка). Лишь при очень низкой чаше начинает оказывать влияние горизонтальные составляющие скорости потока в чаше. Они создают вихревую воронку в чаше и из чаши засасывается воздух. В этом случае стояк будет незапол-нен и, следовательно, расход из питателя уменьшится.

Рис.4. Распределение пьезометрического давления

по высоте стояка при различной высоте чаши.

При анализе конструкций заливочных чаш литниковой системы для форм с вертикальной плоскостью разъема установлено, что зарубежные фирмы рекомендуют к применению и используют на своих заводах чашу грушевидной формы. С целью проверки работы чаши грушевидной формы и сравнения ее работы с сужающейся чашей были проведены экспериментальные исследования методом гидромоделирования, которые выявили недостатки в работе грушевидной чаши по сравнению с чашей конусной, а именно: осуществлять заливку и держать уровень в грушевидной чакс из-за узкого "горлышка" сложнее, чем в конусной, что ведет к снижению общего расхода из питателя при применении грушевидной чаши по сравнению с конусной.

Исследования влияния площади сечения стояка на расход из питателя проводили на модели из оргстекла, схема которой представлена на рис. 5.

В процессе экспериментов площадь сечения стояка изменяли, другие параметры литниковой системы в эксперименте оставляли неизменными. Опыты проводили при различных гидростатических напорах и площадях сечения питателя. По результатам экспериментальных исследований, методом статистического анализа была установлена зависимость влияния соотношения площадей сечений стояка и питателя (Рст.Л-п.) на коэффициент расхода из питателя:

= 1,05 - 0,256 / (Рст./Рп.)

(9)

408

308

20

Рис.5. Схема модели экспериментальной литниковой системы.

Визуальные наблюдения за характером поседения потока в процессе гидравлического моделирования показали, что в литниковых системах, представляющих собой короткие каналы со сложной конфигурацией, для устранения инжекции воздуха по высоте стояка должно соблюдаться неравенство: Рст. /Т"п. > 1,2

Таким образом, исследования показали, что площадь сечения питателя в литниковой системе с вертикальным разъемом должна определяться с учетом площади сечения стояка, который влияет на коэффициент расхода из питателя согласно уравнению (9).

Также в процессе исследования определяли коэффициент сопротивления при входе потока в стояк из чаши, который составлял величину: сЙХ = 0,2-0,3 для закругленных кромок и соотношениях Й/Т>г. ст. от 1,4 до 0,4. Методом статистического анализа была установлена зависимость влияния соотношения радиуса входа в стояк к гидравлическому диаметру стояка ШЛЗг.ст.) на коэффициент расхода из питателя:

Влияние поворота канала в литниковой системе и радиуса закругления канала на расход из питателя изучали на модели, схема которой представлена на рис. 6, а.

д2 = 0,863 + 0,035 * (Я/Рг.ст.)

(10)

а)

б) II

7

100 200 300 400 500

Пьезометрическое давление, мм

А

Рис.6. Схема литниковой системы.

Характер распределения пьезометрического давления по высоте стояка для различных вариантов отвода из чаши (рис.6, б) показал, что за счет наличия дополнительных сопротивлений по ходу движения потока (увеличение пути движения и дополнительный поворот) общие потери напора увеличиваются > Ь7.8) и давление по высоте стояка - снижается (линия АБВГ, по сравнению с линией АБ'В'Г' - при неизменном уровне в чаше), а, следовательно, наличие бокового отвода из чаши, горизонтального участка и колена в литниковой системе уменьшает расход из питателя по сравнению с расходом из того же питателя в литниковой' системе с нижним отводом из чаши.

Исследования проводили при различных гидравлических диаметрах стояка №г.ст. = 26-8 мм) и радиусах закругления колена между горизонтальным каналом и стояком № = 6-32 мм).

Зависимость коэффициента расхода из питателя (д) от соотношения радиуса закругления колена №) и гидравлического диаметра стояка фг. ст.) по результатам исследований, методом гидравлического моделирования после статистической обработки результатов анализа, имеет вид:

д3 = 1,08221 - 0,125871 * Иг. ст. / И (11)

Таким образом, в литниковых системах с несколькими стояками или с одним стояком, но с боковым отводом из чаши, для обеспечения равномерности расхода на одинаковых уровнях при расчете площадь сечения питателя необходимо учитывать потери напора на боковой отвод из чаши, который в каждом конкретном случае будет зависеть от конструктивных параметров отвода из чаши и радиуса закругления колена и определяться по уравнению (10).

Экспериментальные исследования влияния транзитного потока на расход из питателя проводились с целью установления возможности применения общего коэффициента расхода литниковой системы для расчета площади сечения конкретного питателя, как это предлагается некоторыми авторами, и установления влияния транзитного потока на расход из питателя. Методика исследований состояла в следующем: монтировали литниковую систему, состоящую из чаши, стояка и одним питателем с достаточным удалением от чаши, чтобы избежать влияния входа в стояк. Замеряли расход из питателя.

Затем в нижней части стояка проделывали отверстие, чтобы сообщить потоку ниже питателя некоторую скорость, имитируя ниже расположенный питатель, и опять замеряли расход из питателя. Эксперименты показали влияние скорости потока после питателя на расход из питателя. Аналогичные исследования проводили и по выявлению зависимости расхода из конкретного питателя при наличии вышерасположенного питателя. Зависимости коэффициента расхода из питателя от количества (п?) выше расположенных и количества (п„) ниже расположенных питателей с таким же расходом на основании статистической обработки экспериментальных данных могут быть описаны следующими уравнениями:

щ = 1 - 0,059471 * п;| (12)

дь = 1 - 0,021420 * Пт, (13)

где: п8,пк - количество соответственно выше- и нижерасположенных питателей, относительно расчитываемого питателя и находящихся на этом же стояке.

Таким образом, опыты показали, что для литниковой системы с несколькими работающими питателями по высоте стояка при расчете площади сечения конкретного питателя необходимо учитывать наличие выше- и нижерасположенных питателей и корректировать площадь их сечения с учетом транзитного потока.

С целью установления влияния величины конусности на расход из питателя были проведены специальные исследования на модели из органического стекла. В процессе экспериментов изменяли площади стояка в верхнем и нижнем его сечениях при сохранении других конструктивных параметров литниковой системы и фиксировали расход'из питателя и давление жидкости по высоте стояка. Экспериментальные исследования показали, что увеличение конусности от 0, 5 до 1,0 градуса, за счет уменьшения площади нижнего сечения стояка, приводит к некоторому увеличению расхода из питателя. Дальнейшее увеличение конусности стояка ведет к росту скорости потока в стояке и, следовательно, к увеличению потерь в системе. Поэтому при угле наклона стояка, равном одному градусу и больше, расход через питатели начинает уменьшаться и при уг-

ле, равном 2,0 градуса, достигает величины 96-98 %% от расхода при прямом стояке. В реальных литниковых системах форм с вертикальной плоскостью разъема угол наклона стояка не превышает двух градусов, а относительная величина изменения расхода из питателя в экспериментах при этих углах наклона стенки стояка мала по сравнению с величиной самого расхода и находится в пределах от +0,9 до -4,0 %%, поэтому при расчете литниковой системы изменением расхода можно пренебречь и считать, что при изменении угла наклона стояка в литниковых системах форм с вертикальным разъемом в пределах от 0 до 2 градусов расход из питателя практически не зависит от конусности стояка, и роль конусности сводится лишь к сохранению положительного давления по высоте стояка.

Пятая глава посвящена методике расчета литниковой системы формы с вертикальной плоскостью разъема на ЭВМ.

Проведенные экспериментальные исследования по выявлению зависимости величины площади проходного сечения питателя от конструктивных и технологических особенностей элементов литниковой системы формы с вертикальным разъемом позволили использовать их результаты при составлении программы расчета литниковой системы на ЭВМ. Основой программы расчета литниковой системы является уравнение (7) по определению площади сечения питателя, в котором напор, потерянный при ответвлении (выражение в фигурных скобках в правой части уравнения), а также потери напора на преодоление сопротивлений на пути от начального до конечного сечения (Eh), учитываются соответствующими коэффициентами: Hj =f (FCT./Fn.); j^=f(tBx)". n3=f (R/Dr.cr.); = f(nB);

Ms =f(nH), которые определяются по выше приведенным уравнениям. Тогда уравнение (7) принимает форму уравнения (1), где:

Я = *>Л.2*)1з*Н4*И5

Программа расчета литниковой системы была написана на языке программирования CLIPPER и используется в учебном процессе. Результаты работы использованы в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ конструкций литниковых систем и основных ее элементов, применяемых для безопочных форм с вертикальным разъемом, выявлены типовые конструкции литниковых систем, обеспечивающие различные варианты заполнения полостей форм, а именно: с одновременным или последовательным заполнением полостей на разных уровнях, что необходимо учитывать при разработке методики расчета литниковых систем.

2. Развиты представления о течении расплава в коротких, сложных по конфигурации каналах, с путевым расходом потока по высоте стояка, обеспечивающих одновременное заполнение полостей на разных уровнях, расчет которых следует производить на основании уравнения энергетического баланса с учетом транзитного потока и влияния на коэффициент расхода из питателя конструктивных особенностей литниковой системы, а именно: величины радиуса между стояком и чашей, наличия бокового отвода из чаши и величины радиуса между боковым отводом и стояком, соотношения площадей сечений стояка и питателя.

3. Для определения влияния конструктивных параметров была разработана методика и проведены экспериментальные исследования методом гидромоделирования литниковых систем в литейных формах с вертикальной плоскостью разъема. При этом изменяли конструктивные параметры литниковой системы и фиксировали технологические параметры движения потока. Результаты гидромоделирования обрабатывали методом статистического анализа на ЭВМ.

4. Установлена экспериментальная прямолинейная зависимость, в соответствии с которой коэффициент расхода расплава жидкости из рассчитываемого питателя уменьшается с увеличением количества выше- и нижерасположенных питателей, что связано с увеличением потерь напора на ответвления.

5. Выявлено, что в литниковых системах, имеющих боковой отвод из чаши и последующий стояк, коэффициент расхода зависит от радиуса поворота (К) и гидравлического диаметра стояка Фг.ст.). Установлена степенная экспериментальная зависимость коэффициента расхода из питателя от соотношения 1?Д)г. ст.

6. Методом гидромоделирования исследовано влияние конструкции литниковой системы на характер, продолжительность и порядок

заполнения полостей формы по ее высоте. Установлено, что при условии одновременного заполнения полостей формы с вертикальным разъемом, коэффициент расхода из питателя увеличивается при увеличении соотношения площадей сечений стояка и питателя (Рст./Рп.). Визуальные наблюдения за потоком в процессе гидравлического моделирования показали, что в литниковых системах, представляющих собой короткие каналы со сложной конфигурацией, для устранения инжекции воздуха по высоте стояка должно соблюдаться неравенство: Рст./Рп.> 1,2

7. Установлено, что конусность стояка в литниковых системах для безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема в пределах от 0 до 2° практически не влияет на расход из питателей по высоте стояка и выполняется с целью устранения инжекции воздуха и газов из формы в верхнем его сечении в процессе заливки, а также экономии металла за счет снижения массы стояка.

8. Установлено, что при расчете литниковой системы необходимо учитывать влияние коэффициента сопротивления при входе потока в стояк из чаши, который составляет величину 0,2-0,3 при соотношениях И/иг. ст. от 1,4 до 0.4.

9. На основании результатов исследований разработана инженерная методика расчета литниковой системы для литейных форм с вертикальной плоскостью разъема для условий одновременного заполнения этажей формы и составлена программа расчета таких литниковых систем на ЭВМ.

10. Результаты работы используются в учебном процессе кафедры "МиТЛП" университета, а также в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рабинович Б.В..Мешков В.П. Литниковые системы для форм с вертикальным разъемом.// Технология автомобилестроения., 1980г.. №8, с. 14-17.

2. Рабинович Б.В..Мешков В.П. Разработка рациональных конструкций. метода расчета и исследование литниковых систем для форм с вертикальным разъемом.// НИР № государственной регистрации 77047232, Б-963932. МАМИ, Москва. 1980 г.. 86 с.

3. Рабинович Б. В., Мешков В. П. и др. Литниковая система. //

Авторское свидетельство № 1207621. Заявка № 3767106 от 5.7.1984 г. Б.И. 1986 г., № 4.

4. Мешков В. П. Конструкции литниковых чаш и воронок для форм с вертикальным разъемом.// Литейное производство.1998 г. .№2-3, с. 10-12.

Мешков Валентин Павлович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК. ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ В БЕЗО-ПОЧНЫХ ФОРМАХ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЬЮ РАЗЪЕМА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Лицензия ЛР № 021209 от 17 апреля 1997 г. Подписано в печать /<?, /Л Заказ Л Тираж 70

Бумага типографская Формат 60x90/16

МГТУ "МАМИ". Москва, 105838 Б.Семеновская ул..38

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

На правах рукописи

МЕШКОВ ВАЛЕНТИН ПАВЛОВИЧ

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ В БЕ30П0ЧНЫХ ФОРМАХ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЬЮ РАЗЪЕМА

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук,

профессор I Б.В.РАБИНОВИЧ I

I_I

Москва - 1998

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................. 5

Глава 1. Аналитический обзор конструкций литниковых систем, применяемых для формы с вертикальным разъемом, и методик их расчета...................... 8

1.1. Особенности получения отливок в форме с вертикальной плоскостью разъема...................... 8

1.2. Анализ конструкций элементов литниковых систем для форм с вертикальным разъемом................ 10

1.2.1. Анализ конструкций литниковых заливочных чаш и воронок....................................... 14

1.2.2. Анализ конструкций стояков.................... 21

1.2.3. Анализ конструктивных исполнений шлакоуловителей........................................... 26

1.2.4. Анализ конструкций питателей.................. 29

1.2.5. Анализ конструктивных исполнений угола выхода потока из стояка.............................. 33

1.2.6. Анализ мест подвода металла к отливке......... 35

1.2.7. Анализ методов обеспечения необходимой вентиляции формы с вертикальной плоскостью разъема. 35

1.3. Анализ существующих методик расчета литниковых систем для форм с вертикальным разъемом......... 39

1.4. Постановка задачи и цель работы................. 64

Глава 2. Теоретический метод расчета литниковых систем

для форм с вертикальной плоскостью разъема...... 65

Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований............................................. 80

Глава 4. Исследование литниковых систем методом моделирования........................................... 88

4.1. Исследование работы литниковой системы, рекомендованной к применению фирмой "01ЗА" для отливки "распределительный валик"....................... 88

4.2. Исследование работы литниковой системы отливки "крышка подшипника дифференциала"............... 99

4. 3. Исследование влияния конструктивных особенностей

элементов литниковой системы на расход из питателей........................................... 123

4.3.1. Влияние размеров и конфигурации чаши на расход

из питателя................................... 124

4.3.2. Влияние площади сечения стояка на расход из питателя...................................... 134

4.3.3. Влияние поворота канала в литниковой системе и радиуса закругления канала на расход из питателя........................................ 146

4.3.4. Влияние транзитного потока в стояке на расход

из питателя................................... 165

4.3.5. Влияние конусности стояка на расход из питателя............................................ 173

Глава 5. Методика расчета литниковой системы формы с вертикальной плоскостью разъема на ЭВМ............. 179

5.1. Исходные данные для составления программы расчета.............................................. 179

5. 2. Описание программы расчета литниковой системы... 185 Глава 6. Основные результаты работы и выводы............. 190

Литература...................................... 193

Приложения...................................... 200

3, Программа расчета на ЭВМ литниковой системы формы с вертикальным разъемом со стояком с

верхним заполнением.......................... 200

2. Акт внедрения................................ 210

Введение

В современных условиях важной задачей машиностроения является улучшение качества продукции, экономия материалов и энергоресурсов, в связи с этим определились новые направления роста производства металлопродукции. Металлы сохраняют и в ближайшее время еще сохранят главенствующее положение в качестве основного материала для машиностроения. Именно поэтому, главная особенность дальнейшего развития литейного производства - это повышение качества металлов на всех стадиях его получения и снижение брака отливок. Немалую долю брака составляют причины связанные с литниковой системой.

Отечественными и зарубежными литейщиками методом гидравлического моделирования и в натурных условиях был поставлен ряд экспериментов, которые позволили сформулировать основные принципы построения рациональных литниковых систем. Однако, из-за большого многообразия конструкций литниковых систем, применяемых для получения отливок в безопочных формах с вертикальной плоскостью разъема, площади поперечных сечений их элементов при расчете по различным методикам колеблются в очг^т. больших нределал, ни пркшидт л ниВЫШбппиМу браку И боЛЬШИМ потерям времени и средств на отладку уже изготовленной литниковой системы непосредственно на производстве. Связано это с трудностями установления величин коэффициентов расхода в коротких и сложных по конфигурации каналах с путевым расходом потока на разных уровнях, а теоретически точных решений этих вопросов современная гидродинамика не дает.

Таким образом, установление зависимостей коэффициентов расхода от различных конструктивных и технологических параметров отдельных элементов литниковой системы по ходу движения потока в них и разработка инженерных методов расчета литниковой системы, основанной на экспериментальных исследованиях, имеет актуальное значение.

Целью работы является повышение качества отливок путем рационального конструирования и расчета площадей сечений элементов литниковой системы безопочной формы с вертикальной плоскостью разъема с использованием результатов гидравлического моделирования поведения расплава в них.

Для достижения цели были поставлены и решены основные задачи исследования, в которые входили:

1. Определение теоретических и экспериментальных предпосылок учета транзитного расхода движения расплава в элементах литниковой системы по высоте стояка с путевым расходом.

2. Установление экспериментальных зависимостей параметров движения расплава в многоэтажной литниковой системе, применяемой для форм с вертикальным разъемом при производстве чугунного литья, от конструктивных особенностей этой литниковой системы.

3. Разработка методики расчета литниковой системы сырой песчано-глинистой безопочной формы с вертикальной плоскостью разъема.

Научная новизна и результаты работы состоят в следующем:

- развиты теоретические представления о течении расплава в коротких, сложных по конфигурации каналах, с путевым расходом потока по высоте стояка, обеспечивающих одновременное заполнение полостей на разных уровнях, расчет которых следует производить с учетом транзитного потока;

- установлена зависимость коэффициента расхода потока из рассчитываемого питателя от конструктивных особенностей литниковой системы, применяемой для сырых песчано-глинистых форм с вертикальной плоскостью разъема.

- новизна технических решений подтверждена авторским свидетельством на изобретение.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета площадей сечений элементов литниковых систем безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема, которые позволяют обеспечить заполнение полостей формы в заданное время и с требуемым распределением расходов по питателям, и выданы рекомендации, которые позволяют повысить качество литых деталей, снизить брак литья и уменьшить цикл пусконаладочных работ при запуске новой номенклатуры отливок.

На основании выполненных исследований разработана программа расчета на ЭВМ литниковых систем для безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема. Результаты работы были опробованы на ЗИЛе на отливках "Гильза блока цилиндров", "Картер сцепления" и "Крышка подшипника дифференциала" и выданы рекомендации по проектированию литниковой системы. Инженерная методика расчета литниковой системы формы с вертикальной плоскостью разъема используется в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливки и в учебном процессе кафедры "Машины и технология литейного производства" Московского государственного технического университета "МАМИ".

Работа выполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства" Московского государственного технического университета "МАМИ".

Глава 1. Аналитический обзор конструкций литниковых систем, применяемых для форм с вертикальной плоскостью разъема, и методик их расчета.

1.1. Особенности получения отливок в форме с вертикальной плоскостью разъема.

Метод безопочной формовки с вертикальной плоскостью разъема имеет ряд технологических особенностей формирования отливок, по сравнению с технологией формовки с горизонтальным разъемом.

При относительно небольшой металлоемкости, форма с вертикальным разъемом имеет повышенное значение металлостатического напора по сравнению с формой с горизонтальным разъемом. Это приводит к возрастанию энергии потока, к возникновению турбулентности и дополнительному насыщению металла воздухом, газом и неметаллическими включениями ( из-за эррозии формы ), а также к повышенному пригару, особенно на нижерасположенных отливках.

Большая энергия потока заставляет, где это возможно, подводить металл в полость формы снизу, что снижает коэффициент использования модельной плиты и уменьшает выход годного.

Высокая степень уплотнения, необходимая для создания прочности литейной формы, вызывает потребность в создании хорошей вентиляции, как полостей формирующих саму отливку, так и полостей каналов элементов литниковой системы.

Важным моментом, при расположении большого числа полостей в разъеме формы, является то обстоятельство, что литниковая система не должна создавать помех для вентиляции формы или делать ее малоэффективной, так как при этом варианте возникают так называемые "мертвые зоны", полностью перекрытые жидким металлом и не соединенные с вентиляционной системой формы (см.далее).

Не менее важным моментом при применении форм с вертикальной плоскостью разъема является трудность, связанная с возможностью питания отливки прибылями, так как установить их можно только в верхней по разъему части отливки, в то время как нижние металлоемкие части отливки испытывают дефицит в питании. При формовке с горизонтальной плоскостью разъема, если необходимо питание отливки, прибыль можно расположить с пяти сторон относительно отливки из шести.Только снизу прибыль будет не эффективна. При формовке же с вертикальной плоскостью разъема, опять же если необходимо питание отливки, прибыль можно расположить только с трех сторон из шести.

В случае расположения в форме большого числа полостей, они располагаются поэтажно по высоте стояка и условия формирования отливок, за счет различного металлостатического напора, будут неравнозначными, что сказывается на качестве отливок и их размерной точности. При таком варианте размещения полостей в форме с вертикальной плоскостью разъема вдоль стояка возможно заполнение их металлом как одновременно по всем этажам, так и последовательно снизу вверх.

При заливке форм с вертикальной плоскостью разъема предъявляются повышенные требования и к качеству металла по шлако-

вым включениям. Это связано с особенностью шлакоулавливания в литниковой системе, где эти функции в большей степени отводятся щелевым питателям из-за невозможности другим способом уловить шлак, а щелевой питатель, в свою очередь, заставляет заливать металл при повышенной температуре заливки, чтобы избежать замерзания в нем металла.

Вышеперечисленные особенности формирования отливок в форме с вертикальной плоскостью разъема поставили перед литейщиками ряд вопросов, результатом решения которых явилось большое многообразие конструкций элементов литниковых систем и методик их расчета, применяемых как у нас в стране, так и за рубежом.

1.2. Анализ конструкций элементов литниковых систем для форм с вертикальным разъемом.

В литейных цехах за последние годы получили широкое применение автоматические линии для изготовления безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема. Различные модификации этих автоматических формовочных линий, как зарубежного, так и отечественного производства, модели 2013, 2032, 2070 фирмы "DI-SA", модели 7058 конструкции НИИТАвтопрома, модели АЛ-2002 и АЛ--23714 конструкции Харьковского филиала ВНИИЛИТМаша, установлены в литейных цехах многих заводов: ЗИЛ, ГАЗ, ВАЗ, КАМАЗ, Харьковский завод "Серп и молот" и др.

Конструкции литниковых систем для форм с вертикальным разъемом отличаются от традиционных литниковых систем, применяемых для форм с горизонтальным разъемом, а их многообразие создает дополнительные трудности по выбору оптимальной коне-

- и -

трукции и расчету литниковой системы для конкретной отливки.

Факторы, оказывающие влияние на конструкцию литниковой системы, могут быть выражены различными способами. Необходимо оценить условия, оказывающие влияние на поток металла с тем, чтобы свести до минимума влияние газов и контролировать поток металла.

Большое значение при проектировании литниковой системы имеют экономические соображения и, как правило, они касаются допустимых размеров полости формы и элементов литниковой системы, а также текучести металла.

Необходимо учесть и факторы, относящиеся к данному типу отливок (геометрия отливки, ее расположение в форме, наличие стержней, необходимость прибылей, потребная чистота и точность отливки и т.д.).

В настоящей главе проделан анализ различных конструкций элементов литниковой системы для форм с вертикальным разъемом, применяемых на отечественных заводах, а также литниковых систем, рекомендованных к применению фирмой "ШВА".

Анализ более чем 200 комплектов модельных плит для форм с вертикальной плоскостью разъема выявил типовые схемы расположения моделей на плите и конструкции литниковых систем, которые представлены на рис. 1.1.

Из всего многообразия конструкций литниковых систем можно выделить системы трех типов [54].

Первый тип литниковой системы осуществляет подвод металла в полости формы на одном уровне (рис.1.1.а-в). Метод расчета таких литниковых систем не отличается от принятого расчета для форм с горизонтальным разъемом и рассчитывается по методикам

предложенным в работах [46,62].

Второй тип литниковой системы осуществляет заливку полостей формы одновременно на всех уровнях (рис.1.1.г-ж). Условием правильного функционирования таких систем является одновременный и одинаковый расход металла из всех питателей. Если нижние питатели подают металл в полость формы, а верхние не работают, это значит, что на данном уровне в стояке имеется разрежение и поток металла будет инжектировать газ из формы. Положительное давление в стояке и равномерный расход металла через отдельные питатели достигаются соответствующим уменьшением площадей сечений стояка "Рст." и питателей 'Тп." по мере увеличения их расстояния "Н" от зеркала металла в воронке (рис.1.1.г):

Рст. (1) / Рст. (3) - ( Н3/ Н^)0'5 (1.1)

Рп. (2) / Рп. (3) = К*( Н3/ Н2)0'5 (1.2)

где: К - коэффициент, учитывающий неравномерность расхода металла.

Третий тип литниковой системы обеспечивает последовательную подачу металла по этажам, начиная с нижнего (рис.1.1.з-к), что возможно только в случае создания в стояке свободного уровня, образующегося:

а) восходящим потоком в обратных прямых стояках (рис.1.1.з,и), уровень металла в которых зависит от высоты центрального сужающегося стояка и соотношения площадей сечений питателей и предыдущего "узкого" сечения - дросселя;

а)

5)

9

3)

п I

4-- 1 -н

1—'

таш

Рис.1.1.Типовые схемы расположения моделей на плите и конструкции литниковых систем форм с вертикальной плоскостью разъема.

б) падающей струей в расширенном прямом стояке (рис.1.1.к), когда струя формируется насадком (в основании воронки), сужающимся гю соотношению (1.1), а уровень металла ъ стояке определяется высотой воронки с насадком и соотношением площадей сечений насадка и питателей.

Как видно из рис.1.1., литниковые системы (г-ж) занимают меньше места на модельной плите и имеют меньшую массу, чем системы (з-к), однако последние обеспечивают лучшее качество отливок.

Анализ различных конструкций элементов литниковых систем для форм с вертикальным разъемом производился по следующим элементам: литниковая чаша (воронка), стояк, шлакоуловитель, питатели, угол выхода из стояка, место подвода металла к отливке и вентиляция формы.

1.2.1. Анализ конструкций литниковых заливочных чаш и воронок.

Анализ и классификация конструкций заливочных чаш производился по их конфигурации, а также по способу отвода металла из приемной чаши.

При изучении чертежей модельных плит заводов и инструктивных материалов фирмы "БХвА" было выявлено большое многообразие конструктивного исполнения литниковых чаш, но принципиально они сводились к трем основным группам: чаши расширяющиеся по ходу движения металла (рис. 1.2.а), чаши сужающиеся (рис.1.2.б) и чаши прямые (рис.1.2.в). Каждая группа чаш имеет свои преимущества и недостатки. Чаша сужающаяся имеет меньшую

мет�