автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и исследование центробежно-планетарных смесителей проходного типа для приготовления формовочных смесей

ж иска0Д)сударственная Авиационная Технологическая Академия 1 У ' На правах рукописи

Соседов Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ПРОХОДНОГО ТИПА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.16.04 - литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинская Государственная Авиационная Технологическая Академия

На правах рукописи

1(1

Соседов Сергеи Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-ИЛАНЕТАРНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ПРОХОДНОГО ТИПА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.16.04 - литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Рыбинской Государственной Авиационной Технологической Академии

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Серебряков Сергей Павлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Матвеенко И.В. Кандидат технических наук, доцент Токарев В.А.

Ведущее предприятие: ОАО "Рыбинские моторы".

Защита состоится 1 июля 1998 г. в 12Рв на заседаншщиссертационного совета К 064.42.02 Рыбинской государственной авиационной технологической академии

Адрес: 152934, г. Рыбинск, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, РГАТА. Тел, (0855) 520990 Факс (0855) 528688.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАТА

Автореферат разослан ... мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванов Ю.Н.

Актуальность работы. Повышение качества отливок, получаемых в разовых песчаных формах, является важной и актуальной задачей. Более половины брака и несоответствия отливок техническим условиям возникает по "вине" литейной формы. При этом качество литейной формы зависит в многом от свойств формовочных и стержневых смесей. Применяемое в настоящее время в действующих литейных цехах смссс-приготовительное оборудование не в полной мере отвечает требованиям современного производства, которое требует получения смесей с высоким комплексом технологических и прочностных свойств и содержащих минимальное количество связующих материалов.

Повышение качества эффективности работы литейного смесепри-готовительного оборудования связано с совмещением операций активации компонентов, их смешивания, создания структур смесей [-ранульно-го типа; улучшением адгезионно-когезионных свойств смесей. Такие эффект!,! достигаются в современных энергоемких видах смешивания : вихревом; центробежно-планетарном; центробежно-лопаточном.

Актуальность рассматриваемой диссертационной -работы подтверждается тем, что опубликованные варианты конструкций центро-бежно-планетарных смесителей проходного типа как правило неработоспособны в режимах, необходимых для приготовления формовочных или стержневых смесей. Во многом это связано с отсутствием теоретических концепций на процесс центробежно-планетарного смешивания.

Цель работы. Разработка концепции на процесс центробежно-планетарного смешивания и исследование технологических и конструкторских решений смесителей непрерывного действия центробежно-планетарного типа, обеспечивающих получение формовочных и стержневых смесей с комплексом высоких технологических и прочностных свойств для условий мелкосерийного и массового производства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

I - Исследование процесса смесеприготовления в цетробежно-

планетарных смесителях проходного типа и создание физической и математической модели изучаемого процесса;

II - Разработка методики расчета и проектирования центробежно-планетарного смесителя.

III - Разработка и изготовление промышленного образца смесителя для чугунолитейного цеха АО "Рыбинские моторы".

Научная новизна:

- установлены основные закономерности движения частиц смеси i рабочей камере центробежно-планетарного смесителя проходногс типа, установлено положение свободной поверхности смеси;

- разработаны основные положения физической и математической мо делен движения смеси в центробежно-планетарном смесителе;

- разработана критериальная методика расчета и проектирования цеп тробежно-планетарпых смесителей;

Практическая ценность:

- создана инженерная методика расчета и проектирования центробеж-но-планетарных смесителей и разработана программа "centr2";

- спроектирован и изготовлен промышленный образец центробежно-планетарного смесителя проходного типа, эксплуатируемый в ц. 4£ АО "Рыбинские моторы";

- проведены лабораторные и промышленные испытания разработанного смесителя на приготовленных формовочных и стержневых смесял различных составов. Установлено, что использование смесителей данного типа приводит к экономии связующих материалов более чем на 20%, позволяет снизить брак по "ужимннам" на 50 ~ 80%.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях в Рыбинске (1991 г. и 1993 г.), Чебоксарах (1992 г.), Москве (1993 г.), Ульяновске (1995 г.).

Моделирующая установка демонстрировалась на Всероссийской выставке "Авнадвигагель-94" (г. Москва 1994 г.).

По теме работы выполнялись совместные исследования с АО "Рыбинские моторы" и ЦНИИТМАШ (г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 1 авторское свидетельство и 1 заявка на патент.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в разработке методики экспериментов, создании модели свободной поверхности дозы материала в рабочей камере центробежно-планетарного смесителя, разработке методики проектирования центробежно-планетарного смесителя непрерывного действия, разработке конструкции рабочих камер ЦП-смесителя, организации работ по проектированию, изготовлению и монтажу промышленного ЦП-смесителя проходного типа, самостоятельном выполнении экспериментов, разработана программа расчета и корректирования ЦП-смесителей проходного типа «сепег. 2».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 167 страниц машинописного текста, 52 рисунка, 4 таблицы, библиографию из 112 позиций.

Основное содержание работы

Во введении раскрыта актуальност ь работы, поста плена цель исследований, сформулирована научная задача, приведены научные положения и основные результаты, полученные "в ходе исследований.

В первой главе выполнен анализ литературных данных по способам смесеприготовления и конструкциям смесителей.

По стабильности свойств получаемых смесей, удельной производительности (отношение производительности к массе машины), надежности, удобству в обслуживании, возможности автоматизации, смесите ли непрерывного действия являются более предпочтительными, чсч порционные агрегаты. Однако смесители непрерывного действия выпускаются промышленностью в основном с большой проектной производительностью 10-200 т/ч. Для ряда смесей требуются простые по конструкции рабочего пространства, гибкие в управлении и надежные в работе смесители непрерывного действия. Это относится прежде всего к приготовлению сырых и пластичных самотвердеющих смесей.

В центробежно - планетарном смесителе перемешиваемый мате-ппяи находится в рабочей камере, выполненной в виде тела вращения, которая приводится во вращательное движение относительно собственной оси (со скоростью с>!) и относительно внешней оси - водила (со скоростью со о). При этом центробежные силы, действующие на материал с камере, много больше силы тяжести.

Из анализа литературных данных видно, что обработка формовочных материалов и приготовление смесей в центробежно-планетарных аппаратах в сравнении с другими видами смесителей создает возможность получения новых эффектов в производстве : снижение расхода связующих, повышение оборачиваемости смесей. Однако указанные исследования выполнены на лабораторном оборудовании порционного типа Попытки разработать литейные центробежно-планетарные смесители непрерывного действия недостаточно удачны, так как выполнялись бе' анализа рабочего процесса этого оборудования. Технологические режимы известных конструкций ЦП-смесителей малоизучены, смесители имеют отдельные приводы вращения рабочих камер и водила, что усложняет конструкцию. Поэтому данные машины в литейном производстве не применяются.

Во второй главе разработана физическая модель свободной поверхности дозы смеси в проходной рабочей камере ЦП - смесителя. Распределение дозы смеси в объеме камеры определено путем моделирования рабочего процесса в прозрачных рабочих камерах лабораторной модели ЦП - смесителя. Эта модель смесителя является оригинальной разработкой автора. При фотографировании дозы оси водила и камер находились в плоскости съемки.

Расчет положения свободной поверхности дозы в плоскости осей вращения водила и камер выполнен по уравнению:

Н=о>о2-г2/(2ё), (1)

где Н - высота, г - радиус, м, и о - скорость вращения водила, рад/с, % - ускорение силы тяжести, м/с2.

Формула является уравнением параболы, образующей параболоид вращения при скорости вращения камеры 0)1=0. Так как в работах С.П. Серебрякова [2] установлено, что со|2<о>о2 в 4 раза, а гг<го2 (здесь п и го -радиусы камеры и водила, соответственно) в 4-9 раз, погрешность расчета кривой состояния равновесной поверхности материала в ЦП-камере по формуле (I) менее 8 % .

Сравнение результатов расчета по выражению (I) и экспериментальных кривых положения свободной поверхности головной части дозы показывает следующее:

а) во всех случаях экспериментальные кривые более пологие, чем расчетные;

б) угол между экспериментальной и расчетной кривыми у составляет при юо= 50 рал/с - 4°, при 40 рад/с - 6°, при 30 рад/с - 11°, т.е. увеличивается при уменьшении скорости вращения. Причем указанные величины углов больше погрешности выражения (1), но существенно меньше угла внутреннего трения материала.

Такая погрешность допустима при проектировании рабочих камер ЦП-смссигеля.

Определялось положение дозы материала в камере ЦП-смесителя при порционном режиме работы (без подачи и вывода материала), которое показало результаты, практически соответствующие проходному режиму. То есть, в проходном режиме свободная поверхность дозы материала располагается в камере так же, как и в порционном режиме. По-видимому, это связано с тем, что поток материала вдоль оси камеры многократно меньше потока в плоскости, перпендикулярной оси. Указанное положение потребовало дополнительного теоретического анализа.

В третьей главе выполнены теоретические разработки по положению свободной поверхности дозы вдоль оси камеры, определению О -расхода материала в камере в плоскости вращения и расчету N - мощности, потребляемой дозой смешиваемого материала.

В процессе перемешивания зернистого материала в ЦП - камере происходит поступательное и вращательное движение частиц слоя смеси по неподвижной относительно камеры части дозы. Подвижный слой находится в псевдоожиженном состоянии. В результате действующих на частицы слоя сил устанавливается положение свободной поверхности неподвижной части дозы, при котором в плоскости вращения поверхность составляет с направлением силы угол обрушения, а вдоль оси камеры - угол у (относительно равновесного состояния дозы при нулевой производительности вдоль оси камеры СЫ, зависит от соотношения:

у = ап^—^ , (2)

иФ

Здесь \>с и 1-ф - скорости движения потока материала вдоль оси и в плоскости вращения соответственно. Так как 1, реальная вели-

чина утла у<1°.

Поток материала С2, перемещающийся в рабочей камере при ее вращении вокруг водила, пропорционален плотности смеси р в непод-

вижной части дозы, скорости вращения камеры относительно водила он, высоте камеры Н и площади части зафузки Aq = f((3), выходящей за предел свободной поверхности дозы при повороте камеры на угол d(3:

Q = jAq-dp, (3)

2л í

то есть материал неподвижной части дозы при вращении камеры выходит за предельное равновесное состояние - за поверхность М, где силы, действующие на материал, приводят его в движение. Движение может происходить в виде свободного полета частиц и в виде скольжения потока материала по свободной поверхности М. Кратность перемещения материала q за один оборот камеры обратно пропорциональна о тносительной площади ш дозы в камере:

q = 2k-Q / (р - coi • Н • т). (4)

Как показано П.Н.Аксеновым, в гравитационном барабане мощность, затрачиваемая на перемешйвшше сыпучей загрузки, складывается из мощности, необходимой на перемещение неподвижной части загрузки в неравновесное состояние Ni и на придание загрузке кинетической энергии N2. По аналогии с указанным, определяется мощность, потребляемая ЦП-смесителем.

Мощность Ni определим как интеграл:

N,=p-H-J(A-V)dm. (5)

о

Произведение ускорения на скорость A-V в (5) для произвольной точки дозы имеет вид:

А ■ V = го • ri • соо • coi • (00 + coi) • sin р. (6)

С учетом того, что величина m может быть определена по выражению:

ю

где гз - текущий радиус свободной поверхности дозы, N1 определяется по формуле:

с

Ы, = р • Н • г0 -сОд-ш, -(а)0 +со,)-](г,2 -г32)-5тРс1[3. (8)

в

Мощность N2 для материалов в ЦП-камере определим как произведение расхода потока материала на скоростной напор:

N,=(2-^/2. (9)

Здесь Уот - средняя скорость движения потока на сходе с поверхности М.

Разработана программа «ссп!г2», позволяющая при заданных ©о, £01, го, Г), (2, ре, ш, Н, р рассчитать границу неподвижной части дозы, траектории полета материала в камере, здесь же определяется у - угол между свободной поверхностью дозы и её равновесным положением (при С>с = 0), а также характеристики подвижной части дозы и компоненты мощности смешивания. Данная программа обобщает алгоритмы расчета неподвижной части дозы, полета частиц материала при его сходе с поверхности. По этой про1раммс рассчитывались параметры проходных смесителей при их проектировании и отладке.

В четвертой главе с использованием описанной в главе 3 математической модели разработаны основы методики проектирования ЦГ1-смесителей непрерывного действия.

На основе анализа кинематических схем одноступенчатых планетарных передач выбраны наиболее приемлемые для ЦП-смесителей непрерывного действия виды передач, например, для многокамерного смесителя из зубчатых передач возможен только один вариант.

Выполнен анализ конструктивных схем проходных рабочих камер ЦП - смесителей. Выявлена возможность повышения технологических

качеств смеси за счет придания сферичности гранулам смеси в выходном раструбе камеры в процессе их качения по образующей. На конечном этапе смешивания обкатка поверхности зерен о гладкую поверхность раструба приводит к более равномерному покрытию зерен связующим и уменьшению шероховатости поверхности зерен. Предложено аналитическое выражение для расчета длины образующей конического раструба.

Выполнен анализ конструкций многокамерных смесителей на предмет компактности размещения камер. Определено, что три и более камер эффективно используют объем смесителя.

Представлена номограмма для неавтоматизированного расчета относительных размеров камер, в которой при заданных угле обрушения смеси, относительной загрузке камеры т, относительном радиусе камеры Кг =Г1/го, определяется относительный радиус выходного отверстая 5Г = г,./Г| (гв - радиус выходного отверстия).

Связь между производительностью смесителя О, циклом смешивания (ц, количеством камер п, плотностью материала р и объемом камеры \'к определяется соотношением :

Здесь К„=Шп - отношение высоты камеры к ее радиусу, с учетом загрузки, заполняющей верхнюю и нижнюю конические части камеры. Величина Кн принимается 1...3.

Из (10) и (1!) величина радиуса камеры п :

Ук = С> • 1« / (т ■ п ■ р).

(10)

Объем камеры связан с ее размерами : Ук = я-Кн тЛ

(П)

(12)

С учетом принятого количества камер п определим радиус водила

го:

'о = / к г

Здесь Кг = 0.47...0.58 для трех и более камер.

После коррекции величин п, Ги, расчет камеры повторяется и уточняются ее размеры и размеры горловин.

Экспериментально были определены для различных смесей величины К8, необходимые для проектирования ЦП-смесителя. Их значения приведены в таблице. С использованием К8 при известных го и п определим скорость вращения водила По:

где Кп= -0.5 определен экспериментально.

Параметры движения дозы смеси в рабочей камере и мощность, потребляемая смесителем , рассчитываются по программе «ссн1г2».

Выполнен анализ конструкции загрузочно - распределительных устройств открытого и герметичного типов. Открытые устройства допускают выброс части сухих фракций ингредиентов из смесителя в момент загрузки за счет вентиляционного эффекта, поэтому их использование ограничено. Расчеты конфигурации загрузочного устройства герметичного типа по условию отсутствия «залипания» материалов показали, что минимально возможное количество рабочих камер смесителя - 4.

(14)

и скорость вращения камер:

(15)

Таблица.

Составы и условия приготовления формовочных н стержневых смесей в

ЦП-смесителе

Состав, %, основа - Условия Свойства

кварцевый песок приготовления

1К02

Связующ Добавки т, мин кв Сем, кПа К

ее

1. Глина Вода 3% 0.5 35 50 200

БМТ 5% 1.0 35 53 250

0.5 42 55 205

!.() 42 58 270

2. Смола 1.0 22 Ор

СФП- 300

ОИЛ-3%

3. КБЖА Води р-р 1.0 34 оР 200

4% КО 50% 2200

1.5% ' ЫаМОз-0.2%

4. Ацетат 1.0 28 244 160

Жидкое ЭТГ ор

стекло 0.35 4700

(1=2.4

3.5%

5. КФ- Хрома- 0.7 22 244 180

Ж-Л-3% трон 0.5% Ор 1000

ч

Изложенная методика проектирования проходных ЦП - машин использована при разработке лабораторного и промышленного смесителей. Промышленный смеситель ЦПН имеет массу 780 кг, размеры 1 х 0,95 х 1,6 м, производительность до 2 т/ч и мощность двигателя 19 кВт. Смеситель смонтирован в чугунолитейном цехе и испытан при производстве стержневой и формовочной смесей.

В пятой главе приведены результаты определения рабочих характеристик смеси гелей и технологические свойства ряда смесей.

Измерения мощности, потребляемой формовочными материалами при смешивании, показали соответствие расчетов экспериментам как для лабораторных, так и для промышленного смесителей.

Испытания лабораторного проходного смесителя ЦПП показали возможность и эффективность приготовления в нем малопрочных по-сырому смесей. Прочность «по-сухому» стержневых смесей : возрастает в 1.5 - 2.6 раза в сравнении с традиционными смесителями. Наибольший эффект возраст ания прочности выявлен для ХТС со смолой КФ-90.

На партии отливок "крышка головки блока Д65-02-029", полученных с использованием формовочных и стержневых смесей из ЦПН, отсутствовали дефекты - «ужимины». Смеситель ЦПН принят к производственному внедрению.

Выводы но работе.

1. Экспериментально показано, что проекция свободной поверхности дозы материала в рабочей камере проходного ЦП-смесителя на плоскость осей вращения может быть описана уравнением вида

2. Выявлен эффект псевдоожижения поверхностного подвижного слоя дозы в ЦП-камере, который при установившемся потоке приводит к наклону свободной поверхности в направлении действующих сил или потока материала.

. 3. Разработана методика численного определения мощности, затрачиваемой на смешивание материалов в проходной ЦП-камере, которая представлена в программе "centr2" и позволяет определить угол наклона свободной поверхности дозы (в плоскости осей вращения) относительно ее равновесного положения при нулевой проходной производительности.

4. Разработана методика проектирования проходных ЦП-смесителей, включающая конструирование рабочих камер и определение их геометрических размеров с использованием программы "centr2", а также расчет параметров загрузочных устройств.

5. Разработаны и опробованы на практике проходные ЦП-смесители лабораторного и промышленного назначения, которые выявили возможность повышения эффективности использования связукн щих в 1.2-1.5 раза. Последнее выражается в улучшении технологических свойств формовочных и стержневых смесей, например, в исключении дефекта "ужимина" на отливках "крышка головки блока Д65-02-029".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Серебряков С.П., Егоров М.В., Соседов СЛ., Колобков Ю.'А. A.C. СССР № 1776488 МКИ В 22 С 5/00. Планетарный механизм передачи.

2. Серебряков С.П., Колобков Ю.А., Соседов С.А. Характеристики процесса планетарного смесеприготовлсния //Современные технологические процессы и оборудование в машиностроении. Тез. докл. между-нар. научно-практ. конф., Чебокбары, 1992. с. 84-88.

3. Серебряков С.П., Колобков Ю.А., Соседов С.А., Дмитриев A.B. Свойства формовочных и стержневых смесей, приготовленных в центро-бежно-планетарном смесителе //Вопросы теории и технологии литейных процессов. Сб. тр., Челябинск, 1993. с. 141-145.

к,

4. Серебряков С.П., С о седо в С.А., Рабочий процесс центробежно-планетарного смесителя //Оптимизация технолог ических процессов и управление качеством при производстве фасонных отливок. Тезисы докладов научи, конф., Ярославль, 1993. с. 40.

5. Серебряков С.П., Лобанов C.B., Колобков Ю.А., Соседов С.А. Моделирование центробежно-планетарного смессприготовления //Известия ВУЗов, Черная металлургия, 1994. № 7. с. 52-54.

6. Серебряков С.П., Соседов С.А. Цснтробежно-гшанетарный смеситель формовочных материалов //Информ. листок № 63-94, серия Р. 55.15.85. Ярославль, ЦНТИ, 1994. с. 4.

7. Серебряков С.П., Соседов С.А., Дмитриев A.B. Приготовление формовочных и стержневых смесей в ЦП-смесителе//Литейное производство, 1995. №4-5 с. 59-60.

8. Серебряков С.П., Соседов С.А. Заявка на патент РФ № 95104260 от 23.05.95. Рабочая камера центробежно-планетарного смесителя.