Механизм импульсного уплотнения.

Для оценки влияния фильтрации на процесс импульсного уплотнения были проведены эксперименты. Сухой уплотненный песок в опоке на импульсном стенде продувался сжатым воздухом. При экспериментах замеряли давление воздуха над смесью(кривая 1,рис.З), в смеси (кривая 2) на расстоянии 150 мм от модельной плиты и на самой модельной плите (кривая 3).В последних двух точках замеряли также напряжения, возникающие в смеси при импульсном процессе (кривые 4 и 5, рис. 3). Так как сухой песок практически не уплотняется, то слой смеси не двигался, и в смеси не возникали инерционные силы.

С помощью уравнения (1.25), в котором третье-шестое слагаемые равны нулю, на ЭВМ по описанной выше методике были найдены расчетные напряжения в тех же слоях (кривые 4 и 5): при расчете давления газа в слоях брались по данным эксперимента. Расчетные значения достаточно хорошо совпадают с экспериментальными значениями. В начале подъема давления воздуха расчетные напряжения нарастают быстрее экспериментальных значений, в конце - медленнее. Возможная причина расхождения - упругая деформация песка, неучтенная в расчетной модели. Второй причиной, по видимому, является особенность описания сил внешнего трения в одноосной модели: фактически предполагается, что они равномерно распределены по всему сечению слоя. В действительности, силы трения воздействуют на смесь только в зоне, прилегающей к стенкам опоки, а в центральной зоне их влияние мало. На рис. З. б показаны напряжения в среднем и нижнемслоях (кривые 4 и 5), рассчитанные по уравнению 1.25 при условии, что коэффициент трения равен0. Экспериментальные данные располагаются между расчетными, полученными при учете и без учета сил трения.

На рис.3.в, показано изменение давлениягазов и напряжений в тех же слоях формы при импульсномпроцессе уплотнения песчано-глинистой смеси при экспериментах (кривые 1-5) и расчете (кривые 4 и 5).

Напряжения в смеси рассчитывались без учета сил трения, плотность определялась с учетом вязкости смеси. Как и раньше, давление газа при расчете бралось по экспериментальным данным. Расчетные и экспериментальные напряжения хорошо совпадают, хотя расхождения и выше, чем при продувке песка. Это, по-видимому, связано с неточным определением деформационных свойств смеси.

Расчеты показали, что при уплотнении формовочной смеси в момент достижения максимальных напряжений на модельной плите, доля напряжений от действия параметров, входящих в первое- восьмое слагаемые уравнения (1.25), соответственно, равны 72.3, 51.9, -0.7, -0.2, 0.5, 0.7 и -24.б%.

Следовательно, главную роль в уплотнении играет перепад давления и ускорения смеси в конце процесса уплотнения. Следует обратить вниманиена то, что напряжения при уплотнении смеси в 2.8 раза больше, чем напряжения при продувке песка, хотя исходное давление в ресивере, его объем, размер опоки и масса в обоих случаях были одинаковы. Причина этого - инерционные силы, которыевозникают при движении слоев смеси.

Приведенные данные показывают, что уравнения 1.25 достаточно точно описывают процессы, происходящие при импульсном уплотнении формы.

Рассмотрим уплотнение смеси при среднескоростном импульсном процессе. Максимальное давление воздуха над смесью 0.6 Мпа, время подъема давления – 0.06 с. Как уже было сказано при подъеме давления Р газа рис.4а начинается фильтрация газа через смесь. Чем ниже расположен слой, тем меньше в нем давление. Газ движется через смесь с относительной скоростью v рис.4б. По мере увеличения скорости потока газа возрастают силы сопротивления движению газа: соответственно увеличивается интенсивность изменения давления газа по высоте столба смеси: одновременно растут напряжения. Ясно, что увеличение напряжений происходит только в тех слоях, по высоте которых давление газа переменно.

В результате действия перепада давлений и скоростного фильтрующегося потока воздуха в смеси возникают напряжения и смесь начинает уплотняться. Так как одновременно уплотняются ("худеют") все слои, а активные силы направлены вниз, то слои смеси перемещаются вниз, с все увеличивающейся скоростью vрис.4в.

При разгоне слоев смесив первый период процесса инерционные силы препятствуют движению смеси и уменьшают суммарное напряжение, однако процесс уплотнения продолжается, и плотность увеличивается. Существует некоторое равновесие между силами инерции и сжимающими силами. При быстром росте напряжений также быстро растет скорость движения слоев, увеличиваются силы инерции, препятствующие уплотнению, в результате чего напряжения уменьшаются.

В тот момент, когда интенсивность нарастания давления воздуха над смесью начинает уменьшаться, движение слоев замедляется. В данном случае это происходит через 0.022 с после начала процесса. Силы инерции изменяют свой знак рис.4 в,теперь они действуют сверху вниз и резко увеличивают сжимающие напряжения, ускорение верхних слоев достигает (50-60) g. Как правило, процесс уплотнения в этот момент заканчивается, хотя давление над смесью может еще увеличиваться. Максимальные напряжения на ладе формы достигали 0.55 Мпа.

При уменьшении времени подъема давления над смесью увеличивается скорость движения слоев смеси и, следовательно, растут ускорения (замедление) слоев на втором этапе процесса, в результате чего возрастают инерционные силы и, соответственно, сжимающие напряжения. Наоборот, при увеличении времени подъема давления ускорение на втором этапе уменьшается, уменьшаются и инерционные силы. Так по данным Г. А. Гейдебрехова при высокоскоростном импульсном процессе с высоким давлением (P = 1.3 Мпа, t = 0.015 с) напряжения на ладе формы достигали 1.5-2 МПа (высота формы 300 мм), а по данным С. Н. Казанцева при низкоскоростном процессе с низким давлением (P = 0.6 Мпа, t = 2с) напряжения составляли 0.б Мпа (высота формы 220 мм). Расчеты показывают, что ускорение в первом случае достигало 130 g, во втором 9 g, доля напряжений, возникающих от действия инерционных сил, в первом случае доходит до 64%, а вовтором случае она равна 1.5%.

На рис.5 показано распределение плотности по высоте формы, полученное при описанных выше экспериментах (у – расстояние слоя от модельной плиты, отнесенное к высоте). Чем выше интенсивность подъема давления, тем больше плотность и твердость на ладе и тем меньше высота верхнего, рыхлого слоя.

Плотность формы существенно зависит от высоты формы: минимальная высота формы 150-200 мм.

При любом импульсном процессе смесь хорошо уплотняется в узких промежутках между моделями и стенкой опоки, между двумя моделями или частями модели. По-видимому, сопротивление движению газа у стенки модели меньше (зерна песка прижаты к гладкой стенке), чем в середине промежутка, в результате чего скорость фильтрации газа у стенки больше чем внутри формы. Поэтому на одном и том же горизонтальном уровне статическое давление газа у стенки несколько ниже, чем на внутренних частях формы. Это приводит к уменьшению давления смеси на стенку и значит к уменьшению сил трения. Кроме того, при динамических процессах обычно уменьшается коэффициент бокового давления смеси.

При большой лобовой поверхности модели около верхних углов модели плотность смеси меньше плотности смеси в других частях формы на том же расстоянии от модельной плиты, так как поток газа исмеси из над модельного объема направляется в около модельную область, огибая угол модели.

Рыхлота уменьшается при округлении горизонтального ребра модели. Рыхлота пропадает при радиусе закругления 50 мм. Лучший способ устранения указанного дефекта подпрессовка форм.

В части формы, расположенной над промежутком между двумя моделями одинаковой высоты или полостью "болвана", иногда образуются рыхлоты или даже полость со сводчатой верхней поверхностью, что может привести к обрыву выступающей части формы при протяжке. Указанные дефекты появляются в тех случаях, когда расстояние между моделями мало (менее 30 мм), а высота моделей превышает 100 мм. Механизм образования рыхлот связан с особенностями процесса.

При росте давления над смесью слои смеси во всех частях формы приходят в движение и уплотняются. Смесь в под модельной области двигается по всей площади опоки. Однако смесь, расположенная над моделями должна остановится раньше, чем смесь, расположенная над промежутком между моделями.

В остановившейся над моделями смеси происходит окончательное уплотнение за счет суммарного действия сил генерированных струями воздуха и сил инерции. В зоне же, где нет моделей, смесь продолжает движение вниз. Но при остановке смеси над моделями газо-смесевой поток в районе края модели поворачивает, стремясь попасть в зону между моделями. Это создает условия для расширения уплотненной зоны в горизонтальной плоскости и если эти уплотненные зоны от объемов правой и левой моделями сойдутся между собой, то для подачи смеси в продолжающую уплотняться между модельную область станет необходимо разрушать уплотненную смесь в над модельной зоне за счет потоков фильтрующегося через смесь воздуха. Такая подача смеси происходит тем менее интенсивно, чем меньше расстояние между моделями, что объясняется уменьшением радиуса свода уплотненной зоны над щелью или "болваном". Подтверждением предложенной гипотезы может служить наличие в полости "каверны" чешуек смеси размерами 15х10 мм и толщиною до 3,5 мм наблюдаемых в экспериментах.

Дата добавления: 2015-07-19