1. Метод центрифугирования

Содержание

Введение

1. Метод центрифугирования

1.1. Классификация центрифуг

1.2. Методики расчета

2. Роликовая центрифуга

2.1. Описание

2.2. Одновальная центрифуга

2.3. Недостатки роликовой центрифуги

2.4. Центрифуга роликовая СМЖ-169А

2.5. Технологическая схема производства безнапорных труб методом центрифугирования

Введение

Центрифугирование — это разделение механических смесей на составные части действием центробежной силы. Приборы, применяемые для этой цели, называют центрифугами. Основной частью центрифуги является ротор с монтированными в нем гнездами для центрифужных пробирок. Ротор вращается с большой скоростью, вследствие чего создаются значительные по величине центробежные силы, под действием которых происходит разделение механических смесей, например осаждение взвешенных в жидкости частиц.

Центрифугирование — это разделение грубодисперсных систем, состоящих из жидких и твердых компонентов с разными плотностями, при помощи специальных аппаратов, называемых центрифугами. Принцип действия центрифуги основан на создании большой центробежной силы, под влиянием которой скорость разделения компонентов смеси, помещенной в центрифугу, увеличивается во много раз по сравнению со скоростью разделения их под действием силы тяжести.

Метод центрифугирования широко применяется в биологии, медицине и технике, нередко заменяя процессы фильтрования, отстаивания и отжимания.

Центрифуга имеет корпус, механизм привода, ротор, рабочую (ограждающую) камеру и панель управления. Некоторые центрифуги снабжены электрочасами, обеспечивающими автоматическое выключение и торможение в диапазоне от 5 до 60 мин. Специальные центрифуги имеют холодильные и вакуумные установки с приборами слежения и автоматического управления. Основная часть любой центрифуги — ротор (в лабораторных центрифугах он обычно располагается на вертикально установленном валу электродвигателя или вращается посредством различных передач от вала двигателя, иногда даже вручную). Ротор центрифуги представляет собой диск (крестовину) с шарнирно закрепленными гнездами для металлических гильз, в которых помещаются пробирки, принимающие при вращении горизонтальное положение.

1. Метод центрифугирования

Рис.3. 1 - опорные ролики; 2 - форма

1.1. Классификация центрифуг

Центрифугирование применяют преимущественно для изготовления длинномерных изделий: железобетонных труб, опор линий электропередач, связи и уличного освещения. Процесс центрифугирования заключается в том, что бетонная смесь, загруженная во вращающуюся форму центрифуги, под действием центробежных сил отбрасывается к ее стенкам, распределяется по ним слоем равномерной толщины и уплотняется до определенной прочности. При этом часть воды затворения отжимается, что ведет к повышению плотности и прочности бетона.

Центрифуги для изготовления труб подразделяются по способу закрепления формы и количеству одновременно вращающихся форм.

По способу закрепления форм различают центрифуги роликовые со свободным вращением форм; ременные с подвеской формы на бесконечных клиновых ремнях, огибающих приводные и холостые шкивы, и осевые или шпиндельные.

Но числу одновременно вращаемых форм центрифуги могут быть одно- и двухместными.

В роликовых центрифугах металлическая форма свободно лежит на роликах и вращается благодаря фрикционному сцеплению бандажей с роликами. Прижимные ролики предотвращают ее соскакивание. В.ременных центрифугах форма свободно подвешена на клиновых ремнях и приводится во вращение силами трения между ремнями и формой. В осевых или шпиндельных центрифугах металлическая форма жестко закрепляется в планшайбах и вращается вместе с ними.

Конструкция формы определяется типом центрифуги и особенностями технологического процесса. Форма состоит из цилиндрической обечайки, ребер жесткости, опорных деталей (бандажей), торцовых крышек или колец, скрепляющих фланцев, устройств для удержания от осевого перемещения и других деталей. Формы могут быть неразъемные и разъемные из двух полуцилиндров (половин). Неразъемные формы изготовляют обычно из стандартных цельнотянутых или цельносварных труб и снабжают дополнительными деталями в виде фланцев, торцовых крышек и т. п. Формы, состоящие из двух полуцилиндров, также изготовляют из стандартных труб или листовой стали. Для придания форме жесткости к наружной поверхности полуцилиндров приваривают поперечные и продольные ребра жесткости. Для установки форм на роликовые центрифуги к ним прикрепляют бандажи. Формы, предназначенные для работы на шпиндельных центрифугах, вместо бандажей имеют опорные устройства, позволяющие крепить форму к планшайбам бабок центрифуги. Для вращения форм без биений необходимо следить за их сбалансированностью.

Бетонная смесь поступает в формы центрифуг либо в процессе их вращения, либо заранее.

При втором способе полуцилиндры формы наполняются бетонной смесью с помощью самоходных раздаточных бункеров либо шнековых питателей. Способ применяется в основном на заводах по производству труб малых диаметров и с преднапряженной арматурой. Во вращающиеся формы бетонная смесь подается питателями или бетононасосами. Обычно применяют ложковые либо ленточные питатели. В конструкцию ложко-вого питателя входят рама, ложка с механизмом поворота и механизм передвижения питателя. Полезный объем ложки питателя составляет 1/4—1/5 общего объема бетонной смеси, необходимой для изготовления трубы.

Ленточный питатель центрифуги состоит из ленточного транспортера, приемного бункера, площадки обслуживания бункера, привода ленты транспортера и самоходной тележки с приводом, состоящим из электродвигателя, редуктора и цепной передачи на заднее колесо тележки. При загрузке формы бетонной смесью ленточный транспортер входит внутрь формы, расположенной на центрифуге. Установка транспортера по высоте производится механизмом подъема, состоящим из двух винтов и червячных редукторов, приводимых во вращение электродвигателем.

Рис.1. Типы центрифуг

а — роликовая; б — с подвеской формы на бесконечных клиновых ремнях; в — осевая (шпиндельная)

1.2. Методики расчета

Полный объем барабана центрифуги определяется по формуле:

Vб=πR2L;

Внутренний радиус слоя суспензии в роторе центрифуги (при его 50%-ой загрузке):

r0=0,71R;

Фактор разделения центрифуги равен:

Фр=0,85n2R900;

Полагая, что осаждение твердых частиц в поле центробежных сил подчиняется закону Стокса, находим скорость осаждения частиц по формуле:

ωос=g2d2ρ1-ρ2Фр18μ,

где d - минимальный диаметр улавливаемых кристаллов, м.

Длительность процесса осаждения:

τос=R-r0ωос≈0,29Rωос;

Принимаем длительность периода пуска центрифуги - τп, периода торможения - τт и периода разгрузки машины от осадка - τр.

Общая длительность цикла центрифугирования:

τ∑=τос+τп+τт+τр;

Индекс производительности определяется по формуле:

I=2πn2Lr02900;

Показатель эффективности работы центрифуги:

ς=AFrцxReцy∆ρρ2z,

где Frц - критерий Фруда для поля центробежных сил;

Reц - критерий Рейнольдса для жидкости в барабане;

A,x,y,z - коэффициенты;

∆ρ - разность плотностей фаз, кг/м3;

ρ2 - плотность жидкой фазы, кг/м3

∆ρ=ρ1-ρ2.

По опытным данным для отстойных центрифуг с переточными цилиндрическими барабанами рекомендуется принимать следующие значения коэффициентов:

A = 9; x = 0,1; y=-0,1; z = 2,04.

Критерий Фруда для поля центробежных сил:

Frц=V12ω2r03L3,

где  - угловая скорость ротора, с-1.

ω=πn30, радс.

Критерий Рейнольдса для жидкости в барабане:

Reц=V1ρ22πr0μ;

Исходя из всего вышеперечисленного:

ς=A1ω2r03L3xρ22πr0μy∆ρρ2zV12x+y.

Находим производительность центрифуги:

V1=A1ω2r03L3xρ22πr0μy∆ρρ2zωI11-2x-y

Требуемое количество центрифуг:

C=VV1;

Мощность, расходуемая на преодоление инерции барабана и загрузки во время пускового периода, определяется по формуле:

N1=T1+T2τп,

где T1 - работа, затрачиваемая на преодоление инерции барабана, Дж;

T2 - работа, затрачиваемая на преодоление инерции загрузки в пусковой период, Дж;

τп - длительность периода пуска машины, с.

T1=12υ2Mб,

где υ - установившаяся на достижении заданного числа оборотов окружная скорость вращения барабана, м/c;

Мб - масса барабана, кг

υ=ωR;

T2=14∙0,75υ2ρcVб,

где ρc - плотность суспензии, кг/м3;

Vб - полный объем барабана центрифуги, м3.

ρc=100ρ1ρ2100ρ1-ρ1-ρ2Bс,

где Bс - концентрация твердой фазы в суспензии в % масс.

Мощность, расходуемая на трение вала в подшипниках:

N2=λMυвg,

где λ - коэффициент трения, принимаем в диапазоне λ=0,07÷0,1;

M - масса всех вращающихся частей центрифуги вместе с загрузкой, кг;

υв - окружная скорость вращения цапфы вала, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с2

υв=ω∙12dв,

где dв - диаметр цапфы вала, м.

M=Mб+Mс,

где Mб - масса барабана, кг; Mс - масса суспензии, кг.

Mс=πR2-r02Lρс.

Мощность, расходуемая на трение стенки барабана о воздух:

N3=2,94∙10-3∙βR2υ3ρв,

где   β≈2,5 - коэффициент трения; ρв- плотность воздуха, кг/м3.

Полный расход мощности равен:

Nт=N1+N2+N3.

Мощность электродвигателя определяется по формуле:

Nдв=Nтηпη,

где ηп - КПД передаточного устройства.

2. Роликовая центрифуга

2.1 Описание

Центрифуга состоит из фундаментной рамы и двух или трех параллельных горизонтальных валов с насаженными на них по концам катками (роликами) в зависимости от того, формуется ли одна или две трубы одновременно; один из валов приводится во вращение от электродвигателя. Форма своими бандажами ложится на катки и вследствие значительных сил трения (при большом весе формы с бетонной смесью) приводится во вращение от катков приводного вала; остальные катки, будучи в зацеплении с бандажами формы, также приводятся во вращение. Это позволяет применять роликовые центробежные станки, формующие одновременно две трубы и более при одном ведущем и соответствующем количестве ведомых валов с катками.

Для обеспечения необходимого зацепления между бандажами формы и катками центрифуги необходимо, чтобы угол, образованный осью вращения формы и осями вращения двух смежных катков, был в пределах 70…90°.

2.2. Одновальная центрифуга

Одновальная центрифуга для центробежного формования длинных трубчатых конструкций сравнительно небольших диаметров (опор контактных сетей и линий электропередач, трубчатых свай) при длине 12...14 м и более.

Центрифуга состоит из четырёх поперечных рам-станин, приводного секционного вала на всю длину машины, расположенного в нижней части её ведущих роликов, насаженных на валу в плоскости поперечных рам и ведомых направляющих или прижимных роликов, укреплённых в подшипниках поперечных рам и размещаемых с боков сверху формы. Поперечные рамы, расставленные на расстоянии до 4 м друг от друга, являются промежуточными опорами для длинных форм, в которых формуются изделия.

2.3. Недостатки роликовой центрифуги

Недостатком роликовых центрифуг является значительный шум и вибрация при работе. Причиной этого являются металлические катки, по которым с большой скоростью катятся бандажи форм, и недостаточная сбалансированность форм. При недостаточной сбалансированности формы и больших скоростях вращения формы с бетонной смесью могут возникать значительные центробежные ускорения, которые могут привести к сбрасыванию

форм со станка, поэтому при работе роликовых центрифуг требуются

надёжные защитные ограждения. Следует отметить, что для уменьшения

шума, возникающего при работе роликовой центрифуги, опорные ролики

могут выполняться с резиновым покрытием. Кроме того, помимо центробежного уплотнения смеси может быть предусмотрено дополнительное уплотнение смеси укаткой вибровалом, проходящим внутри формы. Такой способ уплотнения целесообразен тогда, когда к внутренней поверхности трубы предъявляются повышенные требования.

2.4. Центрифуга роликовая СМЖ-169А

Центрифуга предназначена для работы в составе технологического оборудования при производстве центрифугированных железобетонных стоек опор ЛЭП, освещения, контактных сетей городского и железнодорожного транспорта, светофоров железных дорог и линий связи.

Центрифуга состоит из опорной рамы, четырех опор со втулочными или дисковыми роликами, соединительных зубчатых муфт и валов, привода центрифуги, шкафа электрооборудования и пульта управления.

Опорная рама служит для правильной установки опор и сохранения соосности приводных и поддерживающих роликов во время эксплуатации. Она представляет собой сварную металлоконструкцию из двутавра, на которой монтируются все элементы центрифуги.

Приводные ролики всех опор связаны между собой зубчатыми муфтами и валами.

Конструкция зубчатых муфт допускает некоторую минимальную несоосность валов, исходя из условий сохранности формы и нормальной работы зубчатого зацепления муфты.

Во избежание раскачивания формы по вертикали во время центрифугирования, а также в целях обеспечения безопасности работы все опоры снабжены механизмом прижима предохранительных роликов. Конструкция предохранительных роликов аналогична конструкции опорных и приводных роликов. Механизмом прижима управляют вручную. Во избежание смещения опорных и приводных роликов во время центрифугирования корпусы подшипников роликов штифту-ются на металлоконструкции опоры. Сама опора фиксируется на раме упорами, привариваемыми к раме после окончательной регулировки при монтаже.

Валы двух крайних пролетов центрифуги разрезные и соединяются зубчатыми муфтами с приводным валом, имеющим восьмиручьевой шкив диаметром 300 мм. Привод центрифуги— от двух четырехскоростных электродвигателей через двухступенчатую ременную передачу с общим передаточным числом 2, 3.

Питание электроприемников предусмотрено от сети переменного тока напряжением 380 В. Цепи управления питаются от понижающего трансформатора напряжением 127 В переменного тока. Защита от токов короткого замыкания осуществляется плавкими предохранителями, от перегруза электродвигателей привода вращения центрифуги на четвертой скорости — тепловыми реле.

Центрифугой управляют с пульта управления, расположенного на электроаппаратном шкафу.

Чтобы избежать разбрызгивания воды с цементом из комлевого торца формы при центрифугировании, на центрифуге предусмотрены два оградительных щита, устанавливаемых параллельно продольной оси центрифуги.

Работа на центрифуге производится следующим образом. В исходном положении предохранительные ролики отведены. После установки формы на центрифугу механизм прижима предохранительных роликов устанавливается в рабочее положение и фиксируется стержнем фиксатора. Затем стяжной муфтой регулируют зазор (не более 10 мм) между бандажом формы и предохранительными роликами. Включают привод, после окончания центрифугирования форма снимается мостовым краном с центрифуги и передается на тепловую обработку.

2.5 Технологическая схема производства безнапорных труб методом центрифугирования

Приготовление бетонной смеси ведут путем перемешивания в определенных пропорциях цемента, воды, песка и щебня крупностью не более 10 мм.

Арматурные каркасы изготовляют на специальных станках. Станок, предназначенный для изготовления каркасов труб диаметром 400-900 мм, оборудован специальным шаблоном для образования раструба; для труб 1000 - 1500мм каркас раструба вяжется отдельно вручную.

Арматурные каркасы раструбных труб диаметром 500.1300 мм при формовании изготовляют на станке СМЖ - 117 А. Станок имеет планшайбу с приводом вращения, сменные цилиндрические и конусные оправки, тележку, на которой размещается конусная оправка; механизм перемещения, используемый для протягивания продольных стержней; сварочный агрегат, установленный на тележке; механизм подачи спиральной арматуры; диск для укладки продольных стержней. Для изготовления арматурных каркасов труб с диаметром свыше 1400 мм применяют станок СМЖ-420.

Трубы изготовляют в разъемных металлических формах. Для сборки и разборки форм в пролете предусмотрены специальные посты, которые оборудованы консольными кранами, устройствами для снятия раструбообразователей, электрической талью, пневмоинструментом, оборудованием для очистки полуформ. После укладки арматурного каркаса в нижнюю полуформу, мостовой кран устанавливает верхнюю полуформу, пневматический гайковерт сболчивает полуформы, после чего в форму вставляют раструбообразователь н втулочное кольцо. Собранную форму мостовым краном транспортируют к стенду, где на форму надевают бандажи, после чего она устанавливается на центрифугу. Вверху форма поджимается роликами, предохраняющими ее от выброса в процессе центрифугирования.

Продолжительность загрузки ложкового питателя смесью - 1мин. Формы диаметром до 800 мм загружают в один прием, а остальные - в два. Продолжительность цикла формования 25-38мин.

Шлам, образовавшийся в процессе центрифугирования, сливается через торец формы с помощью гидроподъемника, установленного на каждой центрифуге.

После центрифугирования мостовой кран подает форму с изделием на стенд для снятия бандажей и кантования в вертикальное положение. Затем форма переносится на пост тепловой обработки, где она закрепляется в вертикальном положении. Тепловую обработку осуществляют путем пуска пара по внутреннюю полость трубы. Выдержка изделий перед тепловой обработкой составляет для труб диаметром 400-800мм - 1,8ч. для труб 1000-1200мм - 2,7ч. После тепловой обработки форму с изделием транспортируют на пост распалубки, где с помощью мостового крана и тали поворачивают из вертикального в горизонтальное положение. Здесь форма разболчивается, снимается верхняя полуформа, затем извлекается готовое изделие.

Трубы после маркировки и приемки ОТК устанавливают на самоходную тележку для вывода на склад готовой продукции.

В зимнее время изделия выдерживают в помещении на площадке промежуточного складирования в течении 4 часов.

Из партии в 200 шт. по две трубы испытывают на прочность, трещиностойкость, водонепроницаемость соответственно на прессе для механических испытаний и установке для гидравлических испытаний труб.

Безнапорные трубы можно изготовлять на центрифугах, используя при этом ненапрягаемую арматуру. Для производства этих труб не требуется навиваемой арматуры и укладки защитного слоя. Стальные формы для 6езнапорных труб применяют двух типов: для труб диаметром 500… 1500 мм - длиной 5000 мм, а для труб диаметром 300… 400 мм - длиной 3200 мм.

Для предотвращения разбрызгивания массы предусмотрены щитки 4. Процесс изготовления железобетонных труб происходит следующим образом. Форму с вставленной в нее арматурой и раструбообразователем укладывают бандажами на лотки гидроподъемника 8. При опускании гидроподъемника бандажи формы ложатся на ведущие и ведомые ролики, поворачивается кронштейн 6 и фиксируются по бандажу удерживающие ролики 5. После разгона формы, вращающейся за счет трения между ее бандажами и ведущими роликами, внутрь вводится ложковым питателем бетонная смесь. В результате быстрого вращения смесь распределяется равномерным слоем по стенкам формы и за счет центробежных сил уплотняется. По окончании процесса формаостанавливается, кронштейн с роликами отводится в сторону и краном формавместе с изделием снимается и переносится в отделение термической обработки.

Изготовление безнапорных труб начинают с подготовки форм: очистки, смазки и сборки. Внутрь форм вставляют арматурные каркасы, а затем надевают днища форм. После этого форму с каркасом устанавливают на центрифугу. При вращении центрифуги внутрь формы с помощью ленточного питателя или ложечного бетоноукладчика подают бетонную смесь, которая ложится ровным слоем по всей поверхности формы. После укладки бетона в формы с изделием с помощью крана или кантователя устанавливают раструбом вниз в вертикальном положении на пост пропаривания. После приобретения бетоном 70% проектной прочности форму приводят в горизонтальное положение, разбирают, извлекают из нее изделие и направляют на склад готовой продукции.

Производство железобетонных безнапорных труб можно вести и в вертикальных установках. Установка для изготовления труб диаметром 400 и 500 мм состоит из формовочной рамы с полуформой, находящейся в вертикальном положении, и горизонтальной рамы с поддоном. Пустотообразователи с виброголовкой заглублены в колодце. На очищенный и смазанный поддон укладывают два арматурных каркаса. Затем формовочную раму переводят в горизонтальное положение и соединяют с поддоном замковым механизмом. Далее формовочную и горизонтальную рамы возвращают в первоначальное положение; После подачи пустотообразователя в формы через направляющие и раструбообразователи начинают укладывать бетон. Процесс формования длится 15 мин, затем извлекают пустотообразователи и формовочную раму устанавливают в горизонтальное положение. Верхнюю полуформу возвращают в вертикальное положение, а поддон с отформованным изделием перемещают в камеру пропаривания. На одной установке одновременно формуют две раструбные трубы.

Безнапорные трубы диаметром 800 мм и длиной 5000 мм можно изготовлять на поточно-агрегатной линии с помощью центрифугирования. Изготовление труб начинают с процесса навивки на сердечники напряжения продольной арматуры. Затем на специальном стенде собирают спиральную напряженную арматуру и скрепляют ее с продольной. После этого сердечник с арматурным каркасом укладывают в полуформу, установленную на тележке формовочного конвейера. Бетонную смесь укладывают бетоноукладчиком, затем устанавливают верхнюю полуформу, и собранная форма поступает на центрифугу. При скорости центрифугирования 94 об/мин бетон распределяется по внутренней поверхности формы. При повышении скорости до 463 об/мин бетон уплотняется и химически связанная вода удаляется через фильтрующее полотно, которым выкладывается форма изнутри. Далее форму устанавливают на конвейер, а затем на кантователь и распалубливают. Тележка и подвешенный к ней сердечник с трубкой перемещаются к тоннельной пропарочной камере непрерывного действия, состоящей из двух параллельно расположенных секций.

Каждая секция камеры по длине разбита на три зоны: 1 - разогрев изделия до 700С, 2 - выдержка при температуре 700С и 3 - остывание изделия до 200С. У выходного конца камеры передаточная тележка передает трубу на кантователь, который поднимает трубу для расцепки с транспортной тележкой и поворачивает ее в горизонтальное положение. Трубу укладывают на катки самоходной тележки и перемещают к съемнику стержня, где стержни арматурного каркаса обрезают и тем самым передают напряжение на бетон. Продолжительность технологического процесса 22 ч.

При поточно-агрегатной схеме производства каждая труба и форма последовательно проходят соответствующие посты технологической линии. Такая схема наиболее приемлема при центробежном способе производства труб.

Загрузку центрифуг бетонной смесью осуществляют ложковыми питателями, бетононасосами или бетонораздатчиками, а пропаривание труб производят в горизонтальном или вертикальном положении. С технико-экономической стороны, себя оправдывает двухступенчатое пропаривание труб с предварительным пропариванием труб в течение 2…3 ч. Последнее обеспечивает получение бетона с прочностью 6…8МПа и позволяет производить распалубку форм.

Трубы по конструкции стыкового соединения бывают: а) раструбные со стыковым соединением, уплотняемым герметиками; б) раструбные со стыковым соединением, уплотняемым резиновым кольцом; в) фальцевые со стыковым соединением, уплотняемым герметиками.

К трубам предъявляются требования по коррозионной стойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, бетон должен иметь отпускную прочность, равную 70.90% марочной.

Испытания на водопоглощение и водонепроницаемость проводят один раз в три месяца, на морозостойкость - один раз в шесть месяцев. Морозостойкость бетона определяется по ГОСТ 1006

Дата добавления: 2015-08-29