Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, технологических параметров и конструкций смесителей

Диссертация посвящена научно-технической проблеме снижения энергопотребления в смесеприготовлении при одновременном повышении качества сырых песчано-глистых смесей (СПГС), актуальность которой возросла в последнее десятилетие в связи с резким ростом цен на электроэнергию, транспорт и материалы. Проблема энергосбережения особенно остро стоит в крупных промышленных центрах. Например, в Москве за последние десять лет реализовано две целевые программы по энергосбережению, а на период 2004 — 2010 годов разработана третья. Основной упор в этой программе сделан на внедрение новых энергосберегающих технологий, поставлена задача к 2010 году сократить расход электроэнергии более чем на 14%.

Способ литья в сырые песчано-глинистые формы распространён во многих отраслях промышленности, им производится до 70% от валового выпуска отливок. Для получения одной тонны отливок этим способом приготавливают около десяти тонн формовочной смеси, что (по данным Маркова В.А.) в масштабах России составляет более 140 млн. тонн смеси в год. Затраты электроэнергии на подготовку и приготовление смеси при этом становятся соизмеримыми с затратами на плавку. В практическом отношении решение названной проблемы позволяет напрямую получить экономию электроэнергии и формовочных материалов, снизить брак по вине литейных форм, повысить качество поверхности отливок и их размерную точность, уменьшить металлоёмкость изделий и машин. В экологическом отношении происходит сокращение безвозвратных потерь энергии и материалов, уменьшение вредного воздействия на человека.

Большой вклад в разработку отдельных аспектов данной проблемы внесли Аксёнов П. Н., Берг П. П., Бречко А. А., Васильев В. А., Жуковский С. С., Ивакин Р. И., Илларионов И. Е., Кваша Ф. С., Корнюшкин О. А., Марков В. А., Матвеенко И. В., Ромашкин В. Н., Серебряков С. П., Туманова Л. П. и др.

Научные труды этих учёных в целом предварили постановку научной проблемы о разработке единого механизма смешивания СПГС. На необходимость разработки данной роблемы указывало разнообразие, типов смесителей, применяемых в литейных цехах, и тенденция развития их конструкций, заключающаяся в последовательном переходе от тихоходных к скоростным смесителям. Отсутствие единого научного подхода удлиняло процесс развития конструкций смесителей, которые не всегда обеспечивали низкую энергоёмкость процесса, высокую производительность и требуемое качество смеси. Обобщённая модель смешивания для аппаратов различных типов, созданная в результате теоретической проработки проблемы, представляет несомненный научный интерес и актуальна, поскольку с её помощью удаётся создавать перспективные конструкции смесителей.

Известно более десяти различных типов смесителей применяемых для приготовления СПГС. В нашей стране парк смесителей в основном представлен катковыми, в меньшей степени центробежными, роторными, барабанными и другими конструкциями. В странах Западной Европы, роторные смесители практически вытеснили все остальные типы по причине их экономичности, высокого качества смеси и экологичности. В России внедрение импортных скоростных смесителей сопряжено с экономическими трудностями. В связи с этим разработка импортозамещающей техники, созданной на основе разработки научной проблемы, актуальна для отечественной промышленности.

Целью работы является разработка конструкторских и технологических решений, обеспечивающих снижение энергопотребления при одновременном повышении качества сырых песчано-глинистых формовочных смеси на основе развития научных представлений о процессе смесеприготовления. Для достижения цели работы были поставлены следующие основные научные, технологические и конструкторские задачи:

1. развитие научных представлений о процессе приготовления (смешивания) СПГС с учётом особенностей распределения влаги и формирования оболочек глинистого связующего в течении рабочего цикла;

2. разработка научно-обоснованной методики расчёта длительности цикла смешивания для аппаратов различных типов;

3. разработка научных представлений о минимизации затрат энергии на приготовление смеси, проведение обобщающего анализа энергопотребления у смесителей различных типов и их ранжирование по экономичности;

4. разработка научно-обоснованной методики расчёта основных конструктивных и технологических параметров роторных смесителей формовочных материалов и создание на её основе образцов новой техники;

5. разработка комплексной методики оценки рабочих процессов смесителей, проведение сравнительных испытаний смесителей и получение на их базе практических рекомендаций по совершенствованию технологического процесса смесеприготовления.

Выполненные в диссертации научные и практические разработки вошли в Федеральную программу «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» (Отв. МГТУ «МАМИ», план 1992 — 1995 г. г.).

Автор защищает научные основы проблемы снижения энергопотребления в смесеприготовлении при одновременном повышении качества СПГС, на базе которых созданы конструкции скоростных смесителей и разработан комплекс технологических методов и средств.

1. Потенциальные возможности СПГС наиболее полно могут быть реализованы на основе рассмотрения её как структурно-скелетного тела, плотность которого в процессе приготовления подвергается периодическим изменениям. В результате изменения плотности происходит формирование глинистых оболочек, связующие свойства которых в значительной степени зависят от времени их увлажнения и характера взаимодействия зёрен. Именно при таком подходе открывается возможность управления рабочим процессом смесителя для достижения наилучшего качества смеси при условии экономии энергии и материалов.

2. Проблема снижения энергопотребления при одновременном повышении качества смеси решена в работе на основе оптимизации зависимости параметров качества смеси от длительности цикла смешивания. При этом учитываются состав смеси, особенности рабочего процесса и удельная мощность, соответствующая данной конструкции смесителя.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что процесс распределения влаги в смеси представляет собой совокупность механического переноса увлажнённых комков в сочетании с капиллярным и диффузионным движением жидкости, при этом скорость и дистанция действия последних минимальна в сравнении с механическим переносом. В результате механического переноса влаги происходит частичное увлажнение оболочек — полное увлажнение происходит при длительном вылёживании или их механической активации.

В диссертации приведены новые научные положения:

1. Разработан обобщённый механизм смешивания, в котором СПГС рассматривается как структурно-скелетное тело состоящее из зёрен, имеющих слоистое строение, в виде твёрдой кристаллической сердцевины с плёнкой аморфного кремнезёма (АК) и глинистой оболочки, связанной с кристаллической сердцевиной через активные центры плёнки АК. За основу модели принят акт сближения зёрен, происходящий по одному из видов взаимодействия: радиальному, тангенциальному или вращательному. Теоретически и экспериментально установлены условия реализации каждого из видов, в зависимости от плотности смеси и соответствующего ей координационного числа.

2. На основании представлений о зерне смеси как о слоистом теле определено влияние капиллярного и диффузионного движения жидкости на формирование основных служебных свойств смеси. Создана методика определения количества циклов переноса для увлажнения смеси, учитывающая геометрические размеры увлажнённых комков, содержание глины и среднюю влажность смеси.

3. Экспериментально установлена зависимость плотности глинистых оболочек от толщины, на основании которой разработана уточнённая методика расчёта толщины оболочек и получена зависимость от среднего диаметра зёрен.

4. На основании численного моделирования случайного процесса взаимодействия зёрен в обобщённой модели установлены зависимости активированной или покрытой оболочкой площади поверхности зерна от числа актов взаимодействия и размера пятна контакта. Применимость данной модели к реальным смесям подтверждена экспериментально с учетом плотности смеси и соответствующего координационного числа. Разработана методика расчёта длительности цикла смешивания, учитывающая характер рабочего процесса смесителя, через размер пятна контакта при взаимодействии зёрен и их число в зависимости от плотности смеси.

5. Введено понятие работы по формированию глинистых оболочек на зёрнах формовочной смеси, величина которой определяется как произведение работы одного акта внедрения зерна в глинистую прокладку на число актов для полного покрытия зерна. Получены экспериментальные зависимости работы одного акта от глубины и скорости внедрения зерна в глинистую прокладку, состояние зёрен смеси и глины.

6. Экспериментально установлена и теоретически обоснована роль механической активации глинистых оболочек в формировании служебных свойств СПГС.

7. Разработана комплексная методика исследования рабочих процессов смесителей, включающая изучение структуры оболочек зёрен, взаимосвязанное изменение физико-механических параметров смеси, её однородность и энергопотребление. Сравнительные испытания смесителей по данной методике позволили получить практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса смешивания.

Теоретические положения обобщённой модели базируются на современных представлениях физико-химической теории дисперсных систем, подтверждены обширными микроскопическими исследованиями структуры оболочек зёрен смеси, расчётами и взаимосвязью свойств оболочек с физико-механическими свойствами смеси. Процесс увлажнения смеси рассмотрен с позиций теории сушки. Для моделирования случайного процесса взаимодействия зерна шаровой формы с глинистой пастой применён метод Монте-Карло. Оценка удельной работы смешивания выполнена с использованием положений реологии. Применена методика планирования экстремального экспериментарезультаты статистически обрабатывались, проверялась их достоверность и воспроизводимость. Обработка экспериментальных данных выполнена с широким привлечением вычислительных методов.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:

1. На основании обобщённой модели разработан метод расчёта длительности цикла смешивания с использованием программы «Моделирование процесса нанесения связующего на зёрна формовочной смеси (МС v.2)».

2. Разработана комплексная методика расчёта основных конструктивных и технологических параметров роторных смесителей, на основе которой создано две программы для ПЭВМ: расчёта конструктивных и технологических параметров роторных смесителей «RM v. l» и расчёта рабочих органов смесителей формовочных материалов «Rotor v.2». С использованием методики разработаны конструкции смесителей, внедрённые в промышленность.

3. Создана база данных смесителей формовочных материалов «Mixers», в которой наряду с традиционными включены параметры, характеризующие энерогопотребление.

4. Выполнено ранжирование промышленных типов смесителей по удельной мощности и статистически обоснованному времени смешивания, на основании которого выявлены экономичные смесители, обеспечивающие высокое качество смеси. Разработаны высокопроизводительные смесители с низким уровнем удельной работы смешивания и высоким качеством смеси.

Реализации теоретических и практических результатов работы происходила по трём основным направлениям.

Первое направление — разработка высокоэффективных смесителей роторного типа. Работы по внедрению скоростного смесителя выполнены совместно с НИИуглемашем на заводах угольного машиностроения ОАО «Анжеромаш» и Копейском машиностроительном заводе в 1999 г. На опытном заводе МГТУ «МАМИ» (г. Ивантеевка) изготовлен и прошёл испытания роторно-вибрационный смеситель по патенту на полезную модель № 38 305.

Второе направление — модернизация действующих литейных смесителей с целью повышения их эффективности. Опытно-промышленный смеситель по заявке № 2 004 104 845/20(5 744) на патент РФ на полезную модель разработан и изготовлен ОГМ литейного цеха № 3 ЗиЛа, прошёл испытания с января 2000 г по май 2002 г.

Смеситель с дисковыми катками по АС СССР № 872 003, разработанный и изготовленный в МАМИ, прошёл лабораторные испытания в 1982 — 1985 годах, с 1995 года используется для приготовления стержневых смесей на НПО «МАШИНОСТРОЕНИЯ» г. Реутов, годовой экономический эффект в 1995 — 96 годах составил 3740 у.е. Чертежи смесителя такого типа переданы на Павлодарский тракторный завод в 1991 г, экономический эффект 56 400 рублей. В 1982 году на ПК «Мосжилпромкомплект» смеситель 1А12 и переоснащён дисковыми катками. В 1984 — 85 годах лабораторный смеситель с дисковыми катками проходил испытания на кафедре литейного производства в Мишкольцком университете тяжёлой промышленности (Венгрия).

Смесители с рыхлящими катками по АС СССР № 1 113 203 и № 1 360 875, разработанные и изготовленные в МГТУ «МАМИ», прошли лабораторные испытания в 1984 — 1988 годах.

Третье направление — разработка прикладных программ с элементами САПР технологии и решений по совершенствованию технологии смесеприготовления. Рекомендации по совершенствованию технологии смешивания, полученные на основании расчётов по программе «Rotor v. l», приняты на заводе «АВТОЦВЕТЛИТ» г. Мелитополь в 1990 г. Программа «Rotor v. l» передана для использования на ОАО «ТРАНСПНЕВМАТИКА» г. Первомайск в 1999 г. Программы «Rotor v.2» и «МС v.2» внесены в реестр изобретений Восточного административного округа г. Москвы, свидетельства № РИ 20 150 и № РИ 20 151. На ОАО «Нижегородский теплоход» (г. Бор, Нижегородской области) даны практические рекомендации по модернизации смесеприготовительного отделения с экономическим эффектом 100 тыс. рублей (1999 г).

Кроме того, по месту выполнения работы на кафедре «МиТЛП» в учебно-производственной лаборатории кафедры «Машины и технология литейного производства» Московского государственного технического университета «МАМИ» используется скоростной смеситель формовочных материаловв учебном процессе используются пакет прикладных программ: «Mixers», «RM v. l», «Rotor v2» и «МС v.2» в курсе «Оборудование литейных цехов" — анализ конструкций смесителей и структуры смесеприготовительных систем включён в учебник «Технология литейного производства. Литьё в песчаные формы», выпущенный издательским центром «Академия» в 2004 г.

В диссертации обобщены теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором самостоятельно и совместно с аспирантами и студентами, у которых автор был научным руководителем. При этом автором поставлены: научно-техническая проблема и задачи исследованийразработаны обобщённая модель смешивания, основные расчётные методики и программырешены частные научные и технические задачи. Автор принимал непосредственное участие в создании образцов новой техники и экспериментальных установок, проводил исследования в лабораториях и на производстве, участвовал в промышленных испытаниях и внедрении разработок.

Материалы диссертации доложены на IV и V съездах литейщиков России (г. Москва, 1999 и 2001 г. г.) — Национальной конференции литейщиков Венгрии (г. Шопрон, 1985 г.) — Международных научных симпозиумах (г. Москва, 2000 и 2002 г. г.) — Международных, Республиканских и региональных конференциях в городах: Барнауле (1988, 1999,2000,2001 и 2003 г. г.), Владимире (1988 и 1989 г. г.), Минске (1987 г), Москве (1988,1989,1990, 1992,1996,1999, 2000 и 2001 г. г.), Одессе (1990 и 1998 г. г.), Чебоксарах (1989г), Челябинске (1988 г) — научнотехнических совещаниях «Чепельского чугуннои сталелитейного завода» (Будапешт, 1985 г), завода «Автоцветлит» (г. Мелитополь, 1990 г), ОАО «ТРАНСПНЕВМАТИКА» (г. Первомайск, 1999 г), ОАО «Нижегородский теплоход» (г.Бор, 1999г). Практические достижения отмечены бронзовой (1982 г) и серебряной (1984 г) медалями ВДНХ СССР.

По теме диссертации опубликовано 72 работы, получено шесть авторских свидетельств, один патент РФ и три патента РФ на полезную модель. Без соавторов опубликовано 35 работ и один патент РФ на полезную модель.

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете «МАМИ» на кафедре «МиТЛП» им. проф. Аксёнова П. Н., на которой автор работает в должности профессора, а в 1997 — 2000 г. г. был докторантом. На различных этапах работы автор получал ценные замечания и советы от научного консультанта заслуженного деятеля науки РФ, д. т. н., профессора Трухова А. П. и коллег, особенно профессоров к.т.н. Мысовского B.C. и к.т.н. Благонравова Б. П. В работе участвовали аспиранты: Джесри A.M. (Сирия) 1989 — 1991 гг., Трещалин А. В. 1998 — 2000 гг.- широко привлекались студенты, использовавшие результаты в специальных частях дипломных проектов. С аспирантами и многими студентами автор имеет совместные публикации.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений, изложена на 334 страницах, содержит 88 рисунков, 37 таблиц, 25 приложений и библиографию из 205 наименований.

Выводы по седьмой главе.

1. Разработана комплексная методика сравнительной оценки рабочих процессов смесителей формовочных материалов, включающая в себя следующие разделы: методику оценки свойств при домешивании, методику испытаний при длительном цикле смешивания, методику измерения энергетических параметров, методику микроскопических исследований, специальные методики.

2. Комплексную методику применяли для сравнения промышленных смесителей на КамАЗе, ЗиЛе, Саранском центролите, ОАО «Автоцветлит» г. Мелитополь, Анжерском и Копейском заводах угольного оборудования и других предприятиях. Результаты заводских испытаний использованы в сопоставительном анализе рабочих процессов смесителей, на основании которого разработан и проверен обобщённый механизм приготовления СПГС.

3. Методика оценки свойств при домешивании основана на 30-минутном домешивании в лабораторных бегунах, приготовленной в промышленном аппарате смеси, и позволяет определить степень реализации свойств смеси по сравнению с уровнем, определенным её составом.

4. Испытания при длительном цикле смешивания позволяют динамично контролировать рабочий процесс смесителей по трём группам параметров: взаимосвязанному изменению свойств смеси, однородности состава и потреблению энергии. Определяли температуру (в момент взятия проб), прочность на сжатие, срез и разрыв, газопроницаемость, насыпной вес, текучесть, уплотняемость, влажность на пробах, отбираемых с изменяемой периодичностью, согласованной со скоростью изменения свойств. Физико-механические свойства смеси сопоставляли с результатами измерения мощности и микроскопических исследований.

5. Разработана, изготовлена и применена в производственных и лабораторных условиях переносная лабораторная установка для измерения мощности потребляемой приводом смесителей. С применением установки получены зависимости изменения потребляемой мощности для пяти моделей промышленных смесителей.

6. Совместное применение бинокулярной лупы и электронного микроскопа позволило расширить технические возможности метода микроскопических исследований, в целом, и получить ряд новых научных результатов о структуре оболочек смеси. Впервые установлены радиальный, тангенциальный и вращательный типы взаимодействия зёрен по «следам» этих взаимодействий в структуре оболочек.

7. Для оценки не предусмотренных ГОСТами свойств смеси, ряда параметров глинистых паст и в других случаях использовали специальные методики: оценки комковатости смеси и прочности комковопределения плотности глинистых паст в тонких плёнкахопределения влажности и содержания активной глины путём вдавливания индентора (АС СССР № 1 653 884) — определения трещиноустойчивости безопочных форм (АС СССР № 1 225 674).

8. С использованием комплексной методики получены экспериментальные результаты, имеющие научное и практическое значение. Наиболее значимыми для работы, среди этих результатов являются:

8.1. Установлено, что плотность глинистых оболочек зависит от рабочего процесса смесителя. На зёрнах смеси, приготовленной в роторном смесителе, формируются рыхлые и хрупкие оболочки, которые разрушаются в результате силового уплотнения смеси. Плотность оболочек может быть повышена за счёт предварительного смешивания свежего песка и глины в бегунах. Обратная последовательность использования смесителей для приготовления смеси приводит к отслоению оболочек и ухудшению свойств смеси. Рекомендации по приготовлению смеси приняты на ОАО «Автоцветлит» г. Мелитополь.

8.2. В результате совместного использования методик длительного смешивания и микроисследований установлено, что длительность применяемых в производстве циклов недостаточна для полного усвоения свежей глины оболочками смеси, что приводит к неэффективному использованию свежих добавок и недостаточному уровню физико-механических свойств смеси. Предложен превентивный способ повышения прочностных параметров смеси, основанный на формировании окатанных оболочек.

8.3. Установлено, что мощность холостого хода промышленных смесителей составляет 10 — 36% от номинальной мощности двигателя и возрастает у тихоходных смесителей с увеличением массы катков, а у быстроходных с увеличением массы ротора. Темп нарастания мощности в процессе перемешивания неравномерен: снижающийся для тихоходных смесителей и нарастающий для скоростных. Получена факторная модель зависимости мощности от состава смеси, из которой следует, что возрастание мощности пропорционально содержанию активного бентонита и влажности. Наиболее сильное влияние на потребляемую мощность оказывают прочность смеси на срез и уплотняемость, с увеличением которых мощность возрастает.

8.4. При микроскопических исследованиях применяли бинокулярные лупы и электронные микроскопы, возможности которых дополняют друг друга, а их совместное применение расширяет технические возможности метода микроисследований в целом.

Заключение

.

В диссертации поставлена и решена научно-техническая проблема снижения энергопотребления в смесеприготовлении при одновременном повышении качества сырых песчано-глистых смесей (СПГС), актуальность которой возросла в последнее десятилетие в связи с резким ростом цен на электроэнергию, транспорт и материалы.

Опираясь на обширные теоретические, экспериментальные и практические данные, в работе выполнен сравнительный анализ смесителей, используемых в промышленности для приготовления СПГС. В результате анализа выявлены затруднения существующих теоретических положений о рабочих процессах смешивания, сформулировано существо научно-технической проблемы по снижению энергопотребления в смесеприготовлении, определена цель работы, заключающаяся в разработке конструкторских и технологических решений, обеспечивающих снижение энергопотребления при одновременном повышении качества СПГС. Разработаны обобщённые теоретические представления о рабочем процессе смешивания, новизна которых заключается в раскрытии механизма взаимодействия зёрен в зависимости от плотности смесиучёте случайного характера взаимодействия зёренвыявлении роли фильтрационного и диффузионного влагопереноса в процессе увлажнения смеси. Определены пути снижения энергозатрат при смешивании. С использованием новых теоретических положений разработан ряд методик для определения технологических параметров рабочих процессов, расчёта конструктивных параметров роторных смесителей и созданы конструкции смесителей, защищённые патентами и авторскими свидетельствами, ряд из которых внедрён в промышленность.

Основные научные, технические и практические результаты работы изложены ниже.

1. С использованием представлений о смеси как структурно-скелетном теле разработан обобщённый (для различных смесителей и рабочих процессов) механизм формирования глинистых оболочек на зёрнах СПГС, в котором зерновая основа рассматривается как совокупность рабочих тел, а глинистые оболочки как коллоидная фаза, от состояния которой зависят основные свойства смеси. Выявлены три основных вида взаимодействия зёрен в процессе формирования глинистых оболочек: радиальный, тангенциальный и вращательный. Каждому виду соответствует характерная форма отпечатка («следа»), радиальному — в виде кратера, тангенциальномув виде клиновидного «языка», вращательному — в виде ультрамикронеровностей. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены области реализации каждого из видов взаимодействия в зависимости от плотности структурно-скелетного тела (смеси) и соответствующего ей координационного числа, а также соответствие между видами взаимодействия зёрен и рабочими процессами смесителей различных типов.

2. В работе уточнены представления о СПГС, заключающиеся в том, что зерно основы рассматривается как слоистое тело, состоящее из твёрдой кристаллической сердцевины, на поверхности которой находится плёнка АК и глинистая оболочка, связанная с кристаллической сердцевиной через активные центры плёнки АК. Процесс формирования оболочек включает их увлажнение, нанесение свежих добавок и механическую активацию. Экспериментально обоснована роль механической активации ранее сформированных и увлажнённых глинистых оболочек, от полноты которой зависит уровень служебных свойств смеси. Дано новое объяснение явлениям, связанным с распределением влаги в оболочках смеси, а именно: нарастание прочности при вылёживании, снижение прочности смеси при нагреве, точечное распределение глины на поверхности зёрен и др.

3. Вскрыты и объяснены явления, приводящие к снижению механических свойств смеси и удлинению рабочего цикла смешивания СПГС, а именно: точечное распределение свежей глины на поверхности зёрен оборотной смеси и образование в свежей смеси глинистых конгломератов (крупинок), размер которых в несколько раз превышает размер зёрен.

3.1. Исследовано и описано свойственное процессу приготовления оборотных j' смесей явление точечного распределения свежей глины на поверхности зёрен смеси. Предложено различать три стадии превращения глинистых блоков в оболочку. На первой стадии частички глины прилипают к поверхности оболочки и выступают над ней, на второй увлажняются за счёт запаса влаги в оболочке и срастаются с ней, на третьей размазываются по поверхности, превращаясь в оболочку. Точечное распределение свежей глины на поверхности зерна, приводит к снижению прочности смеси.

3.2. Исследовано и описано свойственное процессу приготовления свежих смесей явление образования конгломератов (крупинок) из слипшихся зёрен и глины, размер которых в несколько раз превышает размеры зёрен смеси. Сердцевина крупинок формируется в результате слипания сильно увлажнённой глины с зёрнами песка, наружный слой — в результате прилипания зёрен или глины. Сухие частички глины или зёрна, прилипая к влажной и клейкой сердцевине, активно впитывают воду из её поверхностного слоя и подсушивая упрочняют его. Клеящие свойства крупинок с прилипшим поверхностным слоем снижаются, а прочность возрастает, что делает их устойчивыми против разрушения. Разрушение крупинок происходит либо в результате отрыва зёрен с их поверхности, либо в результате их дробления. Связывание крупинками активной глины и влаги приводит к снижению механических свойств и удлинению технологически обоснованного цикла смешивания. На практике, длительность рабочего цикла меньше технологически обоснованного, поэтому в смеси присутствует в виде балласта, зачастую, значительное количество крупинок.

4. Процесс распределения влаги в смеси рассматривается как совокупность механического переноса увлажнённых комков в сочетании с капиллярным и диффузионным движением жидкости, скорость и дистанция действия последних минимальна в сравнении с механическим переносом.

Обосновано теоретически и подтверждено экспериментально, что определяющую роль в увлажнении смеси в период смешивания играет механическое воздействие на смесь рабочих органов, а диффузионный и капиллярный процессы приводят к улучшению свойств смеси на стадии её вылёживания. Создана методика определения количества циклов переноса для полного увлажнения смеси, учитывающая геометрические размеры увлажнённых комков, содержание глины и среднюю влажность смеси.

5. Разработана математическая модель формирования глинистых оболочек на зёрнах формовочной смеси, центральным звеном которой является единичный акт внедрения зерна в глину или зёрно с глинистой оболочкой. Модель учитывает вероятностный характер взаимодействия зёрен в процессе приготовления смеси и позволяет определять число актов циклического изменения плотности смеси для формирования заданной величины площади поверхности зерна с учётом плотности смеси и содержания глины. Разработана программа моделирования процесса нанесения связующего на зёрна формовочной смеси (МС v.2), защищённая свидетельством № 2 000 610 748 Роспатента РФ. Выполнено численное моделирование процесса формирования оболочек на зёрнах смеси, по результатам которого получены математические зависимости для определения числа актов взаимодействия от относительной площади пятна контакта или глубины внедрения зерна. Сопоставление результатов математического моделирования и физического эксперимента на различных смесителях с использованием свежих компонентов и оборотных смесей дали удовлетворительное совпадение. Физический эксперимент подтвердил правомерность принятого в работе методического подхода к решению задачи об определении длительности цикла смешивания численным методом и позволил определить значения относительной глубины внедрения зерна в зависимости от рабочего процесса смесителя. Выполнена систематизация рабочих процессов смесителей по характерной плотности смеси и удельной мощностью затрачиваемой смесителем на получение данной плотности, на основании которой определено направление создания перспективных и экономичных смесителей. Создана методика расчёта длительности цикла смешивания, которая учитывает тип смесителя, плотность смеси, относительную глубину внедрения зёрен и относительную площадь сформированной глинистой оболочки.

6. Для оценки энергопотребления в процессе смешивания введено понятие работы затрачиваемой на формирование глинистых оболочек на зёрнах смеси. Величина удельной работы по формированию оболочек определяется, как произведение работы одного акта внедрения зерна в глинистую прокладку на число актов, необходимых для полного покрытия зерна. Причём работа одного акта возрастает пропорционально квадрату относительной глубины внедрения зерна в глину, а число актов меняется обратно пропорционально названной величине. Получено уравнение для определения величины удельной (на единицу массы) работы смесеприготовления, которая зависит от состояния и характера взаимодействия зерен в процессе смешивания. С использованием разработанных математических зависимостей определена скорость полёта зёрен смеси в роторном смесителе, величина которой не должна превышать 18−20 м/с во избежание разрушения плёнок связующего на зёрнах или самих зёрен.

7. В результате систематизации данных о промышленных смесителях получены зависимости между технологическими и конструктивными параметрами, наиболее важными из которых являются:

7.1. Зависимость диаметра чаши смесителей от массы замеса, учитывающая значение плотности смеси и конструктивные особенности катковых, переходных и роторных смесителей.

7.2. Зависимости кратности обработки смеси ротором и плужками от соотношения размеров ротора, плужков и чаши.

7.3 Зависимости мощности привода донных плужков с постоянным и изменяющимся углом наклона от их размеров и частоты вращения, определены значения углов наклона плужка, обеспечивающие улучшение работы ротора и уменьшение (более чем в два раза) мощности привода.

С использованием установленных в работе зависимостей создана методика расчёта роторных смесителей и разработана программа расчёта конструктивных и технологических параметров роторных смесителей «RM v. l» (государственный регистрационный № 50 200 400 640). Программа включена в реестр ОФАП Минобразования РФ, Св. № 3642 и использована для расчёта скоростного универсального смесителя МТ 100.

8. С использованием аппарата преобразования матриц однородных координат разработана. математическая модель движения пакета формовочной смеси по лопасти ротора, учитывающая действующие на пакет активные силы, реакции связей, переносную и кориолисову силу инерции. Составлена программа расчёта роторных рабочих органов смесителей формовочных материалов «Rotor v.2», защищенная свидетельством Роспатента № 200 061 749 и включенная в реестр изобретений Восточного административного округа г. Москвы под номером РИ 20 149. В результате моделирования, с использованием программы «Rotor v.2» установлены следующие основные закономерности:

8.1 Увеличение частоты вращения ротора вызывает пропорциональное возрастание скорости схода пакета с лопасти и рост потребляемой мощности, при этом траектория движения остается неизменной.

8.2. Частота вращения чаши и коэффициент трения практически не вызывают влияния на скорость схода пакета и траекторию движения.

8.3. Сход пакетов с лопасти происходит веерообразно, при этом пакеты во время движения по лопасти и полета не сталкиваются между собой.

8.4. Угол наклона лопасти сильно изменяет траекторию движения пакета, его скорость схода с лопасти. При углах наклона более 60° наблюдается эффект трамплина, при котором пакет покидает лопасть, не достигая ее тыльного края.

8.5. В случае фронтального расположении лопасти наиболее полно используется энергия ее взаимодействия с пакетом, скорость схода пакета с лопасти в этом случае зависит от координат входа, при этом на краю лопасти существует оптимальная зона входа смеси на лопасть.

9. Работа по реализации теоретических положений происходила по трём основным направлениям: разработка высокоэффективных смесителей роторного типамодернизация действующих литейных смесителей с целью повышения их эффективностиразработка пакета прикладных программ с элементами САПР технологии. Среди полученных результатов наиболее значимыми являются:

9.1. Разработан, изготовлен, прошёл опытно-промышленное опробование и используется в промышленности универсальный смеситель формовочных материалов, конструкция которого защищена свидетельством на полезную модель RU № 13 473 U1, с приоритетом от 01 10 1999г. Смеситель внедрён на двух заводах: ОАО «Анжерский машиностроительный завод» и ОАО «Копейский машиностроительный завод».

9.2. Разработана серия модернизированных конструкций катковых смесителей, снабжённых рыхлителями, которые повышают интенсивность процесса смешивания, улучшают качество приготавливаемой смеси и снижают на 20 — 25% потребляемую мощность. Смеситель с дисковыми катками внедрён на НПО «Машиностроения» г. Реутов и проходил опробывание на Павлодарском тракторном заводе и ПК «Мосжилпромкомплект». Все конструкции защищены охранными патентными документами, а две из них отмечены медалями ВДНХ СССР.

9.3. Разработан, изготовлен и прошёл опытно-промышленное опробование в условиях АМО ЗиЛ смеситель с рыхлящими катками, конструкция которого защищена патентом на полезную модель RU № 38 305 U1, с приоритетом от 24 февраля 2004 г.

9.4. Создан пакет из четырёх взаимосвязанных прикладных программ, с использованием которого спроектированы универсальный смеситель МТ100.

Св. RU № 13 473 U1) и роторно-вибрационный смеситель МТ100 В (Патент RU № 38 305 U1). Программа Rotor v.2 передана для использования на ОАО «Транспневматика» г. Первомайск (протокол НТС от 02.11.1999 г).

10. Разработана комплексная методика сравнительной оценки рабочих процессов смесителей формовочных материалов, включающая в себя следующие разделы: методику оценки свойств при домешивании, методику испытаний при длительном цикле смешивания, методику измерения энергетических параметров, методику микроскопических исследований, специальные методики. Комплексную методику применяли для сравнения промышленных смесителей на ОАО «КамАЗ», АМО ЗиЛ, Саранском центролите, ОАО «Автоцветлит» г. Мелитополь, ОАО «Анжерский машиностроительный завод», ОАО «Копейский машиностроительный завод» и других предприятиях. Результаты заводских испытаний использованы в сопоставительном анализе рабочих процессов смесителей, на основании которого разработан и проверен обобщённый механизм приготовления СПГС. С использованием комплексной методики получены экспериментальные результаты имеющие научное и практическое значение. Наиболее значимыми для работы среди этих результатов являются:

10.1 Установлено, что плотность глинистых оболочек зависит от рабочего процесса смесителя. На зёрнах смеси приготовленной в роторном смесителе формируются рыхлые и хрупкие оболочки, которые разрушаются в результате силового уплотнения смеси. Плотность оболочек может быть повышена за счёт предварительного смешивания свежего песка и глины в бегунах. Обратная последовательность использования смесителей для приготовления смеси приводит к отслоению оболочек и ухудшению свойств смеси. Рекомендации по приготовлению смеси приняты на ОАО «Автоцветлит» г. Мелитополь.

10.2. В результате совместного использования методик длительного смешивания и микроисследований установлено, что длительность применяемых в производстве циклов недостаточна для полного усвоения свежей глины оболочками смеси, что приводит к неэффективному использованию свежих добавок и недостаточному уровню физико-механических свойств смеси. Предложен превентивный способ повышения прочностных параметров смеси, основанный на формировании окатанных оболочек.

10.3 Установлено, что мощность холостого хода промышленных смесителей составляет 10 — 36% от номинальной мощности двигателя и возрастает у тихоходных смесителей с увеличением массы катков, а у быстроходных с увеличением массы ротора. Темп нарастания мощности в процессе перемешивания неравномерен: снижающийся для тихоходных смесителей и нарастающий для скоростных. Получена факторная модель зависимости мощности от состава смеси, из которой следует, что возрастание мощности пропорционально содержанию активного бентонита и влажности. Наиболее сильное влияние на потребляемую мощность оказывают прочность смеси на срез и уплотняемость, с увеличением которых мощность возрастает. 10.4. На основании собственных микроскопических исследований и с привлечением научных результатов из коллоидной химии показано, что поверхность зёрен кварцевого песка образуют неровности трёх уровней: выпуклости и впадины (10″ 4 — 10″ 5 м), соизмеримые с размером зёрен- 7 микронеровности и микротрещины (10″ - 10* м), размеры которых на 2 — 3 порядка меньше размеров зёренмикрокапилляры в плёнке АК (10″ 8 — 10'9 м), размеры которых на 2 порядка меньше микронеровностей и соизмеримы с размерами микрокапилляров в глинистых минералах. При этом установлено экспериментально и подтверждено расчётом, что микрокапилляры в плёнке АК играют определяющую роль в формировании общей поверхности зёрен.