Главная » 2013 » Ноябрь » 1 » Скачать Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, бесплатно
12:43
Скачать Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, бесплатно
Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, технологических параметров и конструкций смесителей
Диссертация
Автор: Ершов, Михаил Юрьевич
Название: Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, технологических параметров и конструкций смесителей
Справка: Ершов, Михаил Юрьевич. Обобщение и развитие научных представлений о механизме приготовления сырых песчано-глинистых смесей, оптимизация его энергетических, технологических параметров и конструкций смесителей : диссертация доктора технических наук : 05.16.04 Москва, 2004 377 c. : 71 05-5/707
Объем: 377 стр.
Информация: Москва, 2004
Содержание:
1 Развитие и состояние научно-технической проблемы приготовления сырых песчаио-глинистых смесей в литейном производстве
11 Выбор параметров для сопоставительного анализа смесителей
12 Развитие конструкции смесителей и теории их рабочих процессов
13 Сопоставительный анализ смесителей роторного типа
14 Сопоставительный анализ технологических характеристик смесителей и формулирование научно-технической проблемы
Выводы по первой главе, цель работы и задачи исследований
2 Развитие научных представлений о процессе приготовления СПГС и разработка обобщённой модели смешивания
21 Развитие представлений о строении и свойствах исходных компонентов смеси
22 Обобщённый механизм приготовления СПГС
23 Развитие представлений о толщине оболочек и их плотности
24 Развитие представлений о распределении влаги при смешивании
25 Влияние активации глинистых оболочек на свойства смеси и варианты процессов смесеприготовления
Выводы по второй главе
3 Математическое моделирование смешивания и метод расчёта длительности цикла
31 Математическая модель нанесения (активации) оболочек связующего
32 Экспериментальная проверка математической модели нанесения (активации) оболочек связующего
33 Методика расчёта длительности цикла смещивания
Выводы по третьей главе
4 Работа по формированию глинистых оболочек на зёрнах формовочной смеси
41 Теоретические представления о работе по формированию глинистых оболочек на зёрнах смеси
42 Экспериментальное моделирование процесса взаимодействия зерна с глиной т
43 Расчёт работы по формированию глинистых оболочек
Выводы по четвёртой главе
5 Общая методика расчёта роторных смесителей
51 Основные технологические и конструктивные зависимости для роторных смесителей
52 Программа «RM v2» расчёта роторных смесителей
53 Математическая модель взаимодействия лопасти ротора со смесью
54 Компьютерное моделирование процесса движения пакета смеси по лопасти ротора и экспериментальная проверка модели Выводы по пятой главе
6 Использование теоретических положений при разработке научно-технических решений и их внедрение в промышленность
61 Разработка универсального смесителя формовочных материалов и его опытно-промышленное опробование
62 Модернизация бегунов с целью повышения качества смеси и снижения энергозатрат
63 Пакет прикладных программ для моделирования технологического процесса смешивания и расчёта конструкций смесителей Выводы по шестой главе
7 Комплексная методика сравнительной оценки рабочих процессов смесителей формовочных материалов
71 Методика оценки свойств при домешивании
72 Методика испытаний при длительном цикле смешивания
73 Методика измерения энергетических параметров
74 Методика микроскопических исследований
75 Специальные методики
Выводы по седьмой главе
Введение:
* 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, ф Ивакин Р.И., Илларионов И.Е., Кваша Ф.С, Корнюшкин О.А., Марков В.А., Матвеенко И.В., Ромашкин В.Н., Серебряков СП., Туманова Л.П. и др. ф Научные труды этих учёных в целом предварили постановку научной (ф 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: (• т 1. развитие научных представлений о процессе приготовления ф (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 т ^ 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.Л 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 т ф определения количества циклов переноса для увлажнения смеси, 1^^ 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 (%23 Ф данной методике позволили получить практические рекомендации по ф 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 физикомеханическими 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 эксперимента; результаты 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. т ш 3. Создана база данных смесителей формовочных материалов «Mixers», (01 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 1999г. На опытном заводе МГТУ «МАМИ» (г. Ивантеевка) изготовлен и прошёл '* испытания роторно-вибрационный смеситель по патенту на полезную модель № 38305.Второе направление модернизация действующих литейных смесителей с целью повышения их эффективности. Опытно-промышленный смеситель по заявке № 2004104845/20(005744) 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 № 872003, 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 56400 рублей. В 1982 году на ПК «Мосжилпромкомплект» смеситель 1А12 %23 переоснащён дисковыми катками. В 1984 - 85 годах лабораторный смеситель 'ф с дисковыми катками проходил испытания на кафедре литейного производства в Мишкольцком университете тяжёлой промышленности (Венгрия), Смесители с рыхляш(ими катками по АС СССР № 1113203 и №1360875, разработанные и изготовленные в МГТУ «МАМИ», прошли лабораторные испытания в 1984 - 1988 годах.Третье направление - разработка прикладных программ с элементами ф 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 020150 и № РИ 020151. 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 материалов; в 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. ф В диссертации обобщены теоретические и экспериментальные ф 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 исследований; разработаны обобщённая модель смешивания, основные расчётные методики и программы; решены 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); научно- технических совещаниях «Чепельского чугунно- и 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 ф докторантом. На различных этапах работы автор получал ценные замечания и (Ф 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 приложении, изложена на 334 страницах, содержит 88 рисунков, 37 таблиц, 25 приложений и библиографию из 205 наименований. т т