7.8. Машини безвібраційноїта комбінованої дії пресування і вібрації для ущільнення сумішей

Класифікація способів і фізика про­цесу ущільнення сумішей. Безвібраційний спосіб ущільнення сумішей ґрунтуєть­ся на застосуванні тиску на суміш, що пе­ребуває у формі або у спеціальній фор­мувальній порожнині. Безвібраційний спосіб ущільнення сумішей принципово відрізняється від вібраційного способу тим, що частинки матеріалу переміщують­ся переважно у напрямі прикладеного тис­ку. За такої дії фактично не проявляєть­ся поперечне макропереміщення частинок у формі.

Цей спосіб застосовують для виробни­цтва деяких будівельних виробів і мате­ріалів (плит, панелей, залізобетонних труб, бетонних порожнистих блоків, шлако­блоків, цеглин тощо).

Безвібраційні способи ущільнення су­міші поділяють на статичні й динамічні. До статичних способів належать пресу­вання, прокатування, екструзія, вакууму­вання, до динамічних — пневматичний і механічний набризки. Такий поділ пев­ною мірою є умовним, оскільки все зале­жить від швидкості прикладання сил і фізико-механічних властивостей матеріа­лу, який ущільнюється.

На рис. 7.68 показано способи безвібраційного ущільнення сумішей. Для ви­робництва невеликих плит, каменів і цег­ли застосовують статичне пресування (рис. 7.68, а), яке може поєднуватися з віб­раційним способом. Труби виготовляють у центрифугах (рис. 7.68, б), де внаслідок обертання форми / суміш 2 стискується віброцентровими силами. Може бути та­кож радіальне пресування (рис. 7.68, в) за допомогою роликів З, які обертаються і притискують суміш 2 до форми /, а при їх підніманні суміш загладжується коротким циліндром 4.

Роликове пресування (рис. 7.68, г) ха­рактерне тим, що нові порції суміші-підсипки 2 вдавлюються у свіжоукладений шар під роликом 3, який здійснює зворотно-поступальні рухи поперек форми 1.

Екструзійне пресування (рис. 7.68, д) полягає у продавлюванні сировинної ма­си 1 крізь отвір у матриці 2 шнеком 3.

Вакуумний спосіб (рис. 7.68, ж) ущіль­нення ґрунтується на вилученні повітря і вільної від реакції води із суміші 3 за допомогою вакуум-насоса 4 через спе­ціальну фільтрувальну сітку 2, що укладе­на на бортах форми 1.

Механічний набризк (рис. 7.68, є) здійснюється за рахунок кінетичної енер­гії удару частинок суміші 3 об форму 1 або об опалубку. Порція суміші, що пере­буває у робочому просторі метальника 2, завдяки віброцентровій силі отримує за­пас енергії, що в кілька сотень разів пере­вищує масу матеріалу, який накидається у форму. Таким чином досягається ефект ущільнення з поєднанням операцій укла­дання й розподілу.

Пневматичний набризк (рис. 7.68, є) — це нанесення на поверхню 4 під тиском повітря одного або кількох шарів цемент-но-піщаного розчину 5, який подається по шлангу 1 у вигляді сухої суміші, що замі­шується водою 2 при виході із сопла З_-Це так зване «сухе» торкретування. «Мокре» торкретування відрізняється від «сухого» застосуванням готових цементно-піщаних розчинів, які транспортують­ся по трубопроводу у суспензованому стані й укладаються в конструкцію з одно­часним ущільненням.

Фізична суть процесу пресування по­лягає у тому, що необоротна зміна об'єму матеріалу, що стискується, може відбува­тися лише при деформації, яка переви­щує пружну. Залишкова деформація ви­никає в матеріалі при певному прикладе­ному до нього навантаженні, яке назива­ють граничним. Упродовж усього часу (циклу) пресування в будь-який фіксо­ваний момент збільшення навантаження спричинює нарощування пластичної де­формації і зміну щільності матеріалу. Кі­нетика процесу ущільнення матеріалу при пресуванні визначається умовами пластичної деформації стисненого пористого тіла,

Рис. 7.68. Способи безвібраційного ущільнення сумішей

механічні властивості якого залежать від фізико-механічних і технологічних властивостей сировинної маси.

Криві статичного пресування (стиску) ілюструють сучасну теорію пресування дисперсних (сипких, порошкоподібних) матеріалів і дають змогу виявити фізич­ний аспект процесу (рис. 7.69). Показ­ником пресування є зміна щільності, міцності й пружності матеріалу залежно від тиску пресування (рис. 7.69, й) або зміна зусилля пресування від деформації матеріалу (рис. 7.69, б). У зоні А яка відповідає початку пресування, швидше зменшується об'єм матеріалу завдяки вільному переміщенню і зсуву частинок. При цьому з матеріалу вилучається біль­ша частина повітря і на ущільнення ви­трачається небагато енергії. У зоні Б ущільнення може відбуватися лише при деформації частинок матеріалу, внаслідок чого витрачається значна кількість енер­гії. Наприкінці процесу пресування при найбільшому тиску пружна деформація переходить у пластичну, що сприяє зміц­ненню структури виробу і збереженню заданої форми. На пресах, які застосову­ються в промисловості, не можна здійсни­ти квазістатичне пресування (зони А і Б), оскільки при цьому потрібне відносно по­вільне прикладання навантаження. Зде­більшого швидкість пресувального орга­на досить велика, тому через невідпо­відність швидкості деформації і релакса­ції напружень на діаграмі пресування виникає ділянка В, яка відображає роз­ширення виробу після зняття наванта­ження.

Для опису процесу пресування роз­роблено багато рівнянь. Для зміни тиску, Па, по товщині виробу, що пресується (рис. 7.70, а), застосовують таке рівняння:

Р_н =

де Р_н і Р₀ — тиск на відстані H і h від пресувального пуансона 1; e — основа

натуральних логарифмів; k — емпірич­ний коефіцієнт, який визначають дослі­дами; R — гідравлічний радіус перерізу виробу, що пресується; Н — висота за­повнення прес-форми 2. Зусилля пресування, Н:

F = pS = pS_п.ф.Zk_З,

де р – питомий тиск пресування, Па; S – сумарна площа пресування, м²; S_п.ф. – площа однієї прес-форми, м²; Z – кількість прес форм; k_З = 1,2 – коефіцієнт запасу.

дер — питомий тиск пресування, Па; S —сумарна площа пресування, м² кість прес-форм; к._} — запасу.

Робота пресування

Рис. 7.69. Криві статичного пресування:

а - р = f(р); б - F = f(h)

Рис.7.70. Схеми до визначення фізики процесу пресування сумішей:

а — статичного; 6 - роликового; в — вібропрасування

Особливістю роликового процесу пре­сування (рис. 7.70, б) є наявність підсип­ки під роликом, тобто зростає щільність виробу завдяки стиску матеріалу під ро­ликом і обмеженому простору. Процес роликового пресування досить складний. Спочатку частина форми / під роликом З заповнюється до рівня бортів крихкою сумішшю 2. Ущільнення починається з того моменту, коли поверхня ролика по­чинає взаємодіяти із сумішшю. За кож­ний прохід ролик втискує шар підсипки в шари, що розміщені нижче. При цьому щільність виробу, розміщеного під робо­чим органом, зростає по його товщині. Пресувальний тиск за спрощеною схемою

де Е — модуль деформації бетонної су­міші;  — кут захвату бетонної суміші роликом.

Для особливо жорстких бетонних сумі­шей  = 30°. Отже, тиск ролика на суміш

де l_p — довжина пресувального ролика; r — його радіус.

Для підвищення ефективності пресу­вання використовують ефект поєднання тиску і вібрації робочим органом 3 (рис. 7.70, в), що дає змогу па початковій стадії ущільнення зруйнувати взаємозв'я­зок частинок і поліпшити їх взаємну рух­ливість. Унаслідок спільної дії вібрації і тиску складається більш компактна струк­тура майбутнього виробу. Вібрація три­ває 3...30 с. Застосування вібрації також дає змогу зменшити тиск пресування до 0,5...5,0МПа.

Прес для формування бетонних ви­робів. Для виготовлення тротуарних плит, плит підлог, фігурних елементів мостін­ня та інших виробів малих розмірів із особливо жорстких піщаних бетонів за­стосовують преси, в яких вироби форму­ються за рахунок комплексної дії вібрації та статичного тиску на весь об'єм суміші, що ущільнюється.

Усі вібропреси однакові за конструк­цією та принципом дії. На рис. 7.71 по­казано прес, що складається зі сталевої станини 1, на якій встановлено чотири ко­лони 5. На них змонтовано матрицю 4 і пневмоциліндр 7 із пуансоном 6. У мат­риці 4 передбачене встановлення змінних калібрів, внутрішні обриси яких відпові­дають зовнішньому контуру виробу, що формується. На станині 1 встановлено пневмопресувальник 12, який через штан­гу 10 може піднімати формувальну плиту 8.

Рис.7.71. Конструктивна схема вібраційного преса

Обмежувачі ходу 11 дають змогу підніматися формувальній плиті 8 точно до рівня верхньої площини матриці 4. Вібростіл 9 із двовальними відцентровими віброзбудниками 13 спирається на стани­ну 1 через пружини 14. Віброзбудники приводяться в рух через пружні муфти від двох співвісно встановлених електро­двигунів 2 і 3. Кутова швидкість електро­двигуна 2  = 300 рад/с, а електродвигу­на 3  = 150 рад/с. Дозувальний пристрій оснащений бункером 18 із бетонною суміш­шю, мірним ящиком 15, що переміщується гідроциліндром 17 по напрямних. Для знімання готових виробів мірний ящик оснащений упором 19. При переміщенні мірного ящика в позицію формування горловина бункера 18 перекривається шибером 16.

Вібропрес працює у такий спосіб. Пневмопресувальник 12 піднімають до упорів 11, формувальна плита 8 із відформова­ним у попередньому циклі виробом у цей час перебуває під бункером 18, заповне­ним бетонною сумішшю. При ввімкненні гідроциліндра 17 мірний ящик 1 5 із су­мішшю переміщується в позицію форму­вання, закриваючи одночасно шибером 16 горловину бункера 18. При цьому упор 19 виштовхує готовий виріб у приймальний пристрій. Пневмопресувальник 12 опус­кається в крайнє нижнє положення і фор­мувальна плита 8 лягає на вібростіл 9. На 2...4 с вмикається віброзбудник з час­тотою коливань  = 300 рад/с. При цьому бетонна суміш заповнює робочу порож­нину матриці 4. Гідроциліндр 17 повер­тає мірний ящик 15 під горловину бунке­ра 18. Після цього нневмоциліндр 7 опус­кає пуансон 6 і за рахунок його сили тя­жіння і зусилля, що розвиває пневмоци­ліндр, виникає статична дія на бетонну су­міш. Одночасно на 4...5 с вмикаються віброзбудники з частотою  = 150 рад/с. При цьому суміш ущільнюється. Пневмо­циліндр 7 піднімає пуансон 6 у верхнє по­ложення, а пневмопресувальник 12 під­німає готовий виріб. Потім цикл повто­рюється.

У деяких пресах відбувається не тільки одночасний, а й послідовний вплив вібрації і тиску із застосуванням двостадійного вібропресування. Таке рішення дає змогу підвищити ефективність процесу ущіль­нення, а також повністю автоматизувати процес формування у роботизованих комп­лексах.

Розрахунковими параметрами вібропресів є динамічні характеристики вібростола (амплітуда, частота, статичний мо­мент, потужність, жорсткість опор), харак­теристики пуансона (хід, тиск), а також параметри допоміжних вузлів (трансфер­кари, що забезпечують дозування і пода­вання суміші із бункера у форму; систе­ми подавання та фіксації піддонів; гідро­станції, що забезпечують роботу гідроприводу і надійну роботу інших механіз­мів). Виходячи з технологічних вимог (тип виробу, склад суміші, забезпечення по­трібної продуктивності), виконують від­повідні розрахунки.

Центрифуги для формування трубчас­тих залізобетонних виробів. Центрифу­ги призначені для формування порожни­стих залізобетонних виробів, що мають вигляд тіл обертання у вигляді циліндра або зрізаного конуса. Процес формуван­ня здійснюється в горизонтально розмі­щених формах за рахунок відцентрових сил, що виникають під час їх обертання відносно власної осі. Регулювальна сила, що діє на частинку бетонної суміші, яка має масу т (рис. 7.72),

де R — радіус розміщення частинки на осі обертання;  — кутова швидкість форми.

Якщо частинка перебуває у точці А, то кут t= 0, a сos t = 1, тобто

F_A= mR²- mg,

a якщо у точці В, то кут t = , a cos t= 1:

F_B = mR²+mg.

Порівнюючи сили в точках А і В, ба­чимо, що тиск у точці А менший, ніж у точці В. Ці обставини змушують бетонну суміш рівномірно розподілятися по вну­трішній поверхні форми.

Рис. 7.72. Схема сил, що діють на частинку бетонної суміші у центрифузі

Результуюча відцентрова сила, яка діє на кільце бе­тонної суміші, що має радіус r₁, товщину стінки dr₁ і довжину l,

dF_ВЦ = 2lp²r²dr₁

де р — щільність бетонної суміші.

Зінтегрувавши останній вираз від R₁ до R, дістанемо

де R₁, R — відповідно внутрішній і зов­нішній радіуси труби.

Для того щоб визначити пресувальний тиск на зовнішній поверхні труби, праву і ліву частини останнього виразу достат­ньо віднести до зовнішньої поверхні труби:

R₀ = (7.9)