pdf.php@id=6178
.pdfПрямой поток — производительность пресса без противо давления.
Противоток — условный обратный поток в канале под действием сил давления и внешнего трения массы о поверх ность винта.
Утечки в зазоре между гребнем винта и поверхностью втулки являются следствием осевого градиента давлений и сил внешнего трения по поверхности втулки.
Количественно две последних составляющих потока опре деляются градиентом давления по оси канала и по оси пресса. Градиент давления по оси канала называется напорностыо1 пресса и характеризует способность пресса преодолевать со противление (развивать давление) на участке, равном единице длины канала.
С качественной стороны напорность характеризует способ ность пороха удерживаться на рифах втулки без сдвига его в направлении, противоположном движению.
Количественно она определяется предельным напряжением среза в слое между гребнем винта и поверхностью втулки. То есть напорность зависит только от свойств массы и геометри ческих размеров канала винта. Сопротивление на выходе из пресса не влияет на величину напорности, а только на длину напорной зоны. При увеличении сопротивления (давления) пресс-инструмента длина прессующей части канала увеличива ется, при уменьшении — сокращается. Связь этих двух вели чин (РвЬ1Хи 1пресс) при условии постоянства напорности по дли не канала прямо пропорциональна. На производительность пресса величина противодавления не влияет до определенного предела. Этот предел характеризуется, с одной стороны, мак симальной длиной напорной зоны, при которой зона уплотне ния еще не сказывается на степень заполнения винта в зоне загрузки. С другой стороны, при значительной длине винта и, следовательно, большой по длине допустимой напорной зоне повышенный тепловой разогрев пороха приводит к повыше нию температуры массы в канале и, следовательно, к умень шению вязкости пороха и предельного напряжения на срез. При этом снижается напорность винта, и может увеличивать ся противоток, снижая тем самым производительность. Одна ко уменьшение напорности пресса однозначно не определяет
1Иногда под напорностыо пресса понимают максимально развиваемое прессом давление при работе всей напорной зоны.
301
снижение его производительности, ибо напряжения в порохе по сечению канала при этом падают.
В данном случае величина обратного потока будет зависеть от интенсивности снижения предельного напряжения среза и вязкости пороха. Если вязкость пороха с ростом температу ры снижается значительнее, чем напряжение на срез, произво дительность пресса упадет. В противном случае она возрастает.
Учитывая неравномерное распределение скоростей сдвига по сечению канала и максимальное их значение именно в зо не рифов, следует здесь же ожидать и большего разогрева по роха. То есть повышение температуры должно более сущест венно сказываться на снижении предельного напряжения сре за, нежели вязкости пороха. Таким образом, при прочих равных условиях локальные тепловыделения в зазоре, снижая напорность пресса, должны несколько увеличивать его произ водительность. На практике же чаще имеет место первое явле ние: снижение напорности приводит к недопустимому росту длины запрессованной зоны, выходу зоны уплотнения непо средственно к бункеру и снижению степени заполнения межвиткового объема. Создаются критические условия: незначи тельное увеличение давления на входе в пресс-инструмент не может быть преодолено прессом, исчерпавшим свои возмож ности по дальнейшему увеличению длины напорной части. Пороховая масса вместе с винтом начинает вращаться и разо греваться до температуры воспламенения. Это явление носит название «срыв массы с рифов». Оно может иметь место и при малой длине напорной зоны в области низких противо давлений в случае, если пороховая масса совершенно не по ступает в пресс («отсутствие питания», «зависание в бункере»).
Синхронность работы загрузочной и прессующей зон в значительной мере сказывается на напорности пресса. Уменьшение степени заполнения винта в зоне загрузки («недопитка») снижает напорность вследствие повышения интен сивности сдвиговых процессов и локальных температур в зазо ре (порох в напорной части как бы ждет, оставаясь на месте, подачи следующей порции массы из зоны загрузки). Увеличе ние производительности загрузки выше производительности прессующей зоны запрессовывает винт, искусственно снижая его напорность.
И то, и другое снижение напорности может быть настоль ко существенным, что приведет к загоранию пороха в услови-
302
ях, далеких от критических для нормально работающей прес сующей зоны.
Следовательно, загрузочная зона должна подавать столько порохового полуфабриката в прессующую зону, сколько по следняя может в данных конкретных условиях выдать в виде результирующего потока (с учетом противотока и утечек). От клонение в ту и другую сторону ухудшает работу пресса, по вышая опасность процесса и снижая качество изделий.
Условие синхронизации производительностей двух зон приводит к следующему равенству:
a( f f ’А к)р(1?’5’ |
K)pônp-3-= |
(4.116) |
||
|
|
|
|
|
= Ц т Г ’ (Р’ |
Ft' n']dQ^ - |
|
||
где Qnp.3., 0заг.з. |
~ |
объемные производительности прессующей |
||
и загрузочной |
зон, |
определяемые |
только геометрией канала; |
а — коэффициент, учитывающий противоток; f$ — коэффици ент, учитывающий утечки; р — плотность пороха в прессую щей зоне; i|/] — коэффициент, учитывающий степень заполне ния межвиткового объема; \|/2 — коэффициент, учитывающий объемную долю вращения материала вместе с винтом; d — на сыпная плотность полуфабриката; А — глубина канала винта;
- |
« |
дР |
дР |
о — величина зазора; |
п — число оборотов винта; |
——, — — |
|
|
|
dZ |
о1 |
градиенты давлений по оси канала и по оси пресса; FT — си ла сцепления между пороховыми элементами.
Из этого соотношения получаем важнейшую характеристи ку винта — степень сжатия, т. е. соотношение сечений канала в загрузочной и прессующей зонах:
jî _ ^эаг.э. _ |
в Ф р |
(4.117) |
|
Gnp.,. |
V i'M ’ |
||
|
Итак, на основании вышеизложенного можно сформулиро вать следующие направления исследования процесса прессова ния с разработкой математических моделей:
—градиента давлений в канале винта;
—производительности прессующей зоны с учетом проти вотока и утечек;
—тепловых процессов и распределения температур;
зоз
— затрат мощности и удельной мощности прессования;
— определение коэффициентов v|/1( vjt2 в загрузочной зоне;
— исследование критических условий прессования: «срыв массы с рифов», «недопитка», локальные тепловые разогревы до температуры воспламенения и пр.
4.4.2 Напориость пресса (градиент давления) и максимально развиваемое прессом давление
В основу вывода уравнения для напорности пресса поло
жено |
следующее основное утверждение: напряжение сдвига |
в слое |
пороха, находящегося в зазоре между гребнем винта |
и внутренней поверхностью втулки, равно предельному напряже нию сдвига, аппроксимированному к нулевой скорости. Предста вим два случая неравенства: напряжение сдвига больше на пряжения среза и второй — меньше предельного напряжения сдвига.
В первом случае порох будет двигаться, срезаясь на рифах, назад до тех пор, пока сила, удерживающая его на рифах, не сравняется с силой, толкающей пороховой элемент назад, т. е. пока напряжение сдвига не сравняется с предельным напря жением сдвига (напряжением среза).
Во втором случае порох в канале винта может выдержать, не сдвигаясь по рифам назад, более высокий градиент давле ния и, следовательно, он вынужденно продвигается вперед до тех пор, пока вследствие увеличения градиента давления на пряжение сдвига не приблизится к предельному. Таким обра зом, градиент давления в канале винта соответствует предель но-напряженному состоянию пороха в слоях, граничащих со втулкой пресса, т. е. прессование относится к таким процес сам, когда порох находится на пределе своих механических возможностей и не может отступить от этого предела как в ту, так и в другую сторону. Следовательно, условие равновесия сил в канале может быть выражено равенством напряжений сдвига напряжениям среза в слоях пороха, граничащих со втулкой.
Рассмотрим баланс сил, действующих на элемент массы в канале винта. Необходимые обозначения конструктивных параметров винта (для цилиндрического и конусного) приве дены на рис. 150.
На пороховой элемент по сечению канала с толщиной, равной dZ, действуют следующие силы (рис. 151а):
— противодавление:
304
— внешнее трение по винту:
т™(b+2h)dZ,
— составляющая силы нормального давления реборды, преодолевающей силы трения массы по втулке (рис. 1516):
Рис. 150. Геометрические параметры винта пресса:
De — внутренний диаметр винта; D„ — наружный диаметр винта; h, в — глубина и ширина канала винта; / — ход винта; z — число заходов винта; а ; — угол конусного винта; а 2 — угол сердечника винта; i K — длина шага винтовой линии; <р — угол подъема винтовой линии
305
x^btgpdZ,
— сила, удерживающая массу от вращения вместе с вин том:
zcpbcos(pdZ[.
Эти силы вызывают напряжение сдвига, представленного на рис. 151в.
Суммарное напряжение сдвига в направлении от поверхно сти сердечника винта к поверхности втулки равно:
д P |
2TDH |
|
Xcd = d ~ z y + T ™ + ~ f ~ y + x 7 t&py:= |
(4.118) |
= f f у+ *: +(2т;н +Т
Здесь и в предыдущих выражениях принято обозначение: т“" — удельная сила внешнего трения по поверхности винта; т” — удельная сила внешнего трения по поверхности втулки; хср — предельное напряжение сдвига в зазоре между гребнем винта и внутренней поверхностью втулки.
Из выражения (4.118), считая у = h, получаем:
тср cosФ = h +т™+ (2т“" + т" btgp)£
д р хсР coscp--c“H—(2т“ + т" btgw )^
J z = |
(4.119) |
h |
Выражение (4.119) для напорности пресса определено при следующих ограничениях:
—вид деформации — простой сдвиг;
—тср и — постоянны и не меняются в сечении, пер пендикулярном оси канала.
Учитывая зависимость тср и |
от температуры и давления, |
а тц и от скорости скольжения, которые меняются по длине канала, выражение необходимо записать в более общем виде:
1 Здесь и в дальнейшем под тср мы будем иметь в виду предельное на пряжение на сдвиг.
307
д P |
xcp(Z)cos(p- T™( Z ) - [ 2 T™ (Z) + T " (Z)Z>/gcp]£ |
|||
|
|
|
(4.120) |
|
dZ |
|
h |
|
|
|
|
|
||
Давление, развиваемое |
прессом, |
равно: |
|
|
|
|
|
|
(4.121) |
Для винта с постоянной напорностыо: |
|
|||
|
P |
= ^ - Z |
пр > |
(4.122) |
|
,,ых Q £ |
|
||
где Znp — длина запрессованной зоны по оси канала. |
||||
Для винта с переменной глубиной канала, |
т. е. конусного, |
|||
из рис. 150 можно найти: |
|
|
|
|
|
й= йпр +sin<p(/ga, +/ga2)Z, |
(4.123) |
где h„p — глубина нарезки на выходе из пресса. Необходимо обратить внимание, что а] имеет положительное направление против часовой стрелки, а2 — по часовой стрелке. Принимая в выражении (4.123) А = sin<p((ga, +tga2) и подставляя выраже ние (4.123) в (4.120), получаем уравнение напорности конус ного винта:
дР |
тс, (Z)cos(p-T™(Z)-[2т™(Z) + т" (Z)btm \Kç +bAZ- |
|
. (4.124) |
||
dZ |
||
|
Для определения давления, развиваемого прессом с конус ным винтом, интегрируем выражение (4.124) в соответствии с (4.121):
(4.125)
b
При условии постоянства тср и тр имеем:
308
1п(йпр +AZ)-
пр
[1п(йпр +AZ)-\r\hnp\-
(4.126)
Анализируя полученные выражения для напорности и дав ления на выходе пресса для цилиндрического и конического винтов, отметим следующие наиболее важные моменты:
—напорность понижается линейно с уменьшением пре дельного напряжения сдвига и увеличением удельной силы внешнего трения о поверхность винта и втулки;
—изменение напорности обратно пропорционально изме нению глубины канала (если не учитывать незначительное влияние последнего члена);
—для конусного винта напорность от выходной зоны пресса к загрузочной падает обратно пропорционально изме нению глубины канала;
—угол наклона винтовой линии существенно влияет на напорность пресса (рис. 152). До 16...18° падение напорности замедлено, далее оно идет более интенсивно. Угол в уравне нии напорности входит в два члена: Tcpcoscp и xJ’A/gip. Первый представляет составляющую напряжения среза, перпендику лярную оси винта, т. е. силу, удерживающую массу на рифах. Второй член — составляющая нормального давления реборды, направленная по оси канала винта. На первом участке кривой напорности второй член мал и не вносит существенного вкла да в снижение напорности. Затем его роль возрастает и стано
вится превалирующей;
— диаметр винта не входит непосредственно в уравнение напорности. Но поскольку он при заданной ширине канала определяет угол подъема винтовой линии или, наоборот, при заданном угле — ширину канала, то, заменив одну из этих ве личин на диаметр, можно найти, что увеличение диаметра при одинаковой ширине канала приводит к увеличению напорно сти пресса;
309
Рис. 152. Зависимость напорности от угла подъема винтовой линии
(Tcj=20 кгс/ см2; т “" = т™ |
= |
5 кгс/см2; и = 2 |
см, b = 8 см) |
|
— давление, |
развиваемое |
прессом на выходе, для винта |
||
с постоянными |
глубиной |
и |
шагом прямо |
пропорционально |
длине запрессованного канала (при неизменных хср и тц). Для винта с переменной глубиной давление и напорность меняют ся в соответствии с выражениями (4.124), (4.126). На рис. 153 представлены графики напорности и давления на выходе в за висимости от длины канала напорной зоны. Расчет проводил ся для хср = 20 кгс/см2 и тц = 5 кгс/см2. Геометрические пара метры винтов: hnp = 2 см, b = 8 см, ф = 16°
Из графиков видно, что напорность конусных винтов с увеличением глубины канала резко падает. Это падение за висит от скорости роста глубины канала и определяется зна чениями углов ai и а2. Рост давления на выходе из пресса на блюдается до определенной величины, для которой напор ность еще отлична от 0. Причем, интенсивно возрастает давление на начальном участке. По мере уменьшения напор ности винта рост замедляется и для участка Z с нулевой напорностыо на кривых давлений наблюдается максимум (точка перегиба).
310