Рис. 178. |
Граничные условия по тср и тц для ПСВ: |
1, 2, 3 — верхняя граница для |
ПСВ с винтами <р = |
17* (3-х зах.), <р = 15" |
|
и <р = |
12° соответственно; |
|
Г, 2', 3' — нижняя |
граница для ПСВ |
с винтами |
<р = 17* (3-х зах.), |
Ф |
= 15* и |
ф = 12* |
соответственно |
Исключительно важными являются исследования гранич ных условий для реологических свойств перерабатываемых Го рохов. Очевидно, чем большую аномалию вязкости имеет по рох, тем большие значения расходов должны иметь обратный поток и утечки.
На рис. 179 графически представлены критические условия по реологическим характеристикам баллиститных порохов. Графики даны в координатах птах (индекс течения) — ктах (степень податливости) и построены по точкам перегиба кри вых, представляющих функции Qp = /к , п) и Qs = Дк, и).
П m a x i \
1
6
5
4
3
2 ____ I____ L |
-J------ 1------ «----- ► |
10'n |
10' |
lО'7 |
10*5 |
/Стах |
Рис. 179. Граничные условия ПСВ по реологическим свойствам: |
1 — винт 2-х зах., (р = |
12°; 2 — |
винт 2-х зах., ф = 15°; 3 — винт 3-х зах., |
|
|
Ф = 17° |
|
|
Следовательно, каждая точка графика дает такие значения к и п, при отступлении от которых в критическую область в кана ле винта пресса резко возрастают противоток и утечки.
Графики ограничивают верхние пределы показателя п и ко эффициента к. Ограничение по нижним пределам этих харак теристик накладывает качество получаемых пороховых шашек, что является специальной областью исследования.
В |
отличие от только |
что рассмотренных зависимостей |
хср —тц |
здесь наблюдается |
обратная картина: рост показателя |
п вызывает снижение значения коэффициента к и, наоборот. Причем, как видно из графиков, повышение напорности пресса приводит к расширению диапазона перерабатываемых порохов по реологическим свойствам. При одной и той же жесткости (к) высоконапорный винт допускает большую ано малию вязкости, т. е. большее падение эффективной вязкости с увеличением скорости сдвига. При одной и той же анома лии высоконапорный винт дает возможность прессовать менее
жесткие составы. Необходимо отметить, что графики на рис. 179 построены из расчета максимального градиента давления, что является не вполне корректным. Поэтому они представля ют скорее качественную, нежели количественную картину. Ра бочие графики должны быть выполнены в виде пространст-
дР
венной диаграммы в координатах п - к ------ .
д ^ На рис. 180, 181, 182 приведены графики в координатах
птах — кшах Для трех винтов ПСВ и для диапазона напорностей 2... 12 кгс/см2-см. Для всех винтов снижение градиента
Рис. 180. Граничные условия ПСВ с 2-х заходиым винтом (ф = 12") по реологическим свойствам прессуемых составов при следующих значениях
— , кгс/см2-см:
1 - 2; 2 - 2,5; 3 - 3; 4 - 4; 5 - 5; 6 - 6; 7 - 7; 8 - 8; 9 - 9; 10 -
10; 11 - 11; 12-12
Рис. 181. Цзаничные условия ПСВ с 2-х заходным винтом (<р = 15°) по реологическим свойствам прессуемых составов при следующих значениях
— , кгс/см2 см:
1 - 2; 2 - 3; 3 - 4; 4 - 5; 5 - 7; 6 -1 2
давлений по оси канала существенно уменьшает расход проти вотока и расширяет возможности пресса по реологическим свойствам перерабатываемых составов.
Таким образом, выполненные исследования позволяют оценить критические условия работы ПСВ на любом из трех представленных здесь винтов. По известным значениям удель ного внешнего трения, напряжения среза и реологических ха рактеристик пороха можно оценить работу пресса на данном составе и определить в какой области находится процесс прессования: безопасной или критической. По этим же харак теристикам можно выбрать винт с той или иной напорностью, отвечающий безопасным условиям работы.
Рис. 182. Цшничные условия ПСВ с 3-х заходным винтом (ф = 17°) по
реологическим свойствам прессуемых составов при следующих значениях
— , кгс/см2-см
1 - 2; 2 - 3; 3 - 5; 4 - 7; 5 - 10; 6 -1 2
4.5.3Пресс ПВВ с повышенными напорностыо
ипроизводительностью
Пресс ПСВ-2М в определенной степени знаменует собой завершение целого направления в развитии шнековых прессов для экструзии баллиститных порохов, направления, имеющего в основе классическую комбинацию рабочих органов: шнек-винт с одним или несколькими заходами и втулку с ри фами, направленными вдоль образующей.
При создании нового пресса исходили из необходимости устранения основных недостатков классического варианта:
— рифы, расположенные по образующей втулки под неко торым углом к винтовой линии, способствуют снижению гра
диента давления в канале и ограничивают повышение произ водительности пресса вследствие невозможности увеличения его заходности;
— рост производительности пресса за счет увеличения его габаритов, в том числе и сечения канала винта, приводит к повышению опасности, что для новых топлив является не приемлемым.
Поэтому при поиске конструктивных решений был прове ден анализ различных вариантов прессов, лишенных приве денных выше недостатков. Рассматривались нетрадиционные варианты прессов: диско-винтовой, антишнековый, шнековый с канальной винтовой втулкой. Все три конструкции схема тично представлены на рис. 183, а их сравнительные характе ристики — в табл. 35.
Т а б л и ц а 3 5
Сравнительные характеристики различных конструкций формующих прессов
|
|
|
|
Ъш пресса |
Шнековый |
|
Характеристики |
Диско-винтовой |
Антишнековый |
|
|
|
с винтовой |
Производительность, кг/час |
|
|
втулкой |
1000 |
1000 |
4000 |
Градиент |
давления |
в канале, |
4...7 |
12...15 |
7...10 |
кгс/см2-см |
|
|
|
|
Максимальный градиент давле |
15...20 |
200...300 |
25...40 |
ния на реборде, кгс/см2 |
0,2...0,4 |
|
|
Отношение объемных расходов |
0,05...0,1 |
0,2...0,3 |
обратного |
и прямых потоков |
|
|
|
Максимально развиваемое дав |
40...60 |
70...100 |
50...70 |
ление на выходе (при одинако |
|
|
|
вой длине канала), |
МПа |
|
|
|
При сравнительном анализе прессов рассматривался ком плекс технологических параметров: производительность, напорность, максимальное давление, величина необратимой де формации (сдвиговые процессы), безопасность.
Каждый из представленных вариантов имеет определенные преимущества. Антишнековый пресс, имея рифы в отличие от обычного шнекового пресса не на втулке, а в канале, сущест венно выигрывает по напорности. Однако это преимущество по безопасности прессования становится недостатком с точки зрения качества продукции: уменьшение сдвиговых деформа ций приводит к ухудшению аутогезии. Диско-винтовой пресс в комбинации с малогабаритным пресс-инструментом превос ходит прочие конструкции по величине необратимой дефор-
Рис. 183. Конструкции формующих прессов
а — диско-винтовой; б — антишнековый; в — шнековый с винтовой втулкой
мации, что повышает качество продукции. Однако сам шнек-пресс имеет практически те же параметры, что и суще ствующие, а конструкция в целом усложняется.
Шнек-пресс с винтовой канальной втулкой имеет три серьезных преимущества:
—расположение под более выгодным углом каналов вин та и втулки в сравнении с обычным шнековым прессом по зволяет повысить напорность пресса и максимально развивае мое им давление на выходе;
—увеличение числа заходов дает возможность в тех же самых габаритах увеличить производительность в 1,5—2 раза;
—традиционное расположение рабочих органов и привода позволяет использовать существующие рабочие помещения без реконструкции, что значительно снижает капитальные затраты на техническое перевооружение заводов.
По результатам проведенного анализа за основу промыш ленной конструкции пресса был взят последний вариант.
При создании пресса исследования закономерностей тече ния массы в канале винта и расчетные методы базировались на работах по шнековым прессам. При этом, учитывая суще ственно отличные условия загрузки полуфабриката при нали чии каналов во втулке, исследования закономерностей работы загрузочной зоны были значительно углублены.
Две взаимодействующие зоны — загрузочная и формую щая — на первом этапе изучались самостоятельно. Причем, в первой из них основное внимание было уделено производи тельности, во второй — градиенту давления в каналах винта и втулки пресса.
Работа загрузочной зоны определяется несколькими факто рами, связанными как со свойствами материала и конструкци онными параметрами рабочего органа, так и условиями пода чи материала в зону питания.
В основу физической модели может быть положен следую щий механизм подачи материала шнеком:
—засыпка материала из бункера или иным путем в кана лы шнека. Количество поступающего материала определяется насыпной плотностью, его сыпучестью, соотношением разме ров частиц материала и заполняемых каналов винта, а также параметрами и конструкцией зоны питания (угол наклона стенки бункера и пр.);
—подача материала шнеком, определяемая, в свою оче редь, тремя факторами: сцеплением его со стенкой корпуса, внутренним трением в материале и взаимодействием послед него со шнеком (внешнее трение и угол наклона реборды).
Рассматривая производительность зоны как интегральную величину, определяемую двумя последовательными потоками, можно написать:
где Q3, QH— соответственно производительность на выходе из |
зоны загрузки и на |
входе, отвечающая насыпной плотности; |
к5 — коэффициент, |
учитывающий влияние |
бункерной зоны; |
кп — коэффициент, |
учитывающий обратный |
поток материала |
в канале шнека. |
|
|
В бункерной зоне подача материала зависит от формы и размера частиц, определяющих их сцепляемость, а также от угла стенок и формы бункера.
Тогда |
|
Ч = кр' КФ ку КФ5, |
(4.201) |
где кр, кф, ку, Кфь — соответственно коэффициенты, учитываю щие влияние размера, формы частиц материала, угол и форму бункера.
Исходная производительность, соответствующая насыпной плотности, может быть определена как производительность
378
шнека, заполненного материалом с насыпной плотностью, при отсутствии обратного потока:
п ___ |
_ п |
n2Dntgq>, n2 |
j2y |
(4.202) |
Рн ' у е л |
РН |
^ |
” ) > |
где Уусл — условная объемная производительность шнека, м3; р„ — насыпная плотность, кг/м3; D, d — соответственно на ружный и внутренний диаметр шнека, м; п — число оборотов, мин-1; ф — угол наклона винтовой линии.
Коэффициент к„, учитывающий обратный поток, может быть выражен отношением
^обр _@тр @реб
(4.203)
~~а, Qn
где QOQр, Q,р, 0рсб — соответственно потери производительно сти с обратным потоком, вследствие трения о винт и воздей ствия реборды винта.
Заменяя в выражении (4.200) коэффициенты и QHна полу ченные выше соотношения, имеем:
л |
0 ц |
О т р |
бреб |
п |
0 , = К Р-Кф -Ку-Кф6-----— -----Q„ = |
|
|
Q» |
2 |
(4.204) |
= кр-кф-ку-кф6 |
n2pHDntg(p |
2 |
|
|
(В2- d 2)-Q w -Q,реб |
Потери производительности |
QTp и |
зависят от удельной |
силы внутреннего трения тпм и внешнего трения тмм, а также угла наклона винтовой линии. Напряжения сдвига в материа ле складываются из трех компонент: от трения по внутренне му диаметру шнека, по ребордам и от давления толкающей
х |
2т |
т |
реборды, соответственно — , — |
, где Ъ, h — ширина |
h |
b |
cosç |
и глубина канала винта соответственно.
Считая поле напряжений от каждой компоненты равно мерным, а материал, подчиняющимся закону Ньютона, опре делим скорость сдвига, вызываемую действием каждого напря
жения в отдельности |
|
2 L_ f „ Ъ . |
(4.205) |
? в р = bcosç*x4 |
Линейную скорость определим как произведение скорости сдвига на расстояние от условно неподвижной поверхности.
2т„х
(4.206)
ôcosqvt ’
где у — текущая координата по глубине канала; х — текущая координата по ширине канала.
Интегрирование дает объемную потерю производительно сти по каждой составляющей:
|
т„b лfi |
\b h 2 _ тм bh |
|
|
|
Vf, = — |
Г ydy = 2\ h |
\ |
2 ’ |
|
(4.207) |
|
2т h-2 гы2 , |
4т h-b |
/4 |
т |
bh |
(4.208) |
V„ = -------- I |
хах = ------ |
|
|
|
n |
x„b J° |
т.> 2 |
|
\ |
2 |
|
V - |
X’h |
r„ |
X b2h |
|
|
bh |
|
I* xdx — |
|
Tncos<p 2 |
(4.209) |
np |
Tn6coscp J o |
2T 46 C O S <P |
|
Выражение (4.204) с учетом обратного потока приобретает |
вид: |
|
|
|
|
|
|
|
<2, = кр -кф-ку-к,фб |
4 |
т |
|
|
т_ coscp 2 |
|
|
|
|
|
(4.210) |
|
|
|
|
|
|
|
n2p„Pntg(p{D2-d * ) - ^ p Hbh\\-
2cos<p
Таким образом, для расчета параметров загрузочной зоны шнек-пресса необходимо знание свойств полуфабриката, пре жде всего его насыпной плотности, сыпучести, удельной силы или коэффициентов внешнего трения. Остановимся на неко торых особенностях свойств полуфабриката, загружаемого в шнек-пресс.
Насыпная плотность колеблется в довольно широких пре делах в зависимости от размера и формы частиц.
Представленные в табл. 36 экспериментальные данные по казывают, что наиболее оптимальным является цилиндриче ский полуфабрикат размером 10/0 — 10. При этом насыпная плотность достигает значения 1000 кг/м3.
