Процеси у виробництві будівельних матеріалів і виробів (стр. 9 из 14)
Прямий потік, викликаний штовхаючою здатністю фронтальної поверхні лопаті шнека.
2. Зворотний потік, викликаний тиском в головці преса за випорною лопаттю шнека і рухом поверхні лопатей шнека у зворотному напрямі. Зворотного потоку у прямому розумінні слова не існує. Він виявляється в стримуючому впливі на прямий потік.
3. Потік витоку, викликаний перепадом тиску по обидві сторони від лопаті шнека в кільцевому каналі по периметру лопаті.
Прямий потік може бути визначений в загальному випадку з урахуванням того, що за один оборот шнека в головку преса поступить об'єм матеріалу, що знаходиться між випорною лопаттю і лопаттю, наступною за нею на відстані, рівному кроку t:
(6.35)Зворотний потік можна визначити, якщо взнати пропускну спроможність крізного каналу шнека. Якщо допустити, що в канал, що знаходиться за випорною лопаттю, з головки під дією тиску поступає глиномасса і зворотному руху глиномасси сприяє також рух стінок каналу - лопатей шнека в тому ж напрямі, що і дія тиску, то задачу визначення зворотного потоку можна звести до рішення простої задачі перебігу маси, захоплюваної паралельними стінками, що рухаються, під дією тиску на вході в канал. Рішення цієї задачі дозволяє знайти витрату матеріалу через канал по формулі:
(6.36)де п - частота обертання шнека; L - глибина шнека; 2h - відстань між двома лопатями шнека; ψ - індекс перебігу глиномасси; q - зворотна величина індексу течії; μ1 - коефіцієнт, що характеризує поведінку реології глиномасси; S - довжина гвинтового каналу шнека від випорною лопаті до зони завантаження преса; kδ - коефіцієнт бічного тиску; kδ = 0,4...0,7; β - кут, під яким глиномасса входить в головку преса, утворений віссю каналу шнека і площиною поперечного перетину циліндра шнека; Рпл - тиск, затрачуваний на подолання пластичного перебігу глиномасси в головці і формуючих насадках преса.
Потік витоку можна визначити, вирішивши задачу руху глиномасси в кільцевому каналі, утворюваному кромкою лопаті шнека і поверхнею циліндра:
(6.37)де Рупр - тиск, затрачуваний на подолання пружних властивостей глиномасси при вході її в головку і формуючий насадок преса Рупр= (0,5...2) Рпл; δ - зазор між кромкою лопаті шнека і сорочкою циліндра.
Перший доданок правої частини рівняння відображає витрату глиномасси в результаті руху внутрішнього глиняного циліндра, захоплюваного шнеком у напрямку до головки преса.
Другий доданок правої частини відображає витрату матеріалу під дією тиску за випорною лопаттю шнека у зворотному напрямі.
Якщо абсолютна величина другого доданку перевищить абсолютну величину першого, то це може означати, що з'явився потік витоку - рухи матеріалу в кільцевому зазорі по напряму від головки преса до завантажувальної зони.
Таким чином, в загальному випадку продуктивність шнекового преса можна визначити по формулі:
(6.38)Підставивши значення параметрів
заздалегідь спроектувавши на горизонтальну вісь шнека швидкості потоків глиномасси в каналах шнека, одержимо рівняння для розрахунку продуктивності нагнітача преса - шнекового валу.Картина руху глиномасси в головці і мундштуку достатньо складна і має свої особливості.
Випорна лопать шнека створює на вході в головку різні швидкості руху глини: максимальну - біля стінок головки і мінімальну - у її осі. У міру просування глини до мундштука картина течії міняється на зворотну. Швидкість стає максимальною на осі і мінімальної біля стінок. Профіль швидкостей частинок в поперечному перетині головки стає параболічним, а загальна картина руху глини подібна картині перебігу в'язких рідин.
Розрахунок характеристик формуючих елементів преса ведуть в такій послідовності:
формуючі елементи преса розбиваються на ділянки так, щоб одержати канали простої геометричної форми (конус, циліндр і т.п.);
задаються значення продуктивності шнекового преса;
для кожної ділянки визначаються градієнти швидкості;
для цих ділянок знаходяться значення ефективної в'язкості по кривій реології перебігу глини;
визначається падіння тиску на кожній ділянці;
підсумовується загальне падіння тиску в каналі складної конфігурації з втрат тиску на окремих ділянках;
будується графік залежності Q = f (P), визначаючий характеристику формуючого елемента преса.
2.7. Реологія будівельних матеріалів
За останні роки прикладна реологія дисперсних систем одержала значний розвиток в роботах вітчизняних і зарубіжних учених. Роботами академіка П.А. Ребиндера і його школи були закладені основи нового напряму - фізико-хімічної механіки.
Розуміння фізичного єства поведінки матеріалу при його обробці в робочих каналах механічного устаткування дає вивчення його реакції на дію різних зусиль і їх комбінацій, у тому числі об'ємного стиснення, одноосного розтягування, простого зсуву, стиснення із зсувом.
Матеріал, що переробляється, як відомо, може знаходитися в твердому, рідкому, газоподібному станах і проявляти при деформації в'язкі, пластичні, в'язко-пластичні, пружні, в'язко-пластично-пружні властивості. У кожному конкретному випадку важливо знати характер зв'язку прикладених зусиль і деформації матеріалу, що виникає в робочому каналі машини.
Більшість вологомістких дисперсних систем проявляє під навантаженням як в'язкі, так і пластичні властивості. Пластичні властивості матеріалів вивчають за допомогою моделі реології Сен-Венана. Пластичним тілом Сен-Венана називають тіло, деформація (течія) якого під дією прикладеної напруги відсутня, якщо напруга не досягає певної для даного матеріалу величини, званої межею текучості τ0. Причому, якщо навантаження на матеріал досягне межі текучості, процес деформації проходить вже незалежно від всіх інших умов (наприклад, від швидкості деформації). Встановити співвідношення між величиною і швидкістю деформації і прикладеною напругою не вдається, можна лише констатувати умову настання стану текучості - пластичності матеріалу (мал.6.19).
При
- деформація відсутня, градієнт швидкості рівний нулю.При
- відбувається перебіг матеріалу.Графік "перебігу" тіла Сен-Венана представлений прямою лінією (мал.6.19), паралельної осі
Мал.6.19. Графік течії і модель реології тіла Сен-Венана
Більшість початкових мас для виробництва будівельних матеріалів - вологомісткі дисперсні системи - проявляють під навантаженням в'язко-пластичні властивості.
В 1881 р. шведів, а в 1919 р. Бінгам запропонували метод оцінки пластичних властивостей оброблюваного матеріалу, що одержав назву методу Шведова-Бінгама.
Згідно їх уявленням
(6.39)де τ - напруга зсуву в сталому "потоці" матеріалу в робочому каналі, Н/м2; τ0 - "межа текучості" ("гранична напруга зсуву", яка необхідна створити, щоб почався перебіг матеріалу в робочому каналі машини), Н/м2; η - коефіцієнт в'язкості, що характеризує внутрішнє тертя матеріалу, Н-с/м;
- градієнт швидкості сталої течії в робочому каналі, с-1.В'язко-пластичні середовища згідно концепції Шведова-Бінгама, на відміну від ньютонівських, не зазнають видимих деформацій до тих пір, поки напруга зсуву не перевищить деякого значення, званого межею текучості.
Таким чином, істинно в'язкі матеріали відрізняються від пластичних тим, що у в'язких відсутня гранична напруга зсуву τо і вони "течуть" навіть під впливом власної тяжіння.
Як показує практика, більшість будівельних матеріалів при їх використовуванні разом з вязкопластичними проявляє і пружні властивості.
Згідно дослідженням П.А. Ребіндера, Н.В. Міхайлова, всі системи, що піддаються механічним діям, можна розділити на рідкообразні і твердообразні. До рідкообразних відносяться ньютонівські рідини і структуровані системи, що не мають граничної напруги. Для цих систем τ0 = 0. До твердообразних тіл - в'язко-пластичні, в'язко-пружні, в'язко-пластично-пружні системи, що володіють граничною напругою зсуву.
Експериментальні роботи, проведені з в'язко-пластичними дисперсними матеріалами зниженої вогкості показали, що у принципі вони поводяться під навантаженням аналогічно структурованим рідинам з малою концентрацією дисперсної фази.
"Кривий перебіг" реологій твердообразних систем в загальному випадку може бути представлені таким чином (мал.6.20).
Якщо здвигові зусилля не перевищують межі міцності просторової структури матеріалу, що деформується, то відбувається повільний рух середовища з постійною найбільшою в'язкістю. Дуже повільний рух матеріалу йде без руйнування структури або з частковим її руйнуванням і одночасним відновленням.
Рис.6.20. Криві реологій для твердообразных систем: а) - залежність градієнта швидкості від напруги зсуву; б) - залежність логарифма ефективної в'язкості від напруги зсуву: 0-1 - зона пружних деформацій; 1 - 2 - зона пластичного тертя з найбільшою в'язкістю:
- найбільша пластична в'язкість по Шведову; 2-3 - початок зони лавинного руйнування структури; 3-4 - зона в'язкопластичної текучості: - якнайменша пластична в'язкість по Бінгаму; 5 - зона ньютонівської течії з постійною в'язкістю гранично зруйнованої структури.