Оборудование для изготовления изделий из керамических масс

Конспект

учебника М.Я.Сапожникова «Механическое оборудование для производства строительных материалов» Москва 1962 год

Основная машина в производстве керамического кирпича – пресс. Он придаёт изделиям требуемую форму, размер и плотность.

Мощность завода, как правило, определяется производительностью пресса (прессов). От пресса во многом зависит и качество выпускаемой продукции.

В этом конспекте я приведу описания прессов для формовки из пластической керамической массы, но в книге описаны и пресса для формовки из порошкообразных масс.

Для формовки изделий из керамических пластических масс используют ленточные, винтовые (шнековые) пресса.

Эти пресса применяются при пластическом формовании керамических изделий из масс влажностью 17-18%. Я бы расширил диапазон влажности от 14 до 22%, а иногда и выше. При формовании глинистая масса выдавливается из мундштука пресса в виде полосы заданной формы, размеров и пустотности. Выжатая лента разрезается на отдельные отрезки (изделия) заданных размеров.

При производстве черепицы, отдельные отрезки («валюшки») направляются на штамповочный пресс, который придаёт полуфабрикату вид готового изделия.

Прессы для формовки изделий

из керамических пластических масс

 

По Будникову пластичность – это способность глиняной массы при внешнем воздействии принимать заданную форму и сохранять ее после окончания воздействия.

Пластичность глиняной массы проявляется при определённой влажности. Для кирпичных глин такая абсолютная влажность составляет 15-18%.

Ленточными пресса данного типа называются потому, что глинистая масса выдавливается из мундштука пресса и имеет вид непрерывной ленты заданного сечения.

Винтовыми называются потому, что выдавливание глиняной массы из цилиндра пресса осуществляется винтом – шнеком.

В настоящее время в основном эксплуатируются шнековые пресса с удалением из глиняной массы воздуха или вакуумированием.

Шнек пресса транспортирует, прессует и проталкивает массу через мундштук.

В результате движения отрезка АБ вдоль оси 1 образуется винтовая поверхность.

Разместим на винтовой поверхности бесконечно малую точку В на расстоянии r от оси вращения. Предположим, что данная точка движется по плоскости винтовой поверхности, совершает при этом два относительных движения: вращательное движение вокруг оси со скоростью v₁; поступательное движение вдоль оси со скоростью v₂. Результирующая скорость v_р = (v₁² + v₂²)^1/2.

v₁ = 2πr·n = w·r 

n = w/2π

где: w – угловая скорость;

n – число оборотов винта

v₂ = hn

где: h – шаг винта

v₂ = hw/2π

тогда v_р = ((w·r) ² + (hw/2π)²)^1/2 = w(r² + (h²/4π²))^1/2

Из приведенного уравнения можно сделать вывод:

• вращательная скорость частицы возрастает с увеличением расстояния от оси вращения;
• скорость поступательного движения частицы для показанной винтовой поверхности остаётся постоянной.

Если силы трения массы о внутреннюю цилиндрическую поверхность пресса достаточно большие чтобы удерживать пластическую массу от вращательного движения, то вращательные движения шнека вызовут поступательное движение глиняной массы, подобные движеню гайки по винту.

Вращательные движения лопастей шнека приводят к скольжению этих лопастей по поверхности массы. Максимальное скольжение наблюдается по периферии и минимальное скольжение происходит у поверхности вала.

При скольжении массы по внутренней цилиндрической поверхности пресса и отсутствии сколжения по поверхности лопастей шнека, масса будет вращаться вместе со шнеком вокруг оси вала, при отсутствии поступательного движения.

На практике движение массы имеет промежуточное положение. Глиняная масса частично вращается и частично осуществляет поступательное движение, т.е. она совершает некоторое вращательное движение, которое замедляет её поступательное движение. В области, где снижается вращательное движение, увеличивается поступательное и, наоборот.

Винтовые лопасти однозаходного винта транспортируют глиняную массу вдоль цилиндрического корпуса и проталкивают её к последнему витку. В основном массу прессует последний (выжимной) шнековый виток. Предыдущие витки обеспечивают непрерывный поток массы к последнему витку.

На транспортирующих винтах масса немного уплотняется, особенно когда шаг винта переменный, уменьшающийся к выходу или если корпус конический.

Прессование осуществляется между выжимными лопастями и материалом, который запрессован в промежуточную головку за предыдущий оборот шнека. При таком заполнении масса наслаивается в головке по спирали.

Автор описывет движение массы следующим образом.

Периферийные слои контактируют с внутренней поверхностью головки и мундштука и тормозятся под влиянием сопротивлияния наклонных стенок головки и мундштука и сил трения глины об эти поверхности.

Силы торможения передаются внутренним слоям, но величина этих сил снижается. Таким образом скорость движения массы увеличивается от периферии к оси потока.

Слои, перпендикулярные оси движения в начале движения, деформируются и приобретают форму параболы на выходе из мундштука.

В центре потока масса движется компактным стержнем, который постепенно увеличивается за счет притока частиц из периферии.

Периферийные области потока, по мере прохождения через головку сжимаются и при прохождении через мундштук растягиваются.

Сжатие переферийных слоёв керамической массы в головке происходит за счет сопротивления, вызываемого наклоном стенок головки. В результате такого сжатия часть переферийных слоев перерходит к центру.

Конструкция ленточного пресса и основных его деталей

В книге приводится описание конструкции пресса по состоянию на 1962 год и конструкции прессов, описанных в этой книге, отличаются от конструкции современных прессов. Но многие конструктивные особенности прессов, описанные в книге, актуальны и сегодня.

Корпус шнекового пресса

Интересная формулировка для корпуса шнекового пресса: «корпус пресса служит промежуточным звеном между приёмной коробкой и прессовой головкой».

В цилиндрическом корпусе глиняная масса транспортируется и немного уплотняется. Существует несколько конструкций корпусов: цилиндрическая, коническая и ступенчатая.

Размер корпуса шнекового пресса определяет несколько факторов:

1) Первый фактор – свойства сырья. Разные по свойствам глины требуют различных условий прессования. Пластичные глины подвижные и несколько уплотняются в корпусе пресса, что облегчает уплотнение в прессовой головке. Тощие глины малоподвижные и незначительно уплотняют в корпусе.

2) Второй фактор – производительность. Производительность пресса напрямую зависит от диаметра корпуса и, соответственно, от диаметра шнека. Увеличение диаметров корпуса и шнека, при одном и том же диаметре шнекового вала, приводит к увеличению производительности. Увеличение диаметра корпуса пресса приводит к увеличению диаметра входного отверстия переходной головки.

Использование фактора размера имеет ограничение, так при значительной разнице между сечениями входного и выходного сечения переходной головки вызывает значительные увеличение неравномерности скорости потока на выходе массы из головки и, как следствие, возникает опасность структурных трещин.

Поэтому рекомендуется при изменении производительности по выходящей массе, с помощью внутренних насадок и сменных шнековых винтов, изменять внутренний диаметр шнекового пресса.

На рисунке показан корпус, у которого меняется внутренняя вставка – рубашка.

Для каждого типа глин применяется соответствующая рубашка.

Автор книги особое внимание уделяет промежуточному кольцу (3) и сменной конической вставке (4). Такая сменная коническая вставка способствует удалению воздуха при дегазации глиняной массы и равномерному питанию рыхлой глиной последующих шнеков, где происходит её уплотнение. При отсутствии такой конической вставки, увеличивается шаг винтовой группы, которая подаёт рыхлую массу из приёмного бункера в корпус шнека.

а – корпус шнекового пресса с конической вставкой; б – корпус шнекового пресса с цилиндрической вставкой; 1 – корпус; 2 – сменная рубашка; 3 – промежуточное кольцо; 4 – сменная коническая вставка.

Для непластичных масс корпус рекомендуется делать цилиндрическим, во избежания запрессовки массы и связанного с этим её проворачивания глины.

Для предотвращения проворачивания глины в корпусе пресса, внутренняя поверхность рубашки делается рифленой. Расположение рифлений может быть в виде продольных полос или в виде шашечек. Впадины рифлений забиваются глиной. Коэффициент трения глины по глине выше (внутренний коэффициент трения), чем коэффициент трения глины о металл, поэтому такая конструкция рубашки снижает проворачивание глины при работе пресса.

В отдельных случаях, для предотвращения проворачивания и разрушения структуры, ориентированной винтовыми шнеками, применяются неподвижно закреплённые контрножи. В местах установки ножей лопасти имеют разрывы. Недостаток контрножей – дополнительное сопротивление продвижению глиняной массы.

Лопастной винт (шнековый винт)

Шнековый винт транспортирует и прессует глиняную массу. От конструкции шнекового винта зависит производительность пресса и потребляемая мощность на единицу формуемой продукции. От диаметра и шага винта шнека зависит производительность пресса. Ещё один параметр, от которого зависит производительность пресса – частота вращения шнекового вала.

Применяются две принципиально различные конструкции шнекового винта: с непрерывным винтом и прерывистом винтом.

Прерывный шнек имеет недостаток: в местах разрывов давление понижается, а в сплошных местах – повышается. Масса под действием лопасти постоянно проталкивается и перемещается вперёд. Масса в зоне просвета продвигается вперед за счет трения между частицами и давление проталкивания значительно снижается.

Поэтому непрерывный пресс имеет очевидное преимущество.

Ниже приведены конструкции шнековых винтов

Конструкции шнековых винтов:

а, б – прерывистые винты, изготовленные из широких полукруглых лопаток, для устаревших (даже на то время) конструкций прессов;

в – для ступенчатого корпуса;

г – для конусного корпуса;

д – для цилиндрического корпуса с разрывом для контрножей;

е – винт с переменным шагом;

ж – для конического корпуса с разрывом для контрножей;

з – с однозаходным выжимным винтом (шнеком);

и – с двузаходным выжимным винтом (шнеком);

к – с трёхзаходным выжимным винтом (шнеком);

Однозаходные выжимные шнеки имеют наименьшее сопротивление движению массы, но продвигают массу толчками. Пульсирующая подача массы в переходную головку вызывает и пульсирующий выход массы из головки, что создает дополнительные напряжения на брусе. В некоторых случаях от переходной головки отказываются вовсе.

Трехзаходные шнека обеспечивают плавное и равномерное продвижение массы, но создают дополнительное сопротивление выходу массы и, соответственно, снижают производительность пресса. Такие конструкции применяются при формовке очень пластичных масс.

Наибольшее применение нашли двузаходные шнека, которые обеспечивают относительно равномерный выход массы и достаточно большое проходное сечение.

Зазор между наружной кромкой лопасти и внутренней поверхностью рубашки должен составлять 1,5-3,0 мм. При увеличении зазора возрастает обратный поток массы, т.к. давление перед лопастью всегда выше, чем давление за лопастью.

На производительность пресса влияет шаг винта и угол подъёма винтовой линии. Продвижение массы винтовым шнеком можно рассматривать как винтовую пару. При достаточном трении массы о внутренние стенки рубашки, масса в цилиндре не проворачивается, а при вращении винта, передвигается вдоль оси вала к головке.

Угол подъёма винтовой линии принимается 17-18°.

Автор приводит расчет выгодного угла подъёма в зависимости от свойств сырья.

Тангенс угла подъёма винтовой линии

tgα = h/(πD_ср)

где: α – угол подъёма винтовой линии; h – шаг винта; D_ср – средний диаметр, равный половине суммы наружного диаметра лопасти и диаметра ступицы.

Коэффициент полезного действия винта, принимается только трение массы о лопасти

η = tgα/(tg(α + φ))

где: φ – угол трения; tgφ = f – коэффициент трения;

После математических преобразований автор выводит формулу

α = π/4 – φ/2

Максимальный коэффициент трения массы о металл составляет 0,6 тогда φ = 31° и α = 29°30´.

Основное требование при проектировании шнековой группы: угол подъёма винтовой линии α, не должен превышать величины угла трения φ. Коэффициент трения рабочей шихты или глиняной массы о металл изменяется от 0,4 до 0,6. Тогда φ = 22-31°. Принимается наименьшее значение φ = 22°.

Гудсон, считает, что эффективным с точки зрения производительности принимается угол наклона лопастей 23°.

Прессовая головка

Прессовая головка – связующее звено между корпусом пресса и мундштуком и предназначена для уплотнения глиняной массы. Выжимной шнек выдавливает массу в виде лент, количество которых зависит от количества заходов выжимного шнека. Эти ленты выходят в виде спиралей, которые спрессовываются в прессовой головке.

Как правило, площадь поперечного сечения на входе в головку в 2 в 2,5 раза больше площади поперечного сечения на выходе из головки. Угол наклона стенок головки тем больше, чем короче головка и больше диаметр выжимного шнека.

Чем больше угол наклона, тем больше дополнительное сопротивление для прохода массы.

Чрезмерное удлинение головки значительно увеличивает сопротивления трением движению массы.

Для подгонки головки к мундштукам применяют специальные вставки, которые меняются в зависимости от формы изготавливаемых изделий.

На рисунке показаны сменные вставки для формования полнотелого кирпича (а) и пустотных изделий (б).

Мундштуки

Мундштуки предназначены для придания бесконечному брусу заданной формы и пустотности.

Описанные в книге мундштуки имеют устаревшие конструкции и, с моей точки зрения, не представляют практического интереса.

Конструкция ленточных вакуум-прессов

Автор показывает преимущество вакуумирования, которое в настоящее время применяется на всех современных формовочных машинах.

Далее идет описание конструкции и принципа действия вакуумных ленточных вакуум-прессов. Могу написать то, что принцип работы описанных в 1962 году машин актуален и сегодня и многие современные машины повторяют и копируют основные узлы тех машин. Или тогда был сделан прогрессивный шаг или…

Расчет ленточных винтовых (шнековых) прессов

При прессовании рабочая масса (шихта) уплотняется и проталкивается через прессовую головку и мундштук с определённой скоростью. Если не учитывать потери на трение массы о выжимной шнек (к этому надо стремиться в идеале) то работа А, затрачиваемая на прессование определённого объёма массы расходуется:

• на преодоление сил трения массы о стенки головки и мундштука;
• на преодоление трения частиц;
• на уплотнение массы.

Для выполнения указанной работы выжимная лопасть (выжимной шнек) давит на массу с силой Р. Тогда удельное давление

р = Р/F = 4Р/(π(D² – d²))

где: р – удельное давление прессования; F – поперечное сечение концевого витка выжимного шнека, за вычетом сечения ступицы шнека; D– наружный диаметр выжимного шнека; d – диаметр ступицы шнекового вала.

Удельное давление прессования снижается:

• с повышением влажности;
• с повышением пластичности глиняной массы.

Удельное давление прессование увеличивается:

• с увеличением диаметра корпуса шнекового пресса;
• с увеличением длины прессовой головки;
• с увеличением длины мундштука.

При условии, что выходное сечение мундштука величина постоянная, изменение величины среднего удельного давления прессования из изменения диаметра определяется зависимостью

р = р₀ + α(F₁/F₂) = р₀ + α(πD²/4F₂)

где: р₀ – величина удельного давления без учета влияния размеров корпуса; α – коэффициент пропорциональности, для D = 400-500 мм, α ~ 0,5; F₁ – сечение корпуса на выходе, м²; F₂ – сечение мундштука на выходе м², F₂ = 0,13 × 0,27 = 0,035 м²; D – диаметр корпуса на выходе, м.

Преобразовывая формулу, получаем

р = р₀ + 0,5·0,785·(D²/0,035) и далее

р = р₀ + 11,8·D²

На приведенном ниже графике показана зависимость давления прессования р от влажности массы ω, для пресса с диаметром корпуса 0,4 м, при длине головки 275 мм и длине мундштука 150 мм.

Применяя математические инструменты для приведённой зависимости получаем эмпирическую формулу для давления р:

р = 0,176ω² – 8,71ω + 108,6

Зависимость давления прессования от длины головки пресса и длины мундштука

р = k₁·k₂·(р₀ + 11,8·D²)

где: k₁ – коэффициент, учитывающий изменение длины головки; k₂ – коэффициент, учитывающий изменение длины мундштука

Приравнивая две последние формулы, получаем уравнение:

0,82((р₀ + 11,8·0,4²) = 0,176ω² – 8,71ω + 108,6

р₀ = 0,215ω² – 10,62ω + 130,5 и далее

р = k₁·k₂·(0,215ω² – 10,62ω + 130,5+ 11,8·D²) кг/см²

При изготовлении пустотелых изделий пустотностью 20-25% величина удельного давления возрастает на 15-16%, поэтому вводится коэффициент k₃ = 1,15-1,16.

Приведенная формула применима для глин средней пластичности (II класс).

Для низкопластичных глин (III класс) величину р надо увеличить на 15%.

Для высокопластичных глин (I класс) величину р надо уменьшить на 12,5%

Увеличение длины головки на 25-30% приводит к увеличению удельного давления на 6,5 – 7,0%.

Увеличение длины мундштука на 25-30% приводит к увеличению давления на 10,0-10,5%.

При прессовании глиняной массы первоначальный объём V из мундштука выходит объём глиняной массы V_к, что вызывает напряжения σ в массе.

Относительное уменьшение объёма α = (V_к -V)/Vили V_к -V = σV

 Значения α приведены в таблице.

 

Работа прессования А_пр = σ·α·V, т.е. произведение уменьшения объёма на объёмное напряжения.

Величину σ автор показывает зависимостью σ = 0,81р, тогда величина работы, которая затрачивается на уплотнение массы в головке

А_пр = 0,81р·α·V

Далее автор приводит расчет работы на прессование и проталкивание массы через пресс.

Работа на преодоление трения между торцевой поверхностью выжимного шнека и массой и работа на проталкивание массы через прессовую головку и мундштук.

Среднее удельное давление р приложенное на окружность среднего диаметра (D + d)/2, разделяется на две составляющие силы: Р_н – силу приложенную по нормали к поверхности; τ – силу, приложенную по касательной к поверхности.

Р_н = р·cosα; τ = р·sinα

где: α – средний угол подъёма винтовой поверхности.

Общее давление, развиваемое выжимным шнеком

Р_общ = Р_н·F_н

где: F_н – общая площадь наклонной поверхности на длине шага.

После преобразований, автора приводит формулу

Р_н·F_н = рF

где: F – проекция площади на вертикальную площадь.

Момент, развиваемый силами трения между массой и наклонной поверхностью, по действию удельного давления массы на площадь вертикальной проекции шнека.

М_тр = 2πрf(R – r)/3

где: f – коэффициент трения массы о поверхность лопасти.

Мощность, расходуемая на преодоление сил трения:

N_тр = 2πрf(R – r)n/3·97500 КВт

где: n – число оборотов шнекового вала. Размерность в кг и см.

Работа проталкивания объёма через головку и мундштук за один оборот вала шнекового пресса

А = рFs = рV₁

где: V₁ – объём массы, подаваемый за один оборот шнека

Мощность, затрачиваемая на проталкивание:

N₁ = А·n/(60·102) = рV₁·n/(60·102) если V = V₁·n·60 (м³/час) тогда

N₁ = рV/(3600·102) КВт, размерность кг и м;

Мощность, затрачиваемая на транспортирование массы от приёмного шнека до выжимного шнека

N₂ = VγLw/367 КВт

где: V – производительность пресс, м³/час; γ – объёмный вес массы, γ = 1,6 тонн/м³;L – длина шнека без выжимного шнека, м; w – коэффициент сопротивления продвижению массы (для глины w = 4,0-5,5).

Мощность, на уплотнение массы N₃ = А_пр·р·n/60·102= 0,81р·α·V₁·n/(60·102) КВт

V₁ – объём массы, подаваемый за один оборот шнека, м³;

n – количество оборотов шнека в минуту.

Мощность ленточного винтового пресса без глиномешалки.

N = (N_тр + N₁ + N₂ + N₃)/η КВт

где: η – к.п.д. установки, η = 0,85

Мощность, затрачиваемая в глиномешалке:

А) преодоление сопротивления трения массы о стенки корыта;

Б) транспортирование массы и её перелопачивание;

В) разрезание глиняной массы в процессе перемешивания;

Г) преодоление сопротивлений в приводном устройстве.

Если нож повернут на 20° по отношению к вертикальной плоскости, тогда горизонтальная проекция измеряется формулой:

F = lb sin α = 0,342 lb

где: l – длина рабочей части ножа; b – ширина ножа.

Введен еще один переменный параметр k – это удельное сопротивление глины к резанию.

Наибольшее усилие, необходимое для резания глиняной массы:

Р = к·F = k·0,342 lb

Для количества лопаток или i, получим Р_общ = к·F· i = k·0,342·l·b·i

За один оборот вала работа равна

А = Р_общ·s

где: s – путь резания за один оборот вала.

Если корыто смесителя заполнено на половину, то каждый нож разрезает глиняную массу на длину, равную длине полуокружности, т.е. s = πR

Для элементарной площади dρ, на расстоянии ρ от центра ее проекция dF = 0,342·b·dρ.

Путь, который проходит участок s = πρ

Усилие для разрезания массы dP = dF·k = 0,342·b·k·dρ

Для i ножей dP_общ = 0,342·b·k·dρ·i

Работа резания dА = dP_общ·s = 0,342·b·k·dρ·i·π·ρ

После интегрирования А = 0,342·b·k·i·π·(R² – r²)/2

Мощность, расходуемая на резание глины в смесителе:

N_см2 = А·n/(60·102) КВт

где: n – количество оборотов в минуту или

N_см2 = 0,342·b·k·i·π·(R² – r²)· n /12240 КВт

Величины b, R и r в метрах, k в кг/м²

Мощность, потребляемая глиномешалкой (без мощности, расходуемой на подающем шнеке):

N_общ = (N_см1 + N_см2)/η

где: η = 0,85

Из смесительного корыта глиняная масса подаётся в шнековый винт, который проталкивает массу в вакуумную камеру. Работа шнекового подавателя складывается из работ преодоления сил трения между массой и торцевой поверхностью шнека, работой на проталкивание через кольцевой зазор и работой уплотнения массы.

Мощность, которая расходуется на преодоление сопротивления трения:

N_шн.тр = 2πрf(R³ – r³)n/(3·97500) КВт

Мощность на проталкивание массы через кольцевой зазор:

N_шн.пр = р·F·s·n/(60·102) = рV₁·n/(60·102) = рV/(3600·102) КВт

где: p – удельное давление, кг/см²;

F – площадь проекции рабочей поверхности шнека, м;

s – шаг шнека, м;

V₁ – объём глины, проталкиваемой шнеком за один оборот, м³;

n – количество оборотов за одну минуту.

На транспортировку массы расходуется мощность:

N_{шн.транс} = VγLw/367 КВт

Уплотнение глиняной массы в шнеке:

N_шн.упл = 0,81р·α·V₁·n/(60·102) = 0,81р·α·V/(60·102) КВт

где: V – производительность пресса, м³/час.

Мощность потребляемая в шнеке глиномешалки:

N_шн.общ = (N_шн.тр + N_шн.пр + N_{шн.транс} + N_шн.упл)/η

Королёв К.М. для определения удельного расхода мощности при формовании кирпича из шихты влажностью 19,5%, предлагает использовать эмпирическую формулу:

q = – 0,96Q + 20,7 + 15,4/Q± 0,6

где: Q – производительность пресса в тыс.шт.

При производстве пустотного камня, удельный расход мощности в зависимости от влажности определяется по формуле:

• для четырёхпустотного камня

q =141,6 – 10,8W + 0,29 W² ±0,12

• для семипустотного камня

q =105,7 – 5,25W + 0,0836 W² ±1,6 где: W – влажность массы, %.

Формула для расчета производительности шнекового ленточного пресса:

Q = V·(1 – α)·n·k·60 м³/час

где: V – теоретический объём массы, продвигаемый выжимным шнеком за один оборот вала;

α – относительное уменьшение объёма массы в результате уплотнения (см. выше приведённую таблицу);

n – число оборотов шнека в минуту;

k – коэффициент, который учитывает возврат массы, проворачивание массы и недостаточность питания выжимного шнека предыдущими шнеками, коэффициент k = 0,2-0,35.

Теоретический объём массы равен:

V = π/4(D² – d²)·(s – δ) м³

где: D – наружный диаметр лопасти, м;

d – диаметр ступицы выжимного шнека, м;

s – шаг шнека, м;

δ – толщина шнека, м.

Общая формула: Q = π/4(D² – d²)·(s – δ)·(1 – α)·n·k·60 м³/час