Поясните индикаторную диаграмму встряхивающих формовочных машин

Метод приближенного построения диаграмм встряхивающего цилиндра по практическим данным

Построим индикаторную диаграмму встряхивающего цилиндра без отсечки воздуха. На индикаторной диаграмме (рис. 93) ход поршня s будем откладывать по вер­тикали, а абсолютное давление р воздуха в цилиндре —по горизонтали.

При пуске встряхивающего механиз­ма, т. е. при первом ходе встряхивания в точке 1 начала движения поршня вверх, давление воздуха должно уравновесить сопротивление движению поршня. Прене­брегая силами инерции поднимаемых частей, напишем условие рав­новесия ( р₁ – 1)F = Q + R

где р₁—- абсолютное давление воздуха в цилиндре в точке 1, ат; F — площадь поршня, см²; Q — вес поднимаемых частей (поршня, стола, модельно-опочной оснастки и формовочной смеси),кгс;R—сила трения поршня, кгс.

Отсюда получаем минимально необходимое избыточное давление р₁, ат

Р₁ – 1 = (Q + R) /F.

При последующих ходах встряхивания избыточное давление в точке 1 может быть и несколько меньше величины (Q + R) /F ат вследствие подбрасывания вверх поршня не только давлением сжатого воздуха, но еще и силой упругого восстановления соударяющихся поверхностей машины. Равным образом давление в начале хода

может быть и несколько больше, чем (Q + R) /F , вследствие инерции поднимаемых частей, которую мы не учитывали.

Вторая координата точки 1 индикаторной диаграммы равняется, очевидно, приведенной высоте вредного пространства s₀ = V₀/F см, где V₀ — объем вредного пространства встряхивающего цилиндра, см³.

На пути наполнения s_e от точки 1 до точки 2 давление в цилиндре повышается вследствие поступления сжатого воздуха из сети. При атом в самом начале движения при малых скоростях поршня давле­ние повышается в большей мере, чем при дальнейшем подъеме, так как скорость поршня непрерывно возрастает. Таким образом, линия впуска 1—2 будет иметь вид параболы.

При приближенном проведении на диаграмме линии 1—2 следует иметь в виду, что повышение давления р₂—р₁ в большинстве встря­хивающих формовочных машин при нормальных условиях колеблется обычно в пределах 0,5—1,0 ат. Если на участке 1—2 впуска инди­каторной диаграммы наблюдается сначала некоторое повышение давления, а затем его падение, то это указывает на недостаточное сечение впускного отверстия.

В точке 2 начинает открываться выхлопное отверстие. Воздух из полости цилиндра выходит в атмосферу. Несмотря на продолжаю­щееся поступление свежего сжатого воздуха, давление в цилиндре падает, так как общее сечение выхлопных отверстий делается зна­чительно (в 3—5 раз) больше сечения впускного отверстия.

До точки d диаграммы давление воздуха на поршень превышает силу сопротивления движению. Начиная с точки d, поршень дви­жется вверх уже по инерции, расходуя свою живую силу на преодо­ление сопротивления движению. В точке 3 живая сила поршня (со столом и нагрузкой) израсходована. Поршень останавливается и начинает падать.

При ходе поршня вниз движущей силой является сила Q — R., а силой сопротивления — давление воздуха под поршнем (р — 1)F. Поэтому для точки 3 можно написать

(p₁-1)F< Q-R,

откуда избыточное давление в точке 3, ат

р₃ – 1 < (Q –R) / F.

Таким образом, точка 3 диаграммы не может находиться правее точки h.

В действительности точка 3 лежит обычно значительно левее точки h. При достаточно большом сечении выхлопного отверстия избыточное давление в точке 3 чаще всего получается 0,4—0,6 ат , в машинах без отсечки воздуха. Это первое практическое условие, которое должно быть учтено при проведении линии 2—3 на подле­жащей построению индикаторной диаграмме. Второе практическое условие — величина участка s_i пути поршня, которая чаще всего составляет 0,6—0,7 пути наполнения s_е. Наконец, третье условие относительно характера линии 2—3 первой фазы выхлопа вытекает из рассмотрения баланса работ при подъеме поршня. Удельная работа, или энергия, сообщаемая поршню на пути 1—3 и отнесенная к 1 см² площади поршня, складывается из работы сжатого воздуха а и энер­гии отражения стола е' кгс*см/см² после предшествующего удара. Вся эта сообщенная поршню работа расходуется на преодоление сил сопротивления (Q –R) / F на пути подъема s см. Следовательно, имеем

а_сж.в + е^¢ = ((Q –R) / F) * s

Заменим величину а_сж.в. эквивалентной площадью на диаграмме, а величину ((Q –R) / F)*s

— площадью прямоугольника 1abc. Получим

Пл. 123Ьс + е' = Пл. 1abc,

откуда следует, что

¦_лев - ¦_прав =е¢ , (55)

где ¦_лев = Пл.dа3 и ¦_прав. = Пл. 12d

Соотношение (55) является тем третьим дополнительным усло­вием, которым можно пользоваться при построении линии 2—3 индикаторной диаграммы, если заданы или намечены основные пара­метры проектируемой машины, в том числе, основной параметр - энергия удара (и следовательно, связанная с ней энергия отражения). То же соотношение (55) позволяет определить фактическую величину энергии отражения по индикаторной диаграмме снятой с машины при испытании.

Величина энергий отражения встряхивающего стола после удара зависит от коэффициента к восстановления скорости при отражении. Скорость стола в момент отражения ν'= kv, где v — скорость в момент удара. Энергия же отражения составляет

е' =ке кгс* см/см², е — удельная энергия удара в кгс • см на 1 см² площади поршня.

Обычно для встряхивающих формовочных машин k находится в пре­делах 0,3—0,5. Следовательно, энергия отражения составляет чаще всего 0,1—0,25 от величины энергии удара.

При ходе поршня вниз на участке 3—4 продолжается выхлоп и дальнейшее падение давления в цилиндре. В точке 4 выхлопные отверстия закрываются. Избыточное давление в цилиндре в точке 4 в машинах без отсечки воздуха большей частью лежит в пределах 0,2-0,5 ат.

Иногда при недостаточном сечении выхлопных отверстий наблю­дается на пути 3—4 сначала падение давления до минимума, а затем вследствие притока воздуха из сети - некоторое повышение давле­ния к точке 4.

В точке 4 диаграммы выхлопные отверстия полностью закры­ваются, и на участке 4—1 происходит впуск воздуха и сжатие его в цилиндре. В конечной точке диаграммы осуществляется удар встряхивающего стола о фланец цилиндра и уплотнение формовоч­ной смеси в опоке. При установившейся работе машины диаграмма замкнется в исходной точке 1, и следующий цикл будет являться повторением рассмотренного.

Работа действующих сил при падении стола составляет ((Q-R)/F)s

кгс-см/см^г и выражается площадью прямоугольника ehbc.

Если из этой работы вычесть сопротивление сжатого воздуха под поршнем машины, представленное площадью 341 cb, то получим удельную энергию удара е в кгс см на 1 см² площади поршня:

е = Пл. ehbc—Пл.. 341 сЬ,

или

е =F_лев – F_прав, (56)

где

F_лев = Пл. h34k и F_прав= Пл. 1 ке.

Рассмотрим теперь баланс работы за весь цикл движения поршня вверх и вниз.

Удельная (на 1 см³ площади поршня) работа действующих сил за цикл складывается из работы сжатого воздуха, выражающейся площадью 12341 индикаторной диаграммы ƒ_i см², и удельной энергии отражения стола е' кгс • см/см². Если вычесть отсюда работу сил трения за цикл {на пути 2s см), равную 2Rs/F кгс * см/см³, то полу­чим, очевидно, удельную энергию удара е кгс • см/см*:

ƒ _i + е' -2Rs/F= е,

или

е - е' = ƒ_i- 2Rs/F. (57)

Приняв, например, е' = 0,1е, получим

е =1/0,9 (ƒ_i- 2Rs/F) кгс* см/см²

Силу трения R при испытании машины удобнее всего определять по индикаторной диаграмме безударного хода следующим образом.

Дросселируя поступающий в машину воздух пусковым краном или же вентилем на трубопроводе, заставим работать встряхиваю­щий механизм с рабочей нагрузкой так, чтобы поршень и стол пере­мещались вверх и вниз, а удара стола не происходило. Снимем при таком режиме встряхивания .индикаторную диаграмму и опре­делим с помощью планиметра ее площадь. Легко видеть, что вся работа сжатого воздуха за цикл, выражающаяся площадью f_i0, расходуется в этом случае на работу трения 2Rs/F, так как при таком режиме е = 0 и е' = 0. Отсюда находим среднюю за цикл

удельную силу трения R/F = f_i0 /2s кгс/см².

Найдя при помощи формулы (56) или (57) энергию удара и при помощи формулы (55) энергию отражения е', отнесенную к 1 см² площади поршня, легко пересчитать их на 1 кг падающих частей.

Наконец, определив е₀, можно найти коэффициент, учитывающий долю использования потенциальной энергии встряхивающего стола при падении.

В заключение разбора индикаторной диаграммы встряхивающего цилиндра без отсечки воздуха рассмотрим влияние на нее главней­ших факторов: элементов воздухораспределения, давления воздуха, нагрузки и др.

Величина хода наполнения s_е влияет на диаграмму следующим образом. При увеличении s_е увеличивается площадь ƒ_прав. Следова­тельно, увеличивается (хотя не обязательно в той же мере) и свя­занная с ней площадь ƒ_лев, а также и путь s_i. В результате увели­чения Si, а также непосредственно и самого s_e увеличивается высота подъема s встряхивающего стола. При увеличенном Si выхлоп будет более глубоким, и энергия удара также, как правило, увеличится. При уменьшении S _i получается обратная картина.

Влияние объема вредного пространства сводится к сле­дующему. Вредное пространство увеличивает расход сжатого воз­духа, так как при впуске воздуха в цилиндр оно также каждый раз наполняется. Однако, если в прессовых цилиндрах вредное про­странство надо стремиться делать возможно малым, то во встряхи­вающих цилиндрах формовочных машин слишком малое вредное пространство оказывается нецелесообразным.

5. Песчано-сульфитные смеси. Область применения. Изготовление стержней с применением песчано-сульфитных смесей. Выбор режимов сушки стержней.

В табл. 103 приведены составы и свойства смесей теплового от­верждения на неводных синтетических связующих.

Смеси 1, 2, 4. 5, 8, 9. 10 используют для массового изготовления стержней на пескодувных машинах с последующей сушкой на драйерах, смеси 3, 6, 7. 11, 12, 13 — для ручного или машинного изготовле­ния стержней. Высокотекучие смеси (с прочностью в сыром состоянии 0,008 — 0,010 МПа) могут быть пластифицированы путем добавки глины: при этом их прочность в сыром состоянии возрастает до 0,01— 0,02 МПа и более, но одновременно существенно (в 2 раза и более) снижается прочность в сухом состоянии. ЛСТ является хорошим эмульгатором для неводных связующих УСК-1, КО, СКТ-10 и других, способствует их лучшему распределению по массе наполнителя, по­вышению термостойкости смесей, позволяет повысить температуру сушки и этим повысить производительность сушил. Смесь 5 приме­няют при производстве стальных отливок. Смесь 13 служит полноцен­ным заменителем смесей со связующим СБ (ЛСТ+ генераторная слан­цевая смола ГТФ).

Таблица 103

Содержание компонентов смесей (мас. ч. на 100 мас. ч. кварцевого песка) на неводных синтетических связующих и свойства этих смесей

Компоненты и ха­рактеристики смесей	Номер состава смесей
				42	53
Связующее КО	3,1-3,9	—	1,9-5,4	2,25	1,5	2,5-3,5
Связующее УСК-1	—	3,0	—	—	—	—
Связующее СКТ-10
Лигносульфонаты технические ЛСТ, р> 1,20 г/см3	1,9-2,3	3,0	2,0-5,5	2,83	5,4	4-5
Формовочная глина	—	_	0,8-2,7	0,6	—	3-5
Талловый пек суль­фатный
Уайт-спирит или ке­росин	0,2-0,4	—	0,6-1,1	0,5	0,5	—
Влажность, %	1,8-2,3	2,5-3,0	2,0-3,4	2,6-3,0	2,4-3,0	2,5-3,5
Газопроницаемость, ед.; не менее			70-90
Прочность, МПа: при сжатии в сыром состоянии при разрыве в сухом состоянии	0.006-0,008     1,0-1,7	0,008-0,010     0,8	0,005-0,018     0,8-1,3	0,0065-0,0075     0,8-1,2	0,0065-0,0090   0,8-1,2	0,011-0,017     0,4-1,0
Температура сушки. "С	220-240	240-250	220-240	360-380	360-380	240-280
Осыпаемость, %	<0,1	<0,1	—	—	—	<0,5
Газотворностъ, см /г	8-9	8-9	—	—	—	—

Окончание табл. 103

Компоненты н ха­     рактеристики сме­сей	Номер состава смеси
	74	8*	9"				137
Связующее КО
Связующее УСК-1	4.1-4.5	1.3	—	—	—	4,0	—
Связующее СКТ-10	—	—	1,0-4,0	—	—	—	—
Лигносульфонаты технические ЛСТ, р>1,2 г/см3	4,1-4,5	3,5	0,4-3,0		3,0	4,0	4,8-5,1
Формовочная глина	1.3-1,4	—	0,5-2,0	2,0	| 2,0	2,0	2,0
Талловый пек сульфатный				4.2	3,1
Уайт-спирт или ке­росин				1.8	1,4	_	_
Влажность, %	[3,2-3,4	2,5	2,0-3,0	2-3	2-3	3,2-3,8	До 3,0
Газопроницаемость, ед.	115-		—	150-	150-	-—	100-150
Прочность МПа: при сжатии в сыром состоянии при разрыве в су­хом состоянии	0,011- 0,013     1,05-1,50	0,007 2,3	0,005-0,007     1,0-1,2	0,006-0,010     1,5-1,7	0,023-0,026 1,6-1,8	0,011-0,022     0,6-1,2	0,013-0,016     0,8-1,0
Температура суш­ки, °С	290-320			220-250	240-	240-250	200-220
Осыпаемость, %	—	0,01	—	<0,1	<0,1	—	0,1
Газотворность, см3/г	_

¹ Добавляется вода до получения требуемой влажности.

Дополнительно содержит 0,21 мас. ч. связующего РСМ (эмульсии гли­церинового гудрона в воде), р=1,25-1,32 г/см³

³ Дополнительно содержит 0,54 мае. ч. связующего РСМ, 0,5 мас. ч. асбест-
крошки и 0,2 мае. ч. азотно-кислого натрия.

⁴ Дополнительно содержит 8,2-10,5 мас. ч. древесной муки марки 180.

³ Дополнительно содержит 0,7 мае. ч. гудрона — кубовых остатков дистиляции жирных кислот при производстве мыла и жиров.

⁶ Дополнительно содержит 0,1-0,5 мас. ч. отхода от регенерации медноникелевого катализатора, применяемого при гидрировании растительньк жиров.

⁷ Дополнительно содержит 0,9-1,2 мае. ч. пекггола — раствора таллового сульфатного пека в легком талловом масле.

Данный тип смесей характерен тем, что в качестве связую­щего материала в них используют сульфитно-дрожжевую бражку СДБ в количестве 2—5%. ^J

Основу СДБ составляют лигносульфонаты, и процесс твердения связывают с их поликонденсацией. Твердение данного типа смесей осуществляют за счет тепловой обработки или за счет введения добавок химических реагентов (окислителей), вызы­вающих поликонденсацию лигносульфонатов и самотвердение. При тепловой обработке процессу поликонденсации лигносульфо­натов предшествует процесс возгонки растворителя (воды), со­держащегося в связующем материале, который сопровождается резким сокращением объема связующего и возникновением в пленках на зернах песка микротрещин, вызывающих снижение прочности смеси. С целью предупреждения процесса образования микротрещин используют два способа. Первый способ основан на введении в смесь добавки пластификатора, который создает условия для устранения напряжений, вызывающих образование микротрещин. В качестве пластификатора используют техниче­скую мочевину в количестве 12% от содержания связующего ма­териала в смеси. Второй способ основан на введении в смесь мел­козернистых добавок, создающих каркас в пленках связующего, который разобщает их па мелкие зоны; при этом процессы, свя­занные с возгонкой растворителя в пленках связующего, проте­кают без значительных концентраций внутренних напряжений. В качестве такой добавки используют пылевидный кварц в соот­ношении к связующему материалу 1 : 1. При самотвердении сме­си возгонки растворителя не происходит. В этом случае содер­жащаяся влага в связующем материале лишь локализуется (за­щемляется) пространствснно-сетчатой структурой, макромолекул лигносульфонатов. В качестве добавок, вызывающих самогвердение песчаносульфитных смесей, используют хромовый ангид­рид Сг₂0з, бихроматы натрия и калия и персульфат аммония в количестве от 0,2 до 0,7% от массы смеси.

По сравнению с пеечано-смоляными данный тип смесей эко­номичнее, так как в состав его входит недорогой и недефицитный связующий материал, а гакже менее токсичная упрочняющая добавка. Применяют пластичные и жидкие песчано-сульфитные смеси.

Пластичные смеси используются для изготовления мелких стержней, упрочняемых в горячих ящиках в условиях крупносе­рийного и массового производства, а также для изготовления са­мотвердеющих литейных форм и стержней взамен пеечано-глинистых и песчано-жидкостекольных смесей при чугунном и сталь­ном литье.

При изготовлении смесей, предназначенных для получения стержней в горячих ящиках, помимо указанных выше добавок в состав смеси вводят строительный гипс или мылонафт, которые повышают прочность стержней при извлечении из ящика, а также добавку пол иаиня л ацетатной эмульсии (ПВАЭ), снижающей ги­гроскопичность стержней.

Продолжительность твердения стержней в ящиках, нагретых до 230—280 °С (толщина стенок изготовляемых, стержней не должна превышать 30—40 мм), составляет 1,0—2,0 мин.

При изготовлении самотвердеющих смесей в их состав в ка­чество отвердителя вводят добавку хромового ангидрида в виде водного раствора плотностью 1,3-10³ кг/м^а, а также синтетических жирных кислот СЖК фракции С₅—С₉, предотвращающих цено­образование в процессе приготовления смесей. Самотвердеющая смесь с добавкой СЖК относится к легко уплотняемому виду, по­этому изготовление форм и стержней может быть осуществлено на вибростолах.

Жидкие песчано-сульфитные смеси применяют для изготовле­ния форм и стержней. Упрочняют их как за счет тепловой обра­ботки, так и за счет введения в смесь химических реагентов, вы­зывающих самотвердение. При изготовлении смесей, предназна­ченных для получения стержней в горячих ящиках, в качество добавки, способствующей переводу смеси в жидкое состояние, ис­пользуют сульфонол НП-1, а для повышения прочности стержня при его извлечении из ящика — фенолоспирт. Продолжительность упрочнения стержней в ящике, нагретом до 300 "С, составляет 1,0—1,5 мин.

При изготовлении самотвердеющих смесей для перевода их в жидкое состояние вводят добавку ДС-РАС. В качестве добавок, вызывающих твердение смеси, вводят хромовый ангидрид, бихромат натрия и персульфат аммония, а в качестве катализа­тора— добавку медного купороса. При использовании персуль­фата аммония с целью повышения активности его действия в смесь вводят добавку феррохромового шлака.