Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Интенсивное развитие аддитивных технологий в целом ряде отраслей промышленности вызвало необходимость реализации подобных проектов в строительстве. На рынке строительной техники широко рекламируются установки для производства строительных работ и изготовления целого ряда строительных изделий. Следует отметить, что в настоящее время во многих научно-исследовательских центрах ведётся целый комплекс работ по отработке оптимальных составов строительной смеси, смесительного и формующего оборудования, средств автоматики и управления для получения строительных трёхмерных моделей. Известно, что в смежных отраслях промышленности, таких как медицина, производство компьютерного оборудования, накоплен некоторый опыт, который может быть использован в аддитивных технологиях строительного производства. Анализ и критическая оценка существующих инструментов в смежных отраслях может существенно сократить объём и время научных исследований по внедрению аддитивных технологий в строительстве.
аддитивные технологии, строительное производство, шнековый нагнетатель, формующая головка, сопло, реологическая модель, эффективная вязкость
Интенсивное развитие аддитивных технологий приводит к тому, что существенно меняются взгляды и на технологию изготовления как некоторых строительных изделий, так и строительных технологий в целом. На рынке строительной индустрии появляется [1,2 и др.] целый ряд предложений по созданию и реализации строительных 3D принтеров. Данное направление в строительстве сегодня наращивает опыт создания и производства такого оборудования.
Следует отметить, что часть рабочих узлов 3D принтеров, в том или ином виде, используется в смежных отраслях промышленности. Если 3D принтер рассматривать как «печатающую руку в строительстве», для удобства назовём такое устройство – PERST, то оно в общем случае состоит из нескольких основных узлов и систем: рама; узел приготовления строительной смеси; система подачи, строительной смеси; формующий узел; система автоматического управления и система интеллектуального обеспечения. В качестве формующего инструмента, прежде всего, может быть рассмотрено - сопло.
- Обзор областей техники, использующих инструмент – сопло.
Сопло - канал переменного поперечного сечения, предназначенный для разгона жидкостей или газов до определённой скорости и придания потоку требуемого направления [3]. Принцип действия сопла основан на непрерывном увеличении скорости жидкости или газа в направлении течения от входного до выходного сечения. Для обеспечения течения жидкости (газа) необходим перепад давления с превышением его на входном сечении.
В частном случае, сопло представляет собой канал, суженный в середине.
Отличительной особенностью сопла является: назначение (для разгона жидкости, газов и газо-твёрдой смеси); форма канала (специальный профиль, сопло Лаваля, сопло Вентури); резкое изменение по длине сопла скорости потока (v) и давления (р).
- . Сопло́ Лава́ля – газовый канал особого профиля, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей, рис. 1.
Ни одно из конструктивных особенностей сопла Лаваля использовать в системе ПЕРСТ не имеет смысла, так как в данной системе бесконечно малые скорости движения потока в сравнении со скоростями в сопле Лаваля. Однако, характер поведения давления в любом виде формующего звена системы ПЕРСТ должен учитываться. Закономерность снижения давления от входного сечения к выходному – сохраняется в любом формующем устройстве проходного типа.
1.2. Сопло Вентури – сопло, рис. 2, которое состоит из входной части, горловины, и выходной части в виде расходящегося конуса, диффузора. Конструкция сопла ИСА 1932 регламентируется ГОСТ8586.3-2005(ИСО 5167-3:2003), рис. 3.
Рис. 1. Схема сопла Лаваля [4]
|
|
|
|
Рис. 2. Сопла Вентури 1 – укороченное сопло Вентури; 2 – неукороченное сопло Вентури |
Рис. 3. Сопло ИСА 1932
|
Часть сопла, расположенная в трубе, является круглой. Сопло состоит из сужающейся секции с закругленным профилем и цилиндрической горловины.
1.3. Конструкции сопла для пескоструйной установки.
Пескоструйная обработка материалов представляет собой целую отрасль по обработке, восстановлению, продлению срока службу различных изделий и материалов. Пескоструйной обработке подвергают такие материалы как металл, дерево, керамические материалы и многие другие. Среди объектов пескоструйной обработки: днища судов, трубопроводы, цистерны и металлические ёмкости, кирпичные кладки стен, деревянные конструкции зданий и сооружений.
Рассмотрим конструкции отдельных представителей таких сопел [5], которые являются расходным материалом.
|
Рис. 4. Сопла BLVW-6 (9,5 мм). Материал – Карбид бора. Ресурс (ч) – 1000 |
Рис. 5. BS435-8 (12,5 мм). Материал – Карбид бора. Ресурс (ч) – 1000 |
|
Рис. 6. Инструменты ООО «Группа Компаний «ТехноСпецСнаб» |
Рис. 7. Сопла Вентури из карбида вольфрама серии СТС Срок службы - до 400 часов; оболочка – |
|
|
|
|
Рис. 8. Сопла Вентури из карбида вольфрама серии MTC. Срок службы – до 400 часов; оболочка – алюминий; резьба – 50 мм, входной диаметр – 25 мм. Диаметр и длина сопла, мм: 5.0×80; 6.5×80; 8.0×80; 9.5×80; 11.0×80; 12.5 ×80 |
Рис. 9. Сопла для трубной очистки серии PTC 360° из карбида вольфрама, срок службы – до 400 часов, оболочка – алюминий. Резьба – |
В комплект инструментов пескоструйных установок входят также соплодержатели и крабовые сцепления.
- Обзор формующего оборудования экструзионных машин
Производство полимерных материалов получило широкое распространение в отечественной и зарубежной промышленности. Основы теории экструзионных процессов были заложены в первой четверти 20 века. Теорию экструзионных процессов формировали такие учёные, как: Э.П. Бернхард, М. Рейнер, В. Филлипоф и другие.
Экструзия - метод формования в экструдере изделий или полуфабрикатов неограниченной длины продавливанием расплава полимера через формующую головку с каналами необходимого профиля [14]. Для этого используют шнековые или червячные экструдеры.
Наиболее простым является одношнековый экструдер без зоны дегазации (рис. 10). Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и формующая головка. В зависимости от природы полимера, технологических режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины h нарезки по длине шнека.
Рис. 10. Схема одношнекового экструдера: 1 – бункер; 2 – шнек; 3 – цилиндр; 4 – полость для циркуляции
воды; 5 – нагреватель; 6 – решетка с сетками; 7 – формующая головка; I, II, III – технологические зоны [5]
В зависимости от вида выпускаемого изделия применяют либо коротко-, либо длинношнековые машины, т. е. с малым или большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера. Параметрический ряд отечественных экструдеров построен по диаметрам шнека: D = 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320 мм. В наименовании типоразмера пресса указываются D и L/D. Например, ЧП-45х20 означает следующее: ЧП- червячный пресс, D = 45 мм, L/D =20.
Несмотря на простоту схемы формующей головки на рис. 10, в практике проектирования и создания экструдеров, данный узел представляет собой сложное техническое решение и носит узкий, специализированный характер. Однако, шнековая часть экструдера представляет собой узел, универсальный для многих машин и его рассмотрение может быть полезным для системы PERST.
Важной особенностью экструдеров является зависимость производительности шнековой и формующей части от давления прессования, рис. 11.
|
Производительность, Q, м3/с |
Qф |
Рф |
|
Давление, P, МПа |
Рис. 11. Определение фактической производительности (Qф) и давления (Pф)
по характеристикам шнека (1) и формующей головки (2) [7]
Из рис. 11 видно, что с ростом давления производительность головки растёт, а производительность шнеков – падает. Причём, шнек 1 подвержен меньшему влиянию давления, чем шнек 2.
Из приведенной информации видно, что формующая часть экструдера не может служить аналогом построения формующей части системы PERST. Однако, вопросы, относящиеся к шнековому нагнетателю, такие как соотношение диаметра и длины, изменение шага и глубины канала по длине и др., в полной мере могут учитываться при разработке шнековой части системы PERST.
- Анализ оборудования керамического производства
Как показывает анализ оборудования для строительных 3D принтеров, в конструкции подающего материал механизма, как правило, присутствует шнековый и формующий рабочий орган. Причём, формующий механизм состоит из корпуса, внутри которого находится канал течения строительного материала. Поэтому, наиболее близкими по конструктивным признакам, для создания рабочего оборудования системы PERST могут являться аналоги из керамического производства.
3.1 Шнековый нагнетатель
Шнековый нагнетатель – довольно распространённый и изученный механизм. Существуют одношнековые и двухшнековые нагнетатели, с постоянным и переменным шагом винтовой поверхности, с постоянным и переменным объёмом межвиткового пространства. Однако, при большом разнообразии конструкций шнека следует обратить внимание на соотношение величины противодавления на участке транспортирования, расположенной за шнеком, и производительностью шнекового нагнетателя. Известно [8, 9], что наибольшее давление в шнековом механизме расположено в плоскости выпорной (конечной) лопасти.
Рис. 12. Схема распределения давления в шнековом механизме
По всей длине шнека давление при работе шнека повышается от 0 до Рнб. Величина этого давления определяется с одной стороны нагнетательной способностью шнека, т.е. его геометрическими параметрами, а с другой стороны – сопротивлением формующей части. Если взять три шнека разной конструкции, например Ш1, Ш2, Ш3, то можно получить три разных процесса, что достаточно хорошо иллюстрируется графиками зависимости производительности и давления в механизме, рис. 13. Очевидно, что с увеличением противодавления производительность шнекового нагнетателя снижается. С другой стороны, в формующей части Ф1, Ф2, Ф3 шнекового нагнетателя при увеличении давления Рнб, производительность растёт.
Рис. 13. Характеристики шнековой и формующей части шнекового нагнетателя
Для каждой пары «шнек - формующая головка» имеется фактическая производительность Qфакт и фактическое давление Рфакт, которые определяются точкой пересечения их характеристик. Видно, что точкой пересечения характеристик системы «шнек - формующая головка» можно управлять посредством их конструктивных параметров.
Особым случаем работы шнекового нагнетателя может стать его использование в системе PERST, когда расстояние транспортирования строительной смеси становится значительным, порядка нескольких метров. Сопротивление в формующей части дополняется сопротивлением подающего шланга. Такие условия работы шнекового нагнетателя могут привести к необходимости установки дополнительного шнекового нагнетателя на выходе строительной смеси из шланга, рис. 14.
|
Шнековый нагнетатель основной
|
|
Шнековый нагнетатель дополнительный
|
Рис. 14. Схема установки дополнительного шнекового нагнетателя
На длине подачи материала L имеем несколько участков: участок питающего шнека, участок транспортирования смеси, участок концевого шнека и участок формующей головки. Величина давления, которое развивает шнек составляет Рфакт. По мере продвижения смеси к выходному отверстию давление в системе снижается. Без концевого шнека давление снижается по линии «Рфакт – О2». При наличии концевого шнека остаточное давление Рост можно повысить до необходимого - Рраб, которое может составлять 0,7…0,9 от наибольшего давления. Таким образом, можно разделить функции основного шнекового нагнетателя – на транспортирование, а концевого – на формование.
3.2 Формующая часть – прессовая головка
Прессовая часть ленточного шнекового пресса для производства керамического кирпича состоит из прессовой головки и мундштука. Прессовая головка имеет канал с круглым входным и прямоугольным выходным отверстием. Мундштук имеет канал в виде призмы с прямоугольными отверстиями на входе и выходе.
При проектировании прессовой головки для системы PERST помимо конструктивных параметров: длина, соотношение входной и выходной площади, форома образующих канала, существенную роль будет играть вид и свойства формуемой строительной смеси.
4. Управление реологическими свойствами строительных смесей для системы PERST
Во всех отраслях промышленности, занимающихся переработкой вязкоупругих, вязко-пластичных, упруго-пластичных и вязко-упруго-пластичных материалов, используют механизмы для определения и управления реологическими свойствами и реологическими характеристиками перерабатываемых материалов [10, 11, 12, 13]. В разных научных школах могут пользоваться разными реологическими характеристиками и методами их определения. Число реологических характеристик, которыми пользуются специалисты в разных отраслях промышленности более двух десятков [8]. Поэтому, количество реологических параметров строительных смесей желательно сократить до минимума и обеспечить сходимость, воспроизводимость результатов исследований и возможность использовать в расчёте при проектировании узлов вновь создаваемых машин.
Для описания поведения ньютоновской жидкости уравнение напряжения сдвига от градиента скорости записывается в виде
(1)
где – напряжение сдвига, Па; μ – коэффициент динамической вязкости, Па·с; – градиент скорости, с-1.
Уравнение Шведова – Бингама, которое показывает, что течение пластических жидкостей наступает не сразу, а только после достижения определённого значения напряжения сдвига τ0.
(2)
При напряжении сдвига эти вещества ведут себя как упругие тела.
Дальнейшее изучение пластичных керамических масс показало, что их поведение при деформациях в действительности имеет еще более сложный характер, чем это следует из уравнения (2). Это связано с так называемым явлением аномалии вязкости. Сущность этого явления состоит в том, что после достижения предельного напряжения сдвига вязкость не остается величиной постоянной, а изменяется с ростом градиента скорости и зависит, в свою очередь, от напряжения сдвига и градиента скорости. Вязкость материалов, зависящая от градиента скорости и напряжения сдвига, получила название "эффективной вязкости".
Реологическое уравнение течения пластичной глины записывается в виде
(3)
Таким образом, при определении параметров глинообрабатывающих машин принято [8,9] подставлять значения вязкости , полученные в зависимости от скоростного режима работы машины, т.е. от градиента скорости.
Такая практика нашла широкое применение в переработке пластмасс при решении аналогичных задач. Полученные таким способом расчетные результаты хорошо совпадают с экспериментальными данными, и точность полученных расчетных уравнений в основном зависит от точности определения реологических характеристик перерабатываемой глиномассы.
Как показали работы [7,8,9,15,16], проведенные под руководством проф., д.т.н. Туренко А.В., МГСУ, с точностью, достаточной для инженерных целей, может быть получена информация о поведении материала в процессе движения, если воспользоваться понятием эффективной /аномальной/ вязкости.
Понятием эффективной вязкости очень удобно пользоваться, так как это дает возможность вместо 20 критериев, описывающих поведение пластичных материалов при их деформации, пользоваться практически одним - .
5. Метод построения реологических кривых керамических строительных масс в диапазоне градиентов скоростей работы системы PERST
Наиболее полно реологические свойства керамических масс могут быть описаны реологической кривой течения - графиком зависимости эффективной вязкости / или напряжения сдвига/ от градиента скорости.
Для численного определения реологических параметров высоковязких пластических материалов разработаны различные приборы и методы. Обычно для этой цели применяют капиллярные или ротационные вискозиметры. Однако в силу специфических свойств пластичных глин формуемой влажности эти приборы, как правило, оказываются непригодными для реологических исследований. Поэтому была разработана специальная методика для определения реологических показателей таких систем [7,8,16].
5.1 Построение реологических кривых на лабораторных стендах
Построение реологических кривых на лабораторных стендах имеет смысл и цель в том случае когда необходимо получить полную реологическую кривую в широком диапазоне градиентов скоростей используемого оборудования, например, от 0 до 4500 с-1. В нашем случае остановимся на градиентах скоростей, которые могут возникать при формовании непрерывной ленты материала, укладываемой в изделие. Теоретические исследования [8,15,16] показали, что изменение величины давления и расхода обрабатываемого материала в конусной головке ленточного пресса пропорциональны изменению вязкости керамической массы и геометрическим параметрам рабочего канала лабораторного стенда.
Для ленточного шнекового пресса с конической головкой, насадкой, эффективная вязкость . (Па·с) определяется по формуле [7,8]:
(4)
где D – диаметр канала на входе, м; d – диаметр канала на выходе, м; l – длина канала, м; ΔP – давление в головке на входе в канал, Н/м2; Q – «расход» материала через канал, м3/с.
Градиент скорости составляет:
(5)
На рис. 15 представлен график зависимости вязкости от градиента скорости бескудниковской и кембрийской глин в интервале их формовочной влажности. График получен изложенным методом. График построен в логарифмических координатах, в которых зависимость , представляет собой прямую линию.
Математическая интерпретация этой графической зависимости описывается степенным уравнением вида [7]:
(6)
Две константы μ1 и Ψ - минимально возможное число параметров, которыми можно характеризовать данную зависимость и, следовательно; это уравнение описывает поведение пластичной глины в предварительно простой математической форме. Параметр Ψ может быть легко найден из графика, так как тангенс угла наклона прямой равен (Ψ - 1). С другой стороны, при градиенте скорости равном единице, и коэффициент μ1определяется по отрезку, отсекаемому прямой на ординате = 1. Чем выше вязкость материала, тем выше расположена его прямая на графике.
Рис.15. Зависимость эффективной вязкости μэф от градиента скорости глиномассы Защитинского месторождения влажностью:
1 – 18,75%, 2 – 20,2 %, 3 – 21,7 %, 4 – 22,2%,
5 – 23,5%, при температуре t = 34…35 ºС.
____ – коническая насадка,
_____ – клиновая насадка
Таким образом, путем сравнения реологической кривой исследуемой керамической смеси с реологической кривой изученной смеси, можно на основании графика не только качественно оценить деформативные свойства интересующего нас материала, но, принимая во внимание однозначную зависимость усилий, возникающих в узлах глинообрабатывающих машин, от вязкости материала и их геометрических характеристик, графически определить ориентировочную величину основных параметров этих машин, являющихся исходными при их прочностном расчете.
В дальнейшем, когда накопится достаточное количество реологических «кривых течения», пластичные глины можно будет классифицировать по формовочным свойствам в соответствии с величиной коэффициентов μ1 и Ψ. Это еще более упростит расчет оптимальных механических режимов работы оборудования.
Наличие интеллектуального блока в системе PERST, может позволить осуществлять управление аддитивным процессом по реологическим параметрам каждой строительной смеси. Такое условие может быть реализовано в случае, если указанные реологические параметры получать непосредственно на формующем агрегате системы PERST.
Вывод. Аддитивные технологии в строительстве и в производстве строительных изделий является бурно развивающимся направлением в строительной отрасли. Существуют отдельные виды производств, в которых уже используются некоторые результаты научных исследований и конструкции узлов и деталей машин, которые можно и нужно учесть при создании машин с условным названием «печатающая рука строительная - PERST». К таким элементам системы PERST можно отнести конструкции сопла пескоструйных машин, конструкции нагнетательных шнеков, методики определения реологических параметров формовочных смесей.
1. http://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/building/
2. http://3dsol-model.ru/oborudovanie/stroitel-ny-e-3d-printery/,
3. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И Артоболевский, М., «Советская энциклопедия», 1976. 608 с.
4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/321107#.
5. http://tradeacons.com/magazin/peskostrujnoe_oborudovanie/sopla_dlja_peskostrjnogo_apparata
6. http://listpp.ru/index.php?id=23
7. Герасимов М.Д. Разработка формующей части шнекового пресса и повышение эффективности пластического формования изделий строительной керамики: Автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород, 1999. 22 с
8. Туренко А.В. Расчёт глиноперерабаты-вающего оборудования и прессов пластического формования для производства керамических строительных изделий: Учебное пособие. М.: МИСИ, 1985. 86 с.
9. Туренко А.В., Герасимов М.Д. Малога-баритный кирпичеделательный агрегат для формования безобжиговых керамических строительных материалов. Тезисы докл. Междунар. конф. «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций», Часть.4, БелГТАСМ, Белгород, 1995, С.12.
10. Воларович М.П. Ротационные вискозиметры для исследования реологических свойств дисперсных систем (обзор) // Коллоидный журнал. 1966. Т. 28. №2. С. 198–211.
11. Горбатов А.В. Реология мясных и молочных продуктов. М.: Пищевая промышленность. 1976. 384 с.
12. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. М.: Металлургия, 1990. 272 с
13. Рыбьева Т.Т. Ещё о коническом пластометре для определения реологических свойств строительных материалов // Строительные материалы. 1981. №10. С.19–20.
14. Рейнер М. Реология. Пер. с англ. М.: «Наука», 1969. 223 с.
15. Силенок С.Г., Борщевский А.А., Горбовец М.Н. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение, 1990. 416 с.
16. Туренко А.В., Герасимов М.Д., Королёв В.А., Усманов А.К. Способ определения реологических свойств пластических глиномасс в заводских условиях. В науч. Реф. Сб. Промышленность строительных материалов. Серия 4. М.: ВНИИЭСМ, 1979, С. 25–28.
