СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к литейному производству, в частности, к стендам для исследования литниковых систем.
Известен стенд для исследования литниковых систем (Рабинович Б.В. "Введение в литейную гидравлику". - М.: Машиностроение, 1966. - С.335). Стенд состоит из литниковой чаши, стояка, коллектора и питателей. Стояк делается круглого поперечного сечения и сужающимся книзу.
Недостатком стенда является то, что он не позволяет исследовать одну и ту же литниковую систему при разных скоростях движения жидкости и, соответственно, при разных числах Рейнольдса. Дело в том, что для изменения скорости жидкости (воды или жидкого металла) необходимо увеличивать напор Н в системе, что приводит к изменению характеристик литниковой системы: коэффициента сопротивления ζ, коэффициента расхода µ, скорости жидкости ν, расхода жидкости в системе Q. То есть это будет уже другая литниковая система со своими ζ, µ, ν и Q. Приходится сравнивать гидравлические характеристики разных литниковых систем, действительное влияние изменения Н на которые выявить не удается. Хотя при анализе результатов исследований подразумевается, что это одна и та же литниковая система.
Известен также стенд для исследования литниковых систем (патент на полезную модель №92817 от 08.12.2009 "Стенд для исследования литниковых систем"). Стенд состоит из литниковой чаши, стояка, переходника, составного коллектора в виде сменных модулей с питателями и соединительных трубок, пьезометров. Стояк выполнен круглого поперечного сечения. Количество питателей можно изменять от 1 до 20, а расстояние между ними можно менять, заглушая промежуточные питатели.
Недостатком стенда является то, что он не позволяет исследовать одну и ту же литниковую систему при разных скоростях движения жидкости и, соответственно, при разных числах Рейнольдса. Для изменения скорости жидкости (воды или жидкого металла) необходимо увеличивать напор H в системе, что приводит к изменению характеристик литниковой системы: коэффициента сопротивления ζ коэффициента расхода µ, скорости жидкости ν, расхода жидкости в системе Q. То есть это будет уже другая литниковая система со своими ζ, µ, ν и Q. Приходится сравнивать гидравлические характеристики разных литниковых систем, действительное влияние изменения Н на эти характеристики выявить не удается.
Признаки известного стенда, являющиеся общими с признаками предлагаемого стенда, - литниковая чаша, стояк, переходник, составной коллектор в виде сменного модуля с питателем и соединительной трубки, пьезометры.
Задача полезной модели - создание стенда, позволяющего исследовать одну и ту же литниковую систему при различных значениях напора жидкости и скоростях ее движения без изменения высоты стояка.
Поставленная задача решена за счет того, что известный стенд для исследования литниковых систем, включающий литниковую чашу, стояк, переходник, составной коллектор в виде сменного модуля с питателем и соединительной трубкой, пьезометры, дополнительно содержит литейную форму, а питатель сменного модуля соединен с литейной формой в ее нижней части заподлицо с внутренней поверхностью литейной формы, в стенке литейной формы с противоположной стороны от места соединения сменного модуля с литейной формой на заданном расстоянии от оси питателя сменного модуля прорезаны щели для слива жидкости, которые снабжены заглушками для предотвращения вытекания жидкости.
Признаки заявляемого решения, отличительные от прототипа, - стенд дополнительно содержит литейную форму, а питатель сменного модуля соединен с литейной формой в ее нижней части заподлицо с внутренней поверхностью литейной формы, в стенке литейной формы с противоположной стороны от места соединения сменного модуля с литейной формой на заданном расстоянии от оси питателя сменного модуля прорезаны щели для слива жидкости, которые снабжены заглушками для предотвращения вытекания жидкости.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют изменять (уменьшать или увеличивать) скорость и расход жидкости в литниковой системе и дают возможность исследовать одну и ту же литниковую систему при разных напорах без изменения высоты стояка.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого стенда для исследования литниковых систем, на фиг.2 и 3 приведены чертежи сменного модуля с питателем и соединительной трубки, на фиг.4 приведена фотография предлагаемого стенда.
Стенд состоит из литниковой чаши 1, стояка 2, переходника 3, составного коллектора в виде сменного модуля с питателем 4 и соединительной трубки 5, пьезометров 6 и 7, литейной формы 8. Для изменения напора H в системе в литейной форме 8 прорезаны щели 9 на разной высоте от продольной оси питателя сменного модуля 4. Щели 9 закрываются заглушками 10. В литейной чаше 1 выполнена прорезь 11. Наружный диаметр соединительной трубки 5 выполнен с расчетом получения скользящих посадок соединения соединительной трубки 5 с переходником 3 и сменным модулем 4, обеспечивающих отсутствие утечки воды без резьбы и уплотнительных прокладок. Напор в системе Н - расстояние по вертикали от уровня металла в литниковой чаше 1 (сечение 1-1 в прорези 11) до продольной оси соединительной трубки 5 и питателя сменного модуля 4 (сечение 2-2) поддерживается постоянным путем непрерывного доливания жидкости в литниковую чашу 1 и слива ее избытков через прорезь 11.
1
n
n
n
1
2
7
K
n
K
K
n
n
3
2
2
2
2
Стенд для исследования литниковых систем работает следующим образом. При исследовании истечения жидкости из нижней щели 9 заглушки 10 не устанавливаются. Систему заполняют водой и после установления стабильного напора Н в чаше 1, стояке 2 и переходнике 3 и напора h в литейной форме 8 определяют объем вылившейся жидкости из нижней щели 9 за определенное время. Вычисляют скорость воды в питателе сменного модуля 4 по формуле: v=W/τ, где W - объем вылившейся жидкости, м; τ - время истечения жидкости. Затем подсчитывается расход воды в питателе сменного модуля 4 по формуле: Q=vS, где S- площадь сечения внутреннего отверстия питателя сменного модуля 4, м. Коэффициент расхода системы находят по формуле , где h - это расстояния h, h,… или h; α - коэффициент неравномерности распределения скорости по сечению потока (коэффициент Кориолиса); принимаем α=1,1. Коэффициент местного сопротивления поворота на 90° из сменного модуля 4 в питатель сменного модуля 4 подсчитывают по выражению: , где g - ускорение свободного падения, м/с; h- высота столба жидкости в пьезометре 6, установленном на соединительной трубке 5, м; h- высота столба жидкости в пьезометре 7, установленном на питателе сменного модуля 4, м; λ - коэффициент потерь на трение, принимаем λ=0,03; l - расстояние от пьезометра 6 на соединительной трубке 5 до продольной оси питателя сменного модуля 4, м; d- внутренний диаметр составного коллектора, м; S- площадь внутреннего отверстия составного коллектора, м; l- длина питателя, м; d- внутренний диаметр питателя сменного модуля 4, м.
Для исследования истечения воды из 2-й от низа литейной формы 8 щели 9 нижнюю щель 9 закрывают заглушкой 10. Остальное - как при истечении воды из нижней щели 9. Также определялся расход в системе при отсутствии литейной формы; в этом случае H=0,360 м, a h=0.
K
n
Был изготовлен опытный образец - стенд (фиг.4). Литниковая чаша 1 имеет внутренний диаметр 0,272 м и высоту 0,130 м. Расстояние H от сечения 1-1 в прорези 10 литниковой чаши 1 до сечения 2-2 продольной оси питателя сменного модуля 4 и соединительной трубки 5 составного коллектора составляло 0,090, 0,180, 0,270, 0,360, 0,500, 0,750 и 1,080 м. Внутренний диаметр сменного модуля 4 и соединительной трубки 5 составного коллектора d=0,01603 м, внутренний диаметр питателя сменного модуля 4 d=0,00903 м. Все элементы стенда изготовлены из стали.
Напор, м
ν,м/с
ζ<sub>n</sub>
µ
H=0,360 м, h=0
2,002
0,330
0,753
H-h<sub>1</sub>=0,2925
1,646
0,393
0,683
H-h<sub>2</sub>=0,2375
1,455
0,415
0,674
H-h<sub>3</sub>=0,1795
1,251
0,499
0,657
H-h<sub>4</sub>=0,1205
1,010
0,519
0,667
H-h<sub>5</sub>=0,0625
0,702
0,565
0,634
H-h<sub>6</sub>=0,0040
0,501
0,783
0,556
n
Как видно из таблицы, с уменьшением напора H с 0,360 м до 0,0040 м, в 9 раз, скорость в питателе сменного модуля 4 упала в 4 раза, а не в  раза, как это должно было бы быть. Это непонятно, так как никаких изменений в литниковой системе не было. Коэффициент местного сопротивления ζ поворота на 90° из сменного модуля 4 в питатель сменного модуля 4 увеличился в 2,37 раза, с 0,330 до 0,783. Что тоже непонятно, так как этот коэффициент с уменьшением скорости жидкости должен уменьшаться, а не увеличиваться. Коэффициент расхода системы упал с 0,753 до 0,556, в 1,35 раза, что также никак не предполагалось.
Таким образом, удалось исследовать одну и ту же литниковую систему традиционного состава - литниковая чаша, стояк, коллектор, питатель, литейная форма - при разных напорах (и разных скоростях движения жидкости) без изменения высоты стояка. То есть цель изобретения достигнута. И получить весьма неожиданные и важные результаты для теории и практики литейного производства.
Элементы стенда просты в изготовлении, а сборка стенда не вызывает затруднений.
При фотографировании использовалась вода, подкрашенная марганцовкой.