Прессование композиционных материалов с использованием сдвиговых деформаций

УДК 621.762

ПРЕССОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Е.И. Кромский, Н.И. Ахметшин, Б.А. Яров

Проведен анализ шарнирно-стержневых механических систем для прессования композиционных материалов. Показаны преимущества технологии прессования сыпучих сред с использованием сдвиговых деформаций.

Ключевые слова: зонное нагнетание, машины для прессования, композиционные материалы, силовой расчет, сравнительный анализ.

Композиционные материалы - это материалы, образованные объёмным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними, характеризующиеся свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности.

Большинство дорожно-строительных материалов: грунты, бетонные, асфальтобетонные и другие смеси - это композиционные материалы, состоящие из пластичной основы (матрицы), служащей связующим материалом, и включений различных компонентов в виде минеральных порошков, твердых заполнителей (песок, щебень), дисперсной арматуры (фибры) и т. п.

Исходная композиционная смесь состоит из газообразной фазы (например, воздух), жидкой (битум, цементный раствор, вода) и твердой (песок, щебень).

Задача прессования - это удаление в соответствии с техническими условиями из приготовленной смеси воздуха, избыточного количества технологической жидкости и сближения твердых частиц с целью получения максимальных контактных поверхностей.

Для получения высококачественных прессовок используют дополнительные технологические приемы: вакуумирование смеси, воздухопроницаниемые пресс-формы, пластификаторы и суперпластификаторы.

Увеличение усилия сжатия для получения плотных прессовок не всегда приводит к желаемым результатам из-за разрушения твердых заполнителей. В.Е. Перельман в своих работах предлагает получать высокоплотные текстуры из порошков без разрушения гранул, если в процессе уплотнения использовать не только сжимающие деформации, но и сдвиговые [1].

В Южно-Уральском государственном университете (НИУ) и в ОАО «Научно-исследовательском институте транспортного строительства», ООО «Машмир-Инноцентр», ООО «Интеллект-Капитал» (Москва) разработаны технологии уплотнения и устройства для их осуществления с использованием сдвиговых деформаций [2, 3].

ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (Москва) и ООО «Машмир-Инноцентр» разработали «Руководство по применению зонного нагнетания при формировании бетонных и железобетонных изделий посредством нагнетателей сред типа «Русские качели».

Общество с ограниченной ответственностью «Интеллект-Капитал» занимается внедрением в производство новой технологии уплотнения маловлажных сыпучих материалов, являющейся альтернативой известным сегодня технологиям уплотнения, таким как прессование, вибрирование, трамбование, укатка или их комбинации. Новая технология называется «Зонное нагнетание» или «Русские качели» - это официально зарегистрированный товарный знак. Технология защищена тринадцатью патентами РФ.

Как отмечают разработчики, преимущества зонного нагнетания по сравнению с традиционными технологиями уплотнения:

1) получение равномерной плотности и прочности по всему объёму;

2) отсутствие дозирования в процессе уплотнения;

3) отсутствие необходимости в тяжелых и прочных формах;

4) возможность получения однородной предельно плотной структуры бесконечной длины;

5) уменьшение усилия уплотнения в 50-100 раз по сравнению с прессованием.

Схематично работа технологии с использованием сдвиговых деформаций представлена на

рис. 1.

Над краем открытой сверху горизонтальной формы раскачивается нагнетатель до касания с верхней поверхности формы. При каждом ходе нагнетателя вверх в зону под него подсыпается порошок (смесь) по всей ширине изделия. Нагнетатель сбивает порошок в форму до её верхней поверхности. В результате постоянной подачи в зоне под рабочим органом возникает вынужден-

ЧУ ч_/ чу

ное течение порошка с упорядоченной структурой заданной плотности, близкой к предельной. Эта упорядоченная текучая структура и названа «текучий клин». Возникновение текучего клина характеризуется выдавливанием порошка из нагнетателя. После начала такого выдавливания нагнетатель перемещают вслед за выдавливаемым порошком. Происходит как бы выращивание изделия за счет образования и движения в заданном направлении текучего клина. При этом плотность изделия близка к абсолютной для данного порошка [3].

Рис. 1. Схема работы механизма «Русские качели»: а - начало процесса, б - середина процесса; 1 - нагнетатель, 2 - форма, 3 - подача порошка, 4 - текучий клин, 5 - выдавливание порошка из-под нагнетателя, 6 - незаполненная часть формы. Стрелка А - направление качания нагнетателя, стрелка В - направление перемещения нагнетателя

относительно формы

ООО «Интеллект-Капитал» разработала и запустила в серийное производство следующие машины:

- комплект формовочный МН 05;

- машина зонного нагнетания РК 250.

Схема машины РК 250 представлена на рис. 2.

Нагнетатель (плита) поз. 1 крепится к горизонтальной балке 2, установленной на стойках 3 с помощью шарниров. Балка 2 качается на стойках 3 при включении привода (на рис. 2 не показан).

При качении балки 2 нагнетатель 1 перемещается с одной половины формы 4 на другую половину. Одновременно форма двигается в направлении, перпендикулярном поверхности рисунка, обеспечивая изготовления изделий большой протяженности.

На кафедре «Колесные, гусеничные машины и автомобили» (КГМиА) ЮУрГУ (НИУ) разработаны проекты формовочной установки с использованием сдвиговых деформаций для прессования строительных камней размером 250 х 120 х 65 (рис. 3), асфальтоукладчик и бетоноукладчик с полосой обработки шириной 3 м и высотой сечения до 300 мм. Конструкция, принцип работы и методика расчета этих машин изложена в предыдущей публикации [2].

В данной работе на основе силового расчета выясним преимущества (достоинства) технических решений, принятых в машине зонного нагнетания РК 250 (Москва) и формовочной установке 250 х 120 х 65 (Челябинск).

4

Рис. 2. Принципиальная схема механизма «Русские качели»: 1 - нагнетатель (плита); 2 - балка; 3 - стойка; 4 - форма, 5 - шатун, 6 - кривошип

Расчет и конструирование

Исходные данные (одинаковые для обеих схем): Размеры плиты нагнетателя, а х Ь х к, мм -120 х 120 х 10.

Максимальное давление на плите нагнетателя, МПа - 1.

Длина звеньев механизмов, мм:

- кривошипа - 50,

- шатуна - 200,

- стоек - 200,

- распорных стоек - 200.

Частота вращения кривошипа - 30 рад/с. Рассмотрим расчетную схему механизма прессования формовочной машины ЮУрГУ (НИУ), рис. 4.

Для предлагаемого механизма (ЮУрГУ) построены планы положений звеньев для цикла работ, которые приведены на рис. 4. В области рабочего хода (положения 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1) проведен силовой расчет, при котором найдены реакции в кинематических парах. Результаты расчетов показаны в табл. 1.

Аналогичные операции проведены для механизма РК 250 (рис. 5).

Рис. 4. Принципиальная схема машины Рис. 5. Расчетная схема механизма РК 250

для прессования ЮУрГУ

Таблица 1

Результаты силового расчета предлагаемого механизма ЮУрГУ

Положение 05, гр. Ьк, мм И0, мм 0, Н Я05, Н Я23-4, Н Я03, Н Я12, Н

7 25 0 120 0 0 0 0 0

8 24 4,8 118 23 23 0,4 0,5 0,4

9 17 38,4 101 1475 1239 238 325 245

10 8 81,6 79 6659 4412 2274 2751 1533

11 2 110,4 65 12188 6614 5643 6060 1813

12 0,3 118,6 61 14056 7118 6948 7012 577

1 0 120 60 14400 7200 7200 7200 0

Примечание. Для всех положений: Я45 = Я23-4, Я01 = Я12.

Результаты силового расчета РК 250 приведены в табл. 2.

Сравнивая данные, приведенные в табл. 1 и 2, можно отметить, что в схеме машины ЮУрГУ максимальное усилие прессования возникает в конце рабочего хода при минимальной реакции в шарнире, соединяющим кривошип со стойкой, что выгодно отличает эту машину от РК 250 (Москва).

Таблица 2

Результаты силового расчета московского механизма РК 250

Положение S4, мм Q, н R05, H R23-4, H R03, H R12, H

4 0,00 0 0 0 0 0

5 0,69 682 345 344 352 93

6 2,31 7647 3920 3918 4004 1739

7 3,17 14400 7436 7409 7436 3718

10 0,00 0 0 0 0 0

11 0,69 682 339 344 352 79

12 2,31 7667 3913 3913 4006 1696

1 3,17 14400 7436 7436 7436 3718

Примечание. Для всех положений: R45 = R05, R01 = R12.

Выводы

1. Траектории движения плиты нагнетателя у рассматриваемых схем машин различны: у машин типа «Русские качели» (РК 250) - плоскопараллельное движение; у машин ЮУрГУ (НИУ) -угловые перемещения, что обеспечивает большее расстояние между крайними положениями плиты нагнетателя и, тем самым, лучшие условия подсыпания материала под нагнетатель.

2. Реакция (усилие) в шарнире, соединяющим кривошип со стойкой в предлагаемом механизме ЮУрГУ в самом нагруженном положении (в конце рабочего хода) равна нулю. В механизме РК 250 (Москва) в этом положении реакция максимальна.

3. С точки зрения прочности и долговечности, предлагаемые механизмы ЮУрГУ (НИУ) лучше прототипа РК 250 (Москва).

Литература

1. Перельман, В.Е. Формование порошковых материалов / В.Е. Перельман. - М. : Металлургия, 1979. - 232 с.

2. Кромский, Е.И. Новая техника для уплотнения дорожно-строительных материалов / Е.И. Кромский, А.В. Безбородов, О.А. Ефимов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение», 2011. - Вып. 17. - № 11 (228). - С. 142-147.

3. Руководство по применению зонного нагнетания при формовании бетонных и железобетонных изделий посредством нагнетателей сыпучих сред типа «Русские качели». - М. : ОАО ЦНИС», 2003. - 40 с.

4. Пат. на полезную модель № 93320 Российская Федерация, МПК В22Е 3/02. Устройство для получения изделий из композиционных материалов / Е.И. Кромский, В.Н. Бондарь, А.В. Сви-рид и др. - № 2009146988/22; заявл. 17.12.2009, опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12.

Кромский Евгений Ильич. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Колёсные и гусеничные машины», Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), екгош8к1у@ mail.ru.

Ахметшин Нашьат Исламович. Доцент кафедры «Сервис и технология художественной обработки материалов», Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), 8сЬи148@ mail.ru.

Яров Булат Ажуватович. Аспирант кафедры «Машины и технологии обработки материалов давлением», Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), bulatyarov@gmail.com.

Поступила в редакцию 17 февраля 2014 г.

Расчет и конструирование

Bulletin of the South Ural State University Series “Mechanical Engineering Industry” ____________2014, vol. 14, no. 1, pp. 12-16

COMPRESSING THE COMPOSITE MATERIALS USING SHEAR STRAINS

E.I. Kromsky, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, ekromskiy@mail.ru,

N.I. Achmetschin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, schu148@mail.ru, B.A. Yarov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, bulatyarov@gmail.com

In article is devoted to analyze of hinge-pivot mechanic system for pressing of composition materials. There showed advantages of technology of strew materials pressing by wing of tangential formations.

Keywords: local jetting, extrusion machines, composite materials, power calculation, comparative analysis.

References

1. Perelman V.E. Formovanie poroshkovykh materialov [Forming of Powder Materials]. Moscow, Metallurgiya Publ. 1979, 232 p.

2. Kromskii E.I., Bezborodov A.V., Efimov O.A. [New Equipment for Compacting of Road Construction Materials]. Bulletin of the South Ural State University. Series «Mechanical Engineering Industry», 2011. Issue 17, no.11

3. Rukovodstvo po primeneniiu zonnogo nagnetaniia pri formovanii betonnykh i zhelezobetonnykh izdelii posredstvom nagnetatelei sypuchikh sred tipa «Russkie kacheli» [Guidance on the Application of the Band at Pumping Molding of Concrete goods and Structures by means of Granular media type of Superchargers “Russian sWings”]. Moscow, Publ. corporation TsNIS, 2003, 40 p.

4. Kromskii E.I., Bondar V.N., Svirid A.V. e. a. Ustroistvo dlya polucheniia izdelii iz kompozit-sionnykh materialov [The apparatus for Producing of Products from of Composite Materials]. Patent Utility Model RF RU no. 93320, Publ. Bulletin no. 12, 2011.

Received 17 February 2014