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 выполнен круглого поперечного сечения сужающимся книзу.
Недостатком стенда является то, что из-за высокой скорости жидкости (воды или жидкого металла) происходят большие потери напора Я в стояке, составляющие 40-70%.
Наиболее близким к предлагаемому стенду является стенд для исследования литниковых систем (патент на полезную модель №92817 от 08.12.2009).
Стенд состоит из литниковой чаши со щелью для слива излишков жидкости, стояка, пьезометров, составного коллектора в виде сменных модулей с питателями и соединительных трубок. Стояк выполнен составным, круглого поперечного сечения. Все элементы стенда соединены между собой за счет посадок, а внутренние полости сменных модулей выполнены 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 из-за высокой скорости жидкости (воды или жидкого металла) происходят большие потери напора H в стояке, составляющие 40-70%. При увеличении высоты стояка и, следовательно, напора H расход жидкости в системе возрастает не пропорционально , а значительно медленнее, причем при определенной высоте стояка расход жидкости в системе начинает падать, а жидкость насыщается воздухом. И дальнейшие исследования литниковой системы становятся бессмысленными.
-6
3
-6
3
В стенде, принятом за прототип при увеличении напора H, например, с 0,180 до 1,080 м (в 6 раз) расход жидкости увеличивается не в , а всего лишь в 2,07 раза (с 223,44·10 м/с до 461,61·10 м/с), причем жидкость (вода) насыщена воздухом, а рост расхода жидкости в системе прекращается. К тому же при увеличении высоты стояка меняется литниковая система, это уже другая литниковая система со своими гидравлическими характеристиками. Хотя при анализе результатов исследований подразумевается, что это одна и та же литниковая система.
Признаки известной системы, являющиеся общими с признаками предлагаемой системы, - последовательно соединенные металлические литниковая чаша со щелью для слива излишков жидкости, составной коллектор в виде сменных модулей с питателями и соединительных трубок, а также пьезометры, все элементы стенда соединены между собой за счет посадок, а внутренние полости сменных модулей выполнены круглого поперечного сечения.
Задача полезной модели - увеличение расхода жидкости в литниковой системе за счет устранения потерь напора в чаше.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном стенде для исследования литниковых систем, включающем последовательно соединенные металлические литниковую чашу со щелью для слива излишков жидкости, составной коллектор в виде сменных модулей с питателями и соединительных трубок, а также пьезометры, один конец ближней к чаше соединительной трубки расположен заподлицо с внутренней поверхностью литниковой чаши, в чаше прорезаны отверстия для размещения соединительной трубки на заданном расстоянии от щели, отверстия снабжены заглушками для предотвращения вытекания жидкости. Все элементы стенда соединены между собой за счет посадок, а внутренние полости сменных модулей выполнены круглого поперечного сечения.
Признаки заявляемого решения, отличительные от прототипа, - один конец ближней к чаше соединительной трубки расположен заподлицо с внутренней поверхностью литниковой чаши, в чаше прорезаны отверстия для размещения соединительной трубки на заданном расстоянии от щели, отверстия снабжены заглушками для предотвращения вытекания жидкости.
Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками позволяют уменьшить скорость жидкости в литниковой чаше до 0, устранить потери напора в чаше, предотвратить засасывание воздуха в чашу и увеличить расход жидкости в литниковой системе.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого стенда для исследования литниковых систем, на фиг.2 приведена фотография предлагаемого стенда, на фиг.3 и 4 приведены чертежи соединительной трубки и сменного модуля с питателем.
Стенд (фиг.1) состоит из литниковой чаши 1, коллектора в виде сменных модулей 2 с питателями и соединительных трубок 3, пьезометров 4. Для слива излишков жидкости в литниковой чаше 1 прорезана щель 5. Для изменения напора H в системе в литниковой чаше 1 на разном расстоянии от щели 5 прорезаны отверстия 6 для подсоединения коллектора. Отверстия 6 закрывают заглушками 7. Отверстия 6 под соединительную трубку 3 выполняют с помощью развертки, а наружный диаметр соединительной трубки 3 делают с расчетом получения скользящей посадки трубки 3 в литниковой чаше 1, обеспечивающей отсутствие утечки воды (соединение осуществляется без резьбы и уплотнительных прокладок, только с помощью посадки). Элементы стенда просты в изготовлении, а сборка стенда не вызывает затруднений.
Стенд для исследования литниковых систем работает следующим образом.
Систему заполняют водой, открывают необходимое количество питателей и определяют объем вылившейся из питателей жидкости в отдельную емкость за определенное время. После этого определяют скорость воды в питателе по формуле:
ν=W/τ,
3
где W - объем вылившейся жидкости, м;
τ - время истечения жидкости, с.
Затем подсчитывается расход жидкости из питателя по формуле:
Q=νS,
2
где S - площадь сечения питателя, м.
Расход жидкости во всей системе определяют путем суммирования расходов жидкости из всех работающих питателей.
Напор в системе H - расстояние по вертикали от уровня жидкости в литниковой чаше 1 (сечение в щели 5 для слива излишков жидкости) до одного из отверстий 6 поддерживается постоянным путем непрерывного доливания жидкости в литниковую чашу 1 и слива ее избытков через щель 5.
Для проведения исследований при различных значениях напора H коллектор через соединительную трубку 3 подсоединяют к нужному отверстию 6 в чаше 1.
Был изготовлен опытный образец - стенд (фиг.2). Литниковая чаша 1 имеет внутренний диаметр 0,175 м и высоту 1,1 м. Расстояние Я от щели 5 до отверстий 6 под соединительную трубку 3 - 0,090, 0,180, 0,270, 0,360, 0,720 и 1,080 м. Внутренний диаметр коллектора - 0,01603 м, внутренний диаметр питателей - 0,00903 м, расстояние от чаши до первого питателя - 0,120 м, расстояние между питателями - 0,120 м. Все элементы стенда изготовлены из стали. Расстояние между питателями и до стенда можно менять, не включая какие-то промежуточные питатели (заглушая их).
-6
3
При напоре H=0,360 м скорость жидкости в дальнем от литниковой чаши питателе диаметром 0,00903 м при работе только этого питателя составляет 1,85 м/с, а скорость движения жидкости в литниковой чаше в 376 раз меньше - 0,0049 м/с, так как площадь поперечного сечения литниковой чаши в 376 раз больше площади поперечного сечения питателя. При работе всех 6 питателей скорость в дальнем от литниковой чаши питателе равна 0,98 м/с, в ближнем к литниковой чаше питателе - 0,56 м/с, а расход воды в системе составляет 293·10 м/с. И скорость движения жидкости в литниковой чаше равна 0,012 м/с. То есть скорость движения жидкости в литниковой чаше составляет 0,0049-0,012 м/с. Потери напора на трение подсчитываются по формуле:
,
2
где λ - коэффициент потерь на трение (λ=0,03); l и d - длина и гидравлический диаметр элемента системы, м; ν - скорость жидкости в этом элементе, м/с; g - ускорение силы тяжести (g=9,81 м/с).
Местных сопротивлений в литниковой чаше нет.
тр
-6
-3
-6
3
-6
3
Согласно расчетам потери на трение H=0,46·10 м. Эти потери составляют всего 1,2·10 % от напора H. Такими потерями напора можно пренебречь, а скорость движения жидкости в литниковой чаше принять равной 0. Если скорость движения жидкости в чаше равна 0, то давление в ней не может быть ниже атмосферного, т.е. засасывания воздуха в жидкость не будет. Таким образом, мы избавляемся от потерь напора в литниковой чаше и от засасывания воздуха в жидкость. Литниковая чаша не имеет гидравлического сопротивления, а ее высота может быть любой. Следовательно, решается поставленная задача - повышение расхода жидкости в литниковой системе. По сравнению с прототипом, обеспечивающим при работе 6 питателей максимальный расход в 461,61·10 м/с при напоре H=1,08 м, предлагаемый стенд при таком же напоре дает расход 725,90·10 м/с (в 1,57 раза больше), не имея ограничений по дальнейшему увеличению напора H (и скорости движения жидкости ν).
Так как скорость движения жидкости в чаше равна 0, то сразу же снимаются все требования к чистоте поверхности и точности размеров внутренней поверхности литниковой чаши. Чашу можно изготавливать из обычных цельносварных или цельнотянутых труб диаметром 150-400 мм без механической обработки ее внутренней поверхности.
Высота литниковой чаши может достигать нескольких метров, реально до 10 м. И при этом точность поддержания уровня жидкости составляет ±0,5 мм. При использовании насоса эта погрешность будет в десятки раз больше.
Поскольку гидравлическое сопротивление чаши равно 0, то независимо от высоты чаши при разных значениях H исследуется одна и та же литниковая система, что невозможно получить в принципе на других стендах для исследования литниковых систем.
Чаша в стенде для исследования литниковых систем должна отвечать двум взаимоисключающим требованиям:
1) с одной стороны, должна быть как можно более высокой - для обеспечения исследования систем при разных скоростях (и расходах) движения жидкости;
2) с другой - должна быть как можно ниже, так как с увеличением высоты чаши растут потери напора в чаше, расход растет медленнее, чем напор в системе, а жидкость насыщается воздухом и расход жидкости в системе начинает уменьшаться с дальнейшим увеличением высоты чаши.
Это противоречие удалось разрешить с помощью предлагаемого стенда, полностью устранив потери напора в чаше и создав элемент гидравлической системы, не имеющий гидравлического сопротивления. На высоту чаши в предлагаемом стенде нет никаких ограничений, так как по всей ее высоте обеспечивается давление выше атмосферного и засасывания воздуха в жидкость при ее движении в чаше не происходит.