Установка для центробежного литья цилиндрических оболочек
CYLINDRICAL SHELLS CENTRIFUGAL CASTING INSTALLATION

Изобретение относится к установке для изготовления трубчатых деталей способом центробежного литья.
Известна установка для изготовления трубчатых деталей способом центробежного литья, содержащая размещенную на подшипниковых опорах горизонтальную трубчатую матрицу со сторонами загрузки и разгрузки и установленный на стороне загрузки электропривод вращения матрицы (SU 1465338, МПК B28B 21/30, 1989).
Поскольку в процессе изготовления труб изменяется температура отверждающегося пластика, изменяется также температура матрицы и тем самым ее длина. В известных установках такого рода необходимо поэтому использовать относительно сложные, соответственно дорогие и подверженные дефектам подшипники, чтобы из-за изменения длины матрицы не возникало сбоев производственного процесса.
Известна также установка для центробежного литья цилиндрических оболочек, содержащая корпус, выполненный с возможностью размещения в нем горизонтальной трубчатой матрицы, с возможностью вращения последней, средства плавления материала, привод вращения матрицы (см RU № 2117574, МПК B28B 21/30, B29D 23/00, 1998).
Недостаток этой установки состоит в том, что с ее помощью могут изготавливаться только такие цилиндрические оболочки, которые выполнены из однородного материала, когда стенка выполнена не из отдельных составных частей или не образована из различных, но прочно связанных друг с другом слоев (типа стеклометаллокомпозитов), особенно оболочек большого поперечного сечения.
Задача изобретения заключается в создании установки, с помощью которой можно было бы изготавливать многослойные цилиндрические оболочки из стеклометаллокомпозита.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности изготовления многослойных цилиндрических оболочек большого поперечного сечения (порядка 2-3 м в диаметре) из стеклометаллокомпозита, с произвольным числом чередующихся слоев стекла и металла.
Поставленная задача решается тем, что установка для центробежного литья цилиндрических оболочек, содержащая корпус, выполненный с возможностью размещения в нем горизонтальной трубчатой матрицы, с возможностью вращения последней, средства плавления материала, привод вращения матрицы, отличается тем, что корпус установки выполнен разъемным в диаметральной плоскости, предпочтительно на середине длины, с возможностью раздвижки его половин на величину не меньшую длины формируемой цилиндрической оболочки, при этом, его внутренняя поверхность снабжена теплоизолирующим слоем, причем в объеме корпуса установки, ограниченного полостью трубчатой матрицы, размещено, по меньшей мере, два средства плавления материала, по одному на каждый слой формируемой многослойной цилиндрической оболочки, предпочтительно, выполненные в виде индукционных печей с возможностью плавления соответственно, либо стекла, либо металла, используемых в конструкции оболочки, а также с возможностью возвратно-поступательного ввода-вывода их из полости трубчатой матрицы через сквозные отверстия в торцовых стенках корпуса установки и возможностью поворота вокруг горизонтальной оси до выгрузки из них расплава, кроме того, привод вращения матрицы содержит статоры, размещенные в полости корпуса установки у его концов, при этом на концах внешней поверхности трубчатой матрицы жестко закреплены кольцевые вкладыши с конической внешней поверхностью, с наклоном к торцам трубчатой матрицы, при этом поверхности кольцевых вкладышей оперты на зубцы статоров, содержащих обмотки, расположенные на одинаковых расстояниях по периметру статора, которые выполнены с образованием поверхности, конгруэнтной поверхности кольцевых вкладышей и снабжены средствами подвода сжатого воздуха, с возможностью формирования газостатического поддерживающего слоя, кроме того, на верхней части торцовых стенок корпуса установки, на их вертикальном диаметре выполнены вертикальные щели, через которые пропущены горизонтальные консольные выступы подвижных опор, с возможностью опирания на них со скольжением концевых участков горизонтальной трубчатой матрицы в процессе ее вращения. Кроме того, торцовые стенки корпуса установки снабжены средствами их регулируемого поджатия к торцовым кромкам корпуса установки. Кроме того, горизонтальная трубчатая матрица и/или кольцевые вкладыши выполнены из ферромагнитного материала.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «корпус установки выполнен разъемным в диаметральной плоскости,… с возможностью раздвижки его половин на величину не меньшую длины формируемой цилиндрической оболочки» позволяют заменять одну отработанную горизонтальную трубчатую матрицу на другую, для изготовления следующего изделия, путем ее опускания сверху вниз или боковой загрузки – разгрузки, что упрощает решение задач организации работы механизмов удержания торцовых стенок корпуса установки при тепловом расширении матрицы.
Признак, указывающий, что корпус установки «выполнен разъемным, предпочтительно на середине длины» обеспечивает равенство параметров раздвижки корпуса по обеим его торцам, при этом обеспечивается равенство величин температурного удлинения матрицы, приходящихся на каждую сторону и равенство рабочих параметров средств обеспечивающих поджим торцовых стенок
Признак указывающий, что у корпуса установки «его внутренняя поверхность снабжена теплоизолирующим слоем» минимизируя потери тепла, обеспечивает возможность горизонтальной раздвижки корпуса с опиранием на опорные ролики, как это принято в заявленной установке.
Признак, указывающий, что средства плавления материала размещены «в объеме корпуса установки, ограниченного полостью трубчатой матрицы» позволяет снизить затраты энергии на расплавление материалов, используемых для формирования оболочки и поддержания их в состоянии расплава.
Признаки, указывающие, что использованы, «по меньшей мере, два средства плавления материала, по одному на каждый слой формируемой многослойной цилиндрической оболочки» обеспечивают возможность последовательного формирования слоев оболочки, когда работа каждого из них не зависит от работы другого, при которых нет необходимости их ввода-вывода до окончания процесса формирования оболочки.
Признаки, указывающие, что средства плавления материала «предпочтительно, выполнены в виде индукционных печей с возможностью плавления соответственно, либо стекла, либо металла, используемых в конструкции оболочки» задают рабочие режимы средств плавления материала и их соответствующие конструктивные параметры.
Признаки, указывающие, что средства плавления материала выполнены «с возможностью возвратно-поступательного ввода-вывода их из полости трубчатой матрицы через сквозные отверстия в торцовых стенках корпуса установки» обеспечивают их загрузку сырьем для расплавления вне корпуса установки и последующий ввод в него, для использования.
Признак, указывающий, что средства плавления материала выполнены «с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси до выгрузки из них расплава» обеспечивает их разгрузку – выливку расплава в полость горизонтальной трубчатой матрицы.
Признаки, указывающие, что «привод вращения матрицы, содержит статоры, размещенные в полости корпуса установки у его концов» обеспечивают вращение матрицы непосредственно за счет электромагнитных сил, формируемых статором.
Признаки, указывающие, что «на концах внешней поверхности трубчатой матрицы жестко закреплены кольцевые вкладыши с конической внешней поверхностью, с наклоном к торцам трубчатой матрицы» обеспечивают раздельное накопление разных фракций золы.
Признаки, указывающие, что «поверхности кольцевых вкладышей оперты на зубцы статоров … которые выполнены с образованием поверхности, конгруэнтной поверхности кольцевых вкладышей и снабжены средствами подвода сжатого воздуха, с возможностью формирования газостатического поддерживающего слоя» позволяют сформировать газостатические подшипники, обеспечивающие скольжение с минимальным уровнем трения при вращении горизонтальной трубчатой матрицы, на эффективности работы которых не отражается нагрев матрицы.
Признаки, указывающие, что зубцы статоров содержат «обмотки, расположенные на одинаковых расстояниях по периметру статора» обеспечивают возможность формирования бегущего магнитного поля, вращающего матрицу.
Признаки, указывающие, что «на верхней части торцовых стенок корпуса установки, на их вертикальном диаметре выполнены вертикальные щели через которые пропущены горизонтальные консольные выступы подвижных опор» обеспечивают возможность ввода-вывода концов горизонтальных консольных выступов подвижных опор в полость матрицы.
Признаки, указывающие, что горизонтальные консольные выступы подвижных опор выполнены «с возможностью опирания на них со скольжением концевых участков горизонтальной трубчатой матрицы» обеспечивают удержание матрицы в процессе формирования оболочки.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают компенсацию теплового расширения матрицы с сохранением герметичности корпуса установки.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность использования матриц как из ферромагнитного, так и немагнитного материала.
На фиг. 1 показан вид сбоку установки с продольным разрезом по оси корпуса; на фиг. 2 - вид установки в объеме с сомкнутыми половинами корпуса с задвинутыми в него средствами плавления материала; на фиг. 3 показан узел А – стык половин корпуса с торцовой стенкой; на фиг.4 - вид установки в объеме с сомкнутыми половинами корпуса с выдвинутыми из него средствами плавления материала; на фиг. 5 - вид установки в объеме с раздвинутыми половинами корпуса; на фиг. 6 – показан разрез по корпусу на виде установки в объеме с раздвинутыми половинами корпуса; на фиг.7 и 8 показаны, соответственно, вертикальный и горизонтальный разрезы по корпусу установки соответствующие ее виду в объеме с сомкнутыми половинами корпуса и задвинутыми в него средствами плавления материала.
На чертежах показаны первая 1 и вторая 2 половины корпуса установки, горизонтальная трубчатая матрица 3, кольцевые вкладыши 4 и ось вращения 5, корпуса средств плавления материала 6 и 7, подвижные опоры 8 с горизонтальными консольными выступами 9, подвижные генераторы 10 средств плавления материала 6 и 7, каретки 11, 12 и 13, соответственно, корпуса установки, подвижных опор 8 и подвижных генераторов 10, рельсы 14, теплоизолирующий слой 15, сквозные отверстия 16, торцовые стенки 17 корпуса установки. Кроме того, показаны окна 18 корпусов 6 и 7 средств плавления материала, горизонтальные оси 19 их поворота, статоры 20, торцы 21 трубчатой матрицы 3, зубцы 22 статоров 20, их поверхность 23, средства подвода сжатого воздуха 24, вертикальные щели 25, концевые участки 26 горизонтальной трубчатой матрицы 3, средства 27 регулируемого поджатия торцовых стенок 17 корпуса установки.
Горизонтальная трубчатая матрица 3 имеет длину, по меньшей мере, 6 м и внутренний диаметр по до 3 м. Она служит для изготовления многослойных цилиндрических оболочек большого поперечного сечения до 3 м в диаметре из стеклометаллокомпозита, с произвольным числом чередующихся слоев стекла и металла, в качестве которого используют алюминий.
Внутренние размеры свободной полости корпуса определяются размерами изготавливаемых многослойных цилиндрических оболочек, максимальные размеры которых, в свою очередь, зависят от размеров горизонтальной трубчатой матрицы 3
Корпус установки выполнен разъемным в диаметральной плоскости, предпочтительно на середине его длины, с возможностью раздвижки его первой 1 и второй 2 половин, на величину не меньшую длины формируемой цилиндрической оболочки, которая равна длине горизонтальной трубчатой матрицы 3 при этом, внутренняя поверхность корпуса (включая его торцовые стенки 17) снабжена теплоизолирующим слоем 15.
0
В объеме корпуса установки, ограниченного полостью трубчатой матрицы 3, размещено по меньшей мере два средства плавления материала, заключенные в цилиндрических корпусах 6 и 7, по одному на каждый слой формируемой многослойной цилиндрической оболочки (на чертежах не показана), при этом, их емкость должна обеспечивать полную заливку одного такого слоя. Средства плавления материала предпочтительно, выполнены в виде индукционных печей с возможностью плавления соответственно, либо стекла, либо металла, используемых в конструкции оболочки. Каждое средство плавления материала выполнено с возможностью возвратно-поступательного ввода-вывода их из полости трубчатой матрицы 3 через сквозные отверстия 16 в торцовых стенках 17 корпуса установки, при этом, каждое средство плавления материала снабжено своим отдельным подвижным генератором 10, с которым оно связано одним торцом, причем, при максимальном выдвижении цилиндрических корпусов 6 и 7 один его конец удерживается на соответствующем подвижном генераторе 10, а другой, находится в соответствующем отверстии 16. Кроме того, средствам плавления материала придана возможность поворота вокруг горизонтальной оси до выгрузки из них расплава (для этого, с учетом того, что угол поворота сравнительно невелик – менее 180, может быть использован поворотный механизм любой известной конструкции, например, зубчатый или рычажный.
Привод вращения матрицы содержит статоры 20, размещенные в полости корпуса установки у его концов, прилегающих к торцовым стенкам 17, при этом на концах внешней поверхности трубчатой матрицы 3 жестко закреплены кольцевые вкладыши 4, выполненные с конической внешней поверхностью, с наклоном к торцам 21 трубчатой матрицы 3 (целесообразно, чтобы они были разъемными). Поверхности кольцевых вкладышей 4 оперты на зубцы 22 статоров 20. Зубцы 22 содержат, обмотки (на чертежах не показаны) и расположены на одинаковых расстояниях по периметру каждого статора 20. Причем поверхности 23 зубцов 22, обращенные к поверхностям накладок образуют поверхность, конгруэнтную поверхности кольцевых вкладышей 4. Через тела зубцов 22 проходят каналы подвода сжатого воздуха, подключенные к источникам сжатого воздуха (на чертежах не показан), являющиеся средствами подвода сжатого воздуха 24, что обеспечивает возможность формирования газостатического поддерживающего слоя, в зазоре между поверхностями 23 (зубцов 22 статоров 20) и обращенной к ним поверхностью кольцевых вкладышей 4.
Вертикальные щели 25 выполнены на верхней части торцовых стенок 17 корпуса установки, на их вертикальном диаметре. Через них пропущены горизонтальные консольные выступы 9 подвижных опор 8, с возможностью опирания на них со скольжением концевых участков 26 горизонтальной трубчатой матрицы 3 в процессе ее вращения. Кроме того, торцовые стенки 17 корпуса установки снабжены средствами их регулируемого поджатия 27 к торцовым кромкам корпуса установки, которые распределены по периметру торцовой стенки 17 и выполнены в виде силовых цилиндров, одни концы штоков которых закреплены на стенке корпуса статора обращенной к торцовой стенке 17 корпуса установки, а корпуса этих силовых цилиндров скреплены с торцовой стенкой 17. Кроме того, горизонтальная трубчатая матрица 3 и/или кольцевые вкладыши 4 выполнены из ферромагнитного материала, например жаропрочной стали. Важным элементом установки являются рельсы 14, размещенные на едином фундаменте установки, при этом головки этих рельсов размещены в одной горизонтальной плоскости. На эти рельсы оперты ролики кареток 11, 12 и 13, соответственно, закрепленных на нижних поверхностях корпуса установки, подвижных опор 8 и подвижных генераторов 10. В качестве средств перемещения половин корпуса установки, подвижных опор 8 и подвижных генераторов 10 используют многобарабанные лебедки известной конструкции, монтируемые за пределами рельсовой сети, или буксиры, например, автопогрузчики или физическую силу.
Установка для центробежного литья цилиндрических оболочек работает следующим образом.
Технологический процесс изготовления оболочки состоит из следующих этапов:
Изготовление горизонтальной трубчатой матрицы осуществляют известным образом, как обечайки большого диаметра.
Для загрузки горизонтальной трубчатой матрицы в корпус установки, его первую 1 и вторую 2 половины отводят друг от друга, к торцам рельсовой сети по, составляющим ее рельсам 14, до образования между ними проема, достаточного для ввода сверху или сбоку (в горизонтальном положении) горизонтальной трубчатой матрицы 3. Одновременно, в этом же направлении перемещают подвижные опоры 8 и подвижные генераторы 10, если они мешают раздвижке корпуса установки.
На концевые участки 26 горизонтальной трубчатой матрицы 3 надевают и жестко закрепляют кольцевые вкладыши 4, после чего, известным образом, с использованием крана или автопогрузчика (на чертежах не показаны) матрицу 3 вводят в проем корпуса установки. Далее возвращают на место ранее сдвинутые узлы установки (кроме подвижных генераторов 10), так, чтобы можно было горизонтальные консольные выступы 9 подвижных опор 8 подвести под верхние зоны концевых участков 26 горизонтальной трубчатой матрицы 3. Далее матрицу опускают на них сверху, таким образом, матрица 3 оказывается подвешенной на горизонтальные консольные выступы 9 подвижных опор 8. Кроме того, в процессе сведения половин корпуса установки, коническая поверхность кольцевых вкладышей 4, при взаимодействии с поверхностями 23, образованными зубцами 22 статоров 20 обеспечивает самоцентрирование горизонтальной трубчатой матрицы 3 в корпус установки (их соосность). После завершения процесса сведения половин корпуса установки, корпуса средств плавления материала 6 и 7 связанные с подвижными генераторами10 (остававшимися на месте) оказываются вне пределов корпуса установки, удерживаясь с одной стороны своими подвижными генераторами10, а с другой - сквозным отверстием 16, соответствующей торцовые стенки 17. Средства плавления материала известным образом, через окна 18 загружают расходными материалами (одно стеклом, другое – алюминием).
Далее их, через отверстия 16 перемещают в полость матрицы 3. После чего включают в работу индукторы, питая их от подвижных генераторов 10.
В результате стекло и металл расплавляются, излучение тепла от корпусов средств плавления материала 6 и 7 способствует прогреву матрицы 3.
Прогрев матрицы 3 должен быть синхронизирован по времени с достижением нужной стадии варки стекла, поэтому требуется только контроль и коррекция ее температуры (поскольку прогрев матрицы 3 осуществляется теплом средств плавления материала и происходит автоматически).
Разгон матрицы 3 до скорости заливки происходит после включения в работу статоров 20, в автоматическом режиме с учетом обхода собственных частот механической системы и обеспечения «мягкой» динамики (S-образные кривые). При этом перед началом раскрутки включают в работу средства подвода сжатого воздуха 24 в зазор между статором 20 и вкладышем 4.
0
Заливку стекла осуществляют в матрицу 3 разогретую до температуры заливки (5000С), вращающуюся со скоростью 3000 об/мин. Для этого поворачивают вокруг своей горизонтальной оси 19 корпус 6 средства плавления материала, окнами 18 вниз, вследствие чего расплавленная стекломасса вытекает через них. Поскольку индукторная печь уже находится в полости матрицы, переноса стекла в атмосфере нет. Существенные ограничения по динамике заливки отсутствуют. При этом, стабилизируют скорость вращения матрицы 3 для равномерного распределения залитой массы (примерно 1000 кг).
Стабилизируется температура матрицы 3, подверженная в момент заливки стекла температурному удару. Также происходит частичное застывание (загустение) стекла.
После выдержки 1000-20000 мин, аналогично производят заливку металла (алюминия), для чего, поворачивают вокруг своей горизонтальной оси 19 корпус 7 средства плавления материала, окнами 18 вниз, вследствие чего расплавленный металл вытекает через них.
Далее, повторно стабилизируют скорость и температуру матрицы 3 и выдерживают ее в течение 1000-20000 мин
Затем осуществляют контролируемое понижение температур матрицы 3 и формируемой оболочки до температуры извлечения (это не обязательно комнатная температура, поскольку термические расширения сборки при более высокой температуре могут быть оптимальны, а вероятность появления напряжений меньше).
При необходимости формирования нескольких слоев оболочки (или для формирования оболочки со слоями повышенной толщины) могут использоваться и три и четыре и более средств плавления материала, сколько позволяет разместить сечение матрицы.
После остывания готовую оболочку извлекают из корпуса установки, для чего, как выше описано раздвигают корпус установки, после чего матрицу 3 с находящейся в ней оболочкой извлекают отправляют на последующую обработку (отжиг композитной оболочки, дефектовку, механообработку, испытания и т.д.).
На место удаленной матрицы устанавливают новую, после чего все повторяется.