Исследование течения расплава в ярусной и кольцевой литниковых системах с питателями различных площадей поперечных сечений

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.746.628.4

Исследование течения расплава в ярусной и кольцевой литниковых системах с питателями различных площадей поперечных сечений

А. В. Богомягков, Д. О. Пустовалов, К. В. Шаров

В статье рассмотрен метод исследования литниковых систем, состоящий из теоретического расчета, численного моделирования и экспериментального исследования на лабораторном стенде. Теоретический расчет основан на применении уравнения Бернулли и уравнения неразрывности потока. Произведено первоначальное моделирование процесса заливки на лабораторном стенде с помощью программного комплекса ProCast. Лабораторный стенд заливали модельной жидкостью. В качестве модельной жидкости выбрана вода. Получено соответствие экспериментальных и расчетных значений исследуемых величин.

Ключевые слова: стояк, коллектор, ярусная литниковая система, кольцевая литниковая система, скорость потока, моделирование, ProCast.

Введение

Качество отливки зависит, помимо прочего, от гидродинамического режима заливки. Литниковая система должна обеспечивать спокойное заполнение формы, препятствовать «захвату в плен» неметаллических включений, что особенно актуально для ряда цветных сплавов и легированных сталей. Процесс течения металла в форме сложен для исследования напрямую, поэтому часто его изучают, применяя моделирование.

В литературе встречается много методов моделирования, которые можно разделить на две большие группы: натурные и численные. При натурном моделировании используется модельная жидкость, в основном вода, реже — смесь воды с глицерином (для моделирования литья под давлением) [1]. Для численного моделирования используются программные комплексы, такие как РгоСав1 и «Полигон». При исследовании определяют скорости потока жидкости в различных элементах литниковой системы, давление и анализируют возможность захвата газов.

Цель работы — проверка методики расчета ярусных и кольцевых литниковых систем моделированием заливки в программном комплексе РгоСав! с последующей экспериментальной проверкой на лабораторном стенде.

Методика исследования

При теоретическом расчете для нахождения скорости в г-м питателе используют следующее выражение [2]:

V = ^1-г

2§ИВ

а

,

где (г) — коэффициент расхода системы от сечения 1-1 до сечения г—г, приведенный к скорости v¿; £ — ускорение свободного падения, £ = 9,81 м/с2; Нд — действующий в данном питателе напор, равный вертикальному расстоянию от оси г-го питателя до сечения 1-1, м; а — коэффициент Кориолиса, а = 1,1 [2].

№ 3(85)/2015

Методика расчета коэффициента расхода (i) литниковой системы подробно описана в работах [3-5]. В этих целях составлена система из уравнений Бернулли для входного и выходного сечений, причем количество уравнений равно количеству работающих питателей. Неизвестные скорости выражены с помощью уравнения неразрывности Q = const. В работах [4, 5] получены значения скоростей потоков каждого питателя, а также определен суммарный расход всей литниковой системы.

Для моделирования течения жидкости в системе использован программный комплекс ProCast. Построены модели, аналогичные лабораторном стендам. Скорости оценены по цветовой шкале (рис. 1, а, см. обложку). Результаты моделирования течения жидкости в ярусной литниковой системе представлены на рис. 1, б—д (см. обложку), кольцевой — на рис. 2-5 (см. обложку).

Экспериментальное исследование проведено на лабораторных стендах. Схема стенда для исследования ярусной системы представлена на рис. 6. Установка имеет следующие размеры: di = 175 мм; d2 = ... = d7 = 16,03 мм; hi = 129 мм; h-2 = 114 мм; H = 453 мм; расстояние между стояком и вертикальным коллектором 1к = 225,5 мм. На рис. 7 представлена схема установки для исследования кольцевой системы. Размеры установки: d1 = 272 мм; d2 = = ... = d4 = 24,08 мм; d5 = ... = d^ = 16,03 мм; H = 363 мм; расстояния между стояком и пи-

Размеры питателей ярусной системы, мм

Таблица 1

Размер I

Диаметр dD 6,03 7,03 8,03 9,03

Длина 1п 30,15 35,15 40,15 45,15

Размеры питателей кольцевой системы, мм

Таблица 2

Размер I

Диаметр dD 9,03 8,03 7,03

Длина 1п 45,00 40,15 35,15

тателями 1ст-:: 1ст-[ = 246 мм, 1ст_п = 494 мм, 1ст-ш = 703 мм.

Геометрические характеристики питателей приведены в табл. 1 и 2.

Уровень напора в чаше-стояке поддерживали постоянным. Излишки воды сливали через специальную щель в чаше.

Экспериментально скорость потока жидкости на выходе из питателя определена по формуле

Рис. 6. Схема лабораторной установки для исследования ярусной литниковой системы

Рис. 7. Схема лабораторной установки для исследования кольцевой литниковой системы

№ 3 (87)/2015

47

V =

м

ртБ ,

Таблица 4

Скорости потока на выходе из питателей кольцевой

системы

где М — масса вылившейся воды, кг; р — плотность жидкости, кг/м3, р = 1000 кг/м3;

т — время истечения, с; 8 — площадь пита-2

теля, м .

Впоследствии найдено среднее значение скорости по выражению

V =

п

XV

Л_

п

V, м/с Работающие питатели

I I, II ып ЫУ

^р 2,646 2,620 2,532 2,532

2,6-2,8 2,4-2,6 2,0-2,2 2,0-2,2

v8э 2,702 2,536 2,453 2,451

v9р - 1,855 1,665 1,665

v9м - 1,809 1,4-1,6 1,4-1,6

v9э - 1,802 1,616 1,608

v10р - - 1,150 1,150

ь'10м - - 1,0-1,2 1,0-1,2

v10э - - 1,061 1,088

v11р - - - 0

v11 м - - - 0-0,2

v11э - - - 0

Результаты

Рассмотрены различные методы исследования потоков жидкости в литейной форме: расчет, основанный на законах гидравлики; численное моделирование; экспериментальное исследование. Результаты расчетов (индекс «р»), экспериментов (индекс «э») и моделирования (индекс «м») представлены в табл. 3 и 4.

Можно считать, что опытные данные соответствуют расчетным. При исследовании ярусной литниковой системы наибольшее расхождение наблюдается при работе четырех питателей — у скорости V!!. Расчетные данные говорят о том, что истечения не происходит,

Таблица 3

Скорости потока на выходе из питателей ярусной си-

V, м/с Работающие питатели

I I, II I и III МП

^р 2,005 1,706 1,786 1,474

1,833 1,667 1,667 1,395

VIэ 2,027 1,651 1,729 1,432

VIIр - 1,729 - 1,514

VIIм - 1,833 - 1,521

VIIэ - 1,702 - 1,433

VIIIр - - 1,767 1,498

VIIIм - - 1,667 1,584

VIIIэ - - 1,778 1,467

так как весь напор расходуется на преодоление сопротивления. В эксперименте жидкость также не течет. При моделировании истечение происходит, но с низкой скоростью, близкой к нулю.

Для кольцевой системы разница между значениями составляет от -2,4 до +3,6 %. Значения скорости потока жидкости на выходе из питателей, полученные при помощи программного комплекса РгоСА8Т, несколько больше, чем значения, полученные расчетным и экспериментальным путем. Так, максимальная разница между расчетными данными и данными, полученными в РгоСА8Т, составляет — 8,6 %, а между экспериментальными данными и данными, полученными в РгоСА8Т, составляет — 9,5 %.

Выводы

Программный комплекс РгоСав! может быть использован для моделирования лабораторных исследований. Продукт дает представление о характере потока жидкости и позволяет оценить требуемые параметры до изготовления оснастки.

Исследование с помощью модельной жидкости позволяет измерить скорости, давления, расходы в различных сечениях литниковой системы, а самое главное — коэффициенты местных гидравлических сопротивлений, которые нельзя определить расчетным путем.

стемы

№ 3(87)/2015

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

Литература

1. Гидромоделирование процессов литья / Е. И. Ма-

рукович, А. М. Брановицкий, В. А. Дементьев, Ю. А. Лебединский// Литье и металлургия. 2010. № 3 (56). С. 36-42.

2. Чугаев Р. Р. Гидравлика. М.: Бастет, 2008. 672 с.

3. Vasenin V. I., Bogomyagkov A. V., Sharov K. V.

Step gate investigation // Science and Education: materi-

Введение

В составе действующих в нашей стране неф-те- и газопроводов, перерабатывающих заводов, электростанций и других промышленных объектов эксплуатируется большое количество трубопроводной арматуры, наиболее перспективными представителями которой являются шаровые краны (рис. 1). Благодаря очевидным преимуществам (малое гидравлическое сопротивление, малое время срабатывания, легкость в управлении и т. д.) шаровые кра-

als of the III international research and practice conference. Vol. I. Munich: Vela-Verlag, 2013. P. 184-194.

4. Шаров К. В. Исследование ярусной литниковой системы с питателями различных площадей поперечных сечений // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. http://www.science-education.ru/120.

5. Васенин В. И., Богомягков А. В., Шаров К. В. Исследование кольцевой литниковой системы // Литейное производство. 2013. № 4. С. 12-15.

ны вытесняют с рынка задвижки и запорные клапаны. Однако шаровые краны, способные работать при температурах транспортируемых сред выше 200 °С, выпускаются в основном зарубежными компаниями [1]. Узлы затворов таких кранов выполняются по схеме «металл по металлу», где под термином «металл» подразумеваются износостойкие покрытия или материалы (твердый хром, стеллит, металлокерамика) [1]. Импортные шаровые краны с затвором «металл по металлу» на порядок дороже, чем задвижки, запорные клапаны,

УДК 621.646.6+678.7-419.8]:621.7

Перспективы снижения затрат на металлообработку шаровых кранов, работающих при температурах выше 200 °С

Д. М. Караваев, А. А. Нестеров, Е. В. Матыгуллина, Д. В. Смирнов, О. Ю. Исаев

Представлен сравнительный анализ конструкций шаровых кранов с учетом предъявляемых к ним эксплуатационных требований. В качестве материала седловыхуплотнений шаровых кранов предложен композиционный материал на основе терморасширенного графита и модифицированной силиконовой смолы, обладающий повышенной упругостью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Представлены результаты испытаний образцов из композиционного материала, формуемых методом одностороннего прессования. Применение шаровых кранов с седловымиуплотнениями, изготовленными из данного композита, позволит расширить интервал рабочих температур шаровых кранов по схеме «металл по полимеру» до 550 °С и существенно снизить себестоимость готовой продукции.

Ключевые слова: запорная арматура, шаровый кран, композиционный материал, терморасширенный графит, полимер, точность, механическая обработка.

№ 3(87)/2015

А. В. Богомягков, Д. О. Пустовалов, К. В. Шаров «Исследование течения расплава в ярусной и кольцевой литниковых системах с питателями различных площадей поперечных сечений»

a)

б)

в)

г)

д)

Рис. 1. Результаты моделирования в программном комплексе РгоСаБ"Ь: а — цветовая шкала, м/с; б — работает один питатель; в — работают два питателя; г — работают три питателя; д — работают четыре питателя

Fluid Velocity-Magmitude [m/sec]

2,500

2,167 2,000 1,833

Y

Vх

Step No / Time Step : 1060 / 7.818e-003 Simulated Time : 7.4462 sec Percent Filled : 67.9 Fraction Solid : N/A

Fluid Velocity-Magmitude [m/sec]

*Z

ProCAST

Y

Z

Step No / Time Step : 930 / 3.221e-003 Simulated Time : 5.1989 sec Percent Filled : 76.4 Fraction Solid : N/A

ProCAST

Рис. 4. Работает питатели I

Рис. 3. Работают питатели I—II

Fluid Velocity-Magmitude Гш/s

Step No / Time Step : 430 / 3.747e-003 Simulated Time : 1.6593 sec Percent Filled : 47.4 Fraction Solid : N/A

Fluid Velocity-Magmitude [m/sec]

Step No / Time Step Simulated Time Percent Filled Fraction Solid

ProCAST

410 / 1.928e-003 1.5477 sec

Рис. 4. Работают питатели I и Il

Рис. 5. Работают питатели I - II