Объемное прессование крупноформатных стеновых строительных блоков

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №1-2, 2018г.

При разработке прессового оборудования для производства крупноформатных стеновых строительных блоков полусухим способом формования противоречие между стремлением повышения производительности прессового оборудования, с одной стороны, и обеспечением удельного давления прессования, обеспечивающего требуемое качество формуемого изделия, с другой стороны, вызывает необходимость поиска новых способов решения этой проблемы. Это связано с тем, что для повышения производительности прессового оборудования необходимо увеличение количества одновременно формуемых изделий за один цикл, что, в свою очередь, вызывает необходимость повышения усилия прессования для обеспечения требуемого удельного давления прессования формуемых изделий. Например, для формования двух блоков за цикл с удельным давлением прессования порядка 6 МПа, даже при двустороннем прессовании необходимо, чтобы механизм прессования прессового оборудования развивал усилие около 80 тс. В то же время при формовании двух блоков за цикл обеспечивается лишь минимальная производительность прессового оборудования и для обеспечения более или менее приемлемой производительности необходимо формование как минимум по четыре блока за один цикл. При формовании по четыре блока за цикл механизм прессования прессового оборудования должен развивать усилие прессования порядка 160 тс. Техническая реализация прессового оборудования с таким усилием прессования связана с определенными сложностями. Поэтому, на наш взгляд, решение этой проблемы возможно путем сочетания традиционного статического прессования с принципиально новым объемным прессованием, заключающееся в том, что вначале формуемые изделия прессуются под статическим давлением, а затем на завершающем этапе формование изделий происходит при объемном прессовании.

Для реализации предложенного способа формования крупноформатных стеновых строительных блоков из полусухой смеси необходимо проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований, по оценке реализуемости такого способа полусухого формования изделий и его эффективности. Для математического моделирования физико-механических процессов, протекающих при полусухом способе формования крупноформатного стенового строительного блока, разработана расчетная схема, которая представлена на рисунке.

В соответствии с расчетной схемой (рисунок) процесс формования изделия вначале осуществляется односторонним статическим прессованием в пресс-форме включающей в себя матрицу 1, прессующий пуансон 2, контрпуансон 3, пустотообразователи 4 с мембранными упругими оболочками 5, полости которых сообщены между собой и подключены к источнику гидравлического питания 6.

Ввиду того, что вначале процесс формования изделия осуществляется односторонним статическим прессованием, удельное давление прессования со стороны прессующего пуансона, при известном значении усилия прессования, определяется площадью поверхности прессующего пуансона.

        (1)

где Pп – усилие, развиваемое механизмом прессования прессового оборудования; Fп – площадь поверхности прессующего пуансона; а, b – геометрические размеры прессующего пуансона.

Из-за трения между формуемым изделием и стенками матрицы давление прессования снижается по мере передачи его от слоя к слою по оси направления воздействия усилия прессования. При этом давление, воспринимаемое контрпуансоном, определяется как разница между удельным давлением на прессующем пуансоне и потерями давления прессования на трение между формуемой смесью и стенками матрицы.

Потери усилия прессования на преодоление силы трения между формуемым изделием и стенками матрицы, согласно [1], определяются выражением

Ртр = Рп∙kб∙f,          (2)

где kб – коэффициент бокового распора формуемой смеси; f – коэффициент трения между формуемой смесью и стенками матрицы.

Рисунок. Расчетная схема объемного прессования крупноформатного стенового строительного блока

В то же время потери усилия прессования на преодоление силы трения между формуемым изделием и стенками матрицы можно определить через среднее значение давления прессования по высоте формуемого изделия

Ртр = 0,5∙(qп + qк)∙Fб∙kб∙f,          (3)

где Fб – площадь боковой поверхности матрицы, контактирующая с формуемым изделием; qк – давление на поверхности контрпуансона.

Площадь боковой поверхности матрицы, контактирующая с формуемым изделием, определяется геометрическими размерами формуемого изделия

Fб = 2∙(a + b)∙hиз,          (4)

где hиз – высота формуемого изделия.

Давление на поверхности контрпуансона, с учетом потерь усилия прессования на преодоление силы трения между формуемым изделием и стенками матрицы, определяется выражением

        (5)

Для определения значения удельного давления на поверхности контрпуансона подставим уравнения (1) и (3) в уравнение (5) и, проведя соответствующие преобразования, получим значение удельного давления, воспринимаемого контрпуансоном

      (6)

Для оценки соответствия уравнения (6) граничным условиям и определения диапазона его применимости приравняем числитель уравнения к нулю и решим относительно высоты формуемого изделия hиз

        (7)

Из уравнения (7) следует, что диапазон применимости уравнения (6) составляет от нуля до значения, определяемого выражением (7), при этом следует отметить, что при прочих равных условиях, с увеличением значения произведения коэффициентов бокового распора и трения смеси об стенки матрицы, а также габаритных размеров формуемого изделия диапазон применимости уравнения (6) увеличивается. Например, при фиксированных габаритных размерах формуемого изделия увеличение значения произведения коэффициентов бокового распора и трения смеси об стенки матрицы с 0,14 до 0,25 приводит к уменьшению значения высоты формуемого изделия в два раза. Это свидетельствует о том, что при полусухом формовании крупноформатных строительных изделий наличие пустотообразователей оказывает существенное влияние на перепад напряжений по высоте формуемого изделия, в результате которого перепад напряжений по высоте формуемого изделия возрастает.

Перепад напряжений по высоте формуемого изделия можно определить, как разницу давления прессования со стороны прессующего пуансона и контрпуансона

        (8)

Анализ уравнения (8) свидетельствует о том, что, задавшись значением допустимого перепада напряжений по высоте формуемого изделия, можно определить предельную высоту для полнотелого изделия при одностороннем статическом прессовании.

        (9)

Следовательно, для определения высоты формуемого изделия, при котором необходимо переходить на объемное прессование, достаточно при известных параметрах формуемой смеси и изделия задаться допустимым значением перепада напряжений по высоте формуемого изделия и по уравнению (9) определить предельную высоту.

В соответствии с расчетной схемой (см. рисунок) для реализации объемного прессования формуемая смесь, предварительно уплотненная статическим прессованием с удельным давлением, значение которого определяется, с одной стороны, количеством одновременно формуемых изделий за цикл, а с другой стороны, значением усилия, развиваемого прессующим механизмом прессового оборудования.

При математическом описании процесса объемного прессования приняты допущения того, что собственная жесткость мембран пренебрежимо мала по сравнению с результирующим распирающим давлением, действующим изнутри мембран, а давление, действующее снаружи мембран, равно среднему значению давления по высоте формуемого изделия или среднему значению давления, действующему на формуемое изделие со стороны прессующего и контрпуансонов.

В соответствии с принятыми допущениями, для установления зависимости изменения значения давления прессования, в процессе объемного уплотнения, от значения коэффициента относительного уменьшения объема формуемого изделия, использовано уравнение прессования, предложенное в работе [2]. Анализ известного уравнения прессования и преобразование его в соответствии с расчетной схемой объемного прессования (см. рисунок) позволили получить зависимость изменения давления прессования от коэффициента относительного изменения объема, в процессе объемного прессования формуемого изделия.

        (10)

где Vтв – объем отформованного изделия в пересчете на твердую фазу; Δν – коэффициент относительной деформации (уплотнения) смеси в процессе объемного прессования изделия; λ – коэффициент, значение которого определяется экспериментально; R – гидравлический радиус формуемого изделия с учетом параметров пустотообразователей.

Объем отформованного изделия в пересчете на твердую фазу, определяется как разница между объемом загрузки смеси в матрицу и суммой объемов деформации смеси при статическом и объемном прессовании, математически это можно записать в следующем виде:

Vтв = Vзагр – (Vст + Vоб),          (11)

где Vзагр – объем загрузки смеси в матрицу; Vст – объем деформации смеси в процессе статического прессования; Vоб – объем деформации смеси в процессе объемного прессования.

Таким образом, полученные зависимости позволяют при полусухом способе формования крупноформатных строительных блоков определить предельную высоту изделия для статического прессования, а для объемного прессования предложена зависимость по определению изменения давления объемного прессования от коэффициента относительной деформации (уплотнения) смеси в матрице, в результате распирающего действия мембран, изнутри формуемого изделия.