8.2.2 Продуктивність та розміри шнека

Вихідними для розрахунку преса повинні бути такі дані:

• розміри виробів, запланованих для формування, м: довжина – а, ширина – в; висота – h;

• порожнистість виробів, К_пор, % (К_пор=0÷35%);

• характеристики сировинної керамічної шихти (далі - глини): коефіцієнт К_ус зменшення розмірів при сушці та випалюванні (К_ус=0,92÷0,95); вологість W=16÷24%; тиск у пресовий голівці q, МПа (q=10÷50 МПа); коефіцієнт f тертя глини по поверхні шнеку під тиском q, f=0,25÷0,4;

• потрібна продуктивність П у тисячах штук за годину (3÷10), яку слід перевести у об’ємну Q_п:

Q_п=1000∙П∙а∙в∙h∙(1- К_пор/100)/(3600∙К_ус∙К_вт), м³/с, (8.32)

де К_вт = (0,9÷0,95) – коефіцієнт врахування втрат (брак, відходи при різанні бруса, тощо).

Об’ємна продуктивність преса Q, як машини безперервної дії, визначають по загальній формулі, як добуток площі F перерізу потоку глини на середню швидкість V руху потоку вздовж осі шнека:

Q=F×V, м³/с, (8.33)

Звичайно, розглядають переріз, який проходить по кінцевим лопатям шнека з діаметрами лопаті D й ступиці d, м: F=π∙(D²– d²)/4. Середню швидкість потоку визначають по максимальній теоретичній осьовій швидкості, яку здатний забезпечити гвинтовий робочий орган, з урахуванням коефіцієнту К_з:

V=(S – b) ∙ n · K_з/ 60, м/с, (8.34)

де S, b – крок і товщина лопаті кінцевої секції шнека, м; n - частота обертання шнекового вала, об/хв. Товщину лопаті у залежності від тиску приймають b=0,02÷0,035 м. Після підстановки у (8.32) маємо:

Q = ∙(D²– d²) ∙(S – b)∙n · K_з/ 60. (8.35)

Коефіцієнт К_з враховує усі чинники зменшення середньої осьової швидкості руху потоку глини крізь перетин кінцевої секції: нерівномірність поля швидкості по перетину (швидкість біля маточини значно менша, ніж по периферії лопаті); провертання глини разом із шнеком; наявність зворотних потоків крізь зазор між лопатями шнека й сорочкою циліндра та по між лопатевому каналу шнека. Цей коефіцієнт залежить як від властивостей глини, так і від конструкції шнека, пресової голівки і мундштука. Наприклад, при формуванні багатопустотних виробів (цегли й каменів) коефіцієнт К_з знижується.

Аналіз характеристик вітчизняних пресів та пресів провідних світових виробників свідчить про те, що у переважної більшості К_з=(0,25÷0,35). Коефіцієнт К_зможна розглядати, як своєрідний більш ніж трійний запас по продуктивності, який не тільки перекриває усі експлуатаційні чинники (неконтрольоване короткочасне збільшення подачі глини, зношення лопатей шнека і т.д.), а й виводить прес у таку зону робочих параметрів, в якій екструзія відбувається із найменшою кількістю дефектів бруса. У багатьох методиках К_ззнаходять на базі розрахунків окремих його складових, наприклад, так званого коефіцієнта подачі шнека та коефіцієнта витікання [50].

Що стосується частоти обертання шнека n, яка лінійно зв’язана з продуктивністю Q, то експериментально доведена наявність для конкретної глини максимального значення n_мах, після якого подальше нарощування частоти практично не приводить до вагомого нарощування Q, у той час як потужність продовжує збільшуватись пропорційно n. У сучасних пресів частота обертання знаходиться у діапазоні n=(20÷30) об/хв., причому менші значення – для шнеків більшого діаметра. Деякі сучасні преси обладнані дорогим приводом із частотою, що регулюється, що дозволяє в умовах експлуатації підібрати оптимальну частоту для конкретної глини.

Розміри шнека (в метрах) визначають через діаметр його кінцевої лопаті D співвідношеннями:

S = (0,5÷0,7)D; d = (0,35÷0,45)D; D_з = D+(0,05÷0,1), (8.36)

де D_з–діаметр шнека на ділянці його завантаження рихлою глиною із змішувача. Крок шнека на цій ділянці теж роблять збільшеним у порівнянні з кінцевим для забезпечення надійного живлення глиною шнека на основній ділянці нагнітання. Слід відмітити прагнення до отримування максимально можливого ступеня рихлення глини після змішувача для найкращого вакуумування. Насипна густина глини у міжвитковому просторі завантажувального шнека дещо збільшується завдяки дії нагнітальних пристроїв – лопатей або валка.

Враховуючи залежність кроку від діаметра (8.36), продуктивність пропорційна приблизно кубу D. На рис.8.16 приведений графік D=f(Q), який можна використовувати для орієнтовного вибору D по заданій продуктивності Q_п.

Глибина каналу шнека: Н=(D-d)/2; кути підйому гвинтової лінії: α_D = arctgS/πD; α_d = arctgS/πd. Кут α_dзначно перевершує α_D, тобто умови руху глини біля маточини є найгіршими, й прагнення до їх покращання шляхом нарощування d виглядають достатньо логічними. Довжину шнека приймають такою, щоб на ній уміщувалося 4,5÷5,5 повних кроків, причому ділянка завантаження містить 2,5÷3 кроки шнека. Довжину зон розривів у гвинтовій лінії, необхідних для встановлення стержнів проти провертання, вибирають з діапазону 0,06÷0,1 м.

Приклад: Вибрати шнек для преса із продуктивністю П=7 тис шт. одинарної цегли із порожнистістю К_пор=20% при коефіцієнті зменшення розмірів при сушці та випалюванні К_ус=0,93 та коефіцієнті врахування втрат К_вт=0,95. Визначаємо об’ємну продуктивність по (8.31):

Q_п=1000∙7∙0,25∙0,12∙0,075∙(1-20/100)/(3600∙0,93∙0,95)≈4∙10^-3 м³/с. По графіку на рис.8.16 визначаємо орієнтовний діаметр кінцевого шнека: D=0,43 м. Приймаємо D=0,45 м; S=0,5∙0,45≈0,24 м; d=0,35∙D≈0,18 м; D_з=0,45+0,1=0,55 м; S_з=0,65∙D_з=0,65∙0,55≈0,37 м. Продуктивність преса при К_з=0,35; b=0,03 м; n=25 об/хв. по (8.35):

Q=3,14∙(0,45² – 0,18²) ∙(0,24 – 0,03)∙25 · 0,35 /(4 · 60)=4,1∙10^-3 >Q_п=4,0∙10^-3 м³/с. Ескіз шнека – на рис.8.17.