Способ уплотнения формовочной смеси встряхиванием и устройство для его осуществления

СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ ВСТРЯХИВАНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Вербицкий Валерий Иванович (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ЛИТАФОРМ" (RU) Способ реализуется ударами стола по опорному телу, установленному на упругой подушке. Отличие заключается в том, что энергия, аккумулированная упругой подушкой, используется на уплотнение формовочной смеси при повторном встречном ударе стола по опорному телу, разгоняемому вверх упругой подушкой. Устойчивость и эффективность процесса двухударного встряхивания обеспечивается выбором параметров виброударной системы и оригинальным управлением приводом. Масса опорного тела mот принимается равной mот=(1,0-2,0)-(mпол+mс). Используется упругая подушка низкой жесткости, частота собственных колебаний опорного тела всего лишь в 2-4 раза выше частоты встряхивания. Устройство для осуществления способа снабжено управляющими золотниками, обеспечивающими впуск воздуха во встряхивающий цилиндр только после первого удара, а прекращение впуска при подъеме стола на высоту хода наполнения. Данные способ и устройство позволяют повысить качество изготавливаемых полуформ и КПД процесса и снизить расход сжатого воздуха, уровень шума и величину динамических сил,передаваемых на основание и фундамент. 015329 Изобретение относится к литейному производству, преимущественно к способам и устройствам для уплотнения песчано-глинистой формовочной смеси при изготовлении разовых литейных форм. Известен способ уплотнения формовочной смеси встряхиванием, при котором стол с полезной нагрузкой многократно поднимается на высоту 30-100 мм и, падая с этой высоты, ударяется о преграду(Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977, с. 74). Уплотнение формовочной смеси в опоке происходит при ударном торможении стола с модельной плитой под действием сил инерции смеси. Ударно-инерционный характер процесса позволяет получить высокую плотность смеси при низком уровне сжимающих напряжений, причем наибольшая плотность достигается в нижних слоях. Равномерному уплотнению смеси по всей площади опоки способствует также полная релаксация сжимающих напряжений в смеси в интервале между ударами. В устройствах для осуществления встряхивания в качестве привода стола используются пневматические встряхивающие цилиндры, в качестве преграды - неподвижные массивные тела, создающие опору столу при движении и поэтому называемые опорными телами. В результате каждого удара стол приобретает направленную вверх скорость отражения, а наполненный воздухом встряхивающий цилиндр подхватывает стол, движением стола вверх начинается следующий цикл встряхивания. Неподвижное перед ударом тело (обычно станина машины) может быть установлено на фундаменте непосредственно или посредством амортизирующей прокладки или деревянной подушки. Основным недостатком известного способа уплотнения является то обстоятельство, что большая часть кинетической энергии падающего стола и оснастки передается станине, рассеивается в амортизирующей подушке и вызывает колебания фундамента. Колебания фундамента передаются на подстилающий грунт, пол и строительные конструкции цеха, они постепенно затухают, рассеиваясь в грунте. Помимо очень больших потерь энергии, рассеиваемой при колебаниях станины и фундамента, эти вибрации вызывают осадку и разрушение фундамента, повреждение колонн и стен литейного цеха, а также негативно влияют на работу других машин. Ударные нагрузки на фундамент и грунт значительно уменьшаются при встряхивании на воздушной подушке, при котором стол соударяется с массивным подъемным поршнем (опорным телом), поднятым вверх до упора пневматическим цилиндром (Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977, с. 84). Воздух, наполняющий этот цилиндр, создает пневматическую подушку, значительно снижающую динамические силы, передаваемые на фундамент после удара стола по опорному телу. Однако не все удары в машине смягчаются пневмоподушкой: при ударе стола по опорному телу последнее разгоняется вниз, затем затормаживается воздушной подушкой, меняет направление движения и разгоняется вверх. В конце хода вверх подъемный поршень наносит удар по крышке или уступу подъемного цилиндра, являющимися ограничителями хода поршня, эти удары передаются на фундамент, на котором установлен подъемный цилиндр. Таким образом, и при этом способе встряхивания, энергия,передаваемая подъемному поршню при ударе по нему стола, бесполезно рассеивается при вибрациях станины и фундамента. Энергию, передаваемую столом опорному телу при ударе, удается частично использовать на уплотнение смеси, если опорное тело повторно соударяется со столом перед соударением с ограничителем хода. Такое встряхивание иногда наблюдалось в известной формовочной машине (Формовочная машина. Авт.св. СССР 1503979. МПК В 22 С 15/30. Заявл. 25.11.87. Опубл. 30.08.89, бюл.32. Авторы: Зеликсон Е.М., Вербицкий В.И., Тульчинский И.Н.), включающей встряхиватель и содержащей станину, опорное тело, установленное на станине посредством воздушной подушки, встряхивающий стол с направляющим хвостовиком - встряхивающим поршнем, встряхивающий цилиндр и систему подачи воздуха из магистрали во встряхивающий цилиндр. Однако процесс с двумя ударами в каждом цикле (двухударное встряхивание) был неустойчивым и нарушался при изменении массы оснастки и смеси и давления воздуха в магистрали. В указанной формовочной машине во встряхивателе используется поршневое воздухораспределение, когда ход предварения впуска равен ходу впуска, и повторный удар происходит при наполненном воздухом встряхивающем цилиндре. Этот воздух тормозит движение стола и опорного тела,заставляет стол изменить направление движения, снижая скорость и эффективность повторного удара,который является попутным. При относительно легкой оснастке и высоком давлении воздуха в магистрали повторный удар вообще не наблюдается, т.к. воздух во встряхивающем цилиндре сразу после первого удара подхватывает стол и разгоняет его вверх. Кроме того, удары опорного тела по ограничителям его хода по-прежнему вызывают большие динамические силы, действующие на основание и фундамент. Технической задачей изобретения является повышение устойчивости процесса двухударного встряхивания и лучшее использование кинетической энергии падающего стола с оснасткой: часть энергии,передаваемая основанию и фундаменту, значительно уменьшается, а передаваемая уплотняемой смеси увеличивается. Техническими результатами являются повышение качества уплотнения формовочной смеси и КПД процесса двухударного встряхивания с неподвижным перед ударом опорным телом и снижение динамических сил, передаваемых на основание машины и фундамент. Технические результаты достигают при встряхивании ударами падающего с заданной высоты стола с полезной нагрузкой по опорному телу, установленному на упругой подушке и движущемуся после ударов вниз, в результате того, что в каждом цикле встряхивания дополнительное уплотнение формовочной-1 015329 смеси получают при повторном встречном ударе стола по опорному телу за счет энергии, аккумулированной упругой подушкой, причем следующий подъем стола на высоту встряхивания (следующий цикл) начинается после повторного удара, отношение массы опорного тела mот к массе стола mc с полезной нагрузкой mпол составляет mот=(1,0-2,0)(mc+mпол), а жесткость упругой подушки обеспечивает частоту собственных колебаний опорного тела в 2-4 раза выше частоты встряхивания. Для повышения эффективности и устойчивости процесса двухударного встряхивания предлагаемое устройство снабжено управляющими золотниками для включения впуска воздуха во встряхивающий цилиндр при опускании опорного тела. На фиг. 1 представлены этапы уплотнения смеси предлагаемым способом для встряхивателя на пружинной подушке. На фиг. 2 представлен встряхиватель на воздушной подушке, работа которого не отличается от показанной на фиг. 1. На фиг. 3 показана система подачи воздуха из магистрали во встряхивающий цилиндр и удаления отработавшего воздуха в атмосферу. Встряхиватель по фиг. 1 содержит станину 1, опорное тело 2, установленное на станине посредством спиральных пружин 3. Встряхивающий стол 4 снабжен направляющим хвостовиком 5, служащим встряхивающим поршнем и помещенным во встряхивающий цилиндр 6, выполненный в опорном теле 2. Для уменьшения жесткости ударов на верхней плоскости опорного тела 2 установлена прокладка 7. Встряхиватель на воздушной подушке (фиг. 2) вместо пружин 3 содержит подъемно-амортизирующий цилиндр 8 с подъемным поршнем 9. Система подачи воздуха из магистрали во встряхивающий цилиндр и удаления отработавшего воздуха в атмосферу включает двухседельный перекидной клапан 10 с приводным цилиндром 11 (фиг. 3) и три управляющих переключателя 12, 13 и 14. Способ осуществляется следующим образом. Сначала выполняются известные операции: на стол 4 устанавливают и закрепляют модельную плиту 15, на которую свободно устанавливают опоку 16 и наполнительную рамку 17, опоку и наполнительную рамку заполняют рыхлой формовочной смесью 18 (поз. I). После выполнения предварительных операций пневмоприводом поднимают стол с полезной нагрузкой (включающей модельную плиту, опоку и формовочную смесь) на заданную высоту h (поз. II). Падая с этой высоты, стол с полезной нагрузкой разгоняется силами тяжести, в конце хода вниз стол соударяется с опорным телом со скоростью удара vco(поз. III). Происходит резкое торможение стола и оснастки, а слои и объемы формовочной смеси продолжают движение вниз, уплотняясь инерционными силами. Стол в результате удара по опорному телу приобретает направленную вверх скорость отражения, которая имеет небольшую величину, т.к. удар демпфируется прокладкой 7 и производится по опорному телу, установленному на мягких пружинах. Небольшая скорость отражения быстро гасится движущейся вниз и уплотняющейся формовочной смесью. Давление во встряхивающем цилиндре в это время низкое и привод не создает подъемной силы,достаточной для преодоления сил тяжести и сил сопротивления формовочной смеси, и не может разогнать стол с полезной нагрузкой вверх. При ударе стол передает опорному телу энергию, и опорное тело движется вниз, сжимая упругую подушку и запасая в ней энергию (поз. IV). Затем упругая подушка разгоняет опорное тело вверх, опорное тело повторно соударяется со столом (поз. V), передавая ему энергию и вызывая дополнительное уплотнение смеси. Эффективность повторного удара для уплотнения смеси повышается за счет того, что он происходит через небольшой промежуток времени после первого удара во время продолжающегося инерционного уплотнения смеси и не требуется второй раз тратить энергию на перевод формовочной смеси в состояние пластического течения. Кроме того, повторный удар является встречным, стол перед ударом имеет направленную вниз скорость vc2. Только после повторного удара начинается следующий цикл встряхивания: повторный удар изменяет направление движения стола и разгоняет его вверх, привод подхватывает стол и вновь поднимает на заданную высоту (поз. VI). Цикл повторяется. Движение опорного тела вверх ничем не ограничивается, после повторного удара по столу опорное тело отскакивает вниз и колеблется на упругой подушке. Колебания опорного тела на подушке быстро затухают, энергия рассеивается в самой подушке и при трении опорного тела по направляющим элементам, обеспечивающим его вертикальное движение. Кроме того, стабилизации положения опорного тела способствует давление воздуха во встряхивающем цилиндре. В случае использования пневмоцилиндра в качестве упругой подушки (фиг. 2) подъемный поршень 9 после повторного соударения стола с опорным телом идет вверх до ограничителя, поднимая опорное тело в исходное положение. Эффективность и устойчивость процесса двухударного встряхивания обеспечивается выбором массы опорного тела и жесткости упругой подушки, а также оригинальным управлением пневмоприводом устройства. Масса опорного тела mот принимается равной mот=(1,0-2,0)(mпол+mc), где mпол - масса полезной нагрузки на стол, включающая уплотняемую смесь, опоку и модельную плиту, mc - масса рабочего стола. Опорное тело большой массы эффективно тормозит стол при первом ударе и передает столу значительную энергию при повторном соударении. Жесткость упругой подушки принимается низкой, частота собственных колебаний опорного тела всего лишь в 2-4 раза выше частоты встряхивания. За время-2 015329 между повторным ударом предыдущего цикла и первым ударом следующего цикла опорное тело совершает 1-2 колебания и успокаивается. Подушка обладает большой виброизолирующей способностью,значительно снижая силы, передаваемые на основание. Система управления пневмоприводом вырабатывает команду на подачу воздуха из магистрали во встряхивающий цилиндр при перемещении опорного тела вниз, а команду на прекращение впуска и удаление воздуха - при подъеме стола на высоту хода наполнения. Благодаря такому управлению отсутствует торможение стола воздухом перед первым ударом и энергия удара повышается. Впуск воздуха во встряхивающий цилиндр начинается только перед вторым ударом, но воздух не успевает наполнить цилиндр и энергия второго удара снижается незначительно. После удара падающего стола опорное тело идет вниз, переключая пневмораспределитель 13 (фиг. 3). Воздух из магистрали подается в правую управляющую камеру пневмораспределителя 14, перемещая его золотник влево. Рабочая камера цилиндра 11 сообщается с атмосферой, воздух из магистрали, подведенный к клапану 10, поднимает клапан вверх, открывая подачу воздуха во встряхивающий цилиндр. Встряхивающий цилиндр быстро наполняется воздухом и подхватывает стол с полезной нагрузкой, подброшенный опорным телом вверх. По мере движения вверх стола идет вверх и золотник переключателя 12 и при заданном ходе наполнения сообщает левую управляющую камеру пневмораспределителя 14 с магистралью, перемещая его золотник вправо. Пневмораспределитель 14 сообщает рабочую камеру цилиндра 11 с магистралью, цилиндр 11 переключает клапан 10, перекрывая подачу воздуха во встряхивающий цилиндр и соединяя последний с атмосферой. Встряхивающий цилиндр опорожняется в атмосферу, стол с полезной нагрузкой проходит еще некоторое расстояние вверх по инерции, затем меняют направление движения и падают вниз, ускоряясь силами тяжести. В конце хода вниз стол соударяется с опорным телом и цикл работы системы управления и встряхивателя повторяется. При реализации предлагаемого способа уплотнения формовочной смеси встряхиванием КПД повышается в 2 и более раз, т.к. большая часть энергии, передаваемой столом опорному телу при первом ударе, возвращается столу при повторном ударе и полезно используется на разгон стола вверх и уплотнение смеси. Наличие двух ударов в цикле и непрерывный характер деформирования смеси в интервале между ударами позволяют существенно улучшить перетекание смеси в трудно уплотняемые объемы формы и повысить качество (равномерность) уплотнения изготавливаемой формы. На встряхивателях,реализующих способ двухударного встряхивания, можно достигнуть невиданной в практике литейного производства эффективности: КПД преобразований энергии подводимого сжатого воздуха в полезную работу может составлять 20-28%, а достаточное предварительное (перед прессованием) уплотнение смеси достигается всего за 3-5 циклов. Амплитуда динамических сил, передаваемых встряхивателем на станину машины и фундамент,многократно снижается (в 8-10 и более раз) за счет того, что при первом ударе массивное опорное тело взаимодействует со станиной посредством относительно мягкой упругой подушки, а движение опорного тела вверх перед вторым ударом и после него не ограничивается станиной. В случае установки подъемного тела на подпружиненной платформе или поршне пневмоцилиндра, платформа или поршень при ходе вверх взаимодействуют со станиной, но масса этих элементов меньше массы опорного тела в 10 и более раз, и в такой же пропорции уменьшается интенсивность их силового взаимодействия со станиной. Т.к. длительность процесса встряхивания уменьшается не менее чем в 2 раза, снижается и эквивалентный уровень шума при работе формовочной машины. Таким образом, в предлагаемых способе и устройстве сохраняются и преумножаются известные преимущества уплотнения встряхиванием: ударно-инерционный характер процесса с полной релаксацией напряжений в интервале между ударами, возможность достижения высокой плотности смеси при низком уровне сжимающих напряжений, послойное уплотнение смеси с достижением наибольшей плотности в нижних слоях. В то же время преодолеваются хронические недостатки этого процесса: большая длительность, большое число циклов и ударов и, следовательно, быстрый износ направляющих элементов оснастки и самих моделей, большой расход сжатого воздуха и низкий КПД, высокий уровень шума и динамических сил, передаваемых на основание и фундамент. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ уплотнения формовочной смеси встряхиванием ударами падающего с заданной высоты стола с полезной нагрузкой по опорному телу, установленному на упругой подушке и движущемуся после ударов вниз, сжимая упругие элементы подушки, отличающийся тем, что в каждом цикле встряхивания дополнительное уплотнение формовочной смеси достигают при повторном встречном ударе стола по опорному телу за счет энергии, аккумулированной упругой подушкой, причем следующий подъем стола на высоту встряхивания начинается после повторного удара, отношение массы опорного тела mот к массе стола mc с полезной нагрузкой mпол составляет mот=(1,0-2,0)(mc+mпол), a жесткость упругой подушки обеспечивает частоту собственных колебаний опорного тела в 2-4 раза выше частоты встряхивания. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее встряхиватель на упругой подушке и-3 015329 содержащее станину опорное тело, установленное на станине посредством пружинной или пневматической подушки, встряхивающий стол с направляющим хвостовиком - встряхивающим поршнем, встряхивающий цилиндр и систему подачи воздуха из магистрали во встряхивающий цилиндр, отличающееся тем, что оно снабжено управляющими золотниками для включения подачи воздуха во встряхивающий цилиндр при опускании опорного тела, а масса опорного тела и жесткость упругой подушки выбраны в соответствии с соотношениями, рекомендованными в предлагаемом способе.