Введение. История развития человечества неразрывно связана с изобретениями, открытиями, созданием и совершенствованием различных технических объектов и технологических

История развития человечества неразрывно связана с изобретениями, открытиями, созданием и совершенствованием различных технических объектов и технологических процессов. В настоящее время разнообразие их даже в одной отрасли достигло таких размеров, что дальнейшее совершенствование технических объектов и технологических процессов невозможно без применения современных методов поиска новых технических решений.

В качестве обобщенного метода поиска новых технических решений в настоящее время используют метод системного анализа для изучения сложных технических систем и процессов. Под системным анализом понимается вся методология процесса выработки и принятия решений в проблемных ситуациях, когда операции анализа и синтеза тесно переплетаются. В процедуру системного анализа технической системы входят этапы: формулирование цели, анализ проблемы и структуры технической системы, анализ закономерностей и тенденции исторического развития, составление моделей и разработка развернутого плана исследований, выбор критериев сравнения и т.п.

В основу научного подхода совершенствования машин и оборудования могут быть положены следующие принципы.

1. Изучение и анализ конструктивной эволюции, позволяющие набрать необходимую сумму факторов для формулирования закономерностей строения и развития, которые значительно облегчают поиск новых технических решений.

2. Изучение и анализ физико-химических, гидродинамических и др. процессов, позволяющие осуществлять поиск новых физических эффектов, которые обеспечивают повышение интенсивности и эффективности процесса, и создавать их физические и математические модели.

3. Разработка методов проектирования типовых конструкций машин нового поколения.

Очевидно, что социально- экономическую целесообразность создания и использования машин и оборудования нового поколения имеет смысл рассматривать при наличии необходимого научно-технического потенциала, обеспечивающего принципиальную возможность проектирования, изготовления и практического их использования. При этом наличие социально-экономической целесообразности указывает на то, что, во-первых, изготовление и практическое использование их в целях удовлетворения определенных потребностей экономически возможно и выгодно, во-вторых, не ухудшаются антропогенные критерии прогрессивного развития.

Некоторые принципы закономерности исторического развития техники:

 принцип избыточности - в любой момент времени для реализации заданной функции число различных ТР на уровне патентов, чертежей, опытных образцов всегда больше серийно реализованных;

 принцип соответствия между функциями и техническими решениями - в процессе конструктивной эволюции ТС, имеющих постоянную функцию, всегда одновременно существуют ТС с различными ПД и К;

 принцип перехода через предел - ТС с постоянной функцией, у которых ТР приближается к глобальному экстремуму по ПД и К, стабилизируются и прекращают дальнейшую конструктивную эволюцию, если не появляются новые физические эффекты, обеспечивающие получения улучшенного принципа действия;

 принцип предпочтения - при переходе на новые ПД в ТС с использованием конкретных физических эффектов предпочтение отдается более новым - открытым позже.

В 30-ые годы 20-ого столетия Г. Фрейндлихом был открыт эффект тиксотропии - уменьшения вязкости дисперсных системы при механических воздействиях с последующим восстановлением структуры после их устранения. Среди многообразия механических воздействий существенное место занимает вибрация. Были изучены явления виброкипения и виброожижения, что послужило толчком к созданию машин и оборудования нового поколения – вибрационных машин.

Вибрационные технологические процессы и используемые в них машины и оборудование, используются в строительстве, производстве строительных материалов и во многих других отраслях промышленности. Уплотнение, дробление, сепарация, забивка свай, дозирование и транспортирование насыпных материалов – далеко не полный перечень технологических процессов, в которых целесообразно использовать вибрацию.

Существенным тормозом в развитии и расширении сфер применения вибрационной техники является недостаточная осведомленность широкого круга инженеров-механиков о сферах применения и методах проектирования вибрационных машин. При конструктивной простоте большинства вибрационных машин их динамика и динамика вибрационных процессов являются весьма сложными, что сдерживает применение подобной техники. С другой стороны, многие технологические процессы, например, уплотнение и классификация строительных материалов неосуществимы без применения вибрации.

Проектирование вибрационных машин неразрывно связано с изучением физических процессов, протекающих при взаимодействии рабочего органа машины с обрабатываемой средой, теории колебаний и динамики машин, усталостной прочности элементов конструкций.

В предлагаемом конспекте лекций представлены материалы, изучение которых позволить получить начальные знания о проектировании некоторых типов вибрационных машин и оборудования, используемых в промышленности по производству строительных материалов.

Раздел 1. Основы реологии.

1.1 Основные классы материалов.

Важным этапом при проектировании вибрационных машин является изучение и управление структурно-реологическими свойствами материалов в процессе их переработки (транспортирование, дозирование, уплотнение, сепарация и т.п.) для обоснования оптимальных параметров механических воздействий, обеспечивающих минимальные энергетические затраты при предельно возможном сокращении длительности технологического процесса.

Развитие представлений об управлении свойствами дисперсных систем связано с созданием реологии - раздела физики, изучающего процессы деформирования и течения различных материалов.

На основе общих положений физико-химической механики дисперсных систем большинство веществ (материалов) относятся к гетерогенным системам.

Гетерогенная система - микроскопически неоднородная физико-химическая система, состоящая из различных по свойствам частиц, разграниченных поверхностями раздела.

Эти системы принято разделять на три основные группы:

I группа - двухфазная система, состоящая из твердой дисперсной фазы и газовой дисперсной среды, обозначается Т-Г;

II группа - двухфазная система, состоящая из твердой дисперсной фазы и жидкой дисперсной среды, обозначается Т-Ж;

III группа - трехфазная система, состоящая из твердой дисперсной фазы, жидкой и газовой дисперсной среды, обозначается Т-Ж-Г.

Типичными представителями I группы являются все виды высокодисперсных порошков, в том числе пылевидные угли, сланцы, золы и т.п. Ко II группе относятся лакокрасочные системы, эмульсии, строительные смеси. Примерами систем III группы могут служить формовочные составы литейного производства, грунты, керамические и силикатные массы и т.п. Физические свойства гетерогенных систем определяются в основном поверхностными явлениями, происходящими на границе раздела фаз, а их тип - типом контакта между частицами твердой фазы. В соответствии с классификацией, предложенной академиком П.А. Ребиндером, существует три типа структур:

тип - структуры с атомными контактами, образующимися в высокодисперсных порошках;

тип - структуры с коагуляционными контактами, образуются между частицами твердых фаз, разделенными прослойками жидкой дисперсной среды, равновесная фиксированная толщина которых соответствует минимуму свободной поверхностной энергии;

тип - структуры конденсационные (кристаллизационные) с истинными фазовыми контактами, образующимися после отвердения прослойки между частицами твердых фаз или пластической деформацией частиц.

Контактыитипов характеризуются обратимостью, т.е. после разрушения восстановлением их до первоначального уровня. Структуры с контактами типа разрушаются под действием внешних сил необратимо.

Свойство обратимости сил взаимодействия между частицами при наложении и устранении механических воздействий на гетерогенные системы носит название тиксотропии.

Одним из широко применяемых видов механических воздействий на среды в областях строительства и производства стройматериалов является, как отмечалось выше, вибрация.

Переходя к обзору существующих методов реологических исследований, отметим основные классы материалов, рассматриваемые реологией.

К первому классу относятся ньютоновские жидкости, вязкость которых не зависит от скорости сдвиговых деформаций и является функцией температуры и давления.

Ко второму классу относятся неньютоновские жидкости, свойства которых изменяются не только при изменении температуры и давления, но и зависят от скорости сдвиговых деформаций, их предыстории, конструктивных особенностей применяемой при исследованиях аппаратуры. К ним относятся бингамовские пластики, псевдопластики, жидкости дилатантные, тиксотропные и реопектически.

Для изучения физических свойств материалов математическими методами в реологии принято создавать идеальные модели с точно определенными свойствами. Этот способ заключается в построении моделей, состоящих из различных комбинаций механических элементов, в которых под действием соответствующих сил возникают перемещения определенных видов, подобных тем, какими обладают материалы, поведение которых желательно описать.

Для модельного описания различных материалов в реологии используются следующие основные идеальные механические элементы:

1. элемент, характеризующий ньютоновскую идеальную вязкую жидкость, в виде поршня в цилиндре с идеальной жидкостью, перемещаемого в нем без трения;

2. элемент, характеризующий идеальное упругое твердое тело, подчиняющееся закону Гука, в виде пружины;

3. элемент, характеризующий пластичность, в виде груза, лежащего на плоскости, который начинает перемещаться с постоянной скоростью после достижения предельного напряжения сдвига.

Все идеальные механические элементы, как и их производные, составленные путем последовательного или параллельного соединения основных идеальных механических элементов, принято называть моделями по именам ученых, которые впервые описали законы течения и деформирования различных материалов. На рис. 1.1 представлен ряд наиболее распространенных моделей.

Рис. 1.1. Модели вязко-упруго-пластичных жидкостей. а. – модель Ньютона (N-модель); б. – модель Гука (H-модель); в. – модель Сен-Венана (StV-модель); г. – модель Максвелла (М=N ¾ H); д. – модель Кельвина (K=N ½ H); е. – модель Бингама (B=StV ½ H). (¾) последовательное и (½) параллельное соединение элементов.

Основные реологические уравнения для простых моделей имеют вид:

N-модель: ; H-модель: ; StV-модель: , где - соответственно напряжение сдвига и предельное напряжение сдвига; - коэффициент динамической вязкости; - модуль упругости при сдвиге (модуль упругости второго рода); - соответственно относительная деформация сдвига и градиент скорости сдвига.

Модель Максвелла описывает основные закономерности релаксации упругих напряжений. Модель Кельвина (Кельвина – Фойгта) описывает закономерности запаздывания упругой деформации. Модель Бингама (Бингама-Шведова) описывает вязкопластическое течение материала. Течение материала происходит только при превышении предельного напряжения сдвига. Существуют и более сложные модели.

1.2. Реометрические исследования.

Рассмотрим конструкции вискозиметров, в которых определение реологических констант исследуемой среды производится путем ее непрерывного деформирования. Схемы приборов представлены на рис. 1.2.

Приборы, использующие метод исследования реологических свойств дисперсных систем по всплыванию (погружению) сферического тела (шара) (рис.1.2а). Этот метод основывается на применении закона Стокса.

Приборы, называемые капиллярными вискозиметрами (рис.1.2б), в которых материал под действием градиента давления течет по цилиндрической трубе радиуса длинной . Количество материала , протекающего через трубу за время определяется уравнениямиГагена - Пуазейля для ньютоновской жидкости, Бэкингема- Рейнера для вязкопластичных сред.

Приборы, в которых определение реологических характеристик осуществляется путем вращения коаксиально расположенных цилиндров - ротационные вискозиметры (рис.1.2в).

Дата добавления: 2014-01-11