Мікромеханічні аспекти та шляхи підвищення ефективності процесу ущільнення дисперсних матеріалів

Abstract

High-quality compaction of dispersed materials is a critically important stage for ensuring the durability and operational reliability of the final product. The purpose of this study is to synthesize and analyze modern scientific works devoted to micromechanical compaction mechanisms, based on the discrete element method (DEM) and confirmed by laboratory tests, to determine the key parameters for optimizing the process. The results show that compaction is a process of particle rearrangement and redistribution, which leads to the filling of pores and the formation of a stable force framework. The concept of "compaction blocking point" is considered, which corresponds to the moment of reaching the peak of dynamic stiffness of the material. At the micro level, this state is characterized by the achievement of a stable horizontal orientation of about 60% of large particles, which indicates the formation of a stable skeleton. The negative consequences of overcompaction, which occurs after reaching the peak of dynamic stiffness of the material, are investigated. Further impact leads not to improvement, but to degradation of the material due to grinding of the surface of large particles and destruction of the formed framework, which leads to a decrease in mechanical properties. The influence of key parameters, such as vibration frequency, compression pressure and particle size distribution, on the stress state and permanent deformation was analyzed. It was found that optimization of these parameters allows to maximize the useful compaction energy, in particular the sliding energy during rolling, which is the most effective for dissipation. The practical value of the study is to create a scientific basis for the development of optimized compaction technologies that allow to achieve the maximum bearing capacity of the material, avoiding its damage and ensuring long-term stability of the products. Thus, this work lays a fundamental micromechanical foundation for the development of advanced sealing technologies.

Якісне ущільнення дисперсних матеріалів є критично важливим етапом для забезпечення довговічності та експлуатаційної надійності кінцевого виробу. Метою даного дослідження є синтез та аналіз сучасних наукових праць, присвячених мікромеханічним механізмам ущільнення, що базуються на методі дискретних елементів (DEM) та підтверджені лабораторними випробуваннями, для визначення ключових параметрів оптимізації процесу. Результати показують, що ущільнення є процесом перегрупування та перерозподілу частинок, який призводить до заповнення пор та формування стабільного силового каркаса. Розглядається поняття "точки блокування ущільнення", яка відповідає моменту досягнення піку динамічної жорсткості матеріалу. На мікрорівні цей стан характеризується досягненням стабільної горизонтальної орієнтації близько 60% великих частинок, що свідчить про формування стійкого скелета. Досліджено негативні наслідки переущільнення, яке настає після досягнення піку динамічної жорсткості матеріалу. Подальший вплив призводить не до покращення, а до деградації матеріалу через шліфування поверхні великих частинок та руйнування сформованого каркасу, що веде до зниження механічних властивостей. Проаналізовано вплив ключових параметрів, таких як частота вібрації, тиск обтиснення та гранулометричний склад, на напружений стан і перманентну деформацію. Встановлено, що оптимізація цих параметрів дозволяє максимізувати корисну енергію ущільнення, зокрема енергію ковзання при коченні, яка є найефективнішою для дисипації. Практична цінність дослідження полягає у створенні наукової основи для розробки оптимізованих технологій ущільнення, що дозволяють досягти максимальної несучої здатності матеріалу, уникаючи його пошкодження та забезпечуючи довготривалу стабільність виробів. Таким чином, дана робота закладає фундаментальну мікромеханічну основу для розробки передових технологій ущільнення.