Анализ энергоэффективности вальцовых станков для пищевой промышленности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ANALYSIS OF THE PROCESS OF CUTTING AND CREASING

IN THE PRODUCTION OF FOLDING CARTONS FOR FOOD PRODUCTS

E. V. Borovkova, I.B. Davidov, E. V. Pantyukhina

The article discusses the features of the use of cardboard in the production of boxes for food, the technology of production offolding cardboard boxes, analyzes the operation of die-cutting and creasing and describes the method of calculating the basic parameters of these processes.

Key words: cardboard, packing, die-cutting, creasing, folding boxes.

Borovkova Eleonora Vladimirovna, master, eleonora. borovkova@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Davidov Ivan Borisovich, masters, svoryi@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Pantyukhina Elena Viktorovna, candidate of technical science, docent, elen-davidova@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.9; 663

АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВАЛЬЦОВЫХ СТАНКОВ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

И.В. Пузиков, Е.Е. Шимбарова, Е.В. Пантюхина

В статье рассмотрены особенности расчета мощности привода вальцового станка, проанализированы основные методы расчета, показаны поясняющие рисунки.

Ключевые слова: мощность привода, вальцовый станок, энергоэффективность.

Процесс дробления широко применяется для измельчения зерна в мукомольном производстве, солода в пивоварении, а также ягод, овощей и фруктов в производстве напитков [1, 2]. Одними из наиболее распространенных технологических машин для измельчения являются вальцовые дробилки, в которых реализован принцип сжатия с одновременным сдвигом. При этом измельчаемый продукт можно подвергать различным видам деформации на машинах одного и того же типа. Так, например, если валки вальцового станка имеют гладкие поверхности и вращаются с одинаковой окружной скоростью, то продукт подвергается лишь сжатию; при различных скоростях валков происходит сложная деформация продукта - сжатие, сдвиг и срез.

Энергоэффективность является одной из важнейших характеристик для всех видов производств пищевой промышленности. Ее можно охарактеризовать как рациональное использование энергетических ресурсов. Данный показатель зависит от процесса измельчения в целом - производительности, мощности и удельного показателя.

Производительность каждой пары вальцов определяется формулой

Q = 1800- Ь • L(uб +Ъм )ру, (1)

где Ь - зазор между вальцами; L - длина вальца; иб, им - окружные скорости вращения соответственно быстровращающегося и медленновращающегося вальцов; р -плотность измельчаемого продукта; у - коэффициент заполнения в зоне измельчения.

Окружные скорости вращения быстровращающегося и медленно вращающегося вальцов можно выразить через частоты их вращения

иб , им , (2)

б 30 м 30

где Пб, пм - частоты вращения быстровращающегося и медленновращающегося вальцов; Я - радиус вальцов.

Отношение частот вращения Пб и пм - постоянная величина и для вальцовых станков принимается равной

К = Пб = 2,5. (3)

Пм

Тогда с учетом выражений (2) и (3) выражение (1), определяющее производительность пары вальцов вальцового станка, запишется в виде

_ 1800 -1,4яЯпб 1Т

0=-30— ' Ь1рУ. (4)

Мощность привода вальцового станка определяется по одной из трех методик. Согласно первой методике мощность привода [3]

N , (5)

1 15000

где п - частота вращения ведущего колеса; Т - момент вращения (сил полезных сопротивлений), Н-м (300-500 Н-м).

Второй метод заключается в расчёте по величине расхода энергии на единицу вновь образованной поверхности [4]. Потребная мощность привода

Ы2 = Д£ • А • 0 + Щ, (6)

где Д£ - вновь образованная поверхность в 1кг измельченных частиц; А - работа, необходимая для образования единицы поверхности; N0 - мощность для привода валков на

холостом ходу (потребная мощность для привода валков на холостом ходу N0 ~2 кВт).

Третий метод заключается в расчете мощности привода с учетом инерционных масс вальцов и сопротивления зерна измельчению

Щ = Nмел + Nзагруз + ^отер , (7)

где Щмел - мощность мелющего узла с учетом КПД привода; Щзагруз - мощность питающего механизма; Щпотер - потери, кВт (при этом принимают Щзагруз + Щпотер ~ 4,5кВт).

Мощность мелющего узла с учетом КПД привода

N = ^.пх. + Щин , (8)

Лоб

где Nс пс - мощность, затрачиваемая на разрушение частиц, Вт; Nиa - инерционная

мощность вальцов, Вт; п - КПД привода вальцов. Мощность сил полезных сопротивлений

где Юм - угловая скорость медленновращающегося валка:

Юм = 1^. (10) Инерционная мощность вальцов

2

Nид = ¡б ®б, (11)

где ¡б - момент инерции быстровращающегося валка; Юб - угловая скорость быстро-вращающегося валка, определяемая по выражению

431

®б

Р • Пб

30

(12)

КПД привода вальцов

Поб = Пз.п. • пП. • Пр.п.' (13)

где п з.п. — КПД зубчатой передачи, п з.п.=0,97; Пп — КПД подшипников, п п = 0,99; п р.п. - КПД клиноременной передачи, п р.п. = 0,95.

С учетом представленных выражений, получим

N3

Т °-4Лб + !б 30 б

(

V

Р • Пб

30

2

Лоб

+ N.

загруз

+ N

потер

Удельный расход энергии вальцового станка

Ng = Я--

д N

(14)

(15)

Проведем анализ влияния конструктивных и кинематических параметров вальцовых станков на рассмотренные показатели энергоэффективности и сравним, как отличаются методики расчёта мощности привода от кинематических и конструктивных параметров вальцовых станков.

Проанализируем, как влияет на производительность вальцовых станков его конструктивные и кинематические параметры и параметры загружаемого сырья. Исследование энергоэффективности работы вальцовых станков будем осуществлять в зависимости от частоты вращения быстровращающегося вальца, которая может варьироваться в диапазоне: пб = 100...600 об./мин. На первом этапе анализа оценим, как на производительность вальцовых станков влияет длина вальца Ь = 0,6; 0,8 и 1 м, радиус быстровращающегося вальца Я = 0,125 м. Анализ реализован в среде Ма^еаё. Исходными данными для сравнения различных конструкций вальцовых станков являются: плотность измельчаемого продукта р = 700 кг кг/м3; коэффициент заполнения в зоне измельчения у = 0,8 ; зазор между вальцами Ь = 0,001 м.

Графики зависимости производительности вальцовых станков от частоты вращения быстровращающегося вальца при разных значениях длины вальцов и радиуса быстро-вращающегося вальца представлены на рис. 1.

<3

кг/ч 10000

5000

3

2

.-Г" _ , - ' "

100

200

300

400

500

т

об./мин

Рис. 1. Графики зависимости производительности вальцовых станков от частоты вращения быстровращающегося вальца при значениях длины вальцов Ь = 0,6м (1), 0,8м (2) и 1 м (3)

Производительность вальцового станка при длине вальца Ь = 0,6 м составляет от 1600 до 7500 кг/час, при Ь = 0,8 м - от 2000 до 10000 кг/час, при Ь = 1 м - от 2500 до 12500 кг/час (см. рис. 1). Анализируя построенные графики, видим, что с увеличением частоты вращения быстровращающегося вальца, длины и диаметра вальцов, производительность вальцового станка возрастает.

Проанализируем, как влияет на мощность вальцовых станков его конструктивные и кинематические параметры и параметры загружаемого сырья при различных методиках расчета. Сравним значения мощности привода, определяемых по выражениям (5), (6), (14). Результаты вычислений в среде МШкеаё сведены в таблицу.

Сравнительная таблица значений мощности привода, _ рассчитанной по трем методикам_

Значения частоты вращения Значение мощности привода, полученное по каждой из методик, кВт

Метод 1 Метод 2 Метод 3

100 об./мин 3...6 6...8 7...8

200 об./мин 7...11 9...13 8...10

300 об./мин 9...16 12...19 11...13

400 об./мин 12...21 16...25 14...17

500 об./мин 16...27 19...30 17...22

600 об./мин 19...31 22...36 21...27

Сравнивая таблицу, видим, что значения мощности привода, рассчитанные по первому, второму и третьему методам не сильно отличаются и каждый из этих методов может быть рекомендован при расчёте приводов вальцовых станков. При дальнейших расчётах будем использовать 2 метод.

Проанализируем, как влияет удельный показатель энергоэффективности вальцовых станков на его конструктивные и кинематические параметры и параметры загружаемого сырья.

В среде Ма^еаё были построены графики зависимости удельного показателя энергоэффективности вальцовых станков от частоты вращения быстровращающегося вальца при длинах вальца Ь = 0,6; 0,8 и 1 м и радиусе быстровращающегося вальца Я = 0,125 м (рис. 2). Графики показывают, что в зависимости от частоты вращения быстровращающегося вальца удельный показатель энергоэффективности вальцовых станков при значения длины вальцов Ь = 0,6м составляет 235...335 кг/ч / кВт; Ь = 0,8м составляет 255.340 кг/ч / кВт; Ь = 0,1м составляет 275.390 кг/ч / кВт.

Проектирование технологических машин пищевых производств связано с учетом множества противоречивых критериев качества, эффективности и энергоемкости. Повышение эффективности процесса измельчения позволяет улучшить качество и повысить выход конечного продукта, снизить энергоёмкость процесса, сократить количество этапов измельчения [5].

N4

кг/ч / КБг

300

250

200

3 ___ 1

у / .'2 ,

/

100 200 зоо 400 500 Д°

об .шин

Рис. 2. Графики зависимости удельного показателя энергоэффективности вальцовых станков от частоты вращения быстровращающегося вальца при различных значениях длинах вальцов Ь = 0,6м (1), 0,8м(2) и 1 м (3)

Повысить энергоэффективности процесса измельчения зерна в вальцовых станках можно путем распределения длины вальцовой линии по отдельным системам и этапам технологического процесса с учетом схемы помола; применения рациональных

геометрических и кинематических параметров; использования последовательной установки измельчающих машин; регулярного контроля процесса измельчения; тщательного наблюдения за работой вентиляционных установок, обслуживающих вальцовые станки.

Список литературы

1. Артемова Е.И, Осипова К.С., Пантюхина Е.В. Вопросы повышения производительности волчков для среднего измельчения мясного сырья // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018. Вып. 11. С. 612-617.

2. Артемова Е.И, Пантюхина Е.В. Вопросы повышения мощности привода волчков для среднего измельчения мясного сырья // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018. Вып. 12. С. 465-468.

3. Харламов С.В. Конструирование технологических машин пищевых производств. Л.: Машиностроение, 1979. 224 с.

4. Хусид С. Д. Измельчение зерна. М.: Агропромиздат, 1954. 126 с.

5. Фарберман А. И. Материалы по проектированию технологической части действующих мельниц. М.: Колос, 1951. 230 с.

Пузиков Иван Валерьевич, студент, zalesniyr@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шимбарова Екатерина Евгеньевна, студент, katya. shimbarova28@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, elen-davidova@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF ROLLER MACHINES FOR FOOD INDUSTRY

I. V. Puzikov, E.E. Shimbarova, E. V. Pantyukhina

The article describes the features of calculating the power of the roller mill drive, analyzes the main methods of calculation, shows the explanatory figures.

Key words: drive power, roller machine, energy efficiency.

Puzikov Ivan Valeryevich, student, zalesniyr@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Shimbarova Ekaterina Evgenievna, student, katya. shimbarova28@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pantyukhina Elena Viktorovnа, candidate of technical science, docent, elen-davidova@,mail. ru, Russia, Tula, Tula state university