CC BY
2
3. Саламатин С.Г. Результаты испытаний дискатора® БДМ-3,6Х4ПР // Инновационные технологии отечественной селекции и семеноводства. Сборник тезисов по материалам II научно-практической конференции молодых ученых Всероссийского форума по селекции и семеноводству. Ответственный за выпуск А.Г. Кощаев. 2018. С. 153154.
4. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия / Мерников С.Б., Самсонкин А.А., Кузнецов Г.Я., Саламатин С.Г. // Патент на полезную модель RU 126251 U1, 27.03.2013. Заявка № 2012128489/13 от 06.07.2012.
Хахулин Лев Сергеевич, студент, [email protected], Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет,
Саламатин Сергей Геннадиевич, аспирант, Россия, Краснодар, Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина,
Литвинов Артем Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет
MODERNIZATION OF C-SHAPED WORKING ELEMENTS OF A SPRING STEEL DISC HARROW TO INCREASE
RELIABILITY AT WEAK POINTS
L.S. Khakhulin, S.G. Salamatin, A.E. Litvinov
Annotation. The constant development of the agricultural-industrial complex of Russia requires timely modernization of existing implement components and the development of fundamentally new and efficient designs. The equipment must be easy to operate, provide uniform processing and be easy to maintain. In the previous article, we conducted a study of the effectiveness of the C-shaped working parts of a spring steel disc harrow. Using three-dimensional modeling in the SolidWorks program and its "Simulation" application, we were able to establish that the proposed version of the racks of the working bodies has significant drawbacks. Weak points of the sample were discovered, the stress in which leads to deformation and subsequent destruction of the rack, making their operation in real conditions impractical. In this article, we analyzed possible directions for modernizing the strut of the working body; two options were proposed to strengthen the weak points of the prototype. Each of them has its own advantages and disadvantages, both in terms of manufacturability and resource consumption. The result is based on mathematical calculations and 3D modeling of the proposed options.
Key words: disc harrow, working element, spring stand, diskator, cutting unit, solidworks, simulation, voltage,
husker.
Khakhalin Lev Sergeevich, student, [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University,
Salamatin Sergey Gennadievich, postgraduate, Russia, Krasnodar, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin,
Litvinov Artyom Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University
УДК 621.6.04
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-541 -542
АНАЛИЗ РАЗНОВИДНОСТЕЙ СОВРЕМЕННОГО СМЕСИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Д.В. Стенько, А.Б. Капранова
В настоящей работе проводится анализ разновидностей смесительного оборудования для переработки полимерных компонентов касательно принципиальных конструктивных отличий, преимуществ и недостатков соответствующих аппаратов, предназначенных для изготовления полимерных смесей. Сравнение конструкций данных устройств для производства полимерных смесей с позиций системно-структурного подхода позволило выявить направления для совершенствования смесителей непрерывного действия при переработке дисперсных полимерных компонентов.
Ключевые слова: смешение, полимерная смесь, смеситель, рабочий орган.
Условная классификация оборудования для переработки пластмасс выполняется согласно организационно-технологическим признакам [1], в которых выделяются подготовительные, основные и завершающие процессы. В соответствии с данной классификацией смесительные аппараты относятся к оборудованию для подготовительных процессов. Указанный этап переработки полимерных материалов является частным случаем смешения твердых сыпучих сред [1]. По характеру работы смесительное оборудование классифицируется на аппараты периодического и непрерывного действия [1, 2]. К группе аппаратов периодического действия [1, 2], в том числе относятся смесители барабанного типа [3, 4], лопастные [5], бегунковые, плунжерные, ленточные, устройства с быстро вращающимся ротором, циркуляционные [6], смесители центробежного действия с вращающимся конусом и др. Группа аппаратов непрерывного действия [1, 2] также разделяется на несколько типов конструкций: центробежные [7, 8], гравитационные [9-11], ударно-распылительные (рассеивательные) [12-14], барабанные [16], червячные [17, 18], лопастные
541
[19] и вибрационные [20] и др. При непрерывном процессе смешения загрузка компонентов, как и их выгрузка, осуществляются непрерывно, а значит возрастает требование к точности дозирования смешиваемых компонентов. Данный факт подразумевает усложнение технологической цепочки ввиду необходимости установки точных дозаторов перед смесителем непрерывного действия. Однако преимущества смесителей с непрерывным режимом работы касательно соотношения скорости протекания процесса и достижения требуемого качества смеси становятся определяющими при выборе данного типа оборудования для проектирования цепочки производств пластиковых изделий. Предложенная условная классификация для механических смесителей полимерных сыпучих материалов непрерывного действия приведена на рис. 1.
Рис. 1. Условная классификация смесителей полимерных материалов непрерывного действия
Выделим основные признаки, используемые при составлении данной классификации:
а) характер работы (периодического или непрерывного действия);
б) способ взаимодействия частиц компонентов при получении их смеси (механический, вибрационный);
в) степень подвижности смесительных узлов (неподвижные или подвижные);
г) способ перевода частиц во взвешенное состояние (гравитационные, центробежные, ударно-распылительные)
и др.
Для проектирования подготовительного участка для производства пластиковых изделий рассмотрим наиболее простые и энергоэффективные конструкции смесителей, в которых не применяются перемешивающие органы, приводящиеся в движения с помощью привода. К таким конструкциям относятся гравитационные смесители лоткового [10] или бункерного [21] типов. Пример гравитационного смесителя сыпучих полимерных материалов лоткового типа с неподвижным перемешивающим органом [15] представлен на рис. 2.
2 3 19
Фиг.] в'иг.г
Рис. 2. Смеситель сыпучих материалов гравитационного пита [15]: 1 - верпшкальный прямоугольный корпус; 2,3 - устройства загрузки; 4 - устройство выгрузки; 5 - усеченные конусы; 6,7 - дополнительные устройства загрузки, 8 - окна; 9 - наклонные лотки; 10 - рассеиватели
Через окна, выполненные в прямоугольным корпусе, смешиваемые материалы поступают внутрь корпуса. Частицы движутся по поверхностям наклонных лотков и пересыпаются на следующий лоток. В предварительно подготовленную смесь добавляются новые порции смешиваемых материалов через дополнительные устройства загрузки. Полученная смесь взаимодействует с рассеивателем, где происходит дополнительное перемешивание. Процесс повторяется до момента достижения смеси устройства выгрузки.
Различные варианты гравитационных аппаратов отличаются формой корпуса, конструкцией и геометрией элементов, которые взаимодействуют со смешиваемыми материалами. Например, у аппарата [10] смешиваемые компоненты перемещаются по наклонным лоткам, на которых установлены стержни круглого сечения. В отличие от большинства гравитационных смесителей в аппарате [11] отсутствует закрытый корпус, и процесс смешения проходит на наклонных лотках, установленных на станине с возможностью изменения угла наклона. Компоненты получаемой смеси поступают раздельно на лотки из разных бункеров на нескольких участках смесителя.
Как отмечено в работе [1], увеличение числа секций в гравитационном смесителе позволяет улучшить качество смешения, однако это приводит к увеличению габаритных размеров установки, что не всегда допустимо в производственных условиях. Если технологически невозможно нарастить число секций смесителя, а требуемые показатели качества не достигнуты, то необходимо оснастить аппарат дополнительными смесительными устройствами, например, как это выполнено для конструкций [15, 22].
Кроме качества получаемой смеси также необходимо рассмотреть и другие показатели, характеризующие выбор того или иного типа конструкции-смесителя. Учет этих показателей позволяет оценить экономическую эффективность производства. Для сравнения основных технико-экономических показателей механических смесителей непрерывного действия отобраны три основных типа конструкций (таблица 1) согласно [2, 23, 24].
Таблица 1
Технико-экономические показатели аппаратов для смешения полимерных материалов_
№ п/п Тип смесителя Время смешения, ч Удельная производительность, т-м3/ч Удельная ме-талло-емкость, т-ч/м3 Удельные энергозатраты, кВт-ч/т Коэффициент неоднородности Ус, %
1. С мешалками роторного типа 0,5-1 1,2-1,8 4,2 12-18 10-12
2. Гравитационный 0,01 5-10 0,1 0,1 5-9
3. Центробежный 0,1 1,7 0,5 5-7 2-5
4. Лопастной 0,2 1,5-3 0,7 2-10 5-10
5. Ударно- распылительный 0,02 3-5 0,1 0,5-1 2-5
Согласно приведенным данным также перспективным типом конструкций для смешения полимерных компонентов является ударно-распылительный (рассеивательный). Преимущества таких аппаратов заключаются в быстродействии процесса и высоком качестве получаемой смеси. Однако данный тип смесителя необходимо оснащать приводными механизмами, что усложняет конструкцию и, как следствие, приводит к удорожанию обслуживания и ремонта в сравнении с гравитационными аппаратами. Учитывая такие конструктивные особенности ударно-распылительных (рассеивательных) смесителей, применять их целесообразно на тех производствах, для которых отсутствует возможность установки смесителя гравитационного типа. Пример аппарата ударно-распылительного типа [14] представлен на рис. 3. Работа агрегата непрерывного действия [14] для смешения и уплотнения сыпучих материалов с возможностью применения в химической промышленности, агропромышленном комплексе и для производства строительных материалов также предполагает раздельную загрузку компонентов.
Рис 3. Смеситель сыпучих материалов гравитационного типа [14]: 1 - транспортер; 2 - привод; 3,4 - дозаторы; 5 - смесительные устройства; 6 - поворотные приспособления; 7 - вертикальные стойки;
8 - отбойный элемент; 9 - эластичный материал; 10 - устройство выгрузки; 11 - уплотняющий валик; 12 - отверстия; 13 - газопроницаемая оболочка; 14 - пружинный подпор; 15 - электродвигатель; 16 - валик; 17 - лоток; 18 - желоб; 19 - ёмкость для выгрузки; 20 - опора
Смешиваемые компоненты из бункеров 3, 4 попадают на транспортер 1, далее частицы подхватываются смесительными устройствами и разбрасываются в зоне до отбойного элемента 8, расположенного в формируемой области пересечения потоков смешиваемых компонентов. Полученная смесь уплотняется валиком 11 и попадает в устройство выгрузки 10.
Процесс смешения в аппаратах ударно-распылительного типа, как правило, реализуется с помощью нескольких стадий [25]. На первой стадии смешиваемые частицы взаимодействуют с рабочим органом в смесительном узле аппарата, в следствие чего образуются разреженные потоки. На второй стадии потоки взаимодействуют с отбойными поверхностями, после чего полученная смесь попадет в зону выгрузки.
В результате анализа особенностей конструкций аппаратов и способов смешения, который основан на системно-структурном подходе [26] к исследованию процесса смешения полимерных компонентов, можно сделать следующие выводы. При организации подготовительного участка в рамках производства пластиковых изделий наиболее целесообразным является использование аппаратов непрерывного действия. Наиболее простыми, эффективными, ресурсо- и энергоемкими являются аппараты гравитационного и ударно-распылительного типа, в конструкциях которых имеются дополнительные устройства, повышающие качество получаемой смеси. Использование дополнительных смесительных устройств позволяет уменьшить габаритные размеры смесителя, а также расширить область его применения.
Список литературы
I.Завгородний В.К. Механизация и автоматизация переработки пластических масс. М.: Машиностроение. 1970. 596 с.
2.Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение. 1973. 216 с.
3.Патент 2652188 РФ. Смеситель сыпучих материалов гравитационный / А.А. Рыбушкин; опубл.
25.04.2018.
4.Патент 204471590 Китай. Dry-mixed mortar mixing machine / L. Zhuang; опубл. 15.07.2015.
5.Патент 215798 РФ. Двухвальный лопастной смеситель / С.С. Пирогов; опубл. 28.12.2022.
6.Патент 2505348 РФ. Способ смешивания и устройство для его осуществления / О.В. Дёмин, Д.О. Смолин, В.Ф. Першин; опубл. 27.01.2014.
7.Патент 2584736 РФ. Центробежный смеситель / Д.М. Бородулин, Д.В. Сухоруков, Е.А. Андрюшкова, А.С. Козымаев; опубл. 20.05.2016.
8.Патент 2686944 РФ, Центробежный смеситель для сыпучих материалов / В.С. Богданов, О.С. Василенко, Д.В. Богданов; опубл. 06.05.2019.
9.Патент 2650120 РФ. Смеситель сыпучих материалов гравитационного типа / А.Е. Лебедев, М.Е. Борисовский, И.С. Гуданов, А.А. Ватагин, С. Сафуан, Н.В. Бадаева, И.С. Шеронина, Н.В. Лифанова, А.Б. Капранова, Д.Н. Баранов, А.А. Грибков; опубл. 04.09.2018.
10. Патент 2683838 РФ. Гравитационный смеситель сыпучих материалов / В.Я. Борщев, Т.А. Сухорукова; опубл. 02.04.2019.
II. Патент 2558901 РФ. Гравитационный смеситель сыпучих материалов / А.И. Зайцев, А.Е. Лебедев, А.Б. Капранова, И.О. Кузьмин; опубл. 10.08.2015.
12. Патент 113561348 Китай. Raw material mixing device for plastic products / L. Pei; опубл. 22.05.2018.
13. Патент 108058279 Китай. Raw material preparation and premixing device for automobile injection molded part processing / S. Shubiao; опубл. 29.10.2021.
14. Патент 2624698 РФ. Агрегат для смешения и уплотнения сыпучих материалов / А.Е. Лебедев, А.А. Ватагин, М.Е. Борисовский, М.Н. Романова, Н.В. Бадаева, И.С. Шеронина; опубл. 05.07.2017.
15. Патент 2621225 Российская Федерация, МПК B28C 5/04, B01F 3/18. Смеситель сыпучих материалов гравитационного типа / А. Е. Лебедев, С. Суид, А. Б. Капранова [и др.] ; опубл. 01.06.2017.
16. Патент 2643962 РФ. Барабанный смеситель / Д. М. Бородулин, В. Н. Иванец, А. А. Андрюшков, Д. В. Сухоруков. опубл. 06.02.2018.
17. А. с. 498165 СССР. Червячный смеситель непрерывного действия для пластических масс / А. И. Баг-но, С. П. Кондраков, С. Н. Душин, А. С. Дамов; опубл. 05.01.1976.
18. А. с. 852612 СССР. Червячный смеситель непрерывного действия для пластических масс / А. Г. Говша, А. И. Багно, В. Ф. Тамаркин, Ф. Б. Губер; опубл. 07.08.1981.
19. Патент 2794906 РФ. Лопастной смеситель сыпучих материалов / В. Я. Борщев, В. С. Макаров; опубл.
25.04.2023.
20. Патент 2435635 РФ. Вибросмеситель непрерывного действия / И. М. Ефремов, А. В. Мурзин; опубл.
10.12.2011.
21. А.с. 484888 СССР. Гравитационный смеситель / В.Г. Жуков, Г.М. Жукова; опубл. 25.09.1975.
22. Патент 2264846 РФ. Установка для смешивания сыпучих материалов / И.Н. Шубин, М.М. Свиридов. опубл. 27.11.2005.
23. Макаров Ю.И., Зайцев А.И. Новые типы машин и аппаратов для переработки сыпучих материалов. М.: МИХМ, 1982. 55 с.
24. Гарабажиу А.А. Интенсификация процессов перемешивания сухих сыпучих материалов в современных конструкциях смесителей // Строительная наука и техника. 2010. № 4. С. 27-42.
25. Stochastic analysis of rotary mixing of polymer components in the framework of recycling and the development of 3D printing technologies / D.V. Stenko, A.B. Kapranova, D.D. Bahaeva, D.V. Fedorova, A.E. Lebedev // Chemical and Petroleum Engineering. 2022. V. 57 (11-12). P. 920-929. DOI: 10.1007/s10556-022-01027-x.
26. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Топологический принцип формализации. М.: Наука, 1979. 394 с.
Стенько Дмитрий Владимирович, ассистент, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет.
Капранова Анна Борисовна, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
ANALYSIS OF VARIETIES OF MODERN MIXING EQUIPMENT FOR PROCESSING POLYMER MATERIALS
D.V. Stenko, A.B. Kapranova
This work analyzes the types of mixing equipment for processing polymer components regarding the fundamental design differences, advantages and disadvantages of the corresponding devices intended for the production ofpolymer mixtures. Comparison of the designs of these devices for the production of polymer mixtures from the standpoint of a system-structural approach made it possible to identify directions for improving continuous mixers when processing dispersed polymer components.
Key words: mixing, polymer mixture, mixer, working body.
Stenko Dmitry Vladimirovich, ctssistant, dvs3d@yandex. ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical
University,
Kapranova Anna Borisovna, doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of chair, kaprano-va_anna@mail. ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
