CC BY
37
Использование композиционного проектирования для обоснования взаимодействия материала с винтовым прессующим механизмом
А. К. Курманов, Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова
Винтовые конструкции широко используются в народном хозяйстве при транспортировании, уплотнении, смешивании, гранулировании, брикетировании, экструдировании материалов. Основу машин составляет винтовая лопасть, позволяющая создать поступательное, непрерывное, равномерное движение материала, что снижает ударные, инерционные нагрузки. При взаимодействии с различными по физико-механическому составу материалами корм перемещается, приобретая осевую и окружную скорости. Материал при прессовании проходит несколько стадий обработки: загрузку в приемное отделение !, уплотнения (прессование) И, пластическое состояние Ш и гомогенизацию при движении сквозь фильеры IV (рис. 1).
Для обьективной оценки процессов, происходящих при переработке кормов внутри винтовых прессующих устройств необходим системный подход, в частности, метод композиционного проектирования. Это позволяет решать общую проблему как комбинацию из элементов специальным образом развиваемой агрегат-
Рис. 1.
ной базы[1]. Для составления математических моделей процесса уплотнения необходима оценка напряженно-деформированного состояния полуфабриката, исследования поверхности отклика и граничных условий протекания процесса. Механизм взаимодействия материала и рабочего органа прессующей машины является предметом исследования различных специальностей, которые объясняют движение продуктов внутри винтовых конструкций с точки зрения механики деформируемых сред, дисперсных сред, коллоидных веществ, реологических законов, сопротивления материалов и т.д. При этом исследования в различных областях, как
правило, не противоречат друг другу, а лишь подчеркивают глубину существующей проблемы. Конечный результат исследований определяется тем, что в процессе взаимодействия объект выступает как система, подчиняющаяся трем основным законам природы: сохранения массы, импульса и энергии. Можно представить процесс уплотнения материалов графиком: напряжение — расстояние между частицами.
Рис. 2.
В — размер клеточной структуры материала; ар — предел прочности, ак — предел пластичности, ат — предел текучести, И — расстояние между частицами; А — размер частиц материала (условный).
Зона К характерна для механизмов, не разрушающих структуру материала: транспортеров, смесителей, питателей, вращающихся транспортирующих труб, конвейеров, винтовых спусков, спиральных сепараторов, фрезеров и др.
Исследования движения материала винтовым транспортером направлены на определение характеристик в вертикальных (вверх), наклонных и горизонтальных транспортерах.
Многие исследователи определяют механические и энергетические параметры траспор-тера, исходя из допущения, что винт продвигает материал вдоль кожуха подобно гайке, вращающейся на болту, причем гайка удерживается от вращения[2]. В данном случае материал за один оборот винта проходит путь, равный шагу винта. Такое представление о процессе можно уловить при частоте вращения винта 60—120 об./мин и коэффициенте наполнения 0,125—0,4 при определенных физикомеханических свойствах материала. При значении коэффициента наполнения, близком к единице и частоте вращения 200—400 об./мин, как показали многочисленные исследования, материал движется по сложным спиралеобразным пространственным кривым, и следовательно, осевая скорость за один оборот винта меньше шага винта[3].
Производительность шнеков является функцией осевой скорости материала, мощность
же, потребляемая винтовым конвейером, зависит от его производительности^]. Г. В. Корнеев считает целесообразным вести расчет мощности, потребной для работы винтового конвейера, по элементам энергозатрат с учетом свойств транспортируемого материала[4]. При расчете мощности двигателя винтового наклонного конвейера он выделил: энергозатраты на преодоление сил инерции, возникающие в момент загрузки конвейера при изменении скорости движения материала, энергозатраты на преодоление сил трения о поверхность кожуха и шнека, на подъем материала, на перемещение и дробление материала, преодоление трения в подшипниках вала винта и передаточных механизмах. Энергозатраты на преодоление сил трения определятся, если будут известны коэффициенты сопротивления движению. Исследования характера перемещения силосной массы в горизонтальном винтовом конвейере, проведенные И. К. Текучевым с помощью радиактивных изотопов, показали, что при коэффициенте наполнения, равном 0,6—1,0, и частоте вращения более 120 об./мин. частицы, расположенные у вала винта и кожуха, движутся с одинаковой угловой скоростью[5]. То есть масса корма движется сплошной лентой. Этот вывод подтверждается и при транспортировании связных кормов.
На рис. 3 их характеризует зона I [6, 7]. Здесь происходит вначале заполнение межвиткового пространства, затем взаимная ориентация анизометрических частиц со скольжением их относительно друг друга и рабочей поверхности. Из-за наличия в этой зоне только упругих деформаций целесообразно исследование поверхности отклика, т.к. напряжение исчезает при снятии нагрузки. Кроме того, коэффициент заполнения межвиткового пространства меньше
Рис. 3.
единицы, и нет необходимости исследовать граничные условия.
Зона Л (рис. 2) характерна для грануляторов, брикетировщиков, прессов и других конструкций, разрушающих целостную структуру материала (II на рис. 3).
Следует отметить, что существует несколько объяснений процесса гранулирования и брикетирования: битумная, гуминово-кислотная, коллоидная, молекулярная[8, 9]. Не умаляя значения этих теорий и не оспаривая их целесообразности, следует сказать, что некоторые из них описывают течение процесса уплотнения в узком интервале материалов и их состояний. Если в качестве объекта исследования выступает кормоприготовительная машина, взаимодействующая с грубым, концентрированым или сочным кормом, то наиболее близко объяснение Особова В. И., Дерягина Б. В. и Мельникова С. В. [10, 11, 12] и др. авторов. Согласно их исследованиям, для получения брикетов и гранул из различных по физико-механическому составу кормов необходима их оптимальная влажность. Наличие грубоволокнистой структуры кормов позволяет создавать механическое защемление материалов, при этом пылевидные включения концентрированых кормов также влияют на прочностные свойства конечного продукта.
Кроме того, имеет место молекулярное сцепление, особенно на контактных поверхностях, про этом возникает вместе с упругой и пластическая деформация.
Гранулирование сухих порошков методом прессования основано на формировании плотной структуры вещества, что объясняется прочными когезионными связями между частицами при их прижатии. Межчастичные когезионные связи обусловлены формой частиц и отдельных кристаллов[13].
При гранулировании методом прессования в начальный момент уплотнения происходят структурные деформации, т.е. взаимные перемещения, переупаковка частиц, разрушение самых слабых агрегатов. При этом развиваются упругие деформации. С ростом нагрузки величина структурных деформаций снижается и преобладает взаимное перемещение (сдвиг) частиц, сопровождающееся их частичным разрушением, изменением формы и внутренней пористости, увеличением числа контактов и величины межмолекулярного сцепления структурных элементов.
В конце процесса прессования разрушение практически заканчивается, но происходит упруго-эластическое сжатие всей системы, кроме того, резко возрастает число контактов между хаотически расположеными осколками частиц, что вызывает объемное упрочнение материала.
Кроме механического сближения и образования контактов между частицами в процессе прессования при определенных условиях могут протекать обменные реакции с образованием новых химических связей. Высокие значения давления и температуры в зоне деформации могут приводить также к образованию расплава в местах контакта однородных частиц либо к полному расплавлению легкоплавкого компонента прессуемой смеси.
При охлаждении спрессованого продукта происходит кристаллизация пленок расплава, что обеспечивает значительно большую прочность межчастичным контактным связям.
Зона Л (рис. 2) наступает при достижении сдвиговых напряжений некоторого значения х* — область медленного вязкопластичного течения в системе с почти неразрушенной структурой — область ползучести по Шведову (участок II). Здесь сдвиг осуществляется за счет флук-туационного процесса разрушения и последующего восставления коагуляционных контактов, которые под действием приложенных извне напряжений приобретают направленность (по Я. Б. Френкелю и Т. Эйрингу).
В результате Броуновского движения частицы, объединенные в единую коагуляционную структуру, испытывают колебания относительно их положения в контактах. Вследствие тепловых флуктуаций некоторые контакты разрушаются, но при этом возникают контакты между частицами в других местах. В среднем число контактов в сформировавшейся структуре остается постоянным во времени и близким к максимальному. В отсутствие действия напряжения сдвига разрушение и восстановление в любом сечении оказывается равновероятностным по всем направлениям.
Приложение же внешнего поля напряжений, разрушение и восстановление контактов приобретают направленность, и наблюдается медленный макроскопический сдвиг, т.е. ползучесть. Она имеет место в некотором интервале значений х, при котором практически сохраняется одинаковое и относительно небольшое число разрушаемых и восстанавливаемых контактов. Участок II, как и III, может быть
описан моделью вязкопластического течения
■к
с малым предельным напряжением сдвига х шв. и очень высокой дифференциальной вязкостью г|шв:
где "лшв. — котангенс угла наклона
фи кривой на участке II к оси абцисс.
Соответственно и переменная (эффективная) вязкость имеет высокие значения:
В целом для участков I и II, отвечающих малым напряжениям сдвига, характерны деформации порядка долей процента.
При достижении некоторого напряжения
*
сдвига х равновесие между разрушением и восстановлением контактов смещается в сторону разрушения тем сильнее, чем выше значение х. Участок III существенно отличается иными значениями параметров, т.е. относительно боль*
шим предельным напряжением сдвига х шв. и невысокой дифференциальной бингамовой вязкостью:
Бингамовое предельное напряжение сдвига
■к
х в., соответвующее началу интенсивного разрушения структуры, может рассматриваться как характеристика ее прочности (на сдвиг).
Смещение равновесия в сторону разрушения контактов приводит к падению эффективости вязкости.
Зона М (рис. 2) характерна для экструдеров. При глубокой переработке сырья происходит перемещение, пластификация, гомогенизация, тепловая обработка вплоть до стерилизации, же-латинизация, денатурализация белка, разрушение клеточной структуры прессуемого материала, формирование продукта[14].
Напряженное деформированное состояние материала связано с влиянием нормального и касательного напряжения и времени на деформацию и скорость деформации при нелинейной зависимости этих показателей. Это можно записать[7]:
Множество сил, действующих при прессовании, возможно выразить через тензоры напряжений, деформаций и скорости деформации. Так же через первый, второй и третий варианты тензора напряжений.
Важное значение при вязко-пластическом течении материала имеют граничные условия, часто скорость граничного слоя материала приравнивается к скорости основных деталей прессующей машины.
Исследование поверхности отклика является важной составляющей при исследовании прес-
сующих машин на любом этапе проектирования.
После полного разрушения структуры дисперсная система в условиях ламинарного течения проявляет свойства ньютоновской жидкости (участок IV), вязкость системы резко падает и материал приобретает свойства ньютоновской жидкости.
Такое поведение возможно при движении сквозь фильеры.
Для системного исследования процессов прессующих машин предлагается несколько за-конченых блоков:
1. Питатель измельчителя грубых кормов.
2. Винтовой транспортер для термообработки зерна.
3. Шнеково-скребковый брикетировщик.
4. Брикетировщик кормов с повышеным содержанием влаги.
5. Экструдер монокорма и монорациона.
6. Экструдер с боковым расположением фильер.
7. Двухвальный смеситель кормов.
Литература
1 Полещук В. Ю., Коротков В. Г., Зубкова Т. М. Проектирование экструдеров для отраслей АПК. — Екаринбург, 2003. — С.11.
2 Кузьмин П. С. Машины непрерывного транспорта // Труды ОНТИ, 1936. - Ч.3. - С.47.
3 Ананкин И. А. Анализ работы шнеков комбайна // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 1959. — №1. — С. 14.
4 Корнеев Г. В. Определение основных параметров шнековых зернопогрузчиков. — М., 1965. — Т.39. — С.3.
5 Текучев И. К. Исследования шнекового рабочего выгрузчика силосованных кормов из хранилищ башенного типа: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. — М., 1970. — 18 с.
6 Щукин Е. В. и др. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа, 1992. — 414 с.
7 Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. — М.: Высшая школа, 1978. — 447 с.
8 Бодиловский А. В. Влияние геометрии шнекового механизма на энергоемкость процесса прессования // Механизация и электрификация сельского хозяйства: сб. научн. трудов / УНИИ-МЭСХ. — Минск, 1980. — С.139—151.
9 Курдюмов С. В. Теория брикетирования торфа и бурого угля // Труды укр. НИИ местной и топливной промышленности. — Киев, 1959. — Вып. 8. — С.37—42.
10Особов В. И. Теоретические и экспериментальные исследования процесса брикетирования сена // Тр. ВИСХОМ. — М., 1962. — Вып. 39. — С. 113—118.
11Дерягин Б. В. Природа молекулярных сил и их значение в науке и практике. — М., 1956. — С.59—77.
12Мельников С. В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. — Л.: Колос, 1978. — 60 с.
13Классен П. В. и др. Основы техники гранулирования. — М.: Химия, 1982. — 272 с.
14Полещук В. Ю. Особенности шнекового прессующего механизма экструдера // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 1993. — №5. — С. 19—21.
