К вопросу об исследовании процессов прессования упруговязких материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕХАНИКА

УДК 664.66.02.076

О. Н. Беспалова, Ю. И. Декина Астраханский государственный технический университет

К ВОПРОСУ ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ПРЕССОВАНИЯ УПРУГОВЯЗКИХ МАТЕРИАЛОВ

Процесс прессования весьма распространен в пищевой промышленности. С помощью прессов осуществляют производство таких продуктов и полуфабрикатов, как макаронное тесто, колбасные фарши, жомы, при этом свойства, проявляющиеся в продукте, и прессовые характеристики и определяют главным образом качество готовой продукции [1].

На процесс прессования материала влияют следующие факторы:

1) усилие внешнего воздействия;

2) влажность Ж, %, являющаяся функцией температуры и влажности воздуха;

3) масса прессуемого материала;

4) плотность исходного сырья.

Оптимизация отдельных технологических операций и режимов производства упруговязких материалов в целом позволяет повысить эффективность использования технологического оборудования, улучшить техникоэкономические показатели процесса и повысить качество готовой продукции [2]. Но производство качественного продукта возможно только при должном уровне перерабатывающего технологического оборудования. Разработка соответствующего технологического оборудования в свою очередь возможна только при знании необходимых характеристик и изучении свойств перерабатываемого продукта.

При проектировании инженер сталкивается с необходимостью определить технологическую нагрузку в прессе [3]. Прессовое оборудование в различных отраслях пищевой промышленности отличается разнообразием конструкций и технических характеристик. Для различных материалов величина усилия прессования весьма разнообразна и колеблется в широких пределах, что обусловлено различными методами обработки, условиями ведения процесса, характеристиками объектов обработки и т. д. Поскольку нет единой методики расчета данной технологической нагрузки, возникает необходимость её разработки с учетом технологических характеристик прессуемого материала, реологических характеристик и др., т. к. они диктуют определенные условия при осуществлении процесса прессования. Как правило, исследование указанного процесса выполняется по схеме, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема исследования процесса прессования

Использование реологических методов при исследовании деформационных свойств упруговязких материалов позволит получить математическую модель для расчета рабочих органов пресса с учетом временных факторов [4].

На кафедре «Технологические машины и оборудование» Астраханского государственного технического университета проводились работы по исследованию процесса прессования табачной кипы с учетом реологических свойств материала. Табачное сырье можно отнести к группе упругопластичных материалов, отличающихся большим разнообразием морфологических признаков, физических свойств и химического состава [5]. Данный вид сырья легко изменяется под воздействием различных факторов, сочетание этих факторов определяет технологические свойства мате-

риала как объекта промышленной переработки, рациональную структуру и эффективность технологических процессов и в конечном счете потребительские достоинства выпускаемой продукции.

Непостоянство технологических свойств упруговязких материалов является следствием чрезвычайно высокой пластичности, существенно изменяющей их свойства и состав даже при сравнительно небольших изменениях внешних условий.

Для создания рациональной методики расчета и проектирования прессового оборудования необходимо смоделировать процесс с учетом вязкопластичных и упругих свойств, следовательно, необходимы упругопластичные модели.

Деформация упругопластичного тела начинается с упругих деформаций [3]. Напряжения, при которых деформация остается упругой, ограничиваются пределом текучести. При нагружениях и разгрузках тела в области упругих деформаций напряжения меняются по одному и тому же закону. При достижении предела текучести начинаются пластические деформации. В зоне пластичности процесс нагружения и разгрузки протекает по-разному. Нагружение сопровождается незначительным ростом напряжений. Нагрузка почти не возрастает, а деформация тела имеет место, т. е. происходит как бы течение жидкости - пластическое течение. Суммарная деформация тела складывается из упругой и пластической. Упругая деформация обратима. При разгрузке упругопластичного тела упругие деформации снимаются, а пластические остаются. При повторном нагружении упругопластичного тела процесс вновь начинается с упругих деформаций, предел текучести достигается уже при более высоких напряжениях, чем в первый раз, т. к. произошло упрочнение упругопластичного тела. В области пластических деформаций напряжения зависят от «истории» деформирования - исследуемый объект «помнит», что происходило ранее. Упругопластичная феноменологическая модель с последовательным соединением упругого и пластичного реологических тел при напряжениях, не превышающих предел текучести, воспроизводит упругие деформации (рис. 2, а), где к - коэффициент жесткости; и кп - предел пла-

стичности и коэффициент пластического упрочнения соответственно; т -масса; ^, Ех, ¥у - деформирующие силы. При достижении предела текучести моделируются закономерности пластического деформирования без упрочнения. Такая деформация упругопластичной феноменологической модели с последовательным расположением фундаментальных тел складывается из упругой и пластической деформаций.

Работа, производимая напряжениями вплоть до предела текучести, накапливается в виде энергии упругой деформации и возвращается без потерь при разгрузке. Работа, совершаемая сверх предельного значения работы упругой деформации, рассеивается вследствие внутреннего трения. После разгрузки упругопластичная модель с последовательным соединением фундаментальных тел имеет остаточную деформацию. Восстановленная упругая деформация равна начальной упругой деформации. В упругопластичной феноменологической модели с параллельным соеди-

нением реологических тел деформации упругого и пластичного реологических тел одинаковы (рис. 2, б). Деформация модели начинается в тот момент, когда напряжение достигнет предела текучести. По мере деформации напряжения возрастают, складываясь из напряжения пластического течения и упругого. При разгрузке модели упругие напряжения снимаются не полностью. Модель остается в напряженном состоянии. Остаточное напряжение равно пределу текучести.

.

*-*-1 ■

Рис. 2. Соединение реологических тел в упругопластичных реологических моделях: а - последовательное; б - параллельное; в - стандартное

В результате нагружения и разгрузки модель получает остаточную пластическую деформацию. Упругая деформация частично восстанавливается, при повторном нагружении деформация начинается после преодоления предела текучести и остаточных напряжений. Упругопластичная модель с параллельным расположением реологических тел воспроизводит процесс упрочнения и остаточные напряжения.

Стандартная модель упругопластичного материала состоит из двух упругих и одного пластичного реологических тел. Упругое и пластичное тела соединены параллельно, а еще одно упругое реологическое тело присоединено к ним последовательно (рис. 2, в). При разгрузке в одном упругом реологическом теле напряжения снимаются полностью, а во втором сохраняются остаточные напряжения, равные пределу текучести. В результате нагружения и разгрузки стандартная упругопластичная модель получает остаточную пластическую деформацию. Она позволяет полностью описать все закономерности деформирования реальных упругопластичных материалов.

В предлагаемой феноменологической модели (рис. 3) свойства прессуемого материала моделируются при помощи упругопластичных реологических тел с последовательным соединением стандартных реологических тел. Клиновой элемент моделирует внутреннее сопротивление материала (внутреннее трение) при прессовании. При внешнем силовом воздействии силы ^,

перемещении массы М клинового элемента посредством горизонтально расположенных реологических тел моделируются деформации по горизонтальной оси (упругопластическое течение), в данной плоскости также моделируются силы в процессе внешнего трения о стенки. Пластичные реологические тела в модели описывают способность сырья под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности.

Рис. 3. Феноменологическая модель

Рассмотренная модель позволит разработать универсальную методику для расчета усилия прессования в зависимости от свойств упруговязкого материала, что даст возможность создать рациональную и универсальную конструкцию прессующего оборудования.

Для более точного описания поведения упругопластичных и вязких материалов в процессе прессования возможно введение в модель вязкого реологического тела (изображаемого в виде поршня в цилиндре) параллельно упругому телу в вертикальной ветви модели и пластичных тел в горизонтальных ветвях модели. Рассмотрение поставленной задачи с точки зрения основных зависимостей сопротивления материалов, теории упругости и теории пластичности и ползучести позволит в дальнейшем более подробно и качественно анализировать модель напряженного состояния при процессе прессования упруговязких материалов.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

Медведев Г. М. Технология и оборудование макаронного производства. - М.: Колос, 1984. - 280 с.

Технологическое оборудование пищевых производств / Б. М. Азаров, Х. Аурих, С. Дичев и др. / Под ред. Б. М. Азарова. - М.: Агропромиздат, 1988. - 463 с. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести: Учеб. для студентов втузов. - М.: Машиностроение, 1968. - 400 с.

Мачихин Ю. А., Мачихин С. А. Инженерная реология пищевых материалов. -М.: Легкая пром-сть, 1981.

1

2

3

5. Микитянский В. В., Декина Ю. И., Мусиенко Н. В. К вопросу об исследовании процесса прессования листовой табачной массы // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2002. - № 2. - С. 91-96.

Получено 29.12.05

TO THE QUESTION OF PRESSING PROCESSES RESEARCHES OF VISCOELASTIC MATERIALS

O. N. Bespalova, Yu. I. Dekina

The manufacture of a qualitative product is possible only at a proper level of the processing technological equipment. In its turn its development is possible only being aware of necessary characteristics and properties of a processed product. The use of rheological methods at the research of deformation properties of viscoelastic materials will allow creating a mathematical model for calculation of working bodies of the press taking into consideration time factors, and to develop recommendations to a design procedure of the press equipment.