CC BY
69
Kudryavtsev Vladislav Vladimirovich, doctor of chemical sciences, professor, head of the laboratory of synthesis of new high-heat-resistant polymers IVS RAS, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Institute of Macromolecular Compounds RAS,
Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex "Materials and technologies", plast-ftim@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Vasil'eva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfr@,inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Gvozdev Alexander Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@,tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula LN Tolstoy State Pedagogical University
Starikov Nikolay Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of chair, starikov taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, Leading Design-Engineer, [email protected], Russia, Tula, Scientific-Manufacturing Enterprise «Vulkan-TM»»
УДК 621.922: 621.921.34
НОНМИКСИНГОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
А.В. Евсеев, М.С. Парамонова
Рассмотрены нонмиксинговые технологии и оборудование для получения многокомпонентных смесей сыпучих материалов на основе детерминированного формирования их однородности.
Ключевые слова: технологии, смешение, оборудование смешения.
Приготовление однородных по составу смесей из твердых материалов, находящихся в зернистом или порошкообразном состояниях, является широко используемым в различных отраслях промышленности процессом [1, 2].
В частности, в инструментальной промышленности при производстве алмазных кругов весьма важно для достижения высокой стойкости получить равномерное распределение по всему объему алмазных зерен. В строительной индустрии при приготовлении сухих смесей необходимо равномерно распределить составляющие компоненты, в комбикормовой
промышленности необходимо выдержать заданное соотношение белково-минеральных и витаминных добавок для обеспечения правильного кормления домашних животных и т.д. При этом следует отметить, что создаваемая смесевая продукция зачастую характеризуется весьма большим диапазоном соотношений компонентов (1:100 и выше), что нельзя обеспечить существующими технологиями смешения.
Актуальность работ в данном направлении подтверждается тем, что в настоящее время во многих отраслях народного хозяйства наблюдается тенденция увеличения доли используемой смесевой продукции [1, 2, 3].
До середины 60-х годов ХХ века говорить о технологиях смешения как о классических по определению можно было только со значительными допущениями и поправками. Это обусловлено широтой морфологии как способов, так и инструментов для получения смесей. Их разнообразие варьировалось от примитивных объёмно-весовых приспособлений до более совершенных смесительных систем, использующих методы временного дозирования и анализа конечных качественных показателей, а также адаптивных систем с учётом изменения входящего и анализа выходящего сигналов в интегральном потоке смешиваемых компонентов. Как первые, так вторые использовали в качестве доминирующей аппаратной реализации пассивные или активные барабанные конструкции различной ориентации и комбинации с рабочими элементами или без них.
При этом считалось, что чем больше суммарная энтропия всех входящих компонентов которую, в свою очередь, обеспечивает смесительная технология, тем выше качество смеси, и главным параметром, его определяющим, становилось время смешения. Эта теория была многократно опровергнута. Оказалось, что все традиционные технологии исчерпали свой потенциальный ресурс и появилась необходимость менять общий подход к проблеме.
На начальном этапе [1,2] решение данной проблемы осуществлялось в смесителях периодического действия посредством разовой загрузки компонентов в заданном соотношении, смешивание их за счет вращения или перемещения исполнительных органов (лопастей, шнеков и т.п.) и внедрение масс одних компонентов в массы других и разовой выгрузки после выполнения основной операции. Этот тип оборудования имеет несколько недостатков, в частности, возможность приготовления смеси в соотношении компонентов только до 1:10. Качество смеси из-за вероятностного характера формирования однородности получается невысоким (особенно для малых выборок, для смесей с большим соотношением компонентов и для компонентов, сильно отличающихся друг от друга по физическим и геометрическим характеристикам). Также обусловлены высокие энергетические затраты и большая длительность - от нескольких минут до нескольких часов - процесса смешивания (перемешивания). Однако из-за
конструктивной простоты, это оборудование до настоящего времени еще широко используется в различных отраслях народного хозяйства не только в России, но и за рубежом.
Переломным направлением, позволяющим перейти на качественно новый уровень организации синтеза технологии, стало отделение операций дозирования от собственно смешения с использованием наиболее выгодных особенностей одной и другой. Теперь смесь синтезировалась не на макроуровне, а на мидиуровне [5,6].
Значительным шагом вперед стало создание смесителей непрерывного действия, в которых загрузка составляющих компонентов осуществлялась непрерывно в заданном соотношении. Процесс смешивания производился во время непрерывного транспортирования потоков компонентов внутри смесителя, а выгрузка также осуществлялась непрерывно. Для данного типа аппаратов характерны высокая производительность, меньшие удельные энергетические затраты, некоторое повышение качества смеси. При этом однородность смеси в этом случае зависит не только от качества перемешивания потоков компонентов, но и от точности работы питателей, осуществляющих подачу потоков компонентов в аппарат. Вместе с тем, следует отметить, что и в этом случае для получения смесей с высокой однородностью и большими соотношениями компонентов (свыше 1:10) потребуется несколько технологических переходов, что резко усложняет ап-паратурно-технологическую схему, увеличивает производственные площади и, как следствие, резко повышает себестоимость продукции.
В шестидесятые годы в ВНИИТе (г. Москва) были созданы усовершенствованные аппараты непрерывного действия, позволившие существенно повысить качество смеси за счет формирования тонких слоев составляющих компонентов и беспрепятственного внедрения потоков компонентов друг в друга во время непрерывного транспортирования их в смесителе [1]. Следует отметить, что в этом случае точность работы питателей влияет существенно сильнее, чем в предыдущем.
Следующим этапом развития смесительных технологий явились дискретизация и автоматическое управление различного рода процессами дозирования непосредственно перед смешением, что позволяло не только получать продукты более высокого качества, но и в некоторой степени управлять процессом в целом, что ранее даже не предполагалось.
В начале 70-х годов на кафедре "Оборудование и автоматизации штамповочного производства" Тульского политехнического института были начаты работы по созданию новых технологий приготовления высококачественных сыпучих смесей. При этом проверка научных исследований и конструктивных разработок на первом этапе проводилась в оборонной промышленности при производстве пироксилиновых порохов, высокая од-
нородность которых гарантирует стабильную кучность боя. Было установлено, что одним из решающих факторов, порождающих невысокое качество смеси, является сама операция смешивания.
Поэтому сотрудники кафедры [4,7], используя метод инверсии, разработали новый процесс приготовления однородной смеси, исключающий операцию смешивания и заключающийся в упорядоченном равномерном распределении микродоз компонентов по всему объему.
Использование упорядоченного расположения компонентов относительно друг друга в процессе смешения одновременно с мелкодискретным дозированием позволило впервые получать смесевые продукты заданного качества на микроуровне. На этом этапе появился первый альтернативный критерий оценки качества смеси, входящими параметрами которого являются как показатели качества смеси, так и технические характеристики самого смесителя. При этом стало возможным дедуктивное проектирование смесительных комплексов.
Такой процесс может быть реализован в так называемых в нонмик-синговых смесителях, которые конструктивно могут быть трех типов.
Конвейерный вариант обеспечивает однородность за счет наложения слоев компонентов друг на друга, образуя непрерывную "слоеную ленту" общей толщины от сотых до десятых долей миллиметра.
Второй вариант конструкции нонмиксингового смесителя представляет роторный модуль, который за счет кинематики обеспечивает распределение смеси в цилиндрической таре в виде "слоеных" дисков, расположенных друг над другом.
На рисунке показана схема формирования однородности биротор-ным нонмиксинговым смесителем, который за счет более сложной кинематики разбивает каждый "слоеный" диск на сектора, при этом в каждом секторе слои компонентов располагаются в различной последовательности.
Предложенная технология [4,5,6] позволяет получать за один технологический переход смесь высокого качества при значительных (до 1:1000) соотношениях компонентов и для малой выборки. Проверка данного процесса на трёх вариантах конструкций нонмиксинговых смесителей показала, что он может быть использован на предприятиях химической промышленности для равномерного распределения красителей и других ключевых компонентов, в инструментальном производстве для приготовления алмазосодержащих смесей, в пищевой и комбикормовой промышленности для производства премиксов и биоминерало-витаминных добавок, в строительной промышленности для получения сухих смесей и анти-обледеняющих добавок, в фармацевтике и др.
Создание нонмиксинговых технологий, использующих синтез комплексов из разнофункциональных модулей, различные методы организации упорядоченного расположения компонентов относительно друг друга, автоматизированное управление процессами дозирования и смешения, ко-
191
торые минимизируют затраты и максимально улучшают востребованное качество готовых продуктов, несомненно, является наиболее перспективным направлением по данной межотраслевой проблеме.
о о
<г> о
со
о о а: -о
с; £
о о :с
о
3 о» со
<ъ
а:
а> *
о с; о СГ
Положение тары относительно неподвижных питателей
б*
(Р = 0
№
<р =1Л+А(р (р =(1+1)л+А(р
02
Я*
Ш
ш т т
А(р=2тг/3
Схема детерминированного формирования однородности сыпучих смесей на бироторном смесителе
Научная новизна работы определяется новым подходом к формированию высокого качества будущей продукции, а также дедуктивным проектированием смесительно-фасовочных комплексов при учете как закладываемых параметров готовой смеси, так и параметров самого оборудования. Предложен абсолютно новый альтернативный критерий оценки качества смеси.
Практическая ценность работы подтверждается разработанной инженерной методикой проектирования смесительно-фасовочных комплексов, получением смесевой продукции более высокого качества, а также внедрением предлагаемого оборудования на ряде предприятий РФ в различных отраслях.
Экспериментальными исследованиями [5,6], проведёнными в течение ряда лет на предприятиях указанных отраслей, была установлена высокая эффективность процесса. В частности, степень однородности смеси в результате детерминированного формирования повысилась в 2 - 2,5 раза,
энергетические затраты за счёт исключения длительной операции смешивания компонентов уменьшились в 2,5 - 3 раза, производственные площади уменьшились в 3 - 5 раз, а производительность труда из-за уменьшения технологической цепочки и трудоемкости повысилась в 2 - 2,5 раза. Кроме того, комплексы могут быстро переналаживаться вследствие исключения операции очистки смесителей для выпуска широкой номенклатуры смесе-вых изделий. Появилась возможность выполнение технологических задач различного объема и качества.
Многолетние исследования [7] и экспериментальная проверка новой технологии в строительной, индустриальной и комбикормовой промышленности подтвердили высокую эффективность нонмиксинговых смесителей, при этом по результатам работ были защищены четыре кандидатские диссертации, выпущена одна монография, получены свыше 30 авторских свидетельств и патентов РФ, опубликованы свыше 100 научных работ.
Предлагаемые технологические решения обеспечивают высокую конкурентоспособность оборудования для приготовления смесей, позволяют получать смесевую продукцию высокого качества и гарантируют устойчивую рентабельность соответствующих предприятий.
Список литературы
1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.
2. Кошкин Л.Н. К вопросу о классификации технологических процессов и рабочих машин // Литейное производство. 1953. № 4.
3. Прейс В.Ф. К вопросу о классификации автоматических поточных линий и рабочих машин // Автоматизация в машиностроении, Киев -М.: Машгиз. С. 31-36.
4. Лукаш А.Н. Эволюция смесительной техники // Сб. кратких док. Межд. семинара «АПИР-6». Тула, 2002. С. 45-47.
5. Патент РФ №2271243. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, А.В. Евсеев, Т. А. Овчинникова, К.В. Власов, О.В.Карпухина. Опубл. 10.03.06. Бюл.№7.
6. Патент РФ №2129911. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, И. А. Клусов, А.В. Евсеев. Опубл. 10.05.99. Бюл.№13.
7. Евсеев А.В. Классификация нонмиксинговых смесевых продуктов и устройств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 3. С. 88-94.
Евсеев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Парамонова Маргарита Сергеевна, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
NONMIXING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR MULTI-COMPONENT
MIXTURES PRODUCTION
A.V. Evseev, M.S. Paramonova
The new technologies and equipment for production of multi-component mixtures of bulk solids on the basis of the determined forming of their homogeneity are offered.
Key words: classic technologies of mixing, new technologies of mixing, mixing equipment.
Evseev Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Paramonova Margarita Sergeevna, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.983.3:621.798.144:669.71
ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКИ ДОПУСТИМЫХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ, СОГЛАСОВАННЫХ С КИНЕМАТИЧЕСКИ ДОПУСТИМЫМИ ПОЛЯМИ СКОРОСТЕЙ В ПЛОСКИХ ЗАДАЧАХ ПРИ УСЛОВИИ ПЛАСТИЧНОСТИ ГРИНА
И.А. Наумов
Рассмотрен расчет напряженно-деформированного состояния процесса формовки металлической пластины на основе разработанных конечно-элементных методик решения задач и адаптированного программного комплекса для расчета процессов, протекающих в условиях плоского деформированного состояния при статическом на-гружении с использованием многошагового метода.
Ключевые слова: пластическое формоизменение, анализ напряженно-деформированного состояния, интенсивность скорости деформации сдвига, компоненты скоростей деформации, статически допустимое поле напряжений, пластическая дилатансия.
Проведение расчетов по определению энергосиловых параметров процесса формовки металлических пластин не дает полного представления о возможностях пластического формоизменения, о качестве получаемых полуфабрикатов. Изготовление ответственных деталей требует точного выбора режимов обработки. Поэтому необходимо проводить анализ напряженно-деформированного состояния, то есть осуществлять полное исследование процесса.
