CC BY
0
УДК 664.3: 621.83.062.1 DOI 10.24412/2311-6447-2023-2-205-209
О возможности применения импульсных вариаторов в приводах оборудования пищевых производств
On the possibility of using pulsed variators in drives of food production equipment
Профессор O.B. Шарков (ORCID 0000-0001-8578-1800),
Калининградский государственный технический университет, кафедра теории механизмов и машин и деталей машин, тел. +7 (4012) 99-53-45, oleg.sharkov@klgtu.ru
заведующий кафедрой H.A. Великанов (ORCID 0000-0001-6833-7417), Калининградский государственный технический университет, кафедра судостроения, судоремонта и морской техники, тел. +7 (4012) 56-48-02, nikolaj.velikanov@klgtu.ru
профессор В.А. Наумов (ORCID 0000-0003-0560-5933) Калининградский государственный технический университет, кафедра техносферной безопасности и природообустройства, тел. +7 (4012) 99-53-37, vladimlr.naumov@klgtu.ru
Professor O.V. Sharkov, Kaliningrad State Technical University, chair of Theory of Mechanisms and Machines and Machine Parts, tel. +7 (4012) 99-53-45, oleg.sharkov@klgtu.ru
Head of Department N.L. Velikanov Kaliningrad State Technical University, chair of Shipbuilding, Ship Repair and Marine Engineering, tel. +7 (4012) 56-48-02, nikolaj.velikanov@klgtu.ru
Professor V.A. Naumov Kaliningrad State Technical University, chair of Technosphere Safety and Environmental Management, tel. +7 (4012) 99-53-37, vladimir.naumov@klgtu.ru
Аннотация.. Изучена и обоснована возможность повышения эффективности работы рыбомуч-ных установок за счет бесступенчатого регулирования частоты вращения шнекового пресса. Выполнен анализ различных типов механических вариаторов для приводов технологического оборудования. Показано, что наиболее перспективными для применения в приводах рыбоперерабатывающего оборудования являются импульсные вариаторы. Начальными данными для расчетов являются мощность и номинальная частота вращения приводного электродвигателя, наибольшая и наименьшая величина передаточного отношения, диапазон изменения частоты вращения шнекового пресса. Рассмотрена зубчато-рычажная конструктивная схема соосного импульсного вариатора, обладающая компактностью и обеспечивающая широкий диапазон изменения частоты вращения. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности работы импульсных вариаторов в приводах рыбомучных установок.
Abstract. The purpose of the article is to study and substantiate the possibility of improving the efficiency of fishmeal plants due to stepless speed control of the screw press. The analysis of various types of mechanical variators for drives of technological equipment is carried out. It is shown that pulsed variators are the most promising for use in fish processing equipment drives. The initial data for calculations are the power and nominal speed of the drive motor, the largest and smallest values of the gear ratio, the range of rotation speed of the screw press. A gear-lever design scheme of a coaxial pulsed variator is considered, which has compactness and provides a wide range of rotation frequency changes. The results obtained indicate the high efficiency of pulse variators in the drives of fishmeal plants.
Ключевые слова: пищевое оборудование, бесступенчатая передача, передаточное отношение, рыбомучная остановка
Keywords: food equipment, stepless transmission, gear ratio, fishmeal plant
© O.B. Шарков, H.A. Великанов, В.А. Наумов, 2023
Перед агропромышленным комплексом России стоит задача по интенсификации процессов переработки пищевого сырья, увеличению ассортимента и качества пищевой продукции. Одним из путей решения поставленных задач в сфере переработки пищевого сырья, является создание и применение механических передач, позволяющих регулировать силовые и скоростные режимы работы технологического оборудования. Использование таких передач позволит повысить производительность технологического оборудования и реализовать оптимальные режимы его работы [1-2]. Среди таких передач следует выделить механические бесступенчатые передачи (вариаторы), которые находят применение в различном оборудовании пищевых производства [3-9]. Они обладают компактной конструкцией, позволяют передавать значительные мощности, имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия [10].
Рассмотрим возможность применения механической бесступенчато-регулируемой передачи на примере технологического оборудования для переработки рыбного сырья и морепродуктов. Исходным технологическим оборудованием для оснащения его бесступенчато-регулируемой передачей была выбрана рыбомучная установка РМУ, предназначенная для переработки рыбных отходов и малоценных пород рыб на кормовую муку и технический жир.
В частности, была поставлена задача обеспечить плавное изменение частоты вращения шнекового пресса установки за счет использования вариатора.
Исходными данными согласно технической характеристике установки являются:
- мощность электродвигателя шнекового пресса Рш = 5,5 кВт;
- диапазон изменения частоты вращения шнекового пресса пш =0,8...2,5 мин1;
- частота вращения (номинальная) приводного электродвигателя пдв =712 мин1.
Основные кинематические характеристики, которые должна обеспечивать бесступенчато-регулируемая передача, определяются по соответствующим формулам.
1. Наибольшая и наименьшая величина передаточного отношения:
л л
■ = "дв . = Г,ДВ
max п max fr/
Ш min 11.1 min
И
2. Диапазон регулирования частоты вращения
г
д _ max
i .
mm
Тогда, исходя из технических требований рыбомучной установки, необходимо иметь возможность регулировать передаточное отношение в диапазоне от imin=285 до ¿пах =890, а диапазон регулирования не менее Д = 3,5.
В настоящее время разработано и применяется в технологическом оборудовании большое количество различных типов вариаторов [10], основные из которых приведены в табл. 1. Однако специфические условия работы рыбообрабатывающих машин и оборудования не позволяют применять целый ряд типов механических бесступенчатых передач. Например, повышенная влажность исключает применение вариаторов, обеспечивающих передачу вращения силами трения, - клиноременных, фрикционных и др.
В настоящее время в рыбоперерабатывающем оборудовании преимущественно находят применение цепные вариаторы, имеющие ограниченный диапазон регулирования скорости Д = 2...4, что требует применения в приводе оборудования, кроме вариатора, дополнительного редуктора. Это увеличивает габариты технологического оборудования и его стоимость.
Импульсные вариаторы являются наиболее перспективными для внедрения в оборудование рыбоперерабатывающего производства, благодаря ряду своих
достоинств, основными из которых являются высокая нагрузочная способность, компактность конструкций, широкий диапазон регулирования скорости, высокий коэффициент полезного действия и др.
Таблица 1
Технические параметры вариаторов
Тип вариатора Д imax Р, кВт Достоинства Недостатки
Многодисковый 1010 Sumitomo (Япония) 4 5 7,5 Большая нагрузочная способность Малая долговечность
Цепной ВЦ-40 (Россия) 3 3,2 5,2... 7,5 Сложность конструкции
Клиноременной BP-1 (Россия) 4 4,5 5...10 Простота конструкции Большие габариты
Зубчатый G-30 (Германия) 10,16 10,9 6 1,5...14 Жесткая кинематическая характеристика Дискретное изменение передаточного отношения
К настоящему времени имеется положительный опыт применения импульсных вариаторов в технологическом оборудовании легкой, пищевой, сельскохозяйственной и др. промышленности.
Особенно эффективно применение импульсных вариаторов в приводах технологического оборудования, где пульсирующее движение рабочих органов благоприятно сказывается на обеспечении высоких показателей производительности и качества пищевой продукции.
Для привода шнекового пресса рыбомучной установки была разработана конструкция соосного импульсного вариатора, выполненная по зубчато-рычажной схеме (рисунок).
Рисунок. Кинематическая схема импульсного вариатора: 1 - входной вал; 2 - ведущий кривошип; 3 - шатун; 4 - дополнительная тяга; 5 - коромысло; 6 - промежуточный вал; 7 - механизм свободного хода; 8 - зубчатое колесо; 9 - выходной вал
Преобразующий механизм состоит из кривошипа 2, шатуна 3, выполненного в виде диска, и дополнительных тяг 4, расположенных по окружности с равным угловым шагом. Ведомые обоймы механизмов свободного хода 7 имеют зубчатые венцы, образующие зацепление с ободом центрального зубчатого колеса 8. В вариаторе могут быть установлены четыре или шесть механизмов свободного хода 7. Плавное изменение частоты вращения выходного вала 9 осуществляется путем изменения длины кривошипа 2.
В процессе работы импульсного вариатора непрерывное вращение входного вала 1 преобразуется в качательное движение тяг 4, которое в свою очередь, преобразуется механизмами свободного хода 6 в прерывистое вращательное движение центрального колеса 8 и выходного вала 9. Последовательное включение механизмов свободного хода 6 обеспечивает вращение выходного вала 9 с коэффициентом
неравномерности хода, не превышающим допускаемую величину.
Текущее передаточное отношение импульсного вариатора ориентировочно можно определяется по формуле
'ив — 'пм'зп
>
где гпм - передаточное отношение преобразующего механизма; ¿за - передаточное отношение зубчатой передачи.
Передаточное отношение зубчатой передачи определяется как
>
где 28 - число зубьев центрального зубчатого колеса, 28=90; г? - число зубьев венца ведомой обоймы механизмов свободного хода, 28=18.
Таким образом, передаточное отношение зубчатой передачи постоянно и равно ¿сп=5,0, а преобразующий механизм должен реализовывать наибольшее передаточное отношение не менее ¿пм=*тах =180.
Передаточное отношение п ре о б р азу югце го механизма может меняться в процессе работы вариатора с помощью регулирующего механизма путем варьирования длины кривошипа. Формула для определения передаточного отношения имеет вид
, Л
ИМ 7
ы
>
где Ь, - текущая длина кривошипа; Ъ - длина коромысла.
Регулирующий механизм позволяет менять длину кривошипа в диапазоне /Ь=0...20 мм; длина коромысел остается постоянной и составляет 1в =80 мм.
Если принять длину кривошипа близкую к нулю, например Ь =0,40 мм, то передаточное отношение будет гпм=200. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить необходимую частоту вращения шнекового пресса. Теоретически регулирующий механизм может изменить длину кривошипа до Ь=0 мм, и частота вращения шнека станет равной нулю.
Следует отметить, что при больших передаточных числах увеличивается коэффициент неравномерности вращения. Однако для технологического процесса, реализуемого шнековым прессом, это не имеет существенного значения.
Таким образом, обоснована возможность повышения технико-экономических характеристик рыбомучной установки путем бесступенчатого регулирования частоты вращения шнекового пресса за счет использования импульсного вариатора. Показано, что импульсный вариатор позволяет обеспечить широкий диапазон изменения частоты вращения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковалевский В.И. Основные направления и тенденции развития систем приводов технологических машин / / Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2009. - №5.6 (311-312). - С. 76-80.
2. Невзоров В.Н., Величко H.A., Самойлов В.А., Присухина Н.В., Мацкевич И.В., С алых ов Д.В. Разработка технологического оборудования для мини-цехов по переработке зерна пшеницы // Вестник АПК Верхневолжья. - 2016. - № 2(34). - С. 58-63.
3. Nevzorov V.N., Matskevich I.V, Koh Z.A., Bezyazikov D.S. Technology of grain dispersion in the production of flourless bread / / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2021. - Vol. 848. - 012048. doi: 10.1088/17551315/848/1/012048.
4. Dmitriev A., Ziganshin В., Khaliullin D., Aleshkin A. Study of efficiency of peel-
ing machine with variable deck // Proceedings of 19th International Scientific Conference Engineering for Rural Development, 20-22.05.2020, Jelgava, Latvia. - 2020. - pp. 1053-1058. doi: 10.22616/ERDev.2020.19.TF249.
5. Méndez-Lagunasa L., Rodriguez-Ramireza J., MarleneCruz-Gracida M., Sandoval -Torresa S., Barriada-Bernalab G. Convective drying kinetics of strawberry (Fragaria ananassa): Effects on antioxidant activity, anthocyanins and total phenolic content // Food Chemistry. - 2017. - Vol. 230. - pp. 174-183. https://doi.org/10.1016/ j.foodchem.2017.03.010.
6. Иванов H.A. Оборудование для маслоделия // Сыроделие и маслоделие. -2010. -№ 6. -С. 50-51.
7. Калашников Г.В., Назаретьян Д.В., Лазарев Б.П., Миньченко С.В. Машинно-аппаратурная схема линии безотходного производства сухого картофельного пюре / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2015. - № 4(8). - С. 54-59.
REFERENCES
1. Kovalevsky V.I. Osnovnye napravleniya i tendentsii razvitiya sistem privodov tekhnologicheskikh mashin [The main directions and trends in the development of drive systems of technological machines] Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya tekhnologiya, 2009, No 5.6(311-312), pp. 76-80.
2. Nevzorov V.N., Velichko N.A., Samoilov V.A., Prisukhina N.V., Matskevich I.V., Salikhov D.V. Razrabotka tekhnologicheskogo oborudovaniya dlya mini-tsekhov po pererabotke zerna pshenitsy [Development of technological equipment for miniworkshops for processing wheat grain] Vestnik APK Verkhnevolzh'ya, 2016, No 2(34), pp. 58-63.
3. Nevzorov V.N., Matskevich I.V, Koh Z.A., Bezyazikov D.S. Technology of grain dispersion in the production of flourless bread, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, Vol. 848, 012048. doi: 10.1088/1755-1315/848/1/012048.
4. Dmitriev A., Ziganshin В., Khaliullin D., Aleshkin A. Study of efficiency of peeling machine with variable deck, Proceedings of 19th International Scientific Conference Engineering for Rural Development, 20-22.05.2020, Jelgava, Latvia, pp. 1053-1058. doi: 10.22616/ERDev.2020.19.TF249.
5. Méndez-Lagunasa L., Rodriguez-Ramireza J., MarleneCruz-Gracida M., Sandoval -Torresa S., Barriada-Bernalab G. Convective drying kinetics of strawberry (Fragaria ananassa): Effects on antioxidant activity, anthocyanins and total phenolic content, Food Chemistry, 2017, Vol. 230, pp. 174-183. https://doi.org/10.1016/ j.foodchem.2017.03.010.
6. Ivanov N.L. Oborudovanie dlya maslodeliya [Equipment for oil-making] Syrodelie i maslodelie, 2010, No 6, pp. 50-51.
7. Kalashnikov G.V., Nazaretyan D.V., Lazarev B.P., Minchenko S.V. Mashinno-apparaturnaya skhema linii bezotkhodnogo proizvodstva sukhogo kartofel'nogo pyure [Machine and hardware diagram of a line for waste-free production of dry mashed potatoes] Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya, 2015, No4(8), pp. 54-59.204. doi: 10.25103/jestr. 143.22.
