Обоснование основных параметров вертикального режуще-ударного измельчителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Спорняк В. Г., к.т.н. Левченко Э. П., к.т.н. Левченко О. А., Карпук И. А.

(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО РЕЖУЩЕ-УДАРНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ

Выполнены расчёты основных параметров вертикального двухступенчатого измельчителя режуще-ударного действия. Определены мощности на отдельных технологических этапах обработки исходного сырья и сделана интегральная оценка суммарной мощности измельчитель-ной машины в целом. Проведена оценка удельной энергоёмкости сравниваемых измельчителей.

Ключевые слова: вертикальный режуще-ударный измельчитель, резание, удар, мощность, аналитический расчёт.

ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2019. № 15 (58)

_Машиностроение и машиноведение_

УДК 664.73.05

Проблема и её связь с научными и практическими задачами. Одним из главных направлений повышения эффективности работы дробильно-измельчительных машин является комбинирование в рабочей камере различных условий наложения нагрузки на материал, рационально учитывающих физико-механические свойства исходного сырья в зависимости от его размеров и состояния.

Недостатком имеющихся конструкций подобных измельчителей [1, 2] всё ещё являются повышенная энерго- и металлоёмкость, а также низкая производительность, обусловленная недостаточной пропускной способностью и относительно значимыми затратами ручного труда.

Поэтому актуальным направлением является разработка и создание дробильно-измельчительных машин максимально компактного исполнения и металлоёмкости, обладающих наравне со сравнительно малыми энергозатратами высокой удельной производительностью, что рационально обосновывается вертикальной компоновочной схемой, обеспечивающей отсутствие дополнительных сопротивлений движению измельчаемого материала при его транспортировании на разных технологических этапах работы машины.

Постановка задачи. Задачей исследований является повышение эффективности работы двухступенчатого вертикального

измельчителя режуще-ударного действия за счёт создания преимущественных условий режущего и ударного разрушения материала на различных стадиях его фраг-ментирования по высоте рабочей камеры.

В зависимости от интегральной оценки затрат энергии при резании и ударном измельчении, а также обеспечения выгрузки готового продукта определяется необходимая суммарная мощность требуемого электродвигателя, удовлетворяющая поставленным условиям компоновочной схемы.

Изложение материала и его результаты. Аналитический обзор существующих источников информации по данному направлению выявил, что для гарантированного обеспечения необходимого гранулометрического состава готового продукта измельчительные машины подобного типа снабжаются решетчатой или зубчатой декой, а также ситовой решёткой, что приводит к лишним энергозатратам на преодоление их действия вследствие взаимного контакта с перерабатываемым сырьём, к дополнительному расходу электроэнергии. Кроме того, зачастую для выгрузки полученной массы применяются дополнительные устройства, например выгрузочные шнеки, что также не способствует снижению удельных энергозатрат и металлоёмкости данных машин в целом.

Машиностроение и машиноведение

А необходимость применения при обслуживании ручного труда в негативной мере сказывается как на эффективности работы, так и на производительности.

Основными отличительными особенностями предложенного измельчителя [3] являются новизна и эффективность его компоновочной схемы и кинематики движения рабочих органов (рис. 1).

При работе измельчителя исходный продукт подаётся через загрузочную горловину 1 на первую ступень измельчения за счёт резания ножами 3, закреплёнными на диске 4, при этом происходит предварительное разрушение материала на отдельные фрагменты. В дальнейшем предварительно полученные частицы поступают на вторую ступень измельчения в зону действия молоткового барабана 5, где окончательно измельчаются, оседают вниз

рабочей камеры и выбрасываются из неё швырялкой 8 через разгрузочное приспособление 12.

Для подтверждения повышения производительности и снижения энергозатрат был проведён теоретический расчёт энергоёмкости процесса измельчения початков кукурузы.

Расчёт энергии резания E0 (режущая пара, диск с ножами и противорез) проводился на основе данных эксперимента на маятниковом копре [1-3].

Принимаем E0 = 5,3 Дж, средний диаметр початка кукурузы d = 0,04 м. При средней высоте одного резания ^р = 0,006 м рассчитываем объём массы, снятой за один проход ножа:

/2

V =

ж- dz 4

- h

ср •

(1)

1 — загрузочная горловина; 2 — противорезы; 3 — ножи; 4 — диск; 5 — молотковый барабан; 6 — диски; 7 — дека; 8 — швырялка; 9 — электродвигатель; 10 — клиноременная передача; 11 — вертикальный вал;

12 — разгрузочное приспособление

Рисунок 1 Компоновочная схема двухступенчатого режуще-ударного измельчителя

Машиностроение и машиноведение

Энергия, приходящаяся на 1 м резаного материала:

E = El.

v V

(2)

где Е0 — энергия резания; V — объём материала.

Принимая среднюю плотность початков кукурузы р = 600 кг/м3, получим энергию на 1 кг сырья:

E ' = ^. Р

(3)

При производительности Q = 1000 кг/ч = = 0,27 кг/с мощность, затрачиваемая на резание, будет равна

Npe3 = e е.

(4)

Л/

Т

d

x dl

V0 • dt c • dt

V

(7)

Скорость звука в упругой среде находится по формуле

E

c = .—.

(8)

где Е — модуль упругости; р — плотность материала.

При упругой деформации

Л/

т

F_

~SE'

(9)

Al

где —--

относительное удлинение;

А/ —удлинение; I — длина образца; F — усилие; £ — площадь образца.

F

а = —.

S

При этом напряжение (кгс/м ) будет равно

(10)

Подставляя уравнение (9) в (10), получим 0 ' E-Vo(11)

Al V • E

а =--E =

l

E

i р

Отсюда

Vo =

а

л/р •E

(12)

Из условия разрушения, когда кинетическая энергия равна максимальной потенциальной энергии упругой деформации

При ударе с начальной скоростью V0, за время dt материал деформируется на величину dx:

йх = У0 ' Л. (5)

Общая длина участка, участвующая в деформации, равна

d/ = с' dt, (6)

где с — скорость звука в упругой среде. При этом относительная деформация

К • AX2 m • V

2

2

2

(13)

где К — коэффициент упругости; АХ — удлинение.

Коэффициент упругости:

F

K = — = l • S • E. Al

(14)

Исходя из уравнений (13) и (14), максимальное напряжение

= К -АХ. (15)

Отсюда

^пах = стшах ' £. (16)

Подставляя в уравнение (15) плотность р и начальную скорость V, получим

^шах ' £ 'АХ = р-£/-V1

где £' — сечение образца. Отсюда

АХ

(17)

l

= р^ Vz

Так как из уравнения (18)

AX атЯХ

(18)

(19)

lE

то соотнося уравнения (18) и (19), получаем

Машиностроение и машиноведение

E

= р-V2.

(20) ш2х >> g.

Силой тяжести можно пренебречь, т. к.

Получим уравнение относительного Исходя из уравнения (20), выражение движения:

для начальной скорости

.2

2 О

V2 =■

или

Vo =

р - E

О

VР-E '

(21)

(22)

что соответствует предыдущим результатам.

Далее ведём расчёт минимального расстояния от оси вращения, где будет выполняться условие разрушения:

V0 = а -r,

(23)

где с — угловая скорость вращения барабана; г — расстояние от оси вращения. Отсюда находится радиус вращения:

r =

а

Затрачиваемая барабаном мощность находится по формуле

Nбар

Q-V QО

2

р - E

(25)

F = m - а

ц

X.

Сила нормального давления: Fн = 2• т -с -V - sina. Кориолисова сила инерции:

(26) (27)

Vk = 2-

где sina = 1. При этом

а К,,

sina,

F-t = 2• т-а-Гот -f.

(28)

d2 x

т--— = т -с •х - 2• т -с - f • Vот. (29)

dt

Так как Vот = —, то, подставляя в урав-dt

нение (29), получаем

т -

d 2 x dt2

+ 2- т -а - f - — - т -а2 - x = 0. (30) dt

После сокращения массы

d2 x

dx

0 + 2 -с- g• — - с •х = 0. (31) dt dt

Характеристическое уравнение находится в виде

к2 + 2 -а - g -к - а2 = 0,

(24) откуда

2 2 2 2 -а2 + а2 =

к = -а-f

= -а-( f ).

(32)

(33)

Исходя из этого, расстояние от оси вращения

При выходе готовой массы из дробилки во вращающейся системе отсчёта действуют следующие силы.

Центробежная сила инерции:

x = c1 -ek1-1 + c2 -ek2-1.

(34)

Согласно [7-9] / = 0,57, тогда

ф + /2 =41 + 0,572 = 1,15, (35) /-у]1 +/2 = 0,57 -1,15 = -0,58, (36)

/ + = 0,57 +1,15 = 1,72. (37)

При угловой скорости вращения ротора с = 314 (3000 об/мин)

K = 180; K2 =-540.

x = c1 -е

180 -1

+ c2 -e

-540-1

R

При t = 0, x = — = 0,09 м, Vо = 0.

Машиностроение и машиноведение

V = 180 • c1 • e180t - 540 • c2 • e~540t. (39) C + C2 = 0,09; 180 • С1 - 540 • С2 = 0;

540

С = —• С2 = 3 • С2; 4 • C2 = 0,09; 1 180 2 2 2

С2 = 009 = 0,0225; C1 = 0,0675. 24

V = 0,067 • e180t - 0,025 • c2 • е~5Ш. (40)

При периоде T = — = 0,02 с;

t = 0,01 с; x = 0,0675 • l18 + 0,00225 • /~5,4

м;

t = 0,005 с; x = 0,0675 • l0,90 + 0,0225 • /~2,7-При расстоянии x = 0,181 м 0,181

м.

ln

t =

0,0675 180

= 0,0054 с;

Von = 180 • 0,0675 • /

180-0,0054

-540•0,0225•/

-540^0,0054

(41)

tgа =

V,

V,

(43)

опр

Скорость составит

4

V = л IV2 + V2

СП опр •

Мощность швырялки

N =

шв

Q • V 2

2

(44)

(45)

Схема сил, действующих на частицу материала, находящуюся на лопасти швы-рялки приведена на рисунке 2.

Таким образом, минимальную скорость выхода готового продукта из разгрузочного устройства принимаем Vo = 32 м/с.

Расчёт угла наклона выгрузной горловины по отношению к движению материала

Рисунок 2 Схема сил, действующих на частицу, находящуюся на лопасти швырялки

Суммарная мощность на всех этапах процесса

N = Nрез + Ыбар + Ышв. (46)

Принимаем N = 3 КВт.

По сравнению с другими измельчителями типа КДУ-2,0, ДЗГ-Т-350*63-1, ИУ-Ф-10 удельная энергоёмкость предлагаемой конструкции машины является значительно меньшей (табл. 1).

Принимаем а = 30 .

Удельная энергоёмкость сравниваемых измельчителей

Таблица 1

Модели измельчителей Производительность, кг/ч Мощность, кВт Удельная энергоёмкость, кВт/кг

ДЗГ-Т-350х63-1 300 1,5 0,005

ИУ-Ф-10 2500 37,0 0,015

КДУ-2,0 2000 30 0,015

Проектируемая модель 1000 3 0,003

ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2019. № 15 (58)

_Машиностроение и машиноведение_

В результате выполненных теоретических исследований установлено, что преимущества при разрушении початков кукурузы принадлежат проектируемой конструкции, реализация которой может быть заложена при проектировании экспериментального и опытного образцов универсального измельчителя для проведения исследований в типовых производственных условиях.

Выводы и направление дальнейших исследований. Проведённые расчёты позволяют определить рациональную окружную скорость резания сырья, составляющую V0 = 50 м/с; минимальное рас-

Библиографический список

стояние от оси вращения, где будет осуществляться ударное разрушение частиц материала г = 0,159 м; минимальную скорость выхода готовой массы из разгрузочного устройства в пределах VoП = 32 м/с; угол наклона разгрузочной горловины по отношению к движению материала, составляющий 30 градусов.

Определены затраты мощности на всех этапах процесса переработки сырья: на процесс резания Nез = 316 Вт; на процесс ударного разрушения Nар = 1710 Вт; на процесс выгрузки Nшв = 570 Вт. Общие затраты мощности составляют Nбщ = 2596 Вт.

1. Ялпачик, Ф. Е. Кормодробилки : конструкция и расчёт [Текст] / Ф. Е. Ялпачик, Г. С. Ялпачик, Н. Л. Крыжачковский и др. — Запорожье : Коммунар, 1992. — 292 с.

2. Пат. 28308А Украина, МКИ А 01Е29/10, В 02С18/22. Малогабаритный универсальный фермерский измельчитель-смеситель кормов / В. И. Шаповалов, С. Ф. Вольвак, З. У. БолотошвШ ; заявл. 21.05.96; опубл. 16.10.00, Бюл. № 5. — 3 с.

3. Декларационный патент № 16438 Украина, МКИ6 В 02 С 13/14. Двухступенчатый измельчитель кочанов кукурузы /Н. В. Брагинец, В. Г. Спорняк. — № и200600693 ; зявл. 26.01.06 ; опубл. 01.08.06, Бюл. № 8. — 3 с.

4. Брагинец, Н. В. Экспериментальные исследования ножей разных типов на маятниковом копре [Текст] / Н. В. Брагинец, В. Г. Спорняк, Ф. Г. Спорняк // Зб1рник наукових праць Луганського нащонального аграрного умверситету. Сер1я : Техмчм науки. — Луганськ : Видавництво ЛНАУ, 2005. — № 49/72. — С. 87-92.

5. Брагинец, Н. В. Обоснование и выбор конструктивно-технологической схемы измельчителей початков кукурузы для малых ферм [Текст] / Н. В. Брагинец, С. Ф. Вольвак, В. Г. Спорняк // Зб1рник наукових праць Луганського нащонального аграрного умверситету. Сер1я : Техмчм науки. — Луганськ : Видавництво ЛНАУ, 2004. — № 42/54. — С. 38-44.

6. Голик, М. Г. Хранение и обработка початков и зерна кукурузы [Текст] : учебное пособие технологических специальностей вузов пищевой промышленности / М. Г. Голик. — М. : Колос, 1968. — 333 с.

7. Резник, Н. Е. Теория резания лезвием и основы расчёта режущих аппаратов [Текст] / Н. Е. Резник. — М. : Машиностроение, 1975. — 311 с.

8. Овчинников, А. А. К вопросу обоснования параметров измельчителя-смесителя непрерывного действия [Текст] / А. А. Овчинников, Е. В. Сурменев, А. И. Влазнев //Механизация заготовки, приготовления и раздачи кормов. — Саратов, 1982. — С. 28-32.

9. Кононов, Б. В. Анализ процесса выгрузки кормовой смеси в измельчителе-смесителе непрерывного действия [Текст] / Б. В. Кононов, А. К. Цейтлер // Эксплуатация машин в коневодстве. — Саратов, 1985. — С. 19-23.

© Спорняк В. Г.

© Левченко Э. П.

© Левченко О. А.

© Карпук И. А.

Рекомендована к печати д.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Харламовым Ю. А., д.т.н., проф., зав. каф. АТЛНУ им. В. Даля Замотой Т. Н.

Статья поступила в редакцию 03.10.19.

Машиностроение и машиноведение

Спорняк В. Г., к.т.н. Левченко Е. П., к.т.н. Левченко О. О., Карпук I. А. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)

ОБГРУНТУВАННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТР1В ВЕРТИКАЛЬНОГО Р1ЖУЧО-УДАРНОГО ПОДР1БНЮВАЧА

Виконано розрахунки основных параметр1в вертикального двохступеневого подр1бнювача р1жучо-ударног dii. Визначено потужност1 на окремих технолог1чних етапах обробки вх1дног сировини та зроблено ттегральну оцтку сумарног nотужностi здpiбнювальног машини у цто-му. Проведено оцтку питомог енеpгоeмностi поpiвнювальних подpiбнювачiв.

Ключовi слова: вертикальний piжучо-удаpний подpiбнювач, piзання, удар, потужмсть, ана-лтичний розрахунок.

Sporniak V. G., PhD in Engineering Levchenko E. P., PhD in Engineering Levchenko O. A., Karpuk I. A. (DonSTU, Alchevsk, LPR)

SUBSTANTIATION OF THE MAIN PARAMETERS OF THE VERTICAL CUTTING AND IMPACT CRUSHER

There have been carried out calculations of the main parameters of the vertical two-stage crusher of cutting and impact action. The capacities were defined at separate technological stages of processing of initial raw materials and the integral assessment of total crusher capacity as a whole is made. The specific energy intensity of the compared crushers is assessed.

Key words: vertical cutting and impact crusher, cutting, impact, capacity, analytical calculation.