Оценка производительности нагнетающего шнека при гранулировании органоминеральных удобрений Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

ВЫВОДЫ

Предлагаемая методика позволяет:

- строить годовые графики эксплуатации любых технических средств, в частности, электроустановок, для которых требуется, в одних случаях иметь годовой график выполнения технических обслу-живаний и отдельно график текущих ремонтов, а в других - совместные графики;

- годовые графики проведения технических обслуживаний и текущих ремонтов выполнять как в графическом, так и в табличном виде (цифровая технология).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Система планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания электрооборудования сельскохозяйственных предприятий /Госагропром СССР. - М.: ВО Агропромиздат, 1987. -191 с.

2. Синягин Н.Н., Афанасьев Н.А., Новиков С.А. Система планово-предупредительного ремонта оборудования и сетей промышленной энергетики /3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. -448 с.

Получено 11.04.2005.

УДК 631.22.01

В.Н. АФАНАСЬЕВ, д-р техн. наук;

Н.Г. КИСЕЛЕВ;

А.В. ДИМИТРИЕВ

ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАГНЕТАЮЩЕГО ШНЕКА ПРИ ГРАНУЛИРОВАНИИ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Приведены анализ формулы для определения производительности прессового шнека гранулятора и сравнение результатов расчета по предложенной формуле и фактической его производительности.

В общем случае процесс гранулирования включает следующие технологические стадии переработки:

153

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

- подготовку исходного сырья, дозирование, смешивание компонентов;

- собственно гранулообразование (агломерация, наслаивание, кристаллизация, уплотнение и др.);

- стабилизацию структуры (упрочнение связей между частицами сушкой, охлаждением, полимеризацией и др.);

- выделение товарной фракции (классификация по размерам, дробление крупных частиц).

Выбор аппаратуры для проведения процессов гранулирования определяется механизмом гранулообразования. Конструкция гранулятора должна быть такой, чтобы в нем можно было обрабатывать как можно больше материала с наименьшими затратами, т.е. требуемое качество продукта должно обеспечиваться при максимальной удельной производительности. Анализ конструкций грануляторов показал, что применение только шнекового прессующего органа может обеспечить наиболее приемлемый малый размер гранул органоминеральных удобрений (6-8мм), а также их водоустойчивость при условии высушивания после прессования [1].

Рабочие органы шнековых грануляторов представляют собой цилиндрические или конические шнеки с постоянным или переменным шагом, осуществляющие формование в открытой прессовальной камере.

Производительность нагнетающего шнека является одним из главных показателей, характеризующих работу гранулятора. Ее величина количественно равна объему межвиткового пространства на длине шнека S, заполняемой материалом в единицу времени. Если при этом не учитывать многих факторов, влияющих на уменьшение подачи (степень заполнения полости материалом, его физикомеханические свойства, сопротивление матрицы и др.), то получим теоретическую производительность шнека. По данным опытов фактическая производительность с учетом этих факторов всегда меньше теоретической.

Теоретическая производительность шнека:

Qt = zaFn S, (1)

где z - число заходов шнека;

Fn - площадь поперечного сечения потока материала;

154

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

S - шаг витков винтовой лопасти шнека (S=zS0, где S0 - расстояние между смежными витками); ш - скорость вращения шнека.

Площадь поперечного сечения потока материала найдем из выражения:

Fn = FT - FB - Рл > (2)

где FT - полная площадь сечения шнека в торцовом сечении;

FB - площадь сечения вала шнека;

Fn - площадь лопасти шнека в торцовом сечении.

Полагаем, что органоминеральная смесь полностью заполняет межвитковое пространство и перемещается при вращении шнека только поступательно, подобно перемещению твердой гайки по винту без вращения. При таком перемещении за один его оборот смесь продвигается вдоль оси шнека на длину, равную шагу витков шнека S.

Выразив значение Fn в выражении (2) через геометрические параметры шнека и проведя некоторые преобразования, получим теоретическую объемную, а затем, введя плотность получаемых гранул, и массовую производительность нагнетающего шнека гранулятора:

Qt = k(R - R)(S -hNb.)a6o-£^, (3)

2 cos a 1000

где R1 и R2 - наружный и внутренний радиусы шнека;

b1 и b2 - ширина винтовой лопасти в ее нормальном сечении по наружному и внутреннему радиусам шнека; а - угол подъема винтовой линии лопасти шнека;

р2 - плотность спрессованного материала на выходе из отверстий матрицы.

Однако формула (3) не учитывает сложность процессов, происходящих в шнековой камере при перемещении и прессовании органоминеральной смеси. Прежде всего, она не учитывает разницы заполнения объема межвиткового пространства по длине шнека, изменения плотности органоминеральной смеси и сопротивления

155

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

прессовой матрицы перемещению и прессованию смеси. Поэтому в эту формулу необходимо ввести ряд коэффициентов.

Коэффициент наполнения (КН), учитывает зависимость подачи шнека от степени заполнения объема винтовой полости приемных витков по массе исходной органоминеральной смеси. Для нагнетающих шнеков коэффициент наполнения КН определяется экспериментальным путем и зависит, в основном, от отношения шага шнека к его диаметру и к числу оборотов шнека. Принято считать, что объем шнека заполняется транспортируемым материалом только частично. Полное заполнение может быть достигнуто при соответствующих условиях входа и выхода прессуемого материала и малых скоростях вращения шнека [2] путем подбора геометрических и кинематических параметров шнека и параметров матрицы. В общем случае коэффициент наполнения КН < 1.

Коэффициент прессования (КП), учитывает изменение плотности органоминеральной смеси в шнековой камере при переходе ее из рассыпчатого состояния в спрессованную пластическую массу.

К„ = £р, (4)

Pi

где Pi - насыпная плотность материала.

Для учета влияния сопротивления прессовой матрицы на процесс перемещения органоминеральной смеси вводится коэффициент снижения подачи КС, который учитывает степень уменьшения подачи спрессованной смеси в каналы матрицы в зависимости от свойств органоминеральной смеси, параметров нагнетающего шнека и матрицы. В большой мере значение этого коэффициента зависит от величины зазора между наружной кромкой винтовой лопасти шнека и внутренней поверхностью его корпуса.

Исследованиями А. Я. Соколова и Ю. А. Мачихина [3] выявлено, что коэффициент прессования КП не зависит от производительности шнека и при постоянных значениях объемной массы насыпного материала и давления прессования остается величиной примерно постоянной. Следовательно, фактическая производительность пресса определяется с учетом коэффициентов КН и КС.

156

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

Для получения максимально возможной производительности шнека необходимо, чтобы каждый из коэффициентов КН и КС и их произведение были равны единице. Таким образом, соответствующим подбором параметров шнека и матрицы (формы и площади живого сечения формующих отверстий) можно создать условия для получения максимальной производительности нагнетающего шнека.

Из вышеизложенного следует, что формула (3) для определения фактической производительности нагнетающего шнека с учетом введенных коэффициентов примет вид:

Qo

nz(R22K

R21K )(Sk

Е1МЫ )M-b_

2 cos ак 1000

КнКпКс . (5)

Формула (5) отличается тем, что в ней отражена зависимость производительности пресса от показателей работы его основных рабочих органов - нагнетающего шнека и матрицы, которые в технологическом процессе прессования органоминеральной смеси рассматриваются как рабочая пара особого рода. Эта формула пригодна как для определения производительности пресса, так и для анализа эффективности работы различных шнеков по их геометрическим и кинематическим параметрам.

Произведение коэффициентов КН и КП указывает на изменение объема органоминеральной смеси в процессе прессования от входа в шнек и до выхода из его последнего витка. Объем, занимаемый одной и той же порцией смеси в последнем витке шнека, существенно меньше объема, занимаемого им в первом приемном витке. Следовательно, форма шнека с равномерным шагом и постоянной величиной наружного и внутреннего диаметров шнека, определяющими постоянный объем межвиткового пространства, не является оптимальной.

Из формулы (4) следует, что наиболее целесообразной формой шнека, учитывающей особенности процесса перемещения и прессования органоминеральной смеси, является шнек с убывающим объемом межвиткового пространства. У такого шнека, вследствие разности объемов межвиткового пространства, коэффициент наполнения объема межвиткового пространства последнего витка органоминеральной смесью в расчете на исходную плотность увеличивается во столько

157

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

раз, во сколько раз он меньше объема межвиткового пространства приемного витка.

Во всех случаях, когда объем межвиткового пространства приемных витков шнека отличается от объема полости нагнетающего (последнего) витка, фактическая производительность определяется по параметрам последнего витка шнека, т. к. им при работе пресса с матрицей завершается подача спрессованной смеси в каналы матрицы. Для шнеков с уменьшающимся по длине объемом полости межвиткового пространства коэффициент изменения объема полости межвитко-вого пространства приемного витка должен быть приведен к объему полости последнего витка, отношение объемов которых определяется выражением [2].

VK

n(R22n -R2k)(Sk

n(R]K -R21K)(Sk

Ь2 + Ь1 J

2 cos a n

b2 + bi j

2 cos a K

2Sn cos a 2SK cos a

(Ь2 + Ь1) , (6)

(b2 + bj)

где Vn и VK - объем полости приемного и конечного витков шнека;

Sn и SK - шаг приемных витков и последнего витка шнека. Rn и R2n - наружный и внутренний радиусы приемных витков шнека;

RK и R2K - наружный и внутренний средние радиусы последнего витка шнека.

Тогда формула фактической производительности для шнека с убывающим объемом межвиткового пространства будет иметь вид

Q, = MR2 - RJk )(s k - + ь,> )®60-%- к, K„KnKc, (7)

2 cos a 1000

где KVKH - приведенный коэффициент наполнения полости последнего витка шнека.

В целом для соблюдения равенства теоретической и фактической производительности прессующего шнека произведение всех коэффициентов должно быть равно единице:

158

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

Kv КнКпКс = 1. (8)

Проведем анализ возможных значений предложенных коэффициентов.

Как уже было определено, коэффициент Кн =1,0.

В ходе предварительных исследований при различных сочетаниях влажности и плотности исходной смеси, изменяя содержание минеральных удобрений и частоту вращения нагнетающего шнека, определили, что плотность гранул колеблется в диапазоне от 1,27 до 1,53 кг/см3, а давление в прессующей камере - от 0,7 до 6 МПа.

Для определения коэффициента Кп провели исследования на лабораторном стенде (рис. 1), где смесь сжимали в цилиндре путем перемещения поршня. Анализ результатов (рис. 2) показал, что плотность сжатой на стенде смеси, равная плотности гранул, достигается при том же давлении, что и при работе гранулятора, а объем изменяется в 3 раза. Следовательно, коэффициент Кп для данной смеси равен 3, а коэффициент KV=1/3. Таким образом, приняв Кн =1,0, с учетом формулы (8) получим, что коэффициент Кс также равен единице.

159

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Плотность, кг/см3

а

П ПП'Ж

0,002 4

Е- 0 0015

® П ПП1

° П ППП5

0

0 2 0 О 6 0 лотнос 8 1 ь, кг/см 0 1 2 1

б

Рис. 2. Зависимости конечной плотности материала от давления прессования (а) и сжатия (б) на лабораторном стенде

Сравнивая расчетные величины производительности с результатами, полученными на экспериментальном грануляторе, можно констатировать, что расхождение не превышает 13 %, при этом коэффициент КС=0,87. Отличие коэффициента КС от единицы объясняется наличием увеличенного зазора между наружной кромкой винтовой лопасти прессующего шнека и внутренней поверхностью его корпуса.

ВЫВОДЫ

1. Получение наиболее приемлемого размера гранул ^гр=6-8мм) органоминеральных удобрений может обеспечить гранулятор только со шнековым прессующим органом с тщательной подготовкой исходного материала (размер частиц и влажность).

160

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2005. Вып. 77.

2. Для расчета производительности шнекового гранулятора следует применять коэффициент изменения объёма Rv =1/3, коэффициент снижения подачи КС=0,87; при этом следует учитывать, что величина коэффициента КС будет уменьшаться по мере износа пары прессующий шнек - корпус шнека.

3. Расхождение рассчитанной по предложенной формуле производительности с фактической производительностью экспериментального гранулятора не превышает 13%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Провести НИР по созданию механизированной линии превращения навоза и помета в биологически активные органические удобрения и выдать исходные требования на ее разработку. Отчет о НИР (промежуточ.) /НИПТИМЭСХ НЗ РФ; Руководитель В.Н. Афанасьев - 8РТ; № ГР 01970000345; Инв. № 02.9.80 004978. - СПб., 1997.

2. Прессы пищевых и кормовых производств. /Под ред. д.т.н. А.Я. Соколова. - М.: Машиностроение, 1973. - 288 с.

3. Теория шнековых устройств. - Л.: Изд. Ленинградского университета, 1978. - 144 с.

Получено 17.11.2005.

161