CC BY
20
УДК 627.927
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ РЕЗКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
© 2012 г. В.С. Исаков, В.Б. Балашов
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Приведены принципиальная схема лабораторного зубчато-роторного стенда и результаты экспериментальных исследований механизма с предварительно напряженным замкнутым кинематическим контуром, примененным для резки техногенных отходов.
Ключевые слова: измельчающие машины; зубчатая мельница; замкнутый контур; резка отходов; энергосбережение.
The scheme of laboratory rotor-reducing stand is given. The results of experimental investigations of the mechanism with the pre-stressed closed-loop kinematic contour which is used for cutting of technical waste are represented.
Keywords: reducing machines; toothed grinding mill; closed-loop contour; cutting of waste, energy saving.
Комплексный подход к утилизации технических объектов и сопутствующих техногенных отходов требует целенаправленной деятельности по различным направлениям. В частности, рассмотрения закономерностей движения материальных ресурсов, изучения технологий утилизации как особых процессов, обеспечивающих техническую и экономическую целесообразность при максимальной безопасности непере-работанных отходов, оптимизации инфраструктуры, минимизации энергоемкости и трудозатрат. При проектировании большинства технических объектов и систем предполагают следующие направления утилизации:
- разборку и переработку материалов с целью их повторного использования;
- переработку с целью минимизации объема, обезвреживания и подготовки для длительного хранения (захоронения);
- разборку, ремонт и вторичное использование деталей и узлов по прямому назначению;
- «метаморфоз» - вторичное использование объекта по другому назначению.
Чаще всего используются одновременно первые три направления. Четвертое имеет ограниченную область применения.
Следует отметить, что развитие утилизационных технологий и оборудования определяется в первую очередь экономической целесообразностью и технологической реализуемостью восстановительных процессов. Существенные затруднения возникают при переработке резинотехнических армированных изделий, композитов, требующих предварительного измельчения с целью дальнейшей сортировки по видам материалов. Высокая энергоемкость процессов из-
мельчения ставит под сомнение целесообразность такой утилизации. В этой связи многие исследователи предлагают свои способы разрушения, деформирования, резки и дробления, а также соответствующие им устройства, обеспечивающие снижение энергоемкости.
Разработанные авторами данной статьи принципы использования предварительно напряженных замкнутых кинематических контуров в рабочих органах технологических машин уже представлены в ряде публикаций [1 - 3] и апробированы на примере опытных образцов мельниц [4, 5]. Однако при утилизации и переработке техногенных отходов достаточно часто применяются рабочие органы в виде ножниц. В этой связи был разработан лабораторный зубчато-роторный стенд с режущим рабочим органом.
Принципиальная схема и описание работы лабораторного зубчато-роторного стенда
Принципиальная схема лабораторного стенда представлена на рис. 1 а. Два блока 1 и 5 радиуса г установлены на неподвижных опорах 6. На рукоятях 2 и 4, жестко закрепленных на блоках, установлены эвольвентные зубья 3 и противовесы 14. Эвольвентное зацепление позволяет получить перекатывание зубьев с минимальным скольжением. Для создания нагрузки, имитирующей напряжение замкнутого контура, блоки 1 и 5 через дополнительные звездочки 7 и 10 соединены цепью 8 с резьбовым натяжным устройством 9. Цепь 8 соединена с блоками в точках А. Величина предварительного натяжения цепи фиксируется динамометром 11. Так как длина рычагов 2 и 4 одинакова, система находится в равновесии.
Рис. 1. Схема лабораторного зубчато-роторного стенда: а - принципиальная схема стенда; б - расположение зубьев до резки; в - расположение зубьев после резки
Рабочая нагрузка F плавно изменяется от нуля до величины, достаточной для приведения системы в движение и выполнения технологической операции. Ее значение фиксируется динамометром 13, который соединен через рычаг 12 с приводной звездочкой 10. Стенд позволяет проводить опыты раздавливанием образцов, прессованием, а при установке дополнительных ножей - с резанием. Для этого на одном из зубьев 3 параллельно оси зуба устанавливается нож 16 (см. рис. 1 б). На втором зубе в специальной калиброванной трубке 15 устанавливается образец. Нож 16 крепится к зубу при помощи болтов 17. При перекатывании зубьев нож 16 перекрывает отверстие для установки образца полностью (см. рис. 1 в). В качестве объектов испытания выбраны образцы из проволоки алюминиевой диаметром 2,7 мм и медной - 2,2 мм.
Установка приводится в действие в следующей последовательности:
1. Резьбовой стяжкой 9 устанавливают предварительное напряжение в контуре: 0; 250; 500; 750; 1000; 1250; 1500; 1700; 2000; 2250; 2500 Н, обеспечивая соприкосновение зубьев 3 в точке, соответствующей радиусу делительной окружности.
2. В калиброванную втулку 15 устанавливают опытный образец, что показано на рис. 2 а и фотографии.
3. Рычагом 12 приводят установку в движение, фиксируя динамометром 13 величину усилия при резании образца.
В начальный момент (рис. 2 а) усилие между ножом и образцом равно нулю. Напряжение в контуре
передается через эвольвентное зацепление. После соприкосновения ножа и образца (рис. 2 б) усилие на зубьях эвольвентного зацепления снижается и одновременно возрастает на ноже, начинается процесс резания. Если величина напряжения контура выбрана оптимальной, то при максимальной нагрузке на ноже усилие на зубьях отсутствует (рис. 2 в). После резания образца нагрузка на ноже отсутствует, а напряжение замкнутого контура передается через эвольвентное зацепление (рис. 2 г).
Результаты экспериментальных испытаний
Результаты испытаний, проведенных на лабораторном зубчато-роторном стенде, приведены в таблице. Разброс экспериментальных данных не превышает 7 %.
Относительное снижение Fp рассчитано по фор-
муле:
Fp(0) Fp(250) 100 %
p(0)
Максимальное снижение величины усилия на приводном рычаге по отношению к эксперименту с ненагруженным контуром составляет 3,5 раза для образца из алюминия и 4 раза для образца из меди. При этом наибольшая эффективность резания достигается при определенной величине напряжения в замкнутом контуре. Дальнейшее увеличение предварительного напряжения приводит к увеличению потерь на трение и неэффективному использованию рассматриваемого эффекта, т.е. величина напряжения между зубьями Fз в положении, показанном на рис. 2 в, значительно больше нуля, Fз > 0.
а
Опытный образец
Зуб эвольвентного зацепления
FH = 0
Плоскость контакта зубьев
Зуб эвольвентного зацепления
б
F, = 0
в
Fh = о
при F3 = Fmax
г
Рис. 2. Резание образца на стенде: Fн - усилие на ноже; Fз - усилие между зубьями зацепления; Fmax - суммарное усилие, создаваемое стяжкой и приводным механизмом. Расположение зубьев и ножа: а - до резания; б - в начале резания; в - в момент предельной нагрузки при резании; г - после резания
Полученная экспериментально наиболее рациональная величина предварительного напряжения (рис. 3) для образца из алюминия составила 500 Н. При этом относительное снижение усилия на привод-
ном рычаге составило 71,7 %. Для образца из меди наиболее рациональным явилось предварительное напряжение 750 Н. При относительном снижении усилия на приводном рычаге 75,4 %.
F3 Fmax
а
Результаты экспериментальных испытаний
Величина предварительного напряжения, Н Алюминий, 0 2,7 мм Медь, 0 2,2 мм
Fp, Н Относительное снижение Fp, % Fp, Н Относительное снижение Fp, %
0 52,3 - 115,5 -
250 31 40,7 110,2 4,8
500 14,8 71,7 72,9 37,0
750 20,5 60,8 28,5 75,4
1000 27,5 47,4 33,5 71,1
1250 31,2 40,3 37,5 67,6
1500 33,8 35,4 42,5 63,3
1750 34,5 34,0 45,8 60,4
2000 37,8 27,7 49,8 57,0
2250 39,0 25,4 52,0 55,1
2500 48,8 6,7 69,2 40,2
Величина предварительного напряжения, Н
Рис. 3. Зависимость усилия на приводном рычаге от величины предварительного напряжения для образцов: 1 - из алюминия; 2 - из меди
Таким образом, результаты проведенного эксперимента подтверждают возможность и эффективность использования предварительно напряженных замкнутых кинематических контуров в технологических машинах с режущим рабочим органом. При этом следует отметить, что рациональная величина предварительного напряжения контура не является постоянной для материалов с различными физическими свойствами. Для машин, используемых при утилизации технических объектов и техногенных отходов, измельчение именно таких материалов является характерным.
Поступила в редакцию
Поэтому при их проектировании должна быть предусмотрена возможность регулировки предварительного напряжения контура в широком диапазоне или адаптивная система управления напряжением в контуре непосредственно в рабочем процессе.
Литература
1. Механизмы с силовым замыканием контура / А.Н. Дров-ников [и др.] / Новочеркасский политехнический институт. Новочеркасск, 1991. 141 с. Деп. В ВИНИТИ 24.06.91, № 2621-91.
2. Дровников А.Н., Исаков В.С. Механизмы строительных и подъемно-транспортных машин с использованием напряженных замкнутых контуров. Ростов н/Д, 2006. 156 с.
3. Исаков В.С. О формировании структур замкнутых напряженных гидромеханических контуров // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. Спец. вып. С. 81 - 88.
4. Исаков В.С., Балашов В.Б. О применении индифферентных механизмов в приводах дробильно-измельчающих машин // Развитие строительных машин, механизация и автоматизация строительства и открытых горных работ : материалы междунар. науч.-техн. конф. М., 1996. С. 136 - 137.
5. Исаков В.С., Балашов В.Б. Результаты экспериментальных исследований роторного пресса с напряженным постоянно замкнутым кинематическим контуром // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2003. Приложение № 1. С. 152 - 156.
1 марта 2012 г.
Исаков Владимир Семенович - д-р техн. наук, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-649. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Балашов Василий Борисович - доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-649. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Isakov Vladimir Semenovich - Doctor of Technical Sciences, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-649. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
Balashov Vasiliy Borisovich - assistant professor, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-649. E-mail: kafedra_sdkm@mail.ru
