CC BY
121
664.7:631.363.28:621.979.2
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИПРЕСС-ГРАНУЛЯТОРОВ ПУТЕМ ОГРАНИЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ КОНТАКТНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
И.Т. КОВРИКОВ, А.С. КИРИЛЕНКО
Оренбургский государственный университет,
460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13; тел.: (3532) 91-21-70; электронная почта: [email protected]
Проанализирована схема напряженно-деформированного состояния прессуемого материала в пресс-грануляторах с кольцевой матрицей. Обосновано, что незамкнутое клиновидное пространство между матрицей и прессующими роликами обусловливает боковое выдавливание продукта. Предложена конструкция пресс-гранулятора с установленными в нем ограничительными кольцами. Показана возможность повышения производительности и снижения энергоемкости пресс-грануляторов в условиях торцевого ограничения клиновидного пространства дополнительными контактными поверхностями.
Ключевые слова: пресс-гранулятор, прессовое гранулирование, боковое выдавливание, ограничительные кольца, торцевые контактные поверхности, замкнутое клиновидное пространство, плоское деформированное состояние.
Наиболее распространенными пресс-гранулятора-ми являются вальцово-матричные, состоящие из установленной на планшайбе активной кольцевой матрицы с внутренней цилиндрической поверхностью, контактирующей с прессуемым материалом, и размещенных внутри нее пассивных прессующих роликов (вальцов).
За последние 20 лет конструкции отечественных [1, 2] и зарубежных [1,3] пресс-грануляторов этого типа существенных изменений не претерпели. В то же время пресс-грануляторы импортного производства по-прежнему имеют более высокий технический уровень. Исследования по совершенствованию конструкций пресс-грануляторов посвящены прежде всего повышению производительности и надежности прессующего механизма, снижению энергоемкости процесса гранулирования и трудоемкости обслуживания рабочих органов, обеспечению возможности регулирования качества получаемых гранул. Ни в отечественных, ни в зарубежных научных работах не учитывается такой важный недостаток в рабочем процессе существующих и проектируемых пресс-грануляторов с кольцевой матрицей, как боковое выдавливание прессуемого материала в зоне его захвата и сжатия рабочими органами, а также частично в зоне выдавливания через фильеры матрицы. В результате бокового выдавливания материала значительно снижается производительность пресс-гранулятора. Часть материала, выдавленная за пределы рабочей области, повторно поступает в клиновидное пространство между матрицей и прессующим роликом, что увеличивает энергоемкость процесса.
Интенсивность бокового выдавливания вблизи торцов рабочих органов выше, чем в центральной части контактных поверхностей. Таким образом, имеет место неравномерное распределение контактных напряжений по ширине рабочих органов, которое обусловливает ухудшение условий захвата прессуемого материала (как следствие, снижается производительность пресс-гранулятора), разную производительность в крайних и центральных фильерах матрицы, неодинаковое качество гранул в них и неравномерный износ по ширине матрицы и обечайки прессующего ролика [4].
Последнее отражается на долговечности рабочих органов и надежности пресс-гранулятора.
С целью анализа указанных явлений рассмотрим движение прессуемого материала в клиновидном пространстве между матрицей и прессующим роликом. Материал будем считать сплошной изотропной средой, обладающей свойствами упругопластического тела. Преимущества применения данной модели прессуемого материала к процессу гранулирования растительного сырья обоснованы различными авторами [5, 6].
Нарис. 1 условно изображена зона взаимодействия прессуемого материала с вращающейся кольцевой матрицей 1 и прессующим роликом 2. Подаваемый на внутреннюю поверхность матрицы слой материала 3 увлекается в клиновидное пространство, условно разделенное на три зоны: зону отставания А, зону выдавливания в фильеры матрицы В и зону опережения С. На поверхностях этого слоя, контактирующих с обоими рабочими органами, возникают контактные (поверхностные) нормальные и касательные напряжения. Создаваемое напряженно-деформированное состояние материала при его движении непрерывно изменяется.
В зоне отставания пластическое течение материала по поверхностям рабочих органов происходит против направления их вращения [6], соответственно, величина средней окружной скорости слоя материала (по его высоте) меньше окружных скоростей матрицы и прессующего ролика.
В начале зоны отставания обрабатываемый продукт находится в сыпучем состоянии и уплотняется. Поэтому при установившемся процессе боковое выдавливание материала здесь незначительно. Далее, по мере уплотнения, материал все больше проявляет упругопластические свойства.
Основная часть зоны отставания характеризуется объемным напряженным состоянием материала и неравномерной деформацией.
Нормальные напряжения, действующие на элементарный объем 4 (ориентированный относительно контактной поверхности матрицы) в слое материала, являются сжимающими. В радиальном направлении дейст-
Рис. 1
вуют сжимающие напряжения а т
да г дт
йт, создавае-
мые силами давления рабочих органов (контактными нормальными напряжениями агк и аик) и обеспечивающие пластическую деформацию материала. При тангенциальном (окружном) перемещении продукта его частицы испытывают подпирающее действие контактных касательных напряжений т фм и тфр, направленных в зоне отставания и зоне опережения навстречу друг другу, а также нормальных тангенциальных реакций со стороны соседних частиц в слое материала. Следовательно, нормальные тангенциальные напряже-д^
ния а Н------также являются сжимающими. Нако-
дср
нец, при поперечной деформации материала его частицы встречают сопротивление со стороны элементарных сил трения (контактных касательных напряжений т2м и и ), действующих вдоль образующих контактных поверхностей кольцевой матрицы и прессующих роликов (свободная поперечная деформация), что обусловливает появление сжимающих нормальных осе-дсг 2
вых напряжений а2 Н-------az. Этими напряжениями оп-
дz
ределяется активная сила ,Рбок бокового выдавливания продукта. На свободных торцевых поверхностях слоя материала осевые напряжения отсутствуют, т. е. наблюдается плоское напряженное состояние (рис. 1).
Интенсивность поперечного течения материала определяется его напряженным состоянием в клиновидном пространстве, а также существенно зависит, как и само напряженное состояние, от ряда факторов: структурно-механических (реологических) свойств обрабатываемого продукта (предела текучести при сжатии, коэффициента контактного трения), конструктивных параметров пресс-гранулятора.
В стандартных схемах пресс-грануляторов с кольцевой матрицей нормальные осевые напряжения в зоне отставания в основном оказывают меньшее сопротивление деформированию материала, чем нормальные тангенциальные напряжения, т. е. а2 < аф < ат, и по закону наименьшего сопротивления материал стремится к перемещению в направлении торцов рабочих органов. В случае матриц малой ширины боковое выдавливание проявляется в наибольшей мере. В то же время с увеличением рабочей ширины Ь матрицы в пресс-гра-нуляторах, как правило, увеличивают радиальные размеры рабочих органов, и, соответственно, обеспечивается большее значение высоты Н0 свободного от давления рабочих органов слоя материала, которое зависит от подачи продукта в рабочую камеру пресса. В связи с этим малые значения Ь/Н0 не позволяют пренебрегать поперечным течением материала. С увеличением радиальных размеров рабочих органов увеличивается и окружная протяженность клиновидного пространства, следовательно, растет сумма подпирающих касательных тангенциальных напряжений м и р на контактных поверхностях, что ведет к увеличению смещаемого объема материала в поперечном направлении.
Нормальные осевые напряжения а2 определяются главным образом касательными осевыми напряжениями и 2м и и 2р на контактных поверхностях, причем на матрицах малой ширины влияние этих касательных напряжений меньше. С удалением от контактных поверхностей действие подпирающих касательных напряжений ослабевает, а действие на элементарный объем осевых реакций со стороны окружающего материала незначительно (ввиду небольших Ь/Н0), следовательно, в средних по высоте частях слоя материала поперечная деформация происходит интенсивнее. Вблизи торцов рабочих органов, где влияние поперечных сил трения относительно мало, поперечная деформация материала активно происходит по всей высоте слоя.
Некоторые конструктивные особенности пресс-грануляторов способствуют боковому выдавливанию продукта в зоне отставания. В частности, неровности обечайки прессующего ролика наиболее распространенной конструкции в виде рифлей обеспечивают удержание на контактных поверхностях роликов прессуемого материала и увеличивают величину контактных касательных напряжений в тангенциальном направлении, но облегчают поперечную деформацию материала. Попытки уменьшить боковое выдавливание за счет оптимизации конструктивного исполнения
рифлей малоэффективны вследствие относительно быстрого износа неровностей обечайки.
Боковое выдавливание наиболее выраженно в основной части зоны отставания, пока фильеры 5 матрицы «непроницаемы» для прессуемого материала. При дальнейшем движении слоя материала в клиновидном пространстве его высота уменьшается, а нормальные напряжения в нем возрастают. Выдавливание предварительно сжатого продукта в фильеры матрицы начинается, когда нормальные радиальные напряжения в нем достигают значений, равных сопротивлению фильер прессованию гранул. В зоне выдавливания в фильеры матрицы основная часть материала движется в радиальном направлении (в нейтральном сечении зоны выдавливания касательные тангенциальные напряжения тфм и тфр равны нулю). С одной стороны, нормальные радиальные напряжения обеспечивают «проницаемость» фильер матрицы, с другой - постепенное уменьшение радиального зазора между контактными поверхностями рабочих органов увеличивает в зоне выдавливания сопротивление поперечной деформации продукта. Поэтому течение материала в осевом направлении здесь по сравнению с зоной отставания менее интенсивно, хотя оказывает большее влияние на неравномерный износ по ширине матрицы и обечайки прессующего ролика.
Слой материала 6, не выдавленного в фильеры матрицы и в направлении торцов рабочих органов, поступает в зону опережения, где, проходя через минимальное по высоте радиальное сечение клиновидного пространства, упруго расширяется [7, 8], а затем снова попадает в зону отставания и повторно сжимается.
Таким образом, в условиях незамкнутого клиновидного пространства между рабочими органами в пресс-грануляторах с кольцевой матрицей расход Qф, м3/с, материала через фильеры матрицы может быть представлен в виде
Qф = Qв0 - Q в! - 2Q бок,
(1)
Qф — Q0 &1 2^бок + &ок )•
(2)
где Qв0 - расход материала через радиальное сечение (высотой кв0) клиновидного пространства, соответствующее началу зоны выдавливания в фильеры матрицы, м3/с; Qв1 - расход материала через радиальное сечение (высотой Нв1) клиновидного пространства, определяющее границу между зоной выдавливания в фильеры матрицы и зоной опережения, м3/с; Qб/C)к - расход материала через сечение зоны выдавливания в фильеры матрицы плоскостью, совпадающей со свободной торцевой поверхностью слоя, м3/с (на рис. 1 в зоне В сечение затенено).
С учетом бокового выдавливания продукта в зоне отставания расход Qв0 определяется из разности расхода Q0 материала, поступающего в зону отставания через сечение с высотой й0, и удвоенного расхода Qб//к материала через сечение зоны отставания плоскостью, совпадающей со свободной торцевой поверхностью слоя (на рис. 1 в зоне А сечение затенено). Тогда формула (1) преобразуется к виду
Из выражения (2) следует, что общая производительность пресс-гранулятора, определяемая расходом Qф, может быть увеличена за счет как предотвращения
Рис. 2
бокового выдавливания материала, так и увеличения разности расходов Q0 и Qв1.
Процесс прессования без бокового выдавливания возможен только в условиях замкнутого клиновидного пространства между рабочими органами пресс-грану-лятора, когда контактные поверхности образуют замкнутый контур поперечного сечения слоя продукта. Это может быть обеспечено различными путями, и результат каждого из них сводится к уравновешиванию боковых перемещений масс. Одним из предлагаемых и достаточно просто осуществимых путей является создание дополнительных торцевых контактных поверхностей, позволяющих реализовать в зонах отставания и выдавливания в фильеры матрицы схему плоского деформированного состояния прессуемого материала.
Эффективным конструктивным решением в соответствии с рис. 2 может быть устройство в виде двух колец 1, ограничивающих торцевые поверхности слоя прессуемого материала. Боковые поверхности 2 ограничительных колец, обращенные к торцам прессующих роликов 3 и контактирующие с продуктом, а также рабочая поверхность матрицы 4 образуют кольцевую полость с входящими внутрь нее прессующими роликами.
Требования, предъявляемые к конструкции ограничительных колец, могут быть сформулированы с учетом особенностей прессования в замкнутом клиновидном пространстве. Ограничительные кольца не должны быть связаны с матрицей пресс-гранулятора. Устройство не должно усложнять его эксплуатацию. Необходимо обеспечить возможности:
изменения высоты торцевых контактных поверхностей ограничительных колец для одной и той же матрицы (путем быстрой замены колец);
регулирования зазора А между боковыми поверхностями ограничительных колец и торцами прессующих роликов;
изменения сопротивления выдавливанию материала через зазор А за счет регулирования величины или оптимизации его формы.
Предложенная нами конструкция устройства, в котором сменные ограничительные кольца 1 (рис. 2) прикреплены к планшайбе 5 пресс-гранулятора и конусу 6 для подачи продукта в зону прессования, удовлетворяет изложенным требованиям [9].
В пресс-грануляторе с торцевым ограничением клиновидного пространства расход Qф в формуле (2) корректируется на величину уменьшения бокового выдавливания прессуемого материала. При этом предполагается, что высота торцевых контактных поверхностей ограничительных колец выбрана оптимальной, исходя из ее влияния на энергоемкость процесса и нагрузки на рабочие органы прессующего механизма. Если ограничительные кольца полностью компенсируют поперечную деформацию продукта, то общая производительность пресс-гранулятора возрастает на величину 2^ + QбOк):
Qф — Qo -й*- (3)
Отсутствие бокового выдавливания приводит также к снижению энергозатрат на повторное сжатие прессуемого материала.
Анализ математической модели процесса прессового гранулирования в условиях замкнутого клиновидного пространства, сформированной в результате теоретических исследований, показывает, что введение дополнительных контактных поверхностей обеспечивает при том же сопротивлении фильер смещение зоны отставания в направлении, противоположном вращению рабочих органов, с одновременным расширением границ зоны выдавливания в фильеры матрицы. Это означает, что увеличивается разность расходов Q0 и Qв] в правой части выражения (3), а следовательно, производительность пресс-гранулятора.
Таким образом, совершенствование рабочего процесса вальцово-матричных пресс-грануляторов с кольцевой матрицей путем торцевого ограничения клино-
видного пространства дополнительными контактными поверхностями обеспечивает существенное повышение производительности и снижение энергоемкости за счет предотвращения бокового выдавливания продукта и вследствие изменения границ зон клиновидного пространства. Предлагаемое направление совершенствования процесса прессового гранулирования отвечает критериям ресурсосбережения и энергоэффективности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технологическое оборудование предприятий отрасли (зерноперерабатывающие предприятия) / Л.А. Глебов, А.Б. Дем-ский, В.Ф. Веденьев и др. - М.: ДеЛи принт, 2006. - 816 с.
2. Жислин Я.М., Пикус Б.И. Дробильное и прессующее оборудование комбикормового завода. - М.: Агропромиздат, 1987. -118 с.
3. Шестерина С.А. Гранулирование комбикормов за рубежом. - М.: ЦНИИТЭИ М-ва хлебопродуктов СССР, 1989. - 28 с.
4. The terminology of dies // La Meccanica s.r.l di Reffo. -http://www.lamec-pellets.com/dies_main_terminolo-gy_vr.htm (дата обращения 18.10.2011).
5. Винников Г.А. Исследование процесса гранулирования комбикорма в прессах с вращающейся кольцевой матрицей: Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1970. - 164 с.
6. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработкезерна/Подред. А.Я. Соколова.-М.: Колос, 1984. - 445 с.
7. Некрашевич В.Ф. Научно-техническое обоснование технологии и средств механизации приготовления кормовых гранул и брикетов с заданными физико-механическими свойствами: Дис.... д-ра техн. наук. - Рязань, 1982. - 512 с.
8. Полищук В.Ю. Исследование процесса гранулирования комбикормов и путей повышения долговечности рабочих органов прессов-грануляторов: Дис. . канд. техн. наук. - М., 1979. -192 с.
9. Пат. 2412819 РФ, МПК8 B 30 B 11/20, B 28 B 3/18. Пресс-гранулятор / И.Т. Ковриков, А.С. Кириленко; Оренбург. гос. ун-т // БИПМ. - 27.02.2011.
Поступила 26.10.11 г.
INCREASE OF PELLET MILLS CAPACITY BY RESTRICTION OF WORKING SPACE
BY ADDITIONAL CONTACT SURFACES
I.T. KOVRIKOV, A.S. KIRILENKO
Orenburg State University,
13, Pobedy av., Orenburg, 460018;ph.: (3532) 91-21-70, e-mail: [email protected]
The circuit design of the mode of deformation of pressed material in pellet mills with a ring dies is analyzed. It is proved, that the unlocked wedge-shaped space between a die and press rollers causes lateral extrusion of a product. The design of a pellet mill with the restrictive rings installed in it is proposed. Possibility of increase of pellet mills capacity and decrease in energy intensity in the conditions of butt restriction of wedge-shaped space by additional contact surfaces is shown.
Key words: pellet mill, pressure granulation (pelleting, extrusion agglomeration), lateral extrusion, restrictive rings, butt contact surfaces, closed wedge-shaped space, plane deformed state.
