Повышение производительности смесителей непрерывного действия с механизмом осцилляции Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оригинальная статья / Original article УДК 621-027.31

http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1 -38-46

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СМЕСИТЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С МЕХАНИЗМОМ ОСЦИЛЛЯЦИИ

© Ю.И. Подгорный1, В.Ю. Скиба2, Т.Г. Мартынова3, И. Д. Дюбанова4, А. И. Тертова5, А.А. Чернышева6

1-6Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, пр-кт Карла Маркса, 20. Новосибирский технологический институт (филиал) «МГУДТ», Российская Федерация, 630099, г. Новосибирск, ул. Потанинская, 5.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В промышленности, строительстве и сельском хозяйстве широко эксплуатируется перемешивающее технологическое оборудование непрерывного действия. Для повышения качества смесей в некоторых смесителях наряду с вращательным применяется возвратно-поступательное движение рабочих органов (осцилляция). Целью данной работы является выявление возможности повышения производительности таких агрегатов за счет увеличения их кинематических параметров. МЕТОДЫ. В ходе исследования разработана расчетная схема двухвального смесителя, позволившая провести математическое моделирование кинематических и силовых параметров механизма. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. В работе проведен анализ взаимосвязи кинематических, динамических и геометрических параметров механизма смесителя, получены зависимости осевой и тангенциальной нагрузок от отношения скоростей, а также осевой скорости и ускорения от отношения скоростей. ВЫВОДЫ. Осевая скорость имеет наибольшее значение при угле поворота эксцентрика 180°, а ускорение - при 120 или 240°. Для снижения динамических нагрузок на рабочие органы необходимо использовать такие скоростные режимы, при которых ускорение меняется незначительно, т.е. в интервале отношения скоростей от 0 до 0,2. Результаты проведенных исследований показали, что увеличение отношения осевой и тангенциальной скоростей приводит к увеличению тангенциальной и уменьшению осевой нагрузки на лопатки рабочих валов. Ключевые слова: смеситель непрерывного действия, осцилляция, кинематические параметры, динамические параметры, математическое моделирование, осевая скорость, тангенциальная скорость.

Формат цитирования: Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Дюбанова И.Д., Тертова А.И., Черны -шева А.А. Повышение производительности смесителей непрерывного действия с механизмом осцилляции // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 1. С. 38-46. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1 -38-46

IMPROVING EFFICIENCY OF CONTINUOUS MIXERS WITH AN OSCILLATION MECHANISM Yu.I. Podgorny, V.Yu. Skeeba, T.G. Martynova, I.D. Dyubanova, A.I. Tertova, A.A. Chernysheva

Novosibirsk State Technical University,

20 K. Marks pr., Novosibirsk 630073, Russian Federation

1

Подгорный Юрий Ильич, доктор технических наук, профессор кафедры проектирования технологических машин, e-mail: [email protected]

Yuri I. Podgorny, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Industrial Machinery Design, e-mail: [email protected]

2Скиба Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования технологических машин, e-mail: [email protected]

Vadim Yu. Skeeba, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Industrial Machinery Design, e-mail: [email protected]

3Мартынова Татьяна Геннадьевна, кандидат технических наук, кафедры проектирования технологических машин, e-mail: [email protected]

Tatiana G. Martynova, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Industrial Machinery

Design, e-mail: [email protected]

4Дюбанова Ирина Дмитриевна, студентка, e-mail: [email protected]

Irina D. Dyubanova, Student, e-mail: [email protected]

5Тертова Анна Игоревна, студентка, e-mail: [email protected]

Anna I. Tertova, Student, e-mail: [email protected]

6Чернышева Анна Алексеевна, магистрант, e-mail: [email protected]

Anna A. Chernysheva, Master's degree student, e-mail: [email protected]

©

Novosibirsk Technological Institute (branch of Moscow State University of Design and Technology), 5 Potaninskaya St., Novosibirsk 630099, Russian Federation

ABSTRACT. PURPOSE. Continuous mixing technological equipment is widely used in industry, construction engineering and agriculture. Some mixers alongside with rotatory motion of actuators also employ reciprocating motion (oscillation) in order to improve the quality of mixtures. The purpose of this work is to identify the possibility of improving these machines performance through increasing their kinematic parameters. METHODS. A design model of a two-shaft mixer has been developed in the course of study. It allowed to perform a mathematical modeling of kinematic and power parameters of the mechanism. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The relationships between the kinematic, dynamic and geometric parameters of the mixer mechanism are analyzed. The dependences of axial and tangential loads on the ratio of velocities, as well as axial velocity and acceleration on the ratio of velocities are obtained. CONCLUSIONS. The axial velocity has the greatest value when the rotation angle of the eccentric equals 180° and the acceleration is 120 or 240°. To reduce actuator's dynamic loads it is necessary to use such high-speed modes, under which the acceleration varies insignificantly, i.e. in the interval of the velocity ratio from 0 to 0.2. The study results show that the increase in the ratio of axial and tangential velocities increases the tangential load and decreases the axial load on the working shaft blades. Keywords: continuous mixer, oscillation, kinematic parameters, dynamic parameters, mathematical modeling, axial velocity, tangential velocity

For citation: Podgorny Yu.I., Skeeba V.Yu., Martynova T.G., Dyubanova I.D., Tertova A.I., Chernysheva A.A. Improving efficiency of continuous mixers with an oscillation mechanism. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 1, pp. 38-46. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-38-46

Введение

В различных отраслях промышленности, строительства и сельского хозяйства широкое распространение получило технологическое оборудование, предназначенное для изготовления различных смесей. На многих крупных предприятиях в автоматических линиях используются смесители непрерывного действия с двумя рабочими валами [1]. Такое оборудование эффективно применять для получения сыпучих смесей [2].

Рабочая камера двухвального смесителя обычно выполняется в виде ванны, в которой горизонтально расположены два рабочих вала, вращающихся в противоположных направлениях. На валах установлены лопатки. Загрузка исходных компонентов осуществляется через загрузочное отверстие, расположенное с одной стороны рабочей камеры в верхней ее части, и в процессе перемешивания смесь продвигается к разгрузочному устройству, расположенному в противоположной стороне рабочей камеры (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема смесителя непрерывного действия Fig. 1. Schematic diagram of a continuous mixer

Проблемам исследования механизмов смесителей и методикам их проектирования посвящены работы О.В. Демина, А.Б. Шушпанникова, П.И. Огородникова и др., а в области макаронного производства - М.Е. Чернова, А.И. Драгилева и др. Исследователями выявлен ряд факторов, влияющих на технические, технологические и конструктивные характеристики смесителей для сыпучих материалов, но предлагаемые ими методики расчетов не учитывают возвратно-поступательного движения рабочих органов.

Целью данной работы является выявление возможности повышения производительности смесителя при наличии возвратно-поступательного движения рабочих валов. В соответствии с данной целью были поставлены следующие задачи:

- разработать расчетную схему двухвального смесителя;

- провести математическое моделирование кинематических и силовых параметров механизма смесителя;

- провести анализ взаимосвязи кинематических, динамических и геометрических параметров механизма смесителя.

Материал и методы исследования

Особенностью смесителей является большая протяженность рабочей камеры для обеспечения требуемого качества смеси, вследствие чего валы имеют большую длину при относительно малом диаметре. Отношение длины к диаметру вала находится в интервале от 30 до 50, что говорит об их малой жесткости вследствие низкой виброустойчивости. Кроме того, установка лопаток под разными углами приводит к неравномерной нагрузке по длине вала.

Еще одной особенностью является то, что для увеличения интенсивности перемешивания и устранения так называемых мертвых зон, как следствие повышения качества смеси, наряду с вращательным движением осуществляется дополнительное возвратно -поступательное движение (осцилляция) рабочих органов.

Эффективность таких смесителей может быть представлена в виде выражения [3]:

э = м

Зпр

(1)

где Фд - действительный фонд времени, ч; П - производительность технологического оборудования, кг/ч; Зпр - приведенные затраты, руб.

Производительность смесителей выражается формулой [4]:

П = 0,25nD2 (^)рк,

(2)

л

где п - частота вращения вала с лопатками, мин-1; й - диаметр рабочей ванны, м; ^ - длина рабочей камеры, м; т - продолжительность перемешивания, с; р - плотность смеси, кг/м3; к - коэффициент подачи.

Проанализировав зависимость (2), можно выявить два пути повышения производительности:

- изменение геометрических размеров - увеличение объема рабочей камеры (однако это не всегда возможно, поскольку такие агрегаты чаще всего встраиваются в автоматические линии);

- увеличение скорости продвижения смеси (возможно за счет повышения частоты вращения валов, но при этом возникает ряд проблем: потеря качества смеси, повышение нагрузок на рабочие валы).

Во втором случае вопрос качества может быть решен за счет дополнительного возвратно-поступательного движения рабочих органов, позволяющего устранить мертвые зоны.

Основной же проблемой является отсутствие методики расчета основных параметоров смесителей с дополнительным осцилляционным движением рабочих органов. Поэтому существуют трудности при расчете конструкции смесителя на прочность и расчете его мощности, необходимой для смешивания компонентов. При этом мощность МЭЛ, Вт, может быть рассчитана в соответствии с выражением [5]

N3n =

(PTVT+P0V0)z V '

(3)

где Рт - тангенциальная составляющая равнодействующих сил, действующих на лопатку, Н; Ро - осевая составляющая равнодействующих сил, действующих на лопатку, Н; Vт - тангенциальная скорость, м/с; Vо- осевая скорость, м/с; z - число лопаток; п - КПД привода. Тангенциальная и осевая скорости находятся по формулам:

VT = 2nnR;

Vo = VTi,

(4)

(5)

где R - радиус вращения центра плоскости лопатки, м; i - передаточное отношение.

Однако суть этой проблемы заключается в том, что существующие методы расчета технологической нагрузки справедливы только для смесителей с вращательным движением рабочих органов. В связи с этим для исследуемых смесителей аналитическим путем были получены следующие расчетные зависимости:

PT = F [gRptg2 (45 + + 2Ctg (45 + Q • [cos(а -8) + ^sin(a - 5)]; P0 = F [gRptg2 (45 + + 2Ctg (45 + Q • [sin(a -8)- ^cos(a - 5)],

где F - площадь лопатки, погруженной в продукт, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; р - плотность продукта, кг/м3; С - удельное сопротивление перемешивания продукта, Па; у - угол внутреннего трения продукта; а - угол установки лопатки относительно радиуса,

град.; у - коэффициент трения продукта о лопатку; 8 = агсгд - угол вхождения лопатки в

смесь, град.

Кроме отсутствия методик для определения усилий на рабочие органы таких агрегатов их расчет осложняется тем, что происходит перемещение валов в осевом направлении, вследствие чего изменяется место приложения нагрузки относительно опор, а также изменение результирующей скорости как по направлению, так и по величине, приводящее к изменению силовых характеристик (рис. 2).

(6)

(7)

-2.

Рис. 2. Направление скоростей и технологической нагрузки на лопатку Fig. 2. Direction of velocities and a technological load on the blade

В то же время на технологическую нагрузку оказывают влияние и физико-механические свойства смеси, в частности, удельное сопротивление перемешивания. Известно, что при простоях смесителя по различным причинам происходит оседание продукта, которое ведет к изменению этого параметра. Однако характер изменения удельного сопротивления перемешиванию неизвестен.

Исходя из выше сказанного, возникает необходимость исследовать смесители непрерывного действия с механизмом осцилляции.

Определение рациональных значений параметров, при которых могут эффективно использоваться смесители, проводится путем кинематических и силовых исследований. Для этих целей был проведен кинематический анализ механизма продольного перемещения рабочих валов смесителя, расчетная схема которого представлена на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема смесителя пресса «Кобра»: 1 - рабочий орган; 2 - система рычагов; 3 - эксцентриковый вал Fig. 3. Design model of the mixer press "Cobra": 1 - actuator; 2 - system of levers; 3 - eccentric shaft

Таким образом, в базовой конструкции смесителя возвратно-поступательное движение рабочих органов 1 осуществляется через систему рычагов 2 и эксцентриковый вал 3. Вращательное движение валам 1 передается от двигателя через зубчатые колеса, поэтому тангенциальная скорость лопаток при установившейся работе агрегата постоянна. То есть к кинематическим параметрам, подлежащим определению, относятся путь, скорость и ускорение месильных валов в осевом направлении. Для этого необходимо выявить их взаимосвязь с геометрическими параметрами механизма.

Путь S, пройденный валом в осевом направлении в первом приближении, можно найти из выражения

ШЗ = g ,

(8)

где ф3 - угол поворота рычага при развороте эксцентрика на угол град; В - расстояние от оси вращения рычагов до оси вращения валов, м.

С другой стороны, угол <р3 находится из выражения [3]

tg^3 =

esiny A+ecoscp'

(9)

где е - эксцентриситет, м; А - расстояние от оси вращения эксцентрика до оси вращения рычагов, м.

Приравняв правые части уравнений (8) и (9), получим формулу аналога пути валов в осевом направлении:

S =

Besing A+ecoscp'

(10)

Для того чтобы перейти от аналогов к реальным значениям, необходимо учесть, что

^р = щг, (11)

где ш3 - угловая скорость эксцентрика, рад/с; ^ - время, с. Тогда выражение (10) будет иметь вид:

Везт(ш31)

S =

(12)

пути:

А+есоз(ш31)

Скорость является первой производной пути по углу поворота или по времени:

у _ АВеы3со5(ы3^+Ве2ы3 ^^

(л+есо5(ш3(:))

Ускорение - это первая производная от скорости по времени или вторая производная

Веш2зт(ш31)(-А3 +Ае2 соз2(ш31)+2Ае2 +2е3 соз(ш31))

(^+ecos(w3t))

(14)

Следующим этапом исследований является математическое моделирование кинематических и силовых параметров. Для проведения моделирования необходимо знать геометрические параметры смесителя. Исследуемый агрегат имеет следующие размеры, м: А = 0,125; В = 0,220; е = 0,020.

Угловая скорость эксцентрика может быть определена из выражения

Ы3 = ^1^3-1'

(15)

где щ - угловая скорость рабочих органов; щ = 6,074 рад/с; i - передаточное отношение, /=27,381 ■ 10-3.

В ходе моделирования пути, скорости и ускорения валов в осевом направлении получена графическая зависимость этих параметров от угла поворота эксцентрика (рис. 4).

Рис. 4. Кинематические характеристики смесителя при отношении скоростей VJVm = 0,0015 Fig. 4. Kinematic characteristics of the mixer with the ratio of velocities of VJVm = 0.0015

0

Практический интерес представляют максимальные значения скорости и ускорения. Так, согласно графику, осевая скорость имеет наибольшее значение при угле поворота эксцентрика, равном 180°, а ускорение - соответственно при 120 или 240°.

Эти данные необходимы для определения зависимости максимального осевого ускорения от максимальной осевой скорости при изменении последнего от нуля до Ут. В этом случае ускорение рассчитывается по формуле (16) при угле поворота эксцентрика, рассмотренном выше, и угловой скорости ш3, соответствующей определенному значению осевой скорости:

^3

Vp(A-e) Ве2-АВе

(16)

Результаты и их обсуждение

По результатам расчетов была получена графическая зависимость осевой скорости и ускорения от отношения скоростей Ус/Ут (рис. 5). Анализ данной зависимости показал, что для снижения динамических нагрузок следует использовать смесители в том диапазоне изменения осевой скорости, в котором ускорение меняется незначительно. На рис. 5 этот диапазон находится в интервале изменения отношения скоростей от 0 до 0,2.

Рис. 5. Зависимость осевой скорости и ускорения от отношения скоростей VJVm Fig. 5. Dependence of axial velocity and acceleration on velocity ratio Vo/Vm

Зависимость тангенциальной нагрузки при изменении угла поворота лопатки от 0 до 90° представлена на рис. 6. Проанализировав полученную зависимость, получили оптимальный диапазон изменения угла поворота лопатки, находящийся в пределах 60-85°. Это можно объяснить тем, что при малых углах смесь продвигается медленно, а при углах, близких к 45°, возникают большие нагрузки.

Характер изменения осевой нагрузки показан на рис. 7.

В выбранном интервале с увеличением угла поворота лопатки осевая нагрузка возрастает, в то время как тангенциальная уменьшается. Это является следствием постоянства результирующей силы по величине. Однако увеличение отношения скоростей приводит к увеличению тангенциальной и уменьшению осевой нагрузки, что, несомненно, необходимо учитывать при синтезе механизма с целью увеличения его производительности.

300

285

270

255

- 240

£">- 225 hi

|| 210 л

1 195 180 165 150

\ ^

15

Отношение осевой и тангенциальной скоростей Vo/VtI Ratio of axial and tangential velocities Vo/Vt

30 45 60

Угол поворота лопатки a, град / Blade rotation angle a. degrees

■0 -"-0,01 0,05 0,1-0.2

75

90

Рис. 6. Тангенциальная нагрузка при различном отношении осевой и тангенциальной скорости Fig. 6. Tangential load at a different ratio of axial and tangential velocities

Угол поворота лопатки а, град / Blade rotation angle a, degrees Отношение осевой и тангенциальной скоростей Vo/VtI

Ratio of axial and tangential velocities Vo/Vt ♦ 0 ш 0;Q 1 0,05

Рис. 7. Осевая нагрузка при различном отношении осевой и тангенциальной скорости Fig. 7. Axial load at a different ratio of axial and tangential velocities

Заключение

По результатам проведенного исследования были сделаны следующие выводы: 1. Расчетная схема смесителя, разработанная для исследования возможности повышения производительности агрегата, позволила определить оптимальные значения кинематических и силовых параметров.

2. Анализ кинематических параметров смесителя показал, что осевая скорость имеет наибольшее значение при угле поворота эксцентрика 180°, а ускорение - при 120 или 240°. Для снижения динамических нагрузок на рабочие органы необходимо использовать такие скоростные режимы, при которых ускорение меняется незначительно, то есть в интервале отношения скоростей от 0 до 0,2.

3. В связи с тем что при малых углах установки лопаток на рабочих валах смесь продвигается медленно, а при углах, близких к 45°, возрастают нагрузки, оптимальный угол установки лопатки находится в диапазоне от 60 до 85°.

4. При повышении производительности смесителя с вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов необходимо учитывать, что увеличение отношения скоростей приводит к увеличению тангенциальной и уменьшению осевой нагрузки, при этом количество лопаток не влияет на производительность смесителя.

Библиографический список

1. Афанасьев Ю.А., Подгорный Ю.И., Мартынова Т.Г. Кинематическая схема автоматической линии BRAIBANTI // Сборник научных трудов НГТУ. 2006. № 2 (44). С. 3-8.

2. Podgornyj Y.I., Martynova T.G., Skeeba V.Y., Kosilov A.S., Chernysheva A.A., Skeeba P.Y. Experimental determination of useful resistance value during pasta dough kneading // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 87. Art. 082039 (6 p.). DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082039.

3. Птицын С.В., Скиба В.Ю., Чёсов Ю.С., Мережко Е.В. Надежность прогноза качества технологического оборудования // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2013. № 2 (59). С. 33-38.

4. Чернов М.Е., Медведев Г.М., Негруб В.П. Справочник по макаронному производству. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 304 с.

5. Мартынова Т.Г., Подгорный Ю.И., Птицын С.В. Экспериментальные исследования нагрузочных характеристик смесителя // Научный вестник НГТУ. 2011. № 2. С. 183-188.

References

1. Afanas'ev Yu.A., Podgornyi Yu.I., Martynova T.G. Kinematic diagram of BRAYBANTI automatic line. Sbornik nauch-nykh trudov NGTU [Proceedings of Novosibirsk State Technical University]. 2006, no. 2 (44), pp. 3-8. (In Russian)

2. Podgornyj Y.I., Martynova T.G., Skeeba V.Y., Kosilov A.S., Chernysheva A.A., Skeeba P.Y. Experimental determination of useful resistance value during pasta dough kneading. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, vol. 87. Art. 082039 (6 p.). DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082039.

3. Ptitsyn S.V., Skeeba V.Yu., Chesov Yu.S., Merezhko E.V. Reliability prediction of quality process equipment. Obrabot-ka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) [Metal Working and Materials Science]. 2013, no. 2 (59), pp. 33-38. (In Russian)

4. Chernov M.E., Medvedev G.M., Negrub V.P. Spravochnik po makaronnomu proizvodstvu [Reference book of pasta production]. Moscow: Legkaya i pishchevaya promyshlennost' Publ., 1984, 304 p. (In Russian)

5. Martynova T.G., Podgornyi Yu.I., Ptitsyn S.V. Experimental researches of loading characteristics of a mixer. Nauchnyi vestnik NGTU [Proceedings of Novosibirsk State Technical University]. 2011, no. 2, pp. 183-188. (In Russian)

Критерии авторства

Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Authorship criteria

The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Статья поступила 12.12.2017 г. The article was received 12 December 2017

©