Научная статья на тему 'ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПАРЫ ТРЕНИЯ НОЖ-РЕШЕТКА В ШНЕКОВЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯХ ТВЕРДООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ'

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПАРЫ ТРЕНИЯ НОЖ-РЕШЕТКА В ШНЕКОВЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯХ ТВЕРДООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
86
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ / ПЕРЕМЕННАЯ НАГРУЗКА / КОНЦЕНТРАЦИЯ СИЛ ТРЕНИЯ / СКОРОСТЬ ИЗНОСА / НАЗНАЧЕННЫЙ РЕСУРС / ЛЕЗВИЕ НОЖА / ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНАЯ РЕШЕТКА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Пеленко Валерий Викторович, Хлыновский Алексей Михайлович, Баринов Григорий Владимирович

В данной статье рассматривается одна из актуальных задач оптимизации конструктивных параметров шнековых измельчительно-режущих машин, заключающаяся в снижении скорости износа лезвий ножа за счет перехода от традиционной схемы крепления пары нож-решетка в режущей головке по внешнему кольцевому периметру, к прогрессивной схеме крепления по окружности центрального отверстия решетки. В исследовании поставлена и решена аналитическими методами задача оценки скорости изнашивания лезвий ножа шнекового измельчителя в различных условиях закрепления режущей пары нож-решетка, а также определена длительность периода приработки пары трения при традиционной схеме крепления, приводящей к концентрации контактных напряжений. На основе анализа особенностей физической модели процесса контактного взаимодействия лезвий ножа и решетки сформулированы условия закрепления, исключающие концентрацию взаимных сил трения в стыке нож-решетка и обеспечивающие снижение скорости износа. При этом показано, что реализация предложенного способа позволяет в два раза повысить ресурс режущей головки и исключить фазу интенсивного приработочного износа лезвий ножа, вызывающую снижение качества измельчения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Пеленко Валерий Викторович, Хлыновский Алексей Михайлович, Баринов Григорий Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INCREASING THE RESOURCE OF A FRICTION PAIR KNIFE-GRID IN SCREW GRINDERS OF SOLID MATERIALS

This article discusses one of the urgent problems of optimizing the design parameters of screw grinding and cutting machines, which consists in reducing the wear rate of knife blades due to the transition from the traditional mounting scheme for a pair of knife-grid in the cutting head along the outer annular perimeter, to a progressive mounting scheme along the circumference of the central lattice holes.. In the study, the problem of estimating the wear rate of the blades of a screw grinder knife under various conditions of fastening of the cutting knife-grid pair was posed and solved by analytical methods, and the duration of the running-in period of the friction pair was determined with the traditional fastening scheme, leading to the concentration of contact stresses. Based on the analysis of the features of the physical model of the process of contact interaction between the blades of the knife and the grid, the conditions for fixing are formulated, which exclude the concentration of mutual friction forces in the knife-grid junction and ensure a decrease in the wear rate. At the same time, it is shown that the implementation of the proposed method makes it possible to double the resource of the cutting head and eliminate the phase of intense running-in wear of the knife blades, which causes a decrease in the quality of grinding.

Текст научной работы на тему «ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПАРЫ ТРЕНИЯ НОЖ-РЕШЕТКА В ШНЕКОВЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯХ ТВЕРДООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

1ЕГМЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ_

УДК 621.926

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПАРЫ ТРЕНИЯ НОЖ-РЕШЕТКА В ШНЕКОВЫХ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯХ ТВЕРДООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.В. Пеленко1, А.М. Хлыновский2, Г.В. Баринов3

1'2Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, Россия, 191186, Санкт-Петербург, Большая Морская ул. 18;

3 Университет ИТМО, Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверский пр.-т, 49

В данной статье рассматривается одна из актуальных задач оптимизации конструктивных параметров шнековых измельчительно-режущих машин, заключающаяся в снижении скорости износа лезвий ножа за счет перехода от традиционной схемы крепления пары нож-решетка в режущей головке по внешнему кольцевому периметру, к прогрессивной схеме крепления по окружности центрального отверстия решетки. В исследовании поставлена и решена аналитическими методами задача оценки скорости изнашивания лезвий ножа шнекового измельчителя в различных условиях закрепления режущей пары нож-решетка, а также определена длительность периода приработки пары трения при традиционной схеме крепления, приводящей к концентрации контактных напряжений. На основе анализа особенностей физической модели процесса контактного взаимодействия лезвий ножа и решетки сформулированы условия закрепления, исключающие концентрацию взаимных сил трения в стыке нож-решетка и обеспечивающие снижение скорости износа. При этом показано, что реализация предложенного способа позволяет в два раза повысить ресурс режущей головки и исключить фазу интенсивного приработочного износа лезвий ножа, вызывающую снижение качества измельчения.

Ключевые слова: математическое моделирование; физическая модель; дифференциальное уравнение изнашивания; переменная нагрузка; концентрация сил трения; скорость износа; назначенный ресурс; лезвие ножа; измельчительная решетка.

INCREASING THE RESOURCE OF A FRICTION PAIR KNIFE-GRID IN SCREW GRINDERS

OF SOLID MATERIALS

V.V. Pelenko, A.M. Khlynovsky, G.V. Barinov

Saint Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, 18 Bolshaya Morskaya str.,

Saint Petersburg, 191186, Russia;

ITMO University, 49 Kronversky Ave., Saint Petersburg, 197101, Russia

This article discusses one of the urgent problems of optimizing the design parameters of screw grinding and cutting machines, which consists in reducing the wear rate of knife blades due to the transition from the traditional mounting scheme for a pair of knife-grid in the cutting head along the outer annular perimeter, to a progressive mounting scheme along the circumference of the central lattice holes.. In the study, the problem of estimating the wear rate of the blades of a screw grinder knife under various conditions of fastening of the cutting knife-grid pair was posed and solved by analytical methods, and the duration of the running-in period of the friction pair was determined with the traditional fastening scheme, leading to the concentration of contact stresses. Based on the analysis of the features of the physical model of the process of contact interaction between the blades of the knife and the grid, the conditions for fixing are formulated, which exclude the concentration of mutual friction forces in the knife-grid junction and ensure a decrease in the wear rate. At the same time, it is shown that the implementation of the proposed method makes it possible to double the resource of the cutting head and eliminate the phase of intense running-in wear of the knife blades, which causes a decrease in the quality of grinding.

Keywords: mathematical modeling; physical model; differential equation of wear; variable load; concentration of friction forces; wear rate; assigned resource; blade of knife; shredding grate.

1 Пеленко Валерий Викторович - доктор технических наук, профессор кафедры «Теплосиловыеустановки и тепловые двигатели», e-mail: pelenkol@rambler.ru;

2Хлыновский Алексей Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплосиловые установки и тепловые двигатели», e-mail: alexava@mail.ru;

3Баринов Григорий Владимирович - магистрант НИУ ИТМО, e-mail: gryngo@yandex.ru.

Введение

Из литературных источников следует, что степень износа основных средств в области пищевого оборудования достигает 70%. Более 27% парка технологического оборудования занимает импортная техника [1]. При этом, более 40% оборудования требует замены, 25% могут быть модернизирован о и лишь 20% составляют достойную конкуренцию на международном уровне. Именно поэтому дальнейшее совершенствование измельчительного оборудования является первоочередной задачей. Процессы измельчения твердообразных материалов изучаются непрерывно, однако не на все вопросы найдены окончательные ответы.

Проблеме разработки теории процессов резания и экструзии твердообразных материалов посвящено более 90 диссертационных работ, включая полтора десятка докторских исследований.

Углубление и расширение теоретических исследований измельчительного оборудования позволит повысить его производительность и снизить энергоемкость. Анализ известных материалов показывает, что общей теории функционирования и расчета процессов измельчения твердо-образных материалов посвящены работы, содержание которых отражено в отечественной [2-4] и зарубежной литературе [5]. Вопросам изучения особенностей процесса формирования внут-ришнекового давления в измельчителях посвящены исследования зарубежных [6-13] ученых, а также российских авторов [14-16]. Основам теории моделирования ножевых головок и разработки конструкций режущих механизмов касаются работы Российских авторов [17-19]. Особенностям конструирования ножей посвящены публикации [20-22]. Основам теории расчета измельчитель-ной решетки изложена в работах отечественных исследователей [23-25]. Работы [26-29] касаются вопросов оценки ресурса таких элементов режущего узла, как нож и решетка. С повышением долговечности измельчителей связаны исследования методов восстановления и упрочнения режущих элементов в ипостаси нож-решетка [3032]. Совершенствованию внутренних и поверхностных структур режущего инструмента посвящены работы [33, 34].

При всей многочисленности и разнообразии исследований по вопросам совершенствования шнекового измельчительного оборудования, недостаточно сконцентрированное внимание посвящено созданию корректных математических моделей, описывающих специфику явления исчерпания ресурса и износа ножа.

Актуальность проблематики рассматриваемых вопросов усиливается еще и тем фактором, что в последние годы существенное

внимание уделяется задаче утилизации твердых отходов различных производств. При этом предварительной фазой переработки отходов является процесс их измельчения, который требует существенного расширения парка высоко эффективного измельчительного оборудования и дальнейшего развития теории расчета и оценки ресурса его комплектующих элементов.

Данная статья, посвящена математическому описанию процесса абразивного износа лезвий ножа при контактном взаимодействии с из-мельчительной решеткой.

Конструктивное исполнение и реализация следствий анализа математической модели дает возможность уменьшить скорость износа режущей пары нож-решетка, повысить ресурс, существенно снизить энергоемкость процесса измельчения сохранив качество продукта.

Цель работы - формирование математической модели оценки скорости изнашивания лезвий ножа шнековых измельчителей и времени износа до предельного состояния. Объекты и методы исследования

Объектом исследования является процесс взаимодействия ножа и решетки в режущей паре шнекового измельчителя. В качестве предмета исследования рассматривается скорость изнашивания и время износа лезвий ножа до предельного состояния в различных условиях закрепления решетки.

В качестве метода исследования выбрано математическое моделирование процесса изнашивания лезвия ножа в условиях концентрации контактных напряжений на внешней периферийной кольцевой зоне решетки средствами теории износа, теории упругости и дифференциального исчисления.

Результаты и обсуждение

Одной из задач оптимизации шнековых измельчительно - режущих машин является оценка длительности периода приработки пары трения нож-решетка при традиционной схеме крепления и определение возможности для исключения фазы интенсивного износа лезвий ножа.

Фактором, определяющим характер взаимодействия плоскости лезвий ножа с кольцевой плоскостью решетки, является соотношение толщин лезвий ножа и решетки. Действительно, если соотношение толщин ножа и решетки обеспечивает одинаковый их прогиб, то упругие линии их изгиба эквидистантны, и отсутствует концентрация контактных напряжений, они распределены равномерно, а этап взаимной приработки ножа и решетки отсутствует. Однако, если такое оптимальное соотношение толщин ножа и

решетки не соблюдается, то происходит приработка плоскости ножа и решетки и наблюдается повышенная скорость их износа. При этом возможны два характерных случая взаимодействия плоскостей лезвий ножа и решетки. В первом случае, когда толщина ножа «завышена» и обеспечивает прогиб лезвия, который по величине меньше, чем прогиб решетки обусловленный его «заниженной» толщиной, наблюдается неполное прилегание центральной зоны лезвий ножа к центральной кольцевой плоскости решетки. При таком соотношении толщин, физическая модель взаимодействия ножа и решетки представляет собой двухопорную балку в виде ножа, опирающегося периферийными зонами его лезвий на внешнюю периферийную кольцевую зону измельчительной решетки, где наблюдается концентрация контактных напряжений, приработка поверхностей и их повышенный износ.

В условиях традиционной схемы затяжки перфорированной измельчительной решетки по ее внешнему периферийному кольцевому контуру центральной зажимной гайкой

шнекового измельчителя, физическая модель взаимодействия его элементов формируется в виде, представленном на рисунке 1.

Приведенная схема отражает вариант описанного конструктивного исполнения решетки и ножа по такому соотношению их толщин, когда величина прогиба решетки больше, чем величина прогиба лезвий ножа.

Во втором случае, когда толщина ножа «занижена» и обеспечивает прогиб лезвия, который по величине больше, чем прогиб решетки, наблюдается концентрация контактных напряжений в центральной зоне соприкосновения поверхности лезвий ножа с плоскостью измельчи-тельной решетки, их приработка и ускоренный износ.

Характер механического взаимодействия в зоне приработки лезвия ножа и плоскости решетки в этом втором случае остается прежним, идентичным по особенностям математического описания первому случаю, но прира-боточный износ осуществляется не на внешней периферийной части лезвий, а в центральной опорной части ножа.

а)

^ 11

б)

Рисунок 1 - Схема традиционного условия закрепления, а также распределения деформаций и характера износа для кольцевой измельчительной решетки с жесткой заделкой по ее внешнему кольцевому контуру: 1-внешняя кольцевая жесткая заделка решетки; 2-лезвие ножа призматической формы; 3-кольцевая измельчительная решетка; 4-зоны концентрации напряжений (АВС) и повышенной скорости износа решетки и лезвий ножа; 5-область (ВСД) износа решетки; 6-область (АБД) износа лезвия

ножа

Значение величины износа ножа, после достижения которого форма изогнутой образующей лезвия примет форму упругой линии изгиба решетки и контактные напряжения в зоне соприкосновения поверхности лезвия с поверхностью решетки приобретут равномерный характер, определяется разностью величин прогиба решетки и ножа от воздействия давления нагнетания. Очевидно, что до этого момента на поверхности соприкосновения контактной зоны лезвий с поверхностью решетки имеет место концентрация контактных напряжений и повышенный приработочный износ на внешней периферийной зоне в первом случае, или на внутренней кольцевой контактной поверхности во втором случае.

Анализ физической модели процесса взаимного внедрения лезвия ножа и решетки осуществляем по методике, изложенной в работе [35]. В соответствии с геометрической схемой, представленной на рисунке 1, следует справедливость следующих соотношений Анр = Ан + Ар; Анр = (CB)tann, (1)

где Анр - текущее значение общего прира-боточного износа в стыке ножа с решеткой, м;

Ау = Ау (г) - значение приработочного износа для радиальной координаты г, м;

Ар - приработочный износ решетки, м;

Ан - приработочный износ лезвия ножа,

м;

СВ - радиальная длина контакта поверхностей лезвия и решетки, м;

П - угол взаимной координации контактных поверхностей лезвия ножа и решетки, обусловленный различной величиной их прогиба под воздействием давления нагнетания, рад.

Необходимо подчеркнуть, что по мере эксплуатации режущего узла измельчителя и роста приработочного износа Ан-р пары нож-решетка (катет СА треугольника АВС), радиальная длина линии контакта СВ увеличивается от нулевого значения в начальный момент, до величины радиуса измельчительной решетки R, к моменту окончания процесса приработки.

При этом конечный приработочный макроизнос Атах = Ау (0) в стыке нож-решетка при достижении длиной контакта СВ величины радиуса решетки R (координата г = 0) достигнет величины прогиба решетки W под воздействием давления нагнетания, и может быть определен в соответствии со схемой, представленной на рисунке 1, по соотношению

W = Ау (0) = R tan^, (2)

где W, Атах, Ау (0) - максимальный износ сопряжения в стыке нож-решетка в момент окончания процесса приработки (г = 0), м.

Контактное давление «p» на поверхности трения ДВ определяется величиной реакции

Q в опоре 1 (рис. 1.) и площадью контакта в зоне приработки. Текущее значение площади контакта лезвия ножа и решетки зависит от ширины Вн лезвия и длины линии контакта СВ, то есть от величины износа Ан-р, как это следует из соотношения (1). Таким образом, можем записать

Qtann

p = (3) Ан-рВн

При постоянной интенсивности распределенной нагрузки q реакция Q в опоре может быть определена из уравнения равновесия ножа в соответствии с рисунком 1, б)

т Q = q S, (4)

где т - количество лезвий ножа;

q - интенсивность распределенной нагрузки на поверхности ножа, Па;

S - площадь поверхности ножа, м2.

Учитывая выражение для площади ножа S = m R Вн, уравнение (4) запишем в виде

Q = qRB^ (5)

Тогда для уравнения (3), с учетом (5), получим соотношение

q Rtann

Р

А

(6)

н-р

В случае зависимости интенсивности распределенной нагрузки я от радиуса Я, определение реакции опоры Q также не представляет сложности, и может быть вычислено по очевидному соотношению

Q = Вн/

0

Так как давление р на поверхности трения при макроприработке лезвия ножа и решетки является функцией величины износа Ан-р (СВ возрастает от нуля до Я), то скорость процесса макроприработки зависит от закона изнашивания. Для линейного закона зависимости скорости износа от давления в дифференциальной форме можем записать выражение

а(Ан_р)=^ pv ас, (7)

где V - скорость относительного перемещения трущихся поверхностей, м/с;

(р^ - удельная мощность трения, Вт/м2; k = (^ + k2) - коэффициент износа пары нож-решетка;

^ - коэффициент износа лезвия ножа; k2 -коэффициент износа (износостойкость) решетки.

Подставив в соотношение (7) выражение (6), запишем

Ан-ра(Ан-р) = ^ . (8) Я Rtann

Решив полученное дифференциальное уравнение (8) первого порядка с разделяющимися переменными относительно времени, определим текущее значение времени процесса приработки

(Ан-р)2

t = vн-р'-. (9)

2fcqv Rtann

Длительность tn периода полной приработки АН-р определим из (8) при граничном условии АН-р = R tan n = W, в соответствии с соотношением

Rtann W ín= = (10)

Оценим продолжительность времени износа tyCT пары нож-решетка на такую же величину Ан-р= R tan n = W после приработки, при установившемся режиме износа, когда р = q, в соответствии с[25].

Запись дифференциального уравнения (7) при таком граничном условии р=q=const, примет вид

d(AH-p) = k qv di, (11)

Решение уравнения (11) относительно времени tyCT дает величину

R tan n W

íycT = = ^ (12)

Из сравнения соотношений (12) и (10) следует, что время процесса приработки в два раза меньше времени износа пары нож-решетка на аналогичную величину при установившемся полном контакте их поверхностей

^уст 2^п. (13)

Таким образом становится очевидным, что скорость износа ^пр пары трения нож-решетка в режиме приработки в два раза превышает скорость их износа ^уст в стационарных (установившихся) условиях полного контакта соприкасающихся поверхностей.

Действительно, в соответствии с уравнением (10) для стадии приработки ножа и решетки можем записать

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

W

^пр = — = 2fcqv.

t

(14)

разработанные методами теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) [36-38], и представленные на рисунке 2, в соответствии с материалами работы [25]._

В то время, как для стадии установившегося процесса износа, из уравнения (12) следует

Ш

^уст = -— = (15)

Суст

Таким образом, из системы уравнений (14) и (15) получаем определяющую критериальную зависимость скоростей износа пары нож-решетка на различных этапах процесса, на стадии приработки ^пр и в установившемся режиме ^уст:

^пр = 2^уст. (16)

Из сказанного следует вывод о необходимости выработки такой схемы для условия закрепления кольцевой измельчительной решетки, которая позволит исключить период приработки ножа и решетки.

Обеспечить устранение этого этапа процесса износа позволяют перспективные схемы,

Рисунок 2 - Возможные перспективные схемы закрепления решётки в корпусе шнеко-вого измельчителя: А-перспективная консольная схема закрепления решетки; В-перспективная дву-хопорная схема закрепления

Анализируя основные схемы, следует сделать вывод о том, что из рассматриваемых в работе [25] вариантов закрепления решетки необходимо сконцентрировать особое внимание на двух наиболее перспективных с практической точки зрения случаях, представленных вариантами А и В на рисунке 2. В предлагаемом конструктивном решении крепление кольцевой пластины осуществляется по внутренней границе кольцевого установочного отверстия в виде кольцевой линейной опоры или посредством кольцевой жесткой заделки. Такой выбор основан на результатах системного анализа процесса совместной деформации решетки и ножа при работе измельчителя. Действительно, в предлагаемом варианте деформация кольцевой пластины (решетки), в связи с отсутствием внешней кольцевой опоры, осуществляется выпуклостью внутрь корпуса волчка, так же, как и ножа, поэтому имеется возможность обеспечить одинаковые величины перемещений периферийных кольцевых сечений решетки и лезвий ножа, а также исключить опирание наружных сечений лезвий ножа на краевые кольцевые сечения решетки. Таким образом обеспечиваются эквидистантность упругих линий прогиба и равномерные внутренние контактные усилия взаимодействия ножа и решетки в плоскости их стыка, исключается концентрация напряжений в стыке, и, как следствие, снижается скорость износа ножа и решетки. Кроме того, естественно, уменьшаются потери энергии на трение и снижается температурная нагрузка в стыке нож-решетка [27].

Очевидная разница в характере и особенностях действия силовых факторов в стыке нож-решетка и специфики прогиба и взаимодействия их поверхностей видна при сравнении традиционной схемы (Э1) и перспективного варианта (Э2) [39], что наглядно и отчетливо иллюстрируется рисунком 3.

Рисунок 3 - Перспективная схема (Э2) крепления, совместного нагружения и сравнительная картина прогиба и особенностей взаимодействия элементов в стыке режущей пары нож-решетка при

традиционной (Э1) и перспективной (Э2) схемах: Э1-эскиз традиционной схемы заделки решетки по внешнему кольцевому контуру; Э2- эскиз перспективной схемы заделки решетки по контуру внутреннего отверстия решетки; 1-внешняя кольцевая жесткая заделка решетки; 2-лезвие ножа; 3-выходная измельчи-тельная решетка; 4-зоны концентрации напряжений и повышенной скорости износа лезвий ножа; 5-зона равномерных контактных напряжений;6- внутренняя кольцевая жесткая заделка решетки

При этом скорость процесса установившегося износа ^уст пары нож-решетка, в соответствии с полученными уравнениями (14) -(16), в два раза меньше скорости износа ^пр при режиме приработки и составляет значение

Полученное уравнение (17) для скорости установившегося процесса износа ^уст в паре трения нож-решетка, и известные экспериментальные данные позволяют произвести оценку величины коэффициента износа к.

Действительно, по материалам работы [26] скорость износа ножей шнековых измельчителей составляет ^уст =1,4-2,2 мкм/час. Среднее значение скорости относительного перемещения трущихся поверхностей ножа и решетки V, при угловой скорости вращения ю = 20 с-1, и радиусе выходной измельчительной решетки R = 0,06 м, составит ориентировочно величину V = 0,75 м/с. Интенсивность нагрузки (давление сырья) достигает величины я = (0,5 ^ 1,2) МПа. После несложных вычислений можем получить нижнюю границу значения коэффициента

износа кп ^уст М2

^п =

,^=7'5-10"16 ОН*

решетки по ее внешнему периферийному кольцевому контуру центральной зажимной гайкой шнекового измельчителя, длительность £п.рес его эксплуатации до предельного состояния составит, в соответствии с соотношением (10), величину

С,

W,

рг

п.рес

(20)

Уравнение (17) примет конкретный вид ^уст = 7,5 * 10-16 к яу. (18)

При заданной нормированной величине предельного износа ножа Wpг, расчетная длительность £уст.рес его эксплуатации до предельного состояния (ресурс), в условиях перспективного варианта закрепления выходной измельчи-тельной решетки, составит, в соответствии с соотношением (12), следующее значение

£устрес = му. (19)

В условиях традиционной схемы затяжки перфорированной измельчительной

В случае задания предельного износа Wpг = 2 мм, назначенный ресурс эксплуатации ножа в условиях перспективного варианта и принятых выше исходных данных, составит значение £уст.рес = 1975 часов, в соответствии с соотношением (19).

В условиях традиционной схемы, назначенный ресурс ножа, в соответствии с соотношением (20), составит величину £п.рес = 987 часов.

Таким образом, срок эксплуатации ножей до предельного состояния в случае перспективного варианта закрепления выходной из-мельчительной решетки может быть существенно увеличен конструктивными методами (до двух раз).

Для количественной оценки продолжительности процесса приработки ножа и решетки в условиях традиционной схемы, воспользуемся данными работ [25, 40] и соотношением (20).

Общее выражение для максимального прогиба Wmax круглой кольцевой решетки в традиционных условиях нагружения (рисунок 3, Э1), в соответствии с исследованием [40], можно записать в виде приближенного соотношения

^тах

дЯ4 64^.

Из работ [25, 40] следует, что для материала решетки с коэффициентом Пуассона V, величина цилиндрической жесткости D решетки толщиной 5р (рис. 1), может быть оценена значением D = 656,41 Н*м. В соответствии с этим

значением максимальная стрелка прогиба в центре решетки достигнет величины Wmax = 211 мкм.

При этом время приработки ножа и решетки, в соответствии с уравнением (20), составит значение

Wmax

(21)

После подстановки в соотношение (21) полученных исходных данных Wmax = 211 мкм,

= 7,5 * 10-16 м2/н , Я = 0,5 МПа,

V = 0,75 м/с, получим величину времени приработки £пр = 376888 с = 104,7 час.

Выполненные расчеты показывают, что в условиях традиционной схемы нагружения (рисунок 3, Э1), при ресурсе ножа, составляющем величину £п.рес = 987 часов, продолжительность периода приработки превышает £пр = 104 часа, что представляет собой значительную величину, превышающую 10,5 % от времени эксплуатации.

Таким образом, конструктивное совершенствование и переход к перспективной схеме закрепления выходной измельчительной решетки, выполненной в соответствии с рисунком 3, Э2), позволяет снизить в два раза скорость износа, то есть увеличить вдвое ресурс режущей головки, а также исключить десятипроцентный период приработки ножа и решетки, когда не обеспечивается равномерность распределения контактных напряжений в стыке нож-решетка, а поэтому снижается качество процесса измельчения.

Выводы

1. Осуществлена количественная оценка скорости изнашивания лезвий ножа шнекового измельчителя при традиционной схеме крепления.

2. Математически доказано, что скорость износа может быть уменьшена в два раза за счет выравнивания поля давлений в стыке нож-решетка.

3. Аналитически определена длительность периода приработки пары трения нож-решетка, составляющая более 10% от ресурса режущей головки.

4. Предложен конструктивный способ повышения ресурса режущей головки в два раза путем перехода к прогрессивной схеме, обеспечивающей эквидистантность упругих линий прогиба ножа и решетки, и, тем самым, равномерность распределения контактных напряжений в стыке нож-решетка.

5. Реализация предложенного способа позволяет исключить фазу интенсивного прирабо-точного износа лезвий ножа, вызывающую снижение качества измельчения.

Литература

1. Пеленко В.В., Усманов И.И. Элементы теории расчета волчков: монография / И.И. Усманов, В.В. Пеленко. - СПб. «Ношир» 2018.-88 с.

2. Горяев, В.В. Совершенствование конструкций и методики расчета режущего механизма волчков: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.14 / Горяев Виктор Васильевич. - М., 1989.-19с.

3. Сидоряк А.Н., Бесидский А.В., Юрков С.Г., Якушев О.И. Разработка математической модели волчка / А.Н. Сидоряк, А.В. Бесидский, С.Г. Юрков, О.И. Якушев // Мясная индустрия, 2003 г. №1 - с. 37-40.

4. Пеленко В.В. и др. Разработка математической модели процесса измельчения мясного сырья в волчках / В.В. Пеленко, В.А. Арет, А.Х. Кайка, Ф.Б. Тараба-новский, Р.Г. Ольшевский, С.В. Бобров, Н.А. Зуев // Научный журнал НИУ ИТМО, 2013. - №3. [электронный ресурс]: http://www.pro-cesses.ihbt.ifmo.ru

5. Schuldt S., Boisly M., Kaestner M.G., Schneider Y., Rohm H. Experimental characterisation and numerical modelling of cutting processes in viscoelastic solids. Journal of Food Engineering. 2016, no. 191, pp. 1-9.

6. Некоз О. I. Гiдравлiчний отр рiзального вузла вовчшв / О. I. Некоз, В. I. Осипенко, Н. В. Фшмо-нова, О. В. Батраченко // Вюник Хмельницького нацюнального ушверситету, №3, 2015, с. 13-18.

7. Шевченко В.В. Зменшення гiдравлiчного опору решггок вовчка / В.В. Шевченко, О.1. Некоз, С.Б. Вер-бицький, О.В. Батраченко // Вюник ЧДТУ. - 2009. -№ 4. - С.59 - 64..

8. The influence of structural and kinematic parameters of working bodies of the meat grinders on its productivity / A. Batrachenko, F. Nadiya // Food and Raw Materials -2017. - 5 (1). - Р.118 - 131.

9. W. Haack, «Bearbeitungsvorgänge im Kutter - Konstruktive Voraussetzungen für qualitative hochwertige Fleischwaren» / W. Haack, W. Schnäckel, J. Wilke // Fleischwirtschaft. -1999. - № 4. - Р.36-40.

10. Schuldt S., Schneider Y., Rohm H. High-speed cutting of foods: Cutting behavior and initial cutting forces. Journal of Food Engineering. 2018, no. 230, pp.

11. Schnackel W., Krickmeier J., Pongjanyanukul W., Dmitrinka Schnackel, Micklisch I., „Untersuchungen zur Optimierung des wolfprozesses. Teil 1", Fleischwirtschaft, № 1, 2012, pp. 88-92.

12. Schnackel W., Krickmeier J., Pongjanyanukul W., Dmitrinka Schnackel, Micklisch I., Oliver Haack, «Untersuchungen zur optimierung des wolfprozesses", Fleischwirtschaft», №3, 2012 pp. 148-153.

13. Untersuchungen zur optimierung des wolfprozesses / W. Schnäckel, J. Krikmeier, D. Schnäckel, O. Haack // Fleischwirtschaft. - 2012. - 7. - Р.91-96.

14. Пеленко В.В., Лепеш Г.В., Хлыновский А.М., Усманов И.И. Оценка влияния конусности корпуса экструдера на закон распределения давления по его длине // Научно-технический журнал Технико-технологические проблемы сервиса - 2020. - № 2(52). - С. 48-54.

15. Пеленко В.В., Хлыновский А.М., Усманов И.И., Ся Ч. Влияние элементов противовращения на закон

изменения внутришнекового давления экструдеров // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств -2020. - № 3. - С. 4653.

16. Пеленко В.В., Верхоланцев А.А., Верболоз А. П., Демченко В.А., Усманов И.И., Ся Ч. Влияние щелевого зазора на процесс формирования давления по длине шнековой поверхности экструдеров // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств -2021. - № 1. - С. 15-24.

17. Гаврилов, Т.А. Исследование процесса измельчения мягких субпродуктов и разработка конструкции измельчителя для звероводства: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01. / Гаврилов Тиммо Александрович. - Петрозаводск, 2014. -19с.

18. Комиссаров, С.С. Исследование процесса измельчения мясного сырья в волчках и разработка ножевых головок: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12. / Комиссаров Сергей Сергеевич. - Воронеж, 2003. -18с.

19. Божьев, С.В. Разработка эффективного режущего механизма для измельчения мясного сырья: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13 / Божьев Сергей Владимирович. - М., 2006.-16с.

20. Бренч, А.А. Повышение эффективности процесса куттерования мясного сырья на основе разработки новых конструкций ножей: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12. / Бренч Андрей Александрович.

- М., 2004. -18с.

21. Кузьмин, В.В. Совершенствование процесса резания мясного сырья на основе математического моделирования формы режущих инструментов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12. / Кузьмин Вячеслав Владимирович. - СПб.: 2008. -18с.

22. Назаров И.В., Толстоухова Т.Н. Конструктивное решение ножа для волчков // Современная техника и технологии. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/12/8807 (дата обращения: 24.09.2018).

23. Антипов С.Т., Шахов С.В., Комиссаров С.С. Решетка к устройству для измельчения мясокостного сырья. / С.Т.Антипов, С.В.Шахов, С.С.Комиссаров // Пищевая промышленность. 2002.-№1. - С. 49.

24. Бессарабов, А.А. Разработка методик расчетов перфорированных элементов энергетического оборудования с применением современных методов математического моделирования напряженно-деформированного состояния: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06. / Бессарабов Алексей Александрович.

- М., 2006. - 20с.

25. Verboloz E.I., Pelenko V.V., Baranenko A.V. The theoretical analysis and optimization of the cutting knifegrille pair parameters in the screws // Agronomy Research - 2015, Vol. 13, No. 3, pp. 709-722.

26. Полещук, О.Б. Оптимизация работы мясоизмель-чительных шнековых машин на основе изучения закономерностей переноса влаги в мясном фарше: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12; 05.02.14 / О.Б. Полещук. - Л., 1988.-18с.

27. Андрианов, А.С. Повышение надежности измельчителей мяса (волчков) на основе анализа технологических и эксплуатационных воздействий: автореф. дис....канд. техн. наук: 05.02.14 / Андрианов Александр Сергеевич - М., 1982.-24с.

28. Бареян, А.Г. Повышение износостойкости и долговечности ножей куттеров при самозатачивании: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.04. / Бареян Ананий Генрикович. - Ставрополь, 2000. - 21с.

29. Полуян, В.А. Повышение долговечности ножей мясоизмельчительных машин: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03. / Полуян Валерий Александрович. - Зерноград, 2006. -17с.

30. Бугаев, А.В. Разработка технологии упрочнения режущих рабочих органов промышленных мясорубок: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Бугаев Александр Вячеславович. - М., 2005.- 17с.

31. Фомин, Р.Б. Технология восстановления крестовых ножей промышленных мясорубок давлением: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Фомин Роман Борисович. - Саратов, 2001. -19с.

32. Воротников, И.Л. Ресурсосберегающие технологии восстановления и упрочнения режущего инструмента типа нож-решетка перерабатывающего оборудования АПК: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03. / Воротников Игорь Леонидович. - Саратов, 2001. - 16с.

33. Горлач, Р.В. Оптимизация состава и технологии производства сталей мясоизмельчительных комплексов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.01. / Горлач Роман Валерьевич. - Санкт-Петербург, 2003. -18с.

34. Вельмесова, Е.В. Повышение эффективности процесса резания путем применения инструмента с наноструктурным покрытием: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07. / Вельмесова Елена Васильевна.

- Н. Новгород, 2012. - 24с.

35. Проников А.С. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1978, - 592 с.

36. Альтшуллер Г.С. Основные приемы устранения технических противоречий при решении изобретательских задач. - Баку: Гянджлик. 1971.

37. Альтшуллер Г.С. Разбор изобретательских задач.

- В кн.: Материалы к семинару по методике изобретательства. Ин-т тепло - и массообмена АН БССР. Минск, 1971, с. 51-133.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

38. Гин А.А. Теория решения изобретательских задач. Учебное пособие I уровня: учебно-методическое пособие / А.А. Гин, А.В. Кудрявцев, В.Ю. Бубенцов, А. Серединский. - 3-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2017 - 64 с.

39. Пеленко В.В., Нечитиайлов В.В., Верболоз А. П., Демченко В.А., Куценко Д.А., Баринов Г.В. Зависимость оптимальной толщины ножа от геометрических и упругих характеристик конструктивных элементов измельчителя // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. 2021. № 2(48). - с. 32-39

40. Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Расчет пластин. -Киев: Будивельник, 1970 - 436 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.