CC BY
24
© K.B. Епифанцев, A.B. Михайлов, А.В.Гладкий, 2012
К.В. Епифанцев, А.В. Михайлов, А.В.Гладкий
ПРОИЗВОДСТВО КУСКОВОГО ТОРФА, ЭКСТРУДИРОВАНИЕ, ФОРМА ЗАХОДНОЙ И КАЛИБРУЮЩЕЙ ЧАСТИ ФИЛЬЕРЫ МАТРИЦЫ, МЕТОД ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Рассмотрены испытания различных конструкций входной части матрицы машины для окускования торфяного топлива. Произведён расчёт напряжений, возникающих в корпусе машины в программной среде Yade по методу дискретных элементов (DEM). Работа выполнена в соответствии с проектом № 15018 Германской службы академических обменов DAAD. Ключевые слова: операция экструзии, угловой и линейной скорость.
Операция экструзии — неотъемлемая часть производственного процесса изготовления окускованного топлива. Достоинства машин для производства торфяного окускованного топлива, такие как непрерывность подачи, герметичность, простота конструкции, возможность агрегатирования с другим оборудованием, обусловили их широкое применение.
Повышение эффективности функционирования данных машин и уменьшения потребляемой ими электроэнергии достигается путем выбора рациональных значений конструктивных и режимных параметров их рабочих органов. Подбор данных параметров позволит получить высококачественное, энергоплотное окускованное торфяное топливо. В процессе проведённого обзора производителей машин для производства твёрдого биотоплива в Германии были выбрана машина Futura II E56a/50 производства фирмы «Ндп^е» (рис. 1), имеющая соответствующие характеристики для формования торфяной пасты.
Рис. 1. Общий вид машины Futura II E56a/50 со снятой крышкой корпуса
а б в
Рис. 2. Сечение фильер: а — сферическое; б — коническое; в — тороидальное
Одним из основных конструктивных элементов машины для формования окускованного топлива является фильера её матрицы. От формы входной части фильеры матрицы во многом определяется противодавление прессующегося материала, а следовательно и затраты на работу шнека. Высокие адгезионные свойства торфяной пасты часто становятся причиной за-штыбовывания материала в зоне уплотнения и в зоне перемещения сформованной пасты в корпусе машины, что приводит к превышению допустимой нагрузки и автоматическому отключению двигателя частотным преобразователем. В результате этого возникают простои на производстве и дефекты в готовой продукции. Остановка оборудования с невыработанным высыхающим и цементирующимся в полостях корпуса сырьем влечёт за собой проблемы при пуске машины из-за схватывания материала и блокировки им лопастей шнека. Всвязи с этим, становится актуальным выбор рациональной конструкции входной части фильеры с целью уменьшения не только энергопотребления общей нагрузки на силовые элементы машины, но и снижения износа перерабатывающих механизмов.
При проведении обзора подобных работ в исследованиях авторов [1] , были рассмотрены три формы выполнения головки пресса: сферическая, коническая и тороидальная.
Эксперименты показали, что тороидальная форма фильеры обеспечивает минимальную энергоемкость процесса прессования по сравнению с конической и сферической. В то же время следует отметить, что тороидальная форма описывается радиусом окружности и являет собой ту же сферу. По методу оценивались различные формы фильеры окусковательной машины при установлении соответствующих граничных условий. Необходимо определить уравнение поверхности вращения (рассматривается цилиндрический канал), площадь которой при заданной величине сужения будет минимальной. Метод
решения задачи — вариационное исчисление, предметом которого является определение функций, дающих некоторому функционалу экстремальное значение.
Согласно [2] уравнение поверхности вращения фильеры в общем случае имеет вид
С помощью функционала (1) необходимо оптимизировать поверхность сужения в канале фильеры. При заданных координатах точек А (х1, у1) и В (х2, у2) требуется определить уравнение кривой у(х) (экстремаль), вращением которой (относительно оси х образуется поверхность с минимальной площадью (2).
В работе [1] показано, что функционал в виде (2), является минимумом площади поверхности вращения. Если дугу цепной линии вращать вокруг оси ОХ, то образуется поверхность вращения, называемая катеноидом (рис. 3). Катеноид представляет собой поверхность, имеющую минимальную площадь среди всех поверхностей вращения дуг линий, соединяющих две заданные точки плоскости.
Рассматривая гиперболический косинус в качестве решения дифференциального уравнения можно получить [2]
(1)
(2)
у // - ку / = к 2 Ж Р0
(3)
У
х
где Р0 — давление на входе в фильеру матрицы; Р(х) — изменение давления по длине канала [1]; к — коэффициент сопротивления деформируемой массы торфа.
Рис. 3. Катеноид 214
Для проверки данных теоретических исследований были проведены виртуальные испытания созданной модели в программной среде
Рис. 4. Общий вид разработанной модели машины
Yade и программе визуализации РагаУ1еш. Разработанная модель экструдера (рис. 3) включала загрузочный бункер 1, корпус 2, шнек 4, сменные фильеры 5, и поступающие в него частицы 3, имитирующие частицы торфа. Подача материала осуществлялась равномерно, в достаточной степени для формования материала.
Так как основным изменяющимся конструктивным элементом машины является фильера [4], были построены три фильеры различного вида, соответствующие применяемым фильерам на производстве а также фильера (рис. 5, а), расчитанная ранее (рис. 3). Расчётные модули программы Yade позволяли получать данные о таких величинах как угловая скорость ю, линейная скорость V, напряжяние по нормали Рнорм, момент сил М, результирующая сил Ррезульт.
Программное обеспечение Yade применяется для расчётов по методу дискретных элементов на основании разработок учёных из Франции (Университет Гренобля). Yade нашло применение
Рис. 5 — Вид созданных фильер: а — по цепной линии (Н60), б — с конусом 17,5°, с прямым углом
Рис. 6. Результаты расчёта окускования сырья с фильерой с прямым углом
Рис. 7. Результаты расчёта окускования сырья с фильерой с конусом 17,5
Рис. 8. Результаты расчёта окускования сырья с фильерой по цепной линии (И60)
во многих сферах: переработки и разрушения горных порол, анализа работы молульных установок и отлельных машин по прессованию сыпучих веществ, изучению влияния различных сил на тело, созланное из сыпучих срел.
На прелставленных рисунках 8,7,6 ланы результаты расчёта опытной установки в программной среле. Метол лискретых элементов (Descret element method — DEM) [5], основанный на взаимолействии сферических частиц, теоретически принятый нами за метол лвижения частиц лобытого торфа, прошелшего
предварительную переработку в просеивающем ковше-дробилке. На представленных рисунках чёрными стрелками обозначены наиболее напряжённые участки машины — перерабатывающий шнек и входная часть фильеры. При концентрации напряжений в определённых участках корпуса шнека (помечены чёрными стрелками) возникает опасность перегрева материала за счёт увеличения внутреннего трения и ухудшения проворачивающей способности шнека. Изучив наиболее напряжённый вариант испытания (рис. 6) был сделан вывод, что максимальное напряжение приходится на ближайшую к фильере лопасть шнека. В дальнейших рисунках (рис. 7,8) напряжение смещается от лопастей шнека влево, что существенно снижает напряжение по нормали от 589 до 419 КПа.
Результаты проведённого эксперимента были сведены в таблицу, демонстрирующую, как изменение входной части фильеры в влияет на напряжение по нормали Рнорм и момент силы М, определяющие энергопотребление машины при переработке материала.
Выполнение сужения цилиндрического части фильеры по цепной линии может значительно улучшить качество формуемого торфа по сравнению с прямым конусом сужения и прямым углом фильеры. При применении данной конструкции в среднем происходит снижение напряжения по нормали Рнорм на 28,8 % (рис. 9), однако одновременно происходит незначительное снижение угловой и линейной скорости, что может отразиться на производительности машины.
Таблица 1
Параметры смоделированных конструкций и результаты испытаний в программной среде Уайе
Форма фильеры мм ь, мм ю, рад/с V, м/с Рнорм, КПа М, Нм Ррезульт, Н
прямой угол — 0° 20/90 70 1,43 6,55 589.64 7,8 574
конус — 17,5° 20/90 130 1,33 6,6 559.10 5,1 423
цепная линия (Я60) 20/90 70 1,32 6,4 419.35 4 349
Изменение скоростей при испытаниях фильер различной формы
т
17,5° R60
I v, м/с ф to, рад/с
Рис. 9. Напряжение по нормали Qнopм, результирующая сил Рре-зульт, угловая скорость ы, линейная скорость V, на валу шнека при работе машины с различными видами фильер
Обоснованием эффективности сужения фильеры матрицы, выполненного по цепной линии, могут служить следующие обстоятельства: с одной стороны, по длине канала происходит экспоненциальное снижение давления из-за энергетических затрат на деформацию торфа и трение о стенки фильеры, а с другой — по мере продвижения материала в фильере сопротивление торфа деформированию растет экспоненциально. Сумма этих зависимостей дает гиперболический косинус — цепную линию [1].
В процессе работы были исследованы структурно-механические характеристики торфяной пасты подчиняющейся реологической модели Бингама при ее деформировании. На основании проведённых опытов обоснована конструкция фильеры матрицы пресса. Фильера, выполненная по цепной линии обеспечивает уменьшение силы трения между торфяной пастой и внутренней поверхностью фильеры, состоящей из формующей и калибрующей частей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kocserha I., Krist61y F. Effects of Extruder Head's Geometry on the Properties of Extruded Ceramic Products. Materials Science ForumVol. 659 (2010) pp. 499—504.
2. Богатов Б.А. Управление процессом разработки торфяных месторождений. — Мн.:Выш. шк., 1985. — 168 с.
3. J. Benbow, J. Bridgwater, Paste Flow and Extrusion, Clarendon Press, Oxford U.K., 1993.
4. А.Н. Никулин, К.В, Епифанцев, И.В. Курта. Получение топливных гранул за счёт переработки малоликвидных твёрдых горючих отходов (статья). Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции — Кемерово: Сибирское отделение Российской академии наук, ООО КВК «Экспо-Сибирь», 2011—429с.
5. V. Smilauer, E. Catalano, B. Chareyre, S. Dorofeenko, J. Duriez, A. Gladky, J. Kozicki, C.Modenese, L. Scholtrn, L. Sibille, J. Str6nsk3, K. Thoeni. YADE Reference Documentation. ДШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Епифанцев К.В. — ассистент кафедры, Юргинский технологический институт Томский политехнический университет,
Михайлов А.В. — доктор технических наук, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
Гладкий А.В. — ing. Institute of Mineral Processing Machines (IAM), TU Bergakademie Freiberg.
