Исследование процесса прессового гранулирования комбикормов в пресс-грануляторах с торцевым ограничением клиновидного рабочего пространства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процесса прессового гранулирования комбикормов в пресс-грануляторах с торцевым ограничением клиновидного рабочего пространства

Ковриков И.Т.,

Кириленко А.С.

г. Оренбург

По данным Министерства сельского хозяйства РФ объем производства комбикормов в нашей стране (преимущественно в гранулированном виде) по результатам 2012 года должен составить 17,3 млн. тонн при потребности для сельскохозяйственных организаций в 30,4 млн. тонн и общей потребности (для всех категорий хозяйств) в 51,4 млн. тонн. Между тем по техническому уровню лишь треть комбикормовых предприятий России может составить конкуренцию зарубежным. Из 50 крупных комбикормовых заводов только половина использует свои производственные мощности более чем на 50%. Только 259 предприятий производят полноценные гранулированные комбикорма. Остальные 193 предприятия - это установки и агрегаты, включающие в основном дробилки и смесители, что не позволяет вырабатывать высококачественные комбикорма. Отраслевые целевые программы Минсельхоза РФ по развитию комбикормовой отрасли в качестве приоритетного направления выделяют разработку на инновационной основе и научное обеспечение высокоэффективных технологий и отечественного технологического оборудования для производства биологически полноценных комбикормов. комбикорм прессовый гранулирование

В связи с этим в условиях модернизации и технологического обновления производства совершенствование механического процесса прессового гранулирования комбикормов, отвечающее критериям ресурсосбережения и энергоэффективности, является весьма актуальным.

Анализ конструкций наиболее распространенных вальцово-матричных пресс-грануляторов экструзионного типа с кольцевой матрицей и направлений их совершенствования позволяет выделить такие недостатки в рабочем процессе пресс-грануляторов, которые не могут быть эффективно устранены в рамках существующих конструкций. Так, реализация рабочего процесса в них характеризуется тем, что любой прессуемый материал, подаваемый на рабочую контактную поверхность матрицы, в результате поперечной деформации стремится выдавиться со стороны ее торцов за пределы области контакта (независимо от значения эффективной ширины матрицы) [1].

Установлено [1], [2], что боковое выдавливание обрабатываемого материала является существенной проблемой процесса прессового гранулирования и имеет целый ряд отрицательных аспектов, связанных как с неоптимальным расходом материала через граничные сечения зон [1] клиновидного рабочего пространства пресс-гранулятора, так и с неравномерным распределением контактных напряжений по ширине цилиндрических рабочих органов. Проблема бокового выдавливания комбикорма проявляется в виде конкретных недостатков в рабочем процессе пресс-гранулятора: значительное снижение производительности; ухудшение условий поступления материала в зону отставания; необоснованные энергозатраты на повторное сжатие выдавленной в осевом направлении части материала; разная производительность в крайних и центральных рядах фильер матрицы (часто блокировка крайних рядов), неодинаковое качество гранул в них, а также неравномерный износ контактных поверхностей рабочих органов вследствие неравномерного распределения контактных напряжений по ширине матрицы и прессующих роликов и др. Из проведенного анализа напряженно-деформированного состояния комбикорма при его движении в клиновидном рабочем пространстве следует, что течение материала в осевом направлении особенно выраженно в зоне отставания и менее интенсивно в зоне экструзии материала в фильеры матрицы [1], [3].

Однако указанная проблема бокового выдавливания, несмотря на то, что является очевидной, остается без достаточного внимания со стороны исследователей. Те решения, которые предлагаются в связи с данной проблемой, либо направлены на частичное устранение какого-либо конкретного недостатка, связанного с боковым выдавливанием, либо малоэффективны (и поэтому до сих пор не реализованы), либо вообще не могут быть реализованы применительно к конструкциям современных пресс-грануляторов. Существующие математические модели процесса прессового гранулирования растительных материалов не дают полного представления об особенностях его реализации, так как описание процесса взаимодействия материала с рабочими органами пресс-гранулятора строится на необоснованном предположении об отсутствии поперечной деформации материала. В действительности условия прессования материала при наличии бокового выдавливания и без него существенно различаются, поскольку, в первую очередь, изменяются тензоры напряжений и деформаций.

Нами показано, что боковое выдавливание предопределено тем, что контактные поверхности матрицы и каждого из прессующих роликов образуют незамкнутое клиновидное рабочее пространство. Процесс прессования без бокового выдавливания возможен только в условиях ограниченной поперечной деформации, когда контактные поверхности рабочих органов пресс-гранулятора образуют замкнутый контур поперечного сечения слоя продукта. Это может быть обеспечено различными путями, и результат каждого из них сводится к уравновешиванию боковых перемещений масс.

Теоретически и экспериментально установлено, что повышение производительности пресс-гранулятора с кольцевой матрицей, снижение энергоемкости рабочего процесса в нем, улучшение механического качества готовых гранул и увеличение долговечности рабочих органов может быть обеспечено путем реализации в клиновидном пространстве пресс-гранулятора схемы плоского деформированного состояния прессуемого материала за счет торцевого ограничения данного пространства (и соответственно слоя продукта) дополнительными контактными поверхностями. Такие поверхности создают условия плоской деформации в ее чистом виде и могут быть введены в структуру прессующего механизма в виде двух цилиндрических ограничительных колец как самостоятельных рабочих элементов его конструкции.

Нами предложена конструкция устройства, имеющая в соответствии с рисунком 1 два сменных ограничительных кольца 1 [4]. Их боковые поверхности 2, обращенные к торцам прессующих роликов 3 и контактируемые с продуктом, а также рабочая поверхность матрицы 4 образуют кольцевую полость с входящими внутрь нее прессующими роликами. В данной конструкции ограничительные кольца прикреплены к планшайбе 5 пресс-гранулятора и конусу 6 для подачи продукта в зону прессования, и таким образом предусмотрены возможности:

- изменения высоты контактных поверхностей ограничительных колец для одной и той же матрицы;

- регулирования зазора ? между боковыми поверхностями ограничительных колец и торцами прессующих роликов;

- изменения сопротивления выдавливанию материала через вышеуказанный зазор за счет регулирования величины или оптимизации его формы (контактная поверхность ограничительных колец вертикальная, наклонная, циклоидальная и др.).

Рисунок 1 - Конструкция пресс-гранулятора с торцевым ограничением клиновидного рабочего пространства дополнительными контактными поверхностями

Нелинейный многопараметрический процесс прессового гранулирования комбикорма описывается комплексной математической моделью, связывающей (через напряженное состояние обрабатываемого материала на контактных поверхностях рабочих органов) технологические параметры процесса, реологические свойства сырья, конструктивные (структурные и геометрические) и кинематические параметры пресс-гранулятора с ее выходными параметрами [2]. Выходными параметрами модели являются критерии оптимизации процесса: производительность, неравномерность производительности фильер по ширине матрицы, потребляемая мощность, нагрузки на рабочие органы, энергоемкость, КПД пресс-гранулятора; для характеристики качества готовых гранул - крошимость, предел прочности, импульс сжимающих напряжений, неравномерность прочности гранул по ширине матрицы.

Таким образом, при исследовании процесса прессования необходимо, в первую очередь, получить описание напряженного состояния прессуемого материала в клиновидном рабочем пространстве пресс-гранулятора. При этом для характеристики рабочего процесса с учетом бокового выдавливания комбикорма является важным исследование распределения контактных напряжений не только вдоль окружной протяженности клиновидного пространства, но и по ширине рабочих органов пресс-гранулятора.

Параметры напряженного состояния комбикорма определены нами, исходя из анализа его движения в условиях замкнутого клиновидного пространства как сплошной уплотняемой среды, обладающей свойствами упругопластического деформируемого твердого тела с изменяющимся пределом текучести [2].

Для решения задачи по определению напряжений в прессуемом материале, находящемся в условиях плоского деформированного состояния, целесообразно использовать инженерный метод [5], [6], [7]. Данный метод предполагает определение нормальных и касательных напряжений не в каждой точке объема деформируемого материала, а только на контактных поверхностях. Дифференциальное уравнение, адекватно описывающее напряженное состояние комбикорма на контактных поверхностях рабочих органов (для случая, когда контактная поверхность ограничительного кольца перпендикулярна контактной поверхности матрицы), получено в виде [2]:

(1)

где - нормальное тангенциальное напряжение в комбикорме, Па;

- коэффициент всестороннего давления комбикорма, Па-1;

- предел текучести при сдвиге комбикорма, находящегося под действием атмосферного давления, Па;

- фактор трения;

- угловая координата (относительно центра матрицы) произвольного радиального (относительно поверхности матрицы) сечения слоя материала высотой , рад;

- угол между касательными к контактным поверхностям матрицы и прессующего ролика, соответствующий высоте слоя , рад;

- величина зазора между боковыми поверхностями ограничительных колец и торцами прессующих роликов, м;

- радиус контактной поверхности кольцевой матрицы, м;

- рабочая ширина матрицы, м;

- радиальная высота проекции торцевой контактной поверхности слоя материала на плоскость, перпендикулярную осям вращения рабочих органов, м;

- для зоны отставания, - в нейтральном сечении зоны экструзии (где касательные тангенциальные напряжения равны нулю), - для зоны опережения.

Параметры и зависят от переменной , а также определяются радиальными размерами цилиндрических рабочих органов и величиной минимального зазора между их контактными поверхностями.

Параметр зависит от соотношения основной геометрической характеристики ограничительного кольца - радиальной высоты проекции его торцевой контактной поверхности на плоскость, перпендикулярную осям вращения рабочих органов, к радиальной высоте захватываемого слоя комбикорма:

; (2)

(3)

где - угловая координата радиального сечения высотой , рад;

- угол образования замкнутого клиновидного пространства, рад.

Необходимо учитывать, что захватываемый слой формируется как за счет новой порции подаваемого в камеру прессования материала, так и за счет части материала, поступающего на повторное сжатие в результате его бокового выдавливания и выдавливания в зазор между матрицей и прессующим роликом. В условиях торцевого ограничения клиновидного пространства боковое выдавливание исключается (полностью или частично), а расход в зону опережения сокращается, и для обеспечения того же значения требуется увеличение подачи материала. Кроме того, в условиях замкнутого клиновидного пространства является существенным определение оптимальной величины минимального зазора между контактными поверхностями матрицы и прессующего ролика, поскольку в зоне опережения боковое выдавливание отсутствует и материал движется только в направлении прокатывающего воздействия.

Реакции со стороны ограничительных колец уравновешивают боковые перемещения комбикорма (стеснение поперечной деформации), и осевые составляющие контактных касательных напряжений равны нулю. В этом случае в уравнении (1) , а распределение нормальных напряжений по ширине рабочих органов можно считать равномерным.

При отсутствии торцевого ограничения клиновидного пространства дополнительными контактными поверхностями напряженно-деформированное состояние прессуемого материала является объемным. Боковое выдавливание материала обусловливает появление осевых составляющих контактных касательных напряжений (на поверхности матрицы) и (на поверхности прессующего ролика), которые равны нулю только в продольном сечении слоя материала с осевой координатой . В этом же сечении нормальные напряжения будут иметь максимальные значения. Соответственно незамкнутое клиновидное пространство предполагает в любом другом продольном сечении разложение векторов полных контактных касательных напряжений и на тангенциальные и осевые составляющие, при этом [2]. Причем в каждом из этих сечений величина осевых составляющих касательных напряжений меньше, чем тангенциальных. Следовательно, сопротивление боковому выдавливанию материала ниже, чем пластической деформации в окружном направлении.

Векторы и коллинеарны векторам относительных скоростей пластического течения в приконтактных слоях прессуемого материала с проекциями и , то есть:

; (4)

. (5)

Для предельного случая, при котором продолжают работать все ряды фильер (вдоль рабочей ширины матрицы), у свободных поверхностей слоя материала

(при )

будем считать и . Тогда на основании (4) и (5) имеем:

и .

С учетом этого закон распределения касательных напряжений можно записать следующим образом:

; (6)

. (7)

Для оценки влияния бокового выдавливания на рабочий процесс пресс-гранулятора в случае незамкнутого клиновидного пространства и анализа изменения параметров напряженного состояния при установке ограничительных элементов может быть использовано одномерная модель (1), в которой положим параметры и равными нулю, а фактор трения зададим в виде функции:

. (8)

В этом случае, полагая деформацию в пределах каждого продольного сечения слоя материала плоской, можно получить трехмерное (в зависимости от координат и ) неравномерное распределение нормальных напряжений на контактной поверхности кольцевой матрицы с учетом бокового выдавливания комбикорма. Экспериментальное исследование распределения напряжений в клиновидном пространстве в тангенциальном и осевом направлениях (и оценка достоверности сделанных предположений) может быть реализовано на лабораторном или промышленном пресс-грануляторе с использованием силоизмерительного прессующего ролика, а также косвенно - из анализа неравномерности производительности фильер по ширине матрицы.

Решения уравнения (1) получены в виде трансцендентных функций, позволяющих определить границы зоны экструзии (при известном сопротивлении фильер), угловую координату нейтрального сечения (влияющую на оптимальное значение ), распределение контактных радиальных напряжений в окружном и осевом направлениях и их средние значения, а также распределение касательных тангенциальных напряжений.

Таким образом, при сравнении параметров напряженного состояния комбикорма в условиях замкнутого и незамкнутого клиновидного пространства (и дальнейшем определении на их основе критериев оптимизации процесса) можно оценить изменение напряжений и координат граничных сечений в результате выполнения ограничительными кольцами как функции дополнительных контактных поверхностей (сравнение при том же значении , затем при тех же энергозатратах), так и функции ограничительных элементов (учет бокового выдавливания комбикорма).

По результатам параметрического синтеза сформированной математической модели рабочего процесса в пресс-грануляторах с торцевым ограничением клиновидного пространства и по результатам оптимизации, проведенной на основании данных экспериментальных исследований, должны быть сформулированы рекомендации, которые необходимо учитывать при проектировании новых и модернизации существующих пресс-грануляторов, а также должна быть разработана методика расчета пресс-грануляторов с замкнутым клиновидным пространством.

Список литературы

1. Ковриков, И.Т., Кириленко, А.С. Повышение производительности пресс-грануляторов путем ограничения рабочего пространства дополнительными контактными поверхностями / И.Т. Ковриков, А.С. Кириленко // Известия вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 5-6. - С. 78-81.

2. Ковриков, И.Т., Кириленко, А.С. Математическое моделирование рабочего процесса в вальцово-матричном пресс-грануляторе с торцевым ограничением клиновидного пространства / И.Т. Ковриков, А.С. Кириленко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 01(75). - С. 132-155. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/01/pdf/42.pdf. - 01.12.2012.

3. Кириленко, А.С., Ковриков, И.Т. Структурное совершенствование вальцово-матричных пресс-грануляторов с кольцевой матрицей / И.Т. Ковриков, А.С. Кириленко // Материалы международной заочной научно-практической конференции "Наука и техника в современном мире". Часть II. - Новосибирск, 2012. - С. 73-78. - ISBN 978-5-4379-0048-2.

4. Пат. 2412819 Российская Федерация, МПК 8 B 30 B 11/20, B 28 B 3/18. Пресс-гранулятор / Ковриков И.Т., Кириленко А.С. ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет". - № 2009145789/02 ; заявл. 09.12.2009 ; опубл. 27.02.2011, Бюл. № 6. - 10 с. : ил.

5. Унксов, Е.П. Инженерная теория пластичности: методы расчета усилий деформирования / Е.П. Унксов. - М.: Машгиз, 1959. - 328 с.

6. Теория пластических деформаций металлов / под ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. - М.: Машиностроение, 1983. - 598 с.

Размещено на Allbest.ru