ИССЛЕДОВАНИЕ  СИЛОВОЙ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ЗАМКНУТОГО  КЛИНОВИДНОГО  РАБОЧЕГО  ПРОСТРАНСТВА  ПРЕСС-ГРАНУЛЯТОРА  С  ПОМОЩЬЮ  ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО  ПРЕССУЮЩЕГО  РОЛИКА

Ковриков  Иван  Тимофеевич

д-р  техн.  наук,  профессор,  Заслуженный  деятель  науки  и  техники  РФ,  профессор  кафедры  машин  и  аппаратов  химических  и  пищевых  производств  ФГБОУ  ВПО  «Оренбургский  государственный  университет»,  РФ,  г.  Оренбург

E-mail : 

Кириленко  Александр  Сергеевич

ведущий  инженер  факультета  прикладной  биотехнологии  и  инженерии  ФГБОУ  ВПО  «Оренбургский  государственный  университет»,  РФ,  г.  Оренбург

E-mail: 

RESEARCH  OF  POWER  CHARACTERISTICS  OF  CLOSED  WEDGE-SHAPED  WORKSPACE  OF  PELLET  MILL  BY  MEANS  OF  TENSOMETRIC  PRESS  ROLLER

Ivan  Kovrikov

dr.Sci.Tech.,  professor,  Deserved  scientist  of  the  Russian  Federation,

professor  of  the  chair  «Machinery  and  Equipment  of  Chemical  and  Food  Industry»  of  the  Orenburg  State  University,  Russia,  Orenburg

Alexander  Kirilenko

principal  engineer  of  the  Faculty  of  Applied  Biotechnology  and  Engineering  of  the  Orenburg  State  University,  Russia,  Orenburg

АННОТАЦИЯ

Предложен  метод  исследования  параметров  напряженно-деформированного  состояния  комбикорма  в  замкнутом  клиновидном  рабочем  пространстве  пресс-гранулятора,  позволяющий  получить  распределение  контактных  напряжений  не  только  в  тангенциальном  направлении,  но  и  по  ширине  рабочих  органов  пресс-гранулятора.  Для  реализации  метода  разработаны  конструкции  тензометрического  прессующего  ролика  и  тензометрического  ограничительного  кольца.  Применение  силоизмерительных  рабочих  органов  существенно  расширяет  возможности  экспериментальных  исследований  процесса  прессового  гранулирования.

ABSTRACT

The  method  of  research  of  the  parameters  of  the  stress-strain  state  of  compound  feed  in  the  closed  wedge-shaped  workspace  of  the  pellet  mill,  allowing  to  receive  contact  stresses  distribution  not  only  in  the  tangential  direction,  but  the  width  of  the  operating  parts  of  the  pellet  mill  is  proposed.  To  apply  the  method  designs  of  tensometric  press  roller  and  tensometric  restrictive  ring  are  developed.  Application  of  tension  operating  parts  significantly  expands  possibilities  of  the  experimental  studies  of  the  pressure  granulation.

Ключевые  слова:   пресс-гранулятор;  прессовое  гранулирование  комбикорма;  ограничительные  кольца;  замкнутое  клиновидное  рабочее  пространство;  тензометрический  (силоизмерительный)  прессующий  ролик;  напряженно-деформированное  состояние.

Keywords:   pellet  mill;  compound  feed  pressure  granulation  (pelleting,  extrusion);  restrictive  rings;  closed  wedge-shaped  workspace;  tensometric  (tension)  press  roller;  stress-strain  state.

Повышение  производительности  пресс-гранулятора  с  кольцевой  матрицей,  широко  применяемого  в  комбикормовой  отрасли,  снижение  энергоемкости  рабочего  процесса  в  нем,  повышение  качества  готовых  гранул  и  увеличение  долговечности  рабочих  органов  может  быть  обеспечено  путем  торцевого  ограничения  клиновидного  рабочего  пространства  пресс-гранулятора  дополнительными  контактными  поверхностями  [1],  [5].  В  структуру  прессующего  механизма  такие  поверхности  включены  в  виде  двух  цилиндрических  ограничительных  колец  как  самостоятельных  рабочих  элементов  его  конструкции  [7].

Анализ  разработанной  комплексной  математической  модели  процесса  прессового  гранулирования  растительного  сырья  [2],  [3],  [4]  позволяет  оценить  влияние  условий  замкнутого  клиновидного  пространства  на  основные  показатели  процесса,  спрогнозировать  изменение  этих  показателей  для  различных  режимов  работы  пресс-гранулятора.

Однако  ввиду  сложности  и  нелинейности  процесса,  описываемого  математической  моделью,  требуется  многоуровневая  экспериментальная  проверка  адекватности  ее  основных  закономерностей.  Экспериментов  на  лабораторной  установке  прессового  гранулирования,  в  результате  которых  определяются  только  отдельные  выходные  параметры  процесса  (производительность,  энергоемкость  пресс-гранулятора,  крошимость  и  предел  прочности  гранул),  без  использования  современных  приборов  и  приспособлений  недостаточно  для  выявления  всех  наиболее  существенных  особенностей  прессования  в  замкнутом  клиновидном  пространстве.  В  связи  с  этим  обоснована  необходимость  проведения  тензометрического  исследования  внутренней  характеристики  процесса  (напряженного  состояния  комбикорма  на  контактных  рабочих  поверхностях  в  клиновидном  пространстве),  что  дает  возможность  получить  более  полное  представление  о  механизмах  влияния  ограничительных  колец  на  параметры  напряженно-деформированного  состояния  прессуемого  материала  и  улучшение  технологического  процесса,  оценить  достоверность  и  корректность  сделанных  в  математической  модели  допущений. 

С  этой  целью  в  экспериментальном  образце  пресс-гранулятора  со  сменными  ограничительными  кольцами  (рисунок  1)  прессующий  ролик  базовой  конструкции  был  заменен  разработанным  нами  тензометрическим  (силоизмерительным)  прессующим  роликом.

Рисунок  1.  Рабочее  пространство  экспериментального  пресс-гранулятора  с  торцевым  ограничением  дополнительными  контактными  поверхностями:  1  —  кольцевая  матрица;  2  —  прессующий  ролик  базовой  конструкции;  3,  4  —  нижнее  и  верхнее  сменные  ограничительные  кольца;  5  —  конус  для  подачи  сырья

Известны  различные  методы  исследования  распределения  напряжений  на  контактных  поверхностях  цилиндрических  рабочих  органов:  точечных  месдоз,  универсального  штифта,  разрезного  валка  и  др.  Некоторые  из  указанных  методов  были  реализованы  и  в  пресс-грануляторах  при  прессовании  растительных  материалов  [6],  [8],  [9].

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. 

Для  этого  предложена  конструкция  силоизмерительного  прессующего  ролика,  позволяющая  измерять  давление  прессования  одновременно  в  трех  продольных  сечениях  по  ширине  его  обечайки  (рисунок  2).  В  обечайке  прессующего  ролика  с  внутренней  стороны  выполнен  прямоугольный  сквозной  паз  с  тремя  ступенчатыми  радиальными  каналами  (сквозными  соосными  отверстиями)  в  его  основании.  В  каждый  канал  с  небольшим  кольцевым  зазором  установлен  измерительный  штифт.  Один  конец  штифта  расположен  на  уровне  рабочей  поверхности  обечайки  (рисунок  2),  а  другой  (в  форме  полусферической  головки)  —  опирается  на  упругий  тензочувствительный  элемент  в  виде  балки,  служащей  измерителем  радиальной  силы.  Каждая  из  трех  балок,  установленных  в  пазу,  размещена  на  тензометрической  опоре,  фиксируемой  наружными  кольцами  подшипников.  С  торцов  паз  закрыт  крышками  подшипникового  узла.  На  каждой  тензометрической  балке  размещен  один  активный  тензорезистор,  включенный  в  полумостовую  электрическую  схему.

Рисунок  2.  Конструкция  тензометрического  прессующего  ролика:  1  —  обечайка  с  несквозной  перфорацией;  2  —  эксцентриковая  ось;  3,  4  —  верхняя  и  нижняя  крышки  подшипникового  узла;  5  —  измерительный  штифт

Под  действием  радиальной  силы  измерительный  штифт  может  свободно  перемещаться  на  расстояние,  равное  прогибу  балки  вследствие  ее  упругой  деформации.  Таким  образом,  при  вращении  прессующего  ролика  в  процессе  работы  пресс-гранулятора  измерительные  штифты,  проходя  соответствующие  зоны  клиновидного  пространства  (отставания,  экструзии  и  опережения),  воспринимают  и  передают  силы  нормального  давления  гранулируемого  материала  балкам.  Регистрируя  усилия,  действующие  вдоль  оси  каждого  штифта  при  прохождении  им  области  деформации,  определяем  средние  контактные  нормальные  напряжения  в  окрестности  площадки  штифта  и  соответственно  контактные  нормальные  напряжения  в  любой  точке  рабочей  поверхности  обечайки  (в  пределах  конкретного  продольного  сечения).  Для  увеличения  числа  экспериментальных  продольных  сечений  по  ширине  клиновидного  пространства  опыты  повторяются  при  прочих  равных  условиях  с  использованием  обечаек,  в  которых  измерительные  штифты  смещены  вдоль  оси  прессующего  ролика.

Для  проведения  тензометрирования  вместо  токосъемных  устройств  используется  тензометрическая  система  (рисунок  3)  с  автономным  регистратором  сигналов  на  базе  модуля  аналого-цифрового  преобразователя  ZET  220  (ЗАО  «ЭТМС»)  со  встроенным  флэш-накопителем.

Рисунок  3.  Пресс-гранулятор  с  тензометрической  системой,  смонтированной  на  силоизмерительном  прессующем  ролике  (крышка  кожуха  снята)

Для  исследования  нормальных  осевых  напряжений  в  комбикорме,  прессуемом  в  замкнутом  клиновидном  пространстве,  и  определения  нагрузки  на  контактные  поверхности  ограничительных  элементов  тензозвено  с  измерительным  штифтом  встроено  также  в  верхнее  сменное  ограничительное  кольцо  пресс-гранулятора.  При  этом  используется  аналогичная  тензометрическая  система,  закрепленная  на  планшайбе  пресс-гранулятора.

Варьируемыми  факторами  при  проведении  лабораторных  экспериментов  с  силоизмерительными  рабочими  органами  являются:  начальная  относительная  влажность  и  температура  сырья;  модуль  частиц  исходной  смеси;  полная  относительная  длина  фильер  кольцевой  матрицы;  величина  минимального  радиального  зазора  между  контактными  поверхностями  матрицы  и  прессующего  ролика;  радиальная  высота  сменного  ограничительного  кольца  или  угол  образования  замкнутого  клиновидного  рабочего  пространства;  угловая  скорость  матрицы  (частотный  преобразователь  Toshiba  VF-AS1);  подача  рассыпного  материала  в  камеру  прессования  или  уровень  загрузки  по  мощности,  требуемой  на  гранулирование.

Результаты  сравнительного  тензометрического  исследования  параметров  напряженного  состояния  комбикорма  в  условиях  замкнутого  и  незамкнутого  клиновидного  рабочего  пространства  пресс-гранулятора  были  приведены  к  контактной  поверхности  матрицы.  Затем  были  получены  диаграммы  экспериментальных  характеристик  напряженного  состояния  комбикорма  в  виде  эпюр  или  трехмерного  распределения  нормальных  радиальных  напряжений  на  контактной  поверхности  матрицы,  а  также  диаграммы  нормальных  напряжений  на  контактной  поверхности  силоизмерительного  ограничительного  кольца.

Применение  силоизмерительных  рабочих  органов  позволило  существенно  расширить  возможности  экспериментальных  исследований  на  лабораторной  установке  прессового  гранулирования  по  нескольким  аспектам.

Экспериментально  определены  координаты  характерных  сечений  клиновидного  рабочего  пространства  и  параметры  напряженно-деформированного  состояния  комбикорма  в  нем.  Установлена  адекватность  математической  модели  напряженного  состояния  прессуемого  материала  при  его  движении  в  замкнутом  клиновидном  рабочем  пространстве  прессующего  механизма.  Таким  образом,  подтверждена  справедливость  ряда  важных  предположений,  обозначенных  в  ходе  теоретических  исследований  (о  величине  и  законе  распределения  контактных  касательных  напряжений,  о  независимости  предела  текучести  от  гидростатического  давления  в  зоне  экструзии,  о  характере  изменения  контактных  нормальных  напряжений  в  зоне  экструзии,  о  величине  плотности  комбикорма  в  активной  части  зоны  отставания  и  др.).

Тензометрические  исследования  позволили  определить  силы  сопротивления  боковому  выдавливанию  прессуемого  материала  и  соответственно  силы,  обусловливающие  поперечную  деформацию  материала  при  отсутствии  ограничительных  элементов.  Также  определена  радиальная  нагрузка  на  рабочие  органы  пресс-гранулятора.

Экспериментально  обосновано  влияние  торцевого  ограничения  клиновидного  рабочего  пространства  прессующего  механизма  на  равномерность  распределения  контактных  нормальных  напряжений  по  ширине  рабочих  органов  и  на  показатели  механического  качества  гранул.  Полученное  распределение  нормальных  напряжений  на  контактной  поверхности  матрицы  хорошо  согласуется  с  теоретически  установленным  (в  соответствии  с  рисунком  4)  характером  изменения  напряженного  состояния  комбикорма  в  клиновидном  пространстве.  Проанализированы  условия  повышения  производительности  и  снижения  энергоемкости  пресс-гранулятора  с  ограничительными  кольцами.

Осуществлена  оценка  влияния  бокового  выдавливания  прессуемого  материала  и  торцевого  ограничения  клиновидного  пространства  на  относительное  скольжение  контактных  поверхностей  матрицы  и  прессующего  ролика.  По  экспериментальным  данным  проведен  анализ  захватывающей  способности  рабочих  органов  пресс-гранулятора  и  заполняемости  его  клиновидного  рабочего  пространства.  Показано,  что  проскальзывание  рабочих  органов  и  захватывающая  способность  клиновидного  пространства  обусловлены,  главным  образом,  положением  нейтрального  сечения.  Кроме  того,  установлено,  что  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.

Рисунок  4.  Диаграммы  распределения  контактных  нормальных  напряжений  в  условиях  незамкнутого  (слева)  и  замкнутого  (справа)  клиновидного  рабочего  пространства:    —  нормальное  радиальное  напряжение  на  контактной  поверхности  матрицы;    —  угловая  координата  радиального  сечения  слоя  комбикорма;    —  осевая  координата  продольного  сечения  слоя  комбикорма

Таким  образом,  исследование  силовой  характеристики  клиновидного  рабочего  пространства  с  помощью  тензометрического  прессующего  ролика  позволяет  осуществить  полноценный  экспериментальный  сравнительный  анализ  различных  условий  и  режимов  работы  пресс-гранулятора,  а  также  обеспечивает  более  качественную  оценку  эффективности  замкнутого  клиновидного  пространства  с  учетом  выполнения  ограничительными  кольцами  как  функции  дополнительных  контактных  поверхностей,  так  и  функции  ограничительных  элементов.

Список  литературы:

1.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.

2.Ковриков  И.Т.,  Кириленко  А.С.  Исследование  процесса  прессового  гранулирования  комбикормов  в  пресс-грануляторах  с  торцевым  ограничением  клиновидного  рабочего  пространства  /  И.Т.  Ковриков,  А.С.  Кириленко  //  Материалы  Всероссийской  научно-методической  конференции  (с  международным  участием)  «Университетский  комплекс  как  региональный  центр  образования,  науки  и  культуры»  /  Оренбургский  гос.  ун-т.  Оренбург:  ООО  ИПК  «Университет»,  2013.  —  С.  982—989.

3.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  КубГАУКраснодар:  КубГАУ,  2012.  —  №  01(75).  —  С.  132—155.  —  [Электронный  ресурс].  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://ej.kubagro.ru/2012/01/pdf/42.pdf

4.Ковриков  И.Т.,  Кириленко  А.С.  Математическая  модель  напряженного  состояния  растительного  материала  в  цилиндрических  фильерах  матрицы  пресс-гранулятора  /  И.Т.  Ковриков,  А.С.  Кириленко  //  Фундаментальные  и  прикладные  проблемы  техники  и  технологии.  —  2013.  —  №  2  (298).  —  С.  25—34.

5.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.

6.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:  05.20.01  /  В.Ф.  Некрашевич.  Рязань,  1982.  —  512  c.

7.Пат.  2412819  RU  B  30  B  11/20,  B  28  B  3/18.  Пресс-гранулятор  /  Ковриков  И.Т.,  Кириленко  А.С.  №  2009145789/02;  заявл.  09.12.2009;  опубл.  27.02.2011,  Бюл.  №  6.  —  10  с.:  ил.

8.Handbook  of  powder  technology  Vol.  11  Granulation  /  edited  by  A.D.  Salman,  M.J.  Hounslow,  J.P.K.  Seville.  Oxford:  Elsevier,  2007.  —  1402  p.

9.Schwanghart  H.  Messung  und  Berechnung  von  Druckverhältnissen  und  Durchsatz  in  einer  Ringkoller-Strangpresse  //  Aufbereit.-tech.  1969.  №  12.