Россия
Цель исследования – обоснование применения новой кинематической схемы измельчения растительного сырья (злаковые и плодовые растения) для реализации конструкции валковой дробилки с наборными пластинами в форме РК-профиля. Для выполнения цели исследования поставлен ряд задач по изучению главного объекта – кинематической схемы измельчения. В статье подробно рассмотрена указанная схема измельчения в качестве статической и кинематической схемы взаимодействия элементов измельчителя и измельчаемого сырья; отмечена возможность сов¬мещения в данной схеме ряда различных механизмов разрушения, а именно: сжатия, растяжения, истирания, ударного воздействия; отмечен эффект постоянного изменения направления и величины действующих на измельчаемый материал сил; исследованы геометрические и силовые характеристики новой конструкции валковой дробилки. В результате анализа новой кинематичес¬кой схемы измельчения можно сделать следующий вывод: в системе возникают знакопеременные нагрузки, действующие на измельчаемое сырье в результате возникновения различных разрушающих сил, которые позволяют добиться дополнительного повышения интенсивности измельчения материала (сырья) и, как следствие, повышения эффективности процесса измельчения в целом. Также приводится обоснование кинематических и силовых воздействий, оказывающих влияние на измельчаемое сырье в зоне дробления с учетом упруго-пластичных свойств различных видов сельскохозяйственной продукции. Приведен результат анализа напряженно-деформирован¬ного состояния валков в зоне измельчения с учетом максимально неблагоприятных условий воздействия веществ с различными механическими свойствами на рабочие органы дробилки. Обоснована необходимость реализации новой схемы измельчения и предложены варианты конструктивного исполнения в виде дробилки с наборными пластинами в форме РК-профиля.
дробилка, измельчитель, валки, РК-профиль, интенсивность дробления, кинематическая схема, разрушение, деформация, растительное сырье, сельское хозяйство
Введение. В сельскохозяйственном и пищевом производствах одним из важнейших этапов переработки растительного сырья является измельчение. На зерноперерабатывающих и комбикормовых заводах измельчающие машины являются одним из наиболее энергоемких видов технологического оборудования. Дисперсность, гранулометрический состав и физико-механические свойства измельченного растительного сырья определяют конечные технико-экономические показатели продукции и применимость ее в пищевой, промышленной или лекарственной отраслях. Для продукции, употребляемой человеком в пищу, особенно важна чистота помола (измельчения) растительного сырья с точки зрения содержания в нем продуктов износа рабочих органов измельчителей. Для реализации различных видов механизмов разрушения материалов разработано множество схем измельчения. Изготовленное по таким схемам оборудование чаще всего реализует от одного до двух (реже трех) механизмов разрушения. В сельском хозяйстве для переработки различных видов растительного сырья используются измельчители с определенными техническими характеристиками: механизм разрушения материалов, интенсивность измельчения, технологичность, надежность и др. Очень часто, при высоких показателях оборудования по одним характеристикам, другие параметры остаются на достаточно невысоком уровне. Особенно это относится к интенсивности измельчения, которая ограничивается механизмами разрушающего воздействия и их сочетанием конкретного измельчителя [1–5]. Учитывая достоинства и недостатки существующих измельчителей и схем измельчения, была предложена новая кинематическая схема процесса измельчения, в основу которой заложено применение валков в форме РК-профиля [6–8]. Для подтверждения целесообразности применения такой схемы для измельчения растительного сырья и изготовления на ее основе оборудования проанализированы основные механизмы разрушения растительного сырья и исследованы геометрические и силовые характеристики новой конструкции валковой дробилки.
Цель исследования – обоснование применения новой кинематической схемы измельчения растительного сырья для реализации конструкции валковой дробилки с наборными пластинами в форме РК-профиля.
Задачи: исследование механизмов разрушения растительного сырья в зоне дробления и воздействия знакопеременных нагрузок на измельчаемый материал и механизмы дробилки.
Результаты и их обсуждение. В разрабатываемой дробилке измельчаемое растительное сырье перемещается в горизонтальном и вертикальном направлении, таким образом материал перекатывается между криволинейными поверхностями валков, реализованных изменяющимся радиусом минимального r до максимального R (рис. 1) [6].
Рис. 1. Схема относительного расположения валков и измельчаемого сырья
На материал в этом случае действуют разнонаправленные силы в зоне контакта валков с измельчаемым растительным сырьем. Благодаря таким сложным движениям значительно снижается вероятность заклинивания сырья в щелевом зазоре за счет попадания крупных кусков или примесей твердых частиц в сыпучем сырье (камни и другие включения в объеме зерновых).
При вращении валков изменяется размер щелевого зазора. В момент увеличения зазора происходит захват растительного сырья и дальнейшее его истирание и раздавливание (рис. 2).
Рис. 2. Изменение щелевого зазора между валками
При минимальном щелевом зазоре, сформированном минимальным радиусом r одного валка и максимальным R другого валка, в зоне измельчения действует максимальный угол захвата α (рис. 2, а). При вращении валков щелевой зазор постепенно увеличивается и на растительное сырье действуют силы истирания (за счет разной окружной скорости валков) и сжатия (рис. 2, б). Угол захвата в этом положении позволяет затягивать растительное сырье в щелевой зазор, при этом некоторый объем деформированного сырья поднимается вверх и смешивается с еще необработанным растительным сырьем, реализуется процесс перемешивания и вторичного воздействия на растительное сырье механизмов разрушения. При дальнейшем вращении и увеличении щелевого зазора материал раздавливается и истирается (рис. 2, в). Измельченный материал свободно падает под действием силы тяжести через разгрузочный щелевой зазор. В этом положении механизм дробления схож со щековой дробилкой [8, 9]. В положении валков (рис. 2, г) щелевой зазор близок к минимальному, большой радиус R раздавливает большой объем растительного сырья и отсекает его части.
Описанная схема воздействия на растительное сырье с изменяющимся щелевым зазором значительно повышает возможность дробления материала в сравнении с классическими валковыми дробилками, где размер частиц измельчаемого растительного сырья ограничен диаметром валков.
Для измельчения мелкодисперсных и гранулометрически равномерных по составу видов растительного сырья, а также для дробления пластичных материалов возможна реализация схемы дробления с постоянным щелевым зазором. Для этого на подпружиненный вал устанавливается профиль, который при вращении смещает вал в сторону уменьшения щелевого зазора, при этом работоспособность подпружиненного механизма сохраняется.
Для наглядного подтверждения характера изменения щелевого зазора и динамики работы пары валков была создана анимационная модель (рис. 3).
Рис. 3. Изменение щелевого зазора на анимационной модели
На отдельных кадрах анимации видно не только изменение размера щелевого зазора от минимального значения amin до максимального amax при разных положениях валков, но и изменение положения щелевого зазора (рис. 4).
Рис. 4. Изменение положения щелевого зазора на анимационной модели
Благодаря изменению положения щелевого зазора и различных угловых скоростей реализуется механизм перекатывания материала, а в случае попадания большого объема растительного сырья при недостаточном угле захвата – выведение излишнего объема из зоны дробления.
В зоне измельчения между валками в форме РК-профилей реализуется циклическая знакопеременная нагрузка. При вращении РК-профиля происходит смена векторов и численных значений сил относительно оси вращения валков (рис. 5) [6].
Рис. 5. Схема сил в щелевом зазоре при разных положениях пластин
Сочетание различных кинематических и силовых воздействий дает дополнительное перемешивание измельчаемого растительного сырья, а различные механизмы разрушения действуют совместно с постоянным изменением направления сил и их численных значений.
Конструкция валков, выполненных в виде наборных пластин в форме РК-профиля, позволяет реализовать механизм гильотины (с вращением ножей) с нелинейным распределением нагрузки (рис. 6) [7].
При вращении валков грани соседних пластин пересекаются. Точка приложения сил будет смещаться по касательной к кривой, образованной встречными гранями РК-профиля (рис. 7).
Рис. 6. Зоны резания в пластинах
Рис. 7. Направление сил резания в пластинах
Реализация подобного механизма позволяет разрушать хрупкие материалы раскалыванием. Наиболее важным эффект резания является для измельчения пластичных растительных материалов, обработка которых представляет определенные сложности [8, 10, 11].
Заключение
1. Предложенная схема измельчения растительного сырья сочетает различные механизмы разрушения: сжатие, истирание, раздавливание, резание при знакопеременных нагрузках. Реализуется возможность измельчения растительного сырья разного гранулометрического состава и дисперсности за счет изменения размера и положения щелевого зазора и угла захвата. Для тонкого измельчения и измельчения пластичных материалов предусмотрена возможность сохранения размера щелевого зазора путем цикличного смещения подпружиненного вала, а благодаря эффекту гильотины возможно измельчение пластичных и волокнистых видов растительного сырья.
2. Все совокупные характеристики схемы измельчения, реализованные наборными пластинами в форме РК-профиля, позволяют повысить интенсивность измельчения. Предлагаемая сборная конструкция, построенная по данной схеме, является более эффективной по показателям технологичности, ремонтопригодности и эффективности измельчения. Валки дробилки обладают высокой степенью надежности благодаря системе распределения усилий на криволинейной поверхности наборных пластин в форме РК-профиля.
1. Машины и агрегаты металлургических заводов / под ред. А.И. Целикова. М.: Металлургия, 1987. Т. 1. С. 82.
2. Искандеров Р.Р., Лебедев А.Т. Молотковые дробилки: достоинства и недостатки // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 1 (17). С. 27–30.
3. Пат. на полезную модель № 160138 U1 Российская Федерация, МПК B02C 4/28. Дробилка валковая лабораторная / Д.М. Кривелев, А.Г. Кочуров; заявитель ООО «ВИБРО¬ТЕХНИК». № 2015140945/13; заявл. 24.09.2015; опубл. 10.03.2016.
4. Пат. № 2528702 C1 Российская Федерация, МПК B02C 4/12. способ дробления в валковой дробилке / Никитин А.Г., Люленков В.И., Лактионов С.А. [и др.]; заявитель Сибир. гос. индустриальный ун-т. № 2013110529/13; заявл. 11.03.2013; опубл. 20.09.2014.
5. Пат. на полезную модель № 166453 U1 Российская Федерация, МПК B29B 17/00. Валковый измельчитель / Соловьев М.Е., Андропов В.А., Соловьев Е.М.; заявитель ООО «НПО ВТОРМ». № 2016126301/05; заявл. 29.06.2016; опубл. 27.11.2016.
6. Кривов Д.А., Гордеев Ю.И. Разработка принципиальной схемы дробилки с валками в форме РК-профиля // Вестник КрасГАУ. 2017. № 7 (130). С. 78–83.
7. Моделирование напряженного состояния в зоне измельчения между сборными валками в форме РК-профиля / Д.А. Кривов [и др.] // Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1353 (1), 012076.
8. Кривов Д.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния пластин в форме РК-профиля при измельчении пластичных материалов // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, 1181, 012020.
9. Гурьянов Г.А., Абдеев Б.М. Прикладная модель измельчения шарообразной твердой частицы прямым ударом о недеформируемую плоскую поверхность // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 1. С. 32–42.
10. Меновщиков В.А., Полюшкин Н.Г., Ярлыков В.М. Механизм контактного разрушения сталей при статическом нагружении // Вестник КрасГАУ. 2006. № 10. С. 198–203.
11. Полюшкин Н.Г. Оценка микротвердости стальных образцов в условиях реверсивного движения // Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. Красноярск: Красноярский ГАУ, 2020. С. 117–120.
