АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ШНЕКОВЫХ ПРЕССОВ И ИХ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 622.331.622.2

Гусева А.М.

Гусева Анна Михайловна, к. т. н., доцент кафедры технологических машин и оборудования, ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет», Тверь, ул. Академическая, 12, guseva_ann@ mail.ru

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ШНЕКОВЫХ ПРЕССОВ И ИХ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ

Аннотация. Представлен вывод аналитических моделей, устанавливающих характер изменения максимального напора, создаваемого формующим шнеком при осевом и радиальном расположении мундштука. Приведены выводы наиболее рационального конструктивного исполнения мундштука с точки зрения простоты исполнения, обеспечения качества формования и минимума энергозатрат.

Ключевые слова: кусковой торф, шнековый фор-мователь, мундштук, фрезформовочная машина, напор.

Guseva А.М.

Guseva Anna Mickhailovna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Process Machines and Equipment, Tver State Technical University, Tver, Akademicheskaya str., 12, guseva_ [email protected]

ANALYSIS OF THE DESIGN OF SCREW PRESSES AND THEIR WORKING BODIES

Abstract. The conclusion of analytical models is presented, which establish the nature of the change in the maximum pressure created by the forming screw with the axial and radial arrangement of the mouthpiece. The conclusions of the most rational design of the mouthpiece in terms of simplicity of execution, quality assurance of molding and minimum energy consumption are presented.

Keywords: lump peat, screw shaper, mouthpiece, milling machine, pressure.

Наиболее рациональным с точки зрения простоты конструкции и качества получаемого результата в исполнении фрезформовочных машин является шнековый формователь. В настоящее время в промышленности наиболее широкое применение получили одношнековые прессы, в качестве определяющих параметров которых принимаются диаметр шнека Б и отношение длины рабочей части шнека к его диаметру - Ь/Б. Модели отечественных одношнековых прессов универсального назначения для переработки термопластов изготавливаются с отношением длины рабочей части шнека к диаметру Ь/Б, равным 20, 25 и 30. Для специальных шнековых машин отношение Ь/Б может быть увеличено до 35 или 40. Наибольшее распространение получили машины с отношением Ь/Б, равным 20 и 25, однако в последнее время намечается тенденция к увеличению отношения Ь/Б до 30-35, что в совокупности с увеличением угловой скорости шнека приводит к существенному повышению производительности шнековых машин (прессов) [1]. Шнековые механизмы востребованы в производствах для получения формованной продукции из различного сырья.

Одношнековые варианты получили более широкое распространение по сравнению с двухшнековыми в связи с надежностью и простотой конструкции, уменьшенных нагрузках на подшипники передачи и привода, а также невысокой стоимостью и проверенной технологией. В одношнековом варианте исполнения весь канал шнека заполнен материалом, поэтому возникают более благоприятные условия для формования, чем в двухшнековом экструдере [2].

В шнековых прессах одновременно сочетаются несколько функций: транспортирование материала, его резание-перетирание-раздавливание, сжатие, гомогенизация и формование, которые осуществляются при продвижении торфа от загрузочной воронки к формующему мундштуку. В результате таких механических воздействий переработанный торф приобретает аморфность, пластичность, а после формования и сушки - прочность и высокую плотность. Причем торф, как и любой другой материал, попавший в загрузочную воронку шнекового пресса, постепенно продвигаясь по напорной трубе к мундштуку, тщательно перемешивается и перерабатывается, приобретая все большую однородность по дисперсности и влаге [3]. Производительность, необходимая мощность, удельный расход энер-

гии и качество готового кускового торфа зависят при прочих равных условиях от степени переработки торфомассы [4, 5].

Конструкцию шнекового пресса фрезфор-мовочной машины условно можно разделить на три зоны (рис. 1): зона загрузки, зона сжатия и зона формования.

\///////М////////М/////////Ж\

ФФпамнш ;

.1_____________I

Рис. 1. Конструкция шнекового пресса фрезформовочной машины

Fig. 1. Design of the screw press of the milling machine

Плотность материала начинает расти в зоне загрузки и растет на протяжении всей длины шнека. Наибольший рост плотности материала наблюдается в зоне формования. Прочность формуемого материала начинает интенсивный рост в зоне загрузки и продолжается до определенной точки в зоне формования, затем происходит затухание интенсивности роста этого показателя [2]. Как правило, после шнека устанавливаются формующие мундштуки различной формы и диаметра, где происходит уплотнение и окончательное формование кускового торфа.

На фрезформовочной машине возможно осевое и радиальное расположение мундштуков (рис. 2).

Рис. 2. Варианты расположения мундштуков фрезформовочной машины: а - осевое; б - радиальное

Fig. 2. Options for the arrangement of the mouthpieces of the milling machine: a - axial; б - radial

б

Согласно формуле Ф.А. Опейко, напор, развиваемый шнеком [6, 7],

а = 4я(1 -3;) ^т ,

(1)

где К, Ь и 5 - наружный радиус, длина напорной части, шаг витков шнека; т - тангенциальное нап ряжение на внутренне й п оверхности кожуха.

По данным многочисленных исследований, зависимость напора, развиваемого шнеком от шага витков шнека, имеот параболическую форму с характерным экстремумом . Поэтому максимальный напор может б ыть достигнут при услов ии

^ = 0.

(2)

Продифференцировав (2) и приравняв производную нулю, получим:

— = (—4я — + —п—)т = 0 . (3 )

4 52 е 53 }

Из (3) Ф.А. Опейко поуучил оптим ильное соотношение радиуса К? и шага 5 в ит ков шнеоа :

4

5 = -Д.

е

(4)

На практике шаг витков шнека принимается в пределах ст = д-1 его наружного ди аметра Бш [1, 2, 8, 9]. Следует также отметить, что, несмотря на значительное удорожание конструкции, очень хорошие результаты достигаются с использованием шнеко в с п е р еменным шагом [9]. 13 зоне загрузки, где наиб ол ее вы ражены свойстви транспортирования, оп т ималин ым считается шаг витков 0,80ш, а в зоне форм о ва-ния, где н аи2ольшая осе в ая нагрузка на витки, оптимальным считается шаг витков 0 ,50ш.

Подставляя (4) в (1), получим максимальный! напор, развиваемы й шн еком:

_ . _=1Л _ 2£ \ _

°тах = I1 — ) Т =

= 4я (21.— —) —г = 27Г3-Т =

V 12 / 4К 4 К

е ь еть - яг - =-■

2 R А„

(5)

Профессором С.Г. Солоповым в 1946 году для определения потерь напора в шнековых формующих устройствах стилочных машин

был впервые применен гидродинамический метод, который показал адекватность реальным условиям при расхождении с опытными д ан ными в пределах точности инженерных расчето в [10].

По мнению С.Г. Солопова, за основу проектирования формующего аппарата можно принять положения, разработанные для гидромеханики жидких и газообразных тел. Для движения жидкости или газа по трубопроводу необходимо н аличие давления, достаточного для преодоления динамических и статических потерь. Первые возникают от придания евлу необходимой скорости, а вторхю - от наличия сопротивлений местных и по длине трубопровода [10].

Сопр отивление формующего аппарата с радиол ь ным расположением мундштука складывается:

- из сопротивления от трения в напорном шнеке;

- соп ротивления повороту потока на 90°;

- сопротивления от сужения в мун д ш туке. Сочротивление формующего аппарата с

осевым расположением мундштука скл ад ы-вается:

- из сопротивления от трения в напорном шнеке;

- сопротивления от сужения в мундштуке [10]. Д л я фрезф ор мов оч ны х машин справе д ливы следующие рассуждения. Напор, создаваема ый шнеком, расходуется на потери по длиие мундштука о1, отвечающие непосредственно за фор мова ние куска, мест ные потери !см на местны х сопротивлениях и потери, не о б ходи-мые д ля придания скорости торфомассе при выходе ее из муодштука си:

0" и и £ <тм и- (Г^,

(6)

где се, - потери н апора, создав аемого по длине трубо провода, о„ - н ап ор, нео бходимый для придания скорости тор фомасве п ри вы ходе и з мундштука.

Местные п отер и напора с учетом формулы Вейсб аха [ 11]:

_ 7 _ 7

(7)

где - коэффициент местн ого сопротивлен ия, в данном случае - коэфф и ц2и ент сопротивления сужению; и - средняя скорость д в ижен ия торфо м ассы п осл е местно го сопротив ления (т. е. - в мундштуке), м/с; р - средняя плотность торфомассы, кг/м3.

Потери напора, создаваемого по длине трубопровода, согласно формуле Дарс к-Вейс баха:

Л I V2 р

а, о с--,

1 а г

(8)

где Я - коэффициен т трения оязко -пластичн ой среды о поверхно сть мунд ш тука (ил и коэ ффи-циент Дарси); I - длина мундш тука, м ; <1 - ди а-метрмуноштука, м [11].

Напор, необходимый для придания скорости торфомассе при выходе из мундштука:

2

у2р

(9)

где V - средняя скорость движения торфо-массы как в мундштуке, так и при вы ходе из мундштука, м/с [11,12].

Здесь необходимо сделать замечание: скорости движения торфо массы при входе в мундштук, в мундштуке и при выходе из мундштука на самом деле различаются. Но поскольку это различие несущественное, нами принято допущени е об их р авенст в е сред не й скорости движения торфомассы.

Таким образом, общее уравнение потерь напора, развиваемого шнеком, следующее:

^ о аг + о^с^ь^ ? + ^ о

о ^ (С^ + + 1> (10)

где - сумма коэффицие нтов местных сопро-тив лени й на все м пути тор фом асс ы.

Мате матическая модель определ е н ия напора для осе во го р ас положен ия мунд ш тука с сужен ием п римундштучн ой части будет иметь вид [13]:

"с ^ о + 5, + 1), (1Ц

В случае радиального расположения мундштука местные потери напора будут складываться из потерь напора на поворот потока торфомассы на 90° и потерь напора на сужение мундштука [13]:

^ р2 Р р

1 °м = °пов + °суж = + =

= ^ «2 +

(12)

где - коэффициент сопротивления повороту; апов - потери напора на повороте потока; асуж -п отер и напора от сужения.

В таком случае общее уравнение потери на-по ра прим ет следующий вид [ 1 3 ]:

1 = ¿к р Н) ср р УЖу к 01+ Опов р 2суж р =

= аа - 2р + Г , к^р- к Р р Р = (12 у2 2 2- 2 2

= т+^р^-р К2РН1) ■ С")

Математич есрая мждель определения напора для радиального расположения мундштука с сужением примундштучной части будет иметь вид:

ЗтттЬ г?2р .. г , _ , _ , <-„„-.

Анализ уравнений (11) и (14) показывает, что в любом случае потери напора выше в шне-ковом прессе с радиальным расположением мундштука) [13].

Тангенциальное напряжение на внутренней поверхности кожуха и коэффициент трения вязко-пластичной среды (торфомассы) о внутреннюю поверхность мундштука Я для верхового торфа со степенью разложения К = 20% и влагой м/ = 82,8% изменяются от 8,5 до 10 кПа и от 0,03 до 0,09 соответственно для различных степеней переработки [6].

Пер еходная зо н а между мундштуком и напорной частью шнека может иметь форму резкого, постепенного и плавного сужения (р ис. 3) [ 11].

В случае любого сужения коэффициент местного сопротивления

= «1 -?),

(15)

где Б2 - п л о щ ад ь живого сечения мун д ш тука, - площадь живого сечения напорной трубы шнека; % - коэ ффициент смягчения сужения.

Для резкого сужения (рис. 3а) коэффициент смягчения сужения равен 0,5. В случае постепенного сужения (рис. 3б) величина коэффициента смягчения сужения зависит от центрального угла сужения в, определяется по экспериментальному графику (рис. 4), причем минимальные потери напора наблюдаются при в = 40 -60° при коэффициенте смягчения сужения % = 0,1. В случае плавного (рис. 3в) сужения величина % находится в зависимости от отношения г/< (где г - радиус скругления боковых стенок). Коэффициент смягчения сужен ия % достиоает минимума (% = 0,03) при г/< = 0,2 и далее остается постоянным (рис. 5) [11].

' 0 20 W 60 80 100 120 %0 160 180°

Рис. 4. Экспериментально полученная зависимость коэффициента смягчения сопротивления f от центрального угла сужения в в случае постепенного сужения для круглых цилиндрических труб

Fig. 4. Experimentally obtained dependence of the coefficient of softening of resistance f on the central angle of contraction в in the case of gradual narrowing for round cylindrical pipes

Рис. 3. Варианты переходной части напорной трубы и мундштука: а - резкое сужение; б - постепенное сужение; в - плавное сужение

Fig. 3. Variants of the transition part of the pressure pipe and mouthpiece: a - sharp narrowing; б - gradual narrowing; в - smooth narrowing

По форме плавного перехода примундштуч-ной части различают мундштуки сферического и тороидального сечения (рис. 6).

По экспериментальным данным [14], тороидальная форма плавного перехода примунд-штучной части обеспечивает минимальную энергоемкость процесса прессования. С другой стороны, тороидальная форма описывается радиусом окружности и являет собой ту же сферу. По этим же данным, применение переходной примундштучной части пресса тороидального сечения может улучшить качество формуемой торфомассы, но одновременно происходит снижение угловой и линейной скоростей движения торфомассы, что может

ол

0.2

;m

/ —

О ОШ 0,08 0,12 Ш 0,20 ОЛ

Рис. 5. Экспериментально полученная зависимость коэффициента смягчения сопротивления f от отношения r/d в случае плавного сужения для круглых цилиндрических труб

Fig. 5. Experimentally obtained dependence of the coefficient of resistance mitigation f on the r/ d ratio in the case of smooth narrowing for round cylindrical pipes

Рис. 6. Варианты исполнения плавного перехода примундштучной части фрезформовочной машины: а - сферическое; б - тороидальное

Fig. 6. Variants of the smooth transition of the mouthpiece of the milling machine: a - spherical; б - toroidal

б

в

негативно сказываться на производительности машины в целом.

Вместе с тем следует отметить, что изготовление и сферических, и тороидальных переходов намного увеличит стоимость машины. Поэтому наиболее рациональным решением следует считать применение конических (постепенных) переходов.

Оптимальная длина мундштука I исследована в работах В.И. Цветкова и В.К. Фомина. Этими авторами отмечено, что для улучшения качества формования мундштук должен работать полной длиной, и экспериментально установлено, что при скорости истечения тор-фомассы до 2 м/с оптимальной является длина мундштука:

l = 3 * 4d,

(16)

где d - внутренний диаметр мундштука.

Любые сопротивления, кроме потерь напора по длине, уменьшают рабочую длину мундштука. Их вид напрямую определяет характер движения и линии тока торфомассы в мундштуке (рис. 7).

В зависимости от варианта расположения мундштука (осевого или радиального) меняется физика процесса истечения торфомассы. Как видно из рисунка, мундштук работает большей длиной при плавном переходе из напорной трубы. В случае любого сужения (рис. 7) в начальном участке мундштука формируются зоны с пониженной плотностью и давлением торфомассы, а в торцевых внутренних углах напорной трубы создаются зоны завихрения и налипания торфомассы. Максимальные потери рабочей длины мундштука наблюдаются в случае поворота на 90°, то есть в случае радиального расположения мундштука, при коэффициенте сопротивления для мундштука круглого сечения ( = 1,1 [11].

Формование обеспечивается сопротивлением по длине мундштука, а все местные сопротивления снижают напор. Любое сужение (или поворот) снижает рабочую длину (зону действия) мундштука и увеличивает местные сопротивления. Таким образом, наиболее рациональным с точки зрения простоты исполнения, обеспечения качества формования и минимума энергозатрат является осевое расположение мундштука (или мундштуков, рис. 8) с коническим переходом от напорной трубы к мундштуку с центральным углом сужения в = 40-60° [13].

•хО

mi I I ш ли

а [И

Рис. 7. Траектория движения частиц (линии тока торфомассы) в зависимости от расположения мундштука: а - осевое расположение мундштука с резким сужением; б - осевое расположение мундштука с постепенным сужением; в - радиальное расположение мундштука с резким сужением

Fig. 7. Trajectory of particles (peat mass flow lines) depending on the location of the mouthpiece: a - axial location of the mouthpiece with a sharp narrowing; б - axial location of the mouthpiece with a gradual narrowing; в - radial location of the mouthpiece with a sharp narrowing

Рис. 8. Конструктивное исполнение постепенного перехода примундштучной части многопоточных мундштуков осевого расположения фрезформовочной машины для добычи кускового торфа

Fig. 8. Design of the gradual transition of the mouthpiece of the multithreaded mouthpieces of the axial location of the milling machine for mining lumpy peat

б

в

Фрезфомовочные машины для стилки кускового торфа внаброс с осевым расположением многопоточных мундштуков и постепенным (коническим) переходом при-мундштучной части в мундштуки (рис. 8) обеспечат снижение потерь напора при производстве кускового торфа, а соответственно, снизят энергоемкость процесса формования [13].

Библиографический список

1. Соколов М.В. Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин: монография / М.В. Соколов, А.С. Клинков, О.В. Ефремов [и др.]. -М.: Машиностроение^, 2004. - 248 с.

2. Тимофеева Д.В. Разработка конструкции шнека типового пресс-экструдера / Д.В. Тимофеева, В.П. Попов, С.В. Антимонов, А.Г. Зинюхина // Вестник ОГУ - 2014. - № 9 (170). - С. 220-225.

3. Singh R.K., Das A. Analysis of Separation Response of Kelsey Centrifugal Jigin Processing Fine Coal // Fuel Processing Technology. - 2013. - Vol. 115. - P. 71-78.

4. Горячев В.И. Технологический комплекс производства кускового топливного торфа с комбинированной сушкой / В.И. Горячев, Б.Ф. Зюзин, И.И. Михеев, И.Н. Казичев // Труды Инсторфа. - 2016. - № 13 (66). - С. 28-32.

5. Яблонев А.Л. Определение энергоемкости процесса формования кускового торфа / А.Л. Яблонев, А.М. Гусева // Вестник ТвГТУ Серия «Технические науки». - 2019. - № 1 (1). - С. 36-45.

6. Опейко Ф.А. Торфяные машины / Ф.А. Опей-ко. - Минск: Вышэйшая школа, 1968. - 408 с.

7. Самсонов Л.Н. Торфяные машины и комплексы / Л.Н. Самсонов, В.Ф. Синицын // Учебник для вузов. - Тверь: ТГТУ 2001. -140 с.

8. Солопов С.Г. Торфяные машины и комплексы: учебное пособие для вузов / С.Г. Солопов, Л.О. Горцакалян, Л.Н. Самсонов, В.И. Цветков. - М.: Недра, 1981. - 416 с.

9. Припоров И.Е. Обоснование винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера / И.Е. Припоров // Известия Оренбургского гос. аграрного университета. Серия «Технические науки». - 2017. -№ 1 (63). - С. 67-70.

10. Солопов С.Г. Аэродинамический метод оценки конструкций формовальных аппаратов для пластинного торфа / С.Г. Солопов // Торфяная промышленность. - 1946. -№ 1. - С. 30-32.

11. Чугаев Р.Р. Гидравлика (Техническая механика жидкости). - Л.: Энергия, 1971. - 552 с.

12. Лапшев Н.Н. Гидравлика. - М.: Академия, 2008. - 272 с.

13. Гусева А.М. Обоснование рациональных параметров и режимов работы шнекового пресса фрезформовочной машины для добычи кускового торфа: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2019. - 145 с.

14. Епифанцев К.В. Производство кускового торфа, экструдирование, форма заходной и калибрующей части фильеры матрицы, метод дискретных элементов / К.В. Епи-фанцев, А.В. Михайлов, А.В. Гладких // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-техн. журнал). - 2012. -№ 3. - С. 212-219.