Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса по гранулированию экструдированием материалов растительного происхождения 8
1.1 Особенности получения топливных гранул 8
1.2 Технология гранулирования и область ее применения 11
1.3 Структура прессующих механизмов и особенности процесса гранулирования 14
1.4 Особенности конструкции исполнительных органов грануляторов 17
1.5 Теория прессования измельченных растительных материалов в прессующих механизмах с цилиндрическими исполнительными органами
1.6 Оптимизация процесса гранулирования 37
1.7 Выводы по разделу и задачи исследования 40
2 Процесс экструдирования измельченной древесины в грануляторах с кольцевой матрицей 41
2.1 Параметры пластического состояния измельченной древесины 41
2.2 Моделирование напряженного состояния измельченной древесины в цилиндрическом канале фильеры 45
2.2.1 Напряжения в цилиндрическом канале при переходе экструдируемой измельченной древесины из состояния покоя в движение 46
2.2.2 Напряженное состояние измельченной древесины в цилиндрическом канале при установившемся движении
2.3 Учет влияния сопротивления входных полостей на сопротивление фильеры прессованию измельченной древесины 55
2.3.1 Сопротивление сужающейся конической полости прессованию пластичного материала в начале движения 58
2.3.2 Сопротивление сужающейся конической полости прессованию пластичного материала в установившемся движении 66
2.4 Напряженное состояние измельченной древесины между исполнительными органами пресс-гранулятора 72
2.5 Интегральные параметры процесса экструдирования пресс гранулятора 80
2.6 Выводы по разделу 82
3 Описание экспериментальной установки и методика экспериментальных исследований 83
3.1 Задачи и программа экспериментальных исследований 83
3.2 Описание измерительного устройства, для определения усилий, действующих на рабочую поверхность прессующего ролика 84
3.3 Приборы и аппаратура, применяемые при исследованиях 88
3.4 Методики, применяемые при экспериментальных исследованиях
3.4.1 Характеристика сырья, используемого при исследованиях 91
3.4.2 Стандартные методики 91
3.4.3 Методика определения параметров предельного напряжения сдвига прессуемой измельченной древесины 94
3.5 Выводы по разделу 101
4 Теоретическое и экспериментальное исследование процесса гранулирования 102
4.1 Верификация математической модели гранулирования 102
4.2 Уточнение математической модели напряженного состояния прессуемой измельченной древесины в зоне выдавливания 106
4.3 Определение влияния на энергоемкость гранулирования радиусов исполнительных органов 106
4.4 Выводы по разделу 114
5 Практическая реализация результатов исследования 116
5.1 Совершенствование прессующего механизма пресс-гранулятора 116
5.2 Совершенствование прессующего ролика с измерительным
устройством 120
5.3 Выводы по разделу 126
Основные выводы и результаты 127
Список использованных источников
- Теория прессования измельченных растительных материалов в прессующих механизмах с цилиндрическими исполнительными органами
- Напряжения в цилиндрическом канале при переходе экструдируемой измельченной древесины из состояния покоя в движение
- Приборы и аппаратура, применяемые при исследованиях
- Определение влияния на энергоемкость гранулирования радиусов исполнительных органов
Введение к работе
Актуальность темы. Технология производства топливных гранул, за исключением операции сушки измельченной древесины, аналогична технологии приготовления гранулированных комбикормов с использованием пресс-грануляторов. При этом, несмотря на то, что свойства измельченной древесины значительно отличаются от свойств комбикормов, на мировом рынке производители технологического оборудования выпускают пресс-грануляторы без учета этих особенностей. В известных источниках информации сведения о физико-механических свойствах измельченной древесины, важных для осуществления процесса гранулирования, представлены недостаточно.
Необходимо исследовать зависимости мощности сил полезного сопротивления и производительности прессующего механизма от угловой скорости и размеров исполнительных органов. До настоящего времени выбор параметров исполнительных органов пресс-грануляторов не имеет достаточного научного обоснования.
Учитывая изложенное, научное обоснование параметров, совершенствование конструкции пресс-гранулятора измельченной древесины являются актуальными задачами, решение которых должно способствовать развитию отрасли машиностроения в части производства технологического оборудования по переработке отходов деревообрабатывающей промышленности.
Объект исследования – процесс производства топливных гранул из измельченной древесины с использованием пресс-грануляторов.
Предмет исследования – закономерности взаимодействия измельченной древесины с исполнительными органами пресс-грануляторов в рабочем пространстве.
Цель исследования – повышение эффективности процесса производства топливных гранул из измельченной древесины на основе определения путей совершенствования конструкции пресс-грануляторов, установление закономерностей ее взаимодействия с исполнительными органами пресс-грануляторов.
Задачи исследования:
-
провести анализ существующих процессов производства гранул из измельченной древесины с использованием пресс-грануляторов;
-
разработать математическую модель процесса взаимодействия измельченной древесины с исполнительными органами пресс-грануляторов, содержащими кольцевые матрицы и прессующие ролики;
-
разработать конструкцию экспериментального стенда для исследования процесса гранулирования измельченной древесины;
-
установить закономерности влияния физико-механических свойств измельченной древесины на параметры процесса гранулирования и верификация разработанной математической модели;
5) разработать методику структурного и параметрического синтеза
пресс-гранулятора с кольцевой матрицей и одним прессующим роликом.
Область исследования соответствует паспорту научной специальности 05.02.13 «п. 1. Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, надежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности».
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
Исследования выполнены с использованием методов математической
статистики, теорий пластичности. Экспериментальные исследования
выполнялись с использованием существующих методик и оборудования. Достоверность научных положений работы обуславливается использованием апробированной методологической базы исследования, обоснованностью принятых допущений при разработке расчётных моделей, высокой сходимостью экспериментальных данных с результатами собственных теоретических исследований и данными других авторов.
Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
математическая модель взаимодействия измельченной древесины с исполнительными органами пресс-гранулятора, позволяющая исследовать процесс ее гранулирования, определять выходные параметры процесса при вариациях физико-механических свойств исходного продукта и конструктивных параметров исполнительных органов пресс-гранулятора;
-
закономерности влияния конструктивных параметров исполнительных органов прессующего механизма на параметры процесса гранулирования измельченной древесины, установленные с использованием математического моделирования;
-
методика экспериментального определения напряженного состояния измельченной древесины в прессующем механизме пресс-гранулятора;
-
закономерности влияния физико-механических свойств измельченной древесины на параметры процесса ее гранулирования, установленные на основе обработки результатов экспериментов;
5) методика параметрического синтеза пресс-гранулятора с кольцевой
матрицей и одним прессующим роликом;
6) конструкции прессующего механизма пресс-гранулятора с одним прес
сующим роликом.
Практической значимостью обладают полученные результаты:
- научно-обоснованные рекомендации по проектированию прессую
щих механизмов для гранулирования измельченной древесины;
конструкция пресс-гранулятора с матрицей и одним прессующим роликом, отличающаяся повышенной жесткостью надежностью работы (патент РФ № 2576284);
конструкция лабораторного стенда, отличающаяся наличием тензометри-ческой системы измерения давления на контактной поверхности прессующего ролика пресс - гранулятора.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении работ по грантам Оренбургской области
от 28.11.2011 №34 (по теме «Разработка мобильного комплекса по производ
ству пеллет производительностью 150 кг/ч») и от 25.06.2014 №10 (по теме
«Уточнение модели взаимодействия исполнительных органов пресс-
грануляторов с обрабатываемым материалом»).
Результаты работы приняты к внедрению в ОАО «Оренбургский станкозавод», а также используются в учебном процессе ОГУ.
Апробация работы. Основные результаты работы одобрены на II-ой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2010 г.); международной конференции «Возобновляемые лесные и растительные ресурсы: Химия, Технология, Фармакология, Медицина» (Санкт-Петербург, 2010 г.); XI-ой международной конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010 г.); международной конференции «Современные проблемы механики», посвященной 100-летию Л.А. Галина (Москва, 2012 г.); II-ой всероссийской научно-практической конференции «Железнодорожный транспорт: наука техника, образование» (Самара-Рузаевка, 2012 г.); III-ей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт перспективы, инновации: наука техника, образование» (Самара-Оренбург, 2012 г.); всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». (Оренбург, 2013, 2014 г.г.); Х-ой международной конференция «Наука и технология: шаг в будущее» (Прага, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в числе которых 6 статей в рецензируемых научных журналах из «Перечня…» ВАК и 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 150 наименований и приложений. Объем диссертации составляет 149 страниц, включает 28 рисунков, 6 таблиц.
Теория прессования измельченных растительных материалов в прессующих механизмах с цилиндрическими исполнительными органами
Гранулами или пеллетами называют кусочки экструдированной измельченной древесины, как правило, цилиндрической формы, длина которых примерно в два раза больше диаметра. Максимальный диаметр гранул – один дюйм (25 мм). Экструдат с большим размером поперечного сечения обычно называют брикетами.
К древесным гранулам предъявляют следующие требования [6, 9]. Поверхность гранул должна быть гладкой и блестящей без трещин и вздутий. Гранулы выпускают диаметром 4, 6, 8, 10 мм. Наибольший и наименьший диаметры применяют реже. Длина гранулы не должна превосходить 50 мм. От гранул должен исходить легкий сладковатый запах клея. Серый цвет указывает на долгое хранение гранул, снижающее их качество. Светлый цвет гранул свидетельствует об их хорошем качестве. Темный цвет гранулы не является признаком плохого качества, однако некачественные гранулы имеют обычно темный цвет. Наличие древесной пыли на гранулах является признаком их крошимости. Гранулы первого класса имеют диаметр 6 мм, чтобы обеспечить малую крошимость, промышленные гранулы могут иметь диаметр до 10 мм.
Специалисты компании BUHLER выделяют следующие производственные процессы и технологические режимы изготовления древесных гранул [6]. Первичная обработка древесных отходов. Продукт должен обладать определенным гранулометрическим составом и влажностью 11 … 14 %. Крупные куски дерева должны быть измельчены в стружку, при избыточной влажности подвергнуты сушке. Затем стружка и опилки измельчаются в молотковой дробилке для получения однородного состава.
Кондиционирование. В древесные отходы перед прессованием необходимо ввести пар и/или воду для улучшения связующих свойств содержащегося в древесине лигнина. Если в сырьевом материале количество лигнина недостаточно (древесина осины) или произошло разложение лигнина вследствие длительного хранения силы сцепления в грануле можно обеспечить добавлением связующих веществ во время измельчения в дробилке. В соответствии со стандартом DIN 51731 в качестве связующих веществ допускается добавлять до 2 % зернового крахмала или муки грубого помола.
Прессование. Древесные отходы прессуют в так называемых матричных прессах. Матрицы могут быть кольцевыми или плоскими. Прессующие ролики продавливают продукт через фильеры матрицы. Образующиеся на выходе из матрицы цилиндрические столбики обламываются на необходимую длину.
Охлаждение. Гранулы выходят из пресса мягкими, влажными и горячими (как правило, их температура составляет 90 … 120 C). Для того чтобы можно было транспортировать и складировать гранулы, их необходимо охладить и высушить. При этом происходит затвердевание гранул.
Просеивание. Отделение мелкой фракции производится с помощью просеивания охлажденных гранул. Сход снова подается в установку для изготовления гранул.
Технология производства пеллет аналогична технологии производства гранулированных комбикормов и витаминно-травяной муки [10].
Пеллеты образуются без применения дополнительных связующих компонентов, однако иногда рекомендуют в качестве связующего использовать муку [11]. В последнее время появились рекомендации использовать при гранулировании высокомолекулярные пластификаторы – твердые органические связующие [12], которые не только позволяют снизить давление прессования, но и улучшают параметры горения гранул.
Компания BUHLER выделяет следующие направления развития технологии гранулирования биотоплива [13]: - увеличение единичной мощности производства. Компания BUHLER создала во Флориде крупнейший в мире завод, способный производить 500 тыс. тонн древесных гранул в год, для компании «Грин Серкл БиоЭнерджи Инк». Источник сырья для этого производства неизвестен; - разработка комплектного оборудования производства гранул, включающего сушку и измельчение лесоматериалов; - расширение сырьевой базы производства топливных гранул из альтернативного сырья в виде соломы, пеннисетума красного, камыша, бамбука и отходов переработки сахарного тростника. Технология гранулирования может быть применения и в процессе производства жидкого и газообразного биотоплива, где главной проблемой остается транспортировка громадных объемов биомассы, необходимых для производства биотоплива. Для работы установки средней производительности требуется 1500 тонн биомассы в сутки. Транспортировать такие объемы удобнее в гранулированном виде.
В последнее время появилось новое направление технологии гранулирования древесных отходов, связанное с глубокой переработкой сырья [14]. Это производство биоугольных пеллет, или ACB (от англ. Аccelerated Сarbonized Biomass) пеллет. Перед гранулированием биомассу подвергают обжигу без доступа кислорода при температуре 200 … 300 oC. Такой обжиг еще называют мягким или легким пиролизом. При этом у биомассы (древесина или сельскохозяйственные отходы) улучшаются параметры горения. Кроме того, в результате пиролиза пеллеты приобретают водоотталкивающие свойства, поэтому они не гниют. Отсюда возникает возможность их открытого хранения. Биоугольные гранулы имеют большую насыпную массу, чем древесные. Их можно сжигать вместе с ископаемым углем. В настоящее время для прессования предварительно измельченных материалов растительного происхождения, в основном, применяются прессующие механизмы с цилиндрическими исполнительными органами [15 - 25].
Эти механизмы относятся к механизмам непрерывного действия. Отсутствие холостого хода исполнительных органов и постоянство их скоростей, сводят до минимума инерционные силы и, следовательно, общую массу прессового оборудования. Исполнительные органы имеют относительно простую конструкцию. Все это позволяет сделать вывод о перспективности этих прессующих механизмов в качестве оборудования для гранулирования измельченной древесины.
Тенденцией развития прессующих механизмов является уменьшение энергоемкости гранулирования. Одним из возможных путей такого развития является использование одного прессующего ролика большого относительно матрицы размера в прессующем механизме.
За рубежом созданы установки выработки древесных гранул производительностью до 10 тонн в час. В нашей стране такое комплектное оборудование не выпускается, однако ЗАО «ВНИИДРЕВ» на основании проведенных исследований установил, что вместо него можно использовать установки гранулирования витаминной травяной муки [4]. Однако при гранулировании измельченной древесины производительность гранулятора в 2 … 3 раза меньше, чем при гранулировании комбикормов [11].
Напряжения в цилиндрическом канале при переходе экструдируемой измельченной древесины из состояния покоя в движение
Касательное напряжение измельченной древесины т на контактной поверхности канала определяется зависимостью (2.8). Для цилиндрического канала фильеры стп=стг. Воспользуемся предположением о кусочно-линейной зависимости коэффициента трения от радиального напряжения тг, тогда из (2.10) имеем / = ft_x + Уі L - о . A cjr ar an. (2.22) 7i = tlL. (2.23) ri ar(i-\) Граничное значение нормального напряжения измельченной древесины на стыке двух областей контактной поверхности в точке Ъ (2.13) определяется уравнением непрерывности касательных напряжений и осевых нормальных напряжений: fcrrb=TT(crzb). (2.24) Вместе с начальными условиями на выходе из фильеры (2.15) выражение (2.18) показывает, что измельченная древесина вблизи выходного сечения канала находятся в упругом состоянии. Определим напряжения в этой области в предположении постоянства предела текучести и линейного изменения коэффициента контактного трения на всем протяжении упругой области (при / = 1 в формуле (2.22)).
Относительная радиальная деформация упругого тела, находящегося в условиях объемно-деформированного и объемно-напряженного состояния связана обобщенным законом Гука с компонентами напряжении следующим образом єг=— [ Jr - V(CJZ + cyt)], (2.25) где E - модуль упругости первого рода измельченной древесины; v - коэффициент поперечной деформации измельченной древесины; Jt - окружные нормальные напряжения в измельченной древесине. Тогда для выходного сечения цилиндрического канала из условий (2.15) и (2.16) упругая радиальная деформация измельченной древесины будет при z = 0,em= -(-v). (2.26) го Е 1 ) Во всей области упругого сжатия измельченной древесины в цилиндрическом канале относительные радиальные деформации равны между собой и определяются соотношением г = го. (2.27) Подставляя в уравнение (2.27) выражения (2.25), (2.26) и учитывая соотношение (2.16), после преобразований получим зависимость jr = CJJQ Л JZ , (2.28) связывающую нормальные радиальное и осевое напряжения в упругой области.
Для нахождения распределения нормальных напряжений в области упругого сжатия измельченной древесины в цилиндрическом канале воспользуемся дифференциальным уравнением (2.14). Подставляя в него выражения (2.22) и (2.28), после интегрирования и удовлетворения граничным условиям (2.15) получим exp
В уравнении (2.29) принято постоянство предела текучести, равного OJQ, в связи с малой величиной всестороннего напряжения сжатия, а также предположено, что коэффициент трения находится в области первого участка полигональной аппроксимации для всей области упругого сжатия.
Напряжения GZ для упругой области определены выражением (2.28). Для определения границы между областью упруго сжатого состояния измельченной древесины в цилиндрическом канале и областью упругопластических деформаций измельченной древесины воспользуемся условием начала его пластического течения (2.1), (2.18) и используем связь между относительной радиальной деформацией и компонентами напряжения, определяемую уравнением (2.25). Получим aM(l-2v)-vaTO при z = za єга (2.30) Подставляя в уравнение (2.27) выражения (2.26) и (2.30), будем иметь после преобразований Ojo_ стга=—и . (2.31) м \-2v Определяя из уравнений (2.31) граничное значение нормального радиального напряжения 7га из формулы (2.29), можно определить границу между упругой и пластической областью напряженного состояния измельченной древесины za Д(1-") ъ(Л-ПТто м.Уто (2.32) Для области упругопластического состояния измельченной древесины в цилиндрическом канале дифференциальное уравнение напряженного состояния (2.21) с учетом (2.9), (2.22) и граничных значений (2.31), (2.32) имеет решение при z = /-ь = tf ( -i) (2.33) получим crr [fi-i-mr{i-i)) \(l+ ){fi-i-m D - у і exp Q + 8i)[fi-\-ri rr(i-\ {z-zi-\) (2.34) Область существования каждого решения (2.34) определяется значениями zt_x z zh где значение каждой верхней границы области существования решений Zj определяется выражением 7ri Zj Dln GriYi + f i-l Ti Jr(i-l) 4 (i+$)(/;-i-w. (M)) (2.35) Решение (2.35) дифференциального уравнения (2.21) существует до тех пор, пока осевое напряжение не достигнет значения а , определяемого уравнением (2.24). Верхняя граница существования функции (2.34) на к -ом участке az(k-l) - zb - zk определена выражением Ук{1-8к?1ъ+ (1- )(5-М)-1 L V3 zb A B + F= О, (2.36) где А = CFf(i_1) - каг(к-1); B = f-7k{1-8k)CJz(k-1). Определение к -го участка производится последовательной подстановкой номера участка, начиная с первого до получения действительного корня уравнения (2.36).
Рассмотрим напряженное состояние в цилиндрическом канале фильеры после достижения условия (2.24).
Условие перехода измельченной древесины в пластическое состояние (2.1) остается неизменным, но так как на площадке, перпендикулярной к одной из координатных осей, касательное напряжение достигает предельного напряжения сдвига тт, можно показать, что после преобразований условие пластичности будет [119] 7Z - 7Г О (2.37) Решение дифференциального уравнения напряженного состояния измельченной древесины в цилиндрическом канале (2.21) с учетом условия контактного трения (2.12), изменения предела текучести измельченной древесины (2.19) и условия пластичности (2.37) после удовлетворения граничным условиям на участке і = к
Приборы и аппаратура, применяемые при исследованиях
Как и ранее [116], будем полагать, что контактные напряжения сдвига г определены законом Кулона, то есть зависят от нормального напряжения на контактной поверхности уп и не могут превосходить предельного напряжения сдвига тт, а коэффициент трения fi принят постоянным на выбранном промежутке изменения нормальных напряжений для упрощения получаемых зависимостей Г = fi 3n, при Jn(j_i\ Jn Jni (2.49) Выделим сектор элементарного объема, заштрихованного на рисунке 2.4 двумя плоскостями, содержащими ось Oz, угол между которыми равен dq и рассмотрим его равновесие по оси Or. Это позволяет связать г с нормальным радиальным напряжением тг т = /г fjtga г /0 , при Л1-Х) (2.50) где ее - угол конуса полости; f{- приведенный коэффициент трения. Это также позволяет связать граничные значения нормальных напряжений пі Ггі=(1-/і 8 х) г. (2.51) Применение условия равновесия выделенного элемента, на котором основаны зависимости (2.50) и (2.51), при больших значениях угла а ограничено, так как позволяет получать недопустимые значения напряжений. Будем полагать, как и ранее [116] на участке Кулонова трения справедливость соотношения между осевым нормальным напряжением oz радиальным нормальным напряжением тг и пределом текучести измельченной древесины тт Gz-Gr =(7Т. (2.52) А предел текучести измельченной древесины является переменным и зависит от всестороннего напряжения сжатия, которым в данном случае является напряжение uz. Полигональная аппроксимация предела текучести измельченной древесины имеет вид величина предела текучести соответственно в начале и конце / го участка аппроксимации; ar(i-\) и Gn напряжения сжатия соответственно в начале и конце /-го участка аппроксимации. С учетом зависимостей (2.52) и (2.53) связь между напряжениями тги oz имеет вид CJZ =(\ + ді)(тг-ді(т r(i-\)+vT(i-\y (2.55) Следует обратить внимание на связь граничных значений участков аппроксимации azi=cjri+cjTi, (2.56) которая совместно с выражением (2.51) определяет значения всех нормальных напряжений и предела текучести на границах / - го участка аппроксимации. Дифференциальное уравнение напряженного состояния измельченной древесины имеет вид [116] da, 4т + 2К-а,)=0. dz zsin2a z Использование приведенных выше зависимостей позволяет получить из уравнения (2.57) уравнение с разделенными переменными L = , (2.58) Aj(Tz+Bj z sin 2a = Ifi+diSmla 1 + 8iaz{i-\)-aT{i-\) 1 + 3 Bi={2f{+Sism2a) + T(i-l)sin2a . (2.60) Номограмма, иллюстрирующая описанный Номограмма для определения граничных значений нормальных напряжений с диаграммами зависимостей
Описание напряженного состояния в конической сужающейся полости начинается в точке С с координаты zc, в которой действует осевое нормальное напряжение JZC . Будем считать, что это напряжение соответствует j - ому участку аппроксимации. Интегрируя уравнение (2.58) при начальных условиях z = zc, TZ= TZC, получим распределение осевых нормальных напряжений на j- ом участке аппроксимации 2A j о. = A sin 2а {Ajazc+Bj)\ С J L J &ZC Z &ZJ (2.61) 2f i+Sism2a Aj=1J ; (2.62) \ + Sj В j =2(2 f j+SjSmla) J z " + C7r/I._14sin2a. (2.63) (2.64) Sj = Т] Тс ; Trj — (7rc т где Тс величина предела текучести в точке С; JZC - величина напряжения сжатия в точке С. Координата конической полости Zj, на которой заканчивается действие j го участка аппроксимации определена выражением sin2a 2А (2.65) Интегрируя уравнение (2.58) на участке z z, при начальных условиях z = Zj_i, crz = crz(j_i), получим распределение осевых нормальных напряжений на / - ом участке аппроксимации
При попадании измельченной древесины в зону пластического контактного трения т = тт связь между нормальными напряжениями в измельченной древесине приобретает вид az-ar=0. (2.71) С учетом (2.12) и (2.71) дифференциальное уравнение (2.57) упрощается т d y4 4 т dz V3zsin2 а = (2.72) Решение уравнения (2.72) на к -ом участке аппроксимации при начальных значениях rz = Gzb; z = zb имеет вид 7Z 4 kb ть ( \ Z kb 4ё, sin 1а + dkbGzb azb cjz cjzk, (2.73) (2.74) с Тк ТЬ Oj = ; где (Т , - величина предела текучести в точке Ъ ; rz - величина напряжения сжатия в точке Ъ . Координата конической полости zk, на которой заканчивается действие к -го участка аппроксимации, определена выражением /з sin 2а zk zb Тк kb 4(5, (2.75) Решение уравнения (2.72) после к -го участка на z -ом участке аппроксимации при начальных значениях rz = сгг _ \; z = z,_j имеет вид Gz 1 & Г(/-1) \z i-\) 4& sin 2а -1 + діа2{і-\) ,z(i-l) az zi. (2.76) Координата конической полости zu на которой заканчивается действие і-го участка аппроксимации, определена выражением z і - z i-\ (7 T(i-l) V3sin2a (2.77) Если в сечении конической полости, содержащей точку С (рисунок 1), выполняется условие (2.71) расчет напряжений от этой точки проводится по зависимостям (2.72) и (2.73), в которых индекс k следует заменить индексом j , а индекс b индексом c. Далее расчет напряжений следует вести по зависимостям (2.76) и (2.77) по всей протяженности входной полости.
Если точка b отсутствует по всей протяженности входной полости, расчет напряжений в ней проводится по зависимостям (2.66) и (2.67).
Таким образом, выше изложен метод определения напряжений в измельченной древесине, экструдируемых через сужающуюся коническую полость, в начале движения измельченной древесины, который позволяет не накладывать ограничений на форму представления физико-механических свойств экструдируемой измельченной древесины.
Определение влияния на энергоемкость гранулирования радиусов исполнительных органов
Основными задачами экспериментов в соответствии с целью и задачами исследования были выбраны: - определение неизвестных внешних величин, входящих в математическую модель – идентификация математической модели; - проверка адекватности математической модели реальному процессу гранулирования – верификация математической модели. Программа экспериментов были реализована в несколько этапов: - разработка и изготовление экспериментальной установки для исследования процесса гранулирования измельченной древесины в условиях работы лабораторно-промышленного стенда; - разработка общей и частных методик исследования; - подготовка оборудования и измерительной аппаратуры для экспериментальных исследований; - проведение экспериментов, обработка и анализ результатов. Объектом исследований был выбран пресс-гранулятор ПГМ-05 Оренбургского станкостроительного завода ООО «Орстан». Разработка экспериментальной установки сводилась к изготовлению конструкции силоизмерительного устройства с модулем обработки и хранения информации, которые обеспечивали доступность измерения необходимых параметров процесса, определяемых как по частным, так и по общей методикам исследования. Методика экспериментов сводится к определению внешних величин модели, а также для уточнения зависимостей внутренних величин модели. Анализ результатов экспериментальных исследований включает статистическую оценку достоверности полученных результатов.
Описание измерительного устройства, для определения усилий, действующих на рабочую поверхность прессующего ролика Объектом исследований был выбран пресс-гранулятор ПГМ-05 Оренбургского станкостроительного завода ООО «Орстан». Его основные технические характеристики приведены в таблице 3.1.
Особенностью конструкции данного пресса является то, что кольцевая матрица с рабочей поверхностью, перфорированной радиальными фильерами, вращается с угловой скоростью относительно неподвижной оси, на которой на эксцентриковой втулке с возможностью регулировки зазора с матрицей установлен свободно вращающийся ролик. Оси вращения матрицы и ролика расположены в вертикальной плоскости. Измельченная древесина, подаваемая в зону прессования, контактируя с прессующим роликом, уплотняются в клиновидном пространстве между исполнительными органами и выдавливаются через каналы фильер.
Для малогабаритных конструкций пресс-грануляторов существенным вопросом являются определения оптимальных размеров рабочих поверхностей матрицы и прессующего ролика и подбор соответствующих подшипников. С целью определения напряженного состояния измельченной древесины в зоне прессования была проведена конструкторская разработка, в результате которой для пресс-гранулятора ПГМ-05 было изготовлено силоизмерительное устройство по заявке № 2015102977 от 29.01.2015 (рисунок 3.1), вмонтированное в прессующий ролик, в котором были сделаны следующие изменения: в обечайке ролика 6 на внутренней поверхности выполнен сквозной паз сечением 18x6 мм. – ось ролика; 2 – манжета; 3 – крышки подшипникового узла верхняя и Стенкой балочка оперта на наружные кольца подшипников прессующего ролика 5, поэтому контактная с наружными кольцами подшипников стенка балочки выполнена по радиусу наружной посадочной поверхности подшипника.
На полках опорной балочки установлены три тензометрические пластины 8, на каждую из которых наклеены клеем БФ2 ГОСТ 12172-74 тензометрические датчики марки 2ФКП-5-200 таким образом, что измерительная ось датчика направлена в окружном направлении обечайки. Наклеенные датчики были подвергнуты соответствующей термообработке для полимеризации клея.
Тензометрические пластины имеют толщину 3 мм и выполнены из стали 45 ГОСТ 1050-88. Тензометрические датчики наклеены на сторону тензометрических пластин, обращенную к стенке опорной балочки. Тензометрические балочки с наклееными тензометрическими датчиками и припаяными проводниками МГТФ 0,56 показаны на рисунке 3.2.
Электрические проводники МГТФ 0,56 от тензодатчиков были выведены к тензометрическому модулю обработки сигналов от датчиков через кабель-канал 5 в верхней крышке подшипникового узла 3 (рисунок 3.1). Тензометрические датчики были подключены к тензометрическому модулю по мостовой схеме. В корпусе обечайки напротив центра каждой пластины выполнены три цилиндрические отверстия, в которые с возможностью свободно перемещаться, вставлены штифты 7 диаметром 3 мм (рисунок 3.1). Расстояния между осями отверстий и от оси отверстия до торца обечайки составляют 11 мм. Штифты с внутренней стороны имеют утолщение, со сферической головкой, которая упирается в центр измерительной пластины. Вылет штифтов из обечайки ролика составляет не более 0,2 мм и не превышает рабочий зазор между матрицей и роликом.