Шахты, Ростовская область, Россия
Шахты, Ростовская область, Россия
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ББК 347 Технология производства оборудования отраслевого назначения
Высокие темпы современного жилищного, гражданского и промышленного строительства должны обеспечиваться соответствующими темпами роста производства строительных материалов, вообще, и керамического кирпича, в частности. В последние годы после спада объемов выпуска керамического кирпича начал проявляться повышенный интерес к нему со стороны архитекторов, строителей и других потребителей. Этот интерес продиктован, прежде всего, уникальными свойствами керамического кирпича: прочностью, низкой теплопроводностью, архитектурным изяществом, экологической чистотой. Вопрос роста объемов производства и улучшения качества выпускаемых изделий при одновременном снижении энергозатрат стал особенно актуальным в настоящее время. Особое место в ряду машин и оборудования для производства керамического кирпича занимает прессовое оборудование, в частности - шнековый вакуумный пресс (далее пресс).
шнековый пресс, шнековый вал, образующая лопасти шнекового вала, коэффициент подачи шнека.
Введение. Несмотря на то, что вопросам исследования, разработки и проектирования прессов посвящается большая часть работ по глиноперерабатывающим машинам [1, 2, 3, 4], их конструкции остаются весьма консервативными, и каждый раз дают повод для очередных исследований и попыток их дальнейшего совершенствования. Если учесть, что на шнековых прессах во всем мире формуется 90–95 % керамического кирпича, то эти попытки являются вполне оправданными.
Методология. Обоснованность выводов и рекомендаций основываются на применении комплекса современных апробированных методов исследований, включая: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; методы сопротивления материалов, теоретической механики, теории упругости.
Основная часть. Производительность шнековых прессов [5] для формования глиняного кирпича определяется как произведение площади сечения шнека на проекцию скорости материала на ось шнека (рис.1)
. (1)
Максимально возможная (теоретическая) производительность будет иметь место, если абсолютная скорость движения материала будет направлена вдоль оси шнека
, (2)
где – максимально возможная (теоретическая) скорость движения формуемой массы.
Отношение фактической производительности к теоретической
характеризует эффективность работы пресса и называется коэффициентом подачи шнека [6]
. (3)
где – угол между направлением движения формуемой массы и осью шнека (рис.1).
Тогда
(4)
В шнековых прессах пластического формования угол отклонения движения глиняной массы от оси шнека составляет 75–80 градусов [7], вследствие чего коэффициент подачи шнека низок .
Применение различных конструкторских решений [8, 9, 10], направленных на увеличение трения глиняной массы о внутреннюю поверхность корпуса шнекового пресса или уменьшение трения глины о шнек, может значительно повысить производительность пресса. Сила трения глиняной массы о внутреннюю поверхность корпуса шнекового пресса зависит от коэффициента трения глины об эту поверхность и от силы нормального давления.
Рис. 1. План скоростей
Увеличить силу нормального давления формуемой массы на внутреннюю поверхность корпуса пресса можно, изменив геометрию шнековой лопасти [11, 12] таким образом, чтобы образующие лопасти были направлены не по нормали к оси шнека, а имели наклон в сторону, противоположную направлению движения материала, от оси шнека к периферии, т.е. располагались под углом к нормали оси шнека (рис. 2).
Рис. 2. Шнековый вал, образующие лопасти которого расположены под углом к нормали оси вала
Рассмотрим равновесие элементарного объема материала, вырезанного из канала, образованного внутренней поверхностью корпуса пресса, валом и лопастью шнека (рис. 3). На элементарный объем материала действуют те же силы, что и в шнеке с лопастью, образующие которой направлены по нормали к оси шнека [13, 14, 15] и имеющие следующие значения.
Рис. 3. Схема сил, действующих на элементарный объем материала в шнековом канале пресса
Разность сил противодавления и подпора
. (5)
Сила трения материала о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса шнекового пресса
. (6)
Сила нормального давления на лопасть шнека от силы
. (7)
Составляющая силы трения материала о лопасть шнека от действия силы ;
. (8)
– составляющая силы трения материала о шнек от давления
.
Сила трения материала о лопасть шнека от давления
. (9)
Сила трения материала о вал шнека;
(10)
Условие равновесия элементарного объема материала относительно оси шнека после подстановок значений сил и моментов имеет вид:
;
(11)
Проинтегрировав (11) по в интервале от
до
, где
– число витков шнека, имеем
(12)
Решение уравнения (12) с применением вычислительной техники позволяет определить влияние угла наклона образующих шнековой лопасти на направление движения формуемой массы, а, следовательно, и на производительность шнекового пресса.
Рис. 4. Зависимость коэффициента подачи шнека от угла наклона образующих шнековой лопасти
На рис.4 представлена зависимость коэффициента подачи шнека , характеризующего эффективность работы шнекового пресса, от угла наклона образующих лопасти шнека при различных значениях коэффициента трения формуемой массы о металл шнека и корпуса пресса и следующих значениях геометрических параметров рабочих органов пресса: радиус лопасти шнека
; радиус вала шнека
; угол подъема винтовой линии шнека
.
Выводы. Количественные результаты показывают, что производительность шнекового пресса с лопастью, имеющей наклон от оси шнека к периферии, выше, чем у пресса с лопастью, образующие которой направлены по нормали к оси шнекового вала, на 10 – 30 % при подаче пластичных глиняных масс за счет увеличения поступательной составляющей движения формуемой массы в направлении продольной оси шнека. Анализ полученных результатов показывает, что рациональное значение угла наклона образующих шнековой лопасти зависит от свойств формуемой массы и составляет .
*Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №16-38-00287 мол_а.
Введение. Несмотря на то, что вопросам исследования, разработки и проектирования прессов посвящается большая часть работ по глиноперерабатывающим машинам [1, 2, 3, 4], их конструкции остаются весьма консервативными, и каждый раз дают повод для очередных исследований и попыток их дальнейшего совершенствования. Если учесть, что на шнековых прессах во всем мире формуется 90–95 % керамического кирпича, то эти попытки являются вполне оправданными.
Методология. Обоснованность выводов и рекомендаций основываются на применении комплекса современных апробированных методов исследований, включая: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; методы сопротивления материалов, теоретической механики, теории упругости.
Основная часть. Производительность шнековых прессов [5] для формования глиняного кирпича определяется как произведение площади сечения шнека на проекцию скорости материала на ось шнека (рис.1)
. (1)
Максимально возможная (теоретическая) производительность будет иметь место, если абсолютная скорость движения материала будет направлена вдоль оси шнека
, (2)
где – максимально возможная (теоретическая) скорость движения формуемой массы.
Отношение фактической производительности к теоретической
характеризует эффективность работы пресса и называется коэффициентом подачи шнека [6]
. (3)
где – угол между направлением движения формуемой массы и осью шнека (рис.1).
Тогда
(4)
В шнековых прессах пластического формования угол отклонения движения глиняной массы от оси шнека составляет 75–80 градусов [7], вследствие чего коэффициент подачи шнека низок .
Применение различных конструкторских решений [8, 9, 10], направленных на увеличение трения глиняной массы о внутреннюю поверхность корпуса шнекового пресса или уменьшение трения глины о шнек, может значительно повысить производительность пресса. Сила трения глиняной массы о внутреннюю поверхность корпуса шнекового пресса зависит от коэффициента трения глины об эту поверхность и от силы нормального давления.
Рис. 1. План скоростей
Увеличить силу нормального давления формуемой массы на внутреннюю поверхность корпуса пресса можно, изменив геометрию шнековой лопасти [11, 12] таким образом, чтобы образующие лопасти были направлены не по нормали к оси шнека, а имели наклон в сторону, противоположную направлению движения материала, от оси шнека к периферии, т.е. располагались под углом к нормали оси шнека (рис. 2).
Рис. 2. Шнековый вал, образующие лопасти которого расположены под углом к нормали оси вала
Рассмотрим равновесие элементарного объема материала, вырезанного из канала, образованного внутренней поверхностью корпуса пресса, валом и лопастью шнека (рис. 3). На элементарный объем материала действуют те же силы, что и в шнеке с лопастью, образующие которой направлены по нормали к оси шнека [13, 14, 15] и имеющие следующие значения.
Рис. 3. Схема сил, действующих на элементарный объем материала в шнековом канале пресса
Разность сил противодавления и подпора
. (5)
Сила трения материала о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса шнекового пресса
. (6)
Сила нормального давления на лопасть шнека от силы
. (7)
Составляющая силы трения материала о лопасть шнека от действия силы ;
. (8)
– составляющая силы трения материала о шнек от давления
.
Сила трения материала о лопасть шнека от давления
. (9)
Сила трения материала о вал шнека;
(10)
Условие равновесия элементарного объема материала относительно оси шнека после подстановок значений сил и моментов имеет вид:
;
(11)
Проинтегрировав (11) по в интервале от
до
, где
– число витков шнека, имеем
(12)
Решение уравнения (12) с применением вычислительной техники позволяет определить влияние угла наклона образующих шнековой лопасти на направление движения формуемой массы, а, следовательно, и на производительность шнекового пресса.
Рис. 4. Зависимость коэффициента подачи шнека от угла наклона образующих шнековой лопасти
На рис.4 представлена зависимость коэффициента подачи шнека , характеризующего эффективность работы шнекового пресса, от угла наклона образующих лопасти шнека при различных значениях коэффициента трения формуемой массы о металл шнека и корпуса пресса и следующих значениях геометрических параметров рабочих органов пресса: радиус лопасти шнека
; радиус вала шнека
; угол подъема винтовой линии шнека
.
Выводы. Количественные результаты показывают, что производительность шнекового пресса с лопастью, имеющей наклон от оси шнека к периферии, выше, чем у пресса с лопастью, образующие которой направлены по нормали к оси шнекового вала, на 10 – 30 % при подаче пластичных глиняных масс за счет увеличения поступательной составляющей движения формуемой массы в направлении продольной оси шнека. Анализ полученных результатов показывает, что рациональное значение угла наклона образующих шнековой лопасти зависит от свойств формуемой массы и составляет .
*Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №16-38-00287 мол_а.
1. Герасимов М.Д. Теоретические и технические основы совершенствования шнековых прессов для формования керамических строительных материалов. Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. 160 с.
2. Бауман В.А. Клушанцев Б.В., Мартынов В.Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1981. 324 с.
3. Чаус К.В. Чистов Ю.Д., Лабзина Ю.В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1988. 448 с.
4. Евстратова Н.Н. Самоочищающийся ленточный шнековый пресс // А.с. 1201168 СССР, МКИ В 30 В (/14.-373 5 903/25-27; Заявл. 08.05.84; Опубл. 30.12.85. Бюл.№48. 1985.
5. Apachanov A.S., Rud A.V., Belousov K.Y. Modeling of the Motion Clay Mass in the Screw Сhannel of the Screw Press // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. Pp. 906-910
6. Силенок С.Г., Борщевский А.А., Горбовец М.Н. и др. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 388 с.
7. Борщевский А.А., Ильин А.С. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1987. 376 с.
8. Апачанов А.С., Григорьев В.И., Евстратова Н.Н. Влияние формы внутренней поверхности корпуса шнекового пресса на направление движения формуемой массы глины // Науковi працi Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Випуск 14(127), серiя гiрничоелектромеханiчна. Донецьк ДВНЗ «ДонНТУ», 2007. С. 128-132.
9. Григорьев В.И., Белоусов К.Ю. Проектирование функциональных модулей шнековых прессов робототехнических комплексов // Вестник Саратовского государственного технического университета: 2013. №2(71). Выпуск 2. С. 239-244.
10. Богданов В.С., Федоров Г.Д. Технологические комплексы предприятий промышленности строительных материалов. Учебник для студентов вузов по специальности «Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий промышленности строительных материалов». Белгород, «Везелица», 2007. 446 с.
11. Апачанов А.С., Усолкина А.Р., Носачев Н.И. Моделирование процесса движения глиняной массы в винтовом канале пресса и оптимизация параметров рабочих органов шнековых прессов // Перспектива - 2017: материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. III. Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2017. С. 11-18.
12. Евстратова Н.Н., Загороднюк В.Т. Оптимизация геометрических параметров рабочих органов шнекового питателя // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 1999. № 2. С. 109-111.
13. Туренко А.В. Расчет глиноперерабатывающего оборудования и прессов пластического формования для производства керамических строительных изделий. М.: МИСИ, 1985. 86 с.
14. Евстратова Н.Н., Линник Ю.Н., Юрченко В.И. Закономерности движения пластичного материала в шнековом канале винтового пресса // Современные технологии в машиностроении - 2003: Сб. статей VI Всерос. науч. - практич. конф. 26-27 февраля 2003 г. Пенза, 2003. С. 216-219.
15. Евстратова Н.Н., Юрченко В.И. Расчет и проектирование шнековых прессов для формования глиняного кирпича. Новочеркасск. ЮРГТУ (НПИ) 2007 102 с.
